都是DC惹的“禍” 細說(shuō)DC-DC轉換器的抗干擾性

DC-DC轉換器

這里會(huì )詳細討論DC-DC轉換器的抗干擾性這一主題，先簡(jiǎn)單聊聊DC-DC轉換器，自從電子學(xué)誕生以來(lái)，就流傳著(zhù)一句老話(huà)…“所有問(wèn)題都是DC問(wèn)題?！?/span>

當然，DC指“直流”，即電路中穿過(guò)導體由A點(diǎn)至B點(diǎn)的單向電流。我們知道，這里所說(shuō)的“問(wèn)題”意思很簡(jiǎn)單，就是…問(wèn)題。那么，為什么所有問(wèn)題都是DC問(wèn)題呢?

我們知道，電流和電子簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是完整電路系統中，各種導體和器件中的電流產(chǎn)生的能量。因此，歸根結底是一種能量轉換。能量是做功的能力，以?xún)煞N形式存在：1)勢能和2)動(dòng)能。勢能是一種非活動(dòng)狀態(tài)的蓄能 (如電池端子間的電壓)。動(dòng)能是勢能轉變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的能量 (如電流穿過(guò)燈泡)。電子學(xué)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是通過(guò)控制各種導體中的電流，將勢能 (電壓) 轉變?yōu)閯?dòng)能 (電流) 的科學(xué)! 歐姆‘DC定律’必須始終滿(mǎn)足能量轉換才能產(chǎn)生作用!因此，電路輸入與輸出之間的每一部分，無(wú)論是否具備AC功能，必須出色設計電路的DC結構，才能有效支持無(wú)論何種形式的能量轉換。換句話(huà)說(shuō)，如果電路DC設計不良，不可能實(shí)現AC性能。

這種情況給設計師造成極大壓力，需要在電源與接地之間“模擬設計”的基礎上，掌握多學(xué)科領(lǐng)域高水平專(zhuān)業(yè)技術(shù)。相對于各種輸入信號，要想在各種電壓條件下以低噪聲轉換直流 (DC)，首先需要選擇正確的DC-DC轉換器。DC-DC轉換器有各種尺寸和類(lèi)型：轉換器包括線(xiàn)性、開(kāi)關(guān)模式和磁電等不同類(lèi)型。而且，升壓 (步升) 和降壓 (步降) 功能采用類(lèi)型各異的能量轉換電路。正確了解這些電路類(lèi)型，可以避免使用時(shí)性能下降。后面，我們可以分析行業(yè)領(lǐng)導者推出的器件，如國家半導體公司最近推出的Simple Switcher電源模塊。

“所有問(wèn)題都是DC問(wèn)題…”，在考慮DC-DC轉換器時(shí)了解這一點(diǎn)，可以為良好的電路設計奠定基礎。

線(xiàn)性調節器

線(xiàn)性調節器是所有DC-DC轉換器最基礎的器件。線(xiàn)性調節器是一種穩壓器，相對于在“非線(xiàn)性”開(kāi)關(guān)模式區域工作的開(kāi)關(guān)調節器(我們將在后面討論這種器件)，線(xiàn)性調節器在“線(xiàn)性區域”工作。線(xiàn)性調節器必須滿(mǎn)足為負載提供額定電源 (低噪聲達到可接受水平)，同時(shí)降低輸出阻抗的要求，以使電壓增益不受負載阻抗值的影響。線(xiàn)性調節器起可變電阻的作用，調節分壓網(wǎng)絡(luò )，以保持恒定的輸出電壓，同時(shí)提供各種負載電流。

圖1

圖1所示為線(xiàn)性調節器原理圖。圖中所示為“串聯(lián)”線(xiàn)性調節器電路，因為調節器件 (晶體管Q) 與負載R2串聯(lián)。電路調節齊納二極管DZ輸出電壓 (因為晶體管基極電流是齊納管至R1偏置電流的很小一部分)。晶體管發(fā)射極輸出電壓低于齊納管電壓一個(gè)二極管壓降，并有足夠的電流增益驅動(dòng)高輸出值Iout (經(jīng)R2)。盡管電路具有良好的輸出電壓調節能力 (只要Q在線(xiàn)性區域工作)，但仍會(huì )感應負載、電源變量(Vs)、噪聲和電源紋波。其中有些問(wèn)題可以采用負反饋電路感應電路輸出來(lái)解決，其他時(shí)候，這個(gè)電路往往用作電壓基準，支持更加先進(jìn)的線(xiàn)性調節器設計。設計或選擇線(xiàn)性調節器時(shí)，還必須慎重考慮電噪聲、電源Vs至Vout產(chǎn)生的紋波，以及調節器輸出中可能耦合的共模電壓。

例如，選擇線(xiàn)性調節器時(shí)，必須認真確定電路功率要求和穩壓器輸出特性。以國家半導體公司LM340/LM78XX系列三端正壓調節器為例，這類(lèi)線(xiàn)性調節器是業(yè)界具有基礎設計要素的標準器件。一般情況下，部分器件規定了固定輸入電壓條件下的固定輸出電壓 (一般Vs-Vout>2V)，以及最大固定輸出負載電流Iout。負載調節在給定輸出電流范圍內 (?Iout) 定義輸出電壓 (?Vout) 的變化。由于輸出電壓接近Vs輸入電壓，串聯(lián)輸出電壓調節晶體管 (Q1) 近飽和狀態(tài)和電壓/電流增益衰降，會(huì )導致負載調節特性惡化。這種情況也適用于線(xiàn)路調節。線(xiàn)路調節是在給定輸入電壓 (?Vs) 范圍內改變輸出電壓 (?Vout)。同樣，?Vo線(xiàn)路調節一般以mV級定義低電平?Vs，隨著(zhù)輸入電壓的變化，mV級可以放大十倍(與輸出電壓相比)，達到輸出電壓調節晶體管接近擊穿點(diǎn)時(shí)，其增益會(huì )隨之下降。線(xiàn)路調節還可以實(shí)現紋波抑制 (?Vin/?Vout比)，且應大于60 dB，以避免AC波紋通過(guò)輸入電源線(xiàn)路接入線(xiàn)性調節器DC輸入電壓。紋波抑制對于需要保證精確增益和dc精度的模擬系統至關(guān)重要。對進(jìn)入線(xiàn)性調節器的電源紋波，還可以通過(guò)增加必要的電源去耦電容，進(jìn)一步濾除線(xiàn)性調節器輸入和輸出中不希望出現的紋波來(lái)加以改善 (后面我們將深入討論電源去耦問(wèn)題)。

去耦示意圖 (Vout通過(guò)與兩個(gè)電容串聯(lián)的L接地)

圖2

正確去耦以降低噪聲的一些重要設計理念如圖2所示。將一個(gè)大容量電解電容C1 (一般為10 μF – 100 μF) 放在線(xiàn)性調節器輸出端附近 (2英寸以?xún)?。這個(gè)電容用作電荷庫，可即刻為負載提供電流，而不必通過(guò)調節器/電感提供電