DC-DC轉(zhuǎn)換器

這里我會(huì)分幾篇文章來(lái)詳細(xì)討論DC-DC轉(zhuǎn)換器的抗干擾性這一主題，第一講我們來(lái)簡(jiǎn)單聊聊DC-DC轉(zhuǎn)換器

自從電子學(xué)誕生以來(lái)，就流傳著一句老話…“所有問(wèn)題都是DC問(wèn)題。”

當(dāng)然，DC指“直流”，即電路中穿過(guò)導(dǎo)體由A點(diǎn)至B點(diǎn)的單向電流。我們知道，這里所說(shuō)的“問(wèn)題”意思很簡(jiǎn)單，就是…問(wèn)題。那么，為什么所有問(wèn)題都是DC問(wèn)題呢?

我們知道，電流和電子簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是完整電路系統(tǒng)中，各種導(dǎo)體和器件中的電流產(chǎn)生的能量。因此，歸根結(jié)底是一種能量轉(zhuǎn)換。能量是做功的能力，以兩種形式存在：1)勢(shì)能和2)動(dòng)能。勢(shì)能是一種非活動(dòng)狀態(tài)的蓄能 (如電池端子間的電壓)。動(dòng)能是勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的能量 (如電流穿過(guò)燈泡)。電子學(xué)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是通過(guò)控制各種導(dǎo)體中的電流，將勢(shì)能 (電壓) 轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能 (電流) 的科學(xué)! 歐姆‘DC定律’必須始終滿足能量轉(zhuǎn)換才能產(chǎn)生作用!因此，電路輸入與輸出之間的每一部分，無(wú)論是否具備AC功能，必須出色設(shè)計(jì)電路的DC結(jié)構(gòu)，才能有效支持無(wú)論何種形式的能量轉(zhuǎn)換。換句話說(shuō)，如果電路DC設(shè)計(jì)不良，不可能實(shí)現(xiàn)AC性能。

這種情況給設(shè)計(jì)師造成極大壓力，需要在電源與接地之間“模擬設(shè)計(jì)”的基礎(chǔ)上，掌握多學(xué)科領(lǐng)域高水平專業(yè)技術(shù)。相對(duì)于各種輸入信號(hào)，要想在各種電壓條件下以低噪聲轉(zhuǎn)換直流 (DC)，首先需要選擇正確的DC-DC轉(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)換器有各種尺寸和類型：轉(zhuǎn)換器包括線性、開(kāi)關(guān)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(zhuǎn)換電路。正確了解這些電路類型，可以避免使用時(shí)性能下降。后面，我們可以分析行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者推出的器件，如國(guó)家半導(dǎo)體公司最近推出的Simple Switcher電源模塊。

“所有問(wèn)題都是DC問(wèn)題…”，在考慮DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)了解這一點(diǎn)，可以為良好的電路設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

第二講：線性調(diào)節(jié)器

線性調(diào)節(jié)器是所有DC-DC轉(zhuǎn)換器最基礎(chǔ)的器件。線性調(diào)節(jié)器是一種穩(wěn)壓器，相對(duì)于在“非線性”開(kāi)關(guān)模式區(qū)域工作的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器(我們將在后面討論這種器件)，線性調(diào)節(jié)器在“線性區(qū)域”工作。線性調(diào)節(jié)器必須滿足為負(fù)載提供額定電源 (低噪聲達(dá)到可接受水平)，同時(shí)降低輸出阻抗的要求，以使電壓增益不受負(fù)載阻抗值的影響。線性調(diào)節(jié)器起可變電阻的作用，調(diào)節(jié)分壓網(wǎng)絡(luò)，以保持恒定的輸出電壓，同時(shí)提供各種負(fù)載電流。

圖1

圖1所示為線性調(diào)節(jié)器原理圖。圖中所示為“串聯(lián)”線性調(diào)節(jié)器電路，因?yàn)檎{(diào)節(jié)器件 (晶體管Q) 與負(fù)載R2串聯(lián)。電路調(diào)節(jié)齊納二極管DZ輸出電壓 (因?yàn)榫w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(fā)射極輸出電壓低于齊納管電壓一個(gè)二極管壓降，并有足夠的電流增益驅(qū)動(dòng)高輸出值Iout (經(jīng)R2)。盡管電路具有良好的輸出電壓調(diào)節(jié)能力 (只要Q在線性區(qū)域工作)，但仍會(huì)感應(yīng)負(fù)載、電源變量(Vs)、噪聲和電源紋波。其中有些問(wèn)題可以采用負(fù)反饋電路感應(yīng)電路輸出來(lái)解決，其他時(shí)候，這個(gè)電路往往用作電壓基準(zhǔn)，支持更加先進(jìn)的線性調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)或選擇線性調(diào)節(jié)器時(shí)，還必須慎重考慮電噪聲、電源Vs至Vout產(chǎn)生的紋波，以及調(diào)節(jié)器輸出中可能耦合的共模電壓。

例如，選擇線性調(diào)節(jié)器時(shí)，必須認(rèn)真確定電路功率要求和穩(wěn)壓器輸出特性。以國(guó)家半導(dǎo)體公司LM340/LM78XX系列三端正壓調(diào)節(jié)器為例，這類線性調(diào)節(jié)器是業(yè)界具有基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要素的標(biāo)準(zhǔn)器件。一般情況下，部分器件規(guī)定了固定輸入電壓條件下的固定輸出電壓 (一般Vs-Vout>2V)，以及最大固定輸出負(fù)載電流Iout。[!--empirenews.page--]

負(fù)載調(diào)節(jié)在給定輸出電流范圍內(nèi) (∆Iout) 定義輸出電壓 (∆Vout) 的變化。由于輸出電壓接近Vs輸入電壓，串聯(lián)輸出電壓調(diào)節(jié)晶體管 (Q1) 近飽和狀態(tài)和電壓/電流增益衰降，會(huì)導(dǎo)致負(fù)載調(diào)節(jié)特性惡化。這種情況也適用于線路調(diào)節(jié)。線路調(diào)節(jié)是在給定輸入電壓 (∆Vs) 范圍內(nèi)改變輸出電壓 (∆Vout)。同樣，∆Vo線路調(diào)節(jié)一般以mV級(jí)定義低電平∆Vs，隨著輸入電壓的變化，mV級(jí)可以放大十倍(與輸出電壓相比)，達(dá)到輸出電壓調(diào)節(jié)晶體管接近擊穿點(diǎn)時(shí)，其增益會(huì)隨之下降。線路調(diào)節(jié)還可以實(shí)現(xiàn)紋波抑制 (∆Vin/∆Vout比)，且應(yīng)大于60 dB，以避免AC波紋通過(guò)輸入電源線路接入線性調(diào)節(jié)器DC輸入電壓。紋波抑制對(duì)于需要保證精確增益和dc精度的模擬系統(tǒng)至關(guān)重要。對(duì)進(jìn)入線性調(diào)節(jié)器的電源紋波，還可以通過(guò)增加必要的電源去耦電容，進(jìn)一步濾除線性調(diào)節(jié)器輸入和輸出中不希望出現(xiàn)的紋波來(lái)加以改善 (后面我們將深入討論電源去耦問(wèn)題)。

去耦示意圖 (Vout通過(guò)與兩個(gè)電容串聯(lián)的L接地)

圖2

正確去耦以降低噪聲的一些重要設(shè)計(jì)理念如圖2所示。將一個(gè)大容量電解電容C1 (一般為10 µF – 100 µF) 放在線性調(diào)節(jié)器輸出端附近 (2英寸以內(nèi))。這個(gè)電容用作電荷庫(kù)，可即刻為負(fù)載提供電流，而不必通過(guò)調(diào)節(jié)器/電感提供電荷。小容量電容C2 (一般為0.01 µF – 0.1 µF) 的位置應(yīng)盡可能靠近負(fù)載，這個(gè)電容的目的是降低負(fù)載的高頻噪聲。所有去耦電容應(yīng)連接大面積低阻抗接地層，以降低阻抗。線性調(diào)節(jié)器輸出端電感器L1 (通常采用小型鐵氧體磁珠) 限制系統(tǒng)內(nèi)噪聲并抑制外部負(fù)載高頻噪聲，同時(shí)避免內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲 (來(lái)自負(fù)載) 傳播到系統(tǒng)的其他部分。

去耦可以非常有效地濾除 (頻帶限制) 線性調(diào)節(jié)器的噪聲功率。線性調(diào)節(jié)器噪聲功率往往規(guī)定為幾微伏均方根值 (rms)，如LM340/78XX系列。這個(gè)噪聲值可以限定在10Hz至100 KHz窄帶寬范圍內(nèi)，但必須注意，如果不采用交流去耦的話 (如上所述)，實(shí)際噪聲帶寬會(huì)非常高。

最后，盡管線性調(diào)節(jié)器使用簡(jiǎn)便 (一般為3個(gè)端子，即輸入、接地和輸出)，在大部分電路環(huán)境下具有出色的DC和AC特性，但在熱特性方面存在極大局限性。由于線性調(diào)節(jié)器內(nèi)部電路輸入電壓Vs高于輸出電壓Vout (Vs-Vout>2V)，這種壓差(Vs-Vout)乘以輸出電流 (Iout) 給出的功率值，最終成為線性調(diào)節(jié)器和系統(tǒng)的熱耗散。必須認(rèn)真考慮這種熱量轉(zhuǎn)換因素。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，必須考慮正確散熱和系統(tǒng)周圍氣流問(wèn)題。例如，如果線性調(diào)節(jié)器最大結(jié)溫為150 °C (且系統(tǒng)中沒(méi)有散熱器或氣流)，系統(tǒng)環(huán)境溫度可達(dá)到125 °C;如果Θja接近 50 °C/W，線性調(diào)節(jié)器最大功率輸出應(yīng)限制在 ½ W以下，以保持在可接受的結(jié)溫極限以內(nèi)。這是為什么線性調(diào)節(jié)器對(duì)于需要大功率和熱效率的系統(tǒng)存在顯著缺點(diǎn)。下面的文章，我們將討論解決這兩個(gè)問(wèn)題的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器。

線性調(diào)節(jié)器仍是電子器件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，無(wú)論驅(qū)動(dòng)其他器件的獨(dú)立電路，還是驅(qū)動(dòng)其他片上電路的子單元。為保證整體系統(tǒng)達(dá)到最高性能，需要認(rèn)真設(shè)計(jì)并遵守技術(shù)規(guī)格的要求。