TI專(zhuān)家為你解答電源設計相關(guān)問(wèn)題（三）

　　電子電路通常都工作在正穩壓輸出電壓下，而這些電壓一般都是由降壓穩壓器來(lái)提供的。如果同時(shí)還需要負輸出電壓，那么在降壓—升壓拓撲中就可以配置相同的降壓控制器。負輸出電壓降壓—升壓有時(shí)稱(chēng)之為負反向，其工作占空比為 50%，可提供相當于輸入電壓但極性相反的輸出電壓。其可以隨著(zhù)輸入電壓的波動(dòng)調節占空比，以“降壓”或“升壓”輸出電壓來(lái)維持穩壓。

　　圖 1 顯示了一款精簡(jiǎn)型降壓—升壓電路，以及電感上出現的開(kāi)關(guān)電壓。這樣一來(lái)該電路與標準降壓轉換器的相似性就會(huì )頓時(shí)明朗起來(lái)。實(shí)際上，除了輸出電壓和接地相反以外，它和降壓轉換器完全一樣。這種布局也可用于同步降壓轉換器。這就是與降壓或同步降壓轉換器端相類(lèi)似的地方，因為該電路的運行與降壓轉換器不同。

　　FET 開(kāi)關(guān)時(shí)出現在電感上的電壓不同于降壓轉換器的電壓。正如在降壓轉換器中一樣，平衡伏特-微秒 （V-μs） 乘積以防止電感飽和是非常必要的。當 FET 為開(kāi)啟時(shí)（如圖 1 所示的 ton 間隔），全部輸入電壓被施加至電感。這種電感“點(diǎn)”側上的正電壓會(huì )引起電流斜坡上升，這就帶來(lái)電感的開(kāi)啟時(shí)間 V-μs 乘積。FET 關(guān)閉 （toff） 期間，電感的電壓極性必須倒轉以維持電流，從而拉動(dòng)點(diǎn)側為負極。電感電流斜坡下降，并流經(jīng)負載和輸出電容，再經(jīng)二極管返回。電感關(guān)閉時(shí)V-μs 乘積必須等于開(kāi)啟時(shí) V-μs 乘積。由于 Vin 和 Vout 不變，因此很容易便可得出占空比 （D） 的表達式：D=Vout/（Vout “ Vin）。這種控制電路通過(guò)計算出正確的占空比來(lái)維持輸出電壓穩壓。上述表達式和圖 1 所示波形均假設運行在連續導電模式下。

　　圖 1 降壓—升壓電感要求平衡其伏特-微秒乘積

　　降壓—升壓電感必須工作在比輸出負載電流更高的電流下。其被定義為 IL = I/（1-D），或只是輸入電流與輸出電流相加。對于和輸入電壓大小相等的負輸出電壓（D = 0.5）而言，平均電感電流為輸出的 2 倍。

　　有趣的是，連接輸入電容返回端的方法有兩種，其會(huì )影響輸出電容的 rms 電流。典型的電容布局是在 +Vin 和 Gnd 之間，與之相反，輸入電容可以連接在 +Vin和 ”V 之間。利用這種輸入電容配置可降低輸出電容的rms電流。然而，由于輸入電容連接至 “Vout，因此 ”Vout 上便形成了一個(gè)電容性分壓器。這就在控制器開(kāi)始起作用以前，在開(kāi)啟時(shí)間的輸出上形成一個(gè)正峰值。為了最小化這種影響，最佳的方法通常是使用一個(gè)比輸出電容要小得多的輸入電容，請參見(jiàn)圖 2 所示的電路。輸入電容的電流在提供 dc 輸出電流和吸收平均輸入電流之間相互交替。rms 電流電平在最高輸入電流的低輸入電壓時(shí)最差。因此，選擇電容器時(shí)要多加注意，不要讓其 ESR 過(guò)高。陶瓷或聚合物電容器通常是這種拓撲較為合適的選擇。

　　圖 2 降壓控制器在降壓—升壓中的雙重作用

　　必須要選擇一個(gè)能夠以最小輸入電壓減去二極管壓降上電的控制器，而且在運行期間還必須能夠承受得住 Vin 加 Vout 的電壓。FET 和二極管還必須具有適用于這一電壓范圍的額定值。通過(guò)連接輸出接地的反饋電阻器可實(shí)現對輸出電壓的調節，這是由于控制器以負輸出電壓為參考電壓。只需精心選取少量組件的值，并稍稍改動(dòng)電路，降壓控制器便可在負輸出降壓—升壓拓撲中起到雙重作用。

電源設計小貼士 6：精確測量電源紋波

　　精確地測量電源紋波本身就是一門(mén)藝術(shù)。在圖 1 所示的示例中，一名初級工程師完全錯誤地使用了一臺示波器。他的第一個(gè)錯誤是使用了一支帶長(cháng)接地引線(xiàn)的示波器探針；他的第二個(gè)錯誤是將探針形成的環(huán)路和接地引線(xiàn)均置于電源變壓器和開(kāi)關(guān)元件附近；他的最后一個(gè)錯誤是允許示波器探針和輸出電容之間存在多余電感。該問(wèn)題在紋波波形中表現為高頻拾取。在電源中，存在大量可以很輕松地與探針耦合的高速、大信號電壓和電流波形，其中包括耦合自電源變壓器的磁場(chǎng)，耦合自開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的電場(chǎng)，以及由變壓器互繞電容產(chǎn)生的共模電流。

　　圖 1 錯誤的紋波測量得到的較差的測量結果

　　利用正確的測量方法可以大大地改善測得紋波結果。首先，通常使用帶寬限制來(lái)規定紋波，以防止拾取并非真正存在的高頻噪聲。我們應該為用于測量的示波器設定正確的帶寬限制。其次，通過(guò)取掉探針“帽”，并構成一個(gè)拾波器（如圖 2 所示），我們可以消除由長(cháng)接地引線(xiàn)形成的天線(xiàn)。將一小段線(xiàn)纏繞在探針接地連接點(diǎn)周?chē)?，并將該接地連接至電源。這樣做可以縮短暴露于電源附近高電磁輻射的端頭長(cháng)度，從而進(jìn)一步減少拾波。

　　最后，在隔離電源中，會(huì )產(chǎn)生大量流經(jīng)探針接地連接點(diǎn)的共模電流。這就在電源接地連接點(diǎn)和示波器接地連接點(diǎn)之間形成了壓降，從而表現為紋波。要防止這一問(wèn)題的出現，我們就需要特別注意電源設計的共模濾波。另外，將示波器引線(xiàn)纏繞在鐵氧體磁心周?chē)灿兄谧钚』@種電流。這樣就形成了一個(gè)共模電感器，其在不影響差分電壓測量的同時(shí)，還減少了共模電流引起的測量誤差。圖 2 顯示了該完全相同電路的紋波電壓，其使用了改進(jìn)的測量方法。這樣，高頻峰值就被真正地消除了。

　　圖 2 四個(gè)輕微的改動(dòng)便極大地改善了測量結果

　　實(shí)際上，集成到系統中以后，電源紋波性能甚至會(huì )更好。在電源和系統其他組件之間幾乎總是會(huì )存在一些電感。這種電感可能存在于布線(xiàn)中，抑或只有蝕刻存在于 PWB 上。另外，在芯片周?chē)偸菚?huì )存在額外的旁路電容，它們就是電源的負載。這二者共同構成一個(gè)低通濾波器，進(jìn)一步降低了電源紋波和/或高頻噪聲。在極端情況下，電流短時(shí)流經(jīng) 15 nH 電感和 10 μF 旁路電容的一英寸導體時(shí)，該濾波器的截止頻率為 400 kHz。這種情況下，就意味著(zhù)高頻噪聲將會(huì )得到極大降低。許多情況下，該濾波器的截止頻率會(huì )在電源紋波頻率以下，從而有可能大大降低紋波。經(jīng)驗豐富的工程師應該能夠找到在其測試過(guò)程中如何運用這種方法的途徑。