現(xiàn)代設(shè)計中電源子系統(tǒng)的創(chuàng)建(下)

多數(shù)工程師在設(shè)計耐用的開關(guān)轉(zhuǎn)換器時都會遇到困難。第一個問題是穩(wěn)定性。復雜控制回路的穩(wěn)定是一個令人怯步的工作，因為很多轉(zhuǎn)換器都需要輸出電壓中的一個紋波才能正常工作。其它問題還有次諧波振蕩，必須將一個躍升信號注入基準。當大容值陶瓷電容器價格降至合理范圍時，很多工程師會用它們代替輸出電解電容器。陶瓷電容器有很低的 ESR(等效串聯(lián)電阻)，基本上沒有引起振蕩的紋波電壓。紋波電壓本身可能違背設(shè)計要求，例如在為模擬電路供電時。這個問題需要作后置穩(wěn)壓，或者使用附加的電感阻尼方法。

噪聲是另一個常見問題，它會散發(fā)到輸入或輸出電源線上，或以電磁輻射方式發(fā)射到周圍空間。設(shè)計者可能沒有注意到這個問題，而直到量產(chǎn)前送FCC 和 CE做測試時才發(fā)現(xiàn)，這是最糟的情況。設(shè)計者可以采用多種技術(shù)，將這個噪聲與外界和系統(tǒng)其它部分屏蔽開來。不過最好的方法是在第一地點就不產(chǎn)生噪聲，其次才是嘗試在幾十、幾百個終端用戶設(shè)備中作屏蔽。

與線性穩(wěn)壓器一樣，發(fā)熱也是開關(guān)轉(zhuǎn)換器的問題。多數(shù)降壓穩(wěn)壓器都會在繼流二極管上產(chǎn)生更多熱量，而不是在 FET 上。美國國家半導體公司的WEBENCH在線設(shè)計工具給出的熱量圖顯示，二極管 D1 是電路板上最熱的元件，它正在加熱鄰近的 IC(圖 5)。為了減少繼流二極管產(chǎn)生的熱量，同步降壓穩(wěn)壓器采用第二支異相 FET 代替了二極管。

上述大部分問題都可以溯源到不恰當?shù)挠≈齐娐钒宀季帧，F(xiàn)在有幾篇文章在討論一個優(yōu)良的開關(guān)穩(wěn)壓器布局時易犯的錯誤。工程師應利用公司內(nèi)制造穩(wěn)壓 IC 的應用工程人員的優(yōu)勢。如果應用工程師先審查你的設(shè)計和布局，然后再送去制造，就可以避免相當多的挫折和混亂。

脫機穩(wěn)壓器

到此為止，本文討論的都是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。另一類轉(zhuǎn)換器是從交流電獲得直流電。交流電一般取自民用交流電源線;因此轉(zhuǎn)換器是脫機供電。其它設(shè)計采用隔離拓撲結(jié)構(gòu)，從原直流電源用經(jīng)典整流電路給出一個或多個直流電源。Allegro、On、STMicro、Power Integrations 和德州儀器公司 Unitrode 部門制造這類型的器件。脫機電源也有一些問題，包括浪涌電流和諧波電流。浪涌電流是在關(guān)閉輸入開關(guān)的瞬間，為輸入電容器充電的大量電流。這個電流可以威脅到整流二極管，造成電容器過早失效。解決這個問題的方法包括在輸入端串接 NTC(負溫度系列)器件。這些器件在低溫時有大電阻。當輸入電流進入電容器時，器件被加熱，電阻下降。它的缺點是工作溫度可以達到 190°C，并且對環(huán)境溫度很敏感。

脫機電源的第二個問題是輸入電容器會產(chǎn)生大的電流尖峰。這些尖峰在每個線路周期完成。用 PFC 可以降低這些尖峰，歐洲銷售的電源產(chǎn)品都必須帶 PFC。記得要給電解電容器加保險絲。如果在量產(chǎn)前未能通過 UL 著火溫度測試，那么其后果與未通過 FCC 和 CE EMI/RFI(電磁干擾/射頻干擾)測試一樣是災難性的。

使用開關(guān) IC的脫機穩(wěn)壓器的另一個通常問題是起動電路的靜態(tài)電流。必須在任何振蕩和穩(wěn)壓開始前為芯片提供 5V ~ 10V 的電壓。因此，往往要用一個大功率電阻器將這個電壓送至芯片。如果將電阻器跨接在 170V 或更高直流總線與 5V 或 10V IC 電源線路之間，則會產(chǎn)生相當大的功耗。此時，設(shè)計者可以用 500V Supertex 耗盡型 FET，但這種方法可能不適合低成本電源。有些供應商(例如 Power Integrations)開發(fā)了一些替代結(jié)構(gòu)來解決這個問題。該公司營銷副總裁 Doug Bailey 說：“采用集成功率晶體管的解決方案可以使用高壓 MOSFET 作為分壓器，從控制部分獲得能量，而在低電壓時只有少量電流分流。Power Integrations 已將這種方案用于所有開關(guān) IC 中，工作得都很好。”