都是DC惹的“禍” 細(xì)說DC-DC轉(zhuǎn)換器的抗干擾性
這里會詳細(xì)討論DC-DC轉(zhuǎn)換器的抗干擾性這一主題,先簡單聊聊DC-DC轉(zhuǎn)換器,自從電子學(xué)誕生以來,就流傳著一句老話…“所有問題都是DC問題?!?/span>
當(dāng)然,DC指“直流”,即電路中穿過導(dǎo)體由A點(diǎn)至B點(diǎn)的單向電流。我們知道,這里所說的“問題”意思很簡單,就是…問題。那么,為什么所有問題都是DC問題呢?
我們知道,電流和電子簡單來說是完整電路系統(tǒng)中,各種導(dǎo)體和器件中的電流產(chǎn)生的能量。因此,歸根結(jié)底是一種能量轉(zhuǎn)換。能量是做功的能力,以兩種形式存在:1)勢能和2)動能。勢能是一種非活動狀態(tài)的蓄能 (如電池端子間的電壓)。動能是勢能轉(zhuǎn)變?yōu)榛顒訝顟B(tài)時(shí)產(chǎn)生的能量 (如電流穿過燈泡)。電子學(xué)簡單來說是通過控制各種導(dǎo)體中的電流,將勢能 (電壓) 轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?(電流) 的科學(xué)! 歐姆‘DC定律’必須始終滿足能量轉(zhuǎn)換才能產(chǎn)生作用!因此,電路輸入與輸出之間的每一部分,無論是否具備AC功能,必須出色設(shè)計(jì)電路的DC結(jié)構(gòu),才能有效支持無論何種形式的能量轉(zhuǎn)換。換句話說,如果電路DC設(shè)計(jì)不良,不可能實(shí)現(xiàn)AC性能。
這種情況給設(shè)計(jì)師造成極大壓力,需要在電源與接地之間“模擬設(shè)計(jì)”的基礎(chǔ)上,掌握多學(xué)科領(lǐng)域高水平專業(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(zhuǎn)換直流 (DC),首先需要選擇正確的DC-DC轉(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)換器有各種尺寸和類型:轉(zhuǎn)換器包括線性、開關(guān)模式和磁電等不同類型。而且,升壓 (步升) 和降壓 (步降) 功能采用類型各異的能量轉(zhuǎn)換電路。正確了解這些電路類型,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(dǎo)者推出的器件,如國家半導(dǎo)體公司最近推出的Simple Switcher電源模塊。
“所有問題都是DC問題…”,在考慮DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)了解這一點(diǎn),可以為良好的電路設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
線性調(diào)節(jié)器
線性調(diào)節(jié)器是所有DC-DC轉(zhuǎn)換器最基礎(chǔ)的器件。線性調(diào)節(jié)器是一種穩(wěn)壓器,相對于在“非線性”開關(guān)模式區(qū)域工作的開關(guān)調(diào)節(jié)器(我們將在后面討論這種器件),線性調(diào)節(jié)器在“線性區(qū)域”工作。線性調(diào)節(jié)器必須滿足為負(fù)載提供額定電源 (低噪聲達(dá)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(fù)載阻抗值的影響。線性調(diào)節(jié)器起可變電阻的作用,調(diào)節(jié)分壓網(wǎng)絡(luò),以保持恒定的輸出電壓,同時(shí)提供各種負(fù)載電流。
圖1
圖1所示為線性調(diào)節(jié)器原理圖。圖中所示為“串聯(lián)”線性調(diào)節(jié)器電路,因?yàn)檎{(diào)節(jié)器件 (晶體管Q) 與負(fù)載R2串聯(lián)。電路調(diào)節(jié)齊納二極管DZ輸出電壓 (因?yàn)榫w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(qū)動高輸出值Iout (經(jīng)R2)。盡管電路具有良好的輸出電壓調(diào)節(jié)能力 (只要Q在線性區(qū)域工作),但仍會感應(yīng)負(fù)載、電源變量(Vs)、噪聲和電源紋波。其中有些問題可以采用負(fù)反饋電路感應(yīng)電路輸出來解決,其他時(shí)候,這個(gè)電路往往用作電壓基準(zhǔn),支持更加先進(jìn)的線性調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)或選擇線性調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器輸出中可能耦合的共模電壓。
例如,選擇線性調(diào)節(jié)器時(shí),必須認(rèn)真確定電路功率要求和穩(wěn)壓器輸出特性。以國家半導(dǎo)體公司LM340/LM78XX系列三端正壓調(diào)節(jié)器為例,這類線性調(diào)節(jié)器是業(yè)界具有基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要素的標(biāo)準(zhǔn)器件。一般情況下,部分器件規(guī)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(fù)載電流Iout。負(fù)載調(diào)節(jié)在給定輸出電流范圍內(nèi) (?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(diào)節(jié)晶體管 (Q1) 近飽和狀態(tài)和電壓/電流增益衰降,會導(dǎo)致負(fù)載調(diào)節(jié)特性惡化。這種情況也適用于線路調(diào)節(jié)。線路調(diào)節(jié)是在給定輸入電壓 (?Vs) 范圍內(nèi)改變輸出電壓 (?Vout)。同樣,?Vo線路調(diào)節(jié)一般以mV級定義低電平?Vs,隨著輸入電壓的變化,mV級可以放大十倍(與輸出電壓相比),達(dá)到輸出電壓調(diào)節(jié)晶體管接近擊穿點(diǎn)時(shí),其增益會隨之下降。線路調(diào)節(jié)還可以實(shí)現(xiàn)紋波抑制 (?Vin/?Vout比),且應(yīng)大于60 dB,以避免AC波紋通過輸入電源線路接入線性調(diào)節(jié)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(tǒng)至關(guān)重要。對進(jìn)入線性調(diào)節(jié)器的電源紋波,還可以通過增加必要的電源去耦電容,進(jìn)一步濾除線性調(diào)節(jié)器輸入和輸出中不希望出現(xiàn)的紋波來加以改善 (后面我們將深入討論電源去耦問題)。
去耦示意圖 (Vout通過與兩個(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(shè)計(jì)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) 放在線性調(diào)節(jié)器輸出端附近 (2英寸以內(nèi))。這個(gè)電容用作電荷庫,可即刻為負(fù)載提供電流,而不必通過調(diào)節(jié)器/電感提供電
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