都是DC惹的“禍” 細說DC-DC轉換器的抗干擾性

DC-DC轉換器

這里會詳細討論DC-DC轉換器的抗干擾性這一主題，先簡單聊聊DC-DC轉換器，自從電子學誕生以來，就流傳著一句老話…“所有問題都是DC問題。”

當然，DC指“直流”，即電路中穿過導體由A點至B點的單向電流。我們知道，這里所說的“問題”意思很簡單，就是…問題。那么，為什么所有問題都是DC問題呢?

我們知道，電流和電子簡單來說是完整電路系統中，各種導體和器件中的電流產生的能量。因此，歸根結底是一種能量轉換。能量是做功的能力，以兩種形式存在：1)勢能和2)動能。勢能是一種非活動狀態的蓄能 (如電池端子間的電壓)。動能是勢能轉變為活動狀態時產生的能量 (如電流穿過燈泡)。電子學簡單來說是通過控制各種導體中的電流，將勢能 (電壓) 轉變為動能 (電流) 的科學! 歐姆‘DC定律’必須始終滿足能量轉換才能產生作用!因此，電路輸入與輸出之間的每一部分，無論是否具備AC功能，必須出色設計電路的DC結構，才能有效支持無論何種形式的能量轉換。換句話說，如果電路DC設計不良，不可能實現AC性能。

這種情況給設計師造成極大壓力，需要在電源與接地之間“模擬設計”的基礎上，掌握多學科領域高水平專業技術。相對于各種輸入信號，要想在各種電壓條件下以低噪聲轉換直流 (DC)，首先需要選擇正確的DC-DC轉換器。DC-DC轉換器有各種尺寸和類型：轉換器包括線性、開關模式和磁電等不同類型。而且，升壓 (步升) 和降壓 (步降) 功能采用類型各異的能量轉換電路。正確了解這些電路類型，可以避免使用時性能下降。后面，我們可以分析行業領導者推出的器件，如國家半導體公司最近推出的Simple Switcher電源模塊。

“所有問題都是DC問題…”，在考慮DC-DC轉換器時了解這一點，可以為良好的電路設計奠定基礎。

線性調節器

線性調節器是所有DC-DC轉換器最基礎的器件。線性調節器是一種穩壓器，相對于在“非線性”開關模式區域工作的開關調節器(我們將在后面討論這種器件)，線性調節器在“線性區域”工作。線性調節器必須滿足為負載提供額定電源 (低噪聲達到可接受水平)，同時降低輸出阻抗的要求，以使電壓增益不受負載阻抗值的影響。線性調節器起可變電阻的作用，調節分壓網絡，以保持恒定的輸出電壓，同時提供各種負載電流。

圖1

圖1所示為線性調節器原理圖。圖中所示為“串聯”線性調節器電路，因為調節器件 (晶體管Q) 與負載R2串聯。電路調節齊納二極管DZ輸出電壓 (因為晶體管基極電流是齊納管至R1偏置電流的很小一部分)。晶體管發射極輸出電壓低于齊納管電壓一個二極管壓降，并有足夠的電流增益驅動高輸出值Iout (經R2)。盡管電路具有良好的輸出電壓調節能力 (只要Q在線性區域工作)，但仍會感應負載、電源變量(Vs)、噪聲和電源紋波。其中有些問題可以采用負反饋電路感應電路輸出來解決，其他時候，這個電路往往用作電壓基準，支持更加先進的線性調節器設計。設計或選擇線性調節器時，還必須慎重考慮電噪聲、電源Vs至Vout產生的紋波，以及調節器輸出中可能耦合的共模電壓。

例如，選擇線性調節器時，必須認真確定電路功率要求和穩壓器輸出特性。以國家半導體公司LM340/LM78XX系列三端正壓調節器為例，這類線性調節器是業界具有基礎設計要素的標準器件。一般情況下，部分器件規定了固定輸入電壓條件下的固定輸出電壓 (一般Vs-Vout>2V)，以及最大固定輸出負載電流Iout。負載調節在給定輸出電流范圍內 (?Iout) 定義輸出電壓 (?Vout) 的變化。由于輸出電壓接近Vs輸入電壓，串聯輸出電壓調節晶體管 (Q1) 近飽和狀態和電壓/電流增益衰降，會導致負載調節特性惡化。這種情況也適用于線路調節。線路調節是在給定輸入電壓 (?Vs) 范圍內改變輸出電壓 (?Vout)。同樣，?Vo線路調節一般以mV級定義低電平?Vs，隨著輸入電壓的變化，mV級可以放大十倍(與輸出電壓相比)，達到輸出電壓調節晶體管接近擊穿點時，其增益會隨之下降。線路調節還可以實現紋波抑制 (?Vin/?Vout比)，且應大于60 dB，以避免AC波紋通過輸入電源線路接入線性調節器DC輸入電壓。紋波抑制對于需要保證精確增益和dc精度的模擬系統至關重要。對進入線性調節器的電源紋波，還可以通過增加必要的電源去耦電容，進一步濾除線性調節器輸入和輸出中不希望出現的紋波來加以改善 (后面我們將深入討論電源去耦問題)。

去耦示意圖 (Vout通過與兩個電容串聯的L接地)

圖2

正確去耦以降低噪聲的一些重要設計理念如圖2所示。將一個大容量電解電容C1 (一般為10 μF – 100 μF) 放在線性調節器輸出端附近 (2英寸以內)。這個電容用作電荷庫，可即刻為負載提供電流，而不必通過調節器/電感提供電