現代設計中電源子系統的創(chuàng )建

多數工程師在設計耐用的開(kāi)關(guān)轉換器時(shí)都會(huì )遇到困難。第一個(gè)問(wèn)題是穩定性。復雜控制回路的穩定是一個(gè)令人怯步的工作，因為很多轉換器都需要輸出電壓中的一個(gè)紋波才能正常工作。其它問(wèn)題還有次諧波振蕩，必須將一個(gè)躍升信號注入基準。當大容值陶瓷電容器價(jià)格降至合理范圍時(shí)，很多工程師會(huì )用它們代替輸出電解電容器。陶瓷電容器有很低的ESR（等效串聯(lián)電阻），基本上沒(méi)有引起振蕩的紋波電壓。紋波電壓本身可能違背設計要求，例如在為模擬電路供電時(shí)。這個(gè)問(wèn)題需要作后置穩壓，或者使用附加的電感阻尼方法。

噪聲是另一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，它會(huì )散發(fā)到輸入或輸出電源線(xiàn)上，或以電磁輻射方式發(fā)射到周?chē)臻g。設計者可能沒(méi)有注意到這個(gè)問(wèn)題，而直到量產(chǎn)前送FCC和CE做測試時(shí)才發(fā)現，這是最糟的情況。設計者可以采用多種技術(shù)，將這個(gè)噪聲與外界和系統其它部分屏蔽開(kāi)來(lái)。不過(guò)最好的方法是在第一地點(diǎn)就不產(chǎn)生噪聲，其次才是嘗試在幾十、幾百個(gè)終端用戶(hù)設備中作屏蔽。

與線(xiàn)性穩壓器一樣，發(fā)熱也是開(kāi)關(guān)轉換器的問(wèn)題。多數降壓穩壓器都會(huì )在繼流二極管上產(chǎn)生更多熱量，而不是在FET上。美國國家半導體公司的WEBENCH在線(xiàn)設計工具給出的熱量圖顯示，二極管D1是電路板上最熱的元件，它正在加熱鄰近的IC（圖5）。為了減少繼流二極管產(chǎn)生的熱量，同步降壓穩壓器采用第二支異相FET代替了二極管。

上述大部分問(wèn)題都可以溯源到不恰當的印制電路板布局?，F在有幾篇文章在討論一個(gè)優(yōu)良的開(kāi)關(guān)穩壓器布局時(shí)易犯的錯誤。工程師應利用公司內制造穩壓IC的應用工程人員的優(yōu)勢。如果應用工程師先審查你的設計和布局，然后再送去制造，就可以避免相當多的挫折和混亂。

脫機穩壓器

到此為止，本文討論的都是DC/DC轉換器。另一類(lèi)轉換器是從交流電獲得直流電。交流電一般取自民用交流電源線(xiàn)；因此轉換器是脫機供電。其它設計采用隔離拓撲結構，從原直流電源用經(jīng)典整流電路給出一個(gè)或多個(gè)直流電源。Allegro、On、STMicro、Power Integrations和德州儀器公司Unitrode部門(mén)制造這類(lèi)型的器件。脫機電源也有一些問(wèn)題，包括浪涌電流和諧波電流。浪涌電流是在關(guān)閉輸入開(kāi)關(guān)的瞬間，為輸入電容器充電的大量電流。這個(gè)電流可以威脅到整流二極管，造成電容器過(guò)早失效。解決這個(gè)問(wèn)題的方法包括在輸入端串接NTC（負溫度系列）器件。這些器件在低溫時(shí)有大電阻。當輸入電流進(jìn)入電容器時(shí)，器件被加熱，電阻下降。它的缺點(diǎn)是工作溫度可以達到190°C，并且對環(huán)境溫度很敏感。

脫機電源的第二個(gè)問(wèn)題是輸入電容器會(huì )產(chǎn)生大的電流尖峰。這些尖峰在每個(gè)線(xiàn)路周期完成。用PFC可以降低這些尖峰，歐洲銷(xiāo)售的電源產(chǎn)品都必須帶PFC.記得要給電解電容器加保險絲。如果在量產(chǎn)前未能通過(guò)UL著(zhù)火溫度測試，那么其后果與未通過(guò)FCC和CE EMI/RFI（電磁干擾/射頻干擾）測試一樣是災難性的。

使用開(kāi)關(guān)IC的脫機穩壓器的另一個(gè)通常問(wèn)題是起動(dòng)電路的靜態(tài)電流。必須在任何振蕩和穩壓開(kāi)始前為芯片提供5V ~ 10V的電壓。因此，往往要用一個(gè)大功率電阻器將這個(gè)電壓送至芯片。如果將電阻器跨接在170V或更高直流總線(xiàn)與5V或10V IC電源線(xiàn)路之間，則會(huì )產(chǎn)生相當大的功耗。此時(shí)，設計者可以用500V Supertex耗盡型FET，但這種方法可能不適合低成本電源。有些供應商（例如Power Integrations）開(kāi)發(fā)了一些替代結構來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。該公司營(yíng)銷(xiāo)副總裁Doug Bailey說(shuō)：“采用集成功率晶體管的解決方案可以使用高壓MOSFET作為分壓器，從控制部分獲得能量，而在低電壓時(shí)只有少量電流分流。Power Integrations已將這種方案用于所有開(kāi)關(guān)IC中，工作得都很好。”

數字管理或控制的電源采用一個(gè)普通模擬PWM回路，但與真正的數字控制建立聯(lián)系，而不是指多數控制器上普遍都有的數字關(guān)斷腳（圖6）。數字管理的功率IC首先在電池充電器IC中找到用途。過(guò)去的化學(xué)電池（例如鉛酸電池）經(jīng)常使用一組穩壓IC，為每節電池提供2.3V ~ 2.36V電壓，這要取決于應用能否承受較高的充電電壓。即使這些簡(jiǎn)單的充電器也經(jīng)常增加環(huán)境溫度檢測、時(shí)間限制器，或電池溫度檢測功能，以調整充電電壓。鎳金屬氫電池及更廣泛使用的鋰離子化學(xué)電池需要更多的數字監控。系統設計者可能要根據溫升或電壓上升而終止充電周期。如果電池已報廢，就不應起動(dòng)全功率的充電。當發(fā)生這種情況時(shí)，充電器IC必須以“打嗝”方式向電池送入一個(gè)小電流，并進(jìn)行監控，直到電壓升高到足以接受全功率充電。如果電池已經(jīng)充了幾小時(shí)，仍然沒(méi)有到達終止點(diǎn)，則IC應結束充電周期。環(huán)境溫度故障和很多其它變量也可能有關(guān)系。美國國家半導體公司的應用工程師Mary Kao說(shuō)：“我們不再把電池充電器IC看作一個(gè)帶有一些邏輯的PWM電路。我們認為它現在是帶模擬PWM的一個(gè)微控制器。”

一旦電池充電器IC道路被鋪平，很多其它應用也需要對模擬PWM回路的大量數字控制。例如，Xilinx FPGA需要嚴格的上電順序和控制。有一家供應商Cradle制作了一個(gè)多核DSP IC.由于它是一個(gè)0.13μm的CMOS器件，使用了DDR SDRAM，因此電源系統的設計就成為挑戰。需求包括I/O的3.3V、內核的1.2V、DDR-SDRAM I/O的2.5V、用于DDR-SDRAM阻抗電壓的1.25V陷流源、DRAM電壓基準，以及用于另一IC的1.8V.Cradle工程師Tapeng Huang和Craig Calder與Intersil的Mike Cheong一起，用單只多通道控制器重新設計了五個(gè)獨立的電源輸出。他們使用了兩個(gè)DC/DC控制器、兩個(gè)專(zhuān)用的DDR輸出，以及兩個(gè)獨立的低壓差穩壓器。在一個(gè)更熟悉的領(lǐng)域中，大多數PC機用

戶(hù)都知道處理器和內存的供電電壓是采用數字控制的。手持設備可能有復雜的控制需求，以節省電池能量和延長(cháng)運行時(shí)間。

數字電源采用DSP而不是模擬PWM回路，通過(guò)算術(shù)運算保持回路的穩定（圖7）。這種方案可以提供回路補償的靈活性，但這種靈活性是有代價(jià)的。Elandesigns的主管Dave Mathis指出：“如果你準備修改補償，就必須根據變化而檢測一些東西。在采集時(shí)間和錯誤條件下，這是自找麻煩。”當然，有經(jīng)驗的控制系統工程師都知道，性能良好的系統通常有一個(gè)優(yōu)勢的部分。然而，德州儀器、Silicon Labs和Primarion都制造數字電源設備。Primarion發(fā)表的文章中表示，未來(lái)所有電源都將是數字化的，模擬工程師要抵抗數字電源的實(shí)現，就只能保護自己的領(lǐng)地。Primarion并不使用DSP管理控制回路。它使用了一個(gè)自由運行的狀態(tài)機，其功耗遠低于DSP.控制仍在數字回路中，而不是模擬PWM回路。德州儀器公司數字電源經(jīng)理Steven Bakota指出：“數字電源不是什么新鮮東西。TI已經(jīng)銷(xiāo)售了10年數字電源……以庫的形式使用標準DSP.現在的差別是，我們有了自己的Fusion系列定制件，和一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以簡(jiǎn)化設計的實(shí)現。”

一片DSP中的6萬(wàn)支晶體管為數字電源系統提供控制回路，而模擬方案只需要大約100支晶體管。數字電源迷們還吹噓說(shuō)靜態(tài)功耗只有7 mA.這個(gè)數字在一個(gè)刀片服務(wù)器中也許是可以接受的，因為它使用墻上電源工作，但依靠電池工作或便攜產(chǎn)品就難以承受這么大的功耗。而模擬方案可以工作在1 mA以下。設計者還應評估系統的瞬時(shí)功耗。如果在一次供電瞬時(shí)后，DSP還要重新初始化，并運行用戶(hù)編寫(xiě)的代碼，那么就可能不適合某些應用。最后還有一個(gè)警告，經(jīng)理們希望把復雜的軟件開(kāi)發(fā)工作放在產(chǎn)品設計周期的結尾，這通常是設計電源子系統的時(shí)間。經(jīng)理們不要因設計的平淡無(wú)奇而放松警惕。如果設計簡(jiǎn)單，可以使用低成本和靜態(tài)電流也較低的模擬PWM部分。要設法確認，一個(gè)數字管理的系統并不比全DSP數字控制回路更合適。