電源工程師設(shè)計(jì)札記:輕松完成電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)對(duì)于每個(gè)工程師來(lái)說(shuō)都會(huì)有點(diǎn)熟悉而又陌生的感覺(jué)。如何有效攻克電源設(shè)計(jì)中遇到的疑難雜癥？加強(qiáng)工程師之間溝通，充分利用工程師的設(shè)計(jì)心得是其中一個(gè)有效途徑?；诖耍娮影l(fā)燒友網(wǎng)將電子發(fā)燒友網(wǎng)讀者奉上《電源工程師設(shè)計(jì)札記》系列大餐，之后還將會(huì)推出相關(guān)電子書(shū)，敬請(qǐng)留意！

　　1、如何使過(guò)壓過(guò)流電路保護(hù)設(shè)計(jì)更輕松？

　　對(duì)于大型的控制電路，比如LED燈塔的電源控制線(xiàn)路，其保護(hù)以及維修都是一個(gè)比較復(fù)雜的工程。使用TBU方案，是否可以使過(guò)壓過(guò)流電路保護(hù)解決方案設(shè)計(jì)更輕松呢？

　　本文從傳統(tǒng)的保護(hù)元器件入手，對(duì)比傳統(tǒng)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)元器件和TBU方案的工作方式，深度解析TBU與傳統(tǒng)過(guò)壓過(guò)流電路保護(hù)元件的區(qū)別及其應(yīng)用限制，為廣大電子工程師探索過(guò)壓過(guò)流電路保護(hù)方案輕松設(shè)計(jì)之道。

　　保護(hù)元器件的分類(lèi)

　　保護(hù)電子元器件主要分成兩大塊，如圖所示，一塊是過(guò)流保護(hù)，一塊是過(guò)壓保護(hù)。

　　相對(duì)過(guò)壓的保護(hù)元件，過(guò)流的保護(hù)元件主要分成圖示上部分的幾塊，右邊的元件反應(yīng)速度快，但通流量較小，而左邊的元件相反，所以需要做一些搭配。主要是整合器的元器件，如TBU。TBU把過(guò)流和過(guò)壓的元器件組合在一起，可同時(shí)進(jìn)行過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)。

　　傳統(tǒng)過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)元器件的組合和工作方式

　　下圖是最常見(jiàn)的組合圖，可以看出怎樣把過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)元器件放在一般的線(xiàn)路上。

　　過(guò)流的產(chǎn)品一定是串聯(lián)在電路上，包含一般電阻或電壓。而過(guò)壓的產(chǎn)品主要并聯(lián)在電路上，包含一級(jí)壓、二級(jí)壓、三級(jí)壓。類(lèi)似TBS管等，二級(jí)和三級(jí)基本可以互換，關(guān)鍵是怎樣做搭配，保護(hù)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作非常重要。

　　按傳統(tǒng)的方式，當(dāng)一個(gè)雷擊進(jìn)來(lái)之后，首先上升的一定是電壓，一定是內(nèi)部靠近IC部分的保護(hù)器件最先反應(yīng)，若沒(méi)有反應(yīng)，內(nèi)部線(xiàn)路肯定會(huì)被擊穿；或TBS管一定要運(yùn)作，作為開(kāi)關(guān)直接關(guān)閉。

　　舉例來(lái)說(shuō)，由于過(guò)電壓產(chǎn)品最怕電流質(zhì)，而過(guò)電流產(chǎn)品最怕電壓，當(dāng)TBS打開(kāi)之后，所有的電流都會(huì)往一邊流。若出現(xiàn)一個(gè)很大的雷擊，這個(gè)TBS管一定會(huì)被擊穿。所以必須要在外面擺上一個(gè)氣體管，來(lái)保護(hù)這個(gè)TBS管。當(dāng)電流經(jīng)過(guò)這個(gè)管后，其電壓會(huì)持續(xù)上升，靠近外面的氣體放電管，必須要在動(dòng)作之后才能保護(hù) TBS管。一般來(lái)講，PDC的速度非常慢，所以單個(gè)雷擊進(jìn)來(lái)之后PDC沒(méi)有辦法動(dòng)作。

　　TBU是近十年一個(gè)比較新的產(chǎn)品，是高速的保護(hù)器，也可以說(shuō)是一個(gè)電子的限流器。現(xiàn)在來(lái)看看TBU的工作方式與傳統(tǒng)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)元器件有何不同。

　　TBU的工作方式

　　傳統(tǒng)電子保險(xiǎn)絲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　TUB的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　與傳統(tǒng)的雙向保險(xiǎn)絲結(jié)構(gòu)相比，TUB最重要的差異是電壓部分。傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的工作方式是把電流導(dǎo)到地的方式，而TBU方式主要是用隔離的方式。雷擊進(jìn)來(lái)之后電流經(jīng)過(guò)內(nèi)部的IC去走，當(dāng)電流超過(guò)觸發(fā)點(diǎn)之后，TBU就會(huì)打開(kāi)，TBU打開(kāi)之后所有的能量都是隔絕在外，這時(shí)候電壓還是會(huì)持續(xù)上升。在外部放一個(gè)氣體管保護(hù)TBU。由于過(guò)電流產(chǎn)品最怕是電壓。而TBU是過(guò)電流產(chǎn)品，假設(shè)選擇的是一個(gè)850v的TBU，必須確定線(xiàn)路偷走的電壓值不能夠超過(guò)850v，所以必須在外部再擺一個(gè)氣體放電管去保護(hù)TBU，這點(diǎn)與傳統(tǒng)的方式有所區(qū)別。事實(shí)上兩種應(yīng)用方式的區(qū)別是后者做了開(kāi)關(guān)，把能量全部阻絕在外面。

　　把TBU放入電路之后，電流會(huì)上升，這時(shí)候TBU就要打開(kāi)，阻絕到電流跟電壓，電路就被保護(hù)。當(dāng)電壓上升之后，因?yàn)槠浞磻?yīng)速度非?？欤黼娏饕采仙?，TBU動(dòng)作之后會(huì)阻絕電壓與電流的部分。TBU是電流啟動(dòng)電壓回復(fù)的元件。當(dāng)TBU沒(méi)有動(dòng)作的時(shí)候，如同電阻；電流超過(guò)之后，開(kāi)關(guān)直接打開(kāi)，承接高阻；當(dāng)電壓回復(fù)之后，TBU回復(fù)原本工作狀態(tài)。

2、如何選擇開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　電源是電子產(chǎn)品中必不可少的一部分，現(xiàn)在逐漸流行開(kāi)關(guān)電源，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種。下面就個(gè)人了解，羅列一些（不一定全）供大家參考。首先要明確您的產(chǎn)品中電源部分是否要與輸入電源隔離。

　　對(duì)于不隔離式開(kāi)關(guān)電源，大體上有降壓（buck）、升壓（boost）、極性反轉(zhuǎn)（負(fù)輸出，降升壓buck-boost）、斬波（cuck）3種類(lèi)型。對(duì)于隔離式開(kāi)關(guān)電源，分正激、反激、半橋、全橋、推挽5種類(lèi)型。

　　先說(shuō)不隔離式：

　　降壓（buck）型原理如下圖所示，前半周期Q1導(dǎo)通向C供電同時(shí)L1儲(chǔ)能，后半周期D1導(dǎo)通L1放能向C供電。

　　升壓（boost）型原理如下圖所示，前半周期Q1導(dǎo)通L1儲(chǔ)能，后半周期D1導(dǎo)通L1放能與V1串連向C1供電。

　　極性反轉(zhuǎn)型原理如下圖所示，前半周期Q1導(dǎo)通L1儲(chǔ)能，后半周期D1導(dǎo)通L1放能向C1供電。

　　若輸入電壓大于工作電壓，則選用降壓型，反之選擇升壓型。若單電源輸入，需要+、-電源時(shí)選用極性反轉(zhuǎn)型。

　　再說(shuō)隔離式：若輸出功率較?。?00W以下）常用反激式；若功率稍大，可選用正激式；再大就要采用半橋或全橋式了。

　　反激式是磁性元件在前半周儲(chǔ)能，后半周期傳遞能量。并關(guān)管要承受電源電壓與反激電壓之和，一般220V整流后要用700V左右的功率管。

　　正激式是在前半周期直接傳遞能量，后半周期泄放磁場(chǎng)。若磁場(chǎng)泄放不掉，則后面的周期中會(huì)因磁飽和而燒毀功率器。

　　全橋式是有4個(gè)功率器件，能夠讓變壓器原邊電流來(lái)回流動(dòng)，在每半個(gè)周期都傳遞能量，所以能做到較大功率。

　　半橋式是全橋式的簡(jiǎn)化，它將一個(gè)橋臂上的功率器件換成電容，節(jié)約了一半數(shù)量的功率器件，且功率器件上承受的電壓也減半，故降低了成本。

　　升壓變換中多采用推挽式，因原邊電壓較低，繞組匝數(shù)少，繞成雙原邊也不增加多少成本，雙繞組又能增加功率，故是廣泛采用的方式。

　　3、多電源系統(tǒng)的監(jiān)控和時(shí)序控制

　　現(xiàn)今，電子系統(tǒng)往往具有許多不同的電源軌。在采用模擬電路和微處理器、DSP、ASIC、FPGA的系統(tǒng)中，尤其如此。為實(shí)現(xiàn)可靠、可重復(fù)的操作，必須監(jiān)控各電源電壓的開(kāi)關(guān)時(shí)序、上升和下降速率、加電順序以及幅度。既定的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能包括電源時(shí)序控制、電源跟蹤、電源電壓/電流監(jiān)控和控制。有各種各樣的電源管理IC可以執(zhí)行時(shí)序控制、跟蹤、上電和關(guān)斷監(jiān)控等功能。

　　時(shí)序控制和跟蹤器件可以監(jiān)控和控制多個(gè)電源軌，其功能可能包括設(shè)置開(kāi)啟時(shí)間和電壓上升速率、欠壓和過(guò)壓故障檢測(cè)、余量微調(diào)（在標(biāo)稱(chēng)電壓值的一定范圍內(nèi)調(diào)整電源電壓）以及有序關(guān)斷。適合這些應(yīng)用的IC種類(lèi)眾多，簡(jiǎn)單的如利用電阻、電容和比較器構(gòu)成的純模擬器件，復(fù)雜的如高集成度狀態(tài)機(jī)和通過(guò) I2C bus.總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)字控制的可編程器件。某些情況下，系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)器和控制器可能包括關(guān)鍵控制功能。

　　對(duì)于采用多個(gè)開(kāi)關(guān)控制器和調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)，還有一個(gè)考慮是器件以不同開(kāi)關(guān)頻率工作時(shí)，如何將產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲降至最低。常常需要同步調(diào)節(jié)器的時(shí)鐘，事實(shí)上，如今的許多高性能開(kāi)關(guān)控制器和調(diào)節(jié)器都可以與外部時(shí)鐘同步。

　　圖1. 電源軌的控制類(lèi)型

電源時(shí)序