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現(xiàn)代設計中電源子系統(tǒng)的創(chuàng)建解析

2017-12-10 | rar | 0.4 MB | 次下載 | 1積分

資料介紹

從線性電源到數(shù)字電源,我們有很大的設計選擇范圍。本文簡要介紹設計者面對的一些替代方案,以及會出現(xiàn)的問題。
  要點
  電源子系統(tǒng)可以采用線性、開關、電荷泵AC/DC、數(shù)字管理,或數(shù)字控制等方式。
  線性電源有發(fā)熱問題。
  電荷泵會產(chǎn)生噪聲注入。
  開關電源必須處理好穩(wěn)定性、噪聲和發(fā)熱問題。
  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單的,也可以是最復雜的子系統(tǒng)。這并不令人驚訝,因為應用也有簡有繁。最簡單時,一個電源可以是一個大的齊納二極管,如用在潛艇的有線增音器分離艙中。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單,因而也是最可靠的方案。齊納管要耗散出相當多的熱量,但海流會很容易把熱量帶走。復雜程度略高一點的是線性穩(wěn)壓器,這是常見的有用部件。LM317是美國國家半導體公司網(wǎng)站數(shù)據(jù)表下載次數(shù)最多的器件。線性穩(wěn)壓器的運行就像一個閥門,它擋住電路中的電流,以保證電壓的穩(wěn)定不變。“晶體管”這個詞的英文Transistor來自兩個詞的組合:互導(transconductance)和變阻器(varistor)。線性穩(wěn)壓器中的晶體管通過夾斷電流來控制電壓,因此,它產(chǎn)生互導。在其運行中,它作為一個可變電阻,或變阻器。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器都采用NPN導通元件,低壓差穩(wěn)壓器則使用PNP晶體管。
  比較復雜的穩(wěn)壓器是電荷泵。它用多支晶體管作開關,而不是用作線性器件。這些開關將電荷傳送給一個電容器,然后改變連接,由電容器將施加的初始電壓翻倍或反相。
  當轉向開關穩(wěn)壓器時,復雜性出現(xiàn)了一次巨大的飛躍。這類電路中有高頻磁鐵、一個控制回路,并至少有一支起開關作用的晶體管。你可以從Vicor或Tyco購買磚型的整體穩(wěn)壓器,或也可以自己動手,用零件自己做穩(wěn)壓器。開關穩(wěn)壓器有各種類型:降壓、升壓、反相、隔離、SEPIC(單端初級電感轉換器)和Cuk(發(fā)音為“chook”)。
  現(xiàn)代設計中電源子系統(tǒng)的創(chuàng)建解析
  所有這些電源電路都可以把一個直流電壓轉換為其它直流電壓。很多設計使用變壓器來改變交流電壓,或先用電路將交流轉換為直流,再用后面的DC/DC轉換。最講究的AC/DC轉換電路之一是PFC(功率因子校正)電路,它采用一個升壓轉換器拓撲結構,確保轉換器的輸入電流與輸入電壓成比例,而普通AC/DC電路中輸入電流會出現(xiàn)尖峰。
  電源領域中的一個新詞匯是“數(shù)字電源”。它可以意味很多東西,從簡單地使用數(shù)字輸入以關斷穩(wěn)壓器,到能與芯片作數(shù)字通信,用于監(jiān)控模擬PWM過程,以及用DSP閉合回路,并用PWM信號直接控制導通元件。
  從基礎開始說,線性穩(wěn)壓器采用一支晶體管來降低直流電壓。普通線性穩(wěn)壓器(例如LM317)用NPN晶體管作限制。由于NPN晶體管的基射結有0.6V壓降,所以這些穩(wěn)壓器需要相當大的輸入輸出壓差。工程師們經(jīng)常犯一種錯誤,即當器件工作在低于推薦的壓降條件時,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。線性穩(wěn)壓器的大壓差要求一直維持到上世紀80年代初,當時美國汽車制造商向半導體業(yè)提出需要一種低壓差的線性穩(wěn)壓器。為設計低壓差的穩(wěn)壓器(例如LM2936),采用了PNP導通晶體管。使用這種方法后,即使在轉動手柄啟動汽車時電池電壓低至8V,穩(wěn)壓電路也能保持穩(wěn)壓狀態(tài)。美國國家半導體公司產(chǎn)品定義經(jīng)理Al Kelsch認為,當下降電壓接近零時,會產(chǎn)生一個“^”,或輸入電壓的小尖峰,因為導通晶體管的基極處于最大導通狀態(tài)。盡管IC設計者花費很多時間,試圖設計一個基極驅(qū)動電路,它能夠限制電流,消除尖峰,并仍能提供瞬態(tài)響應和滿足其它規(guī)定,但客戶需要這個小尖峰,作為穩(wěn)壓器失效的檢測方法。然后他們就可以關掉整個電路。換句話說,客戶把設計者理解為故障的東西看成了一種功能。
  線性穩(wěn)壓器最大的問題就是發(fā)熱。由于穩(wěn)壓器運行時,導通晶體管中要通過大的電流,它會消耗大量功率。大多數(shù)線性穩(wěn)壓器都有一個熱關斷點,可以防止器件被摧毀,但如果關斷發(fā)生在工作狀態(tài),則會導致電路失效。
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