电源设计经验谈.pdf

发布时间：2022-04-08 发布人：admin 分类：互联网资料大小：5.14M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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德州仪器在线技术支持社区 http://www.deyisupport.com/ 请加入 TI 微博：http://e.weibo.com/tisemi 德州仪器在线技术支持社区 http://www.deyisupport.com/ 1

德州仪器在线技术支持社区 http://www.deyisupport.com/ 德州仪器在线技术支持社区 http://www.deyisupport.com/ 2 作者介绍： Robert Kollman 现任 TI 高级应用经理兼科技委员会的资深委员。他拥有在电源电子领域超过 30 年的工作经验，并为电源电子设计了从低功耗 (sub-watt)到超低功耗 (sub-megawatt) 的磁性元件，工作频率在兆赫兹范围内。Robert 毕业于得克萨斯 A&M 大学 (Texas A&M University)，获电子工程理学士学位，后又毕业于南卫理公会大学 (Southern Methodist University)，获电子工程硕士学位。

德州仪器在线技术支持社区 http://www.deyisupport.com/ 目录 ----------------------------------------------------------------------- 电源设计经验谈 1：为您的电源选择正确的工作频率 ......................................................................................... 5 电源设计经验谈 2：驾驭噪声电源 ........................................................................................................................ 6 电源设计经验谈 3：阻尼输入滤波器——第一部分............................................................................................. 8 电源设计经验谈 4：阻尼输入滤波器系列之第二部分 ....................................................................................... 10 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 ....................................................................... 11 电源设计经验谈 6：精确测量电源纹波 .............................................................................................................. 13 电源设计经验谈 7：高效驱动 LED 离线式照明 ............................................................................................... 14 电源设计经验谈 8：通过改变电源频率来降低 EMI 性能 ................................................................................ 16 电源设计经验谈 9：估算表面贴装半导体的温升 .............................................................................................. 18 电源设计经验谈 10：轻松估计负载瞬态响应 .................................................................................................... 20 电源设计经验谈 11：解决电源电路损耗问题 .................................................................................................... 21 电源设计经验谈 12：电源效率最大化 ................................................................................................................ 22 电源设计经验谈 13：小心别被电感磁芯损耗烫伤 ............................................................................................ 24 电源设计经验谈 14：SEPIC 转换器提供高效偏置电源 .................................................................................... 25 电源设计经验谈 15：低成本、高性能 LED 驱动器 ......................................................................................... 27 电源设计经验谈 16：缓冲正向转换器 ................................................................................................................ 29 电源设计经验谈 17：缓冲反向转换器 ................................................................................................................ 33 电源设计经验谈 18：您稳压器的输出电压精度或许并非如您所想的那样糟糕 ............................................. 35 电源设计经验谈 19：轻松创建多个负输出电压 ................................................................................................ 38 电源设计经验谈 20：注意那些意外谐振响应 .................................................................................................... 40 电源设计经验谈 21：请注意电容 RMS 纹波额定电流！ ................................................................................ 42 电源设计经验谈 22：避免一些常见的误差放大器使用错误 ............................................................................. 44 电源设计经验谈 23：改善负载瞬态响应 ............................................................................................................ 46 电源设计经验谈 24：并-串联阻抗转换 ............................................................................................................... 47 电源设计经验谈 25：改善负载瞬态响应—第 2 部分 ...................................................................................... 50 电源设计经验谈 26：高频导体的电流分布 ........................................................................................................ 52 POWER TIP 27: PARALLELING POWER SUPPLIES USING THE DROOP METHOD ....................................................... 54 德州仪器在线技术支持社区 http://www.deyisupport.com/ 3

德州仪器在线技术支持社区 http://www.deyisupport.com/ ----------------------------------------------------------------------- 电源设计经验谈 28：估算热插拔 MOSFET 的瞬态温升——第 1 部分 ......................................................... 56 电源设计经验谈 29：估算热插拔 MOSFET 的瞬态温升——第 2 部分 ......................................................... 57 电源设计经验谈 30：低压降压 IC 让简捷、经济的偏置电源成为现实 ......................................................... 59 电源设计经验谈 31：同步降压 MOSFET 电阻比的正确选择 ........................................................................ 61 电源设计经验谈 32：注意 SEPIC 耦合电感回路电流—第 1 部分 ................................................................. 62 电源设计经验谈 33：注意 SEPIC 耦合电感回路电流——第 2 部分 .............................................................. 64 电源设计经验谈 34：设计简易的隔离式偏压电源 ............................................................................................ 66 POWER TIP 35: MINIMIZE TRANSFORMER INTERWINDING CAPACITANCE ............................................................. 68 电源设计经验谈 36：使用高压 LED 提高灯泡效率 .......................................................................................... 71 电源设计经验谈 37：折中选择输入电容纹波电流的线压范围 ........................................................................ 73 电源设计经验谈 38：使用简易锁存电路保护电源 ............................................................................................. 75 电源设计经验谈 39：同步整流带来的不仅仅是高效率 .................................................................................... 77 电源设计经验谈 40：非隔离式电源的共模电流 ................................................................................................ 78 电源设计经验谈 41：DDR 内存电源 .................................................................................................................. 80 电源设计经验谈 42：可替代集成 MOSFET 的分立器件 .................................................................................. 82 电源设计经验谈 43：分立器件——一款可替代集成 MOSFET 驱动器的卓越解决方案 ............................... 84 电源设计经验谈 44：如何处理高 DI/DT 负载瞬态 .......................................................................................... 85 电源设计经验谈 45：如何处理高 DI/DT 负载瞬态(下) ...................................................................................... 87 电源设计经验谈 46：正确的同步降压 FET 时序 .............................................................................................. 90 电源设计经验谈 47：解决隔离式开关的传导性共模辐射问题 ........................................................................ 92 电源设计经验谈 48：解决隔离式开关的传导性共模辐射问题之第 2 部分 ................................................... 93 电源设计经验谈 49：多层陶瓷电容器常见小缺陷的规避方法 ........................................................................ 95 电源设计小贴士 50：铝电解电容器常见缺陷的规避方法 ................................................................................ 97 德州仪器在线技术支持社区 http://www.deyisupport.com/ 4

德州仪器在线技术支持社区 http://www.deyisupport.com/ 电源设计经验谈 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。图 1 电源组件体积主要由半导体占据德州仪器在线技术支持社区 http://www.deyisupport.com/ 5

德州仪器在线技术支持社区 http://www.deyisupport.com/ 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。图 2 提高工作频率会导致更高的总体损耗下一篇，我们将讨论如何驾驭噪声电源。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德州仪器在线技术支持社区 http://www.deyisupport.com/ 6

德州仪器在线技术支持社区 http://www.deyisupport.com/ 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 1 低电平控制电路的诸多噪声形成机会图 2 两种常见的电流模式噪声问题德州仪器在线技术支持社区 http://www.deyisupport.com/ 7

德州仪器在线技术支持社区 http://www.deyisupport.com/ 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。下一篇，我们将讨论阻尼输入滤波器的第一部分(共 2 部分)。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。图 1 开关电源表现出的负阻抗德州仪器在线技术支持社区 http://www.deyisupport.com/ 8

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