现代设计中电源子系统的创建解析

从线性电源到数字电源，我们有很大的设计选择范围。本文简要介绍设计者面对的一些替代方案，以及会出现的问题。
　　要点
　　电源子系统可以采用线性、开关、电荷泵、AC/DC、数字管理，或数字控制等方式。
　　线性电源有发热问题。
　　电荷泵会产生噪声注入。
　　开关电源必须处理好稳定性、噪声和发热问题。
　　数字管理和数字控制电源通常需要在产品推出前做好软件工作。
　　在现代产品中，功率电子可以是最简单的，也可以是最复杂的子系统。这并不令人惊讶，因为应用也有简有繁。最简单时，一个电源可以是一个大的齐纳二极管，如用在潜艇的有线增音器分离舱中。这些分离舱需要极端的可靠性，电阻器加二极管的方案是最简单，因而也是最可靠的方案。齐纳管要耗散出相当多的热量，但海流会很容易把热量带走。复杂程度略高一点的是线性稳压器，这是常见的有用部件。LM317是美国国家半导体公司网站数据表下载次数最多的器件。线性稳压器的运行就像一个阀门，它挡住电路中的电流，以保证电压的稳定不变。“晶体管”这个词的英文Transistor来自两个词的组合：互导（transconductance）和变阻器（varistor）。线性稳压器中的晶体管通过夹断电流来控制电压，因此，它产生互导。在其运行中，它作为一个可变电阻，或变阻器。传统的线性稳压器都采用NPN导通元件，低压差稳压器则使用PNP晶体管。
　　比较复杂的稳压器是电荷泵。它用多支晶体管作开关，而不是用作线性器件。这些开关将电荷传送给一个电容器，然后改变连接，由电容器将施加的初始电压翻倍或反相。
　　当转向开关稳压器时，复杂性出现了一次巨大的飞跃。这类电路中有高频磁铁、一个控制回路，并至少有一支起开关作用的晶体管。你可以从Vicor或Tyco购买砖型的整体稳压器，或也可以自己动手，用零件自己做稳压器。开关稳压器有各种类型：降压、升压、反相、隔离、SEPIC（单端初级电感转换器）和Cuk（发音为“chook”）。
　　
　　所有这些电源电路都可以把一个直流电压转换为其它直流电压。很多设计使用变压器来改变交流电压，或先用电路将交流转换为直流，再用后面的DC/DC转换。最讲究的AC/DC转换电路之一是PFC（功率因子校正）电路，它采用一个升压转换器拓扑结构，确保转换器的输入电流与输入电压成比例，而普通AC/DC电路中输入电流会出现尖峰。
　　电源领域中的一个新词汇是“数字电源”。它可以意味很多东西，从简单地使用数字输入以关断稳压器，到能与芯片作数字通信，用于监控模拟PWM过程，以及用DSP闭合回路，并用PWM信号直接控制导通元件。
　　从基础开始说，线性稳压器采用一支晶体管来降低直流电压。普通线性稳压器（例如LM317）用NPN晶体管作限制。由于NPN晶体管的基射结有0.6V压降，所以这些稳压器需要相当大的输入输出压差。工程师们经常犯一种错误，即当器件工作在低于推荐的压降条件时，他们仍假定输出电压是稳压的。器件也许能提供正确的电压，但不符合各种交流和热规定。线性稳压器的大压差要求一直维持到上世纪80年代初，当时美国汽车制造商向半导体业提出需要一种低压差的线性稳压器。为设计低压差的稳压器（例如LM2936），采用了PNP导通晶体管。使用这种方法后，即使在转动手柄启动汽车时电池电压低至8V，稳压电路也能保持稳压状态。美国国家半导体公司产品定义经理Al Kelsch认为，当下降电压接近零时，会产生一个“^”，或输入电压的小尖峰，因为导通晶体管的基极处于最大导通状态。尽管IC设计者花费很多时间，试图设计一个基极驱动电路，它能够限制电流，消除尖峰，并仍能提供瞬态响应和满足其它规定，但客户需要这个小尖峰，作为稳压器失效的检测方法。然后他们就可以关掉整个电路。换句话说，客户把设计者理解为故障的东西看成了一种功能。
　　线性稳压器最大的问题就是发热。由于稳压器运行时，导通晶体管中要通过大的电流，它会消耗大量功率。大多数线性稳压器都有一个热关断点，可以防止器件被摧毁，但如果关断发生在工作状态，则会导致电路失效。