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[導(dǎo)讀]多數(shù)工程師在設(shè)計耐用的開關(guān)轉(zhuǎn)換器時都會遇到困難。第一個問題是穩(wěn)定性。復(fù)雜控制回路的穩(wěn)定是一個令人怯步的工作,因為很多轉(zhuǎn)換器都需要輸出電壓中的一個紋波才能正常工作

多數(shù)工程師在設(shè)計耐用的開關(guān)轉(zhuǎn)換器時都會遇到困難。第一個問題是穩(wěn)定性。復(fù)雜控制回路的穩(wěn)定是一個令人怯步的工作,因為很多轉(zhuǎn)換器都需要輸出電壓中的一個紋波才能正常工作。其它問題還有次諧波振蕩,必須將一個躍升信號注入基準(zhǔn)。當(dāng)大容值陶瓷電容器價格降至合理范圍時,很多工程師會用它們代替輸出電解電容器。陶瓷電容器有很低的 ESR(等效串聯(lián)電阻),基本上沒有引起振蕩的紋波電壓。紋波電壓本身可能違背設(shè)計要求,例如在為模擬電路供電時。這個問題需要作后置穩(wěn)壓,或者使用附加的電感阻尼方法。

 

 

噪聲是另一個常見問題,它會散發(fā)到輸入或輸出電源線上,或以電磁輻射方式發(fā)射到周圍空間。設(shè)計者可能沒有注意到這個問題,而直到量產(chǎn)前送FCC 和 CE做測試時才發(fā)現(xiàn),這是最糟的情況。設(shè)計者可以采用多種技術(shù),將這個噪聲與外界和系統(tǒng)其它部分屏蔽開來。不過最好的方法是在第一地點就不產(chǎn)生噪聲,其次才是嘗試在幾十、幾百個終端用戶設(shè)備中作屏蔽。

與線性穩(wěn)壓器一樣,發(fā)熱也是開關(guān)轉(zhuǎn)換器的問題。多數(shù)降壓穩(wěn)壓器都會在繼流二極管上產(chǎn)生更多熱量,而不是在 FET 上。美國國家半導(dǎo)體公司的WEBENCH在線設(shè)計工具給出的熱量圖顯示,二極管 D1 是電路板上最熱的元件,它正在加熱鄰近的 IC(圖 5)。為了減少繼流二極管產(chǎn)生的熱量,同步降壓穩(wěn)壓器采用第二支異相 FET 代替了二極管。

上述大部分問題都可以溯源到不恰當(dāng)?shù)挠≈齐娐钒宀季帧,F(xiàn)在有幾篇文章在討論一個優(yōu)良的開關(guān)穩(wěn)壓器布局時易犯的錯誤。工程師應(yīng)利用公司內(nèi)制造穩(wěn)壓 IC 的應(yīng)用工程人員的優(yōu)勢。如果應(yīng)用工程師先審查你的設(shè)計和布局,然后再送去制造,就可以避免相當(dāng)多的挫折和混亂。

脫機穩(wěn)壓器

到此為止,本文討論的都是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。另一類轉(zhuǎn)換器是從交流電獲得直流電。交流電一般取自民用交流電源線;因此轉(zhuǎn)換器是脫機供電。其它設(shè)計采用隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從原直流電源用經(jīng)典整流電路給出一個或多個直流電源。Allegro、On、STMicro、Power Integrations 和德州儀器公司 Unitrode 部門制造這類型的器件。脫機電源也有一些問題,包括浪涌電流和諧波電流。浪涌電流是在關(guān)閉輸入開關(guān)的瞬間,為輸入電容器充電的大量電流。這個電流可以威脅到整流二極管,造成電容器過早失效。解決這個問題的方法包括在輸入端串接 NTC(負(fù)溫度系列)器件。這些器件在低溫時有大電阻。當(dāng)輸入電流進(jìn)入電容器時,器件被加熱,電阻下降。它的缺點是工作溫度可以達(dá)到 190°C,并且對環(huán)境溫度很敏感。

脫機電源的第二個問題是輸入電容器會產(chǎn)生大的電流尖峰。這些尖峰在每個線路周期完成。用 PFC 可以降低這些尖峰,歐洲銷售的電源產(chǎn)品都必須帶 PFC。記得要給電解電容器加保險絲。如果在量產(chǎn)前未能通過 UL 著火溫度測試,那么其后果與未通過 FCC 和 CE EMI/RFI(電磁干擾/射頻干擾)測試一樣是災(zāi)難性的。

使用開關(guān) IC的脫機穩(wěn)壓器的另一個通常問題是起動電路的靜態(tài)電流。必須在任何振蕩和穩(wěn)壓開始前為芯片提供 5V ~ 10V 的電壓。因此,往往要用一個大功率電阻器將這個電壓送至芯片。如果將電阻器跨接在 170V 或更高直流總線與 5V 或 10V IC 電源線路之間,則會產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗。此時,設(shè)計者可以用 500V Supertex 耗盡型 FET,但這種方法可能不適合低成本電源。有些供應(yīng)商(例如 Power Integrations)開發(fā)了一些替代結(jié)構(gòu)來解決這個問題。該公司營銷副總裁 Doug Bailey 說:“采用集成功率晶體管的解決方案可以使用高壓 MOSFET 作為分壓器,從控制部分獲得能量,而在低電壓時只有少量電流分流。Power Integrations 已將這種方案用于所有開關(guān) IC 中,工作得都很好。”[!--empirenews.page--]

 

 

數(shù)字管理或控制的電源采用一個普通模擬 PWM 回路,但與真正的數(shù)字控制建立聯(lián)系,而不是指多數(shù)控制器上普遍都有的數(shù)字關(guān)斷腳(圖 6)。數(shù)字管理的功率 IC 首先在電池充電器 IC 中找到用途。過去的化學(xué)電池(例如鉛酸電池)經(jīng)常使用一組穩(wěn)壓 IC,為每節(jié)電池提供 2.3V ~ 2.36V 電壓,這要取決于應(yīng)用能否承受較高的充電電壓。即使這些簡單的充電器也經(jīng)常增加環(huán)境溫度檢測、時間限制器,或電池溫度檢測功能,以調(diào)整充電電壓。鎳金屬氫電池及更廣泛使用的鋰離子化學(xué)電池需要更多的數(shù)字監(jiān)控。系統(tǒng)設(shè)計者可能要根據(jù)溫升或電壓上升而終止充電周期。如果電池已報廢,就不應(yīng)起動全功率的充電。當(dāng)發(fā)生這種情況時,充電器 IC 必須以“打嗝”方式向電池送入一個小電流,并進(jìn)行監(jiān)控,直到電壓升高到足以接受全功率充電。如果電池已經(jīng)充了幾小時,仍然沒有到達(dá)終止點,則 IC 應(yīng)結(jié)束充電周期。環(huán)境溫度故障和很多其它變量也可能有關(guān)系。美國國家半導(dǎo)體公司的應(yīng)用工程師 Mary Kao 說:“我們不再把電池充電器 IC 看作一個帶有一些邏輯的 PWM 電路。我們認(rèn)為它現(xiàn)在是帶模擬 PWM 的一個微控制器。”

一旦電池充電器 IC 道路被鋪平,很多其它應(yīng)用也需要對模擬 PWM 回路的大量數(shù)字控制。例如,Xilinx FPGA 需要嚴(yán)格的上電順序和控制。有一家供應(yīng)商 Cradle 制作了一個多核 DSP IC。由于它是一個 0.13 μm的CMOS 器件,使用了 DDR SDRAM,因此電源系統(tǒng)的設(shè)計就成為挑戰(zhàn)。需求包括 I/O 的 3.3V、內(nèi)核的 1.2V、DDR-SDRAM I/O 的 2.5V、用于 DDR-SDRAM 阻抗電壓的 1.25V 陷流源、DRAM 電壓基準(zhǔn),以及用于另一 IC 的 1.8V。Cradle 工程師 Tapeng Huang 和 Craig Calder 與 Intersil 的 Mike Cheong 一起,用單只多通道控制器重新設(shè)計了五個獨立的電源輸出。他們使用了兩個 DC/DC 控制器、兩個專用的 DDR 輸出,以及兩個獨立的低壓差穩(wěn)壓器。在一個更熟悉的領(lǐng)域中,大多數(shù) PC 機用

戶都知道處理器和內(nèi)存的供電電壓是采用數(shù)字控制的。手持設(shè)備可能有復(fù)雜的控制需求,以節(jié)省電池能量和延長運行時間。

數(shù)字電源采用 DSP 而不是模擬 PWM 回路,通過算術(shù)運算保持回路的穩(wěn)定(圖 7)。這種方案可以提供回路補償?shù)撵`活性,但這種靈活性是有代價的。Elandesigns 的主管 Dave Mathis 指出:“如果你準(zhǔn)備修改補償,就必須根據(jù)變化而檢測一些東西。在采集時間和錯誤條件下,這是自找麻煩。”當(dāng)然,有經(jīng)驗的控制系統(tǒng)工程師都知道,性能良好的系統(tǒng)通常有一個優(yōu)勢的部分。然而,德州儀器、Silicon Labs 和 Primarion 都制造數(shù)字電源設(shè)備。Primarion 發(fā)表的文章中表示,未來所有電源都將是數(shù)字化的,模擬工程師要抵抗數(shù)字電源的實現(xiàn),就只能保護(hù)自己的領(lǐng)地。Primarion 并不使用 DSP 管理控制回路。它使用了一個自由運行的狀態(tài)機,其功耗遠(yuǎn)低于 DSP。控制仍在數(shù)字回路中,而不是模擬 PWM 回路。德州儀器公司數(shù)字電源經(jīng)理 Steven Bakota 指出:“數(shù)字電源不是什么新鮮東西。TI 已經(jīng)銷售了 10 年數(shù)字電源……以庫的形式使用標(biāo)準(zhǔn) DSP?,F(xiàn)在的差別是,我們有了自己的 Fusion 系列定制件,和一個軟件開發(fā)環(huán)境,可以簡化設(shè)計的實現(xiàn)。”

 

 

一片 DSP 中的 6 萬支晶體管為數(shù)字電源系統(tǒng)提供控制回路,而模擬方案只需要大約 100 支晶體管。數(shù)字電源迷們還吹噓說靜態(tài)功耗只有 7 mA。這個數(shù)字在一個刀片服務(wù)器中也許是可以接受的,因為它使用墻上電源工作,但依靠電池工作或便攜產(chǎn)品就難以承受這么大的功耗。而模擬方案可以工作在 1 mA 以下。設(shè)計者還應(yīng)評估系統(tǒng)的瞬時功耗。如果在一次供電瞬時后,DSP 還要重新初始化,并運行用戶編寫的代碼,那么就可能不適合某些應(yīng)用。最后還有一個警告,經(jīng)理們希望把復(fù)雜的軟件開發(fā)工作放在產(chǎn)品設(shè)計周期的結(jié)尾,這通常是設(shè)計電源子系統(tǒng)的時間。經(jīng)理們不要因設(shè)計的平淡無奇而放松警惕。如果設(shè)計簡單,可以使用低成本和靜態(tài)電流也較低的模擬 PWM 部分。要設(shè)法確認(rèn),一個數(shù)字管理的系統(tǒng)并不比全 DSP 數(shù)字控制回路更合適。

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