現(xiàn)代設(shè)計中電源子系統(tǒng)的創(chuàng)建

從線性電源到數(shù)字電源，我們有很大的設(shè)計選擇范圍。本文簡要介紹設(shè)計者面對的一些替代方案，以及會出現(xiàn)的問題。

要點

電源子系統(tǒng)可以采用線性、開關(guān)、電荷泵、AC/DC、數(shù)字管理，或數(shù)字控制等方式。

線性電源有發(fā)熱問題。

電荷泵會產(chǎn)生噪聲注入。

開關(guān)電源必須處理好穩(wěn)定性、噪聲和發(fā)熱問題。

數(shù)字管理和數(shù)字控制電源通常需要在產(chǎn)品推出前做好軟件工作。

在現(xiàn)代產(chǎn)品中，功率電子可以是最簡單的，也可以是最復(fù)雜的子系統(tǒng)。這并不令人驚訝，因為應(yīng)用也有簡有繁。最簡單時，一個電源可以是一個大的齊納二極管，如用在潛艇的有線增音器分離艙中。這些分離艙需要極端的可靠性，電阻器加二極管的方案是最簡單，因而也是最可靠的方案。齊納管要耗散出相當多的熱量，但海流會很容易把熱量帶走。復(fù)雜程度略高一點的是線性穩(wěn)壓器，這是常見的有用部件。LM317是美國國家半導(dǎo)體公司網(wǎng)站數(shù)據(jù)表下載次數(shù)最多的器件。線性穩(wěn)壓器的運行就像一個閥門，它擋住電路中的電流，以保證電壓的穩(wěn)定不變。“晶體管”這個詞的英文Transistor來自兩個詞的組合：互導(dǎo)（transconductance）和變阻器（varistor）。線性穩(wěn)壓器中的晶體管通過夾斷電流來控制電壓，因此，它產(chǎn)生互導(dǎo)。在其運行中，它作為一個可變電阻，或變阻器。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器都采用NPN導(dǎo)通元件，低壓差穩(wěn)壓器則使用PNP晶體管。

比較復(fù)雜的穩(wěn)壓器是電荷泵。它用多支晶體管作開關(guān)，而不是用作線性器件。這些開關(guān)將電荷傳送給一個電容器，然后改變連接，由電容器將施加的初始電壓翻倍或反相。

當轉(zhuǎn)向開關(guān)穩(wěn)壓器時，復(fù)雜性出現(xiàn)了一次巨大的飛躍。這類電路中有高頻磁鐵、一個控制回路，并至少有一支起開關(guān)作用的晶體管。你可以從Vicor或Tyco購買磚型的整體穩(wěn)壓器，或也可以自己動手，用零件自己做穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器有各種類型：降壓、升壓、反相、隔離、SEPIC（單端初級電感轉(zhuǎn)換器）和Cuk（發(fā)音為“chook”）。



所有這些電源電路都可以把一個直流電壓轉(zhuǎn)換為其它直流電壓。很多設(shè)計使用變壓器來改變交流電壓，或先用電路將交流轉(zhuǎn)換為直流，再用后面的DC/DC轉(zhuǎn)換。最講究的AC/DC轉(zhuǎn)換電路之一是PFC（功率因子校正）電路，它采用一個升壓轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，確保轉(zhuǎn)換器的輸入電流與輸入電壓成比例，而普通AC/DC電路中輸入電流會出現(xiàn)尖峰。

電源領(lǐng)域中的一個新詞匯是“數(shù)字電源”。它可以意味很多東西，從簡單地使用數(shù)字輸入以關(guān)斷穩(wěn)壓器，到能與芯片作數(shù)字通信，用于監(jiān)控模擬PWM過程，以及用DSP閉合回路，并用PWM信號直接控制導(dǎo)通元件。

從基礎(chǔ)開始說，線性穩(wěn)壓器采用一支晶體管來降低直流電壓。普通線性穩(wěn)壓器（例如LM317）用NPN晶體管作限制。由于NPN晶體管的基射結(jié)有0.6V壓降，所以這些穩(wěn)壓器需要相當大的輸入輸出壓差。工程師們經(jīng)常犯一種錯誤，即當器件工作在低于推薦的壓降條件時，他們?nèi)约俣ㄝ敵鲭妷菏欠€(wěn)壓的。器件也許能提供正確的電壓，但不符合各種交流和熱規(guī)定。線性穩(wěn)壓器的大壓差要求一直維持到上世紀80年代初，當時美國汽車制造商向半導(dǎo)體業(yè)提出需要一種低壓差的線性穩(wěn)壓器。為設(shè)計低壓差的穩(wěn)壓器（例如LM2936），采用了PNP導(dǎo)通晶體管。使用這種方法后，即使在轉(zhuǎn)動手柄啟動汽車時電池電壓低至8V，穩(wěn)壓電路也能保持穩(wěn)壓狀態(tài)。美國國家半導(dǎo)體公司產(chǎn)品定義經(jīng)理Al Kelsch認為，當下降電壓接近零時，會產(chǎn)生一個“^”，或輸入電壓的小尖峰，因為導(dǎo)通晶體管的基極處于最大導(dǎo)通狀態(tài)。盡管IC設(shè)計者花費很多時間，試圖設(shè)計一個基極驅(qū)動電路，它能夠限制電流，消除尖峰，并仍能提供瞬態(tài)響應(yīng)和滿足其它規(guī)定，但客戶需要這個小尖峰，作為穩(wěn)壓器失效的檢測方法。然后他們就可以關(guān)掉整個電路。換句話說，客戶把設(shè)計者理解為故障的東西看成了一種功能。

線性穩(wěn)壓器最大的問題就是發(fā)熱。由于穩(wěn)壓器運行時，導(dǎo)通晶體管中要通過大的電流，它會消耗大量功率。大多數(shù)線性穩(wěn)壓器都有一個熱關(guān)斷點，可以防止器件被摧毀，但如果關(guān)斷發(fā)生在工作狀態(tài)，則會導(dǎo)致電路失效。

線性穩(wěn)壓器的另一個設(shè)計問題也適用于大多數(shù)電源。你必須假定一個產(chǎn)品壽命周期的某個時點上，會出現(xiàn)電解電容器短路現(xiàn)象。如果發(fā)生短路，必須確保穩(wěn)壓器和電路板不致燒毀或造成其它損壞。還必須在輸入電解電容器和任何鉭電容器處提供一個保險絲或易熔印制電路走線。即使產(chǎn)品的壁式電源座不可能提供足以引起火災(zāi)的電流，但一個勤奮的工程師也必須為這種情況做好準備，以防用戶用較大功率或不正確的壁式電源座為產(chǎn)品供電（圖1）。