直流電源管理子系統(tǒng)設計

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)設計要復雜很多。設計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級的工作時鐘頻率。此外，這種子系統(tǒng)不僅包括電源設計，而且還包括需要專用IC才能實現(xiàn)的系統(tǒng)性功能。

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

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

2. 分布式電源架構：前端電源將交流電輸入轉換成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，非隔離負載點DC/DC轉換器(POL)將總線上的電壓降低到負載需要的電壓；改變負載電流或電壓僅需要改變一個負載點；單個負載點的故障通常只會影響到一個功能或單塊PCB板；熱量分散在整個系統(tǒng)中。

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

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

4. 基于電池的電源分配架構：空間限制差不多要求所有的電路都從頭開始設計；電源管理子系統(tǒng)設計包含電池的電壓穩(wěn)壓電路，因為電池的輸出電壓會隨著使用時間而逐漸降低；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計，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)設計了。這時要求設計師仔細了解應用的電源規(guī)范。除了電池供電系統(tǒng)之外，設計師可以考慮自己設計或購買電源和支持電路。自己設計生產(chǎn)電源需權衡多方面因素，比如是設計一個開關穩(wěn)壓器還是一個線性穩(wěn)壓器。

開關穩(wěn)壓器

開關穩(wěn)壓器將直流輸入電壓轉換成用來控制功率半導體開關的開關電壓。功率半導體開關的輸出經(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。

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

開關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頻率上有較高的效率。

開關穩(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，相關的電容和電感也應盡可能離穩(wěn)壓IC。

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

圖2：PWM控制器通過改變功率開關導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通和截止時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，采用非隔離的拓撲結構。這些拓撲結構包括降壓型， 升壓型、升降壓型、SEPIC型和Cuk型。在回掃式、推挽式、前向、全橋和半橋拓撲結構中采用了隔離輸入輸出的轉換器。通過互補式功率場效應管和功率因數(shù)校準IC實現(xiàn)高效率并符合諧波發(fā)射標準。

磁滯控制提供快速反應和線性瞬態(tài)，它使用寬帶控制回路，而無需采用誤差放大器和頻率補償。運行頻率取決于輸入輸出電壓、輸出濾波器感應系數(shù)和磁滯窗口。常規(guī)的磁滯校準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體開關的導通和截止，以根據(jù)輸出電壓進行調(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的導通和截止時間成比例。

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

圖4：多相控制器錯開每個交叉單元的開關時間，以使每個單元之間的相角為360°/n，其中n為調(diào)節(jié)器單元的數(shù)量。開關單元運行在公共頻率，并需要進行相移以便以有規(guī)律的控制間隔進行開關轉換。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(開關電容)IC的特性，這些穩(wěn)壓器不需要功率半導體開關進行導通和截止操作(圖5)。

低壓降是指LDO穩(wěn)壓器正常工作時輸入輸出電壓之間的差別。LDO穩(wěn)壓器不涉及開關操作，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)生一個較小的噪聲源。

專用電源管理IC和功率半導體開關

由于電子系統(tǒng)已變得越來越復雜和越來越高級，電源管理子系統(tǒng)需要采用數(shù)種專用IC(圖5)。當然，這些IC也可以用來設計通用電源(圖6)。

圖5：LDO工作在線性模式。誤差放大器的一個輸入端監(jiān)視輸出電壓，另一個輸入是基準電壓。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封裝中。它們采用內(nèi)部或外部柵極驅(qū)動器來實現(xiàn)導通和斷開功能。

當開關向負載輸送功率時，電源開關會帶來一些功率損耗。這些功率開關在導通和斷開時會有一些時延，工作在導通和斷開之間的線性區(qū)域的開關會產(chǎn)生功率損耗。開關導通時的功率損耗為I 2R，因為半導