現代設計中電源子系統的創建（上）

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

要 點

電源子系統可以采用線性、開關、電荷泵、AC/DC、數字管理，或數字控制等方式。

線性電源有發熱問題。

電荷泵會產生噪聲注入。

開關電源必須處理好穩定性、噪聲和發熱問題。

數字管理和數字控制電源通常需要在產品推出前做好軟件工作。

在現代產品中，功率電子可以是最簡單的，也可以是最復雜的子系統。這并不令人驚訝，因為應用也有簡有繁。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。復雜程度略高一點的是線性穩壓器，這是常見的有用部件。LM317 是美國國家半導體公司網站數據表下載次數最多的器件。線性穩壓器的運行就像一個閥門，它擋住電路中的電流，以保證電壓的穩定不變。“晶體管”這個詞的英文 Transistor 來自兩個詞的組合：互導(transconductance)和變阻器(varist

or)。線性穩壓器中的晶體管通過夾斷電流來控制電壓，因此，它產生互導。在其運行中，它作為一個可變電阻，或變阻器。傳統的線性穩壓器都采用 NPN 導通元件，低壓差穩壓器則使用 PNP 晶體管。

比較復雜的穩壓器是電荷泵。它用多支晶體管作開關，而不是用作線性器件。這些開關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。

當轉向開關穩壓器時，復雜性出現了一次巨大的飛躍。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作用的晶體管。你可以從 Vicor 或 Tyco 購買磚型的整體穩壓器，或也可以自己動手，用零件自己做穩壓器。開關穩壓器有各種類型：降壓、升壓、反相、隔離、SEPIC(單端初級電感轉換器)和 Cuk(發音為“chook”)。

所有這些電源電路都可以把一個直流電壓轉換為其它直流電壓。很多設計使用變壓器來改變交流電壓，或先用電路將交流轉換為直流，再用后面的 DC/DC 轉換。最講究的AC/DC轉換電路之一是 PFC(功率因子校正)電路，它采用一個升壓轉換器拓撲結構，確保轉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尖峰。

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

從基礎開始說，線性穩壓器采用一支晶體管來降低直流電壓。普通線性穩壓器(例如LM317)用 NPN 晶體管作限制。由于 NPN 晶體管的基射結有 0.6V 壓降，所以這些穩壓器需要相當大的輸入輸出壓差。工程師們經常犯一種錯誤，即當器件工作在低于推薦的壓降條件時，他們仍假定輸出電壓是穩壓的。器件也許能提供正確的電壓，但不符合各種交流和熱規定。線性穩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體業提出需要一種低壓差的線性穩壓器。為設計低壓差的穩壓器(例如LM2936)，采用了 PNP 導通晶體管。使用這種方法后，即使在轉動手柄啟動汽車時電池電壓低至 8V，穩壓電路也能保持穩壓狀態。美國國家半導體公司產品定義經理 Al Kelsch 認為，當下降電壓接近零時，會產生一個“^”，或輸入電壓的小尖峰，因為導通晶體管的基極處于最大導通狀態。盡管 IC 設計者花費很多時間，試圖設計一個基極驅動電路，它能夠限制電流，消除尖峰，并仍能提供瞬態響應和滿足其它規定，但客戶需要這個小尖峰，作為穩壓器失效的檢測方法。然后他們就可以關掉整個電路。換句話說，客戶把設計者理解為故障的東西看成了一種功能。

線性穩壓器最大的問題就是發熱。由于穩壓器運行時，導通晶體管中要通過大的電流，它會消耗大量功率。大多數線性穩壓器都有一個熱關斷點，可以防止器件被摧毀，但如果關斷發生在工作狀態，則會導致電路失效。

線性穩壓器的另一個設計問題也適用于大多數電源。你必須假定一個產品壽命周期的某個時點上，會出現電解電容器短路現象。如果發生短路，必須確保穩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。即使產品的壁式電源座不可能提供足以引起火災的電流，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品供電(圖 1)。