直流電源管理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與五年前相比，如今為電子系統(tǒng)提供和控制直流電源的電源管理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)要復(fù)雜很多。設(shè)計(jì)師必須采用工作電壓低于1V的IC，這些IC要消耗100A以上電流，并且具有GHz級的工作時(shí)鐘頻率。此外，這種子系統(tǒng)不僅包括電源設(shè)計(jì)，而且還包括需要專用IC才能實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)性功能。

系統(tǒng)觀點(diǎn)對實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的電源管理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常必要(圖1)。首先，你必須選擇電子系統(tǒng)的電源分配技術(shù)。目前主要有四種電源分配架構(gòu)：集中式電源架構(gòu)、分布式電源架構(gòu)、中間總線架構(gòu)和基于電池的電源分配架構(gòu)。下面給出了這四種架構(gòu)的特點(diǎn)。

1. 集中式電源架構(gòu)：輸入為一個(gè)交流電源電壓，可輸出一個(gè)到5個(gè)輸出電壓；通常對小型低功率系統(tǒng)來說性價(jià)比最高；大部分熱量集中在單個(gè)電源里；缺乏設(shè)計(jì)靈活性，很難增加電壓和電流要求。

2. 分布式電源架構(gòu)：前端電源將交流電輸入轉(zhuǎn)換成12、24或者48伏的直流輸出，這些直流電壓輸出分布于不同的總線上，非隔離負(fù)載點(diǎn)DC/DC轉(zhuǎn)換器(POL)將總線上的電壓降低到負(fù)載需要的電壓；改變負(fù)載電流或電壓僅需要改變一個(gè)負(fù)載點(diǎn)；單個(gè)負(fù)載點(diǎn)的故障通常只會影響到一個(gè)功能或單塊PCB板；熱量分散在整個(gè)系統(tǒng)中。

3. 中間總線架構(gòu)(IBA)：在前端電源和負(fù)載點(diǎn)之間插入另一個(gè)電源分配級，IBA(見圖1)使用一個(gè)隔離的總線轉(zhuǎn)換器，它提供一個(gè)未穩(wěn)壓的9.6伏到14伏電壓給非隔離的POL轉(zhuǎn)換器供電。通過限制輸入電壓范圍和工作在開環(huán)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)高效率。整個(gè)電源系統(tǒng)的典型占空比為50%。所有元器件針對負(fù)載電壓/電流進(jìn)行了優(yōu)化。

圖1：在內(nèi)部總線架構(gòu)中，來自前端電源的輸入通過一個(gè)總線轉(zhuǎn)換器給POL轉(zhuǎn)換器供電，而分布式電源架構(gòu)系統(tǒng)直接通過前端電源給POL轉(zhuǎn)換器供電。

4. 基于電池的電源分配架構(gòu)：空間限制差不多要求所有的電路都從頭開始設(shè)計(jì)；電源管理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含電池的電壓穩(wěn)壓電路，因?yàn)殡姵氐妮敵鲭妷簳S著使用時(shí)間而逐漸降低；適用于鋰離子、鎳氫和鎳鎘電池組；可提供高效率，以盡可能地延長電池工作時(shí)間；必須使用重量輕和尺寸小的電源；必須具有高效的散熱設(shè)計(jì)，以防止過熱。

一旦選定了電源分配系統(tǒng)，你就可以開始電源管理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)了。這時(shí)要求設(shè)計(jì)師仔細(xì)了解應(yīng)用的電源規(guī)范。除了電池供電系統(tǒng)之外，設(shè)計(jì)師可以考慮自己設(shè)計(jì)或購買電源和支持電路。自己設(shè)計(jì)生產(chǎn)電源需權(quán)衡多方面因素，比如是設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器還是一個(gè)線性穩(wěn)壓器。

開關(guān)穩(wěn)壓器

開關(guān)穩(wěn)壓器將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成用來控制功率半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)電壓。功率半導(dǎo)體開關(guān)的輸出經(jīng)過整流和濾波后產(chǎn)生直流輸出電壓。如果輸出電壓改變，電壓反饋功能可維持正確的穩(wěn)壓值。

開關(guān)穩(wěn)壓器可以被集成在一個(gè)芯片上或者多個(gè)芯片上。單芯片開關(guān)穩(wěn)壓器將集成雙極結(jié)式晶體管(BJT)或MOSFET功率開關(guān)。多芯片開關(guān)穩(wěn)壓器包含控制器、柵極驅(qū)動器和MOSFET三大部件。一般開關(guān)頻率范圍在60kHz到3MHz范圍內(nèi)。

開關(guān)頻率決定了濾波電感、電容和變壓器的體積和參數(shù)值。開關(guān)頻率越高，外接器件的體積和參數(shù)值就可以更小。為提高效率，變壓器/電感的磁芯材料必須在開關(guān)頻率上有較高的效率。

開關(guān)穩(wěn)壓器可以是隔離式的，也可以是非隔離式的。非隔離穩(wěn)壓器的輸入到輸出有個(gè)直流通路。隔離式穩(wěn)壓器采用了變壓器，因此輸入和輸出電壓是相互隔離的。

對所有的開關(guān)電源來說PCB布局布線都非常重要，特別是在大峰值電流和高開關(guān)頻率的情況下。主要的電流路徑和電源地線要使用寬、短的走線，相關(guān)的電容和電感也應(yīng)盡可能離穩(wěn)壓IC。

目前存在三種基本的開關(guān)穩(wěn)壓器控制器IC：脈寬調(diào)制(PWM)(圖2)、磁滯(圖3)和多相(圖4)。這些技術(shù)通過控制相應(yīng)的功率半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通和斷開來保持電壓穩(wěn)定。下面對三種基本的開關(guān)穩(wěn)壓控制器IC技術(shù)的特性加以比較。

圖2：PWM控制器通過改變功率開關(guān)導(dǎo)通和截止的占空比來調(diào)節(jié)電壓輸出。整流和低通輸出濾波器輸出與導(dǎo)通和截止時(shí)間成比例的輸出電壓。

脈寬控制通常使用同步整流器或者肖特基二極管輸出，采用非隔離的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括降壓型， 升壓型、升降壓型、SEPIC型和Cuk型。在回掃式、推挽式、前向、全橋和半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用了隔離輸入輸出的轉(zhuǎn)換器。通過互補(bǔ)式功率場效應(yīng)管和功率因數(shù)校準(zhǔn)IC實(shí)現(xiàn)高效率并符合諧波發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)。

磁滯控制提供快速反應(yīng)和線性瞬態(tài)，它使用寬帶控制回路，而無需采用誤差放大器和頻率補(bǔ)償。運(yùn)行頻率取決于輸入輸出電壓、輸出濾波器感應(yīng)系數(shù)和磁滯窗口。常規(guī)的磁滯校準(zhǔn)器的頻率隨輸出電容等效串聯(lián)電阻的變化而變化。

圖3：磁滯控制器通過比較輸出反饋和參考電壓決定功率半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通和截止，以根據(jù)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，來保持輸出電壓的恒定。整流和低通輸出濾波器的輸出電壓與功率開關(guān)的導(dǎo)通和截止時(shí)間成比例。

多相控制技術(shù)采用n個(gè)同樣的單元，有效的輸出波紋頻率n←→f, 其中f是運(yùn)行頻率。該技術(shù)具有更好的動態(tài)性能，與單相系統(tǒng)相比還可以顯著減少去耦電容。該技術(shù)需要電流共享監(jiān)控電路來確保每個(gè)單元等額共享電流。每個(gè)單元輸出總輸出功率的1/n，減少了在每個(gè)相位使用的電感的物理尺寸和電感值。每一個(gè)相位的功率開關(guān)處理總功率的1/n，這樣功率消耗將分散在多個(gè)器件上。

圖4：多相控制器錯(cuò)開每個(gè)交叉單元的開關(guān)時(shí)間，以使每個(gè)單元之間的相角為360°/n，其中n為調(diào)節(jié)器單元的數(shù)量。開關(guān)單元運(yùn)行在公共頻率，并需要進(jìn)行相移以便以有規(guī)律的控制間隔進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換。輸出電壓等于所有單元同步整流輸出之和。

我們再比較一下低壓降(LDO)穩(wěn)壓IC和基本的充電泵(開關(guān)電容)IC的特性，這些穩(wěn)壓器不需要功率半導(dǎo)體開關(guān)進(jìn)行導(dǎo)通和截止操作(圖5)。

低壓降是指LDO穩(wěn)壓器正常工作時(shí)輸入輸出電壓之間的差別。LDO穩(wěn)壓器不涉及開關(guān)操作，因此它的工作狀態(tài)相對“安靜”。它可以使用可調(diào)整或者固定輸出的電壓，并且可以利用控制輸出電壓的激光微調(diào)電阻，提供全范圍固定輸出電壓。LDO穩(wěn)壓器較高的電源波紋抑制比可阻止輸出電壓因輸入電壓變化而產(chǎn)生波動。一些低壓降穩(wěn)壓器還包含一個(gè)外接電容的旁路引腳，以便對有可能成為噪聲源的內(nèi)部電壓參考進(jìn)行濾波。

電荷泵IC具有逆變器、分路器或者升壓器的作用。由于缺少調(diào)節(jié)功能，大多數(shù)電荷泵IC都增加了線性調(diào)壓或者電荷泵調(diào)節(jié)模塊。線性調(diào)節(jié)模塊提供最低的輸出噪音和更好性能，電荷泵調(diào)節(jié)模塊控制開關(guān)電阻以提供更高效率和輸出電流。電荷泵IC不需要電感或變壓器，從而消除了電磁場和電磁干擾，但如果電容充電電流很高，則會產(chǎn)生一個(gè)較小的噪聲源。

專用電源管理IC和功率半導(dǎo)體開關(guān)

由于電子系統(tǒng)已變得越來越復(fù)雜和越來越高級，電源管理子系統(tǒng)需要采用數(shù)種專用IC(圖5)。當(dāng)然，這些IC也可以用來設(shè)計(jì)通用電源(圖6)。

圖5：LDO工作在線性模式。誤差放大器的一個(gè)輸入端監(jiān)視輸出電壓，另一個(gè)輸入是基準(zhǔn)電壓。如果輸出電壓相對參考電壓發(fā)生改變，誤差放大器控制導(dǎo)通晶體管的特性以穩(wěn)定輸出電壓。

在電源管理系統(tǒng)中用到的功率半導(dǎo)體有功率MOSFET和BJT。它們可以是分立器件，也可以與其它電路集成在單個(gè)封裝中。它們采用內(nèi)部或外部柵極驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和斷開功能。

當(dāng)開關(guān)向負(fù)載輸送功率時(shí)，電源開關(guān)會帶來一些功率損耗。這些功率開關(guān)在導(dǎo)通和斷開時(shí)會有一些時(shí)延，工作在導(dǎo)通和斷開之間的線性區(qū)域的開關(guān)會產(chǎn)生功率損耗。開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的功率損耗為I 2R，因?yàn)榘雽?dǎo)