電源工程師設計札記（一）：輕松完成電源設計

電源設計對于每個(gè)工程師來(lái)說(shuō)都會(huì )有點(diǎn)熟悉而又陌生的感覺(jué)。如何有效攻克電源設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計心得是其中一個(gè)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《電源工程師設計札記》系列大餐，之后還將會(huì )推出相關(guān)電子書(shū)，敬請留意！

　　1、如何使過(guò)壓過(guò)流電路保護設計更輕松？

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

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

　　保護元器件的分類(lèi)

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

　　相對過(guò)壓的保護元件，過(guò)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(guò)流和過(guò)壓的元器件組合在一起，可同時(shí)進(jìn)行過(guò)流和過(guò)壓保護。

　　傳統過(guò)流和過(guò)壓保護元器件的組合和工作方式

　　下圖是最常見(jiàn)的組合圖，可以看出怎樣把過(guò)流和過(guò)壓保護元器件放在一般的線(xiàn)路上。

　　過(guò)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(guò)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(lèi)似TBS管等，二級和三級基本可以互換，關(guān)鍵是怎樣做搭配，保護系統的協(xié)調工作非常重要。

　　按傳統的方式，當一個(gè)雷擊進(jìn)來(lái)之后，首先上升的一定是電壓，一定是內部靠近IC部分的保護器件最先反應，若沒(méi)有反應，內部線(xiàn)路肯定會(huì )被擊穿；或TBS管一定要運作，作為開(kāi)關(guān)直接關(guān)閉。

　　舉例來(lái)說(shuō)，由于過(guò)電壓產(chǎn)品最怕電流質(zhì)，而過(guò)電流產(chǎn)品最怕電壓，當TBS打開(kāi)之后，所有的電流都會(huì )往一邊流。若出現一個(gè)很大的雷擊，這個(gè)TBS管一定會(huì )被擊穿。所以必須要在外面擺上一個(gè)氣體管，來(lái)保護這個(gè)TBS管。當電流經(jīng)過(guò)這個(gè)管后，其電壓會(huì )持續上升，靠近外面的氣體放電管，必須要在動(dòng)作之后才能保護 TBS管。一般來(lái)講，PDC的速度非常慢，所以單個(gè)雷擊進(jìn)來(lái)之后PDC沒(méi)有辦法動(dòng)作。

　　TBU是近十年一個(gè)比較新的產(chǎn)品，是高速的保護器，也可以說(shuō)是一個(gè)電子的限流器?，F在來(lái)看看TBU的工作方式與傳統過(guò)壓過(guò)流保護元器件有何不同。

　　TBU的工作方式

　　傳統電子保險絲的內部結構

　　TUB的內部結構圖

　　與傳統的雙向保險絲結構相比，TUB最重要的差異是電壓部分。傳統保險絲的工作方式是把電流導到地的方式，而TBU方式主要是用隔離的方式。雷擊進(jìn)來(lái)之后電流經(jīng)過(guò)內部的IC去走，當電流超過(guò)觸發(fā)點(diǎn)之后，TBU就會(huì )打開(kāi)，TBU打開(kāi)之后所有的能量都是隔絕在外，這時(shí)候電壓還是會(huì )持續上升。在外部放一個(gè)氣體管保護TBU。由于過(guò)電流產(chǎn)品最怕是電壓。而TBU是過(guò)電流產(chǎn)品，假設選擇的是一個(gè)850v的TBU，必須確定線(xiàn)路偷走的電壓值不能夠超過(guò)850v，所以必須在外部再擺一個(gè)氣體放電管去保護TBU，這點(diǎn)與傳統的方式有所區別。事實(shí)上兩種應用方式的區別是后者做了開(kāi)關(guān)，把能量全部阻絕在外面。

　　把TBU放入電路之后，電流會(huì )上升，這時(shí)候TBU就要打開(kāi)，阻絕到電流跟電壓，電路就被保護。當電壓上升之后，因為其反應速度非?？?，代表電流也上升，TBU動(dòng)作之后會(huì )阻絕電壓與電流的部分。TBU是電流啟動(dòng)電壓回復的元件。當TBU沒(méi)有動(dòng)作的時(shí)候，如同電阻；電流超過(guò)之后，開(kāi)關(guān)直接打開(kāi)，承接高阻；當電壓回復之后，TBU回復原本工作狀態(tài)。

2、如何選擇開(kāi)關(guān)電源拓撲結構

　　電源是電子產(chǎn)品中必不可少的一部分，現在逐漸流行開(kāi)關(guān)電源，其拓撲結構有很多種。下面就個(gè)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(kāi)關(guān)電源，大體上有降壓（buck）、升壓（boost）、極性反轉（負輸出，降升壓buck-boost）、斬波（cuck）3種類(lèi)型。對于隔離式開(kāi)關(guān)電源，分正激、反激、半橋、全橋、推挽5種類(lèi)型。

　　先說(shuō)不隔離式：

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

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

　　極性反轉型原理如下圖所示，前半周期Q1導通L1儲能，后半周期D1導通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(shí)選用極性反轉型。

　　再說(shuō)隔離式：若輸出功率較?。?00W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(chǎng)。若磁場(chǎng)泄放不掉，則后面的周期中會(huì )因磁飽和而燒毀功率器。

　　全橋式是有4個(gè)功率器件，能夠讓變壓器原邊電流來(lái)回流動(dòng)，在每半個(gè)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(jiǎn)化，它將一個(gè)橋臂上的功率器件換成電容，節約了一半數量的功率器件，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、多電源系統的監控和時(shí)序控制

　　現今，電子系統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的系統中，尤其如此。為實(shí)現可靠、可重復的操作，必須監控各電源電壓的開(kāi)關(guān)時(shí)序、上升和下降速率、加電順序以及幅度。既定的電源系統設計可能包括電源時(shí)序控制、電源跟蹤、電源電壓/電流監控和控制。有各種各樣的電源管理IC可以執行時(shí)序控制、跟蹤、上電和關(guān)斷監控等功能。

　　時(shí)序控制和跟蹤器件可以監控和控制多個(gè)電源軌，其功能可能包括設置開(kāi)啟時(shí)間和電壓上升速率、欠壓和過(guò)壓故障檢測、余量微調（在標稱(chēng)電壓值的一定范圍內調整電源電壓）以及有序關(guān)斷。適合這些應用的IC種類(lèi)眾多，簡(jiǎn)單的如利用電阻、電容和比較器構成的純模擬器件，復雜的如高集成度狀態(tài)機和通過(guò) I2C bus.總線(xiàn)進(jìn)行數字控制的可編程器件。某些情況下，系統的電壓調節器和控制器可能包括關(guān)鍵控制功能。

　　對于采用多個(gè)開(kāi)關(guān)控制器和調節器的系統，還有一個(gè)考慮是器件以不同開(kāi)關(guān)頻率工作時(shí)，如何將產(chǎn)生的系統噪聲降至最低。常常需要同步調節器的時(shí)鐘，事實(shí)上，如今的許多高性能開(kāi)關(guān)控制器和調節器都可以與外部時(shí)鐘同步。

　　圖1. 電源軌的控制類(lèi)型

電源時(shí)序控制和跟蹤

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

　　圖1a中，三個(gè)電源按一定的時(shí)間順序開(kāi)啟和關(guān)閉。首先是3.3 V電源開(kāi)啟，后續電源的開(kāi)啟和關(guān)閉延遲時(shí)間取決于應用的需要。如果額定最大值要求電源按一定的順序激活，這種簡(jiǎn)單的時(shí)序控制技術(shù)將能確保有源器件的電壓不會(huì )超過(guò)額定最大值。舉例來(lái)說(shuō)，在A(yíng)DC驅動(dòng)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(gè)電源同時(shí)開(kāi)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(jìn)行。這個(gè)例子很好地說(shuō)明了舊式FPGA或微處理器應用中電源是如何接通的：首先激活較低的內核電壓，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(shuō)明。

　　圖1c中，電源以不同的斜率上電。如前所述，能夠對電源的斜率dV/dt進(jìn)行控制是一個(gè)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(huà)，浪涌電流可能大大超過(guò)標稱(chēng)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(xiàn)受損以及線(xiàn)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(shí)間由預定的失調電壓決定。此類(lèi)跟蹤適用于需要限制電源電壓差（常常出現在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的設計示例

　　使用FPGA系統的供電是探討多電源系統處理的活教材。適當的FPGA電源控制對于實(shí)現可靠、可重復的設計至關(guān)重要，否則可能會(huì )在實(shí)驗室甚至現場(chǎng)引發(fā)災難性故障。大多數FPGA具有多個(gè)電源軌，一般表示為 VCCO， VCCAUX， 和 VCCINT. 這些電源分別用于為FPGA內核、輔助電路（如時(shí)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(lèi)：

　　電源軌的時(shí)序控制

　　電源軌電壓的容差要求

　　電源可能有軟啟動(dòng)或斜率控制需求

　　下面以Xilinx Virtex-5系列FPGA的電源要求為例來(lái)說(shuō)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(shí)鐘管理。根據數據手冊，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(shí)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，而且必須在特定的dV/dt范圍內上升和下降。