电源开关设计秘笈30例之二.pdf-资料库

电源开关设计秘笈 30 例 Robert Kollman Roger Chan Alan Hastings Rich Nowakowski www.ti.com.cn 2011-3-8

前言电源设计一直是工程师面对的一个难题，随着全球节能环保意识的提升，设计简捷、高效、轻巧的绿色电源成为工程师的首要任务，为了帮助工程师解决这方面的难题，现在特别隆重推出大量实用资料供工程师朋友下载，目前推出的一本电子书叫做《电源开关设计秘笈 30 例》，对电源开关设计技巧做出了详细的说明，相信一定对工程师朋友们有很大帮助。《电源开关设计秘笈 30 例》电子书收集了 TI 公司专家撰写的有关电源设计的 30 个秘笈，现特做出合订本，方便工程师朋友进行下载，这 30 个秘笈的中间十个分别如下。秘笈 11 阻尼输入滤波器秘笈 12 降压—升压电源设计中降压控制器的使用秘笈 13 精确测量电源纹波秘笈 14 高效驱动 LED 离线式照明秘笈 15 通过改变电源频率来降低 EMI 性能秘笈 16 针对医疗设备的精确电池备份秘笈 17 驱动 WLED 未必需要 4 V 的电压秘笈 18 利用有源电池平衡技术增加大型锂离子电池组能量供给秘笈 19 应用处理器专用电源秘笈 20 针对负载点消费类电子设备的方便易用的电源管理解决方案

电源开关设计秘笈 30 例作者简介作者简介 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 Roger Chan 现任 TI 设计工程师，主要负责电源接口和热插拔设计。Roger 拥有一项专利和 3 项未决专利。他毕业于德克萨斯大学奥斯汀分校 (University of Texas at Austin)，获电子工程理学士学位，后又毕业于密歇根大学安娜堡分校 (University of Michigan, Ann Arbor)，获电子工程硕士学位。 Alan Hastings 现任 TI 高级设计工程师，主要设计针对热插拔和以太网供电市场的产品。他现为 TI 科学家并拥有 20 多项专利。Alan 毕业于佛罗里达大学甘城分校 (University of Florida, Gainesville)。 Rich Nowakowski 现任 TI 高性能模拟产品部 DC/DC 转换器产品营销经理。他毕业于北达科他州立大学 (North Dakota State University)，获电子工程理学士学位和工商管理硕士学位。

电源开关设计秘笈 30 例目录目录秘笈 11 阻尼输入滤波器 ··················································································· 1 秘笈 12 降压—升压电源设计中降压控制器的使用 ················································ 4 秘笈 13 精确测量电源纹波 ··················································································· 6 秘笈 14 高效驱动 LED 离线式照明 ··································································· 8 秘笈 15 通过改变电源频率来降低 EMI 性能 ···················································· 10 秘笈 16 针对医疗设备的精确电池备份 ······························································ 13 秘笈 17 驱动 WLED 未必需要 4 V 的电压 ····················································· 18 秘笈 18 利用有源电池平衡技术 ············································································ 增加大型锂离子电池组能量供给 ·························································· 24 秘笈 19 应用处理器专用电源 ············································································ 36 秘笈 20 针对负载点消费类电子设备的 ··································································· 方便易用的电源管理解决方案 ······························································· 41

电源开关设计秘笈 30 例阻尼输入滤波器秘笈 11 阻尼输入滤波器电源管理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 1

电源开关设计秘笈 30 例阻尼输入滤波器系统的运行。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。图 2 谐振时滤波器的高阻抗和高阻性振荡但是，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。图 3 与其负阻抗耦合的开关谐振滤波器可引起不必要的振荡 2

电源开关设计秘笈 30 例阻尼输入滤波器设计稳定电源系统的秘诀是保证系统电源阻抗始终大大小于电源的输入阻抗。我们需要在最小输入电压和最大负载（即最低输入阻抗）状态下达到这一目标。在电源设计小贴士 4 中，我们将讨论控制电源阻抗的一些实用方法。 3

电源开关设计秘笈 30 例降压—升压电源设计中降压控制器的使用秘笈 12 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置相同的降压控制器。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。图 1 降压—升压电感要求平衡其伏特-微秒乘积降压—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/(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。 4

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