基于現代設計中電源子系統的創建問題分析

　　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(varistor)。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)。

　　電荷泵

　　另一種DC/DC轉換器是電荷泵，它可以通過切換電容器充電輸入電壓上的一個電容器，實現輸入電壓的反相、翻倍或三倍。然后將該電容器切換到輸入電壓上，形成一個倍壓器。此外，還可以將電容器正極連接到輸入公共端，制造一個電壓反相器。經典的電荷泵是Intersil在上世紀80年代推出的ICL7660.其它這樣的器件有Catalyst Semiconductor的CAT3636，它采用一種新穎的方法，實現了非整數電壓步進，例如1V， 1.33V， 1.5V和2V.這種方法可以在手持系統應用中實現高達92%的效率。這一效率可與普通電感升壓轉換器相比，尤其是很多制造商為電感升壓轉換器規定的效率數字是基于使用體積過大的電感。

　　由于電容器天生就會限制該部件能夠提供的電流量，散熱問題很少出現在電荷泵中。但它們也有一些缺點，包括穩壓效果差。除非使用一個后置線性穩壓器，否則輸出會隨輸入而變化。Maxim用后置穩壓電荷泵解決了這個問題。電荷泵的開關頻率和噪聲遠小于開關轉換器，但噪聲仍可能進入信號鏈。

　　另一類型穩壓器就是開關穩壓器，它采用一種晶體管開關和電感或變壓器來改變直流輸入電壓。圖2a顯示一個降壓開關穩壓器，它一步一步降低電壓的工作原理像一臺水車(圖2b)。該裝置的旋轉速率就類似于流經電感的電流。與電感一樣，水車不能突然停止或啟動。圖中可以揭示

　　出一些事實，即為什么工程師們經常將二極管叫做“繼流”。當閥門關閉時，水車的慣性創造出強大的吸力。水車需要水來維持運轉，止回閥提供這種功能。

　　升壓轉換器也采用與水車相同的方式(圖3)。很多工程師都處理不好磁電路，因為它們的高電抗意味著電流不能像在電阻器中那樣跟隨電壓而變化。對降壓和升壓轉換器的直觀認識有助于理解更復雜的結構，如Cuk、升壓/降壓和SEPIC.轉換器也可以用變壓器來建立隔離輸出(圖4)。回掃轉換器與正向轉換器的區別只是輸出二極管的極性不同，它將變壓器用作一個扼流圈。當開關閉合和初級電流增加時，它們在磁場中存儲能量。當開關打開時，磁場中的能量通過次級泄放。設計者都青睞回掃轉換器，因為它們成本低，并且能夠實現多個輸出，所有輸出都能有相互間的良好跟隨特性。

　　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。”

　　數字管理或控制的電源采用一個普通模擬PWM回路，但與真正的數字控制建立聯系，而不是指多數控制器上普遍都有的數字關斷腳(圖6)。數字管理的功率IC首先在電池充電器IC中找到用途。過去的化學電池(例如鉛酸電池)經常使用一組穩壓IC，為每節電池提供2.3V ~ 2.36V電壓，這要取決于應用能否承受較高的充電電壓。即使這些簡單的充電器也經常增加環境溫度檢測、時間限制器，或電池溫度檢測功能，以調整充電電壓。鎳金屬氫電池及更廣泛使用的鋰離子化學電池需要更多的數字監控。系統設計者可能要根據溫升或電壓上升而終止充電周期。如果電池已報廢，就不應起動全功率的充電。當發生這種情況時，充電器IC必須以“打嗝”方式向電池送入一個小電流，并進行監控，直到電壓升高到足以接受全功率充電。如果電池已經充了幾小時，仍然沒有到達終止點，則IC應結束充電周期。環境溫度故障和很多其它變量也可能有關系。美國國家半導體公司的應用工程師Mary Kao說：“我們不再把電池充電器IC看作一個帶有一些邏輯的PWM電路。我們認為它現在是帶模擬PWM的一個微控制器。”

　　一旦電池充電器IC道路被鋪平，很多其它應用也需要對模擬PWM回路的大量數字控制。例如，Xilinx FPGA需要嚴格的上電順序和控制。有一家供應商Cradle制作了一個多核DSP IC.由于它是一個0.13μm的CMOS器件，使用了DDR SDRAM，因此電源系統的設計就成為挑戰。需求包括I/O的3.3V、內核的1.2V、DDR-SDRAM I/O的2.5V、用于DDR-SDRAM阻抗電壓的1.25V陷流源、DRAM電壓基準，以及用于另一IC的1.8V.Cradle工程師Tapeng Huang和Craig Calder與Intersil的Mike Cheong一起，用單只多通道控制器重新設計了五個獨立的電源輸出。他們使用了兩個DC/DC控制器、兩個專用的DDR輸出，以及兩個獨立的低壓差穩壓器。在一個更熟悉的領域中，大多數PC機用

　　戶都知道處理器和內存的供電電壓是采用數字控制的。手持設備可能有復雜的控制需求，以節省電池能量和延長運行時間。

　　數字電源采用DSP而不是模擬PWM回路，通過算術運算保持回路的穩定(圖7)。這種方案可以提供回路補償的靈活性，但這種靈活性是有代價的。Elandesigns的主管Dave Mathis指出：“如果你準備修改補償，就必須根據變化而檢測一些東西。在采集時間和錯誤條件下，這是自找麻煩。”當然，有經驗的控制系統工程師都知道，性能良好的系統通常有一個優勢的部分。然而，德州儀器、Silicon Labs和Primarion都制造數字電源設備。Primarion發表的文章中表示，未來所有電源都將是數字化的，模擬工程師要抵抗數字電源的實現，就只能保護自己的領地。Primarion并不使用DSP管理控制回路。它使用了一個自由運行的狀態機，其功耗遠低于DSP.控制仍在數字回路中，而不是模擬PWM回路。德州儀器公司數字電源經理Steven Bakota指出：“數字電源不是什么新鮮東西。TI已經銷售了10年數字電源……以庫的形式使用標準DSP.現在的差別是，我們有了自己的Fusion系列定制件，和一個軟件開發環境，可以簡化設計的實現。”

　　一片DSP中的6萬支晶體管為數字電源系統提供控制回路，而模擬方案只需要大約100支晶體管。數字電源迷們還吹噓說靜態功耗只有7 mA.這個數字在一個刀片服務器中也許是可以接受的，因為它使用墻上電源工作，但依靠電池工作或便攜產品就難以承受這么大的功耗。而模擬方案可以工作在1 mA以下。設計者還應評估系統的瞬時功耗。如果在一次供電瞬時后，DSP還要重新初始化，并運行用戶編寫的代碼，那么就可能不適合某些應用。最后還有一個警告，經理們希望把復雜的軟件開發工作放在產品設計周期的結尾，這通常是設計電源子系統的時間。經理們不要因設計的平淡無奇而放松警惕。如果設計簡單，可以使用低成本和靜態電流也較低的模擬PWM部分。要設法確認，一個數字管理的系統并不比全DSP數字控制回路更合適。