如何深入分析電源電路技巧:駕馭噪聲電

　　一般而言，所有的電源都在一個(gè)給定輸入范圍保持其效率。因此，輸入功率或多或少地與輸入電壓水平保持恒定。圖 1 顯示的是一個(gè)開關(guān)電源的特征。隨著電壓的下降，電流不斷上升。

　　圖 1 開關(guān)電源表現(xiàn)出的負(fù)阻抗

　　負(fù)輸入阻抗

　　電壓-電流線呈現(xiàn)出一定的斜率，其從本質(zhì)上定義了電源的動(dòng)態(tài)阻抗。這根線的斜率等于負(fù)輸入電壓除以輸入電流。也就是說，由 Pin = V ? I，可以得出 V = Pin/I；并由此可得 dV/dI = –Pin/I2 或 dV/dI ≈ –V/I。

　　該近似值有些過于簡單，因?yàn)榭刂骗h(huán)路影響了輸入阻抗的頻率響應(yīng)。但是很多時(shí)候，當(dāng)涉及電流模式控制時(shí)這種簡單近似值就已足夠了。

為什么需要輸入濾波器

　　開關(guān)調(diào)節(jié)器輸入電流為非連續(xù)電流，并且在輸入電流得不到濾波的情況下其會中斷系統(tǒng)的運(yùn)行。大多數(shù)電源系統(tǒng)都集成了一個(gè)如圖 2 所示類型的濾波器。電容為功率級的開關(guān)電流提供了一個(gè)低阻抗，而電感則為電容上的紋波電壓提供了一個(gè)高阻抗。該濾波器的高阻抗使流入源極的開關(guān)電流最小化。在低頻率時(shí)，該濾波器的源極阻抗等于電感阻抗。在您升高頻率的同時(shí)，電感阻抗也隨之增加。在極高頻率時(shí)，輸出電容分流阻抗。在中間頻率時(shí)，電感和電容實(shí)質(zhì)上就形成了一種并聯(lián)諧振電路，從而使電源阻抗變高，呈現(xiàn)出較高的電阻。

　　大多數(shù)情況下，峰值電源阻抗可以通過首先確定濾波器 （Zo） 的特性阻抗來估算得出，而濾波器特性阻抗等于電感除以電容所得值的平方根。這就是諧振下電感或者電容的阻抗。

　　接下來，對電容的等效串聯(lián)電阻 （ESR） 和電感的電阻求和。這樣便得到電路的 Q 值。峰值電源阻抗大約等于 Zo 乘以電路的 Q 值。

　　圖 2 諧振時(shí)濾波器的高阻抗和高阻性

　　振蕩

　　但是，開關(guān)的諧振濾波器與電源負(fù)阻抗耦合后會出現(xiàn)問題。圖 3 顯示的是在一個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)串聯(lián)電路中值相等、極性相反的兩個(gè)電阻。這種情況下，輸出電壓趨向于無窮大。當(dāng)您獲得由諧振輸入濾波器等效電阻所提供電源的負(fù)電阻時(shí)，您也就會面臨一個(gè)類似的電源系統(tǒng)情況；這時(shí)，電路往往就會出現(xiàn)振蕩。

　　圖 3 與其負(fù)阻抗耦合的開關(guān)諧振濾波器可引起不必要的振蕩

　　設(shè)計(jì)穩(wěn)定電源系統(tǒng)的秘訣是保證系統(tǒng)電源阻抗始終大大小于電源的輸入阻抗。我們需要在最小輸入電壓和最大負(fù)載（即最低輸入阻抗）狀態(tài)下達(dá)到這一目標(biāo)。

　　在極端情況下，這些阻抗振幅可以相等，但是其符號相反從而構(gòu)成了一個(gè)振蕩器。業(yè)界通用的標(biāo)準(zhǔn)是輸入濾波器的源極阻抗應(yīng)至少比開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸入阻抗低 6dB，作為最小化振蕩概率的安全裕度。

　　輸入濾波器設(shè)計(jì)通常以根據(jù)紋波電流額定值或保持要求選擇輸入電容（圖 1 所示 CO）開始的。第二步通常包括根據(jù)系統(tǒng)的 EMI 要求選擇電感 （LO）。正如我們上個(gè)月討論的那樣，在諧振附近，這兩個(gè)組件的源極阻抗會非常高，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。圖 1 描述了一種控制這種阻抗的方法，其將串聯(lián)電阻 （RD） 和電容 （CD） 與輸入濾波器并聯(lián)放置。利用一個(gè)跨接 CO 的電阻，可以阻尼濾波器。但是，在大多數(shù)情況下，這樣做會導(dǎo)致功率損耗過高。

　　另一種方法是在濾波器電感的兩端添加一個(gè)串聯(lián)連接的電感和電阻。

　　圖 1 CD 和 RD 阻尼輸出濾波器源極阻抗

　　選擇阻尼電阻

　　有趣的是，一旦選擇了四個(gè)其他電路組件，那么就會有一個(gè)阻尼電阻的最佳選擇。圖 2 顯示的是不同阻尼電阻情況下這類濾波器的輸出阻抗。紅色曲線表示過大的阻尼電阻。請思考一下極端的情況，如果阻尼電阻器開啟，那么峰值可能會非常的高，且僅由 CO 和 LO 來設(shè)定。藍(lán)色曲線表示阻尼電阻過低。如果電阻被短路，則諧振可由兩個(gè)電容和電感的并聯(lián)組合共同設(shè)置。綠色曲線代表最佳阻尼值。利用一些包含閉型解的計(jì)算方法（見參考文獻(xiàn) 1）就可以很輕松地得到該值。

　　圖 2 在給定 CD-CO 比的情況下，有一個(gè)最佳阻尼電阻

　　選擇組件

　　在選擇阻尼組件時(shí)，圖 3 非常有用。該圖是通過使用 RD Middlebrook 建立的閉型解得到的。橫坐標(biāo)為阻尼濾波器輸出阻抗與未阻尼濾波器典型阻抗 （ZO = （LO/CO）1/2） 的比?？v坐標(biāo)值有兩個(gè)：阻尼電容與濾波器電容 （N） 的比；以及阻尼電阻同該典型阻抗的比。利用該圖，首先根據(jù)電路要求來選擇 LO 和 CO，從而得到 ZO。隨后，將最小電源輸入阻抗除以二，得到您的最大輸入濾波器源極阻抗 （6dB）。

　　最小電源輸入阻抗等于 Vinmin2/Pmax。只需讀取阻尼電容與濾波器電容的比以及阻尼電阻與典型阻抗的比， 您便可以計(jì)算得到一個(gè)橫坐標(biāo)值。例如，一個(gè)具有 10μH 電感和 10μH 電容的濾波器具有 Zo = （10μH/10 μF）1/2 = 1 Ohm 的典型阻抗。如果它正對一個(gè) 12V 最小輸入的 12W 電源進(jìn)行濾波，那么該電源輸入阻抗將為 Z = V2/P = 122/12 = 12 Ohms。這樣，最大源極阻抗應(yīng)等于該值的二分之一，也即 6 Ohms。現(xiàn)在，在 6/1 = 6 的 X 軸上輸入該圖，那么，CD/CO = 0.1，即 1 μF，同時(shí) RD/ZO = 3，也即 3 Ohms。

　　圖 3 選取 LO 和 CO 后，便可從最大允許源極阻抗范圍內(nèi)選擇 CD 和 RD。
4：降壓-升壓電源設(shè)計(jì)中降壓控制器的使用

　　電子電路通常都工作在正穩(wěn)壓輸出電壓下，而這些電壓一般都是由降壓穩(wěn)壓器來提供的。如果同時(shí)還需要負(fù)輸出電壓，那么在降壓—升壓拓?fù)渲芯涂梢耘渲孟嗤慕祲嚎刂破?。?fù)輸出電壓降壓—升壓有時(shí)稱之為負(fù)反向，其工作占空比為 50%，可提供相當(dāng)于輸入電壓但極性相反的輸出電壓。其可以隨著輸入電壓的波動(dòng)調(diào)節(jié)占空比，以“降壓”或“升壓”輸出電壓來維持穩(wěn)壓。

　　圖 1 顯示了一款精簡型降壓—升壓電路，以及電感上出現(xiàn)的開關(guān)電壓。這樣一來該電路與標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器的相似性就會頓時(shí)明朗起來。實(shí)際上，除了輸出電壓和接地相反以外，它和降壓轉(zhuǎn)換器完全一樣。這種布局也可用于同步降壓轉(zhuǎn)換器。這就是與降壓或同步降壓轉(zhuǎn)換器端相類似的地方，因?yàn)樵撾娐返倪\(yùn)行與降壓轉(zhuǎn)換器不同。

　　FET 開關(guān)時(shí)出現(xiàn)在電感上的電壓不同于降壓轉(zhuǎn)換器的電壓。正如在降壓轉(zhuǎn)換器中一樣，平衡伏特-微秒 （V-μs） 乘積以防止電感飽和是非常必要的。當(dāng) FET 為開啟時(shí)（如圖 1 所示的 ton 間隔），全部輸入電壓被施加至電感。這種電感“點(diǎn)”側(cè)上的正電壓會引起電流斜坡上升，這就帶來電感的開啟時(shí)間 V-μs 乘積。FET 關(guān)閉 （toff） 期間，電感的電壓極性必須倒轉(zhuǎn)以維持電流，從而拉動(dòng)點(diǎn)側(cè)為負(fù)極。電感電流斜坡下降，并流經(jīng)負(fù)載和輸出電容，再經(jīng)二極管返回。電感關(guān)閉時(shí)V-μs 乘積必須等于開啟時(shí) V-μs 乘積。由于 Vin 和 Vout 不變，因此很容易便可得出占空比 （D） 的表達(dá)式：D=Vout/（Vout “ Vin）。這種控制電路通過計(jì)算出正確的占空比來維持輸出電壓穩(wěn)壓。上述表達(dá)式和圖 1 所示波形均假設(shè)運(yùn)行在連續(xù)導(dǎo)電模式下。

　　圖1：降壓—升壓電感要求平衡其伏特-微秒乘積。

　　降壓—升壓電感必須工作在比輸出負(fù)載電流更高的電流下。其被定義為 IL = I《 sub》/（1-D），或只是輸入電流與輸出電流相加。對于和輸入電壓大小相等的負(fù)輸出電壓（D = 0.5）而言，平均電感電流為輸出的 2 倍。

　　有趣的是，連接輸入電容返回端的方法有兩種，其會影響輸出電容的 rms 電流。典型的電容布局是在 +Vin 和 Gnd 之間，與之相反，輸入電容可以連接在 +Vin和 ”V《 sub》 之間。利用這種輸入電容配置可降低輸出電容的rms電流。然而，由于輸入電容連接至 “Vout，因此 ”Vout 上便形成了一個(gè)電容性分壓器。