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(jiǎn)要介紹設(shè)計(jì)者面對(duì)的一些替代方案,以及會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題。
要點(diǎn)
電源子系統(tǒng)可以采用線性、開(kāi)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(wèn)題。
電荷泵會(huì)產(chǎn)生噪聲注入。
開(kāi)關(guān)電源必須處理好穩(wěn)定性、噪聲和發(fā)熱問(wèn)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(jiǎn)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(jiǎn)有繁。最簡(jiǎn)單時(shí),一個(gè)電源可以是一個(gè)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(jiǎn)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(huì)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(jiàn)的有用部件。LM317是美國(guó)國(guó)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(gè)閥門(mén),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(gè)詞的英文Transistor來(lái)自兩個(gè)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(guò)夾斷電流來(lái)控制電壓,因此,它產(chǎn)生互導(dǎo)。在其運(yùn)行中,它作為一個(gè)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(kāi)關(guān),而不是用作線性器件。這些開(kāi)關(guān)將電荷傳送給一個(gè)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器時(shí),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(gè)控制回路,并至少有一支起開(kāi)關(guān)作用的晶體管。你可以從Vicor或Tyco購(gòu)買(mǎi)磚型的整體穩(wěn)壓器,或也可以自己動(dòng)手,用零件自己做穩(wěn)壓器。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器有各種類型:降壓、升壓、反相、隔離、SEPIC(單端初級(jí)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(gè)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(lái)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(gè)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(huì)出現(xiàn)尖峰。
電源領(lǐng)域中的一個(gè)新詞匯是“數(shù)字電源”。它可以意味很多東西,從簡(jiǎn)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(guò)程,以及用DSP閉合回路,并用PWM信號(hào)直接控制導(dǎo)通元件。
從基礎(chǔ)開(kāi)始說(shuō),線性穩(wěn)壓器采用一支晶體管來(lái)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(cuò)誤,即當(dāng)器件工作在低于推薦的壓降條件時(shí),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(shí)美國(guó)汽車(chē)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(dòng)手柄啟動(dòng)汽車(chē)時(shí)電池電壓低至8V,穩(wěn)壓電路也能保持穩(wěn)壓狀態(tài)。美國(guó)國(guó)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(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“^”,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(shí)間,試圖設(shè)計(jì)一個(gè)基極驅(qū)動(dòng)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(gè)小尖峰,作為穩(wěn)壓器失效的檢測(cè)方法。然后他們就可以關(guān)掉整個(gè)電路。換句話說(shuō),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(wèn)題就是發(fā)熱。由于穩(wěn)壓器運(yùn)行時(shí),導(dǎo)通晶體管中要通過(guò)大的電流,它會(huì)消耗大量功率。大多數(shù)線性穩(wěn)壓器都有一個(gè)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(huì)導(dǎo)致電路失效。
線性穩(wěn)壓器的另一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題也適用于大多數(shù)電源。你必須假定一個(gè)產(chǎn)品壽命周期的某個(gè)時(shí)點(diǎn)上,會(huì)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(gè)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(gè)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)。
評(píng)論