直流电源管理子系统设计

　　与五年前相比，如今为电子系统提供和控制直流电源的电源管理子系统设计要复杂很多。设计师必须采用工作电压低于1V的IC，这些IC要消耗100A以上电流，并且具有GHz级的工作时钟频率。此外，这种子系统不仅包括电源设计，而且还包括需要专用IC才能实现的系统性功能。

　　系统观点对实现的电源管理子系统设计非常必要(图1)。首先，你必须选择电子系统的电源分配技术。目前主要有四种电源分配架构：集中式电源架构、分布式电源架构、中间总线架构和基于电池的电源分配架构。下面给出了这四种架构的特点。

　　1. 集中式电源架构：输入为一个交流电源电压，可输出一个到5个输出电压；通常对小型低功率系统来说性价比；大部分热量集中在单个电源里；缺乏设计灵活性，很难增加电压和电流要求。

　　2. 分布式电源架构：前端电源将交流电输入转换成12、24或者48伏的直流输出，这些直流电压输出分布于不同的总线上，非隔离负载点DC/DC转换器(POL)将总线上的电压降低到负载需要的电压；改变负载电流或电压仅需要改变一个负载点；单个负载点的故障通常只会影响到一个功能或单块PCB板；热量分散在整个系统中。

　　3. 中间总线架构(IBA)：在前端电源和负载点之间插入另一个电源分配级，IBA(见图1)使用一个隔离的总线转换器，它提供一个未稳压的9.6伏到14伏电压给非隔离的POL转换器供电。通过限制输入电压范围和工作在开环状态实现高效率。整个电源系统的典型占空比为50%。所有元器件针对负载电压/电流进行了优化。

　　图1：在内部总线架构中，来自前端电源的输入通过一个总线转换器给POL转换器供电，而分布式电源架构系统直接通过前端电源给POL转换器供电。

　　4. 基于电池的电源分配架构：空间限制差不多要求所有的电路都从头开始设计；电源管理子系统设计包含电池的电压稳压电路，因为电池的输出电压会随着使用时间而逐渐降低；适用于锂离子、镍氢和镍镉电池组；可提供高效率，以尽可能地延长电池工作时间；必须使用重量轻和尺寸小的电源；必须具有高效的散热设计，以防止过热。

　　一旦选定了电源分配系统，你就可以开始电源管理子系统设计了。这时要求设计师仔细了解应用的电源规范。除了电池供电系统之外，设计师可以考虑自己设计或购买电源和支持电路。自己设计生产电源需权衡多方面因素，比如是设计一个开关稳压器还是一个线性稳压器。

　　开关稳压器

　　开关稳压器将直流输入电压转换成用来控制功率半导体开关的开关电压。功率半导体开关的输出经过整流和滤波后产生直流输出电压。如果输出电压改变，电压反馈功能可维持正确的稳压值。

　　开关稳压器可以被集成在一个芯片上或者多个芯片上。单芯片开关稳压器将集成双极结式晶体管(BJT)或MOSFET功率开关。多芯片开关稳压器包含控制器、栅极驱动器和MOSFET三大部件。一般开关频率范围在60kHz到3MHz范围内。

　　开关频率决定了滤波电感、电容和变压器的体积和参数值。开关频率越高，外接器件的体积和参数值就可以更小。为提高效率，变压器/电感的磁芯材料必须在开关频率上有较高的效率。

　　开关稳压器可以是隔离式的，也可以是非隔离式的。非隔离稳压器的输入到输出有个直流通路。隔离式稳压器采用了变压器，因此输入和输出电压是相互隔离的。

　　对所有的开关电源来说PCB布局布线都非常重要，特别是在大峰值电流和高开关频率的情况下。主要的电流路径和电源地线要使用宽、短的走线，相关的电容和电感也应尽可能离稳压IC。

　　目前存在三种基本的开关稳压器控制器IC：脉宽调制(PWM)(图2)、磁滞(图3)和多相(图4)。这些技术通过控制相应的功率半导体开关导通和断开来保持电压稳定。下面对三种基本的开关稳压控制器IC技术的特性加以比较。

　　图2：PWM控制器通过改变功率开关导通和截止的占空比来调节电压输出。整流和低通输出滤波器输出与导通和截止时间成比例的输出电压。

　　脉宽控制通常使用同步整流器或者肖特基二极管输出，采用非隔离的拓扑结构。这些拓扑结构包括降压型， 升压型、升降压型、SEPIC型和Cuk型。在回扫式、推挽式、前向、全桥和半桥拓扑结构中采用了隔离输入输出的转换器。通过互补式功率场效应管和功率因数校准IC实现高效率并符合谐波发射标准。

　　磁滞控制提供快速反应和线性瞬态，它使用宽带控制回路，而无需采用误差放大器和频率补偿。运行频率取决于输入输出电压、输出滤波器感应系数和磁滞窗口。常规的磁滞校准器的频率随输出电容等效串联电阻的变化而变化。

　　图3：磁滞控制器通过比较输出反馈和参考电压决定功率半导体开关的导通和截止，以根据输出电压进行调节，来保持输出电压的恒定。整流和低通输出滤波器的输出电压与功率开关的导通和截止时间成比例。

　　多相控制技术采用n个同样的单元，有效的输出波纹频率n←→f, 其中f是运行频率。该技术具有更好的动态性能，与单相系统相比还可以显著减少去耦电容。该技术需要电流共享监控电路来确保每个单元等额共享电流。每个单元输出总输出功率的1/n，减少了在每个相位使用的电感的物理尺寸和电感值。每一个相位的功率开关处理总功率的1/n，这样功率消耗将分散在多个器件上。

　　图4：多相控制器错开每个交叉单元的开关时间，以使每个单元之间的相角为360°/n，其中n为调节器单元的数量。开关单元运行在公共频率，并需要进行相移以便以有规律的控制间隔进行开关转换。输出电压等于所有单元同步整流输出之和。

　　我们再比较一下低压降(LDO)稳压IC和基本的充电泵(开关电容)IC的特性，这些稳压器不需要功率半导体开关进行导通和截止操作(图5)。

　　低压降是指LDO稳压器正常工作时输入输出电压之间的差别。LDO稳压器不涉及开关操作，因此它的工作状态相对“安静”。它可以使用可调整或者固定输出的电压，并且可以利用控制输出电压的激光微调电阻，提供全范围固定输出电压。LDO稳压器较高的电源波纹抑制比可阻止输出电压因输入电压变化而产生波动。一些低压降稳压器还包含一个外接电容的旁路引脚，以便对有可能成为噪声源的内部电压参考进行滤波。

　　电荷泵IC具有逆变器、分路器或者升压器的作用。由于缺少调节功能，大多数电荷泵IC都增加了线性调压或者电荷泵调节模块。线性调节模块提供的输出噪音和更好性能，电荷泵调节模块控制开关电阻以提供更高效率和输出电流。电荷泵IC不需要电感或变压器，从而消除了电磁场和电磁干扰，但如果电容充电电流很高，则会产生一个较小的噪声源。

　　专用电源管理IC和功率半导体开关

　　由于电子系统已变得越来越复杂和越来越，电源管理子系统需要采用数种专用IC(图5)。当然，这些IC也可以用来设计通用电源(图6)。

　　图5：LDO工作在线性模式。误差放大器的一个输入端监视输出电压，另一个输入是基准电压。如果输出电压相对参考电压发生改变，误差放大器控制导通晶体管的特性以稳定输出电压。

　　在电源管理系统中用到的功率半导体有功率MOSFET和BJT。它们可以是分立器件，也可以与其它电路集成在单个封装中。它们采用内部或外部栅极驱动器来实现导通和断开功能。

　　当开关向负载输送功率时，电源开关会带来一些功率损耗。这些功率开关在导通和断开时会有一些时延，工作在导通和断开之间的线性区域的开关会产生功率损耗。开关导通时的功率损耗为I 2R，因为半导体开关都有一定数值的导通电阻。虽然开关断开时的漏电流很小，但由于开关具有很小的断开电阻，所以也会产生一些功率损耗。功率损耗终会影响电源的效率。

　　图6：充电泵IC通过利用开关网络对两个或更多的电容进行充放电来提供DC/DC电压转换功能。C1电容对C2电容反复充电，C2保持电荷并对输出电压滤波。

　　数字电源控制

　　数字电源控制使得控制、监视和维护电源管理子系统成为可能。这种控制可以用Power-One公司的Z-One技术实现，也可以用电源和半导体公司联盟开发的电源管理总线(PMBus)标准规范实现。Z-One系统允许单个数字电源管理器集中控制分布式负载点电源稳压器。

　　PMBus特性与Z-One技术类似。它这是一个开放标准，定义了用于控制电源转换器件的数字通信协议。PMBus允许工程师根据一套标准的命令集配置、监视和维护电源转换器。

　　设计工程师可以利用PMBus命令设置电源的工作参数、监视电源运行，并根据故障或工作告警执行校正措施。设置电源输出电压的能力允许通过重新编程使相同硬件输出不同的电压值。PMBus系统的监视和维护能力还进一步增强了电源系统的可靠性和可用性。

　　在具体应用时，PMBus协议还可以支持多电源的电源管理产品，并且OEM商能够使用一套标准的命令集控制兼容的电源转换器。

　　附电源管理术语

　　漂移：在固定线路电压、负载和环境温度下随时间而改变的直流输出电压变化。

　　效率：在指定负载电流和标称线路条件下输出对输入功率的比值(百分比)(POUT/PIN)。

　　保持时间：在输入电源丢失的情况下电源输出电压值保持在规定范围内的时间。

　　浪涌电流：在功率开关导通时电源输出的峰值瞬时输入电流。

　　国际标准：规定了电源的安全要求和允许的电磁干扰等级。

　　隔离度：电源输入和输出端的电气隔离，单位伏；非隔离电源在输入和输出之间有一直流通路，而隔离式电源采用变压器消除了输入与输出之间的直流路径。

　　线性调整率：由于交流输入电压变化而引起的直流输出电压变化值，单位±mV或±%。

　　负载调整率：由于负载变化(从开路到额定输出电流)引起的直流输出电压变化值，单位±mV或±%。

　　余量：系统测试时可以临时改变输出电压，该值规定了偏离标称值的百分比数。

　　噪声：电源输出可能包含了由于寄生电容充放电引起的短暂高频脉冲；这种噪声会影响电源总的瞬时输出电压，也可能耦合进邻近电路，特别是模拟电路。

　　过流：这种故障模式会引起大于规定值的负载电流；过流受限于电源内阻和电流能力；它会损坏电源。

　　过温：温度超过了电源的规定极限值；这种情况必须加保护措施，否则会造成电源故障；许多电源包含过温保护电路，当温度超过规定极限值时会关闭电源。

　　过压：一种故障模式，此时输出电压超过了规定的直流门限；过高的电压会破坏负载电路；为了减少这种风险，许多电源采取了过压保护措施。

　　PARD(周期性和随机偏差) ：在规定带宽内测到的所有纹波和噪声分量总和，用峰峰值或rms值表示。

　　功率因数：交流电路中实际输入功率(EI cos)与视在功率(Erms Irms)的比值，是cos函数值，用百分比或小数表示。

　　冗余度(N+1)：电源采用并联方式，当一个发生故障时，其它电源能继续向负载提供足够的电流。

　　遥控开/关：电源的内部电压检测输入端，可以旁路它的输出，并直接连接到负载；检测输入端可校正在电源输出和负载之间发生的任何电压下降。

　　纹波：在电源直流输出上叠加的由于开关和滤波引起的交流频率分量；通常可以用额外的输出滤波电容减少纹波。

　　软启动：在电源打开时可降低浪涌电流。

　　跟踪：控制两个电源的输出电压，使它们在加电、断电和稳态工作时相互影响，并不超过规定值。

　　瞬态响应：电源对负载电流快速变化的响应能力；响应必须足够快才能保证输出电压保持稳定。

　　欠压死锁(UVLO)：当输入电压上升并达到打开门打开电源，当输入电压下降并低于关闭门切断电源。