电源设计经验谈1-9

1：为您的电源选择正确的工作频率 欢迎来到电源设计经验谈！随着现在 对更高效、更低成本电源解决方案需求的 强调，我们创建了该专栏，就各种电源管 理课题提出一些对您有帮助的小技巧。该 专栏面向各级设计工程师。无论您是从事 电源业务多年还是刚刚步入电源领域，您 都可以在这里找到一些极其有用的信息， 以帮助您迎接下一个设计挑战 为您的电源选择最佳的工作频率是 一个复杂的权衡过程，其中包括尺寸、效 率以及成本。

通常来说，低频率设计往往 是最为高效的，但是其尺寸最大且成本也 最高。虽然调高频率可以缩小尺寸并降低 成本，但会增加电路损耗。接下来，我们 使用一款简单的降压电源来描述这些权 衡过程。 我们以滤波器组件作为开始。这些组 件占据了电源体积的大部分，同时滤波器 的尺寸同工作频率成反比关系。另一方面， 每一次开关转换都会伴有能量损耗；工作 频率越高，开关损耗就越高，同时效率也 就越低。其次，较高的频率运行通常意味 着可以使用较小的组件值。因此，更高频 率运行能够带来极大的成本节约。 图 1 显示的是降压电源频率与体积 的关系。频率为 100 kHz 时，电感占据 了电源体积的大部分(深蓝色区域)。如果 我们假设电感体积与其能量相关，那么其 体积缩小将与频率成正比例关系。由于某 种频率下电感的磁芯损耗会极大增高并 限制尺寸的进一步缩小，因此在此情况下 上述假设就不容乐观了。如果该设计使用 陶瓷电容，那么输出电容体积(褐色区域) 便会随频率缩小，即所需电容降低。另一 方面，之所以通常会选用输入电容，是因 为其具有纹波电流额定值。该额定值不会 随频率而明显变化，因此其体积(黄色区域) 往往可以保持恒定。另外，电源的半导体 部分不会随频率而变化。这样，由于低频 开关，无源器件会占据电源体积的大部分。 当我们转到高工作频率时，半导体(即半导 体体积，淡蓝色区域)开始占据较大的空间 比例。

该曲线图显示半导体体积本质上并 未随频率而变化，而这一关系可能过于简 单化。与半导体相关的损耗主要有两类： 传导损耗和开关损耗。同步降压转换器中 的传导损耗与 MOSFET 的裸片面积成反 比关系。MOSFET 面积越大，其电阻和传 导损耗就越低。 开关损耗与 MOSFET 开关的速度以 及 MOSFET 具有多少输入和输出电容有 关。这些都与器件尺寸的大小相关。大体 积器件具有较慢的开关速度以及更多的 电容。图 2 显示了两种不同工作频率 (F) 的关系。传导损耗 (Pcon)与工作频率无 关，而开关损耗 (Psw F1 和 Psw F2) 与 工作频率成正比例关系。因此更高的工作 频率 (Psw F2) 会产生更高的开关损耗。 当开关损耗和传导损耗相等时，每种 工作频率的总损耗最低。另外，随着工作 频率提高，总损耗将更高。 但是，在更高的工作频率下，最佳裸 片面积较小，从而带来成本节约。实际上， 在低频率下，通过调整裸片面积来最小化 损耗会带来极高成本的设计。但是，转到 更高工作频率后，我们就可以优化裸片面 积来降低损耗，从而缩小电源的半导体体 积。这样做的缺点是，如果我们不改进半 导体技术，那么电源效率将会降低。如前 所述，更高的工作频率可缩小电感体积； 所需的内层芯板会减少。更高频率还可降 低对于输出电容的要求。有了陶瓷电容， 我们就可以使用更低的电容值或更少的 电容。这有助于缩小半导体裸片面积，进 而降低成本。

电源设计经验谈 2：驾驭噪声电源

无噪声电源并非是偶然设计出来的。 一种好的电源布局是在设计时最大程度 的缩短实验时间。花费数分钟甚至是数小 时的时间来仔细查看电源布局，便可以省 去数天的故障排查时间。图 1 显示的是 电源内部一些主要噪声敏感型电路的结 构图。将输出电压与一个参考电压进行比 较以生成一个误差信号，然后再将该信号 与一个斜坡相比较，以生成一个用于驱动功率级的 PWM(脉宽调制)信号。

电源噪 声主要来自三个地方：误差放大器输入与 输出、参考电压以及斜坡。

对这些节点进 行精心的电气设计和物理设计有助于最 大程度地缩短故障诊断时间。一般而言， 噪声会与这些低电平电路电容耦合。一种 卓越的设计可以确保这些低电平电路的 紧密布局，并远离所有开关波形。接地层 也具有屏蔽作用。误差放大器输入端可能 是电源中最为敏感的节点，因为其通常具 有最多的连接组件。如果将其与该级的极 高增益和高阻抗相结合，后患无穷。在布 局过程中，您必须最小化节点长度，并尽 可能近地将反馈和输入组件靠近误差放 大器放臵。如果反馈网络中存在高频积分 电容，那么您必须将其靠近放大器放臵， 其他反馈组件紧跟其后。并且，串联电阻 -电容也可能形成补偿网络。最理想的结果 是，将电阻靠近误差放大器输入端放臵， 这样，如果高频信号注入该电阻-电容节点 时，那么该高频信号就不得不承受较高的 电阻阻抗—而电容对高频信号的阻抗则 很小。斜坡是另一个潜在的会带来噪声问 题的地方。斜坡通常由电容器充电(电压模 式)生成，或由来自于电源开关电流的采样 (电流模式)生成。通常，电压模式斜坡并 不是一个问题，因为电容对高频注入信号 的阻抗很小。而电流斜坡却较为棘手，因 为存在了上升边沿峰值、相对较小的斜坡 振幅以及功率级寄生效应。

图 2 显示了电流斜坡存在的一些问 题。第一幅图显示了上升边沿峰值和随后 产生的电流斜坡。比较器(根据其不同速度) 具 有 两 个 电 压 结 点 (potential trip points)，结果是无序控制运行，听起来更 像是煎熏肉的声音。 利用控制 IC 中的上升边沿消隐可 以很好地解决这一问题，其忽略了电流波 形的最初部分。波形的高频滤波也有助于 解决该问题。同样也要将电容器尽可能近 地靠近控制 IC 放臵。正如这两种波形表 现出来的那样，另一种常见的问题是次谐 波振荡。这种宽－窄驱动波形表现为非充 分斜率补偿。向当前斜坡增加更多的电压 斜坡便可以解决该问题。尽管您已经相当 仔细地设计了电源布局，但是您的原型电 源还是存在噪声。

这该怎么办呢？首先， 您要确定消除不稳定因素的环路响应不 存在问题。有趣的是，噪声问题可能会看 起来像是电源交叉频率上的不稳定。但真 正的情况是该环路正以其最快响应速度 纠出注入误差。同样，最佳方法是识别出 噪声正被注入下列三个地方之一：误差放 大器、参考电压或斜坡。您只需分步解决 便可！第一步是检查节点，看斜坡中是否 存在明显的非线性，或者误差放大器输出 中是否存在高频率变化。如果检查后没有 发现任何问题，那么就将误差放大器从电 路中取出，并用一个清洁的电压源加以代 替。这样您应该就能够改变该电压源的输 出，以平稳地改变电源输出。如果这样做 奏效的话，那么您就已经将问题范围缩小 至参考电压和误差放大器了。 有时，控制 IC 中的参考电压易受开 关波形的影响。利用添加更多(或适当)的 旁路可能会使这种状况得到改善。另外， 使用栅极驱动电阻来减缓开关波形也可 能会有助于解决这一问题。如果问题出在 误差放大器上，那么降低补偿组件阻抗会 有所帮助，因为这样降低了注入信号的振 幅。如果所有这些方法都不奏效，那么就 从印刷电路板将误差放大器节点去除。对 补偿组件进行架空布线 (air wiring) 可 以帮助我们识别出哪里有问题。

电源设计经验谈 3：阻尼输入滤波器——第一部分 开关调节器通常优于线性调节器，因 为它们更高效，而开关拓扑结构则十分依 赖输入滤波器。这种电路元件与电源的典 型负动态阻抗相结合，可以诱发振荡问题。 本文将阐述如何避免此类问题的出现。 一般而言，所有的电源都在一个给定 输入范围保持其效率。因此，输入功率或 多或少地与输入电压水平保持恒定。图 1 显示的是一个开关电源的特征。随着电压 的下降，电流不断上升。

负输入阻抗 电压-电流线呈现出一定的斜率，其从 本质上定义了电源的动态阻抗。这根线的 斜率等于负输入电压除以输入电流。也就 是说，由 Pin = V . I，可以得出 V = Pin/I； 并由此可得 dV/dI = –Pin/I2 或 dV/dI ≈ –V/I。该近似值有些过于简单，因为 控制环路影响了输入阻抗的频率响应。但 是很多时候，当涉及电流模式控制时这种 简单近似值就已足够了。 为什么需要输入滤波器 开关调节器输入电流为非连续电流， 并且在输入电流得不到滤波的情况下其 会中断系统的运行。大多数电源系统都集 成了一个如图 2 所示类型的滤波器。电 容为功率级的开关电流提供了一个低阻 抗，而电感则为电容上的纹波电压提供了 一个高阻抗。该滤波器的高阻抗使流入源 极的开关电流最小化。在低频率时，该滤 波器的源极阻抗等于电感阻抗。在您升高 频率的同时，电感阻抗也随之增加。在极 高频率时，输出电容分流阻抗。在中间频 率时，电感和电容实质上就形成了一种并 联谐振电路，从而使电源阻抗变高，呈现 出较高的电阻。 大多数情况下，峰值电源阻抗可以通 过首先确定滤波器 (Zo) 的特性阻抗来估 算得出，而滤波器特性阻抗等于电感除以 电容所得值的平方根。这就是谐振下电感 或者电容的阻抗。接下来，对电容的等效 串联电阻 (ESR) 和电感的电阻求和。这样 便得到电路的 Q 值。峰值电源阻抗大约 等于 Zo 乘以电路的 Q 值。振荡 但是，开关的谐振滤波器与电源负阻 抗耦合后会出现问题。图 3 显示的是在 一个电压驱动串联电路中值相等、极性相 反的两个电阻。这种情况下，输出电压趋 向于无穷大。当您获得由谐振输入滤波器 等效电阻所提供电源的负电阻时，您也就 会面临一个类似的电源系统情况；这时， 电路往往就会出现振荡。

电源设计经验谈 4：阻尼输入滤波器系列之第二部分 控制源极阻抗 在“电源设计经验谈 3”中，我们讨 论了输入滤波器的源极阻抗如何变得具 有电阻性，以及其如何同开关调节器的负 输入阻抗相互作用。在极端情况下，这些 阻抗振幅可以相等，但是其符号相反从而 构成了一个振荡器。业界通用的标准是输 入滤波器的源极阻抗应至少比开关调节 器的输入阻抗低 6dB，作为最小化振荡概 率的安全裕度。输入滤波器设计通常以根 据纹波电流额定值或保持要求选择输入 电容(图 1 所示 CO) 开始的。第二步通常包括根据系统的 EMI 要求选择电感 (LO)。正如我们上个 月讨论的那样，在谐振附近，这两个组件 的源极阻抗会非常高，从而导致系统不稳 定。图 1 描述了一种控制这种阻抗的方 法，其将串联电阻 (RD) 和电容 (CD) 与 输入滤波器并联放臵。利用一个跨接 CO 的电阻，可以阻尼滤波器。但是，在大多 数情况下，这样做会导致功率损耗过高。 另一种方法是在滤波器电感的两端添加 一个串联连接的电感和电阻有趣的是，一 旦选择了四个其他电路组件，那么就会有 一个阻尼电阻的最佳选择。图 2 显示的 是不同阻尼电阻情况下这类滤波器的输 出阻抗。红色曲线表示过大的阻尼电阻。 请思考一下极端的情况，如果阻尼电阻器 开启，那么峰值可能会非常的高，且仅由 CO 和 LO 来设定。蓝色曲线表示阻尼电 阻过低。如果电阻被短路，则谐振可由两 个电容和电感的并联组合共同设臵。绿色 曲线代表最佳阻尼值。利用一些包含闭型 解的计算方法(见参考文献 1)就可以很轻 松地得到该值。

选择阻尼电阻 在选择阻尼组件时，图 3 非常有用。 该图是通过使用 RD Middlebrook 建立 的闭型解得到的。横坐标为阻尼滤波器输 出阻抗与未阻尼滤波器典型阻抗 (ZO = (LO/CO)1/2) 的比。纵坐标值有两个： 阻 尼电容与滤波器电容 (N) 的比；以及阻 尼电阻同该典型阻抗的比。利用该图，首 先根据电路要求来选择 LO 和 CO，从 而得到 ZO。随后，将最小电源输入阻抗 除以二，得到您的最大输入滤波器源极阻 抗 (6dB)。

最小电源输入阻抗等于 Vinmin2/Pmax。 只需读取阻尼电容与滤波器电容的比以 及阻尼电阻与典型阻抗的比, 您便可以计 算得到一个横坐标值。例如，一个具有 10µH 电感和 10µH 电容的滤波器具有 Zo = (10µH/10 µF)1/2 = 1 Ohm 的典型 阻抗。如果它正对一个 12V 最小输入的 12W 电源进行滤波，那么该电源输入阻 抗将为 Z = V2/P = 122/12 = 12 Ohms。 这样，最大源极阻抗应等于该值的二分之 一， 也即 6 Ohms。现在，在 6/1 = 6 的 X 轴上输入该图，那么，CD/CO = 0.1，即 1 µF，同时 RD/ZO = 3，也即 3 Ohms。

电源设计经验谈 5：降压—升压电源设计中降压控制器的使用 电子电路通常都工作在正稳压输出 电压下，而这些电压一般都是由降压稳压 器来提供的。如果同时还需要负输出电压， 那么在降压—升压拓扑中就可以配臵相 同的降压控制器。负输出电压降压—升压 有时称之为负反向，其工作占空比为 50%， 可提供相当于输入电压但极性相反的输 出电压。其可以随着输入电压的波动调节 占空比，以“降压”或“升压”输出电压 来维持稳压。 图 1 显示了一款精简型降压—升压 电路，以及电感上出现的开关电压。这样 一来该电路与标准降压转换器的相似性 就会顿时明朗起来。实际上，除了输出电 压和接地相反以外，它和降压转换器完全 一样。这种布局也可用于同步降压转换器。 这就是与降压或同步降压转换器端相类 似的地方，因为该电路的运行与降压转换 器不同。 FET 开关时出现在电感上的电压不同 于降压转换器的电压。正如在降压转换器 中一样，平衡伏特-微秒 (V-μs) 乘积以防 止电感饱和是非常必要的。当 FET 为开 启时(如图 1 所示的 ton 间隔)，全部输 入电压被施加至电感。这种电感“点”侧 上的正电压会引起电流斜坡上升，这就带 来电感的开启时间 V-μs 乘积。FET 关闭 (toff) 期间，电感的电压极性必须倒转以 维持电流，从而拉动点侧为负极。电感电 流斜坡下降，并流经负载和输出电容，再 经二极管返回。电感关闭时 V-μs 乘积必 须等于开启时 V-μs 乘积。由于 Vin 和 Vout 不变，因此很容易便可得出占空比 (D) 的表达式：D=Vout/(Vout " Vin)。 这种控制电路通过计算出正确的占空比 来维持输出电压稳压。上述表达式和图 1 所示波形均假设运行在连续导电模式下。

降压—升压电感必须工作在比输出 负载电流更高的电流下。其被定义为 IL = I<SUBOUT< sub>/(1-D)，或只是输入电 流与输出电流相加。对于和输入电压大小 相等的负输出电压(D = 0.5)而言，平均电 感电流为输出的 2 倍。 有趣的是，连接输入电容返回端的方 法有两种，其会影响输出电容的 rms 电 流。典型的电容布局是在 +Vin 和 Gnd 之间，与之相反，输入电容可以连接在 +Vin 和 "V<SUBOUT< sub> 之间。利用 这种输入电容配臵可降低输出电容的 rms 电流。然而，由于输入电容连接至 "Vout， 因此 "Vout 上便形成了一个电容性分压 器。这就在控制器开始起作用以前，在开 启时间的输出上形成一个正峰值。为了最 小化这种影响，最佳的方法通常是使用一 个比输出电容要小得多的输入电容，请参 见图 2 所示的电路。输入电容的电流在 提供 dc 输出电流和吸收平均输入电流 之间相互交替。rms 电流电平在最高输入 电流的低输入电压时最差。因此，选择电 容器时要多加注意，不要让其 ESR 过高。 陶瓷或聚合物电容器通常是这种拓扑较 为合适的选择.