电源设计经验

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TEXAS INSTRUMENTS 德州仪器在线技术支持社区http://www.deyisupport.com 目录 电溟设计经验谈1:为您的电源选择正确的工作频率… 电源设计经验谈2:驾驭噪声电源 电源设计经验谈3:阻尼输入滤波器——第一部分.… 电源设计经验谈4:阻尼输入滤波器系列之第二部分. 电源设计经验谈5:降压一升压电源设计中降压控制器的使用 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 电淚设计绎验谈8:通讨改变电源频率来降低EM性能.… ∴16 电源设计经验谈9:估算表面贴装半导体的温升 电源设计绎验谈10:幹松佔计负载态响应 ∴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※最大化.… 电源设计经验谈13:小心别被电感磁芯损烫伤 24 电源设计经验谈14:SEPC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 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杵糟糕……. 电源设计经验谈19:轻松创建多个负输出电压 电源设计经验谈20:注意那些意外谐振响应 电源设计绎骀谈21:清注意电容RMS纹波额定电流! 电源设计经验谈22:避免一些常见的误差放人器使用错误… 44 电溟设计纤验谈23:改善负载瞬态响应… 电源设计经验谈24:并-串联阻抗转换 电源设计经验谈25:改善负载瞬态响应一第2部分∴… 50 电源设计经验谈26:高频导体的电流分布 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 TEXAS INSTRUMENTS 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.. 电溟设计绎谈29:估算热插拔 MOSFET的瞬态湉升—第2部分 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电阻比的确选择 电源设计经验谈32:注意SEPC耦合电感回路电流一第1部分 电源设计经验谈33:江意sEPC耦合电感回路电流——第2部分 电源设计经验谈34:设计简易的隔离式偏压电源 POWER TIP 35: MINIMIZE TRANSFORMER INTERWINDING CAPACITANCE 电源设计经验谈36:使用高压LED提高灯泡效率. 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 电源设计经验谈38:使用简易锁存电路保扩电源… 电源设计经验谈39:同步整流带来的不仅仅是高效率. 电源设计经验谈40:非竊离式电源的共模电流 电源设计经验谈41:DDR内存电源 电溟设计绎驗谈42:可替代集成 MOSFET的分立器件∴.….. 着:, 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, 电溟设计绎验谈44:如何处理高D/DT负载瞬态. 电源设计经验谈45:如何处理高D/DT负载瞬态(下) 电源设计经验谈45:正确的同步璨压FET时序 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 电溟设计经验谈48:解次隔离式开关的传导性共模辐射闩题之2部分…… 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….. 德州仪器在线技术支持社区http://www.deyisupport.com/ 4 TEXAS INSTRUMENTS 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!随着现在就越低。其次,较高的频率运行通常意味 对更高效、更低成本电源解决方案需求的着可以使用较小的组件值。因此,更高频 强调,我们创建了该专栏,就各种电源管率运行能够带来极大的成本节约 理课题提出一些对您有帮助的小技巧。该 图1显示的是降压电源频率与体积 专栏面向各级设计工程师。无论您是从事的关系。频率为100kHz时,电感占据 电源业务多年还是刚刚步入电源领域,您了电源体积的大部分(深蓝色区域)。如果 都可以在这里找到一些极其有用的信息,我们假设电感体积与其能量相关,那么其 以帮助您迎接下一个设计挑战 体积缩小将与频率成正比例关系。由于某 为您的电源选择最佳的工作频率是种频率下电感的磁芯损耗会极大增高并 个复杂的权衡过程,其中包括尺寸、效限制尺寸的进一步缩小,因此在此情况下 率以及成本。通常来说,低频率设计往往上述假设就不容乐观了。如果该设计使用 是最为高效的,但是其尺寸最大且成本也陶瓷电容,那么输出电容体积(褐色区域) 最高。虽然调高频率可以缩小尺寸并降低便会随频率缩小,即所需电容降低。另一 成本,但会增加电路损耗。接下来,我们方面,之所以通常会选用输入电容,是因 使用一款简单的降压电源来描述这些权为其具有纹波电流额定值。该额定值不会 衡过程。 随频率而明显变化,因此其体积(黄色区域) 我们以瀌波器组件作为开始。这些组往往可以保持恒定。另外,电源的半导体 件占据了电源体积的大部分,同时滤波器部分不会随频率而变化。这样,由于低频 的尺寸同工作频率成反比关系。另一方面,开关,无源器件会占据电源体积的大部分。 每一次开关转换都会伴有能量损耗;工作当我们转到高工作频率时,半导体即半导 频率越高,开关损耗就越高,同时效率也体体积,淡蓝色区域开始占据较大的空问 比例 014 02 口 ControlLE 003 UUe a Outout Cap 囗 neuter santecl crd Dr 004 002 20 6400 Switching Frequen (Khz 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 TEXAS INSTRUMENTS 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 当开关损耗和传导损耗相等时,每种 未随频率而变化,而这一关系可能过于简工作频率的总损耗最低。另外,随着工作 单化。与半导体相关的损耗主要有两类:频率提高,总损耗将更高 传导损耗和开关损耗。同步降压转换器中 但是,在更高的工作频率下,最佳裸 的传导损耗与 MOSFET的裸片面积成反片面积较小,从而带来成本节约。实际上, 比关系。 MOSFET面积越大,其电阻和传在低频率下,通过调整裸片面积来最小化 导损耗就越低。 损耗会带来极高成本的设计。但是,转到 开关损耗与M○SFET开关的速度以更高工作频率后,我们就可以优化裸片面 及M○SFET具有多少输入和输出电容有积来降低损耗,从而缩小电源的半导体体 关。这些都与器件尺寸的大小相关。大体积。这样做的缺点是,如果我们不改进半 积器件具有较慢的开关速度以及更多的导体技术,那么电源效率将会降低。如前 电容。图2显示了两种不同工作频率(F)所述,更高的工作频率可缩小电感体积 的关系。传导损耗(Pcon)与工作频率无所需的内层芯板会减少。更高频率还可降 关,而开关损耗(PSWF1和PswF2)与低对于输出电容的要求。有了陶瓷电容, 工作频率成正比例关系。因此更高的工作我们就可以使用更低的电容值或更少的 频率(PswF2)会产生更高的开关损耗。电容。这有助于缩小半导体裸片面积,进 而降低成本。 Peon PlotT PSw F2 Ptot F2 0 2 10 Relative Die Area 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 种好的电源布局是在设计时最大程度电源内部一些主要噪声敏感型电路的结 的缩短实验时间。花费数分钟甚至是数小构图。将输出电压与一个参考电压进行比 时的时间来仔细查看电源布局,便可以省较以生成一个误差信号,然后再将该信号 去数天的故障排查时间。图1显示的是与一个斜坡相比较,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/ TEXAS INSTRUMENTS 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。电源噪其他反馈组件紧跟其后。并且,串联电阻 声主要来自三个地方:误差放大器输入与-电容也可能形成补偿网络。最理想的结果 输出、参考电压以及斜坡。对这些节点进是,将电阻靠近误差放大器输入端放置, 行精心的电气设计和物理设计有助于最这样,如果高频信号注入该电阻电容节点 大程度地缩短故障诊断时间。一般而言,时,那么该高频信号就不得不承受较髙的 噪声会与这些低电平电路电容耦合。一种电阻阻抗一而电容对高频信号的阻抗则 卓越的设计可以确保这些低电平电路的很小。斜坡是另一个潜在的会带来噪声问 紧密布局,并远离所有开关波形。接地层题的地方斜坡通常由电容器充电(电压模 也具有屏蔽作用。误差放大器输入端可能式)生成,或由来自于电源开关电流的采样 是电源中最为敏感的节点,因为其通常具(电流模式)生成。通常,电压模式斜坡并 有最多的连接组件。如果将其与该级的极不是一个问题,因为电容对高频注入信号 高增益和高阻抗相结合,后患无穷。在布的阻抗很小。而电流斜坡却较为棘手,因 局过程中,您必须最小化节点长度,并尽为存在了上升边沿峰值、相对较小的斜坡 可能近地将反馈和输入组件靠近误差放振幅以及功率级寄生效应。 大器放置。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置, VOUT Zin Error Amp Reference Comparator Ramp 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 TEXAS INSTRUMENTS 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噪声正被注入下列三个地方之一:误差放 题。第一幅图显示了上升边沿峰值和随后大器、参考电压或斜坡。您只需分步解决 产生的电流斜坡。比较器(根据其不同速度)便可!第一步是检查节点,看斜坡中是否 具有两个电压结点( potential trip存在明显的非线性,或者误差放大器输出 points),结果是无序控制运行,听起来更中是否存在高频率变化。如果检查后没有 像是煎熏肉的声音。 发现任何问题,那么就将误差放大器从电 利用控制C中的上升边沿消隐可路中取出,并用一个清洁的电压源加以代 以很好地解决这一问颎,其忽略了电流波替。这样您应该就能够改变该电压源的输 形的最初部分。波形的高频滤波也有助于出,以平稳地改变电源输出。如果这样做 解决该问题。同样也要将电容器尽可能近奏效的话,那么您就已经将问题范围缩小 地靠近控制|C放置。正如这两种波形表至参考电压和误差放大器了。 现出来的那样,另一种常见的问题是次谐 有时,控制C中的参考电压易受开 波振荡。这种宽-窄驱动波形表现为非充关波形的影响。利用添加更多(或适当)的 分斜率补偿。向当前斜坡增加更多的电压旁路可能会使这种状况得到改善。另外, 斜坡便可以解决该问题。尽管您已经相当使用栅极驱动电阻来减缓开关波形也可 仔细地设计了电源布局,但是您的原型电能会有助于解决这一问题。如果问题出在 源还是存在噪声。这该怎么办呢?首先,误差放大器上,那么降低补偿组件阻抗会 您要确定消除不稳定因素的环路响应不有所帮助,因为这样降低了注亼信号的振 存在问题。有趣的是,噪声问题可能会看幅。如果所有这些方法都不奏效,那么就 起来像是电源交叉频率上的不稳定。但真从印刷电路板将误差放大器节点去除。对 正的情况是该环路正以其最快响应速度补偿组件进行架空布线( air wiring)可 纠出注入误差。同样,最佳方法是识别出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 的下降,电流不断上升。 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。s 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 start PGWO1-Scpp=-vi 显示的是一个开关电源的特征。随着电压 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 TEXAS INSTRUMENTS 德州仪器在线技术支持社区http://www.deyisupport.com 负输入阻抗 高频率时,输出电容分流阻抗。在中间频 电压-电流线呈现出一定的斜率,其从率时,电感和电容实质上就形成了一种并 本质上定义了电源的动态阻抗。这根线的联谐振电路,从而使电源阻抗变高,呈现 斜率等于负输入电压除以输入电流。也就出较高的电阻。 是说,由Pin=V.,可以得出∨=Pin/ 大多数情况下,峰值电源阻抗可以通 并由此可得dVd=-Pin/12或d∨/d过首先确定滤波器(Zo)的特性阻抗来估 ≈-∨/。该近似值有些过于简单,因为算得出,而滤波器特性阻抗等于电感除以 控制环路影响了输入阻抗的频率响应。但电容所得值的平方根。这就是谐振下电感 是很多时候,当涉及电流模式控制时这种或者电容的阻抗。接下来,对电容的等效 简单近似值就已足够了。 串联电阻(ESR)和电感的电阻求和。这样 为什么需要输人滤波器 便得到电路的Q值。峰值电源阻抗大约 开关调节器输入电流为非连续电流,等于Zo乘以电路的Q值。振荡 并且在输入电流得不到滤波的情况下其 但是,开关的谐振滤波器与电源负阻 会中断系统的运行。大多数电源系统都集抗耦合后会出现问题。图3显示的是在 成了一个如图2所示类型的滤波器。电个电压驱动串联电路中值相等、极性相 容为功率级的开关电流提供了一个低阻反的两个电阻。这种情况下,输出电压趋 ,而电感则为电容上的纹波电压提供了向于无穷大。当您获得由谐振输入滤波器 个高阻抗。该滤波器的高阻抗使流入源等效电阻所提供电源的负电阻时,您也就 极的开关电流最小化。在低频率时,该滤会面临一个类似的电源系统情况;这时, 波器的源极阻抗等于电感阻抗。在您升高电路往往就会出现振荡 频率的同时,电感阻抗也随之增加。在极 -R X Vin R c 图3与其负阻抗耦合的开关谐振滤波器 图2谐振时滤波器的高阻抗和高阻可引起不必要的振荡 性 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 计经验谈4中,我们将讨论控制电源阻抗的一些实用方法 德州仪器在线技术支持社区http://www.deyisupport.com/ TEXAS INSTRUMENTS 德州仪器在线技术支持社区http://www.deyisupport.com 电源设计经验谈4:阻尼输入滤波器系列之第二部分 控制源极阻抗 输人滤波器并联放置。利用一个跨接C○ 在“电源设计经验谈3”中,我们讨的电阻,可以阻尼滤波器。但是,在大多 论了输亼滤波器的源极阻抗如何变得具数情况下,这样做会导致功率损耗过高。 有电阻性,以及其如何同开关调节器的负另一种方法是在滤波器电感的两端添加 输入阻抗相互作用。在极端情况下,这些个串联连接的电感和电阻有趣的是, 阻抗振幅可以相等,但是其符号相反从而旦选择了四个其他电路组件,那么就会有 构成了一个振荡器。业界通用的标准是输 个阻尼电阻的最佳选择。图2显示的 入滤波器的源极阻抗应至少比开关调节是不同阻尼电阻情况下这类滤波器的输 器的输入阻抗低6B,作为最小化振荡概出阻抗。红色曲线表示过大的阻尼电阻。 率的安全裕度。输入滤波器设计通常以根请思考一下极端的情况,如果阻尼电阻器 据纹波电流额定值或保持要求选择输入开启,那么峰值可能会非常的高,且仅由 电容(图1所示C○ CO和LO来设定。蓝色曲线表示阻尼电 开始的。第二步通常包括根据系统的阻过低。如果电阻被短路,则谐振可由两 EM|要求选择电感(LO)。正如我们上个个电容和电感的并联组合共同设置。绿色 月讨论的那样,在谐振附近,这两个组件曲线代表最佳阻尼值。利用一些包含闭型 的源极阻抗会非常高,从而导致系统不稳解的计算方法(见参考文献1)就可以很轻 定。囟Ⅰ描述了一种控制这种阻抗的方松地得到该值。 法,其将串联电阻(RD)和电容(CD)与 Zout LO VDC ≤RD CD=N*O 10000 图1CD和RD阻尼输出滤波器源 图2在给定CD-CO比的情况下, 极阻抗 有一个最佳阻尼电阻选择组件 选择阻尼电阻 在选择阻尼组件时,图3非常有用。 该图是通过使用 RD Middle brook建立尼电阻同该典型阻抗的比。利用该图,首 的闭型解得到的。横坐标为阻尼滤波器输先根据电路要求来选择LO和CO,从 出阻抗与未阻尼滤波器典型阻抗(Z○ 而得到Z○。随后,将最小电源输入阻抗 L○/C○)1/2)的比。纵坐标值有两个:除以二,得到您的最大输入滤波器源极阻 阻 抗(6CB)。 尼电容与滤波器电容(N)的比;以及阻 德州仪器在线技术支持社区http://www.deyisupport.com/

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