TI专家为你解答电源设计相关问题(三)

2013-05-12 09:05:29来源: 互联网
电源设计小贴士 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。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 之间。利用这种输入电容配置可降低输出电容的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。

  

  图 2 降压控制器在降压—升压中的双重作用

  必须要选择一个能够以最小输入电压减去二极管压降上电的控制器,而且在运行期间还必须能够承受得住 Vin 加 Vout 的电压。FET 和二极管还必须具有适用于这一电压范围的额定值。通过连接输出接地的反馈电阻器可实现对输出电压的调节,这是由于控制器以负输出电压为参考电压。只需精心选取少量组件的值,并稍稍改动电路,降压控制器便可在负输出降压—升压拓扑中起到双重作用。

电源设计小贴士 6:精确测量电源纹波

  精确地测量电源纹波本身就是一门艺术。在图 1 所示的示例中,一名初级工程师完全错误地使用了一台示波器。他的第一个错误是使用了一支带长接地引线的示波器探针;他的第二个错误是将探针形成的环路和接地引线均置于电源变压器和开关元件附近;他的最后一个错误是允许示波器探针和输出电容之间存在多余电感。该问题在纹波波形中表现为高频拾取。在电源中,存在大量可以很轻松地与探针耦合的高速、大信号电压和电流波形,其中包括耦合自电源变压器的磁场,耦合自开关节点的电场,以及由变压器互绕电容产生的共模电流。

  

  图 1 错误的纹波测量得到的较差的测量结果

  利用正确的测量方法可以大大地改善测得纹波结果。首先,通常使用带宽限制来规定纹波,以防止拾取并非真正存在的高频噪声。我们应该为用于测量的示波器设定正确的带宽限制。其次,通过取掉探针“帽”,并构成一个拾波器(如图 2 所示),我们可以消除由长接地引线形成的天线。将一小段线缠绕在探针接地连接点周围,并将该接地连接至电源。这样做可以缩短暴露于电源附近高电磁辐射的端头长度,从而进一步减少拾波。

  最后,在隔离电源中,会产生大量流经探针接地连接点的共模电流。这就在电源接地连接点和示波器接地连接点之间形成了压降,从而表现为纹波。要防止这一问题的出现,我们就需要特别注意电源设计的共模滤波。另外,将示波器引线缠绕在铁氧体磁心周围也有助于最小化这种电流。这样就形成了一个共模电感器,其在不影响差分电压测量的同时,还减少了共模电流引起的测量误差。图 2 显示了该完全相同电路的纹波电压,其使用了改进的测量方法。这样,高频峰值就被真正地消除了。

  

  图 2 四个轻微的改动便极大地改善了测量结果

  实际上,集成到系统中以后,电源纹波性能甚至会更好。在电源和系统其他组件之间几乎总是会存在一些电感。这种电感可能存在于布线中,抑或只有蚀刻存在于 PWB 上。另外,在芯片周围总是会存在额外的旁路电容,它们就是电源的负载。这二者共同构成一个低通滤波器,进一步降低了电源纹波和/或高频噪声。在极端情况下,电流短时流经 15 nH 电感和 10 μF 旁路电容的一英寸导体时,该滤波器的截止频率为 400 kHz。这种情况下,就意味着高频噪声将会得到极大降低。许多情况下,该滤波器的截止频率会在电源纹波频率以下,从而有可能大大降低纹波。经验丰富的工程师应该能够找到在其测试过程中如何运用这种方法的途径。

关键字:TI  电源设计

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0512/article_18337.html
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