现代设计中电源子系统的创建(下)

多数工程师在设计耐用的开关转换器时都会遇到困难。第一个问题是稳定性。复杂控制回路的稳定是一个令人怯步的工作，因为很多转换器都需要输出电压中的一个纹波才能正常工作。其它问题还有次谐波振荡，必须将一个跃升信号注入基准。当大容值陶瓷电容器价格降至合理范围时，很多工程师会用它们代替输出电解电容器。陶瓷电容器有很低的 ESR(等效串联电阻)，基本上没有引起振荡的纹波电压。纹波电压本身可能违背设计要求，例如在为模拟电路供电时。这个问题需要作后置稳压，或者使用附加的电感阻尼方法。

噪声是另一个常见问题，它会散发到输入或输出电源线上，或以电磁辐射方式发射到周围空间。设计者可能没有注意到这个问题，而直到量产前送FCC 和 CE做测试时才发现，这是最糟的情况。设计者可以采用多种技术，将这个噪声与外界和系统其它部分屏蔽开来。不过最好的方法是在第一地点就不产生噪声，其次才是尝试在几十、几百个终端用户设备中作屏蔽。

与线性稳压器一样，发热也是开关转换器的问题。多数降压稳压器都会在继流二极管上产生更多热量，而不是在 FET 上。美国国家半导体公司的WEBENCH在线设计工具给出的热量图显示，二极管 D1 是电路板上最热的元件，它正在加热邻近的 IC(图 5)。为了减少继流二极管产生的热量，同步降压稳压器采用第二支异相 FET 代替了二极管。

上述大部分问题都可以溯源到不恰当的印制电路板布局。现在有几篇文章在讨论一个优良的开关稳压器布局时易犯的错误。工程师应利用公司内制造稳压 IC 的应用工程人员的优势。如果应用工程师先审查你的设计和布局，然后再送去制造，就可以避免相当多的挫折和混乱。

脱机稳压器

到此为止，本文讨论的都是 DC/DC 转换器。另一类转换器是从交流电获得直流电。交流电一般取自民用交流电源线;因此转换器是脱机供电。其它设计采用隔离拓扑结构，从原直流电源用经典整流电路给出一个或多个直流电源。Allegro、On、STMicro、Power Integrations 和德州仪器公司 Unitrode 部门制造这类型的器件。脱机电源也有一些问题，包括浪涌电流和谐波电流。浪涌电流是在关闭输入开关的瞬间，为输入电容器充电的大量电流。这个电流可以威胁到整流二极管，造成电容器过早失效。解决这个问题的方法包括在输入端串接 NTC(负温度系列)器件。这些器件在低温时有大电阻。当输入电流进入电容器时，器件被加热，电阻下降。它的缺点是工作温度可以达到 190°C，并且对环境温度很敏感。

脱机电源的第二个问题是输入电容器会产生大的电流尖峰。这些尖峰在每个线路周期完成。用 PFC 可以降低这些尖峰，欧洲销售的电源产品都必须带 PFC。记得要给电解电容器加保险丝。如果在量产前未能通过 UL 着火温度测试，那么其后果与未通过 FCC 和 CE EMI/RFI(电磁干扰/射频干扰)测试一样是灾难性的。

使用开关 IC的脱机稳压器的另一个通常问题是起动电路的静态电流。必须在任何振荡和稳压开始前为芯片提供 5V ~ 10V 的电压。因此，往往要用一个大功率电阻器将这个电压送至芯片。如果将电阻器跨接在 170V 或更高直流总线与 5V 或 10V IC 电源线路之间，则会产生相当大的功耗。此时，设计者可以用 500V Supertex 耗尽型 FET，但这种方法可能不适合低成本电源。有些供应商(例如 Power Integrations)开发了一些替代结构来解决这个问题。该公司营销副总裁 Doug Bailey 说：“采用集成功率晶体管的解决方案可以使用高压 MOSFET 作为分压器，从控制部分获得能量，而在低电压时只有少量电流分流。Power Integrations 已将这种方案用于所有开关 IC 中，工作得都很好。” [p]

数字管理或控制的电源采用一个普通模拟 PWM 回路，但与真正的数字控制建立联系，而不是指多数控制器上普遍都有的数字关断脚(图 6)。数字管理的功率 IC 首先在电池充电器 IC 中找到用途。过去的化学电池(例如铅酸电池)经常使用一组稳压 IC，为每节电池提供 2.3V ~ 2.36V 电压，这要取决于应用能否承受较高的充电电压。即使这些简单的充电器也经常增加环境温度检测、时间限制器，或电池温度检测功能，以调整充电电压。镍金属氢电池及更广泛使用的锂离子化学电池需要更多的数字监控。系统设计者可能要根据温升或电压上升而终止充电周期。如果电池已报废，就不应起动全功率的充电。当发生这种情况时，充电器 IC 必须以“打嗝”方式向电池送入一个小电流，并进行监控，直到电压升高到足以接受全功率充电。如果电池已经充了几小时，仍然没有到达终止点，则 IC 应结束充电周期。环境温度故障和很多其它变量也可能有关系。美国国家半导体公司的应用工程师 Mary Kao 说：“我们不再把电池充电器 IC 看作一个带有一些逻辑的 PWM 电路。我们认为它现在是带模拟 PWM 的一个微控制器。”

一旦电池充电器 IC 道路被铺平，很多其它应用也需要对模拟 PWM 回路的大量数字控制。例如，Xilinx FPGA 需要严格的上电顺序和控制。有一家供应商 Cradle 制作了一个多核 DSP IC。由于它是一个 0.13 μm的CMOS 器件，使用了 DDR SDRAM，因此电源系统的设计就成为挑战。需求包括 I/O 的 3.3V、内核的 1.2V、DDR-SDRAM I/O 的 2.5V、用于 DDR-SDRAM 阻抗电压的 1.25V 陷流源、DRAM 电压基准，以及用于另一 IC 的 1.8V。Cradle 工程师 Tapeng Huang 和 Craig Calder 与 Intersil 的 Mike Cheong 一起，用单只多通道控制器重新设计了五个独立的电源输出。他们使用了两个 DC/DC 控制器、两个专用的 DDR 输出，以及两个独立的低压差稳压器。在一个更熟悉的领域中，大多数 PC 机用

户都知道处理器和内存的供电电压是采用数字控制的。手持设备可能有复杂的控制需求，以节省电池能量和延长运行时间。

数字电源采用 DSP 而不是模拟 PWM 回路，通过算术运算保持回路的稳定(图 7)。这种方案可以提供回路补偿的灵活性，但这种灵活性是有代价的。Elandesigns 的主管 Dave Mathis 指出：“如果你准备修改补偿，就必须根据变化而检测一些东西。在采集时间和错误条件下，这是自找麻烦。”当然，有经验的控制系统工程师都知道，性能良好的系统通常有一个优势的部分。然而，德州仪器、Silicon Labs 和 Primarion 都制造数字电源设备。Primarion 发表的文章中表示，未来所有电源都将是数字化的，模拟工程师要抵抗数字电源的实现，就只能保护自己的领地。Primarion 并不使用 DSP 管理控制回路。它使用了一个自由运行的状态机，其功耗远低于 DSP。控制仍在数字回路中，而不是模拟 PWM 回路。德州仪器公司数字电源经理 Steven Bakota 指出：“数字电源不是什么新鲜东西。TI 已经销售了 10 年数字电源……以库的形式使用标准 DSP。现在的差别是，我们有了自己的 Fusion 系列定制件，和一个软件开发环境，可以简化设计的实现。”

一片 DSP 中的 6 万支晶体管为数字电源系统提供控制回路，而模拟方案只需要大约 100 支晶体管。数字电源迷们还吹嘘说静态功耗只有 7 mA。这个数字在一个刀片服务器中也许是可以接受的，因为它使用墙上电源工作，但依靠电池工作或便携产品就难以承受这么大的功耗。而模拟方案可以工作在 1 mA 以下。设计者还应评估系统的瞬时功耗。如果在一次供电瞬时后，DSP 还要重新初始化，并运行用户编写的代码，那么就可能不适合某些应用。最后还有一个警告，经理们希望把复杂的软件开发工作放在产品设计周期的结尾，这通常是设计电源子系统的时间。经理们不要因设计的平淡无奇而放松警惕。如果设计简单，可以使用低成本和静态电流也较低的模拟 PWM 部分。要设法确认，一个数字管理的系统并不比全 DSP 数字控制回路更合适。