都是DC惹的“禍” 細說(shuō)DC-DC轉換器的抗干擾性

去耦可以非常有效地濾除 (頻帶限制) 線(xiàn)性調節器的噪聲功率。線(xiàn)性調節器噪聲功率往往規定為幾微伏均方根值 (rms)，如LM340/78XX系列。這個(gè)噪聲值可以限定在10Hz至100 KHz窄帶寬范圍內，但必須注意，如果不采用交流去耦的話(huà) (如上所述)，實(shí)際噪聲帶寬會(huì )非常高。

最后，盡管線(xiàn)性調節器使用簡(jiǎn)便 (一般為3個(gè)端子，即輸入、接地和輸出)，在大部分電路環(huán)境下具有出色的DC和AC特性，但在熱特性方面存在極大局限性。由于線(xiàn)性調節器內部電路輸入電壓Vs高于輸出電壓Vout (Vs-Vout>2V)，這種壓差(Vs-Vout)乘以輸出電流 (Iout) 給出的功率值，最終成為線(xiàn)性調節器和系統的熱耗散。必須認真考慮這種熱量轉換因素。在整個(gè)設計中，必須考慮正確散熱和系統周?chē)鷼饬鲉?wèn)題。例如，如果線(xiàn)性調節器最大結溫為150 °C (且系統中沒(méi)有散熱器或氣流)，系統環(huán)境溫度可達到125 °C；如果Θja接近 50 °C/W，線(xiàn)性調節器最大功率輸出應限制在 ? W以下，以保持在可接受的結溫極限以?xún)?。這是為什么線(xiàn)性調節器對于需要大功率和熱效率的系統存在顯著(zhù)缺點(diǎn)。下面的文章，我們將討論解決這兩個(gè)問(wèn)題的開(kāi)關(guān)調節器。

線(xiàn)性調節器仍是電子器件和系統設計的關(guān)鍵，無(wú)論驅動(dòng)其他器件的獨立電路，還是驅動(dòng)其他片上電路的子單元。為保證整體系統達到最高性能，需要認真設計并遵守技術(shù)規格的要求。開(kāi)關(guān)穩壓器

開(kāi)關(guān)穩壓器是所有DC-DC轉換器中最高效的一種穩壓器。開(kāi)關(guān)穩壓器能效顯著(zhù)高于線(xiàn)性穩壓器，當然，其不利的一面是開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生很高的輸出噪聲。不過(guò)，開(kāi)關(guān)穩壓器拓撲結構廣泛適用于各種應用場(chǎng)合，包括步升 (升壓)、步降 (降壓)和轉換電壓調節(升壓/降壓)。

開(kāi)關(guān)穩壓器中內置功率開(kāi)關(guān)管 (通常為垂直金屬氧化物半導體，簡(jiǎn)稱(chēng)VMOS，但也可采用雙極器件)。功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)/關(guān)工作周期確定儲存多少能量，然后為負載供電。與線(xiàn)性穩壓器采用電阻間能效低下的壓降方式調節電壓不同，相對來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)穩壓器幾乎無(wú)功耗! 其秘密就在于其中的功率開(kāi)關(guān)管。開(kāi)關(guān)管打開(kāi)時(shí)，其兩端為高電壓，而電流為零。開(kāi)關(guān)管閉合時(shí)，開(kāi)關(guān)管輸出高電流，而兩端電壓為零! 由于從電感器過(guò)來(lái)的電壓和電流存在90度相位差 (也沒(méi)有DC壓降)，因此開(kāi)關(guān)穩壓器可以達到極高的能效水平。

圖3 步升開(kāi)關(guān)穩壓器 (升壓轉換器)

下面，以升壓轉換器為例，簡(jiǎn)要介紹步升開(kāi)關(guān)穩壓器的功能 (參見(jiàn)圖3)。圖1所示是一種簡(jiǎn)單的升壓轉換器，由電感、功率開(kāi)關(guān)管、整流二極管和電容組成。電感的主要功能是儲能并限制進(jìn)入開(kāi)關(guān)管的電流變化率 (否則只能單獨由開(kāi)關(guān)電阻限制高峰值電流)。在穩定狀態(tài)條件下，開(kāi)關(guān)管打開(kāi)，電感為電容充電，直到+Vout與+Vin相等 (二極管電流為零)。開(kāi)關(guān)管閉合時(shí)，由于二極管防止電容+Vout (仍然等于+Vin)對地放電，輸入電壓+Vin作用于電感。通過(guò)電感的電流以+Vin/L比率線(xiàn)性增長(cháng)，di/dt (隨開(kāi)關(guān)管閉合時(shí)間) 。而當開(kāi)關(guān)管再次打開(kāi)時(shí)，電感電流經(jīng)整流二極管為電容充電，電壓以I/C比率按dv/dt比值增長(cháng) (隨開(kāi)關(guān)管打開(kāi)時(shí)間)。如果功率開(kāi)關(guān)管工作周期 (D=tclosed/(tclosed+topen)) 等于50%，理想條件下+Vout可以達到Vin+Vin，即兩倍于施加的輸入電壓 (因為穩定狀態(tài)下，平均電感電壓肯定等于零) ! 當然，工作周期DV會(huì )相應改變，而調整輸出電壓可以得到Vout=Vin/(1-D)的結果。這為用戶(hù)采用升壓轉換器拓撲結構，在DC輸入電壓(+Vin) 限定的條件下，以加倍DC輸出電壓，在給定的整體能效范圍內驅動(dòng)電路負載提供了極大的靈活性。

當然，雖然理想的升壓轉換器在功效方面具有顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，但也需要考慮電路的實(shí)際限制性。升壓轉換器最大的功耗因素是整流二極管。簡(jiǎn)單的功耗計算方法為(熱狀態(tài)下)，正向壓降乘以穿過(guò)整流二極管的電流。為最大限度提高效率，可用另一支功率開(kāi)關(guān)管取代二極管。這支整流開(kāi)關(guān)管可在主開(kāi)關(guān)和閉合時(shí)，以先斷后通的模式打開(kāi)，從而防止兩支開(kāi)關(guān)管同時(shí)導通。采用這種配置，功效可以達到90%以上。

以National Semiconductor公司的LM2578A/LM3578A開(kāi)關(guān)穩壓器為例，這種開(kāi)關(guān)穩壓器采用雙極型晶體管作為功率開(kāi)關(guān)器件。它含有一個(gè)板載振蕩器，可利用一支1Hz至100 kHz以下 (典型值) 外接電容設置開(kāi)關(guān)頻率。輸出電流最高可達750 mA，帶有限流和熱關(guān)斷功能。當LM2578A/LM3578A按升壓轉換器配置時(shí) (例如，Iout=150 mA時(shí)，Vin=+5V，Vout=+15V)，器件的負載調節為14 mV (30 mA Vin 8.5V)。同樣，線(xiàn)性調節是在給定輸入電壓范圍內 (?Vin)，改變輸出電壓 (?Vout)。在DC電源控制的系統中，可以相當輕松地控制線(xiàn)性調節。但在使用開(kāi)關(guān)穩壓器時(shí)，設計人員需要當心，因為器件Iout電流中固有的常量變化，會(huì )造成負載調節輸出電壓不穩。14 mV 負載調節會(huì )使15V系統產(chǎn)生約1%的波動(dòng)，而且在沒(méi)有正確去耦的情況下，開(kāi)關(guān)噪聲 (來(lái)自電路負載) 會(huì )向后感應到升壓轉換器的Vout (我們將在后面詳細說(shuō)明)，這樣，會(huì )使電路負載性能下降變得非常難以管理。

總之，當能效成為首要因素 (如電池供電的便攜式設備)，以及+Vin電源一般為DC電壓，而需要較高+Vout輸出電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)穩壓器是最理想的選擇。同時(shí)，在大功率情況下 (高于幾瓦)，開(kāi)關(guān)穩壓器更加經(jīng)濟，因為它們產(chǎn)生的熱量小，從而消除了復雜的散熱設計的成本并節省了空間。注意開(kāi)關(guān)穩壓器輸出電壓紋波，及對其所驅動(dòng)的電路產(chǎn)生的影響，可以顯著(zhù)提高設計水平。