现代设计中电源子系统的创建

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。