【導(dǎo)讀】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。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。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)。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。
線性調(diào)節(jié)器
圖1：線性調(diào)節(jié)器
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。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。
圖3：升壓轉(zhuǎn)換器
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。
圖2：去耦示意圖
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)。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。
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是所有DC-DC轉(zhuǎn)換器中最高效的一種穩(wěn)壓器。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器能效顯著高于線性穩(wěn)壓器，當(dāng)然，其不利的一面是開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很高的輸出噪聲。不過(guò)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)廣泛適用于各種應(yīng)用場(chǎng)合，包括步升 (升壓)、步降 (降壓)和轉(zhuǎn)換電壓調(diào)節(jié)(升壓/降壓)。
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中內(nèi)置功率開(kāi)關(guān)管 (通常為垂直金屬氧化物半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱VMOS，但也可采用雙極器件)。功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)/關(guān)工作周期確定儲(chǔ)存多少能量，然后為負(fù)載供電。與線性穩(wěn)壓器采用電阻間能效低下的壓降方式調(diào)節(jié)電壓不同，相對(duì)來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器幾乎無(wú)功耗! 其秘密就在于其中的功率開(kāi)關(guān)管。開(kāi)關(guān)管打開(kāi)時(shí)，其兩端為高電壓，而電流為零。開(kāi)關(guān)管閉合時(shí)，開(kāi)關(guān)管輸出高電流，而兩端電壓為零! 由于從電感器過(guò)來(lái)的電壓和電流存在90度相位差 (也沒(méi)有DC壓降)，因此開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以達(dá)到極高的能效水平。
圖3：升壓轉(zhuǎn)換器
下面，以升壓轉(zhuǎn)換器為例，簡(jiǎn)要介紹步升開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的功能 (參見(jiàn)圖3)。電感的主要功能是儲(chǔ)能并限制進(jìn)入開(kāi)關(guān)管的電流變化率 (否則只能單獨(dú)由開(kāi)關(guān)電阻限制高峰值電流)。在穩(wěn)定狀態(tài)條件下，開(kāi)關(guān)管打開(kāi)，電感為電容充電，直到+Vout與+Vin相等 (二極管電流為零)。開(kāi)關(guān)管閉合時(shí)，由于二極管防止電容+Vout (仍然等于+Vin)對(duì)地放電，輸入電壓+Vin作用于電感。通過(guò)電感的電流以+Vin/L比率線性增長(zhǎng)，di/dt (隨開(kāi)關(guān)管閉合時(shí)間) 。而當(dāng)開(kāi)關(guān)管再次打開(kāi)時(shí)，電感電流經(jīng)整流二極管為電容充電，電壓以I/C比率按dv/dt比值增長(zhǎng) (隨開(kāi)關(guān)管打開(kāi)時(shí)間)。如果功率開(kāi)關(guān)管工作周期 (D=tclosed/(tclosed+topen)) 等于50%，理想條件下+Vout可以達(dá)到Vin+Vin，即兩倍于施加的輸入電壓 (因?yàn)榉€(wěn)定狀態(tài)下，平均電感電壓肯定等于零) ! 當(dāng)然，工作周期DV會(huì)相應(yīng)改變，而調(diào)整輸出電壓可以得到Vout=Vin/(1-D)的結(jié)果。這為用戶采用升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在DC輸入電壓(+Vin) 限定的條件下，以加倍DC輸出電壓，在給定的整體能效范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)電路負(fù)載提供了極大的靈活性。
當(dāng)然，雖然理想的升壓轉(zhuǎn)換器在功效方面具有顯著優(yōu)點(diǎn)，但也需要考慮電路的實(shí)際限制性。升壓轉(zhuǎn)換器最大的功耗因素是整流二極管。簡(jiǎn)單的功耗計(jì)算方法為(熱狀態(tài)下)，正向壓降乘以穿過(guò)整流二極管的電流。為最大限度提高效率，可用另一支功率開(kāi)關(guān)管取代二極管。這支整流開(kāi)關(guān)管可在主開(kāi)關(guān)和閉合時(shí)，以先斷后通的模式打開(kāi)，從而防止兩支開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通。采用這種配置，功效可以達(dá)到90%以上。
以LM2578A/LM3578A開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器為例，這種開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器采用雙極型晶體管作為功率開(kāi)關(guān)器件。它含有一個(gè)板載振蕩器，可利用一支1Hz至100 kHz以下 (典型值) 外接電容設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率。輸出電流最高可達(dá)750 mA，帶有限流和熱關(guān)斷功能。當(dāng)LM2578A/LM3578A按升壓轉(zhuǎn)換器配置時(shí) (例如，Iout=150 mA時(shí)，Vin=+5V，Vout=+15V)，器件的負(fù)載調(diào)節(jié)為14 mV (30 mA< Vin < 8.5V)。同樣，線性調(diào)節(jié)是在給定輸入電壓范圍內(nèi) (?Vin)，改變輸出電壓 (?Vout)。在DC電源控制的系統(tǒng)中，可以相當(dāng)輕松地控制線性調(diào)節(jié)。但在使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要當(dāng)心，因?yàn)槠骷蘒out電流中固有的常量變化，會(huì)造成負(fù)載調(diào)節(jié)輸出電壓不穩(wěn)。14 mV 負(fù)載調(diào)節(jié)會(huì)使15V系統(tǒng)產(chǎn)生約1%的波動(dòng)，而且在沒(méi)有正確去耦的情況下，開(kāi)關(guān)噪聲 (來(lái)自電路負(fù)載) 會(huì)向后感應(yīng)到升壓轉(zhuǎn)換器的Vout ，這樣，會(huì)使電路負(fù)載性能下降變得非常難以管理。
總之，當(dāng)能效成為首要因素 (如電池供電的便攜式設(shè)備)，以及+Vin電源一般為DC電壓，而需要較高+Vout輸出電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是最理想的選擇。同時(shí)，在大功率情況下 (高于幾瓦)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器更加經(jīng)濟(jì)，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的熱量小，從而消除了復(fù)雜的散熱設(shè)計(jì)的成本并節(jié)省了空間。注意開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸出電壓紋波，及對(duì)其所驅(qū)動(dòng)的電路產(chǎn)生的影響，可以顯著提高設(shè)計(jì)水平。
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