基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)中電源子系統(tǒng)的創(chuàng)建問題分析

　　從線性電源到數(shù)字電源，我們有很大的設(shè)計(jì)選擇范圍。本文簡要介紹設(shè)計(jì)者面對(duì)的一些替代方案，以及會(huì)出現(xiàn)的問題。

　　要點(diǎn)

　　電源子系統(tǒng)可以采用線性、開關(guān)、電荷泵、AC/DC、數(shù)字管理，或數(shù)字控制等方式。

　　線性電源有發(fā)熱問題。

　　電荷泵會(huì)產(chǎn)生噪聲注入。

　　開關(guān)電源必須處理好穩(wěn)定性、噪聲和發(fā)熱問題。

　　數(shù)字管理和數(shù)字控制電源通常需要在產(chǎn)品推出前做好軟件工作。

　　在現(xiàn)代產(chǎn)品中，功率電子可以是最簡單的，也可以是最復(fù)雜的子系統(tǒng)。這并不令人驚訝，因?yàn)閼?yīng)用也有簡有繁。最簡單時(shí)，一個(gè)電源可以是一個(gè)大的齊納二極管，如用在潛艇的有線增音器分離艙中。這些分離艙需要極端的可靠性，電阻器加二極管的方案是最簡單，因而也是最可靠的方案。齊納管要耗散出相當(dāng)多的熱量，但海流會(huì)很容易把熱量帶走。復(fù)雜程度略高一點(diǎn)的是線性穩(wěn)壓器，這是常見的有用部件。LM317是美國國家半導(dǎo)體公司網(wǎng)站數(shù)據(jù)表下載次數(shù)最多的器件。線性穩(wěn)壓器的運(yùn)行就像一個(gè)閥門，它擋住電路中的電流，以保證電壓的穩(wěn)定不變。“晶體管”這個(gè)詞的英文Transistor來自兩個(gè)詞的組合：互導(dǎo)(transconductance)和變阻器(varistor)。線性穩(wěn)壓器中的晶體管通過夾斷電流來控制電壓，因此，它產(chǎn)生互導(dǎo)。在其運(yùn)行中，它作為一個(gè)可變電阻，或變阻器。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器都采用NPN導(dǎo)通元件，低壓差穩(wěn)壓器則使用PNP晶體管。

　　比較復(fù)雜的穩(wěn)壓器是電荷泵。它用多支晶體管作開關(guān)，而不是用作線性器件。這些開關(guān)將電荷傳送給一個(gè)電容器，然后改變連接，由電容器將施加的初始電壓翻倍或反相。

　　當(dāng)轉(zhuǎn)向開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，復(fù)雜性出現(xiàn)了一次巨大的飛躍。這類電路中有高頻磁鐵、一個(gè)控制回路，并至少有一支起開關(guān)作用的晶體管。你可以從Vicor或Tyco購買磚型的整體穩(wěn)壓器，或也可以自己動(dòng)手，用零件自己做穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器有各種類型：降壓、升壓、反相、隔離、SEPIC(單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器)和Cuk(發(fā)音為“chook”)。

　　所有這些電源電路都可以把一個(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換為其它直流電壓。很多設(shè)計(jì)使用變壓器來改變交流電壓，或先用電路將交流轉(zhuǎn)換為直流，再用后面的DC/DC轉(zhuǎn)換。最講究的AC/DC轉(zhuǎn)換電路之一是PFC(功率因子校正)電路，它采用一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確保轉(zhuǎn)換器的輸入電流與輸入電壓成比例，而普通AC/DC電路中輸入電流會(huì)出現(xiàn)尖峰。

　　電源領(lǐng)域中的一個(gè)新詞匯是“數(shù)字電源”。它可以意味很多東西，從簡單地使用數(shù)字輸入以關(guān)斷穩(wěn)壓器，到能與芯片作數(shù)字通信，用于監(jiān)控模擬PWM過程，以及用DSP閉合回路，并用PWM信號(hào)直接控制導(dǎo)通元件。

　　從基礎(chǔ)開始說，線性穩(wěn)壓器采用一支晶體管來降低直流電壓。普通線性穩(wěn)壓器(例如LM317)用NPN晶體管作限制。由于NPN晶體管的基射結(jié)有0.6V壓降，所以這些穩(wěn)壓器需要相當(dāng)大的輸入輸出壓差。工程師們經(jīng)常犯一種錯(cuò)誤，即當(dāng)器件工作在低于推薦的壓降條件時(shí)，他們?nèi)约俣ㄝ敵鲭妷菏欠€(wěn)壓的。器件也許能提供正確的電壓，但不符合各種交流和熱規(guī)定。線性穩(wěn)壓器的大壓差要求一直維持到上世紀(jì)80年代初，當(dāng)時(shí)美國汽車制造商向半導(dǎo)體業(yè)提出需要一種低壓差的線性穩(wěn)壓器。為設(shè)計(jì)低壓差的穩(wěn)壓器(例如LM2936)，采用了PNP導(dǎo)通晶體管。使用這種方法后，即使在轉(zhuǎn)動(dòng)手柄啟動(dòng)汽車時(shí)電池電壓低至8V，穩(wěn)壓電路也能保持穩(wěn)壓狀態(tài)。美國國家半導(dǎo)體公司產(chǎn)品定義經(jīng)理Al Kelsch認(rèn)為，當(dāng)下降電壓接近零時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“^”，或輸入電壓的小尖峰，因?yàn)閷?dǎo)通晶體管的基極處于最大導(dǎo)通狀態(tài)。盡管IC設(shè)計(jì)者花費(fèi)很多時(shí)間，試圖設(shè)計(jì)一個(gè)基極驅(qū)動(dòng)電路，它能夠限制電流，消除尖峰，并仍能提供瞬態(tài)響應(yīng)和滿足其它規(guī)定，但客戶需要這個(gè)小尖峰，作為穩(wěn)壓器失效的檢測方法。然后他們就可以關(guān)掉整個(gè)電路。換句話說，客戶把設(shè)計(jì)者理解為故障的東西看成了一種功能。

　　線性穩(wěn)壓器最大的問題就是發(fā)熱。由于穩(wěn)壓器運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)通晶體管中要通過大的電流，它會(huì)消耗大量功率。大多數(shù)線性穩(wěn)壓器都有一個(gè)熱關(guān)斷點(diǎn)，可以防止器件被摧毀，但如果關(guān)斷發(fā)生在工作狀態(tài)，則會(huì)導(dǎo)致電路失效。

　　線性穩(wěn)壓器的另一個(gè)設(shè)計(jì)問題也適用于大多數(shù)電源。你必須假定一個(gè)產(chǎn)品壽命周期的某個(gè)時(shí)點(diǎn)上，會(huì)出現(xiàn)電解電容器短路現(xiàn)象。如果發(fā)生短路，必須確保穩(wěn)壓器和電路板不致燒毀或造成其它損壞。還必須在輸入電解電容器和任何鉭電容器處提供一個(gè)保險(xiǎn)絲或易熔印制電路走線。即使產(chǎn)品的壁式電源座不可能提供足以引起火災(zāi)的電流，但一個(gè)勤奮的工程師也必須為這種情況做好準(zhǔn)備，以防用戶用較大功率或不正確的壁式電源座為產(chǎn)品供電(圖1)。

　　電荷泵

　　另一種DC/DC轉(zhuǎn)換器是電荷泵，它可以通過切換電容器充電輸入電壓上的一個(gè)電容器，實(shí)現(xiàn)輸入電壓的反相、翻倍或三倍。然后將該電容器切換到輸入電壓上，形成一個(gè)倍壓器。此外，還可以將電容器正極連接到輸入公共端，制造一個(gè)電壓反相器。經(jīng)典的電荷泵是Intersil在上世紀(jì)80年代推出的ICL7660.其它這樣的器件有Catalyst Semiconductor的CAT3636，它采用一種新穎的方法，實(shí)現(xiàn)了非整數(shù)電壓步進(jìn)，例如1V， 1.33V， 1.5V和2V.這種方法可以在手持系統(tǒng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高達(dá)92%的效率。這一效率可與普通電感升壓轉(zhuǎn)換器相比，尤其是很多制造商為電感升壓轉(zhuǎn)換器規(guī)定的效率數(shù)字是基于使用體積過大的電感。

　　由于電容器天生就會(huì)限制該部件能夠提供的電流量，散熱問題很少出現(xiàn)在電荷泵中。但它們也有一些缺點(diǎn)，包括穩(wěn)壓效果差。除非使用一個(gè)后置線性穩(wěn)壓器，否則輸出會(huì)隨輸入而變化。Maxim用后置穩(wěn)壓電荷泵解決了這個(gè)問題。電荷泵的開關(guān)頻率和噪聲遠(yuǎn)小于開關(guān)轉(zhuǎn)換器，但噪聲仍可能進(jìn)入信號(hào)鏈。

　　另一類型穩(wěn)壓器就是開關(guān)穩(wěn)壓器，它采用一種晶體管開關(guān)和電感或變壓器來改變直流輸入電壓。圖2a顯示一個(gè)降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，它一步一步降低電壓的工作原理像一臺(tái)水車(圖2b)。該裝置的旋轉(zhuǎn)速率就類似于流經(jīng)電感的電流。與電感一樣，水車不能突然停止或啟動(dòng)。圖中可以揭示

　　出一些事實(shí)，即為什么工程師們經(jīng)常將二極管叫做“繼流”。當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，水車的慣性創(chuàng)造出強(qiáng)大的吸力。水車需要水來維持運(yùn)轉(zhuǎn)，止回閥提供這種功能。

　　升壓轉(zhuǎn)換器也采用與水車相同的方式(圖3)。很多工程師都處理不好磁電路，因?yàn)樗鼈兊母唠娍挂馕吨娏鞑荒芟裨陔娮杵髦心菢痈S電壓而變化。對(duì)降壓和升壓轉(zhuǎn)換器的直觀認(rèn)識(shí)有助于理解更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如Cuk、升壓/降壓和SEPIC.轉(zhuǎn)換器也可以用變壓器來建立隔離輸出(圖4)。回掃轉(zhuǎn)換器與正向轉(zhuǎn)換器的區(qū)別只是輸出二極管的極性不同，它將變壓器用作一個(gè)扼流圈。當(dāng)開關(guān)閉合和初級(jí)電流增加時(shí)，它們?cè)诖艌鲋写鎯?chǔ)能量。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，磁場中的能量通過次級(jí)泄放。設(shè)計(jì)者都青睞回掃轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗鼈兂杀镜?，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)輸出，所有輸出都能有相互間的良好跟隨特性。

　　多數(shù)工程師在設(shè)計(jì)耐用的開關(guān)轉(zhuǎn)換器時(shí)都會(huì)遇到困難。第一個(gè)問題是穩(wěn)定性。復(fù)雜控制回路的穩(wěn)定是一個(gè)令人怯步的工作，因?yàn)楹芏噢D(zhuǎn)換器都需要輸出電壓中的一個(gè)紋波才能正常工作。其它問題還有次諧波振蕩，必須將一個(gè)躍升信號(hào)注入基準(zhǔn)。當(dāng)大容值陶瓷電容器價(jià)格降至合理范圍時(shí)，很多工程師會(huì)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(jì)要求，例如在為模擬電路供電時(shí)。這個(gè)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(gè)常見問題，它會(huì)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(jì)者可能沒有注意到這個(gè)問題，而直到量產(chǎn)前送FCC和CE做測試時(shí)才發(fā)現(xiàn)，這是最糟的情況。設(shè)計(jì)者可以采用多種技術(shù)，將這個(gè)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(diǎn)就不產(chǎn)生噪聲，其次才是嘗試在幾十、幾百個(gè)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(huì)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(dǎo)體公司的WEBENCH在線設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)挠≈齐娐钒宀季帧，F(xiàn)在有幾篇文章在討論一個(gè)優(yōu)良的開關(guān)穩(wěn)壓器布局時(shí)易犯的錯(cuò)誤。工程師應(yīng)利用公司內(nèi)制造穩(wěn)壓IC的應(yīng)用工程人員的優(yōu)勢。如果應(yīng)用工程師先審查你的設(shè)計(jì)和布局，然后再送去制造，就可以避免相當(dāng)多的挫折和混亂。

　　脫機(jī)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(jī)供電。其它設(shè)計(jì)采用隔離拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)，從原直流電源用經(jīng)典整流電路給出一個(gè)或多個(gè)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(jī)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(gè)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(gè)問題的方法包括在輸入端串接NTC(負(fù)溫度系列)器件。這些器件在低溫時(shí)有大電阻。當(dāng)輸入電流進(jìn)入電容器時(shí)，器件被加熱，電阻下降。它的缺點(diǎn)是工作溫度可以達(dá)到190°C，并且對(duì)環(huán)境溫度很敏感。

　　脫機(jī)電源的第二個(gè)問題是輸入電容器會(huì)產(chǎn)生大的電流尖峰。這些尖峰在每個(gè)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(xiǎn)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(zāi)難性的。

　　使用開關(guān)IC的脫機(jī)穩(wěn)壓器的另一個(gè)通常問題是起動(dòng)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(gè)大功率電阻器將這個(gè)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(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗。此時(shí)，設(shè)計(jì)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(yīng)商(例如Power Integrations)開發(fā)了一些替代結(jié)構(gòu)來解決這個(gè)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(shí)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?！?/p>

　　數(shù)字管理或控制的電源采用一個(gè)普通模擬PWM回路，但與真正的數(shù)字控制建立聯(lián)系，而不是指多數(shù)控制器上普遍都有的數(shù)字關(guān)斷腳(圖6)。數(shù)字管理的功率IC首先在電池充電器IC中找到用途。過去的化學(xué)電池(例如鉛酸電池)經(jīng)常使用一組穩(wěn)壓IC，為每節(jié)電池提供2.3V ~ 2.36V電壓，這要取決于應(yīng)用能否承受較高的充電電壓。即使這些簡單的充電器也經(jīng)常增加環(huán)境溫度檢測、時(shí)間限制器，或電池溫度檢測功能，以調(diào)整充電電壓。鎳金屬氫電池及更廣泛使用的鋰離子化學(xué)電池需要更多的數(shù)字監(jiān)控。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可能要根據(jù)溫升或電壓上升而終止充電周期。如果電池已報(bào)廢，就不應(yīng)起動(dòng)全功率的充電。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，充電器IC必須以“打嗝”方式向電池送入一個(gè)小電流，并進(jìn)行監(jiān)控，直到電壓升高到足以接受全功率充電。如果電池已經(jīng)充了幾小時(shí)，仍然沒有到達(dá)終止點(diǎn)，則IC應(yīng)結(jié)束充電周期。環(huán)境溫度故障和很多其它變量也可能有關(guān)系。美國國家半導(dǎo)體公司的應(yīng)用工程師Mary Kao說：“我們不再把電池充電器IC看作一個(gè)帶有一些邏輯的PWM電路。我們認(rèn)為它現(xiàn)在是帶模擬PWM的一個(gè)微控制器?！?/p>

　　一旦電池充電器IC道路被鋪平，很多其它應(yīng)用也需要對(duì)模擬PWM回路的大量數(shù)字控制。例如，Xilinx FPGA需要嚴(yán)格的上電順序和控制。有一家供應(yīng)商Cradle制作了一個(gè)多核DSP IC.由于它是一個(gè)0.13μm的CMOS器件，使用了DDR SDRAM，因此電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就成為挑戰(zhàn)。需求包括I/O的3.3V、內(nèi)核的1.2V、DDR-SDRAM I/O的2.5V、用于DDR-SDRAM阻抗電壓的1.25V陷流源、DRAM電壓基準(zhǔn)，以及用于另一IC的1.8V.Cradle工程師Tapeng Huang和Craig Calder與Intersil的Mike Cheong一起，用單只多通道控制器重新設(shè)計(jì)了五個(gè)獨(dú)立的電源輸出。他們使用了兩個(gè)DC/DC控制器、兩個(gè)專用的DDR輸出，以及兩個(gè)獨(dú)立的低壓差穩(wěn)壓器。在一個(gè)更熟悉的領(lǐng)域中，大多數(shù)PC機(jī)用

　　戶都知道處理器和內(nèi)存的供電電壓是采用數(shù)字控制的。手持設(shè)備可能有復(fù)雜的控制需求，以節(jié)省電池能量和延長運(yùn)行時(shí)間。

　　數(shù)字電源采用DSP而不是模擬PWM回路，通過算術(shù)運(yùn)算保持回路的穩(wěn)定(圖7)。這種方案可以提供回路補(bǔ)償?shù)撵`活性，但這種靈活性是有代價(jià)的。Elandesigns的主管Dave Mathis指出：“如果你準(zhǔn)備修改補(bǔ)償，就必須根據(jù)變化而檢測一些東西。在采集時(shí)間和錯(cuò)誤條件下，這是自找麻煩?！碑?dāng)然，有經(jīng)驗(yàn)的控制系統(tǒng)工程師都知道，性能良好的系統(tǒng)通常有一個(gè)優(yōu)勢的部分。然而，德州儀器、Silicon Labs和Primarion都制造數(shù)字電源設(shè)備。Primarion發(fā)表的文章中表示，未來所有電源都將是數(shù)字化的，模擬工程師要抵抗數(shù)字電源的實(shí)現(xiàn)，就只能保護(hù)自己的領(lǐng)地。Primarion并不使用DSP管理控制回路。它使用了一個(gè)自由運(yùn)行的狀態(tài)機(jī)，其功耗遠(yuǎn)低于DSP.控制仍在數(shù)字回路中，而不是模擬PWM回路。德州儀器公司數(shù)字電源經(jīng)理Steven Bakota指出：“數(shù)字電源不是什么新鮮東西。TI已經(jīng)銷售了10年數(shù)字電源……以庫的形式使用標(biāo)準(zhǔn)DSP.現(xiàn)在的差別是，我們有了自己的Fusion系列定制件，和一個(gè)軟件開發(fā)環(huán)境，可以簡化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。”

　　一片DSP中的6萬支晶體管為數(shù)字電源系統(tǒng)提供控制回路，而模擬方案只需要大約100支晶體管。數(shù)字電源迷們還吹噓說靜態(tài)功耗只有7 mA.這個(gè)數(shù)字在一個(gè)刀片服務(wù)器中也許是可以接受的，因?yàn)樗褂脡ι想娫垂ぷ?，但依靠電池工作或便攜產(chǎn)品就難以承受這么大的功耗。而模擬方案可以工作在1 mA以下。設(shè)計(jì)者還應(yīng)評(píng)估系統(tǒng)的瞬時(shí)功耗。如果在一次供電瞬時(shí)后，DSP還要重新初始化，并運(yùn)行用戶編寫的代碼，那么就可能不適合某些應(yīng)用。最后還有一個(gè)警告，經(jīng)理們希望把復(fù)雜的軟件開發(fā)工作放在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的結(jié)尾，這通常是設(shè)計(jì)電源子系統(tǒng)的時(shí)間。經(jīng)理們不要因設(shè)計(jì)的平淡無奇而放松警惕。如果設(shè)計(jì)簡單，可以使用低成本和靜態(tài)電流也較低的模擬PWM部分。要設(shè)法確認(rèn)，一個(gè)數(shù)字管理的系統(tǒng)并不比全DSP數(shù)字控制回路更合適。