基于现代设计中电源子系统的创建问题分析

　　从线性电源到数字电源，我们有很大的设计选择范围。本文简要介绍设计者面对的一些替代方案，以及会出现的问题。

　　要点

　　电源子系统可以采用线性、开关、电荷泵、AC/DC、数字管理，或数字控制等方式。

　　线性电源有发热问题。

　　电荷泵会产生噪声注入。

　　开关电源必须处理好稳定性、噪声和发热问题。

　　数字管理和数字控制电源通常需要在产品推出前做好软件工作。

　　在现代产品中，功率电子可以是最简单的，也可以是最复杂的子系统。这并不令人惊讶，因为应用也有简有繁。最简单时，一个电源可以是一个大的齐纳二极管，如用在潜艇的有线增音器分离舱中。这些分离舱需要极端的可靠性，电阻器加二极管的方案是最简单，因而也是最可靠的方案。齐纳管要耗散出相当多的热量，但海流会很容易把热量带走。复杂程度略高一点的是线性稳压器，这是常见的有用部件。LM317是美国国家半导体公司网站数据表下载次数最多的器件。线性稳压器的运行就像一个阀门，它挡住电路中的电流，以保证电压的稳定不变。“晶体管”这个词的英文Transistor来自两个词的组合：互导(transconductance)和变阻器(varistor)。线性稳压器中的晶体管通过夹断电流来控制电压，因此，它产生互导。在其运行中，它作为一个可变电阻，或变阻器。传统的线性稳压器都采用NPN导通元件，低压差稳压器则使用PNP晶体管。

　　比较复杂的稳压器是电荷泵。它用多支晶体管作开关，而不是用作线性器件。这些开关将电荷传送给一个电容器，然后改变连接，由电容器将施加的初始电压翻倍或反相。

　　当转向开关稳压器时，复杂性出现了一次巨大的飞跃。这类电路中有高频磁铁、一个控制回路，并至少有一支起开关作用的晶体管。你可以从Vicor或Tyco购买砖型的整体稳压器，或也可以自己动手，用零件自己做稳压器。开关稳压器有各种类型：降压、升压、反相、隔离、SEPIC(单端初级电感转换器)和Cuk(发音为“chook”)。

　　所有这些电源电路都可以把一个直流电压转换为其它直流电压。很多设计使用变压器来改变交流电压，或先用电路将交流转换为直流，再用后面的DC/DC转换。最讲究的AC/DC转换电路之一是PFC(功率因子校正)电路，它采用一个升压转换器拓扑结构，确保转换器的输入电流与输入电压成比例，而普通AC/DC电路中输入电流会出现尖峰。

　　电源领域中的一个新词汇是“数字电源”。它可以意味很多东西，从简单地使用数字输入以关断稳压器，到能与芯片作数字通信，用于监控模拟PWM过程，以及用DSP闭合回路，并用PWM信号直接控制导通元件。

　　从基础开始说，线性稳压器采用一支晶体管来降低直流电压。普通线性稳压器(例如LM317)用NPN晶体管作限制。由于NPN晶体管的基射结有0.6V压降，所以这些稳压器需要相当大的输入输出压差。工程师们经常犯一种错误，即当器件工作在低于推荐的压降条件时，他们仍假定输出电压是稳压的。器件也许能提供正确的电压，但不符合各种交流和热规定。线性稳压器的大压差要求一直维持到上世纪80年代初，当时美国汽车制造商向半导体业提出需要一种低压差的线性稳压器。为设计低压差的稳压器(例如LM2936)，采用了PNP导通晶体管。使用这种方法后，即使在转动手柄启动汽车时电池电压低至8V，稳压电路也能保持稳压状态。美国国家半导体公司产品定义经理Al Kelsch认为，当下降电压接近零时，会产生一个“^”，或输入电压的小尖峰，因为导通晶体管的基极处于最大导通状态。尽管IC设计者花费很多时间，试图设计一个基极驱动电路，它能够限制电流，消除尖峰，并仍能提供瞬态响应和满足其它规定，但客户需要这个小尖峰，作为稳压器失效的检测方法。然后他们就可以关掉整个电路。换句话说，客户把设计者理解为故障的东西看成了一种功能。

　　线性稳压器最大的问题就是发热。由于稳压器运行时，导通晶体管中要通过大的电流，它会消耗大量功率。大多数线性稳压器都有一个热关断点，可以防止器件被摧毁，但如果关断发生在工作状态，则会导致电路失效。

　　线性稳压器的另一个设计问题也适用于大多数电源。你必须假定一个产品寿命周期的某个时点上，会出现电解电容器短路现象。如果发生短路，必须确保稳压器和电路板不致烧毁或造成其它损坏。还必须在输入电解电容器和任何钽电容器处提供一个保险丝或易熔印制电路走线。即使产品的壁式电源座不可能提供足以引起火灾的电流，但一个勤奋的工程师也必须为这种情况做好准备，以防用户用较大功率或不正确的壁式电源座为产品供电(图1)。

　　电荷泵

　　另一种DC/DC转换器是电荷泵，它可以通过切换电容器充电输入电压上的一个电容器，实现输入电压的反相、翻倍或三倍。然后将该电容器切换到输入电压上，形成一个倍压器。此外，还可以将电容器正极连接到输入公共端，制造一个电压反相器。经典的电荷泵是Intersil在上世纪80年代推出的ICL7660.其它这样的器件有Catalyst Semiconductor的CAT3636，它采用一种新颖的方法，实现了非整数电压步进，例如1V， 1.33V， 1.5V和2V.这种方法可以在手持系统应用中实现高达92%的效率。这一效率可与普通电感升压转换器相比，尤其是很多制造商为电感升压转换器规定的效率数字是基于使用体积过大的电感。

　　由于电容器天生就会限制该部件能够提供的电流量，散热问题很少出现在电荷泵中。但它们也有一些缺点，包括稳压效果差。除非使用一个后置线性稳压器，否则输出会随输入而变化。Maxim用后置稳压电荷泵解决了这个问题。电荷泵的开关频率和噪声远小于开关转换器，但噪声仍可能进入信号链。

　　另一类型稳压器就是开关稳压器，它采用一种晶体管开关和电感或变压器来改变直流输入电压。图2a显示一个降压开关稳压器，它一步一步降低电压的工作原理像一台水车(图2b)。该装置的旋转速率就类似于流经电感的电流。与电感一样，水车不能突然停止或启动。图中可以揭示

　　出一些事实，即为什么工程师们经常将二极管叫做“继流”。当阀门关闭时，水车的惯性创造出强大的吸力。水车需要水来维持运转，止回阀提供这种功能。

　　升压转换器也采用与水车相同的方式(图3)。很多工程师都处理不好磁电路，因为它们的高电抗意味着电流不能像在电阻器中那样跟随电压而变化。对降压和升压转换器的直观认识有助于理解更复杂的结构，如Cuk、升压/降压和SEPIC.转换器也可以用变压器来建立隔离输出(图4)。回扫转换器与正向转换器的区别只是输出二极管的极性不同，它将变压器用作一个扼流圈。当开关闭合和初级电流增加时，它们在磁场中存储能量。当开关打开时，磁场中的能量通过次级泄放。设计者都青睐回扫转换器，因为它们成本低，并且能够实现多个输出，所有输出都能有相互间的良好跟随特性。

　　多数工程师在设计耐用的开关转换器时都会遇到困难。第一个问题是稳定性。复杂控制回路的稳定是一个令人怯步的工作，因为很多转换器都需要输出电压中的一个纹波才能正常工作。其它问题还有次谐波振荡，必须将一个跃升信号注入基准。当大容值陶瓷电容器价格降至合理范围时，很多工程师会用它们代替输出电解电容器。陶瓷电容器有很低的ESR(等效串联电阻)，基本上没有引起振荡的纹波电压。纹波电压本身可能违背设计要求，例如在为模拟电路供电时。这个问题需要作后置稳压，或者使用附加的电感阻尼方法。

　　噪声是另一个常见问题，它会散发到输入或输出电源线上，或以电磁辐射方式发射到周围空间。设计者可能没有注意到这个问题，而直到量产前送FCC和CE做测试时才发现，这是最糟的情况。设计者可以采用多种技术，将这个噪声与外界和系统其它部分屏蔽开来。不过最好的方法是在第一地点就不产生噪声，其次才是尝试在几十、几百个终端用户设备中作屏蔽。

　　与线性稳压器一样，发热也是开关转换器的问题。多数降压稳压器都会在继流二极管上产生更多热量，而不是在FET上。美国国家半导体公司的WEBENCH在线设计工具给出的热量图显示，二极管D1是电路板上最热的元件，它正在加热邻近的IC(图5)。为了减少继流二极管产生的热量，同步降压稳压器采用第二支异相FET代替了二极管。

　　上述大部分问题都可以溯源到不恰当的印制电路板布局。现在有几篇文章在讨论一个优良的开关稳压器布局时易犯的错误。工程师应利用公司内制造稳压IC的应用工程人员的优势。如果应用工程师先审查你的设计和布局，然后再送去制造，就可以避免相当多的挫折和混乱。

　　脱机稳压器

　　到此为止，本文讨论的都是DC/DC转换器。另一类转换器是从交流电获得直流电。交流电一般取自民用交流电源线;因此转换器是脱机供电。其它设计采用隔离拓扑结构，从原直流电源用经典整流电路给出一个或多个直流电源。Allegro、On、STMicro、Power Integrations和德州仪器公司Unitrode部门制造这类型的器件。脱机电源也有一些问题，包括浪涌电流和谐波电流。浪涌电流是在关闭输入开关的瞬间，为输入电容器充电的大量电流。这个电流可以威胁到整流二极管，造成电容器过早失效。解决这个问题的方法包括在输入端串接NTC(负温度系列)器件。这些器件在低温时有大电阻。当输入电流进入电容器时，器件被加热，电阻下降。它的缺点是工作温度可以达到190°C，并且对环境温度很敏感。

　　脱机电源的第二个问题是输入电容器会产生大的电流尖峰。这些尖峰在每个线路周期完成。用PFC可以降低这些尖峰，欧洲销售的电源产品都必须带PFC.记得要给电解电容器加保险丝。如果在量产前未能通过UL着火温度测试，那么其后果与未通过FCC和CE EMI/RFI(电磁干扰/射频干扰)测试一样是灾难性的。

　　使用开关IC的脱机稳压器的另一个通常问题是起动电路的静态电流。必须在任何振荡和稳压开始前为芯片提供5V ~ 10V的电压。因此，往往要用一个大功率电阻器将这个电压送至芯片。如果将电阻器跨接在170V或更高直流总线与5V或10V IC电源线路之间，则会产生相当大的功耗。此时，设计者可以用500V Supertex耗尽型FET，但这种方法可能不适合低成本电源。有些供应商(例如Power Integrations)开发了一些替代结构来解决这个问题。该公司营销副总裁Doug Bailey说：“采用集成功率晶体管的解决方案可以使用高压MOSFET作为分压器，从控制部分获得能量，而在低电压时只有少量电流分流。Power Integrations已将这种方案用于所有开关IC中，工作得都很好。”

　　数字管理或控制的电源采用一个普通模拟PWM回路，但与真正的数字控制建立联系，而不是指多数控制器上普遍都有的数字关断脚(图6)。数字管理的功率IC首先在电池充电器IC中找到用途。过去的化学电池(例如铅酸电池)经常使用一组稳压IC，为每节电池提供2.3V ~ 2.36V电压，这要取决于应用能否承受较高的充电电压。即使这些简单的充电器也经常增加环境温度检测、时间限制器，或电池温度检测功能，以调整充电电压。镍金属氢电池及更广泛使用的锂离子化学电池需要更多的数字监控。系统设计者可能要根据温升或电压上升而终止充电周期。如果电池已报废，就不应起动全功率的充电。当发生这种情况时，充电器IC必须以“打嗝”方式向电池送入一个小电流，并进行监控，直到电压升高到足以接受全功率充电。如果电池已经充了几小时，仍然没有到达终止点，则IC应结束充电周期。环境温度故障和很多其它变量也可能有关系。美国国家半导体公司的应用工程师Mary Kao说：“我们不再把电池充电器IC看作一个带有一些逻辑的PWM电路。我们认为它现在是带模拟PWM的一个微控制器。”

　　一旦电池充电器IC道路被铺平，很多其它应用也需要对模拟PWM回路的大量数字控制。例如，Xilinx FPGA需要严格的上电顺序和控制。有一家供应商Cradle制作了一个多核DSP IC.由于它是一个0.13μm的CMOS器件，使用了DDR SDRAM，因此电源系统的设计就成为挑战。需求包括I/O的3.3V、内核的1.2V、DDR-SDRAM I/O的2.5V、用于DDR-SDRAM阻抗电压的1.25V陷流源、DRAM电压基准，以及用于另一IC的1.8V.Cradle工程师Tapeng Huang和Craig Calder与Intersil的Mike Cheong一起，用单只多通道控制器重新设计了五个独立的电源输出。他们使用了两个DC/DC控制器、两个专用的DDR输出，以及两个独立的低压差稳压器。在一个更熟悉的领域中，大多数PC机用

　　户都知道处理器和内存的供电电压是采用数字控制的。手持设备可能有复杂的控制需求，以节省电池能量和延长运行时间。

　　数字电源采用DSP而不是模拟PWM回路，通过算术运算保持回路的稳定(图7)。这种方案可以提供回路补偿的灵活性，但这种灵活性是有代价的。Elandesigns的主管Dave Mathis指出：“如果你准备修改补偿，就必须根据变化而检测一些东西。在采集时间和错误条件下，这是自找麻烦。”当然，有经验的控制系统工程师都知道，性能良好的系统通常有一个优势的部分。然而，德州仪器、Silicon Labs和Primarion都制造数字电源设备。Primarion发表的文章中表示，未来所有电源都将是数字化的，模拟工程师要抵抗数字电源的实现，就只能保护自己的领地。Primarion并不使用DSP管理控制回路。它使用了一个自由运行的状态机，其功耗远低于DSP.控制仍在数字回路中，而不是模拟PWM回路。德州仪器公司数字电源经理Steven Bakota指出：“数字电源不是什么新鲜东西。TI已经销售了10年数字电源……以库的形式使用标准DSP.现在的差别是，我们有了自己的Fusion系列定制件，和一个软件开发环境，可以简化设计的实现。”

　　一片DSP中的6万支晶体管为数字电源系统提供控制回路，而模拟方案只需要大约100支晶体管。数字电源迷们还吹嘘说静态功耗只有7 mA.这个数字在一个刀片服务器中也许是可以接受的，因为它使用墙上电源工作，但依靠电池工作或便携产品就难以承受这么大的功耗。而模拟方案可以工作在1 mA以下。设计者还应评估系统的瞬时功耗。如果在一次供电瞬时后，DSP还要重新初始化，并运行用户编写的代码，那么就可能不适合某些应用。最后还有一个警告，经理们希望把复杂的软件开发工作放在产品设计周期的结尾，这通常是设计电源子系统的时间。经理们不要因设计的平淡无奇而放松警惕。如果设计简单，可以使用低成本和静态电流也较低的模拟PWM部分。要设法确认，一个数字管理的系统并不比全DSP数字控制回路更合适。