電源系統(tǒng)分析之電源電路原理

一、電源電路原理

1.1 基本原理

DC/DC轉(zhuǎn)換電路主要分為以下三大類：①穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。②線性 (模擬)穩(wěn)壓電路。③開關(guān)型穩(wěn)壓電路

1.1.1 DCDC原理(降壓型)

1)DC/DC電源屬于斬波類型，即按照一定的調(diào)制方式，不斷地導(dǎo)通和關(guān)斷高速開關(guān)，通過控制開關(guān)通斷的占空比，可以實(shí)現(xiàn)直流電源電平的轉(zhuǎn)換。DC/DC電源的調(diào)制方式有三種：PWM方式、PFM方式、PWM 與PFM的混合方式。

2)降壓電路是BUCK電路，開關(guān)S閉合的時(shí)候，VD二極管承受負(fù)壓關(guān)斷，電感充電，電流正向流動(dòng)，電流值呈現(xiàn)指數(shù)上升趨勢(shì)。開關(guān)S斷開的時(shí)候，VD二極管起續(xù)流作用，電感開始放電，電流逐漸下降，通過負(fù)載和二極管回到電感另外一端，短暫供電。這樣電壓就能降低。實(shí)際使用的時(shí)候，S開關(guān)是通過MOSFE或者IGBT實(shí)現(xiàn)的，輸出電壓等于輸入電壓乘以PWM波的占空比。

3) DCM與CCM區(qū)別：

反激變換器有兩個(gè)工作階段，即tON和tOFF，這兩個(gè)階段分別根據(jù)MOSFET的開關(guān)狀態(tài)來命名并控制。

在tON,期間，MOSFET導(dǎo)通，電流從輸入端流過原邊電感器，對(duì)耦合電感器進(jìn)行線性充電，并在其周圍 產(chǎn)生磁場(chǎng)(見圖2a)。在副邊，整流二極管反向偏置，從而使變壓器與輸出端斷開連接(見圖2b)。

在tOFF,期間，MOSFET斷開，耦合電感器開始通過二極管消磁(二極管現(xiàn)在已直接極化)。然后，電感 電流會(huì)為輸出電容器充電并為負(fù)載供電。反激變換器有兩種工作模式，采用何種方式取決于每個(gè)周期中電 感電流的最小值。如果在電感完全放電之前MOSFET從tOFF切換到tON，則電感中的電流永遠(yuǎn)不會(huì)為零， 這種操作方式稱為連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)。如果tOFF持續(xù)足夠長的時(shí)間使原邊電感器能夠完全放電，則 電感電流將在一段時(shí)間內(nèi)為零，此時(shí)二極管和MOSFET都處于截止?fàn)顟B(tài)，我們稱為斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)。

反激變換器的這兩種工作模式看起來非常相似，但實(shí)際上各有優(yōu)缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中全面考慮這 些優(yōu)缺點(diǎn)非常重要，因?yàn)槠渌x的工作模式會(huì)對(duì)電源變換器的效率、變壓器、調(diào)整率、EMI和成本都產(chǎn)生 重大影響。圖3和圖4顯示了CCM和DCM之間的區(qū)別。

EMI：一方面由于DCM模式會(huì)對(duì)電感器完全充電和放電，因此邏輯上其原邊電流紋波要比CCM模式下大 很多。電流紋波將產(chǎn)生一個(gè)可變信號(hào)，由于原邊電流回路中不同組件類似天線的行為，該信號(hào)隨后被傳播， 并產(chǎn)生顯著的電磁干擾(EMI); 另一方面，DCM反激變換器還實(shí)現(xiàn)了零電流開關(guān)(ZCS)，這減少了整 流二極管的反向恢復(fù)，從而提高了能源效率。但這種軟開關(guān)會(huì)影響效率并對(duì)EMI產(chǎn)生重大影響，因?yàn)樗?須使用快速恢復(fù)二極管來減少能量損耗，但這會(huì)在副邊產(chǎn)生非常尖銳的電壓尖峰，引起振鈴，并可能導(dǎo)致 高頻差模噪聲。為解決這個(gè)問題，必須采用緩沖電路來減少這些尖峰并確保符合電磁兼容性(EMC)標(biāo)準(zhǔn) 和法規(guī)。

下圖為DCM和CCM對(duì)比:

1.1.2 LDO原理

1)LDO即low dropout regulator，是一種低壓差線性穩(wěn)壓器。LDO低壓差線性穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)主要包括啟動(dòng)電 路、恒流源偏置單元、使能電路、調(diào)整元件、基準(zhǔn)源、誤差放大器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)和保護(hù)電路等。

2)基本工作原理是：系統(tǒng)加電，如果使能腳處于高電平時(shí)，電路開始啟動(dòng)，恒流源電路給整個(gè)電路提供偏置， 基準(zhǔn)源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升，當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時(shí)，由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電 壓也接近于基準(zhǔn)電壓值，此時(shí)誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)調(diào) 整管放大到輸出，從而形成負(fù)反饋，保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上，同理如果輸入電壓變化或輸出電流 變化，這個(gè)閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變。

二、關(guān)鍵參數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

2.1 明確輸入輸出電壓選擇

1)降壓，則可以選擇線性穩(wěn)壓器(LDO電源)、電容式DC-DC(電荷泵)或降壓DC-DC(電感式);

2)升壓，則只能選擇電容式DC/DC。

3)查看輸出電壓負(fù)載調(diào)整率、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

4)輸出電壓精度要求。

5)過流、超壓、短路、溫度保護(hù)功能。

2.2 效率選擇

1)若壓差很小(遠(yuǎn)小于1V)，則可以考慮選擇LDO;

2)若壓差在1V以上，則可以考慮LDO或者降壓DC/DC;

3)如果對(duì)效率沒有要求，兩種電源均可選擇(LDO成本更低)。

4)為保證供電系統(tǒng)電源負(fù)荷變化較大應(yīng)用的效率，DCDC最好選擇DCM/CCM自動(dòng)切換控制式DC/DC電源; CCM的特點(diǎn)：噪聲低、滿負(fù)載時(shí)效率高且能工作在連續(xù)導(dǎo)電模式;DCM的特點(diǎn)：具有靜態(tài)功耗小，在低 負(fù)荷時(shí)可改進(jìn)穩(wěn)壓器的效率。當(dāng)系統(tǒng)在重負(fù)荷時(shí)有CCM控制，在低負(fù)荷時(shí)自動(dòng)切換到DCM控制。采用 DCM/CCM的DC/DC電源能夠獲得較高效率。

2.3 電源芯片余量保證

1)如果使用能輸出大電流的穩(wěn)壓器來帶動(dòng)小電流的負(fù)載，會(huì)帶來成本的提高和使DC/DC電源效率的降低。

2)較合適的工作電流為電源芯片最大輸出電流的70%~90%。

3)當(dāng)在使用LDO時(shí)，輸出電流要盡量留出較多的余量，因?yàn)長DO的壓降都消耗在穩(wěn)壓芯片上，過大的負(fù) 載電流會(huì)造成較為嚴(yán)重的發(fā)熱。

2.4 靜態(tài)電流

1)靜態(tài)電流是與負(fù)載電流大小幾乎無關(guān)的消耗，越小越好;

2)效率是能夠轉(zhuǎn)為有效利用能量多少的量度同樣容量大小的電池，電源的效率越高，靜態(tài)電流越小，電源使用壽命越長。

2.5 合理選擇LDO/DCDC芯片

1)若優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)換效率，則可以選擇DC/DC電源;

2)若考慮成本因素，并且要求較小的紋波和噪聲，則可以選擇LDO電源。

3)輸出電流大時(shí)，應(yīng)采用降壓式DC/DC(電感式)。

4)需要負(fù)電源時(shí)，盡量采用DC/DC轉(zhuǎn)換器，若要求噪聲小或輸出穩(wěn)定的負(fù)電源，可采用帶LDO的DC/DC 電源芯片。

5)在使用電池供電時(shí)，若要求較長的電池使用時(shí)間，需要優(yōu)先考慮效率，無論是升壓、降壓、升/降壓都可 以選用DC-DC轉(zhuǎn)換器。為獲得較高的效率，此時(shí)需要參照DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片手冊(cè)里邊的效率隨負(fù)載電流變化曲線，要根據(jù)負(fù)載電流選擇合適的DC-DC轉(zhuǎn)換器，確保穩(wěn)壓器達(dá)到較高的效率。

2.6 芯片區(qū)別選擇

1)國家以及廠商制造水平選擇。

2)成本決定質(zhì)量，考慮產(chǎn)品的價(jià)格選擇合適的芯片定位價(jià)格(主要是制造商、工藝問題)

2.7 數(shù)值選擇

1)電感：電感的選擇要滿足直到輸出最小規(guī)定電流時(shí)，電感電流也保持連續(xù)。在電感選取過程中需要綜合考慮輸出電流、紋波、體積等多個(gè)因素。較大的電感將導(dǎo)致較小的紋波電流，從而導(dǎo)致較低的紋波電壓，但是電感越大，將具有更大的物理占用面積，更高的串聯(lián)電阻和更低的飽和電流。一般在芯片的datasheet 中會(huì)有相應(yīng)的計(jì)算公式。

2)電容： 輸出電容的選擇主要是根據(jù)設(shè)計(jì)中所需要的輸出紋波的要求來進(jìn)行選取。電容產(chǎn)生的紋波:相對(duì)很小，可以忽略不計(jì);電容等效電感產(chǎn)生的紋波:在300KHz~500KHz以下，可以忽略不計(jì);電容等效電阻產(chǎn) 生的紋波：與ESR和流過電容電流成正比，該電流紋波主要是和開關(guān)管的開關(guān)頻率有關(guān)，基本為開關(guān)頻率的N次諧波，為了減少紋波，讓ESR盡量小。

審核編輯：湯梓紅