高性能電阻器在電源設(shè)計(jì)中的幾種用途

市場上有各種各樣的供電電源，這些電源設(shè)計(jì)中采用的多種電阻器更是大大拓展了選擇范圍。為明確起見，本文所涉及的電源是指具有高達(dá)幾千伏固定直流輸出的電源設(shè)備。

無論何種應(yīng)用，電源設(shè)計(jì)人員都必須了解所適用領(lǐng)域的具體安全或環(huán)境規(guī)定，以及實(shí)際的電氣性能。本文將重點(diǎn)介紹如何使用電阻來調(diào)節(jié)電源輸出并保護(hù)電源不出故障。

電源的分類通常取決于輸入是交流還是直流，以及使用何種類型的調(diào)節(jié)方式來提供正確的直流輸出，通常是開關(guān)模式或線性模式。

工頻線電壓通常為AC-DC電源供電，而電池或任何其它直流電源則提供DC-DC供電。這些DC-DC轉(zhuǎn)換器使用開關(guān)模式技術(shù)將輸入電壓調(diào)節(jié)為更高(升壓)或更低(降壓)的輸出電壓。

現(xiàn)成的電源適于許多市場和常規(guī)用途，但在某些情況下需要定制設(shè)計(jì)。

線性穩(wěn)壓器

要了解組件在電源中的作用，有必要了解電源工作的基本原理。許多工程師都記得設(shè)計(jì)一個(gè)如圖1所示的電路。該電路使用齊納二極管為負(fù)載(R2)提供恒定電壓。R1用于提供最小電流以保持齊納二極管處于恒定擊穿狀態(tài)，并提供負(fù)載電流。

圖1：一個(gè)簡單的齊納二極管穩(wěn)壓器電路。

此類系統(tǒng)適用于功率較低且供電電壓和負(fù)載都相當(dāng)穩(wěn)定的電路。如果負(fù)載電流降低或電源電壓突然增加，則可能會(huì)超出齊納二極管的額定功耗。這種電路中的電阻很容易選擇，只要其額定功率符合齊納二極管和負(fù)載的組合功率要求即可。

對(duì)于供電電壓或負(fù)載可能變化的電源，串聯(lián)設(shè)計(jì)可以使用傳輸晶體管(pass transistor)，這將確保負(fù)載電流穩(wěn)定，并可將電壓輸出降低到所期望的范圍。

圖2示出了這種電路。這些設(shè)計(jì)通常使用IC或低壓差(LDO)穩(wěn)壓器來調(diào)節(jié)負(fù)載電源。由R1和R2形成的分壓器感測并設(shè)置相對(duì)于參考電壓的電壓輸出。如果電路具有固定輸出，則分壓器位于內(nèi)部;對(duì)于其它應(yīng)用，可以在外部放置一兩個(gè)電阻。

選擇電阻值以提供所需的比率，最重要的考慮因素是精度。如果比較器電路具有高增益和高輸入阻抗，則可以使用圖1中的公式輕松計(jì)算最差情況下的數(shù)值，首先選R1最大值和R2最小值，然后選R2最大值和R1最小值。這些計(jì)算可顯示出與期望輸出的最大電壓偏差。

開關(guān)電源

由于串聯(lián)的傳輸器件和負(fù)載都會(huì)消耗能量，線性電源可能效率比較低。隨著負(fù)載上壓降的增加，效率會(huì)更低。

圖2：線性串聯(lián)穩(wěn)壓器簡圖。

為提高效率，設(shè)計(jì)師經(jīng)常使用另一種電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。開關(guān)電源(SMPS)采用未經(jīng)調(diào)節(jié)的輸入直流電壓，并以高頻率(10kHz至1MHz)進(jìn)行切換。占空比決定整流和平滑后的直流輸出電壓。

SMPS輸出的調(diào)節(jié)也使用分壓器，但是要調(diào)節(jié)開關(guān)頻率和占空比。通過避免線性穩(wěn)壓器壓降帶來的損失，SMPS可實(shí)現(xiàn)高達(dá)95%的效率。由于高頻變壓器和濾波器/儲(chǔ)能電容器尺寸要小得多，SMPS也可能比類似功率的線性AC-DC電源設(shè)計(jì)更緊湊。

SMPS的主要缺點(diǎn)是它要求必須有最小負(fù)載，空載狀態(tài)可能會(huì)損壞電源。為避免這種情況，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常使用一個(gè)功率電阻作為假負(fù)載。如果主負(fù)載斷開，該電阻器可以用于吸收最小的特定負(fù)載電流。當(dāng)然，假負(fù)載電阻也會(huì)有功耗，從而影響整體電源效率，因此在選定電阻時(shí)需要考慮這個(gè)因素。規(guī)避該問題的另一種方法是當(dāng)負(fù)載開路時(shí)在輸出端使用分流電阻。出于安全目的，SMPS設(shè)計(jì)也會(huì)采用其它電阻器。低阻值、高功率電阻器通?？煞乐惯^壓情況。而限流設(shè)計(jì)則可防止短路。

此類開關(guān)技術(shù)也可以用于DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，將直流電壓的一個(gè)值調(diào)節(jié)為另一個(gè)值。降壓轉(zhuǎn)換器在工作原理上非常類似于前述的SMPS設(shè)計(jì)。升壓轉(zhuǎn)換器則使用電荷泵技術(shù)輸出比輸入端更高的電壓。這兩種技術(shù)都使用類似方法來調(diào)節(jié)輸出電壓并提供電路保護(hù)。

電阻器在電源設(shè)計(jì)中的其它用途

放電電阻器主要用于對(duì)電路中的電容器進(jìn)行放電。它們與負(fù)載并聯(lián)，在AC-DC和DC-DC轉(zhuǎn)換器中分別用于對(duì)平滑電容器和儲(chǔ)能電容器進(jìn)行放電。電源關(guān)閉后，電容器保持充電狀態(tài)，有可能對(duì)用戶造成傷害，因此需要放電。當(dāng)為這項(xiàng)任務(wù)選擇電阻時(shí)，需要權(quán)衡兩點(diǎn)：它們應(yīng)具有足夠高的阻值，以便當(dāng)電路工作時(shí)耗電很少;為給電容器快速放電，其阻值又要足夠低。

浪涌限制電阻器可以限制AC-DC電源在初次接通并且儲(chǔ)能電容器充電時(shí)可能引起的浪涌電流量。這些電阻通常阻值很低，并且與交流電源線串聯(lián)。對(duì)于更高功率的電源，通常使用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)電阻器來達(dá)到這一目的。這些電阻的阻值隨自身發(fā)熱而下降。使用此類電阻器的一個(gè)缺點(diǎn)是在工作期間溫度必須保持恒定以確保維持為低阻值。第三種方案是使用脈阻(pulse-resistant)電阻器，這些電阻器的功率通常以焦耳為單位。它能比采用瓦為單位的正常持續(xù)功率標(biāo)度更好地表述其功能。

平衡電阻器用于在使用多個(gè)電源時(shí)調(diào)制負(fù)載電流。通常，與使用單個(gè)高功率大電源相比，并聯(lián)設(shè)置使用多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器可以更便宜、更節(jié)能、更緊湊。在設(shè)計(jì)此類電路時(shí)，不能簡單地將輸出連接在一起，必須采用一個(gè)方法來確保平均分擔(dān)負(fù)載。圖3顯示RSHARE電阻填平了轉(zhuǎn)換器輸出之間的余差。

圖3：平衡電阻在DC-DC轉(zhuǎn)換器之間分擔(dān)負(fù)載。

這種負(fù)載分擔(dān)方法也用于其它類型的電源設(shè)計(jì)，特別是那些使用功率晶體管的設(shè)計(jì)。并聯(lián)多個(gè)晶體管為負(fù)載供電，負(fù)載分配電阻在串聯(lián)中使用。

另一種需要平衡的場合如圖4所示。在這種情況下，儲(chǔ)能電容器與直流電源輸出串聯(lián)。電解電容器的漏電流起的作用類似于跟電容器并聯(lián)的電阻，如圖中的RL1和RL2。這些阻值可能會(huì)有相當(dāng)大的變化，并且由于它們?cè)谡麄€(gè)輸出端起分壓器的作用，可能會(huì)導(dǎo)致電容器兩端的壓差超過電容器額定值。匹配的電阻器RB1和RB2抵消了這種效應(yīng)。

圖4：平衡電阻器確保輸出電容器兩端的電壓相等。

高壓分壓器用于向調(diào)節(jié)電路提供反饋。這些電阻器通常還有其它次要作用，例如監(jiān)測除顫器中的高壓電源，以及為儲(chǔ)能電容器充電并在期望的充電電平下關(guān)斷電源。

高電流檢測用于測量供電電流。這種測量方法采用分流電流表原理，需要串聯(lián)一個(gè)低值電阻，并測量其上的壓降以計(jì)算電流大小。此類必須綜合考慮電阻的選擇，一方面要求低阻值以最大限度地減少發(fā)熱和功耗，另一方面又要求高阻抗以便于測量。

總結(jié)

幾乎所有電源設(shè)計(jì)中的電阻選擇都有不同的特性優(yōu)先級(jí)和性能要求，包括需要能夠處理高電壓、大電流和高功率的電阻器，以及需要低容差的電阻器。通常還需要電阻具有特定的屬性，如浪涌抑制能力或負(fù)TCR等。