現(xiàn)代設(shè)計(jì)中電源子系統(tǒng)的創(chuàng)建

從線(xiàn)性電源到數(shù)字電源，我們有很大的設(shè)計(jì)選擇范圍。本文簡(jiǎn)要介紹設(shè)計(jì)者面對(duì)的一些替代方案，以及會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題。
　　要點(diǎn)
　　電源子系統(tǒng)可以采用線(xiàn)性、開(kāi)關(guān)、電荷泵、AC/DC、數(shù)字管理，或數(shù)字控制等方式。
　　線(xiàn)性電源有發(fā)熱問(wèn)題。
　　電荷泵會(huì)產(chǎn)生噪聲注入。
　　開(kāi)關(guān)電源必須處理好穩(wěn)定性、噪聲和發(fā)熱問(wèn)題。
　　數(shù)字管理和數(shù)字控制電源通常需要在產(chǎn)品推出前做好軟件工作。
　　在現(xiàn)代產(chǎn)品中，功率電子可以是最簡(jiǎn)單的，也可以是最復(fù)雜的子系統(tǒng)。這并不令人驚訝，因?yàn)閼?yīng)用也有簡(jiǎn)有繁。最簡(jiǎn)單時(shí)，一個(gè)電源可以是一個(gè)大的齊納二極管，如用在潛艇的有線(xiàn)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(jiǎn)單，因而也是最可靠的方案。齊納管要耗散出相當(dāng)多的熱量，但海流會(huì)很容易把熱量帶走。復(fù)雜程度略高一點(diǎn)的是線(xiàn)性穩(wěn)壓器，這是常見(jiàn)的有用部件。LM317是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司網(wǎng)站數(shù)據(jù)表下載次數(shù)最多的器件。線(xiàn)性穩(wěn)壓器的運(yùn)行就像一個(gè)閥門(mén)，它擋住電路中的電流，以保證電壓的穩(wěn)定不變?！?a target='_blank' class='arckwlink_none'>晶體管”這個(gè)詞的英文Transistor來(lái)自?xún)蓚€(gè)詞的組合：互導(dǎo)（transconductance）和變阻器（varistor）。線(xiàn)性穩(wěn)壓器中的晶體管通過(guò)夾斷電流來(lái)控制電壓，因此，它產(chǎn)生互導(dǎo)。在其運(yùn)行中，它作為一個(gè)可變電阻，或變阻器。傳統(tǒng)的線(xiàn)性穩(wěn)壓器都采用NPN導(dǎo)通元件，低壓差穩(wěn)壓器則使用PNP晶體管。
　　比較復(fù)雜的穩(wěn)壓器是電荷泵。它用多支晶體管作開(kāi)關(guān)，而不是用作線(xiàn)性器件。這些開(kāi)關(guān)將電荷傳送給一個(gè)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(dāng)轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，復(fù)雜性出現(xiàn)了一次巨大的飛躍。這類(lèi)電路中有高頻磁鐵、一個(gè)控制回路，并至少有一支起開(kāi)關(guān)作用的晶體管。你可以從Vicor或Tyco購(gòu)買(mǎi)磚型的整體穩(wěn)壓器，或也可以自己動(dòng)手，用零件自己做穩(wěn)壓器。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器有各種類(lèi)型：降壓、升壓、反相、隔離、SEPIC（單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器）和Cuk（發(fā)音為“chook”）。
　　
　　所有這些電源電路都可以把一個(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換為其它直流電壓。很多設(shè)計(jì)使用變壓器來(lái)改變交流電壓，或先用電路將交流轉(zhuǎn)換為直流，再用后面的DC/DC轉(zhuǎn)換。最講究的AC/DC轉(zhuǎn)換電路之一是PFC（功率因子校正）電路，它采用一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確保轉(zhuǎn)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(huì)出現(xiàn)尖峰。
　　電源領(lǐng)域中的一個(gè)新詞匯是“數(shù)字電源”。它可以意味很多東西，從簡(jiǎn)單地使用數(shù)字輸入以關(guān)斷穩(wěn)壓器，到能與芯片作數(shù)字通信，用于監(jiān)控模擬PWM過(guò)程，以及用DSP閉合回路，并用PWM信號(hào)直接控制導(dǎo)通元件。
　　從基礎(chǔ)開(kāi)始說(shuō)，線(xiàn)性穩(wěn)壓器采用一支晶體管來(lái)降低直流電壓。普通線(xiàn)性穩(wěn)壓器（例如LM317）用NPN晶體管作限制。由于NPN晶體管的基射結(jié)有0.6V壓降，所以這些穩(wěn)壓器需要相當(dāng)大的輸入輸出壓差。工程師們經(jīng)常犯一種錯(cuò)誤，即當(dāng)器件工作在低于推薦的壓降條件時(shí)，他們?nèi)约俣ㄝ敵鲭妷菏欠€(wěn)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(guī)定。線(xiàn)性穩(wěn)壓器的大壓差要求一直維持到上世紀(jì)80年代初，當(dāng)時(shí)美國(guó)汽車(chē)制造商向半導(dǎo)體業(yè)提出需要一種低壓差的線(xiàn)性穩(wěn)壓器。為設(shè)計(jì)低壓差的穩(wěn)壓器（例如LM2936），采用了PNP導(dǎo)通晶體管。使用這種方法后，即使在轉(zhuǎn)動(dòng)手柄啟動(dòng)汽車(chē)時(shí)電池電壓低至8V，穩(wěn)壓電路也能保持穩(wěn)壓狀態(tài)。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司產(chǎn)品定義經(jīng)理Al Kelsch認(rèn)為，當(dāng)下降電壓接近零時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“^”，或輸入電壓的小尖峰，因?yàn)閷?dǎo)通晶體管的基極處于最大導(dǎo)通狀態(tài)。盡管IC設(shè)計(jì)者花費(fèi)很多時(shí)間，試圖設(shè)計(jì)一個(gè)基極驅(qū)動(dòng)電路，它能夠限制電流，消除尖峰，并仍能提供瞬態(tài)響應(yīng)和滿(mǎn)足其它規(guī)定，但客戶(hù)需要這個(gè)小尖峰，作為穩(wěn)壓器失效的檢測(cè)方法。然后他們就可以關(guān)掉整個(gè)電路。換句話(huà)說(shuō)，客戶(hù)把設(shè)計(jì)者理解為故障的東西看成了一種功能。
　　線(xiàn)性穩(wěn)壓器最大的問(wèn)題就是發(fā)熱。由于穩(wěn)壓器運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)通晶體管中要通過(guò)大的電流，它會(huì)消耗大量功率。大多數(shù)線(xiàn)性穩(wěn)壓器都有一個(gè)熱關(guān)斷點(diǎn)，可以防止器件被摧毀，但如果關(guān)斷發(fā)生在工作狀態(tài)，則會(huì)導(dǎo)致電路失效。
　　線(xiàn)性穩(wěn)壓器的另一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題也適用于大多數(shù)電源。你必須假定一個(gè)產(chǎn)品壽命周期的某個(gè)時(shí)點(diǎn)上，會(huì)出現(xiàn)電解電容器短路現(xiàn)象。如果發(fā)生短路，必須確保穩(wěn)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(gè)保險(xiǎn)絲或易熔印制電路走線(xiàn)。即使產(chǎn)品的壁式電源座不可能提供足以引起火災(zāi)的電流，但一個(gè)勤奮的工程師也必須為這種情況做好準(zhǔn)備，以防用戶(hù)用較大功率或不正確的壁式電源座為產(chǎn)品供電（圖1）。
　　電荷泵
　　另一種DC/DC轉(zhuǎn)換器是電荷泵，它可以通過(guò)切換電容器充電輸入電壓上的一個(gè)電容器，實(shí)現(xiàn)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(gè)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(gè)電壓反相器。經(jīng)典的電荷泵是Intersil在上世紀(jì)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(shí)現(xiàn)了非整數(shù)電壓步進(jìn)，例如1V， 1.33V， 1.5V和2V.這種方法可以在手持系統(tǒng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高達(dá)92%的效率。這一效率可與普通電感升壓轉(zhuǎn)換器相比，尤其是很多制造商為電感升壓轉(zhuǎn)換器規(guī)定的效率數(shù)字是基于使用體積過(guò)大的電感。
　　由于電容器天生就會(huì)限制該部件能夠提供的電流量，散熱問(wèn)題很少出現(xiàn)在電荷泵中。但它們也有一些缺點(diǎn)，包括穩(wěn)壓效果差。除非使用一個(gè)后置線(xiàn)性穩(wěn)壓器，否則輸出會(huì)隨輸入而變化。Maxim用后置穩(wěn)壓電荷泵解決了這個(gè)問(wèn)題。電荷泵的開(kāi)關(guān)頻率和噪聲遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，但噪聲仍可能進(jìn)入信號(hào)鏈。
　　另一類(lèi)型穩(wěn)壓器就是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，它采用一種晶體管開(kāi)關(guān)和電感或變壓器來(lái)改變直流輸入電壓。圖2a顯示一個(gè)降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，它一步一步降低電壓的工作原理像一臺(tái)水車(chē)（圖2b）。該裝置的旋轉(zhuǎn)速率就類(lèi)似于流經(jīng)電感的電流。與電感一樣，水車(chē)不能突然停止或啟動(dòng)。圖中可以揭示