TI專(zhuān)家為你解答電源設計相關(guān)問(wèn)題（一）

　　電源設計小貼士 1：為您的電源選擇正確的工作頻率

　　歡迎來(lái)到電源設計小貼士！隨著(zhù)現在對更高效、更低成本電源解決方案需求的強調，我們創(chuàng )建了該專(zhuān)欄，就各種電源管理課題提出一些對您有幫助的小技巧。該專(zhuān)欄面向各級設計工程師。無(wú)論您是從事電源業(yè)務(wù)多年還是剛剛步入電源領(lǐng)域，您都可以在這里找到一些極其有用的信息，以幫助您迎接下一個(gè)設計挑戰。

　　為您的電源選擇最佳的工作頻率是一個(gè)復雜的權衡過(guò)程，其中包括尺寸、效率以及成本。通常來(lái)說(shuō)，低頻率設計往往是最為高效的，但是其尺寸最大且成本也最高。雖然調高頻率可以縮小尺寸并降低成本，但會(huì )增加電路損耗。接下來(lái)，我們使用一款簡(jiǎn)單的降壓電源來(lái)描述這些權衡過(guò)程。

　　我們以濾波器組件作為開(kāi)始。這些組件占據了電源體積的大部分，同時(shí)濾波器的尺寸同工作頻率成反比關(guān)系。另一方面，每一次開(kāi)關(guān)轉換都會(huì )伴有能量損耗；工作頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗就越高，同時(shí)效率也就越低。其次，較高的頻率運行通常意味著(zhù)可以使用較小的組件值。因此，更高頻率運行能夠帶來(lái)極大的成本節約。

　　圖 1 顯示的是降壓電源頻率與體積的關(guān)系。頻率為 100 kHz 時(shí)，電感占據了電源體積的大部分（深藍色區域）。如果我們假設電感體積與其能量相關(guān)，那么其體積縮小將與頻率成正比例關(guān)系。由于某種頻率下電感的磁芯損耗會(huì )極大增高并限制尺寸的進(jìn)一步縮小，因此在此情況下上述假設就不容樂(lè )觀(guān)了。如果該設計使用陶瓷電容，那么輸出電容體積（褐色區域）便會(huì )隨頻率縮小，即所需電容降低。另一方面，之所以通常會(huì )選用輸入電容，是因為其具有紋波電流額定值。該額定值不會(huì )隨頻率而明顯變化，因此其體積（黃色區域）往往可以保持恒定。另外，電源的半導體部分不會(huì )隨頻率而變化。這樣，由于低頻開(kāi)關(guān)，無(wú)源器件會(huì )占據電源體積的大部分。當我們轉到高工作頻率時(shí)，半導體（即半導體體積，淡藍色區域）開(kāi)始占據較大的空間比例。

　　圖 1 電源組件體積主要由半導體占據

　　該曲線(xiàn)圖顯示半導體體積本質(zhì)上并未隨頻率而變化，而這一關(guān)系可能過(guò)于簡(jiǎn)單化。與半導體相關(guān)的損耗主要有兩類(lèi)：傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗。同步降壓轉換器中的傳導損耗與 MOSFET 的裸片面積成反比關(guān)系。MOSFET 面積越大，其電阻和傳導損耗就越低。

　　開(kāi)關(guān)損耗與 MOSFET 開(kāi)關(guān)的速度以及 MOSFET 具有多少輸入和輸出電容有關(guān)。這些都與器件尺寸的大小相關(guān)。大體積器件具有較慢的開(kāi)關(guān)速度以及更多的電容。圖 2 顯示了兩種不同工作頻率 （F） 的關(guān)系。傳導損耗 （Pcon）與工作頻率無(wú)關(guān)，而開(kāi)關(guān)損耗 （Psw F1 和 Psw F2） 與工作頻率成正比例關(guān)系。因此更高的工作頻率 （Psw F2） 會(huì )產(chǎn)生更高的開(kāi)關(guān)損耗。當開(kāi)關(guān)損耗和傳導損耗相等時(shí)，每種工作頻率的總損耗最低。另外，隨著(zhù)工作頻率提高，總損耗將更高。

　　但是，在更高的工作頻率下，最佳裸片面積較小，從而帶來(lái)成本節約。實(shí)際上，在低頻率下，通過(guò)調整裸片面積來(lái)最小化損耗會(huì )帶來(lái)極高成本的設計。但是，轉到更高工作頻率后，我們就可以?xún)?yōu)化裸片面積來(lái)降低損耗，從而縮小電源的半導體體積。這樣做的缺點(diǎn)是，如果我們不改進(jìn)半導體技術(shù)，那么電源效率將會(huì )降低。

　　圖 2 提高工作頻率會(huì )導致更高的總體損耗

　　如前所述，更高的工作頻率可縮小電感體積；所需的內層芯板會(huì )減少。更高頻率還可降低對于輸出電容的要求。有了陶瓷電容，我們就可以使用更低的電容值或更少的電容。這有助于縮小半導體裸片面積，進(jìn)而降低成本。
電源設計小貼士 2：駕馭噪聲電源

　　無(wú)噪聲電源并非是偶然設計出來(lái)的。一種好的電源布局是在設計時(shí)最大程度的縮短實(shí)驗時(shí)間?；ㄙM數分鐘甚至是數小時(shí)的時(shí)間來(lái)仔細查看電源布局，便可以省去數天的故障排查時(shí)間。

　　圖 1 顯示的是電源內部一些主要噪聲敏感型電路的結構圖。將輸出電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較以生成一個(gè)誤差信號，然后再將該信號與一個(gè)斜坡相比較，以生成一個(gè)用于驅動(dòng)功率級的 PWM（脈寬調制）信號。

　　電源噪聲主要來(lái)自三個(gè)地方：誤差放大器輸入與輸出、參考電壓以及斜坡。對這些節點(diǎn)進(jìn)行精心的電氣設計和物理設計有助于最大程度地縮短故障診斷時(shí)間。一般而言，噪聲會(huì )與這些低電平電路電容耦合。一種卓越的設計可以確保這些低電平電路的緊密布局，并遠離所有開(kāi)關(guān)波形。接地層也具有屏蔽作用。

　　圖 1 低電平控制電路的諸多噪聲形成機會(huì )

　　誤差放大器輸入端可能是電源中最為敏感的節點(diǎn)，因為其通常具有最多的連接組件。如果將其與該級的極高增益和高阻抗相結合，后患無(wú)窮。在布局過(guò)程中，您必須最小化節點(diǎn)長(cháng)度，并盡可能近地將反饋和輸入組件靠近誤差放大器放置。如果反饋網(wǎng)絡(luò )中存在高頻積分電容，那么您必須將其靠近放大器放置，其他反饋組件緊跟其后。并且，串聯(lián)電阻-電容也可能形成補償網(wǎng)絡(luò )。最理想的結果是，將電阻靠近誤差放大器輸入端放置，這樣，如果高頻信號注入該電阻-電容節點(diǎn)時(shí)，那么該高頻信號就不得不承受較高的電阻阻抗—而電容對高頻信號的阻抗則很小。

　　斜坡是另一個(gè)潛在的會(huì )帶來(lái)噪聲問(wèn)題的地方。斜坡通常由電容器充電（電壓模式）生成，或由來(lái)自于電源開(kāi)關(guān)電流的采樣（電流模式）生成。通常，電壓模式斜坡并不是一個(gè)問(wèn)題，因為電容對高頻注入信號的阻抗很小。而電流斜坡卻較為棘手，因為存在了上升邊沿峰值、相對較小的斜坡振幅以及功率級寄生效應。

　　圖 2 顯示了電流斜坡存在的一些問(wèn)題。第一幅圖顯示了上升邊沿峰值和隨后產(chǎn)生的電流斜坡。比較器（根據其不同速度）具有兩個(gè)電壓結點(diǎn) （potential trip points），結果是無(wú)序控制運行，聽(tīng)起來(lái)更像是煎熏肉的聲音。

　　利用控制 IC 中的上升邊沿消隱可以很好地解決這一問(wèn)題，其忽略了電流波形的最初部分。波形的高頻濾波也有助于解決該問(wèn)題。同樣也要將電容器盡可能近地靠近控制 IC 放置。正如這兩種波形表現出來(lái)的那樣，另一種常見(jiàn)的問(wèn)題是次諧波振蕩。這種寬－窄驅動(dòng)波形表現為非充分斜率補償。向當前斜坡增加更多的電壓斜坡便可以解決該問(wèn)題。

　　圖 2 兩種常見(jiàn)的電流模式噪聲問(wèn)題

　　盡管您已經(jīng)相當仔細地設計了電源布局，但是您的原型電源還是存在噪聲。這該怎么辦呢？首先，您要確定消除不穩定因素的環(huán)路響應不存在問(wèn)題。有趣的是，噪聲問(wèn)題可能會(huì )看起來(lái)像是電源交叉頻率上的不穩定。但真正的情況是該環(huán)路正以其最快響應速度糾出注入誤差。同樣，最佳方法是識別出噪聲正被注入下列三個(gè)地方之一：誤差放大器、參考電壓或斜坡。您只需分步解決便可！

　　第一步是檢查節點(diǎn)，看斜坡中是否存在明顯的非線(xiàn)性，或者誤差放大器輸出中是否存在高頻率變化。如果檢查后沒(méi)有發(fā)現任何問(wèn)題，那么就將誤差放大器從電路中取出，并用一個(gè)清潔的電壓源加以代替。這樣您應該就能夠改變該電壓源的輸出，以平穩地改變電源輸出。如果這樣做奏效的話(huà)，那么您就已經(jīng)將問(wèn)題范圍縮小至參考電壓和誤差放大器了。

　　有時(shí)，控制 IC 中的參考電壓易受開(kāi)關(guān)波形的影響。利用添加更多（或適當）的旁路可能會(huì )使這種狀況得到改善。另外，使用柵極驅動(dòng)電阻來(lái)減緩開(kāi)關(guān)波形也可能會(huì )有助于解決這一問(wèn)題。如果問(wèn)題出在誤差放大器上，那么降低補償組件阻抗會(huì )有所幫助，因為這樣降低了注入信號的振幅。如果所有這些方法都不奏效，那么就從印刷電路板將誤差放大器節點(diǎn)去除。對補償組件進(jìn)行架空布線(xiàn) （air wiring） 可以幫助我們識