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(多图) 现代设计中电源子系统的创建(下)

Paul Rako?? EDN技术编辑?? 2007年05月15日 ?? 收藏0

  多数工程师在设计耐用的开关转换器时都会遇到困难。第一个问题是稳定性。复杂控制回路的稳定是一个令人怯步的工作,因为很多转换器都需要输出电压中的一个纹波才能正常工作。其它问题还有次谐波振荡,必须将一个跃升信号注入基准。当大容值陶瓷电容器价格降至合理范围时,很多工程师会用它们代替输出电解电容器。陶瓷电容器有很低的 ESR(等效串联电阻),基本上没有引起振荡的纹波电压。纹波电压本身可能违背设计要求,例如在为模拟电路供电时。这个问题需要作后置稳压,或者使用附加的电感阻尼方法。

图5发热图显示继流二极管D1是电路中最热的元件


  噪声是另一个常见问题,它会散发到输入或输出电源线上,或以电磁辐射方式发射到周围空间。设计者可能没有注意到这个问题,而直到量产前送FCC 和 CE做测试时才发现,这是最糟的情况。设计者可以采用多种技术,将这个噪声与外界和系统其它部分屏蔽开来。不过最好的方法是在第一地点就不产生噪声,其次才是尝试在几十、几百个终端用户设备中作屏蔽。

  与线性稳压器一样,发热也是开关转换器的问题。多数降压稳压器都会在继流二极管上产生更多热量,而不是在 FET 上。美国国家半导体公司的WEBENCH在线设计工具给出的热量图显示,二极

管 D1 是电路板上最热的元件,它正在加热邻近的 IC(图 5)。为了减少继流二极管产生的热量,同步降压稳压器采用第二支异相 FET 代替了二极管。

  上述大部分问题都可以溯源到不恰当的印制电路板布局。现在有几篇文章在讨论一个优良的开关稳压器布局时易犯的错误。工程师应利用公司内制造稳压 IC 的应用工程人员的优势。如果应用工程师先审查你的设计和布局,然后再送去制造,就可以避免相当多的挫折和混乱。

  脱机稳压器

  到此为止,本文讨论的都是 DC/DC 转换器。另一类转换器是从交流电获得直流电。交流电一般取自民用交流电源线;因此转换器是脱机供电。其它设计采用隔离拓扑结构,从原直流电源用经典整流电路给出一个或多个直流电源。Allegro、On、STMicro、Power Integrations 和德州仪器公司 Unitrode 部门制造这类型的器件。脱机电源也有一些问题,包括浪涌电流和谐波电流。浪涌电流是在关闭输入开关的瞬间,为输入电容器充电的大量电流。这个电流可以威胁到整流二极管,造成电容器过早失效。解决这个问题的方法包括在输入端串接 NTC(负温度系列)器件。这些器件在低温时有大电阻。当输入电流进入电容器时,器件被加热,电阻下降。它的缺点是工作温度可以达到 190°C,并且对环境温度很敏感。

  脱机电源的第二个问题是输入电容器会产生大的电流尖峰。这些尖峰在每个线路周期完成。用 PFC 可以降低这些尖峰,欧洲销售的电源产品都必须带 PFC。记得要给电解电容器加保险丝。如果在量产前未能通过 UL 着火温度测试,那么其后果与未通过 FCC 和 CE EMI/RFI(电磁干扰/射频干扰)测试一样是灾难性的。

  使用开关 IC的脱机稳压器的另一个通常问题是起动电路的静态电流。必须在任何振荡和稳压开始前为芯片提供 5V ~ 10V 的电压。因此,往往要用一个大功率电阻器将这个电压送至芯片。如果将电阻器跨接在 170V 或更高直流总线与 5V 或 10V IC 电源线路之间,则会产生相当大的功耗。此时,设计者可以用 500V Supertex 耗尽型 FET,但这种方法可能不适合低成本电源。有些供应商(例如 Power Integrations)开发了一些替代结构来解决这个问题。该公司营销副总裁 Doug Bailey 说:“采用集成功率晶体管的解决方案可以使用高压 MOSFET 作为分压器,从控制部分获得能量,而在低电压时只有少量电流分流。Power Integrations 已将这种方案用于所有开关 IC 中,工作得都很好。”

图6数字管理电源使用一个普通的模拟控制回路但有更多的数字电路完成监视与控制功能


  数字管理或控制的电源采用一个普通模拟 PWM 回路,但与真正的数字控制建立联系,而不是指多数控制器上普遍都有的数字关断脚(图 6)。数字管理的功率 IC 首先在电池充电器 IC 中找到用途。过去的化学电池(例如铅酸电池)经常使用一组稳压 IC,为每节电池提供 2.3V ~ 2.36V 电压,这要取决于应用能否承受较高的充电电压。即使这些简单的充电器也经常增加环境温度检测、时间限制器,或电池温度检测功能,以调整充电电压。镍金属氢电池及更广泛使用的锂离子化学电池需要更多的数字监控。系统设计者可能要根据温升或电压上升而终止充电周期。如果电池已报废,就不应起动全功率的充电。当发生这种情况时,充电器 IC 必须以“打嗝”方式向电池送入一个小电流,并进行监控,直到电压升高到足以接受全功率充电。如果电池已经充了几小时,仍然没有到达终止点,则 IC 应结束充电周期。环境温度故障和很多其它变量也可能有关系。美国国家半导体公司的应用工程师 Mary Kao 说:“我们不再把电池充电器 IC 看作一个带有一些逻辑的 PWM 电路。我们认为它现在是带模拟 PWM 的一个微控制器。”
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电源子系统? 现代设计? 创建?

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