現代設計中電源子系統的創建(下)

多數工程師在設計耐用的開關轉換器時都會遇到困難。第一個問題是穩定性。復雜控制回路的穩定是一個令人怯步的工作，因為很多轉換器都需要輸出電壓中的一個紋波才能正常工作。其它問題還有次諧波振蕩，必須將一個躍升信號注入基準。當大容值陶瓷電容器價格降至合理范圍時，很多工程師會用它們代替輸出電解電容器。陶瓷電容器有很低的 ESR(等效串聯電阻)，基本上沒有引起振蕩的紋波電壓。紋波電壓本身可能違背設計要求，例如在為模擬電路供電時。這個問題需要作后置穩壓，或者使用附加的電感阻尼方法。

噪聲是另一個常見問題，它會散發到輸入或輸出電源線上，或以電磁輻射方式發射到周圍空間。設計者可能沒有注意到這個問題，而直到量產前送FCC 和 CE做測試時才發現，這是最糟的情況。設計者可以采用多種技術，將這個噪聲與外界和系統其它部分屏蔽開來。不過最好的方法是在第一地點就不產生噪聲，其次才是嘗試在幾十、幾百個終端用戶設備中作屏蔽。

與線性穩壓器一樣，發熱也是開關轉換器的問題。多數降壓穩壓器都會在繼流二極管上產生更多熱量，而不是在 FET 上。美國國家半導體公司的WEBENCH在線設計工具給出的熱量圖顯示，二極管 D1 是電路板上最熱的元件，它正在加熱鄰近的 IC(圖 5)。為了減少繼流二極管產生的熱量，同步降壓穩壓器采用第二支異相 FET 代替了二極管。

上述大部分問題都可以溯源到不恰當的印制電路板布局。現在有幾篇文章在討論一個優良的開關穩壓器布局時易犯的錯誤。工程師應利用公司內制造穩壓 IC 的應用工程人員的優勢。如果應用工程師先審查你的設計和布局，然后再送去制造，就可以避免相當多的挫折和混亂。

脫機穩壓器

到此為止，本文討論的都是 DC/DC 轉換器。另一類轉換器是從交流電獲得直流電。交流電一般取自民用交流電源線;因此轉換器是脫機供電。其它設計采用隔離拓撲結構，從原直流電源用經典整流電路給出一個或多個直流電源。Allegro、On、STMicro、Power Integrations 和德州儀器公司 Unitrode 部門制造這類型的器件。脫機電源也有一些問題，包括浪涌電流和諧波電流。浪涌電流是在關閉輸入開關的瞬間，為輸入電容器充電的大量電流。這個電流可以威脅到整流二極管，造成電容器過早失效。解決這個問題的方法包括在輸入端串接 NTC(負溫度系列)器件。這些器件在低溫時有大電阻。當輸入電流進入電容器時，器件被加熱，電阻下降。它的缺點是工作溫度可以達到 190°C，并且對環境溫度很敏感。

脫機電源的第二個問題是輸入電容器會產生大的電流尖峰。這些尖峰在每個線路周期完成。用 PFC 可以降低這些尖峰，歐洲銷售的電源產品都必須帶 PFC。記得要給電解電容器加保險絲。如果在量產前未能通過 UL 著火溫度測試，那么其后果與未通過 FCC 和 CE EMI/RFI(電磁干擾/射頻干擾)測試一樣是災難性的。

使用開關 IC的脫機穩壓器的另一個通常問題是起動電路的靜態電流。必須在任何振蕩和穩壓開始前為芯片提供 5V ~ 10V 的電壓。因此，往往要用一個大功率電阻器將這個電壓送至芯片。如果將電阻器跨接在 170V 或更高直流總線與 5V 或 10V IC 電源線路之間，則會產生相當大的功耗。此時，設計者可以用 500V Supertex 耗盡型 FET，但這種方法可能不適合低成本電源。有些供應商(例如 Power Integrations)開發了一些替代結構來解決這個問題。該公司營銷副總裁 Doug Bailey 說：“采用集成功率晶體管的解決方案可以使用高壓 MOSFET 作為分壓器，從控制部分獲得能量，而在低電壓時只有少量電流分流。Power Integrations 已將這種方案用于所有開關 IC 中，工作得都很好。”