如何在便攜式產(chǎn)品中實現(xiàn)高效電源變換

Q1：我們在使用中需要用到12V的電源，但使用的蓄電池會在12V上下波動，曾看到一篇文章介紹有三種方法解決此類問題：1.串并聯(lián)電池2.使用升降壓配置3.SEPIC配置，也就是采用兩個耦合電感的開關(guān)電源。前面兩種都好理解，SEPIC配置到底為何意？

A1：SEPIC(Single Ended Primary Inductance Converter)是可以不用耦合電感的，兩個獨立的電感也可。它是通過兩個電感分別的蓄能而達到輸出電壓可大于或小于輸入電壓的。

Q2：目前的開關(guān)電源IC輸出功率一般不超過150W，是不是可以用兩個IC復(fù)合工作輸出300W？我試過線路要很復(fù)雜，有沒有簡單的電路？

A2：通用的PWM控制IC只輸出一路PWM方波或者兩路互補的PWM方波；多相PWM控制IC輸出二到四路順序相位PWM方波，輸出方式為多路并聯(lián)輸出，優(yōu)點是輸出紋波幅值較小(多相分電流，輸出濾波器參數(shù)較小)、頻率較高(多相頻率疊加)、效率較高。

Q3：我公司開發(fā)的手持儀表帶有微型打印機，打印機工作時電流達到1.5A以上，而平時電流只有20~30mA。按1.5A設(shè)計的電源，在小電流下效率很低，如何解決這一問題？

A3：目前的高集成度DC/DC IC電源可以提供1.5A 的輸出電流, 同時在負(fù)載較輕時可從正常的PWM工作模式自動切換到BURST模式。這一功能可以很好地兼顧滿載運行和輕載運行的不同要求。

Q4：隨著開關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展，競爭也日趨激烈。請問該如何滿足低空載損耗，低成本的要求？

A4：Linear的許多DC-DC芯片帶有業(yè)界極低的靜態(tài)電流和輕載功耗. 并且它們大多可工作在很高開關(guān)頻率下并帶有很小尺寸. 因此可選用低值電感和電容, 從而導(dǎo)致電源整體成本降低和尺寸減小.

Q5：以Linear公司LT1083系列為例，在adj端和out端連接不同的電阻可以得到相應(yīng)的輸出。 關(guān)于這兩個電阻值是否有規(guī)定？我在Linear公司網(wǎng)站上并未查到，理論上這兩個電阻越大，則在電阻上浪費的功率越小，是否應(yīng)該選擇較大的電阻？但是實際使用中我看到的例子中電阻值都不是很大，請問這是為什么？有沒有電阻值選擇范圍的指導(dǎo)？ 另外我在pspice仿真時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電阻值大到一定程度的時候(我用lt1084的model, out端和adj端的電阻值是10k, adj和地端的電阻為4.4k, 輸出應(yīng)該是1.8v，但是pspice仿真出來是2.041v)，請問是否如此？為什么？

A5：LT1083輸出電壓的準(zhǔn)確計算公式是Vout=Vref(1+R1/R2)+50uA×R2. R2 是接地電阻。50uA×R2項是考慮ADJ端偏置電流的影響，在R2較大時不能忽略。以R1=10K， R2=4.4K計算，Vout=2.02V，非常接近仿真結(jié)果。實際應(yīng)用時，R2阻值最好小于：Vout×1%/50uA，然后確定R1。

Q6：請教switch regulator 和linear regulator的區(qū)別及各自應(yīng)用的場合。

A6：很多有關(guān)電源的書籍在這方面都有詳盡的論述。概括地講，linear regulator 的調(diào)整管工作在線性狀態(tài)，根據(jù)負(fù)載的變化情況來調(diào)節(jié)自身的內(nèi)電阻從而穩(wěn)定輸出電壓。它只能做降壓轉(zhuǎn)換，電路簡單，噪聲低，轉(zhuǎn)換效率可以簡單地看作輸出與輸入電壓之比，一般用于低壓差，小功率的場合。switch regulator調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通和關(guān)斷的時間比例穩(wěn)定輸出電壓，可靈活實現(xiàn)電壓的大小和極性的不同轉(zhuǎn)換。良好的設(shè)計可實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率，電路相對復(fù)雜，存在開關(guān)噪聲。在linear regulator不適用的場合都可以應(yīng)用。

Q7：高精度ADC的電源供電較一般數(shù)字電路要求高得多，而現(xiàn)在系統(tǒng)中往往只有DC-DC轉(zhuǎn)換器，它的輸出電壓也都為標(biāo)準(zhǔn)電壓、+5V等，但紋波和噪聲都較線性穩(wěn)壓器大。那么如何才能效率和性能兼得呢？

A7：首先, 有三種技術(shù)方案可供選擇, 線性電源, 開關(guān)電容方案, 開關(guān)電感方案。這三種方案之間存在效率和噪聲的折衷。系統(tǒng)設(shè)計師需要根據(jù)實際情況作出自己的權(quán)衡。對于開關(guān)電感方案, 首先要保證電源工作在一個良好的狀態(tài)。這可以通過元器件選擇, PCB布線和電源的動態(tài)特性設(shè)置來實現(xiàn)。其次可以通過選擇適當(dāng)?shù)拈_關(guān)頻率來減少由于電源的開關(guān)動作對ADC帶來不良影響。

Q8：便攜式設(shè)備的輸入電源有時會有很寬的變化范圍，例如一節(jié)鋰電池的變化范圍會在2.7V至4.2V，三節(jié)堿性電池會有2.4V到4.8V的變化范圍，如果該設(shè)備還要接受AC適配器輸入的話，上限可能還會高達7V至8V左右。對于如此寬范圍的輸入，要高效地獲得穩(wěn)定的3.3V主系統(tǒng)電源，簡單的boost和buck變換器都無法勝任。凌特的3440解決了5v以內(nèi)電池輸入的問題，但仍然不能接受AC適配器輸入，booster+LDO結(jié)構(gòu)中，LDO的散熱是個很大的問題，采用變壓器時，線路會顯得過于龐大，效率也不太理想。對于這樣的問題，不知專家有何建議？

A8：如果系統(tǒng)使用單節(jié)鋰電池，AC適配器的電壓定在5+/-5%的范圍比較好，既能減小鋰電池充電器的損耗，又能使用低壓的電源變換IC。如果使用低成本的AC適配器，因調(diào)整率差而使輸出電壓變化范圍大，則只能增加系統(tǒng)電源變換線路的成本。SEPIC線路適合這類變換要求，但效率稍差。

Q9：在設(shè)計小功率反激式電源時，主變換電路的開關(guān)管用600V的MOSFET導(dǎo)通電阻較小，損耗小，效率高，而耐壓余量小，價格便宜。如果用800V的MOSFET導(dǎo)通電阻較大，損耗大，效率低，而耐壓余量大，價格較貴。如何能設(shè)計效率高而價格合適的小功率反激式的開關(guān)電源？還有別的模式的同類設(shè)計嗎？

A9：如采用雙管反激式變換拓?fù)淇梢杂玫碗妷?400V)的MOSFET開關(guān)管，缺點是驅(qū)動復(fù)雜，多用一只開關(guān)管。就目前而言，單管反激式因簡單，成本低仍是小功率開關(guān)電源的首選變換方式，主開關(guān)管除了MOSFET，也可考慮IGBT。

Q10：充電泵能提供12V的充電電壓嗎？

A10：普通的電荷泵好象不能直接從2.7-5V電壓直接轉(zhuǎn)變成12V，但是可以把一個6V電壓倍壓成12V，但是噪聲和驅(qū)動能力需要考察。

Q11：我在設(shè)計一件便攜式產(chǎn)品中，整個產(chǎn)品的功耗是十分重要的指標(biāo)。我想請教一下，電源轉(zhuǎn)換效率和整個產(chǎn)品低功耗設(shè)計的關(guān)系？在開發(fā)過程中，為了實現(xiàn)產(chǎn)品低功耗，開發(fā)工程師所能夠支配的環(huán)節(jié)？

A11： 首先，我們可以考慮便攜設(shè)備中的功耗分布。電源功耗常常是總功耗中的一個顯著因素。所以提高電源效率，減少電源功耗，對于設(shè)計一個高效率的便攜設(shè)備是非常重要的。為了得到一個高效率的便攜設(shè)備，設(shè)計工程師要選擇一個低功耗系統(tǒng)設(shè)計方案，以使系統(tǒng)的自身功耗比較低，還須認(rèn)真考慮電源的方案，使其既能滿足系統(tǒng)對其提出的各種限制條件，例如：尺寸大小，干擾限制，等等，又能盡量做到高效率。