細說DC/DC轉換器的抗幹擾性
發布時間:2014-09-06 責任編輯:echolady
【導讀】DC指“直流”,即電路中穿過導體由A點至B點的單向電流。電流和電子簡單來說是完整電路係統中,各種導體和器件中的電流產生的能量。能量是做功的能力,以兩種形式存在:1)勢能和2)動能。勢能是一種非活動狀態的蓄能 (如電池端子間的電壓)。歐姆‘DC定律’必須始終滿足能量轉換才能產生作用!因此,電路輸入與輸出之間的每一部分,無論是否具備AC功能,必須出色設計電路的DC結構,才能有效支持無論何種形式的能量轉換。換句話說,如果電路DC設計不良,不可能實現AC性能。
這種情況給設計師造成極大壓力,需要在電源與接地之間“模擬設計”的基礎上,掌握多學科領域高水平專業技術。相對於各種輸入信號,要想在各種電壓條件下以低噪聲轉換直流 (DC),首先需要選擇正確的DC-DC轉換器。DC-DC轉換器有各種尺寸和類型:轉換器包括線性、開關模式和磁電等不同類型。而且,升壓 (步升) 和降壓 (步降) 功能采用類型各異的能量轉換電路。正確了解這些電路類型,可以避免使用時性能下降。
線性調節器

圖1:線性調節器
圖中所示為“串聯”線性調節器電路,因為調節器件 (晶體管Q) 與負載R2串聯。電路調節齊納二極管DZ輸出電壓 (因為晶體管基極電流是齊納管至R1偏置電流的很小一部分)。晶體管發射極輸出電壓低於齊納管電壓一個二極管壓降,並有足夠的電流增益驅動高輸出值Iout (經R2)。盡管電路具有良好的輸出電壓調節能力 (隻要Q在線性區域工作),但仍會感應負載、電源變量(Vs)、噪(zao)聲(sheng)和(he)電(dian)源(yuan)紋(wen)波(bo)。其(qi)中(zhong)有(you)些(xie)問(wen)題(ti)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)負(fu)反(fan)饋(kui)電(dian)路(lu)感(gan)應(ying)電(dian)路(lu)輸(shu)出(chu)來(lai)解(jie)決(jue),其(qi)他(ta)時(shi)候(hou),這(zhe)個(ge)電(dian)路(lu)往(wang)往(wang)用(yong)作(zuo)電(dian)壓(ya)基(ji)準(zhun),支(zhi)持(chi)更(geng)加(jia)先(xian)進(jin)的(de)線(xian)性(xing)調(tiao)節(jie)器(qi)設(she)計(ji)。設(she)計(ji)或(huo)選(xuan)擇(ze)線(xian)性(xing)調(tiao)節(jie)器(qi)時(shi),還(hai)必(bi)須(xu)慎(shen)重(zhong)考(kao)慮(lv)電(dian)噪(zao)聲(sheng)、電源Vs至Vout產生的紋波,以及調節器輸出中可能耦合的共模電壓。
例li如ru,選xuan擇ze線xian性xing調tiao節jie器qi時shi,必bi須xu認ren真zhen確que定ding電dian路lu功gong率lv要yao求qiu和he穩wen壓ya器qi輸shu出chu特te性xing。一yi般ban情qing況kuang下xia,部bu分fen器qi件jian規gui定ding了le固gu定ding輸shu入ru電dian壓ya條tiao件jian下xia的de固gu定ding輸shu出chu電dian壓ya (一般Vs-Vout>2V),以及最大固定輸出負載電流Iout。

圖3:升壓轉換器
負載調節在給定輸出電流範圍內 (∆Iout) 定義輸出電壓 (∆Vout) 的變化。由於輸出電壓接近Vs輸入電壓,串聯輸出電壓調節晶體管 (Q1) 近飽和狀態和電壓/電流增益衰降,會導致負載調節特性惡化。這種情況也適用於線路調節。線路調節是在給定輸入電壓 (∆Vs) 範圍內改變輸出電壓 (∆Vout)。同樣,∆Vo線路調節一般以mV級定義低電平∆Vs,隨著輸入電壓的變化,mV級可以放大十倍(與輸出電壓相比),達到輸出電壓調節晶體管接近擊穿點時,其增益會隨之下降。線路調節還可以實現紋波抑製 (∆Vin/∆Vout比),且應大於60 dB,以避免AC波紋通過輸入電源線路接入線性調節器DC輸入電壓。紋波抑製對於需要保證精確增益和dcjingdudemonixitongzhiguanzhongyao。duijinruxianxingtiaojieqidedianyuanwenbo,haikeyitongguozengjiabiyaodedianyuanquoudianrong,jinyibulvchuxianxingtiaojieqishuruheshuchuzhongbuxiwangchuxiandewenbolaijiayigaishan。

圖2:去耦示意圖
正確去耦以降低噪聲的一些重要設計理念如圖2所示。將一個大容量電解電容C1 (一般為10 µF – 100 µF) 放在線性調節器輸出端附近 (2英寸以內)。這個電容用作電荷庫,可即刻為負載提供電流,而不必通過調節器/電感提供電荷。小容量電容C2 (一般為0.01 µF – 0.1 µF) 的de位wei置zhi應ying盡jin可ke能neng靠kao近jin負fu載zai,這zhe個ge電dian容rong的de目mu的de是shi降jiang低di負fu載zai的de高gao頻pin噪zao聲sheng。所suo有you去qu耦ou電dian容rong應ying連lian接jie大da麵mian積ji低di阻zu抗kang接jie地di層ceng,以yi降jiang低di阻zu抗kang。線xian性xing調tiao節jie器qi輸shu出chu端duan電dian感gan器qiL1 (通常采用小型鐵氧體磁珠) 限製係統內噪聲並抑製外部負載高頻噪聲,同時避免內部產生的噪聲 (來自負載) 傳播到係統的其他部分。
去耦可以非常有效地濾除 (頻帶限製) 線性調節器的噪聲功率。線性調節器噪聲功率往往規定為幾微伏均方根值 (rms),如LM340/78XX係列。這個噪聲值可以限定在10Hz至100 KHz窄帶寬範圍內,但必須注意,如果不采用交流去耦的話 (如上所述),實際噪聲帶寬會非常高。
最後,盡管線性調節器使用簡便 (一般為3個端子,即輸入、接地和輸出),在大部分電路環境下具有出色的DC和AC特性,但在熱特性方麵存在極大局限性。由於線性調節器內部電路輸入電壓Vs高於輸出電壓Vout (Vs-Vout>2V),這種壓差(Vs-Vout)乘以輸出電流 (Iout) 給gei出chu的de功gong率lv值zhi,最zui終zhong成cheng為wei線xian性xing調tiao節jie器qi和he係xi統tong的de熱re耗hao散san。必bi須xu認ren真zhen考kao慮lv這zhe種zhong熱re量liang轉zhuan換huan因yin素su。在zai整zheng個ge設she計ji中zhong,必bi須xu考kao慮lv正zheng確que散san熱re和he係xi統tong周zhou圍wei氣qi流liu問wen題ti。例li如ru,如ru果guo線xian性xing調tiao節jie器qi最zui大da結jie溫wen為wei150 °C (且係統中沒有散熱器或氣流),係統環境溫度可達到125 °C;如果Θja接近 50 °C/W,線性調節器最大功率輸出應限製在 ½ W以(yi)下(xia),以(yi)保(bao)持(chi)在(zai)可(ke)接(jie)受(shou)的(de)結(jie)溫(wen)極(ji)限(xian)以(yi)內(nei)。這(zhe)是(shi)為(wei)什(shen)麼(me)線(xian)性(xing)調(tiao)節(jie)器(qi)對(dui)於(yu)需(xu)要(yao)大(da)功(gong)率(lv)和(he)熱(re)效(xiao)率(lv)的(de)係(xi)統(tong)存(cun)在(zai)顯(xian)著(zhu)缺(que)點(dian)。線(xian)性(xing)調(tiao)節(jie)器(qi)仍(reng)是(shi)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)和(he)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)的(de)關(guan)鍵(jian),無(wu)論(lun)驅(qu)動(dong)其(qi)他(ta)器(qi)件(jian)的(de)獨(du)立(li)電(dian)路(lu),還(hai)是(shi)驅(qu)動(dong)其(qi)他(ta)片(pian)上(shang)電(dian)路(lu)的(de)子(zi)單(dan)元(yuan)。為(wei)保(bao)證(zheng)整(zheng)體(ti)係(xi)統(tong)達(da)到(dao)最(zui)高(gao)性(xing)能(neng),需(xu)要(yao)認(ren)真(zhen)設(she)計(ji)並(bing)遵(zun)守(shou)技(ji)術(shu)規(gui)格(ge)的(de)要(yao)求(qiu)。
開關穩壓器
開關穩壓器是所有DC-DC轉zhuan換huan器qi中zhong最zui高gao效xiao的de一yi種zhong穩wen壓ya器qi。開kai關guan穩wen壓ya器qi能neng效xiao顯xian著zhu高gao於yu線xian性xing穩wen壓ya器qi,當dang然ran,其qi不bu利li的de一yi麵mian是shi開kai關guan過guo程cheng中zhong會hui產chan生sheng很hen高gao的de輸shu出chu噪zao聲sheng。不bu過guo,開kai關guan穩wen壓ya器qi拓tuo撲pu結jie構gou廣guang泛fan適shi用yong於yu各ge種zhong應ying用yong場chang合he,包bao括kuo步bu升sheng (升壓)、步降 (降壓)和轉換電壓調節(升壓/降壓)。
開關穩壓器中內置功率開關管 (通常為垂直金屬氧化物半導體,簡稱VMOS,但也可采用雙極器件)。功率開關管開/關guan工gong作zuo周zhou期qi確que定ding儲chu存cun多duo少shao能neng量liang,然ran後hou為wei負fu載zai供gong電dian。與yu線xian性xing穩wen壓ya器qi采cai用yong電dian阻zu間jian能neng效xiao低di下xia的de壓ya降jiang方fang式shi調tiao節jie電dian壓ya不bu同tong,相xiang對dui來lai說shuo,開kai關guan穩wen壓ya器qi幾ji乎hu無wu功gong耗hao! 其秘密就在於其中的功率開關管。開關管打開時,其兩端為高電壓,而電流為零。開關管閉合時,開關管輸出高電流,而兩端電壓為零! 由於從電感器過來的電壓和電流存在90度相位差 (也沒有DC壓降),因此開關穩壓器可以達到極高的能效水平。

圖3:升壓轉換器
下麵,以升壓轉換器為例,簡要介紹步升開關穩壓器的功能 (參見圖3)。電感的主要功能是儲能並限製進入開關管的電流變化率 (否則隻能單獨由開關電阻限製高峰值電流)。在穩定狀態條件下,開關管打開,電感為電容充電,直到+Vout與+Vin相等 (二極管電流為零)。開關管閉合時,由於二極管防止電容+Vout (仍然等於+Vin)對地放電,輸入電壓+Vin作用於電感。通過電感的電流以+Vin/L比率線性增長,di/dt (隨開關管閉合時間) 。而當開關管再次打開時,電感電流經整流二極管為電容充電,電壓以I/C比率按dv/dt比值增長 (隨開關管打開時間)。如果功率開關管工作周期 (D=tclosed/(tclosed+topen)) 等於50%,理想條件下+Vout可以達到Vin+Vin,即兩倍於施加的輸入電壓 (因為穩定狀態下,平均電感電壓肯定等於零) ! 當然,工作周期DV會相應改變,而調整輸出電壓可以得到Vout=Vin/(1-D)的結果。這為用戶采用升壓轉換器拓撲結構,在DC輸入電壓(+Vin) 限定的條件下,以加倍DC輸出電壓,在給定的整體能效範圍內驅動電路負載提供了極大的靈活性。
當(dang)然(ran),雖(sui)然(ran)理(li)想(xiang)的(de)升(sheng)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)在(zai)功(gong)效(xiao)方(fang)麵(mian)具(ju)有(you)顯(xian)著(zhu)優(you)點(dian),但(dan)也(ye)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)電(dian)路(lu)的(de)實(shi)際(ji)限(xian)製(zhi)性(xing)。升(sheng)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)最(zui)大(da)的(de)功(gong)耗(hao)因(yin)素(su)是(shi)整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)。簡(jian)單(dan)的(de)功(gong)耗(hao)計(ji)算(suan)方(fang)法(fa)為(wei)(熱狀態下),正zheng向xiang壓ya降jiang乘cheng以yi穿chuan過guo整zheng流liu二er極ji管guan的de電dian流liu。為wei最zui大da限xian度du提ti高gao效xiao率lv,可ke用yong另ling一yi支zhi功gong率lv開kai關guan管guan取qu代dai二er極ji管guan。這zhe支zhi整zheng流liu開kai關guan管guan可ke在zai主zhu開kai關guan和he閉bi合he時shi,以yi先xian斷duan後hou通tong的de模mo式shi打da開kai,從cong而er防fang止zhi兩liang支zhi開kai關guan管guan同tong時shi導dao通tong。采cai用yong這zhe種zhong配pei置zhi,功gong效xiao可ke以yi達da到dao90%以上。
以LM2578A/LM3578A開關穩壓器為例,這種開關穩壓器采用雙極型晶體管作為功率開關器件。它含有一個板載振蕩器,可利用一支1Hz至100 kHz以下 (典型值) 外接電容設置開關頻率。輸出電流最高可達750 mA,帶有限流和熱關斷功能。當LM2578A/LM3578A按升壓轉換器配置時 (例如,Iout=150 mA時,Vin=+5V,Vout=+15V),器件的負載調節為14 mV (30 mA< Vin < 8.5V)。同樣,線性調節是在給定輸入電壓範圍內 (∆Vin),改變輸出電壓 (∆Vout)。在DC電源控製的係統中,可以相當輕鬆地控製線性調節。但在使用開關穩壓器時,設計人員需要當心,因為器件Iout電流中固有的常量變化,會造成負載調節輸出電壓不穩。14 mV 負載調節會使15V係統產生約1%的波動,而且在沒有正確去耦的情況下,開關噪聲 (來自電路負載) 會向後感應到升壓轉換器的Vout ,這樣,會使電路負載性能下降變得非常難以管理。
總之,當能效成為首要因素 (如電池供電的便攜式設備),以及+Vin電源一般為DC電壓,而需要較高+Vout輸出電壓時,開關穩壓器是最理想的選擇。同時,在大功率情況下 (高於幾瓦),開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)更(geng)加(jia)經(jing)濟(ji),因(yin)為(wei)它(ta)們(men)產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)量(liang)小(xiao),從(cong)而(er)消(xiao)除(chu)了(le)複(fu)雜(za)的(de)散(san)熱(re)設(she)計(ji)的(de)成(cheng)本(ben)並(bing)節(jie)省(sheng)了(le)空(kong)間(jian)。注(zhu)意(yi)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)紋(wen)波(bo),及(ji)對(dui)其(qi)所(suo)驅(qu)動(dong)的(de)電(dian)路(lu)產(chan)生(sheng)的(de)影(ying)響(xiang),可(ke)以(yi)顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)設(she)計(ji)水(shui)平(ping)。
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