直流電源管理子系統設計

與五年前相比，如今為電子系統提供和控制直流電源的電源管理子系統設計要復雜很多。設計師必須采用工作電壓低于1V的IC，這些IC要消耗100A以上電流，并且具有GHz級的工作時(shí)鐘頻率。此外，這種子系統不僅包括電源設計，而且還包括需要專(zhuān)用IC才能實(shí)現的系統性功能。

系統觀(guān)點(diǎn)對實(shí)現最優(yōu)的電源管理子系統設計非常必要(圖1)。首先，你必須選擇電子系統的電源分配技術(shù)。目前主要有四種電源分配架構：集中式電源架構、分布式電源架構、中間總線(xiàn)架構和基于電池的電源分配架構。下面給出了這四種架構的特點(diǎn)。

1. 集中式電源架構：輸入為一個(gè)交流電源電壓，可輸出一個(gè)到5個(gè)輸出電壓；通常對小型低功率系統來(lái)說(shuō)性?xún)r(jià)比最高；大部分熱量集中在單個(gè)電源里；缺乏設計靈活性，很難增加電壓和電流要求。

2. 分布式電源架構：前端電源將交流電輸入轉換成12、24或者48伏的直流輸出，這些直流電壓輸出分布于不同的總線(xiàn)上，非隔離負載點(diǎn)DC/DC轉換器(POL)將總線(xiàn)上的電壓降低到負載需要的電壓；改變負載電流或電壓僅需要改變一個(gè)負載點(diǎn)；單個(gè)負載點(diǎn)的故障通常只會(huì )影響到一個(gè)功能或單塊PCB板；熱量分散在整個(gè)系統中。

3. 中間總線(xiàn)架構(IBA)：在前端電源和負載點(diǎn)之間插入另一個(gè)電源分配級，IBA(見(jiàn)圖1)使用一個(gè)隔離的總線(xiàn)轉換器，它提供一個(gè)未穩壓的9.6伏到14伏電壓給非隔離的POL轉換器供電。通過(guò)限制輸入電壓范圍和工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)實(shí)現高效率。整個(gè)電源系統的典型占空比為50%。所有元器件針對負載電壓/電流進(jìn)行了優(yōu)化。

圖1：在內部總線(xiàn)架構中，來(lái)自前端電源的輸入通過(guò)一個(gè)總線(xiàn)轉換器給POL轉換器供電，而分布式電源架構系統直接通過(guò)前端電源給POL轉換器供電。

4. 基于電池的電源分配架構：空間限制差不多要求所有的電路都從頭開(kāi)始設計；電源管理子系統設計包含電池的電壓穩壓電路，因為電池的輸出電壓會(huì )隨著(zhù)使用時(shí)間而逐漸降低；適用于鋰離子、鎳氫和鎳鎘電池組；可提供高效率，以盡可能地延長(cháng)電池工作時(shí)間；必須使用重量輕和尺寸小的電源；必須具有高效的散熱設計，以防止過(guò)熱。

一旦選定了電源分配系統，你就可以開(kāi)始電源管理子系統設計了。這時(shí)要求設計師仔細了解應用的電源規范。除了電池供電系統之外，設計師可以考慮自己設計或購買(mǎi)電源和支持電路。自己設計生產(chǎn)電源需權衡多方面因素，比如是設計一個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器還是一個(gè)線(xiàn)性穩壓器。

開(kāi)關(guān)穩壓器

開(kāi)關(guān)穩壓器將直流輸入電壓轉換成用來(lái)控制功率半導體開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)電壓。功率半導體開(kāi)關(guān)的輸出經(jīng)過(guò)整流和濾波后產(chǎn)生直流輸出電壓。如果輸出電壓改變，電壓反饋功能可維持正確的穩壓值。

開(kāi)關(guān)穩壓器可以被集成在一個(gè)芯片上或者多個(gè)芯片上。單芯片開(kāi)關(guān)穩壓器將集成雙極結式晶體管(BJT)或MOSFET功率開(kāi)關(guān)。多芯片開(kāi)關(guān)穩壓器包含控制器、柵極驅動(dòng)器和MOSFET三大部件。一般開(kāi)關(guān)頻率范圍在60kHz到3MHz范圍內。

開(kāi)關(guān)頻率決定了濾波電感、電容和變壓器的體積和參數值。開(kāi)關(guān)頻率越高，外接器件的體積和參數值就可以更小。為提高效率，變壓器/電感的磁芯材料必須在開(kāi)關(guān)頻率上有較高的效率。

開(kāi)關(guān)穩壓器可以是隔離式的，也可以是非隔離式的。非隔離穩壓器的輸入到輸出有個(gè)直流通路。隔離式穩壓器采用了變壓器，因此輸入和輸出電壓是相互隔離的。

對所有的開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)PCB布局布線(xiàn)都非常重要，特別是在大峰值電流和高開(kāi)關(guān)頻率的情況下。主要的電流路徑和電源地線(xiàn)要使用寬、短的走線(xiàn)，相關(guān)的電容和電感也應盡可能離穩壓IC。

目前存在三種基本的開(kāi)關(guān)穩壓器控制器IC：脈寬調制(PWM)(圖2)、磁滯(圖3)和多相(圖4)。這些技術(shù)通過(guò)控制相應的功率半導體開(kāi)關(guān)導通和斷開(kāi)來(lái)保持電壓穩定。下面對三種基本的開(kāi)關(guān)穩壓控制器IC技術(shù)的特性加以比較。

圖2：PWM控制器通過(guò)改變功率開(kāi)關(guān)導通和截止的占空比來(lái)調節電壓輸出。整流和低通輸出濾波器輸出與導通和截止時(shí)間成比例的輸出電壓。

脈寬控制通常使用同步整流器或者肖特基二極管輸出，采用非隔離的拓撲結構。這些拓撲結構包括降壓型， 升壓型、升降壓型、SEPIC型和Cuk型。在回掃式、推挽式、前向、全橋和半橋拓撲結構中采用了隔離輸入輸出的轉換器。通過(guò)互補式功率場(chǎng)效應管和功率因數校準IC實(shí)現高效率并符合諧波發(fā)射標準。

磁滯控制提供快速反應和線(xiàn)性瞬態(tài)，它使用寬帶控制回路，而無(wú)需采用誤差放大器和頻率補償。運行頻率取決于輸入輸出電壓、輸出濾波器感應系數和磁滯窗口。常規的磁滯校準器的頻率隨輸出電容等效串聯(lián)電阻的變化而變化。

圖3：磁滯控制器通過(guò)比較輸出反饋和參考電壓決定功率半導體開(kāi)關(guān)的導通和截止，以根據輸出電壓進(jìn)行調節，來(lái)保持輸出電壓的恒定。整流和低通輸出濾波器的輸出電壓與功率開(kāi)關(guān)的導通和截止時(shí)間成比例。

多相控制技術(shù)采用n個(gè)同樣的單元，有效的輸出波紋頻率n←→f, 其中f是運行頻率。該技術(shù)具有更好的動(dòng)態(tài)性能，與單相系統相比還可以顯著(zhù)減少去耦電容。該技術(shù)需要電流共享監控電路來(lái)確保每個(gè)單元等額共享電流。每個(gè)單元輸出總輸出功率的1/n，減少了在每個(gè)相位使用的電感的物理尺寸和電感值。每一個(gè)相位的功率開(kāi)關(guān)處理總功率的1/n，這樣功率消耗將分散在多個(gè)器件上。

圖4：多相控制器錯開(kāi)每個(gè)交叉單元的開(kāi)關(guān)時(shí)間，以使每個(gè)單元之間的相角為360°/n，其中n為調節器單元的數量。開(kāi)關(guān)單元運行在公共頻率，并需要進(jìn)行相移以便以有規律的控制間隔進(jìn)行開(kāi)關(guān)轉換。輸出電壓等于所有單元同步整流輸出之和。

我們再比較一下低壓降(LDO)穩壓IC和基本的充電泵(開(kāi)關(guān)電容)IC的特性，這些穩壓器不需要功率半導體開(kāi)關(guān)進(jìn)行導通和截止操作(圖5)。

低壓降是指LDO穩壓器正常工作時(shí)輸入輸出電壓之間的差別。LDO穩壓器不涉及開(kāi)關(guān)操作，因此它的工作狀態(tài)相對“安靜”。它可以使用可調整或者固定輸出的電壓，并且可以利用控制輸出電壓的激光微調電阻，提供全范圍固定輸出電壓。LDO穩壓器較高的電源波紋抑制比可阻止輸出電壓因輸入電壓變化而產(chǎn)生波動(dòng)。一些低壓降穩壓器還包含一個(gè)外接電容的旁路引腳，以便對有可能成為噪聲源的內部電壓參考進(jìn)行濾波。

電荷泵IC具有逆變器、分路器或者升壓器的作用。由于缺少調節功能，大多數電荷泵IC都增加了線(xiàn)性調壓或者電荷泵調節模塊。線(xiàn)性調節模塊提供最低的輸出噪音和更好性能，電荷泵調節模塊控制開(kāi)關(guān)電阻以提供更高效率和輸出電流。電荷泵IC不需要電感或變壓器，從而消除了電磁場(chǎng)和電磁干擾，但如果電容充電電流很高，則會(huì )產(chǎn)生一個(gè)較小的噪聲源。

專(zhuān)用電源管理IC和功率半導體開(kāi)關(guān)

由于電子系統已變得越來(lái)越復雜和越來(lái)越高級，電源管理子系統需要采用數種專(zhuān)用IC(圖5)。當然，這些IC也可以用來(lái)設計通用電源(圖6)。

圖5：LDO工作在線(xiàn)性模式。誤差放大器的一個(gè)輸入端監視輸出電壓，另一個(gè)輸入是基準電壓。如果輸出電壓相對參考電壓發(fā)生改變，誤差放大器控制導通晶體管的特性以穩定輸出電壓。

在電源管理系統中用到的功率半導體有功率MOSFET和BJT。它們可以是分立器件，也可以與其它電路集成在單個(gè)封裝中。它們采用內部或外部柵極驅動(dòng)器來(lái)實(shí)現導通和斷開(kāi)功能。

當開(kāi)關(guān)向負載輸送功率時(shí)，電源開(kāi)關(guān)會(huì )帶來(lái)一些功率損耗。這些功率開(kāi)關(guān)在導通和斷開(kāi)時(shí)會(huì )有一些時(shí)延，工作在導通和斷開(kāi)之間的線(xiàn)性區域的開(kāi)關(guān)會(huì )產(chǎn)生功率損耗。開(kāi)關(guān)導通時(shí)的功率損耗為I 2R，因為半導