現代設計中電源子系統的創(chuàng )建

從線(xiàn)性電源到數字電源，我們有很大的設計選擇范圍。本文簡(jiǎn)要介紹設計者面對的一些替代方案，以及會(huì )出現的問(wèn)題。

要點(diǎn)

電源子系統可以采用線(xiàn)性、開(kāi)關(guān)、電荷泵、AC/DC、數字管理，或數字控制等方式。

線(xiàn)性電源有發(fā)熱問(wèn)題。

電荷泵會(huì )產(chǎn)生噪聲注入。

開(kāi)關(guān)電源必須處理好穩定性、噪聲和發(fā)熱問(wèn)題。

數字管理和數字控制電源通常需要在產(chǎn)品推出前做好軟件工作。

在現代產(chǎn)品中，功率電子可以是最簡(jiǎn)單的，也可以是最復雜的子系統。這并不令人驚訝，因為應用也有簡(jiǎn)有繁。最簡(jiǎn)單時(shí)，一個(gè)電源可以是一個(gè)大的齊納二極管，如用在潛艇的有線(xiàn)增音器分離艙中。這些分離艙需要極端的可靠性，電阻器加二極管的方案是最簡(jiǎn)單，因而也是最可靠的方案。齊納管要耗散出相當多的熱量，但海流會(huì )很容易把熱量帶走。復雜程度略高一點(diǎn)的是線(xiàn)性穩壓器，這是常見(jiàn)的有用部件。LM317是美國國家半導體公司網(wǎng)站數據表下載次數最多的器件。線(xiàn)性穩壓器的運行就像一個(gè)閥門(mén)，它擋住電路中的電流，以保證電壓的穩定不變。“晶體管”這個(gè)詞的英文Transistor來(lái)自?xún)蓚€(gè)詞的組合：互導（transconductance）和變阻器（varistor）。線(xiàn)性穩壓器中的晶體管通過(guò)夾斷電流來(lái)控制電壓，因此，它產(chǎn)生互導。在其運行中，它作為一個(gè)可變電阻，或變阻器。傳統的線(xiàn)性穩壓器都采用NPN導通元件，低壓差穩壓器則使用PNP晶體管。

比較復雜的穩壓器是電荷泵。它用多支晶體管作開(kāi)關(guān)，而不是用作線(xiàn)性器件。這些開(kāi)關(guān)將電荷傳送給一個(gè)電容器，然后改變連接，由電容器將施加的初始電壓翻倍或反相。

當轉向開(kāi)關(guān)穩壓器時(shí)，復雜性出現了一次巨大的飛躍。這類(lèi)電路中有高頻磁鐵、一個(gè)控制回路，并至少有一支起開(kāi)關(guān)作用的晶體管。你可以從Vicor或Tyco購買(mǎi)磚型的整體穩壓器，或也可以自己動(dòng)手，用零件自己做穩壓器。開(kāi)關(guān)穩壓器有各種類(lèi)型：降壓、升壓、反相、隔離、SEPIC（單端初級電感轉換器）和Cuk（發(fā)音為“chook”）。



所有這些電源電路都可以把一個(gè)直流電壓轉換為其它直流電壓。很多設計使用變壓器來(lái)改變交流電壓，或先用電路將交流轉換為直流，再用后面的DC/DC轉換。最講究的AC/DC轉換電路之一是PFC（功率因子校正）電路，它采用一個(gè)升壓轉換器拓撲結構，確保轉換器的輸入電流與輸入電壓成比例，而普通AC/DC電路中輸入電流會(huì )出現尖峰。

電源領(lǐng)域中的一個(gè)新詞匯是“數字電源”。它可以意味很多東西，從簡(jiǎn)單地使用數字輸入以關(guān)斷穩壓器，到能與芯片作數字通信，用于監控模擬PWM過(guò)程，以及用DSP閉合回路，并用PWM信號直接控制導通元件。

從基礎開(kāi)始說(shuō)，線(xiàn)性穩壓器采用一支晶體管來(lái)降低直流電壓。普通線(xiàn)性穩壓器（例如LM317）用NPN晶體管作限制。由于NPN晶體管的基射結有0.6V壓降，所以這些穩壓器需要相當大的輸入輸出壓差。工程師們經(jīng)常犯一種錯誤，即當器件工作在低于推薦的壓降條件時(shí)，他們仍假定輸出電壓是穩壓的。器件也許能提供正確的電壓，但不符合各種交流和熱規定。線(xiàn)性穩壓器的大壓差要求一直維持到上世紀80年代初，當時(shí)美國汽車(chē)制造商向半導體業(yè)提出需要一種低壓差的線(xiàn)性穩壓器。為設計低壓差的穩壓器（例如LM2936），采用了PNP導通晶體管。使用這種方法后，即使在轉動(dòng)手柄啟動(dòng)汽車(chē)時(shí)電池電壓低至8V，穩壓電路也能保持穩壓狀態(tài)。美國國家半導體公司產(chǎn)品定義經(jīng)理Al Kelsch認為，當下降電壓接近零時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)“^”，或輸入電壓的小尖峰，因為導通晶體管的基極處于最大導通狀態(tài)。盡管IC設計者花費很多時(shí)間，試圖設計一個(gè)基極驅動(dòng)電路，它能夠限制電流，消除尖峰，并仍能提供瞬態(tài)響應和滿(mǎn)足其它規定，但客戶(hù)需要這個(gè)小尖峰，作為穩壓器失效的檢測方法。然后他們就可以關(guān)掉整個(gè)電路。換句話(huà)說(shuō)，客戶(hù)把設計者理解為故障的東西看成了一種功能。

線(xiàn)性穩壓器最大的問(wèn)題就是發(fā)熱。由于穩壓器運行時(shí)，導通晶體管中要通過(guò)大的電流，它會(huì )消耗大量功率。大多數線(xiàn)性穩壓器都有一個(gè)熱關(guān)斷點(diǎn)，可以防止器件被摧毀，但如果關(guān)斷發(fā)生在工作狀態(tài)，則會(huì )導致電路失效。

線(xiàn)性穩壓器的另一個(gè)設計問(wèn)題也適用于大多數電源。你必須假定一個(gè)產(chǎn)品壽命周期的某個(gè)時(shí)點(diǎn)上，會(huì )出現電解電容器短路現象。如果發(fā)生短路，必須確保穩壓器和電路板不致燒毀或造成其它損壞。還必須在輸入電解電容器和任何鉭電容器處提供一個(gè)保險絲或易熔印制電路走線(xiàn)。即使產(chǎn)品的壁式電源座不可能提供足以引起火災的電流，但一個(gè)勤奮的工程師也必須為這種情況做好準備，以防用戶(hù)用較大功率或不正確的壁式電源座為產(chǎn)品供電（圖1）。