現代設計中電源子系統的創(chuàng )建(下)

多數工程師在設計耐用的開(kāi)關(guān)轉換器時(shí)都會(huì )遇到困難。第一個(gè)問(wèn)題是穩定性。復雜控制回路的穩定是一個(gè)令人怯步的工作，因為很多轉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(wèn)題還有次諧波振蕩，必須將一個(gè)躍升信號注入基準。當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(méi)有引起振蕩的紋波電壓。紋波電壓本身可能違背設計要求，例如在為模擬電路供電時(shí)。這個(gè)問(wèn)題需要作后置穩壓，或者使用附加的電感阻尼方法。

噪聲是另一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，它會(huì )散發(fā)到輸入或輸出電源線(xiàn)上，或以電磁輻射方式發(fā)射到周?chē)臻g。設計者可能沒(méi)有注意到這個(gè)問(wèn)題，而直到量產(chǎn)前送FCC 和 CE做測試時(shí)才發(fā)現，這是最糟的情況。設計者可以采用多種技術(shù)，將這個(gè)噪聲與外界和系統其它部分屏蔽開(kāi)來(lái)。不過(guò)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(hù)設備中作屏蔽。

與線(xiàn)性穩壓器一樣，發(fā)熱也是開(kāi)關(guān)轉換器的問(wèn)題。多數降壓穩壓器都會(huì )在繼流二極管上產(chǎn)生更多熱量，而不是在 FET 上。美國國家半導體公司的WEBENCH在線(xiàn)設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，同步降壓穩壓器采用第二支異相 FET 代替了二極管。

上述大部分問(wèn)題都可以溯源到不恰當的印制電路板布局?，F在有幾篇文章在討論一個(gè)優(yōu)良的開(kāi)關(guān)穩壓器布局時(shí)易犯的錯誤。工程師應利用公司內制造穩壓 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。

脫機穩壓器

到此為止，本文討論的都是 DC/DC 轉換器。另一類(lèi)轉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(xiàn);因此轉換器是脫機供電。其它設計采用隔離拓撲結構，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(mén)制造這類(lèi)型的器件。脫機電源也有一些問(wèn)題，包括浪涌電流和諧波電流。浪涌電流是在關(guān)閉輸入開(kāi)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(guò)早失效。解決這個(gè)問(wèn)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(shí)有大電阻。當輸入電流進(jìn)入電容器時(shí)，器件被加熱，電阻下降。它的缺點(diǎn)是工作溫度可以達到 190°C，并且對環(huán)境溫度很敏感。

脫機電源的第二個(gè)問(wèn)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(xiàn)路周期完成。用 PFC 可以降低這些尖峰，歐洲銷(xiāo)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(guò) UL 著(zhù)火溫度測試，那么其后果與未通過(guò) 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(kāi)關(guān) IC的脫機穩壓器的另一個(gè)通常問(wèn)題是起動(dòng)電路的靜態(tài)電流。必須在任何振蕩和穩壓開(kāi)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(xiàn)與 5V 或 10V IC 電源線(xiàn)路之間，則會(huì )產(chǎn)生相當大的功耗。此時(shí)，設計者可以用 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(kāi)發(fā)了一些替代結構來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。該公司營(yíng)銷(xiāo)副總裁 Doug Bailey 說(shuō)：“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(kāi)關(guān) IC 中，工作得都很好。”