基于現(xiàn)代設(shè)計中電源子系統(tǒng)的創(chuàng)建問題分析

　　從線性電源到數(shù)字電源，我們有很大的設(shè)計選擇范圍。本文簡要介紹設(shè)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(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，因為應(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)換器拓撲結(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(dǎo)體業(yè)提出需要一種低壓差的線性穩(wěn)壓器。為設(shè)計低壓差的穩(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(dǎo)通晶體管的基極處于最大導(dǎo)通狀態(tài)。盡管IC設(shè)計者花費很多時間，試圖設(shè)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(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(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，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(zāi)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)。

　　電荷泵

　　另一種DC/DC轉(zhuǎn)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(yīng)用中實現(xiàn)高達92%的效率。這一效率可與普通電感升壓轉(zhuǎn)換器相比，尤其是很多制造商為電感升壓轉(zhuǎn)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(guān)頻率和噪聲遠小于開關(guān)轉(zhuǎn)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(guān)穩(wěn)壓器，它采用一種晶體管開關(guān)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(guān)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(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)，止回閥提供這種功能。

　　升壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的直觀認識有助于理解更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如Cuk、升壓/降壓和SEPIC.轉(zhuǎn)換器也可以用變壓器來建立隔離輸出(圖4)?；貟咿D(zhuǎn)換器與正向轉(zhuǎn)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(guān)閉合和初級電流增加時，它們在磁場中存儲能量。當開關(guān)打開時，磁場中的能量通過次級泄放。設(shè)計者都青睞回掃轉(zhuǎn)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。

　　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。當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?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)計采用隔離拓撲結(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(負溫度系列)器件。這些器件在低溫時有大電阻。當輸入電流進入電容器時，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?！?/p>

　　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。我們認為它現(xiàn)在是帶模擬PWM的一個微控制器?！?/p>

　　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0.13μm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，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……以庫的形式使用標準DSP.現(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)?！?/p>

　　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，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。