現(xiàn)代設計中電源子系統(tǒng)的創(chuàng)建（上）

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

要 點

電源子系統(tǒng)可以采用線性、開關、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，也可以是最復雜的子系統(tǒng)。這并不令人驚訝，因為應用也有簡有繁。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多的熱量，但海流會很容易把熱量帶走。復雜程度略高一點的是線性穩(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(transconductance)和變阻器(varist

or)。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。在其運行中，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 導通元件，低壓差穩(wěn)壓器則使用 PNP 晶體管。

比較復雜的穩(wěn)壓器是電荷泵。它用多支晶體管作開關，而不是用作線性器件。這些開關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。

當轉向開關穩(wěn)壓器時，復雜性出現(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換為其它直流電壓。很多設計使用變壓器來改變交流電壓，或先用電路將交流轉換為直流，再用后面的 DC/DC 轉換。最講究的AC/DC轉換電路之一是 PFC(功率因子校正)電路，它采用一個升壓轉換器拓撲結構，確保轉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 信號直接控制導通元件。

從基礎開始說，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 晶體管的基射結有 0.6V 壓降，所以這些穩(wěn)壓器需要相當大的輸入輸出壓差。工程師們經(jīng)常犯一種錯誤，即當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80 年代初，當時美國汽車制造商向半導體業(yè)提出需要一種低壓差的線性穩(wěn)壓器。為設計低壓差的穩(wěn)壓器(例如LM2936)，采用了 PNP 導通晶體管。使用這種方法后，即使在轉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)。美國國家半導體公司產(chǎn)品定義經(jīng)理 Al Kelsch 認為，當下降電壓接近零時，會產(chǎn)生一個“^”，或輸入電壓的小尖峰，因為導通晶體管的基極處于最大導通狀態(tài)。盡管 IC 設計者花費很多時間，試圖設計一個基極驅(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。然后他們就可以關掉整個電路。換句話說，客戶把設計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)壓器運行時，導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)壓器都有一個熱關斷點，可以防止器件被摧毀，但如果關斷發(fā)生在工作狀態(tài)，則會導致電路失效。

線性穩(wěn)壓器的另一個設計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的電流，但一個勤奮的工程師也必須為這種情況做好準備，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)。[!--empirenews.page--]

電荷泵

另一種 DC/DC 轉換器是電荷泵，它可以通過切換電容器充電輸入電壓上的一個電容器，實現(xiàn)輸入電壓的反相、翻倍或三倍。然后將該電容器切換到輸入電壓上，形成一個倍壓器。此外，還可以將電容器正極連接到輸入公共端，制造一個電壓反相器。經(jīng)典的電荷泵是Intersil在上世紀80年代推出的ICL7660。其它這樣的器件有Catalyst Semiconductor的CAT3636，它采用一種新穎的方法，實現(xiàn)了非整數(shù)電壓步進，例如1V, 1.33V, 1.5V和2V。這種方法可以在手持系統(tǒng)應用中實現(xiàn)高達92%的效率。這一效率可與普通電感升壓轉換器相比，尤其是很多制造商為電感升壓轉換器規(guī)定的效率數(shù)字是基于使用體積過大的電感。

由于電容器天生就會限制該部件能夠提供的電流量，散熱問題很少出現(xiàn)在電荷泵中。但它們也有一些缺點，包括穩(wěn)壓效果差。除非使用一個后置線性穩(wěn)壓器，否則輸出會隨輸入而變化。Maxim 用后置穩(wěn)壓電荷泵解決了這個問題。電荷泵的開關頻率和噪聲遠小于開關轉換器，但噪聲仍可能進入信號鏈。

另一類型穩(wěn)壓器就是開關穩(wěn)壓器，它采用一種晶體管開關和電感或變壓器來改變直流輸入電壓。圖 2a 顯示一個降壓開關穩(wěn)壓器，它一步一步降低電壓的工作原理像一臺水車(圖 2b)。該裝置的旋轉速率就類似于流經(jīng)電感的電流。與電感一樣，水車不能突然停止或啟動。圖中可以揭示

出一些事實，即為什么工程師們經(jīng)常將二極管叫做“繼流”。當閥門關閉時，水車的慣性創(chuàng)造出強大的吸力。水車需要水來維持運轉，止回閥提供這種功能。

升壓轉換器也采用與水車相同的方式(圖 3)。很多工程師都處理不好磁電路，因為它們的高電抗意味著電流不能像在電阻器中那樣跟隨電壓而變化。對降壓和升壓轉換器的直觀認識有助于理解更復雜的結構，如 Cuk、升壓/降壓和 SEPIC。轉換器也可以用變壓器來建立隔離輸出(圖 4)。回掃轉換器與正向轉換器的區(qū)別只是輸出二極管的極性不同，它將變壓器用作一個扼流圈。當開關閉合和初級電流增加時，它們在磁場中存儲能量。當開關打開時，磁場中的能量通過次級泄放。設計者都青睞回掃轉換器，因為它們成本低，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多個輸出，所有輸出都能有相互間的良好跟隨特性。