集成功率無(wú)源器件和戰(zhàn)術(shù)權(quán)衡以提高功率效率：電源管理和開關(guān)電源

為了尋求更小、更薄、更強(qiáng)大的器件，設(shè)計(jì)人員需要減小功率無(wú)源器件、電感器和電容器的尺寸。本應(yīng)用筆記探討了矛盾的工程權(quán)衡，重點(diǎn)介紹電源管理和開關(guān)電源。在討論了開關(guān)和濾波損耗、開關(guān)毛刺、死區(qū)時(shí)間和擊穿之后，討論轉(zhuǎn)向使用集成IC解決電源效率問(wèn)題的技巧。

介紹

功率無(wú)源器件、電感器和電容器在當(dāng)今的消費(fèi)類產(chǎn)品中占有重要地位。與今天隨處可見(jiàn)的微型薄手機(jī)和平板電腦相比，這在物理尺寸上是很大的。工程師要做什么？我們必須聰明并應(yīng)用科學(xué)方法。似乎我每周都會(huì)聽到這個(gè)?！白屛覀儨p小開關(guān)電源尺寸并提高效率”，這通常意味著增加更多的電池工作時(shí)間。當(dāng)然，這是個(gè)好主意，但我們?nèi)匀恍枰獪p少物理空間。解決這一困境的一個(gè)有希望的方法是攻擊權(quán)力被動(dòng)，因?yàn)樗鼈兊囊?guī)模相對(duì)較大。

我們從這個(gè)由兩部分組成的系列開始，探討了許多矛盾、不協(xié)調(diào)和矛盾的工程權(quán)衡。第 1 部分側(cè)重于廣泛的知識(shí)，就像交響樂(lè)指揮一樣，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)師必須具備這些知識(shí)才能確保一個(gè)集成良好、節(jié)能的解決方案。交響樂(lè)指揮必須了解每種樂(lè)器和每個(gè)音樂(lè)家的聲音和能力，以指導(dǎo)和諧的作品。他巧妙地將音樂(lè)交織在一起，增加了觀眾的喜悅，并創(chuàng)造了回頭客。是的，這對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的榜樣。

為什么要專注于開關(guān)電源？

電器的趨勢(shì)是小型、輕便、輕薄和節(jié)能，具有許多“酷”功能。對(duì)于便攜式消費(fèi)設(shè)備、超薄大屏幕電視，甚至對(duì)于洗碗機(jī)、洗衣機(jī)和干衣機(jī)等白色家電來(lái)說(shuō)，情況也是如此。消費(fèi)者需要更持久的電池來(lái)運(yùn)行和更快的充電。這些問(wèn)題真正體現(xiàn)在電源管理和電池上。電池技術(shù)有望取得突破性進(jìn)展，但由于化學(xué)問(wèn)題難以快速解決，這些進(jìn)展緩慢。因此，我們必須集中精力解決管理問(wèn)題。線性模擬穩(wěn)壓器電源必須將多余的電壓轉(zhuǎn)化為熱量，開關(guān)電源能夠以最小的損耗轉(zhuǎn)換電壓。

最初的想法是節(jié)省電力。首先，我們必須瞄準(zhǔn)納安，這樣我們就不需要那么多的功率了。雖然有許多技術(shù)可以節(jié)省分立元件的功耗，但還有更多技術(shù)可以在集成電路（IC）中使用。其次，我們必須將無(wú)源器件置于混合IC封裝內(nèi)。我們可能會(huì)在里面放置一兩個(gè)分立元件，但肯定不是 10 個(gè)。讓我們?cè)囋?。第三，我們必須?wèn)我們能有多小，這在邏輯上就像問(wèn)在不犧牲效率的情況下，我們可以達(dá)到多高的頻率。我們能否獲得足夠高的頻率，以便我們實(shí)際上可以使用鍵合線或片上電容器？

開關(guān)電源有多種類型，但在本應(yīng)用筆記中，我們將重點(diǎn)介紹降壓電源。這需要更高的電壓并將其降低到較低的電壓。我們的重點(diǎn)是小電源，小于幾安培，電壓低于10V。小巧、輕便、高效的電源是消費(fèi)類和便攜式電池設(shè)備中的標(biāo)志。

首先了解功率開關(guān)損耗

功率損耗（主要是熱量）發(fā)生在兩個(gè)方面：開關(guān)損耗和濾波損耗。開關(guān)損耗在導(dǎo)通和實(shí)際開關(guān)時(shí)間;當(dāng)將紋波降低到可接受的水平時(shí)，就會(huì)發(fā)生濾波器損耗。

傳導(dǎo)損耗是晶體管中的功率損耗，因?yàn)樗鼈冊(cè)趯?dǎo)通條件下具有較小的電阻。請(qǐng)記住，沒(méi)有電阻的短路是不可能的，因?yàn)榧词故?a target="_blank">機(jī)械開關(guān)也有一些電阻。雙極結(jié)（BJT）和金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）晶體管可用于不同的應(yīng)用。在本應(yīng)用筆記中，我們重點(diǎn)介紹互補(bǔ)MOS（CMOS）晶體管，因?yàn)樗鼈兪亲畛Ｒ?jiàn)的集成元件。一種權(quán)衡是具有低漏極源極導(dǎo)通電阻（R德森） 往往在物理上更大，切換緩慢。小模式CMOS晶體管速度快，但R更高德森.在IC內(nèi)部，我們可以并聯(lián)許多小型CMOS晶體管以降低R德森但是，當(dāng)然，我們永遠(yuǎn)不會(huì)白白得到一些東西。很快，并聯(lián)器件的電容、電阻和電感開始減慢開關(guān)速度。

開關(guān)損耗與打開和關(guān)閉晶體管所需的時(shí)間有關(guān)，損耗可能相當(dāng)可觀。顯然，我們必須更快地切換，但是如何切換呢？由于需要對(duì)電感和電容進(jìn)行充電和放電，因此存在限制。最終，隨著開關(guān)速度達(dá)到最短時(shí)間并且頻率上升，我們達(dá)到了一個(gè)點(diǎn)，即我們具有所有開關(guān)，上升和下降時(shí)間，并且沒(méi)有“準(zhǔn)時(shí)”。到那時(shí)，效率已經(jīng)完全消失了。

讓我們通過(guò)引入死區(qū)時(shí)間和射擊預(yù)防來(lái)使問(wèn)題更加復(fù)雜。3, 4在圖1中，頂部和底部晶體管不能同時(shí)導(dǎo)通，否則電源接地短路。要非常小心地確保柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)機(jī)正確，以防止這種情況發(fā)生。由于工藝變化，當(dāng)兩個(gè)晶體管都關(guān)斷時(shí)，設(shè)計(jì)人員會(huì)在波形中強(qiáng)制設(shè)置較短的死區(qū)時(shí)間。從可用時(shí)間段中減去該時(shí)間，進(jìn)一步降低可能的最高開關(guān)頻率。死區(qū)時(shí)間并不總是足以阻止所有擊穿?；蛘?，所需的死區(qū)時(shí)間太長(zhǎng)，在最壞的情況下，開關(guān)效率會(huì)受到影響。當(dāng)兩個(gè)輸出器件都導(dǎo)通時(shí)（例如，電路故障或瞬態(tài)，如負(fù)載突然變化），就會(huì)發(fā)生直通事件。擊穿最常見(jiàn)于交越（死區(qū)時(shí)間）附近，此時(shí)晶體管幾乎完全打開或關(guān)閉。此時(shí)的瞬態(tài)可以部分或完全驅(qū)動(dòng)兩個(gè)晶體管導(dǎo)通。

圖1.CMOS開關(guān)電源輸出級(jí)。

現(xiàn)在讓我們堆積另一個(gè)相互沖突的要求，其中“治愈”浪費(fèi)能量并實(shí)際產(chǎn)生熱量。開關(guān)毛刺主要在輸出端形成阻抗失配。對(duì)于負(fù)載變化很大的通用電源，有時(shí)很難消除開關(guān)毛刺。因此，添加了瞬態(tài)緩沖器。瞬態(tài)緩沖器通常由電阻器、電感器、電容器（有時(shí)還包括二極管）組成。緩沖器用于減少可能損壞輸出晶體管和其他元件的開關(guān)瞬變。然而，緩沖器不擅長(zhǎng)將多余的能量返回電路以提高效率。相反，它們將能量轉(zhuǎn)化為熱量。

濾波損耗通常由負(fù)載可以承受的紋波量定義。由于其數(shù)字閾值，數(shù)字電路可以承受更多的紋波。5模擬電路甚至無(wú)法承受少量紋波。

電感和電容器尺寸與頻率有關(guān)。隨著頻率的增加，電感和電容器縮小。想想大口大口地喝一大杯蘇打水的類比——這可能是“男子氣概”的事情，但一個(gè)孩子可以在許多小口中做同樣的工作。傳輸?shù)目偣β适窍嗤?，但小電感器和電容器可以在更高的頻率下實(shí)現(xiàn)，并且通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，所需的低通濾波和功率損失更少。

啟動(dòng)電源設(shè)計(jì)

現(xiàn)在有一些好消息。上述開關(guān)損耗對(duì)于具有多個(gè)分立元件的大型電源來(lái)說(shuō)非常具有挑戰(zhàn)性。這些供應(yīng)必須適應(yīng)各種條件。然而，IC內(nèi)部定義明確、高度集成的電源使設(shè)計(jì)人員能夠控制、仿真和定制一些特殊的電路拓?fù)?。如果您知道一些交易技巧，那么設(shè)計(jì)并不難。

了解應(yīng)用程序

首先，我們必須收集有關(guān)設(shè)計(jì)的信息并徹底定義問(wèn)題。練習(xí)中包括有關(guān)所需每個(gè)電壓和電流的詳細(xì)信息。公差、精度、負(fù)載和線路調(diào)整率是多少？最重要的是，真正需要什么電壓？如果電壓不需要嚴(yán)格的容差，電阻分壓器和阻抗轉(zhuǎn)換器（如晶體管或運(yùn)算放大器）能勝任這項(xiàng)工作嗎？

由于幾個(gè)原因，熱量是一個(gè)主要問(wèn)題。必須散熱以防止設(shè)備過(guò)熱。例如，當(dāng)手機(jī)被留在陽(yáng)光下并密封在封閉的汽車中時(shí)，這可能是一個(gè)非常困難的挑戰(zhàn)。此外，過(guò)熱產(chǎn)生的任何熱量都會(huì)浪費(fèi)電池壽命，并需要更頻繁地為電池充電。沒(méi)有人想要這樣。收費(fèi)間隔時(shí)間是消費(fèi)者最關(guān)心的問(wèn)題。因此，效率很重要。

開關(guān)還是線性？

現(xiàn)在我們需要決定如何將電源劃分為開關(guān)配置和線性配置。提高開關(guān)電源效率的最佳方法是了解電源電壓（通常是電池和充電電壓下的電池）和負(fù)載變化。最高效的開關(guān)穩(wěn)壓器是負(fù)載電流變化不大的開關(guān)穩(wěn)壓器。減小電感和電容物理尺寸的一種簡(jiǎn)單方法是提高開關(guān)頻率。6

讓我們舉個(gè)例子，一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)在不同操作模式下所需的功率差異很大。我們可以想到兩個(gè)具有相似要求的應(yīng)用：衛(wèi)星接收器和監(jiān)控物理過(guò)程的計(jì)算機(jī)，也許在工廠內(nèi)部。這兩種情況都會(huì)間歇性地使用硬盤進(jìn)行低成本存儲(chǔ)。為了節(jié)省能源并延長(zhǎng)光盤壽命，磁盤可以旋轉(zhuǎn)。我們規(guī)定光盤必須能夠在 20 秒內(nèi)旋轉(zhuǎn)并準(zhǔn)備好讀取或?qū)懭?。這意味著衛(wèi)星接收器必須提供至少 20 秒的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，以便操作員的任何命令都顯示為操作的無(wú)縫部分。過(guò)程監(jiān)控設(shè)備必須有足夠的內(nèi)存，以便數(shù)據(jù)可以間歇性地記錄在硬盤上，同時(shí)最大限度地減少將光盤旋轉(zhuǎn)到速度的必要性。另一種操作模式可能是深度睡眠，它需要最少的功率。在這里，衛(wèi)星接收器或工廠進(jìn)程在夜間不使用。無(wú)論哪種情況，都必須適應(yīng)每種操作模式以保持最高效率。

交易的集成技巧 — 思考“IC 內(nèi)部”

通用開關(guān)和線性三端穩(wěn)壓器需要在很寬的極端電流消耗下工作，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員無(wú)法預(yù)測(cè)它們的使用方式或地點(diǎn)。當(dāng)我們知道確切的應(yīng)用時(shí)，我們可以定制電路并優(yōu)化效率。例如，制造通用穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)單方法是將其限制在低帶寬以防止振蕩。然后，我們依靠去耦電容器來(lái)提供快速的高頻瞬態(tài)電流;穩(wěn)壓器提供較慢的平均電流。這通常是一個(gè)很好的設(shè)計(jì)權(quán)衡，因?yàn)镮C附近的小本地電容可以減輕IC和穩(wěn)壓器之間連接的電阻和電感損耗。

對(duì)于音頻放大器中的已知負(fù)載，采用了不同的策略：使用更寬帶寬的功率調(diào)節(jié)。最簡(jiǎn)單的例子是將基準(zhǔn)電壓扇出到許多放大階段。在這種方法中，可以使用運(yùn)算放大器來(lái)隔離小電路部分并防止相互作用。

最小化去耦電容尺寸的另一種方法是在放大器的輸入端放置一個(gè)相對(duì)較小的電容，并利用增益來(lái)增加電容的有效尺寸（即米勒效應(yīng)）7).

想想晶體管。IC的優(yōu)點(diǎn)是其所有晶體管都是通過(guò)照相過(guò)程同時(shí)制造的。這確保了參數(shù)的緊密匹配，比在不同時(shí)間制造的分立晶體管更接近。圖1中的輸出級(jí)如果匹配良好，可以添加兩個(gè)晶體管。頂部晶體管和底部晶體管分別成為級(jí)聯(lián)配置中的兩個(gè)晶體管。由于晶體管施加的電壓只有晶體管的一半，因此可以更輕松地控制它們，以提高開關(guān)速度和效率。單個(gè)芯片上匹配良好的晶體管電路可以更輕松地控制寄生電容，從而控制時(shí)間延遲，以減少死區(qū)時(shí)間并控制多個(gè)電源的相位和時(shí)序。

另一個(gè)“IC內(nèi)部”選項(xiàng)起初聽起來(lái)很愚蠢 - 直到我們進(jìn)行數(shù)學(xué)和模擬。例如，我們有一個(gè)5V電源，想要制造2.5V和1.2V電源。傳統(tǒng)思維認(rèn)為我們構(gòu)建兩個(gè)并聯(lián)電源，5V至2.5V和5V至1.2V。在高頻（即30MHz至100MHz）下，濾波器或紋波損耗與開關(guān)損耗相比減小。人們必須進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，看看級(jí)聯(lián)供應(yīng)是否會(huì)減少損失。級(jí)聯(lián)電源實(shí)際上意味著5V變?yōu)?.5V，然后2.5V電源變?yōu)?.2V。本質(zhì)上，1.2V電源的兩步進(jìn)存在雙轉(zhuǎn)換和雙效率損耗。簡(jiǎn)單地說(shuō)，5V至2.5V電源必須通過(guò)2.5V下使用的所有電流加上1.2V下使用的所有電流?，F(xiàn)在可能會(huì)發(fā)生一些令人驚訝的事情，因?yàn)榕c并聯(lián)條件相比，1.2V電源晶體管兩端的電壓只有一半：它們的開關(guān)損耗下降，特別是當(dāng)負(fù)載足夠輕以使級(jí)聯(lián)對(duì)更有效時(shí)。

在IC中制造干凈的電源，然后通過(guò)電流鏡為多個(gè)電路供電是很常見(jiàn)的。許多設(shè)計(jì)人員使用相同的npn晶體管，因?yàn)樗鼈兪峭瑫r(shí)制造的，具有相同的工藝，并且具有相同的V是電壓下降。通過(guò)將基極連接在一起，每個(gè)發(fā)射極可以將相同的電壓分配到許多不同的電路級(jí)。由于我們正在復(fù)制清潔電源，因此去耦電容器的數(shù)量大大減少。

結(jié)論

交響樂(lè)指揮協(xié)調(diào)樂(lè)器，以產(chǎn)生和諧，干凈和愉快的音樂(lè)呈現(xiàn)。項(xiàng)目工程師控制功率參數(shù)，從而形成一個(gè)令最終用戶滿意的和諧、高效的系統(tǒng)。對(duì)于指揮和工程師來(lái)說(shuō)，魔鬼在細(xì)節(jié)中。我們的指揮必須能夠識(shí)別出完美的樂(lè)器演繹和糟糕的樂(lè)器演繹。我們的設(shè)計(jì)工程師必須能夠識(shí)別電源結(jié)構(gòu)中可能對(duì)整個(gè)設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響的微小缺陷。

審核編輯：郭婷