如何在便攜式產(chǎn)品中實現(xiàn)高效電源變換

Q1：我們在使用中需要用到12V的電源，但使用的蓄電池會在12V上下波動，曾看到一篇文章介紹有三種方法解決此類問題：1.串并聯(lián)電池2.使用升降壓配置3.SEPIC配置，也就是采用兩個耦合電感的開關(guān)電源。前面兩種都好理解，SEPIC配置到底為何意？

A1：SEPIC(Single Ended Primary Inductance Converter)是可以不用耦合電感的，兩個獨立的電感也可。它是通過兩個電感分別的蓄能而達(dá)到輸出電壓可大于或小于輸入電壓的。

Q2：目前的開關(guān)電源IC輸出功率一般不超過150W，是不是可以用兩個IC復(fù)合工作輸出300W？我試過線路要很復(fù)雜，有沒有簡單的電路？

A2：通用的PWM控制IC只輸出一路PWM方波或者兩路互補(bǔ)的PWM方波；多相PWM控制IC輸出二到四路順序相位PWM方波，輸出方式為多路并聯(lián)輸出，優(yōu)點是輸出紋波幅值較小(多相分電流，輸出濾波器參數(shù)較小)、頻率較高(多相頻率疊加)、效率較高。

Q3：我公司開發(fā)的手持儀表帶有微型打印機(jī)，打印機(jī)工作時電流達(dá)到1.5A以上，而平時電流只有20~30mA。按1.5A設(shè)計的電源，在小電流下效率很低，如何解決這一問題？

A3：目前的高集成度DC/DC IC電源可以提供1.5A 的輸出電流, 同時在負(fù)載較輕時可從正常的PWM工作模式自動切換到BURST模式。這一功能可以很好地兼顧滿載運行和輕載運行的不同要求。

Q4：隨著開關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展，競爭也日趨激烈。請問該如何滿足低空載損耗，低成本的要求？

A4：Linear的許多DC-DC芯片帶有業(yè)界極低的靜態(tài)電流和輕載功耗. 并且它們大多可工作在很高開關(guān)頻率下并帶有很小尺寸. 因此可選用低值電感和電容, 從而導(dǎo)致電源整體成本降低和尺寸減小.

Q5：以Linear公司LT1083系列為例，在adj端和out端連接不同的電阻可以得到相應(yīng)的輸出。 關(guān)于這兩個電阻值是否有規(guī)定？我在Linear公司網(wǎng)站上并未查到，理論上這兩個電阻越大，則在電阻上浪費的功率越小，是否應(yīng)該選擇較大的電阻？但是實際使用中我看到的例子中電阻值都不是很大，請問這是為什么？有沒有電阻值選擇范圍的指導(dǎo)？ 另外我在pspice仿真時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電阻值大到一定程度的時候(我用lt1084的model, out端和adj端的電阻值是10k, adj和地端的電阻為4.4k, 輸出應(yīng)該是1.8v，但是pspice仿真出來是2.041v)，請問是否如此？為什么？

A5：LT1083輸出電壓的準(zhǔn)確計算公式是Vout=Vref(1+R1/R2)+50uA×R2. R2 是接地電阻。50uA×R2項是考慮ADJ端偏置電流的影響，在R2較大時不能忽略。以R1=10K， R2=4.4K計算，Vout=2.02V，非常接近仿真結(jié)果。實際應(yīng)用時，R2阻值最好小于：Vout×1%/50uA，然后確定R1。

Q6：請教switch regulator 和linear regulator的區(qū)別及各自應(yīng)用的場合。

A6：很多有關(guān)電源的書籍在這方面都有詳盡的論述。概括地講，linear regulator 的調(diào)整管工作在線性狀態(tài)，根據(jù)負(fù)載的變化情況來調(diào)節(jié)自身的內(nèi)電阻從而穩(wěn)定輸出電壓。它只能做降壓轉(zhuǎn)換，電路簡單，噪聲低，轉(zhuǎn)換效率可以簡單地看作輸出與輸入電壓之比，一般用于低壓差，小功率的場合。switch regulator調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通和關(guān)斷的時間比例穩(wěn)定輸出電壓，可靈活實現(xiàn)電壓的大小和極性的不同轉(zhuǎn)換。良好的設(shè)計可實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率，電路相對復(fù)雜，存在開關(guān)噪聲。在linear regulator不適用的場合都可以應(yīng)用。

Q7：高精度ADC的電源供電較一般數(shù)字電路要求高得多，而現(xiàn)在系統(tǒng)中往往只有DC-DC轉(zhuǎn)換器，它的輸出電壓也都為標(biāo)準(zhǔn)電壓、+5V等，但紋波和噪聲都較線性穩(wěn)壓器大。那么如何才能效率和性能兼得呢？

A7：首先, 有三種技術(shù)方案可供選擇, 線性電源, 開關(guān)電容方案, 開關(guān)電感方案。這三種方案之間存在效率和噪聲的折衷。系統(tǒng)設(shè)計師需要根據(jù)實際情況作出自己的權(quán)衡。對于開關(guān)電感方案, 首先要保證電源工作在一個良好的狀態(tài)。這可以通過元器件選擇, PCB布線和電源的動態(tài)特性設(shè)置來實現(xiàn)。其次可以通過選擇適當(dāng)?shù)拈_關(guān)頻率來減少由于電源的開關(guān)動作對ADC帶來不良影響。

Q8：便攜式設(shè)備的輸入電源有時會有很寬的變化范圍，例如一節(jié)鋰電池的變化范圍會在2.7V至4.2V，三節(jié)堿性電池會有2.4V到4.8V的變化范圍，如果該設(shè)備還要接受AC適配器輸入的話，上限可能還會高達(dá)7V至8V左右。對于如此寬范圍的輸入，要高效地獲得穩(wěn)定的3.3V主系統(tǒng)電源，簡單的boost和buck變換器都無法勝任。凌特的3440解決了5v以內(nèi)電池輸入的問題，但仍然不能接受AC適配器輸入，booster+LDO結(jié)構(gòu)中，LDO的散熱是個很大的問題，采用變壓器時，線路會顯得過于龐大，效率也不太理想。對于這樣的問題，不知專家有何建議？

A8：如果系統(tǒng)使用單節(jié)鋰電池，AC適配器的電壓定在5+/-5%的范圍比較好，既能減小鋰電池充電器的損耗，又能使用低壓的電源變換IC。如果使用低成本的AC適配器，因調(diào)整率差而使輸出電壓變化范圍大，則只能增加系統(tǒng)電源變換線路的成本。SEPIC線路適合這類變換要求，但效率稍差。

Q9：在設(shè)計小功率反激式電源時，主變換電路的開關(guān)管用600V的MOSFET導(dǎo)通電阻較小，損耗小，效率高，而耐壓余量小，價格便宜。如果用800V的MOSFET導(dǎo)通電阻較大，損耗大，效率低，而耐壓余量大，價格較貴。如何能設(shè)計效率高而價格合適的小功率反激式的開關(guān)電源？還有別的模式的同類設(shè)計嗎？

A9：如采用雙管反激式變換拓?fù)淇梢杂玫碗妷?400V)的MOSFET開關(guān)管，缺點是驅(qū)動復(fù)雜，多用一只開關(guān)管。就目前而言，單管反激式因簡單，成本低仍是小功率開關(guān)電源的首選變換方式，主開關(guān)管除了MOSFET，也可考慮IGBT。

Q10：充電泵能提供12V的充電電壓嗎？

A10：普通的電荷泵好象不能直接從2.7-5V電壓直接轉(zhuǎn)變成12V，但是可以把一個6V電壓倍壓成12V，但是噪聲和驅(qū)動能力需要考察。

Q11：我在設(shè)計一件便攜式產(chǎn)品中，整個產(chǎn)品的功耗是十分重要的指標(biāo)。我想請教一下，電源轉(zhuǎn)換效率和整個產(chǎn)品低功耗設(shè)計的關(guān)系？在開發(fā)過程中，為了實現(xiàn)產(chǎn)品低功耗，開發(fā)工程師所能夠支配的環(huán)節(jié)？

A11： 首先，我們可以考慮便攜設(shè)備中的功耗分布。電源功耗常常是總功耗中的一個顯著因素。所以提高電源效率，減少電源功耗，對于設(shè)計一個高效率的便攜設(shè)備是非常重要的。為了得到一個高效率的便攜設(shè)備，設(shè)計工程師要選擇一個低功耗系統(tǒng)設(shè)計方案，以使系統(tǒng)的自身功耗比較低，還須認(rèn)真考慮電源的方案，使其既能滿足系統(tǒng)對其提出的各種限制條件，例如：尺寸大小，干擾限制，等等，又能盡量做到高效率。