基于現代設計中電源子系統的創(chuàng )建問(wèn)題分析

　　從線(xiàn)性電源到數字電源，我們有很大的設計選擇范圍。本文簡(jiǎn)要介紹設計者面對的一些替代方案，以及會(huì )出現的問(wèn)題。

　　要點(diǎn)

　　電源子系統可以采用線(xiàn)性、開(kāi)關(guān)、電荷泵、AC/DC、數字管理，或數字控制等方式。

　　線(xiàn)性電源有發(fā)熱問(wèn)題。

　　電荷泵會(huì )產(chǎn)生噪聲注入。

　　開(kāi)關(guān)電源必須處理好穩定性、噪聲和發(fā)熱問(wèn)題。

　　數字管理和數字控制電源通常需要在產(chǎn)品推出前做好軟件工作。

　　在現代產(chǎn)品中，功率電子可以是最簡(jiǎn)單的，也可以是最復雜的子系統。這并不令人驚訝，因為應用也有簡(jiǎn)有繁。最簡(jiǎn)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(xiàn)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(jiǎn)單，因而也是最可靠的方案。齊納管要耗散出相當多的熱量，但海流會(huì )很容易把熱量帶走。復雜程度略高一點(diǎn)的是線(xiàn)性穩壓器，這是常見(jiàn)的有用部件。LM317是美國國家半導體公司網(wǎng)站數據表下載次數最多的器件。線(xiàn)性穩壓器的運行就像一個(gè)閥門(mén)，它擋住電路中的電流，以保證電壓的穩定不變?！熬w管”這個(gè)詞的英文Transistor來(lái)自?xún)蓚€(gè)詞的組合：互導(transconductance)和變阻器(varistor)。線(xiàn)性穩壓器中的晶體管通過(guò)夾斷電流來(lái)控制電壓，因此，它產(chǎn)生互導。在其運行中，它作為一個(gè)可變電阻，或變阻器。傳統的線(xiàn)性穩壓器都采用NPN導通元件，低壓差穩壓器則使用PNP晶體管。

　　比較復雜的穩壓器是電荷泵。它用多支晶體管作開(kāi)關(guān)，而不是用作線(xiàn)性器件。這些開(kāi)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。

　　當轉向開(kāi)關(guān)穩壓器時(shí)，復雜性出現了一次巨大的飛躍。這類(lèi)電路中有高頻磁鐵、一個(gè)控制回路，并至少有一支起開(kāi)關(guān)作用的晶體管。你可以從Vicor或Tyco購買(mǎi)磚型的整體穩壓器，或也可以自己動(dòng)手，用零件自己做穩壓器。開(kāi)關(guān)穩壓器有各種類(lèi)型：降壓、升壓、反相、隔離、SEPIC(單端初級電感轉換器)和Cuk(發(fā)音為“chook”)。

　　所有這些電源電路都可以把一個(gè)直流電壓轉換為其它直流電壓。很多設計使用變壓器來(lái)改變交流電壓，或先用電路將交流轉換為直流，再用后面的DC/DC轉換。最講究的AC/DC轉換電路之一是PFC(功率因子校正)電路，它采用一個(gè)升壓轉換器拓撲結構，確保轉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 )出現尖峰。

　　電源領(lǐng)域中的一個(gè)新詞匯是“數字電源”。它可以意味很多東西，從簡(jiǎn)單地使用數字輸入以關(guān)斷穩壓器，到能與芯片作數字通信，用于監控模擬PWM過(guò)程，以及用DSP閉合回路，并用PWM信號直接控制導通元件。

　　從基礎開(kāi)始說(shuō)，線(xiàn)性穩壓器采用一支晶體管來(lái)降低直流電壓。普通線(xiàn)性穩壓器(例如LM317)用NPN晶體管作限制。由于NPN晶體管的基射結有0.6V壓降，所以這些穩壓器需要相當大的輸入輸出壓差。工程師們經(jīng)常犯一種錯誤，即當器件工作在低于推薦的壓降條件時(shí)，他們仍假定輸出電壓是穩壓的。器件也許能提供正確的電壓，但不符合各種交流和熱規定。線(xiàn)性穩壓器的大壓差要求一直維持到上世紀80年代初，當時(shí)美國汽車(chē)制造商向半導體業(yè)提出需要一種低壓差的線(xiàn)性穩壓器。為設計低壓差的穩壓器(例如LM2936)，采用了PNP導通晶體管。使用這種方法后，即使在轉動(dòng)手柄啟動(dòng)汽車(chē)時(shí)電池電壓低至8V，穩壓電路也能保持穩壓狀態(tài)。美國國家半導體公司產(chǎn)品定義經(jīng)理Al Kelsch認為，當下降電壓接近零時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)“^”，或輸入電壓的小尖峰，因為導通晶體管的基極處于最大導通狀態(tài)。盡管IC設計者花費很多時(shí)間，試圖設計一個(gè)基極驅動(dòng)電路，它能夠限制電流，消除尖峰，并仍能提供瞬態(tài)響應和滿(mǎn)足其它規定，但客戶(hù)需要這個(gè)小尖峰，作為穩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(huà)說(shuō)，客戶(hù)把設計者理解為故障的東西看成了一種功能。

　　線(xiàn)性穩壓器最大的問(wèn)題就是發(fā)熱。由于穩壓器運行時(shí)，導通晶體管中要通過(guò)大的電流，它會(huì )消耗大量功率。大多數線(xiàn)性穩壓器都有一個(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 )導致電路失效。

　　線(xiàn)性穩壓器的另一個(gè)設計問(wèn)題也適用于大多數電源。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 )出現電解電容器短路現象。如果發(fā)生短路，必須確保穩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)保險絲或易熔印制電路走線(xiàn)。即使產(chǎn)品的壁式電源座不可能提供足以引起火災的電流，但一個(gè)勤奮的工程師也必須為這種情況做好準備，以防用戶(hù)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轉換器是電荷泵，它可以通過(guò)切換電容器充電輸入電壓上的一個(gè)電容器，實(shí)現輸入電壓的反相、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)現了非整數電壓步進(jìn)，例如1V， 1.33V， 1.5V和2V.這種方法可以在手持系統應用中實(shí)現高達92%的效率。這一效率可與普通電感升壓轉換器相比，尤其是很多制造商為電感升壓轉換器規定的效率數字是基于使用體積過(guò)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(wèn)題很少出現在電荷泵中。但它們也有一些缺點(diǎn)，包括穩壓效果差。除非使用一個(gè)后置線(xiàn)性穩壓器，否則輸出會(huì )隨輸入而變化。Maxim用后置穩壓電荷泵解決了這個(gè)問(wèn)題。電荷泵的開(kāi)關(guān)頻率和噪聲遠小于開(kāi)關(guān)轉換器，但噪聲仍可能進(jìn)入信號鏈。

　　另一類(lèi)型穩壓器就是開(kāi)關(guān)穩壓器，它采用一種晶體管開(kāi)關(guān)和電感或變壓器來(lái)改變直流輸入電壓。圖2a顯示一個(gè)降壓開(kāi)關(guān)穩壓器，它一步一步降低電壓的工作原理像一臺水車(chē)(圖2b)。該裝置的旋轉速率就類(lèi)似于流經(jīng)電感的電流。與電感一樣，水車(chē)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”。當閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，水車(chē)的慣性創(chuàng )造出強大的吸力。水車(chē)需要水來(lái)維持運轉，止回閥提供這種功能。

　　升壓轉換器也采用與水車(chē)相同的方式(圖3)。很多工程師都處理不好磁電路，因為它們的高電抗意味著(zhù)電流不能像在電阻器中那樣跟隨電壓而變化。對降壓和升壓轉換器的直觀(guān)認識有助于理解更復雜的結構，如Cuk、升壓/降壓和SEPIC.轉換器也可以用變壓器來(lái)建立隔離輸出(圖4)?；貟咿D換器與正向轉換器的區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。當開(kāi)關(guān)閉合和初級電流增加時(shí)，它們在磁場(chǎng)中存儲能量。當開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，磁場(chǎng)中的能量通過(guò)次級泄放。設計者都青睞回掃轉換器，因為它們成本低，并且能夠實(shí)現多個(gè)輸出，所有輸出都能有相互間的良好跟隨特性。

　　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?！?/p>

　　數字管理或控制的電源采用一個(gè)普通模擬PWM回路，但與真正的數字控制建立聯(lián)系，而不是指多數控制器上普遍都有的數字關(guān)斷腳(圖6)。數字管理的功率IC首先在電池充電器IC中找到用途。過(guò)去的化學(xué)電池(例如鉛酸電池)經(jīng)常使用一組穩壓IC，為每節電池提供2.3V ~ 2.36V電壓，這要取決于應用能否承受較高的充電電壓。即使這些簡(jiǎn)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)電池需要更多的數字監控。系統設計者可能要根據溫升或電壓上升而終止充電周期。如果電池已報廢，就不應起動(dòng)全功率的充電。當發(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(méi)有到達終止點(diǎn)，則IC應結束充電周期。環(huán)境溫度故障和很多其它變量也可能有關(guān)系。美國國家半導體公司的應用工程師Mary Kao說(shuō)：“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。我們認為它現在是帶模擬PWM的一個(gè)微控制器?！?/p>

　　一旦電池充電器IC道路被鋪平，很多其它應用也需要對模擬PWM回路的大量數字控制。例如，Xilinx FPGA需要嚴格的上電順序和控制。有一家供應商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，因此電源系統的設計就成為挑戰。需求包括I/O的3.3V、內核的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，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計了五個(gè)獨立的電源輸出。他們使用了兩個(gè)DC/DC控制器、兩個(gè)專(zhuān)用的DDR輸出，以及兩個(gè)獨立的低壓差穩壓器。在一個(gè)更熟悉的領(lǐng)域中，大多數PC機用

　　戶(hù)都知道處理器和內存的供電電壓是采用數字控制的。手持設備可能有復雜的控制需求，以節省電池能量和延長(cháng)運行時(shí)間。

　　數字電源采用DSP而不是模擬PWM回路，通過(guò)算術(shù)運算保持回路的穩定(圖7)。這種方案可以提供回路補償的靈活性，但這種靈活性是有代價(jià)的。Elandesigns的主管Dave Mathis指出：“如果你準備修改補償，就必須根據變化而檢測一些東西。在采集時(shí)間和錯誤條件下，這是自找麻煩?！碑斎?，有經(jīng)驗的控制系統工程師都知道，性能良好的系統通常有一個(gè)優(yōu)勢的部分。然而，德州儀器、Silicon Labs和Primarion都制造數字電源設備。Primarion發(fā)表的文章中表示，未來(lái)所有電源都將是數字化的，模擬工程師要抵抗數字電源的實(shí)現，就只能保護自己的領(lǐng)地。Primarion并不使用DSP管理控制回路。它使用了一個(gè)自由運行的狀態(tài)機，其功耗遠低于DSP.控制仍在數字回路中，而不是模擬PWM回路。德州儀器公司數字電源經(jīng)理Steven Bakota指出：“數字電源不是什么新鮮東西。TI已經(jīng)銷(xiāo)售了10年數字電源……以庫的形式使用標準DSP.現在的差別是，我們有了自己的Fusion系列定制件，和一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以簡(jiǎn)化設計的實(shí)現?！?/p>

　　一片DSP中的6萬(wàn)支晶體管為數字電源系統提供控制回路，而模擬方案只需要大約100支晶體管。數字電源迷們還吹噓說(shuō)靜態(tài)功耗只有7 mA.這個(gè)數字在一個(gè)刀片服務(wù)器中也許是可以接受的，因為它使用墻上電源工作，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。設計者還應評估系統的瞬時(shí)功耗。如果在一次供電瞬時(shí)后，DSP還要重新初始化，并運行用戶(hù)編寫(xiě)的代碼，那么就可能不適合某些應用。最后還有一個(gè)警告，經(jīng)理們希望把復雜的軟件開(kāi)發(fā)工作放在產(chǎn)品設計周期的結尾，這通常是設計電源子系統的時(shí)間。經(jīng)理們不要因設計的平淡無(wú)奇而放松警惕。如果設計簡(jiǎn)單，可以使用低成本和靜態(tài)電流也較低的模擬PWM部分。要設法確認，一個(gè)數字管理的系統并不比全DSP數字控制回路更合適。