TI專家為你解答電源設計相關問題（三）

　　電子電路通常都工作在正穩(wěn)壓輸出電壓下，而這些電壓一般都是由降壓穩(wěn)壓器來提供的。如果同時還需要負輸出電壓，那么在降壓—升壓拓撲中就可以配置相同的降壓控制器。負輸出電壓降壓—升壓有時稱之為負反向，其工作占空比為 50%，可提供相當于輸入電壓但極性相反的輸出電壓。其可以隨著輸入電壓的波動調節(jié)占空比，以“降壓”或“升壓”輸出電壓來維持穩(wěn)壓。

　　圖 1 顯示了一款精簡型降壓—升壓電路，以及電感上出現(xiàn)的開關電壓。這樣一來該電路與標準降壓轉換器的相似性就會頓時明朗起來。實際上，除了輸出電壓和接地相反以外，它和降壓轉換器完全一樣。這種布局也可用于同步降壓轉換器。這就是與降壓或同步降壓轉換器端相類似的地方，因為該電路的運行與降壓轉換器不同。

　　FET 開關時出現(xiàn)在電感上的電壓不同于降壓轉換器的電壓。正如在降壓轉換器中一樣，平衡伏特-微秒 （V-μs） 乘積以防止電感飽和是非常必要的。當 FET 為開啟時（如圖 1 所示的 ton 間隔），全部輸入電壓被施加至電感。這種電感“點”側上的正電壓會引起電流斜坡上升，這就帶來電感的開啟時間 V-μs 乘積。FET 關閉 （toff） 期間，電感的電壓極性必須倒轉以維持電流，從而拉動點側為負極。電感電流斜坡下降，并流經負載和輸出電容，再經二極管返回。電感關閉時V-μs 乘積必須等于開啟時 V-μs 乘積。由于 Vin 和 Vout 不變，因此很容易便可得出占空比 （D） 的表達式：D=Vout/（Vout “ Vin）。這種控制電路通過計算出正確的占空比來維持輸出電壓穩(wěn)壓。上述表達式和圖 1 所示波形均假設運行在連續(xù)導電模式下。

　　圖 1 降壓—升壓電感要求平衡其伏特-微秒乘積

　　降壓—升壓電感必須工作在比輸出負載電流更高的電流下。其被定義為 IL = I/（1-D），或只是輸入電流與輸出電流相加。對于和輸入電壓大小相等的負輸出電壓（D = 0.5）而言，平均電感電流為輸出的 2 倍。

　　有趣的是，連接輸入電容返回端的方法有兩種，其會影響輸出電容的 rms 電流。典型的電容布局是在 +Vin 和 Gnd 之間，與之相反，輸入電容可以連接在 +Vin和 ”V 之間。利用這種輸入電容配置可降低輸出電容的rms電流。然而，由于輸入電容連接至 “Vout，因此 ”Vout 上便形成了一個電容性分壓器。這就在控制器開始起作用以前，在開啟時間的輸出上形成一個正峰值。為了最小化這種影響，最佳的方法通常是使用一個比輸出電容要小得多的輸入電容，請參見圖 2 所示的電路。輸入電容的電流在提供 dc 輸出電流和吸收平均輸入電流之間相互交替。rms 電流電平在最高輸入電流的低輸入電壓時最差。因此，選擇電容器時要多加注意，不要讓其 ESR 過高。陶瓷或聚合物電容器通常是這種拓撲較為合適的選擇。

　　圖 2 降壓控制器在降壓—升壓中的雙重作用

　　必須要選擇一個能夠以最小輸入電壓減去二極管壓降上電的控制器，而且在運行期間還必須能夠承受得住 Vin 加 Vout 的電壓。FET 和二極管還必須具有適用于這一電壓范圍的額定值。通過連接輸出接地的反饋電阻器可實現(xiàn)對輸出電壓的調節(jié)，這是由于控制器以負輸出電壓為參考電壓。只需精心選取少量組件的值，并稍稍改動電路，降壓控制器便可在負輸出降壓—升壓拓撲中起到雙重作用。

電源設計小貼士 6：精確測量電源紋波

　　精確地測量電源紋波本身就是一門藝術。在圖 1 所示的示例中，一名初級工程師完全錯誤地使用了一臺示波器。他的第一個錯誤是使用了一支帶長接地引線的示波器探針；他的第二個錯誤是將探針形成的環(huán)路和接地引線均置于電源變壓器和開關元件附近；他的最后一個錯誤是允許示波器探針和輸出電容之間存在多余電感。該問題在紋波波形中表現(xiàn)為高頻拾取。在電源中，存在大量可以很輕松地與探針耦合的高速、大信號電壓和電流波形，其中包括耦合自電源變壓器的磁場，耦合自開關節(jié)點的電場，以及由變壓器互繞電容產生的共模電流。

　　圖 1 錯誤的紋波測量得到的較差的測量結果

　　利用正確的測量方法可以大大地改善測得紋波結果。首先，通常使用帶寬限制來規(guī)定紋波，以防止拾取并非真正存在的高頻噪聲。我們應該為用于測量的示波器設定正確的帶寬限制。其次，通過取掉探針“帽”，并構成一個拾波器（如圖 2 所示），我們可以消除由長接地引線形成的天線。將一小段線纏繞在探針接地連接點周圍，并將該接地連接至電源。這樣做可以縮短暴露于電源附近高電磁輻射的端頭長度，從而進一步減少拾波。

　　最后，在隔離電源中，會產生大量流經探針接地連接點的共模電流。這就在電源接地連接點和示波器接地連接點之間形成了壓降，從而表現(xiàn)為紋波。要防止這一問題的出現(xiàn)，我們就需要特別注意電源設計的共模濾波。另外，將示波器引線纏繞在鐵氧體磁心周圍也有助于最小化這種電流。這樣就形成了一個共模電感器，其在不影響差分電壓測量的同時，還減少了共模電流引起的測量誤差。圖 2 顯示了該完全相同電路的紋波電壓，其使用了改進的測量方法。這樣，高頻峰值就被真正地消除了。

　　圖 2 四個輕微的改動便極大地改善了測量結果

　　實際上，集成到系統(tǒng)中以后，電源紋波性能甚至會更好。在電源和系統(tǒng)其他組件之間幾乎總是會存在一些電感。這種電感可能存在于布線中，抑或只有蝕刻存在于 PWB 上。另外，在芯片周圍總是會存在額外的旁路電容，它們就是電源的負載。這二者共同構成一個低通濾波器，進一步降低了電源紋波和/或高頻噪聲。在極端情況下，電流短時流經 15 nH 電感和 10 μF 旁路電容的一英寸導體時，該濾波器的截止頻率為 400 kHz。這種情況下，就意味著高頻噪聲將會得到極大降低。許多情況下，該濾波器的截止頻率會在電源紋波頻率以下，從而有可能大大降低紋波。經驗豐富的工程師應該能夠找到在其測試過程中如何運用這種方法的途徑。