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dc精jing度du的de模mo擬ni係xi統tong至zhi關guan重zhong要yao。對dui進jin入ru線xian性xing調tiao節jie器qi的de電dian源yuan紋wen波bo,還hai可ke以yi通tong過guo增zeng加jia必bi要yao的de電dian源yuan去qu耦ou電dian容rong,進jin一yi步bu濾lv除chu線xian性xing調tiao節jie器qi輸shu入ru和he輸shu出chu中zhong不bu希xi望wang出chu現xian的de紋wen波bo來lai加jia以yi改gai善shan。

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(qi)L1 (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 Wyixia,yibaochizaikejieshoudejiewenjixianyinei。zheshiweishenmexianxingtiaojieqiduiyuxuyaodagonglvherexiaolvdexitongcunzaixianzhuquedian。xianxingtiaojieqirengshidianziqijianhexitongshejideguanjian,wulunqudongqitaqijiandedulidianlu,haishiqudongqitapianshangdianludezidanyuan。weibaozhengzhengtixitongdadaozuigaoxingneng,xuyaorenzhenshejibingzunshoujishuguigedeyaoqiu。
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(dao)90%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),kaiguanwenyaqigengjiajingji,yinweitamenchanshengdereliangxiao,congerxiaochulefuzadesanreshejidechengbenbingjieshenglekongjian。zhuyikaiguanwenyaqishuchudianyawenbo,jiduiqisuoqudongdedianluchanshengdeyingxiang,keyixianzhutigaoshejishuiping。
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