現(xiàn)代設(shè)計(jì)中電源子系統(tǒng)的創(chuàng)建

從線性電源到數(shù)字電源，我們有很大的設(shè)計(jì)選擇范圍。本文簡要介紹設(shè)計(jì)者面對的一些替代方案，以及會出現(xiàn)的問題。

要點(diǎn)

電源子系統(tǒng)可以采用線性、開關(guān)、電荷泵、AC/DC、數(shù)字管理，或數(shù)字控制等方式。

線性電源有發(fā)熱問題。

電荷泵會產(chǎn)生噪聲注入。

開關(guān)電源必須處理好穩(wěn)定性、噪聲和發(fā)熱問題。

數(shù)字管理和數(shù)字控制電源通常需要在產(chǎn)品推出前做好軟件工作。

在現(xiàn)代產(chǎn)品中，功率電子可以是最簡單的，也可以是最復(fù)雜的子系統(tǒng)。這并不令人驚訝，因?yàn)閼?yīng)用也有簡有繁。最簡單時，一個電源可以是一個大的齊納二極管，如用在潛艇的有線增音器分離艙中。這些分離艙需要極端的可靠性，電阻器加二極管的方案是最簡單，因而也是最可靠的方案。齊納管要耗散出相當(dāng)多的熱量，但海流會很容易把熱量帶走。復(fù)雜程度略高一點(diǎn)的是線性穩(wěn)壓器，這是常見的有用部件。LM317是美國國家半導(dǎo)體公司網(wǎng)站數(shù)據(jù)表下載次數(shù)最多的器件。線性穩(wěn)壓器的運(yùn)行就像一個閥門，它擋住電路中的電流，以保證電壓的穩(wěn)定不變。“晶體管”這個詞的英文Transistor來自兩個詞的組合：互導(dǎo)（transconductance）和變阻器（varistor）。線性穩(wěn)壓器中的晶體管通過夾斷電流來控制電壓，因此，它產(chǎn)生互導(dǎo)。在其運(yùn)行中，它作為一個可變電阻，或變阻器。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器都采用NPN導(dǎo)通元件，低壓差穩(wěn)壓器則使用PNP晶體管。

比較復(fù)雜的穩(wěn)壓器是電荷泵。它用多支晶體管作開關(guān)，而不是用作線性器件。這些開關(guān)將電荷傳送給一個電容器，然后改變連接，由電容器將施加的初始電壓翻倍或反相。

當(dāng)轉(zhuǎn)向開關(guān)穩(wěn)壓器時，復(fù)雜性出現(xiàn)了一次巨大的飛躍。這類電路中有高頻磁鐵、一個控制回路，并至少有一支起開關(guān)作用的晶體管。你可以從Vicor或Tyco購買磚型的整體穩(wěn)壓器，或也可以自己動手，用零件自己做穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器有各種類型：降壓、升壓、反相、隔離、SEPIC（單端初級電感轉(zhuǎn)換器）和Cuk（發(fā)音為“chook”）。



所有這些電源電路都可以把一個直流電壓轉(zhuǎn)換為其它直流電壓。很多設(shè)計(jì)使用變壓器來改變交流電壓，或先用電路將交流轉(zhuǎn)換為直流，再用后面的DC/DC轉(zhuǎn)換。最講究的AC/DC轉(zhuǎn)換電路之一是PFC（功率因子校正）電路，它采用一個升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確保轉(zhuǎn)換器的輸入電流與輸入電壓成比例，而普通AC/DC電路中輸入電流會出現(xiàn)尖峰。

電源領(lǐng)域中的一個新詞匯是“數(shù)字電源”。它可以意味很多東西，從簡單地使用數(shù)字輸入以關(guān)斷穩(wěn)壓器，到能與芯片作數(shù)字通信，用于監(jiān)控模擬PWM過程，以及用DSP閉合回路，并用PWM信號直接控制導(dǎo)通元件。

從基礎(chǔ)開始說，線性穩(wěn)壓器采用一支晶體管來降低直流電壓。普通線性穩(wěn)壓器（例如LM317）用NPN晶體管作限制。由于NPN晶體管的基射結(jié)有0.6V壓降，所以這些穩(wěn)壓器需要相當(dāng)大的輸入輸出壓差。工程師們經(jīng)常犯一種錯誤，即當(dāng)器件工作在低于推薦的壓降條件時，他們?nèi)约俣ㄝ敵鲭妷菏欠€(wěn)壓的。器件也許能提供正確的電壓，但不符合各種交流和熱規(guī)定。線性穩(wěn)壓器的大壓差要求一直維持到上世紀(jì)80年代初，當(dāng)時美國汽車制造商向半導(dǎo)體業(yè)提出需要一種低壓差的線性穩(wěn)壓器。為設(shè)計(jì)低壓差的穩(wěn)壓器（例如LM2936），采用了PNP導(dǎo)通晶體管。使用這種方法后，即使在轉(zhuǎn)動手柄啟動汽車時電池電壓低至8V，穩(wěn)壓電路也能保持穩(wěn)壓狀態(tài)。美國國家半導(dǎo)體公司產(chǎn)品定義經(jīng)理Al Kelsch認(rèn)為，當(dāng)下降電壓接近零時，會產(chǎn)生一個“^”，或輸入電壓的小尖峰，因?yàn)閷?dǎo)通晶體管的基極處于最大導(dǎo)通狀態(tài)。盡管IC設(shè)計(jì)者花費(fèi)很多時間，試圖設(shè)計(jì)一個基極驅(qū)動電路，它能夠限制電流，消除尖峰，并仍能提供瞬態(tài)響應(yīng)和滿足其它規(guī)定，但客戶需要這個小尖峰，作為穩(wěn)壓器失效的檢測方法。然后他們就可以關(guān)掉整個電路。換句話說，客戶把設(shè)計(jì)者理解為故障的東西看成了一種功能。

線性穩(wěn)壓器最大的問題就是發(fā)熱。由于穩(wěn)壓器運(yùn)行時，導(dǎo)通晶體管中要通過大的電流，它會消耗大量功率。大多數(shù)線性穩(wěn)壓器都有一個熱關(guān)斷點(diǎn)，可以防止器件被摧毀，但如果關(guān)斷發(fā)生在工作狀態(tài)，則會導(dǎo)致電路失效。

線性穩(wěn)壓器的另一個設(shè)計(jì)問題也適用于大多數(shù)電源。你必須假定一個產(chǎn)品壽命周期的某個時點(diǎn)上，會出現(xiàn)電解電容器短路現(xiàn)象。如果發(fā)生短路，必須確保穩(wěn)壓器和電路板不致燒毀或造成其它損壞。還必須在輸入電解電容器和任何鉭電容器處提供一個保險(xiǎn)絲或易熔印制電路走線。即使產(chǎn)品的壁式電源座不可能提供足以引起火災(zāi)的電流，但一個勤奮的工程師也必須為這種情況做好準(zhǔn)備，以防用戶用較大功率或不正確的壁式電源座為產(chǎn)品供電（圖1）。