電源工程師設(shè)計札記（一）：輕松完成電源設(shè)計

電源設(shè)計對于每個工程師來說都會有點熟悉而又陌生的感覺。如何有效攻克電源設(shè)計中遇到的疑難雜癥？加強工程師之間溝通，充分利用工程師的設(shè)計心得是其中一個有效途徑?；诖?，電子發(fā)燒友網(wǎng)將電子發(fā)燒友網(wǎng)讀者奉上《電源工程師設(shè)計札記》系列大餐，之后還將會推出相關(guān)電子書，敬請留意！

　　1、如何使過壓過流電路保護設(shè)計更輕松？

　　對于大型的控制電路，比如LED燈塔的電源控制線路，其保護以及維修都是一個比較復(fù)雜的工程。使用TBU方案，是否可以使過壓過流電路保護解決方案設(shè)計更輕松呢？

　　本文從傳統(tǒng)的保護元器件入手，對比傳統(tǒng)過流過壓保護元器件和TBU方案的工作方式，深度解析TBU與傳統(tǒng)過壓過流電路保護元件的區(qū)別及其應(yīng)用限制，為廣大電子工程師探索過壓過流電路保護方案輕松設(shè)計之道。

　　保護元器件的分類

　　保護電子元器件主要分成兩大塊，如圖所示，一塊是過流保護，一塊是過壓保護。

　　相對過壓的保護元件，過流的保護元件主要分成圖示上部分的幾塊，右邊的元件反應(yīng)速度快，但通流量較小，而左邊的元件相反，所以需要做一些搭配。主要是整合器的元器件，如TBU。TBU把過流和過壓的元器件組合在一起，可同時進行過流和過壓保護。

　　傳統(tǒng)過流和過壓保護元器件的組合和工作方式

　　下圖是最常見的組合圖，可以看出怎樣把過流和過壓保護元器件放在一般的線路上。

　　過流的產(chǎn)品一定是串聯(lián)在電路上，包含一般電阻或電壓。而過壓的產(chǎn)品主要并聯(lián)在電路上，包含一級壓、二級壓、三級壓。類似TBS管等，二級和三級基本可以互換，關(guān)鍵是怎樣做搭配，保護系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作非常重要。

　　按傳統(tǒng)的方式，當(dāng)一個雷擊進來之后，首先上升的一定是電壓，一定是內(nèi)部靠近IC部分的保護器件最先反應(yīng)，若沒有反應(yīng)，內(nèi)部線路肯定會被擊穿；或TBS管一定要運作，作為開關(guān)直接關(guān)閉。

　　舉例來說，由于過電壓產(chǎn)品最怕電流質(zhì)，而過電流產(chǎn)品最怕電壓，當(dāng)TBS打開之后，所有的電流都會往一邊流。若出現(xiàn)一個很大的雷擊，這個TBS管一定會被擊穿。所以必須要在外面擺上一個氣體管，來保護這個TBS管。當(dāng)電流經(jīng)過這個管后，其電壓會持續(xù)上升，靠近外面的氣體放電管，必須要在動作之后才能保護 TBS管。一般來講，PDC的速度非常慢，所以單個雷擊進來之后PDC沒有辦法動作。

　　TBU是近十年一個比較新的產(chǎn)品，是高速的保護器，也可以說是一個電子的限流器?，F(xiàn)在來看看TBU的工作方式與傳統(tǒng)過壓過流保護元器件有何不同。

　　TBU的工作方式

　　傳統(tǒng)電子保險絲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　TUB的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　與傳統(tǒng)的雙向保險絲結(jié)構(gòu)相比，TUB最重要的差異是電壓部分。傳統(tǒng)保險絲的工作方式是把電流導(dǎo)到地的方式，而TBU方式主要是用隔離的方式。雷擊進來之后電流經(jīng)過內(nèi)部的IC去走，當(dāng)電流超過觸發(fā)點之后，TBU就會打開，TBU打開之后所有的能量都是隔絕在外，這時候電壓還是會持續(xù)上升。在外部放一個氣體管保護TBU。由于過電流產(chǎn)品最怕是電壓。而TBU是過電流產(chǎn)品，假設(shè)選擇的是一個850v的TBU，必須確定線路偷走的電壓值不能夠超過850v，所以必須在外部再擺一個氣體放電管去保護TBU，這點與傳統(tǒng)的方式有所區(qū)別。事實上兩種應(yīng)用方式的區(qū)別是后者做了開關(guān)，把能量全部阻絕在外面。

　　把TBU放入電路之后，電流會上升，這時候TBU就要打開，阻絕到電流跟電壓，電路就被保護。當(dāng)電壓上升之后，因為其反應(yīng)速度非?？?，代表電流也上升，TBU動作之后會阻絕電壓與電流的部分。TBU是電流啟動電壓回復(fù)的元件。當(dāng)TBU沒有動作的時候，如同電阻；電流超過之后，開關(guān)直接打開，承接高阻；當(dāng)電壓回復(fù)之后，TBU回復(fù)原本工作狀態(tài)。

2、如何選擇開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)

　　電源是電子產(chǎn)品中必不可少的一部分，現(xiàn)在逐漸流行開關(guān)電源，其拓撲結(jié)構(gòu)有很多種。下面就個人了解，羅列一些（不一定全）供大家參考。首先要明確您的產(chǎn)品中電源部分是否要與輸入電源隔離。

　　對于不隔離式開關(guān)電源，大體上有降壓（buck）、升壓（boost）、極性反轉(zhuǎn)（負輸出，降升壓buck-boost）、斬波（cuck）3種類型。對于隔離式開關(guān)電源，分正激、反激、半橋、全橋、推挽5種類型。

　　先說不隔離式：

　　降壓（buck）型原理如下圖所示，前半周期Q1導(dǎo)通向C供電同時L1儲能，后半周期D1導(dǎo)通L1放能向C供電。

　　升壓（boost）型原理如下圖所示，前半周期Q1導(dǎo)通L1儲能，后半周期D1導(dǎo)通L1放能與V1串連向C1供電。

　　極性反轉(zhuǎn)型原理如下圖所示，前半周期Q1導(dǎo)通L1儲能，后半周期D1導(dǎo)通L1放能向C1供電。

　　若輸入電壓大于工作電壓，則選用降壓型，反之選擇升壓型。若單電源輸入，需要+、-電源時選用極性反轉(zhuǎn)型。

　　再說隔離式：若輸出功率較小（100W以下）常用反激式；若功率稍大，可選用正激式；再大就要采用半橋或全橋式了。

　　反激式是磁性元件在前半周儲能，后半周期傳遞能量。并關(guān)管要承受電源電壓與反激電壓之和，一般220V整流后要用700V左右的功率管。

　　正激式是在前半周期直接傳遞能量，后半周期泄放磁場。若磁場泄放不掉，則后面的周期中會因磁飽和而燒毀功率器。

　　全橋式是有4個功率器件，能夠讓變壓器原邊電流來回流動，在每半個周期都傳遞能量，所以能做到較大功率。

　　半橋式是全橋式的簡化，它將一個橋臂上的功率器件換成電容，節(jié)約了一半數(shù)量的功率器件，且功率器件上承受的電壓也減半，故降低了成本。

　　升壓變換中多采用推挽式，因原邊電壓較低，繞組匝數(shù)少，繞成雙原邊也不增加多少成本，雙繞組又能增加功率，故是廣泛采用的方式。

　　3、多電源系統(tǒng)的監(jiān)控和時序控制

　　現(xiàn)今，電子系統(tǒng)往往具有許多不同的電源軌。在采用模擬電路和微處理器、DSP、ASIC、FPGA的系統(tǒng)中，尤其如此。為實現(xiàn)可靠、可重復(fù)的操作，必須監(jiān)控各電源電壓的開關(guān)時序、上升和下降速率、加電順序以及幅度。既定的電源系統(tǒng)設(shè)計可能包括電源時序控制、電源跟蹤、電源電壓/電流監(jiān)控和控制。有各種各樣的電源管理IC可以執(zhí)行時序控制、跟蹤、上電和關(guān)斷監(jiān)控等功能。

　　時序控制和跟蹤器件可以監(jiān)控和控制多個電源軌，其功能可能包括設(shè)置開啟時間和電壓上升速率、欠壓和過壓故障檢測、余量微調(diào)（在標(biāo)稱電壓值的一定范圍內(nèi)調(diào)整電源電壓）以及有序關(guān)斷。適合這些應(yīng)用的IC種類眾多，簡單的如利用電阻、電容和比較器構(gòu)成的純模擬器件，復(fù)雜的如高集成度狀態(tài)機和通過 I2C bus.總線進行數(shù)字控制的可編程器件。某些情況下，系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)器和控制器可能包括關(guān)鍵控制功能。

　　對于采用多個開關(guān)控制器和調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)，還有一個考慮是器件以不同開關(guān)頻率工作時，如何將產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲降至最低。常常需要同步調(diào)節(jié)器的時鐘，事實上，如今的許多高性能開關(guān)控制器和調(diào)節(jié)器都可以與外部時鐘同步。

　　圖1. 電源軌的控制類型

電源時序控制和跟蹤

　　所謂電源時序控制，是指以指定順序開關(guān)電源。電源時序控制可以簡單地基于既定的時間順序，或者一個電源的開啟時間取決于另一個電源何時達到設(shè)定的閾值。電源跟蹤基于這樣一個事實：電源電壓無法（一般也不應(yīng)）瞬間改變。電源系統(tǒng)設(shè)計師可以利用這一特性，有效地控制系統(tǒng)中各電源相對于其它電源的斜率。電源跟蹤分為三類：同步、比率和偏移。圖1中的四幅圖對時序控制、同步跟蹤、比率跟蹤和偏移跟蹤進行了比較。

　　圖1a中，三個電源按一定的時間順序開啟和關(guān)閉。首先是3.3 V電源開啟，后續(xù)電源的開啟和關(guān)閉延遲時間取決于應(yīng)用的需要。如果額定最大值要求電源按一定的順序激活，這種簡單的時序控制技術(shù)將能確保有源器件的電壓不會超過額定最大值。舉例來說，在ADC驅(qū)動的放大器上電之前，我們必須保證ADC的電源存在，否則可能損壞ADC的前端。

　　圖1b顯示同步跟蹤情況，所有三個電源同時開啟，并且以相同的速率彼此跟蹤，因此最低電源電壓首先建立，然后是較高的電源電壓。電源關(guān)斷以相反的方式進行。這個例子很好地說明了舊式FPGA或微處理器應(yīng)用中電源是如何接通的：首先激活較低的內(nèi)核電壓，然后接通輔助或I/O電源。稍后將以Xilinx Virtex-5 FPGA的同步跟蹤舉例說明。

　　圖1c中，電源以不同的斜率上電。如前所述，能夠?qū)﹄娫吹男甭蔰V/dt進行控制是一個非常有用的特性，它可以防止電路中去耦電容的大浪涌電流（充電電流）損壞器件。如果不加限制的話，浪涌電流可能大大超過標(biāo)稱工作電流。斜率限制可以防止有源器件閂鎖、電容短路、PCB走線受損以及線路保險絲熔斷。

　　圖1d中，所有電源具有相同的斜率，但其施加時間由預(yù)定的失調(diào)電壓決定。此類跟蹤適用于需要限制電源電壓差（常常出現(xiàn)在DAC和ADC等混合信號器件的額定最大值部分）的器件，這種方法可以防止器件永久性受損。

　　基于FPGA的設(shè)計示例

　　使用FPGA系統(tǒng)的供電是探討多電源系統(tǒng)處理的活教材。適當(dāng)?shù)腇PGA電源控制對于實現(xiàn)可靠、可重復(fù)的設(shè)計至關(guān)重要，否則可能會在實驗室甚至現(xiàn)場引發(fā)災(zāi)難性故障。大多數(shù)FPGA具有多個電源軌，一般表示為 VCCO， VCCAUX， 和 VCCINT. 這些電源分別用于為FPGA內(nèi)核、輔助電路（如時鐘和PLL等）、接口邏輯供電。

　　這些電源軌需要考慮的事項可以分為如下幾類：

　　電源軌的時序控制

　　電源軌電壓的容差要求

　　電源可能有軟啟動或斜率控制需求

　　下面以Xilinx Virtex-5系列FPGA的電源要求為例來說明，該系列提供許多特性，包括邏輯可編程能力、信號處理和時鐘管理。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，Virtex-5的電源上電順序要求為 VCCINT， VCCAUX， and VCCO. 這些電源相對于地的斜坡時間為200 μs（最小值）至50 ms（最大值）。建議工作條件如表1所示。

　　The 如前所述，Virtex-5要求同步電壓跟蹤。此外，電源必須在特定的建議工作容差范圍內(nèi)，而且必須在特定的dV/dt范圍內(nèi)上升和下降。