主電源設(shè)備中功率調(diào)節(jié)與設(shè)計注意事項

在一個迷人的便攜式設(shè)備（如智能手機和平板電腦）占據(jù)頭條新聞的世界中，很容易忘記大多數(shù)消費電子產(chǎn)品從主電源獲取電力。然而，這些產(chǎn)品使用相同的敏感硅 - 需要穩(wěn)定的低壓電源 - 與其手持設(shè)備一樣。

本文介紹了主電源設(shè)備中功率調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)知識，來自線路變壓器將高電源電壓轉(zhuǎn)換為隔離低電壓，通過交流線路整流方法將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電，然后轉(zhuǎn)換為直流/直流轉(zhuǎn)換器選項，提供電子設(shè)備所需的穩(wěn)定低壓輸出。

本文包括一個樣本計算，用于演示開關(guān)穩(wěn)壓器如何比用于主電源的低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器更有效的解決方案，從而實現(xiàn)更緊湊的設(shè)計，不需要散熱片來消除多余的熱量。

降低電源電壓

盡管全球主電源插座提供的交流電壓為90至264 V，頻率范圍為47至63 Hz，幾乎所有辦公室和家庭設(shè)備不能插直在沒有某種功率轉(zhuǎn)換的情況下進入墻壁插座。

交流輸入通常必須降壓，并在很寬的輸入線波動和輸出負載范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電壓。另一個挑戰(zhàn)是確保來自電源的DC輸出不包括顯著的AC分量，其表現(xiàn)為電壓紋波。大多數(shù)硅電路需要一個穩(wěn)壓電源，其輸出紋波不超過輸出電壓的百分之一。更重要的是，為了使生活更加困難，通常需要電源來提供多種輸出電壓和負載能力。圖1顯示了辦公室或家庭設(shè)備的典型電源的簡單示意圖。

圖1：此電源轉(zhuǎn)換交流電源電壓三種不同輸出負載下的三個直流電壓輸出（美國國家半導(dǎo)體公司提供）。

主電源電壓很高，對人類和電氣設(shè)備都很危險;所以電源的第一個要求是隔離變壓器。這樣可以對交流電源進行整流，并將電壓降低到穩(wěn)壓器可以安全處理的水平。

交流線路整流有三種常見的拓撲結(jié)構(gòu)：全橋，中心抽頭全橋，半橋。全橋是最有效的技術(shù)，但在設(shè)計中需要四個二極管，因此更貴一些。中心抽頭的全橋省去了兩個二極管，但需要更多的匝數(shù)來改變變壓器的次級線圈。每個全橋整流拓撲結(jié)構(gòu)的輸出紋波相似。

半橋設(shè)計成本最低，但在次級繞組上產(chǎn)生直流偏置，因此僅適用于低 - 電流輸出。電壓紋波也大于全橋設(shè)計。圖2顯示了三種不同的AC整流技術(shù)，以及它們從108到132 V電源產(chǎn)生的電壓范圍。

圖2：交流線路整流方法（美國國家半導(dǎo)體公司提供）。

雖然可以使用交流整流器降壓，但是是令人震驚的監(jiān)管機構(gòu)。事實上，即使對于使用理想變壓器的設(shè)備，輸出的調(diào)節(jié)也不會比輸入更好。因此，例如，如果AC線路變化典型值為±10％，那么輸出電壓容差將不會優(yōu)于±10％。

理想變壓器不存在，因此設(shè)計人員必須考慮到變壓器繞組的電阻。該電阻的作用是根據(jù)負載改變輸出電壓。這種影響很復(fù)雜，可以在一個可信賴的舊的，但仍然適用的參考工作中找到明確的分析.1盡管如此，考慮到所有影響，交流整流器的凈負載調(diào)節(jié)可以在10％到40％之間變化。這種波動程度對于現(xiàn)代電子元件來說是不可接受的。

DC/DC轉(zhuǎn)換

交流整流器的輸出雖然與主電源隔離并且電壓遠低于主電源，直接應(yīng)用于硅元件是不安全的。整流器的輸出必須經(jīng)過另一個調(diào)節(jié)階段，以確保穩(wěn)定，相對無紋波的輸出，適合為辦公室或家庭設(shè)備供電。有三種常用的方法可以做到這一點：線性調(diào)節(jié)，開關(guān)調(diào)節(jié)或反激調(diào)節(jié)。

上面圖1所示的例子需要AC整流器的三個輸出，每個輸出都連接到線性穩(wěn)壓器。盡管如此，這種電源設(shè)計最簡單，并且元件數(shù)量最少。

另一種安排是采用三個降壓（“降壓”）開關(guān)穩(wěn)壓器。這種設(shè)計可能更復(fù)雜，但只需要AC整流器的單個輸出。

另一種選擇是使用反激式穩(wěn)壓器。圖3顯示了使用交流線路整流和線性，開關(guān)或反激調(diào)節(jié)的電源示意圖。這是一種高效率的選擇，但它比使用開關(guān)穩(wěn)壓器更復(fù)雜。反激式穩(wěn)壓器適用于特定應(yīng)用，特別是在需要負輸出時，但對于本文中討論的示例而言，它不是一個好的解決方案。因此，進一步的討論將限于線性和開關(guān)穩(wěn)壓器類型。

圖3：調(diào)節(jié)交流整流電壓的替代方案（國家提供）半導(dǎo)體）。

圖4顯示了當連接到圖2所示的交流整流器輸出時，線性穩(wěn)壓器如何用于獲得所需的穩(wěn)壓輸出電壓。（注意，整流變壓器繞組上的大容量電容值可以降低取決于所使用的變壓器。只要電壓不低于線性穩(wěn)壓器的壓差電壓，線性穩(wěn)壓器就可以很好地抑制變壓器輸出端的紋波電壓。

圖4：使用線性穩(wěn)壓器的電源。相對低效率需要使用散熱器（美國國家半導(dǎo)體公司提供）。

線性穩(wěn)壓器的一個主要缺點是它們效率不高，除非輸入和輸出之間的差異很小。功率通過串聯(lián)電阻耗散，產(chǎn)生過多的熱量，需要使用散熱片。

從公式計算線性穩(wěn)壓器的功率損耗很簡單：

PLOSS = VIN x IGND +（VIN -VOUT）x IL

其中VIN是變壓器的平均直流電壓，IGND是滿載時的接地引腳電流（參見元件數(shù)據(jù)手冊），IL是輸出電流。

在此示例中，線性穩(wěn)壓器中的功率損耗計算假定變壓器的132 V AC輸入和輸出的滿負載。這是最壞情況。

對于選擇用于1 A DC 3.3 V輸出的National Semiconductor LM3940 LDO線性穩(wěn)壓器，VIN約為5.5 V DC，計算出的功率損耗為2.8 W （IGND = 110 mA）。

對于選擇0.5 A DC 5.0 V輸出的LP2960 LDO線性穩(wěn)壓器，VIN約為7.3 V DC，計算出的功率損耗為1.3 W（IGND =對于在0.25 A DC下選擇用于12 V輸出的LM2952 LDO穩(wěn)壓器，VIN約為15.9 V DC，計算出的功率損耗為1.3 W（IGND = 21 mA，最大值為21 mA，最大值）。

最大值）。

因此，總輸出功率為8.8 W，總功率損耗為5.4 W.因此，線路變壓器必須至少提供14.2 W.如果使用成本較低的非LDO，則會額外增加3.8。 -W損耗（由于所需的輸入電壓較高，因較低的電源電流而抵消）。這將導(dǎo)致變壓器尺寸增加27％。

如果使用帶有單繞組的簡單變壓器與LDO線性穩(wěn)壓器，額外損耗將為14.9 W，其中12 W將是損耗在3.3V穩(wěn)壓器中，將電壓從14V繞組降低。

相對低效的LDO線性穩(wěn)壓器的替代方案是使用開關(guān)器件。圖5顯示了這樣的布局。

圖5：使用線性穩(wěn)壓器的電源效率更高，可以使用更小，更簡單的電源變壓器。

該解決方案使用三個開關(guān)穩(wěn)壓器，National Semiconductor的LM2825和LM2594型號。在這種情況下，圖4中的三種形式的交流整流已經(jīng)被一個供電電壓在14到40 V之間的變壓器所取代。同樣，輸入電容的尺寸可能會減小，紋波抑制也很好。

該開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案的整體效率約為80％。因此，線路變壓器只需要提供11 W而不是線性穩(wěn)壓器示例中使用的14.2 W.由于降低了功率要求，因此該解決方案中使用的變壓器比線性穩(wěn)壓器解決方案中使用的變壓器小22％。由于只需要一個輸出繞組，因此簡化了變壓器的制造.2。

主電源設(shè)備需要交流整流和DC/DC調(diào)節(jié)，以便為精密電子元件提供穩(wěn)定的低電壓。線性和開關(guān)穩(wěn)壓器都是DC/DC轉(zhuǎn)換的選項。使用線性穩(wěn)壓器的電源更簡單，但使用開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計可提供更高的效率。