電源工程師設(shè)計(jì)札記:輕松完成電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)對于每個(gè)工程師來說都會有點(diǎn)熟悉而又陌生的感覺。如何有效攻克電源設(shè)計(jì)中遇到的疑難雜癥？加強(qiáng)工程師之間溝通，充分利用工程師的設(shè)計(jì)心得是其中一個(gè)有效途徑。基于此，電子發(fā)燒友網(wǎng)將電子發(fā)燒友網(wǎng)讀者奉上《電源工程師設(shè)計(jì)札記》系列大餐，之后還將會推出相關(guān)電子書，敬請留意！

　　1、如何使過壓過流電路保護(hù)設(shè)計(jì)更輕松？

　　對于大型的控制電路，比如LED燈塔的電源控制線路，其保護(hù)以及維修都是一個(gè)比較復(fù)雜的工程。使用TBU方案，是否可以使過壓過流電路保護(hù)解決方案設(shè)計(jì)更輕松呢？

　　本文從傳統(tǒng)的保護(hù)元器件入手，對比傳統(tǒng)過流過壓保護(hù)元器件和TBU方案的工作方式，深度解析TBU與傳統(tǒng)過壓過流電路保護(hù)元件的區(qū)別及其應(yīng)用限制，為廣大電子工程師探索過壓過流電路保護(hù)方案輕松設(shè)計(jì)之道。

　　保護(hù)元器件的分類

　　保護(hù)電子元器件主要分成兩大塊，如圖所示，一塊是過流保護(hù)，一塊是過壓保護(hù)。

　　相對過壓的保護(hù)元件，過流的保護(hù)元件主要分成圖示上部分的幾塊，右邊的元件反應(yīng)速度快，但通流量較小，而左邊的元件相反，所以需要做一些搭配。主要是整合器的元器件，如TBU。TBU把過流和過壓的元器件組合在一起，可同時(shí)進(jìn)行過流和過壓保護(hù)。

　　傳統(tǒng)過流和過壓保護(hù)元器件的組合和工作方式

　　下圖是最常見的組合圖，可以看出怎樣把過流和過壓保護(hù)元器件放在一般的線路上。

　　過流的產(chǎn)品一定是串聯(lián)在電路上，包含一般電阻或電壓。而過壓的產(chǎn)品主要并聯(lián)在電路上，包含一級壓、二級壓、三級壓。類似TBS管等，二級和三級基本可以互換，關(guān)鍵是怎樣做搭配，保護(hù)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作非常重要。

　　按傳統(tǒng)的方式，當(dāng)一個(gè)雷擊進(jìn)來之后，首先上升的一定是電壓，一定是內(nèi)部靠近IC部分的保護(hù)器件最先反應(yīng)，若沒有反應(yīng)，內(nèi)部線路肯定會被擊穿；或TBS管一定要運(yùn)作，作為開關(guān)直接關(guān)閉。

　　舉例來說，由于過電壓產(chǎn)品最怕電流質(zhì)，而過電流產(chǎn)品最怕電壓，當(dāng)TBS打開之后，所有的電流都會往一邊流。若出現(xiàn)一個(gè)很大的雷擊，這個(gè)TBS管一定會被擊穿。所以必須要在外面擺上一個(gè)氣體管，來保護(hù)這個(gè)TBS管。當(dāng)電流經(jīng)過這個(gè)管后，其電壓會持續(xù)上升，靠近外面的氣體放電管，必須要在動(dòng)作之后才能保護(hù) TBS管。一般來講，PDC的速度非常慢，所以單個(gè)雷擊進(jìn)來之后PDC沒有辦法動(dòng)作。

　　TBU是近十年一個(gè)比較新的產(chǎn)品，是高速的保護(hù)器，也可以說是一個(gè)電子的限流器?，F(xiàn)在來看看TBU的工作方式與傳統(tǒng)過壓過流保護(hù)元器件有何不同。

　　TBU的工作方式

　　傳統(tǒng)電子保險(xiǎn)絲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　TUB的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　與傳統(tǒng)的雙向保險(xiǎn)絲結(jié)構(gòu)相比，TUB最重要的差異是電壓部分。傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的工作方式是把電流導(dǎo)到地的方式，而TBU方式主要是用隔離的方式。雷擊進(jìn)來之后電流經(jīng)過內(nèi)部的IC去走，當(dāng)電流超過觸發(fā)點(diǎn)之后，TBU就會打開，TBU打開之后所有的能量都是隔絕在外，這時(shí)候電壓還是會持續(xù)上升。在外部放一個(gè)氣體管保護(hù)TBU。由于過電流產(chǎn)品最怕是電壓。而TBU是過電流產(chǎn)品，假設(shè)選擇的是一個(gè)850v的TBU，必須確定線路偷走的電壓值不能夠超過850v，所以必須在外部再擺一個(gè)氣體放電管去保護(hù)TBU，這點(diǎn)與傳統(tǒng)的方式有所區(qū)別。事實(shí)上兩種應(yīng)用方式的區(qū)別是后者做了開關(guān)，把能量全部阻絕在外面。

　　把TBU放入電路之后，電流會上升，這時(shí)候TBU就要打開，阻絕到電流跟電壓，電路就被保護(hù)。當(dāng)電壓上升之后，因?yàn)槠浞磻?yīng)速度非?？欤黼娏饕采仙?，TBU動(dòng)作之后會阻絕電壓與電流的部分。TBU是電流啟動(dòng)電壓回復(fù)的元件。當(dāng)TBU沒有動(dòng)作的時(shí)候，如同電阻；電流超過之后，開關(guān)直接打開，承接高阻；當(dāng)電壓回復(fù)之后，TBU回復(fù)原本工作狀態(tài)。

2、如何選擇開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　電源是電子產(chǎn)品中必不可少的一部分，現(xiàn)在逐漸流行開關(guān)電源，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種。下面就個(gè)人了解，羅列一些（不一定全）供大家參考。首先要明確您的產(chǎn)品中電源部分是否要與輸入電源隔離。

　　對于不隔離式開關(guān)電源，大體上有降壓（buck）、升壓（boost）、極性反轉(zhuǎn)（負(fù)輸出，降升壓buck-boost）、斬波（cuck）3種類型。對于隔離式開關(guān)電源，分正激、反激、半橋、全橋、推挽5種類型。

　　先說不隔離式：

　　降壓（buck）型原理如下圖所示，前半周期Q1導(dǎo)通向C供電同時(shí)L1儲能，后半周期D1導(dǎo)通L1放能向C供電。

　　升壓（boost）型原理如下圖所示，前半周期Q1導(dǎo)通L1儲能，后半周期D1導(dǎo)通L1放能與V1串連向C1供電。

　　極性反轉(zhuǎn)型原理如下圖所示，前半周期Q1導(dǎo)通L1儲能，后半周期D1導(dǎo)通L1放能向C1供電。

　　若輸入電壓大于工作電壓，則選用降壓型，反之選擇升壓型。若單電源輸入，需要+、-電源時(shí)選用極性反轉(zhuǎn)型。

　　再說隔離式：若輸出功率較?。?00W以下）常用反激式；若功率稍大，可選用正激式；再大就要采用半橋或全橋式了。

　　反激式是磁性元件在前半周儲能，后半周期傳遞能量。并關(guān)管要承受電源電壓與反激電壓之和，一般220V整流后要用700V左右的功率管。

　　正激式是在前半周期直接傳遞能量，后半周期泄放磁場。若磁場泄放不掉，則后面的周期中會因磁飽和而燒毀功率器。

　　全橋式是有4個(gè)功率器件，能夠讓變壓器原邊電流來回流動(dòng)，在每半個(gè)周期都傳遞能量，所以能做到較大功率。

　　半橋式是全橋式的簡化，它將一個(gè)橋臂上的功率器件換成電容，節(jié)約了一半數(shù)量的功率器件，且功率器件上承受的電壓也減半，故降低了成本。

　　升壓變換中多采用推挽式，因原邊電壓較低，繞組匝數(shù)少，繞成雙原邊也不增加多少成本，雙繞組又能增加功率，故是廣泛采用的方式。

　　3、多電源系統(tǒng)的監(jiān)控和時(shí)序控制

　　現(xiàn)今，電子系統(tǒng)往往具有許多不同的電源軌。在采用模擬電路和微處理器、DSP、ASIC、FPGA的系統(tǒng)中，尤其如此。為實(shí)現(xiàn)可靠、可重復(fù)的操作，必須監(jiān)控各電源電壓的開關(guān)時(shí)序、上升和下降速率、加電順序以及幅度。既定的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能包括電源時(shí)序控制、電源跟蹤、電源電壓/電流監(jiān)控和控制。有各種各樣的電源管理IC可以執(zhí)行時(shí)序控制、跟蹤、上電和關(guān)斷監(jiān)控等功能。

　　時(shí)序控制和跟蹤器件可以監(jiān)控和控制多個(gè)電源軌，其功能可能包括設(shè)置開啟時(shí)間和電壓上升速率、欠壓和過壓故障檢測、余量微調(diào)（在標(biāo)稱電壓值的一定范圍內(nèi)調(diào)整電源電壓）以及有序關(guān)斷。適合這些應(yīng)用的IC種類眾多，簡單的如利用電阻、電容和比較器構(gòu)成的純模擬器件，復(fù)雜的如高集成度狀態(tài)機(jī)和通過 I2C bus.總線進(jìn)行數(shù)字控制的可編程器件。某些情況下，系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)器和控制器可能包括關(guān)鍵控制功能。

　　對于采用多個(gè)開關(guān)控制器和調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)，還有一個(gè)考慮是器件以不同開關(guān)頻率工作時(shí)，如何將產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲降至最低。常常需要同步調(diào)節(jié)器的時(shí)鐘，事實(shí)上，如今的許多高性能開關(guān)控制器和調(diào)節(jié)器都可以與外部時(shí)鐘同步。

　　圖1. 電源軌的控制類型

電源時(shí)序