與五年前相比，如今為電子系統(tǒng)提供和控制直流電源的電源管理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)要復(fù)雜很多。設(shè)計(jì)師必須采用工作電壓低于1V的IC，這些IC要消耗100A以上電流，并且具有GHz級(jí)的工作時(shí)鐘頻率。此外，這種子系統(tǒng)不僅包括電源設(shè)計(jì)，而且還包括需要專用IC才能實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)性功能。

　　系統(tǒng)觀點(diǎn)對(duì)實(shí)現(xiàn)的電源管理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常必要(圖1)。首先，你必須選擇電子系統(tǒng)的電源分配技術(shù)。目前主要有四種電源分配架構(gòu)：集中式電源架構(gòu)、分布式電源架構(gòu)、中間總線架構(gòu)和基于電池的電源分配架構(gòu)。下面給出了這四種架構(gòu)的特點(diǎn)。

　　1. 集中式電源架構(gòu)：輸入為一個(gè)交流電源電壓，可輸出一個(gè)到5個(gè)輸出電壓；通常對(duì)小型低功率系統(tǒng)來說性價(jià)比；大部分熱量集中在單個(gè)電源里；缺乏設(shè)計(jì)靈活性，很難增加電壓和電流要求。

　　2. 分布式電源架構(gòu)：前端電源將交流電輸入轉(zhuǎn)換成12、24或者48伏的直流輸出，這些直流電壓輸出分布于不同的總線上，非隔離負(fù)載點(diǎn)DC/DC轉(zhuǎn)換器(POL)將總線上的電壓降低到負(fù)載需要的電壓；改變負(fù)載電流或電壓僅需要改變一個(gè)負(fù)載點(diǎn)；單個(gè)負(fù)載點(diǎn)的故障通常只會(huì)影響到一個(gè)功能或單塊PCB板；熱量分散在整個(gè)系統(tǒng)中。

　　3. 中間總線架構(gòu)(IBA)：在前端電源和負(fù)載點(diǎn)之間插入另一個(gè)電源分配級(jí)，IBA(見圖1)使用一個(gè)隔離的總線轉(zhuǎn)換器，它提供一個(gè)未穩(wěn)壓的9.6伏到14伏電壓給非隔離的POL轉(zhuǎn)換器供電。通過限制輸入電壓范圍和工作在開環(huán)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)高效率。整個(gè)電源系統(tǒng)的典型占空比為50%。所有元器件針對(duì)負(fù)載電壓/電流進(jìn)行了優(yōu)化。

　　圖1：在內(nèi)部總線架構(gòu)中，來自前端電源的輸入通過一個(gè)總線轉(zhuǎn)換器給POL轉(zhuǎn)換器供電，而分布式電源架構(gòu)系統(tǒng)直接通過前端電源給POL轉(zhuǎn)換器供電。

　　4. 基于電池的電源分配架構(gòu)：空間限制差不多要求所有的電路都從頭開始設(shè)計(jì)；電源管理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含電池的電壓穩(wěn)壓電路，因?yàn)殡姵氐妮敵鲭妷簳?huì)隨著使用時(shí)間而逐漸降低；適用于鋰離子、鎳氫和鎳鎘電池組；可提供高效率，以盡可能地延長電池工作時(shí)間；必須使用重量輕和尺寸小的電源；必須具有高效的散熱設(shè)計(jì)，以防止過熱。

　　一旦選定了電源分配系統(tǒng)，你就可以開始電源管理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)了。這時(shí)要求設(shè)計(jì)師仔細(xì)了解應(yīng)用的電源規(guī)范。除了電池供電系統(tǒng)之外，設(shè)計(jì)師可以考慮自己設(shè)計(jì)或購買電源和支持電路。自己設(shè)計(jì)生產(chǎn)電源需權(quán)衡多方面因素，比如是設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器還是一個(gè)線性穩(wěn)壓器。

　　開關(guān)穩(wěn)壓器

　　開關(guān)穩(wěn)壓器將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成用來控制功率半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)電壓。功率半導(dǎo)體開關(guān)的輸出經(jīng)過整流和濾波后產(chǎn)生直流輸出電壓。如果輸出電壓改變，電壓反饋功能可維持正確的穩(wěn)壓值。

　　開關(guān)穩(wěn)壓器可以被集成在一個(gè)芯片上或者多個(gè)芯片上。單芯片開關(guān)穩(wěn)壓器將集成雙極結(jié)式晶體管(BJT)或MOSFET功率開關(guān)。多芯片開關(guān)穩(wěn)壓器包含控制器、柵極驅(qū)動(dòng)器和MOSFET三大部件。一般開關(guān)頻率范圍在60kHz到3MHz范圍內(nèi)。

　　開關(guān)頻率決定了濾波電感、電容和變壓器的體積和參數(shù)值。開關(guān)頻率越高，外接器件的體積和參數(shù)值就可以更小。為提高效率，變壓器/電感的磁芯材料必須在開關(guān)頻率上有較高的效率。

　　開關(guān)穩(wěn)壓器可以是隔離式的，也可以是非隔離式的。非隔離穩(wěn)壓器的輸入到輸出有個(gè)直流通路。隔離式穩(wěn)壓器采用了變壓器，因此輸入和輸出電壓是相互隔離的。

　　對(duì)所有的開關(guān)電源來說PCB布局布線都非常重要，特別是在大峰值電流和高開關(guān)頻率的情況下。主要的電流路徑和電源地線要使用寬、短的走線，相關(guān)的電容和電感也應(yīng)盡可能離穩(wěn)壓IC。

　　目前存在三種基本的開關(guān)穩(wěn)壓器控制器IC：脈寬調(diào)制(PWM)(圖2)、磁滯(圖3)和多相(圖4)。這些技術(shù)通過控制相應(yīng)的功率半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通和斷開來保持電壓穩(wěn)定。下面對(duì)三種基本的開關(guān)穩(wěn)壓控制器IC技術(shù)的特性加以比較。

　　圖2：PWM控制器通過改變功率開關(guān)導(dǎo)通和截止的占空比來調(diào)節(jié)電壓輸出。整流和低通輸出濾波器輸出與導(dǎo)通和截止時(shí)間成比例的輸出電壓。

　　脈寬控制通常使用同步整流器或者肖特基二極管輸出，采用非隔離的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括降壓型， 升壓型、升降壓型、SEPIC型和Cuk型。在回掃式、推挽式、前向、全橋和半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用了隔離輸入輸出的轉(zhuǎn)換器。通過互補(bǔ)式功率場(chǎng)效應(yīng)管和功率因數(shù)校準(zhǔn)IC實(shí)現(xiàn)高效率并符合諧波發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)。

　　磁滯控制提供快速反應(yīng)和線性瞬態(tài)，它使用寬帶控制回路，而無需采用誤差放大器和頻率補(bǔ)償。運(yùn)行頻率取決于輸入輸出電壓、輸出濾波器感應(yīng)系數(shù)和磁滯窗口。常規(guī)的磁滯校準(zhǔn)器的頻率隨輸出電容等效串聯(lián)電阻的變化而變化。

　　圖3：磁滯控制器通過比較輸出反饋和參考電壓決定功率半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通和截止，以根據(jù)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，來保持輸出電壓的恒定。整流和低通輸出濾波器的輸出電壓與功率開關(guān)的導(dǎo)通和截止時(shí)間成比例。

　　多相控制技術(shù)采用n個(gè)同樣的單元，有效的輸出波紋頻率n←→f, 其中f是運(yùn)行頻率。該技術(shù)具有更好的動(dòng)態(tài)性能，與單相系統(tǒng)相比還可以顯著減少去耦電容。該技術(shù)需要電流共享監(jiān)控電路來確保每個(gè)單元等額共享電流。每個(gè)單元輸出總輸出功率的1/n，減少了在每個(gè)相位使用的電感的物理尺寸和電感值。每一個(gè)相位的功率開關(guān)處理總功率的1/n，這樣功率消耗將分散在多個(gè)器件上。

　　圖4：多相控制器錯(cuò)開每個(gè)交叉單元的開關(guān)時(shí)間，以使每個(gè)單元之間的相角為360°/n，其中n為調(diào)節(jié)器單元的數(shù)量。開關(guān)單元運(yùn)行在公共頻率，并需要進(jìn)行相移以便以有規(guī)律的控制間隔進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換。輸出電壓等于所有單元同步整流輸出之和。

　　我們?cè)俦容^一下低壓降(LDO)穩(wěn)壓IC和基本的充電泵(開關(guān)電容)IC的特性，這些穩(wěn)壓器不需要功率半導(dǎo)體開關(guān)進(jìn)行導(dǎo)通和截止操作(圖5)。

　　低壓降是指LDO穩(wěn)壓器正常工作時(shí)輸入輸出電壓之間的差別。LDO穩(wěn)壓器不涉及開關(guān)操作，因此它的工作狀態(tài)相對(duì)“安靜”。它可以使用可調(diào)整或者固定輸出的電壓，并且可以利用控制輸出電壓的激光微調(diào)電阻，提供全范圍固定輸出電壓。LDO穩(wěn)壓器較高的電源波紋抑制比可阻止輸出電壓因輸入電壓變化而產(chǎn)生波動(dòng)。一些低壓降穩(wěn)壓器還包含一個(gè)外接電容的旁路引腳，以便對(duì)有可能成為噪聲源的內(nèi)部電壓參考進(jìn)行濾波。

　　電荷泵IC具有逆變器、分路器或者升壓器的作用。由于缺少調(diào)節(jié)功能，大多數(shù)電荷泵IC都增加了線性調(diào)壓或者電荷泵調(diào)節(jié)模塊。線性調(diào)節(jié)模塊提供的輸出噪音和更好性能，電荷泵調(diào)節(jié)模塊控制開關(guān)電阻以提供更高效率和輸出電流。電荷泵IC不需要電感或變壓器，從而消除了電磁場(chǎng)和電磁干擾，但如果電容充電電流很高，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較小的噪聲源。

　　專用電源管理IC和功率半導(dǎo)體開關(guān)

　　由于電子系統(tǒng)已變得越來越復(fù)雜和越來越，電源管理子系統(tǒng)需要采用數(shù)種專用IC(圖5)。當(dāng)然，這些IC也可以用來設(shè)計(jì)通用電源(圖6)。

　　圖5：LDO工作在線性模式。誤差放大器的一個(gè)輸入端監(jiān)視輸出電壓，另一個(gè)輸入是基準(zhǔn)電壓。如果輸出電壓相對(duì)參考電壓發(fā)生改變，誤差放大器控制導(dǎo)通晶體管的特性以穩(wěn)定輸出電壓。

　　在電源管理系統(tǒng)中用到的功率半導(dǎo)體有功率MOSFET和BJT。它們可以是分立器件，也可以與其它電路集成在單個(gè)封裝中。它們采用內(nèi)部或外部柵極驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和斷開功能。

　　當(dāng)開關(guān)向負(fù)載輸送功率時(shí)，電源開關(guān)會(huì)帶來一些功率損耗。這些功率開關(guān)在導(dǎo)通和斷開時(shí)會(huì)有一些時(shí)延，工作在導(dǎo)通和斷開之間的線性區(qū)域的開關(guān)會(huì)產(chǎn)生功率損耗。開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的功率損耗為I 2R，因?yàn)榘雽?dǎo)體開關(guān)都有一定數(shù)值的導(dǎo)通電阻。雖然開關(guān)斷開時(shí)的漏電流很小，但由于開關(guān)具有很小的斷開電阻，所以也會(huì)產(chǎn)生一些功率損耗。功率損耗終會(huì)影響電源的效率。

　　圖6：充電泵IC通過利用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)對(duì)兩個(gè)或更多的電容進(jìn)行充放電來提供DC/DC電壓轉(zhuǎn)換功能。C1電容對(duì)C2電容反復(fù)充電，C2保持電荷并對(duì)輸出電壓濾波。

　　數(shù)字電源控制

　　數(shù)字電源控制使得控制、監(jiān)視和維護(hù)電源管理子系統(tǒng)成為可能。這種控制可以用Power-One公司的Z-One技術(shù)實(shí)現(xiàn)，也可以用電源和半導(dǎo)體公司聯(lián)盟開發(fā)的電源管理總線(PMBus)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)現(xiàn)。Z-One系統(tǒng)允許單個(gè)數(shù)字電源管理器集中控制分布式負(fù)載點(diǎn)電源穩(wěn)壓器。

　　PMBus特性與Z-One技術(shù)類似。它這是一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)，定義了用于控制電源轉(zhuǎn)換器件的數(shù)字通信協(xié)議。PMBus允許工程師根據(jù)一套標(biāo)準(zhǔn)的命令集配置、監(jiān)視和維護(hù)電源轉(zhuǎn)換器。

　　設(shè)計(jì)工程師可以利用PMBus命令設(shè)置電源的工作參數(shù)、監(jiān)視電源運(yùn)行，并根據(jù)故障或工作告警執(zhí)行校正措施。設(shè)置電源輸出電壓的能力允許通過重新編程使相同硬件輸出不同的電壓值。PMBus系統(tǒng)的監(jiān)視和維護(hù)能力還進(jìn)一步增強(qiáng)了電源系統(tǒng)的可靠性和可用性。

　　在具體應(yīng)用時(shí)，PMBus協(xié)議還可以支持多電源的電源管理產(chǎn)品，并且OEM商能夠使用一套標(biāo)準(zhǔn)的命令集控制兼容的電源轉(zhuǎn)換器。

　　附電源管理術(shù)語

　　漂移：在固定線路電壓、負(fù)載和環(huán)境溫度下隨時(shí)間而改變的直流輸出電壓變化。

　　效率：在指定負(fù)載電流和標(biāo)稱線路條件下輸出對(duì)輸入功率的比值(百分比)(POUT/PIN)。

　　保持時(shí)間：在輸入電源丟失的情況下電源輸出電壓值保持在規(guī)定范圍內(nèi)的時(shí)間。

　　浪涌電流：在功率開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電源輸出的峰值瞬時(shí)輸入電流。

　　國際標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)定了電源的安全要求和允許的電磁干擾等級(jí)。

　　隔離度：電源輸入和輸出端的電氣隔離，單位伏；非隔離電源在輸入和輸出之間有一直流通路，而隔離式電源采用變壓器消除了輸入與輸出之間的直流路徑。

　　線性調(diào)整率：由于交流輸入電壓變化而引起的直流輸出電壓變化值，單位±m(xù)V或±%。

　　負(fù)載調(diào)整率：由于負(fù)載變化(從開路到額定輸出電流)引起的直流輸出電壓變化值，單位±m(xù)V或±%。

　　余量：系統(tǒng)測(cè)試時(shí)可以臨時(shí)改變輸出電壓，該值規(guī)定了偏離標(biāo)稱值的百分比數(shù)。

　　噪聲：電源輸出可能包含了由于寄生電容充放電引起的短暫高頻脈沖；這種噪聲會(huì)影響電源總的瞬時(shí)輸出電壓，也可能耦合進(jìn)鄰近電路，特別是模擬電路。

　　過流：這種故障模式會(huì)引起大于規(guī)定值的負(fù)載電流；過流受限于電源內(nèi)阻和電流能力；它會(huì)損壞電源。

　　過溫：溫度超過了電源的規(guī)定極限值；這種情況必須加保護(hù)措施，否則會(huì)造成電源故障；許多電源包含過溫保護(hù)電路，當(dāng)溫度超過規(guī)定極限值時(shí)會(huì)關(guān)閉電源。

　　過壓：一種故障模式，此時(shí)輸出電壓超過了規(guī)定的直流門限；過高的電壓會(huì)破壞負(fù)載電路；為了減少這種風(fēng)險(xiǎn)，許多電源采取了過壓保護(hù)措施。

　　PARD(周期性和隨機(jī)偏差) ：在規(guī)定帶寬內(nèi)測(cè)到的所有紋波和噪聲分量總和，用峰峰值或rms值表示。

　　功率因數(shù)：交流電路中實(shí)際輸入功率(EI cos)與視在功率(Erms Irms)的比值，是cos函數(shù)值，用百分比或小數(shù)表示。

　　冗余度(N+1)：電源采用并聯(lián)方式，當(dāng)一個(gè)發(fā)生故障時(shí)，其它電源能繼續(xù)向負(fù)載提供足夠的電流。

　　遙控開/關(guān)：電源的內(nèi)部電壓檢測(cè)輸入端，可以旁路它的輸出，并直接連接到負(fù)載；檢測(cè)輸入端可校正在電源輸出和負(fù)載之間發(fā)生的任何電壓下降。

　　紋波：在電源直流輸出上疊加的由于開關(guān)和濾波引起的交流頻率分量；通?？梢杂妙~外的輸出濾波電容減少紋波。

　　軟啟動(dòng)：在電源打開時(shí)可降低浪涌電流。

　　跟蹤：控制兩個(gè)電源的輸出電壓，使它們?cè)诩与?、斷電和穩(wěn)態(tài)工作時(shí)相互影響，并不超過規(guī)定值。

　　瞬態(tài)響應(yīng)：電源對(duì)負(fù)載電流快速變化的響應(yīng)能力；響應(yīng)必須足夠快才能保證輸出電壓保持穩(wěn)定。

　　欠壓死鎖(UVLO)：當(dāng)輸入電壓上升并達(dá)到打開門打開電源，當(dāng)輸入電壓下降并低于關(guān)閉門切斷電源。