电源工程师设计札记（一）：轻松完成电源设计

电源设计对于每个工程师来说都会有点熟悉而又陌生的感觉。如何有效攻克电源设计中遇到的疑难杂症？加强工程师之间沟通，充分利用工程师的设计心得是其中一个有效途径。基于此，电子发烧友网将电子发烧友网读者奉上《电源工程师设计札记》系列大餐，之后还将会推出相关电子书，敬请留意！

　　1、如何使过压过流电路保护设计更轻松？

　　对于大型的控制电路，比如LED灯塔的电源控制线路，其保护以及维修都是一个比较复杂的工程。使用TBU方案，是否可以使过压过流电路保护解决方案设计更轻松呢？

　　本文从传统的保护元器件入手，对比传统过流过压保护元器件和TBU方案的工作方式，深度解析TBU与传统过压过流电路保护元件的区别及其应用限制，为广大电子工程师探索过压过流电路保护方案轻松设计之道。

　　保护元器件的分类

　　保护电子元器件主要分成两大块，如图所示，一块是过流保护，一块是过压保护。

　　相对过压的保护元件，过流的保护元件主要分成图示上部分的几块，右边的元件反应速度快，但通流量较小，而左边的元件相反，所以需要做一些搭配。主要是整合器的元器件，如TBU。TBU把过流和过压的元器件组合在一起，可同时进行过流和过压保护。

　　传统过流和过压保护元器件的组合和工作方式

　　下图是最常见的组合图，可以看出怎样把过流和过压保护元器件放在一般的线路上。

　　过流的产品一定是串联在电路上，包含一般电阻或电压。而过压的产品主要并联在电路上，包含一级压、二级压、三级压。类似TBS管等，二级和三级基本可以互换，关键是怎样做搭配，保护系统的协调工作非常重要。

　　按传统的方式，当一个雷击进来之后，首先上升的一定是电压，一定是内部靠近IC部分的保护器件最先反应，若没有反应，内部线路肯定会被击穿；或TBS管一定要运作，作为开关直接关闭。

　　举例来说，由于过电压产品最怕电流质，而过电流产品最怕电压，当TBS打开之后，所有的电流都会往一边流。若出现一个很大的雷击，这个TBS管一定会被击穿。所以必须要在外面摆上一个气体管，来保护这个TBS管。当电流经过这个管后，其电压会持续上升，靠近外面的气体放电管，必须要在动作之后才能保护 TBS管。一般来讲，PDC的速度非常慢，所以单个雷击进来之后PDC没有办法动作。

　　TBU是近十年一个比较新的产品，是高速的保护器，也可以说是一个电子的限流器。现在来看看TBU的工作方式与传统过压过流保护元器件有何不同。

　　TBU的工作方式

　　传统电子保险丝的内部结构

　　TUB的内部结构图

　　与传统的双向保险丝结构相比，TUB最重要的差异是电压部分。传统保险丝的工作方式是把电流导到地的方式，而TBU方式主要是用隔离的方式。雷击进来之后电流经过内部的IC去走，当电流超过触发点之后，TBU就会打开，TBU打开之后所有的能量都是隔绝在外，这时候电压还是会持续上升。在外部放一个气体管保护TBU。由于过电流产品最怕是电压。而TBU是过电流产品，假设选择的是一个850v的TBU，必须确定线路偷走的电压值不能够超过850v，所以必须在外部再摆一个气体放电管去保护TBU，这点与传统的方式有所区别。事实上两种应用方式的区别是后者做了开关，把能量全部阻绝在外面。

　　把TBU放入电路之后，电流会上升，这时候TBU就要打开，阻绝到电流跟电压，电路就被保护。当电压上升之后，因为其反应速度非常快，代表电流也上升，TBU动作之后会阻绝电压与电流的部分。TBU是电流启动电压回复的元件。当TBU没有动作的时候，如同电阻；电流超过之后，开关直接打开，承接高阻；当电压回复之后，TBU回复原本工作状态。

2、如何选择开关电源拓扑结构

　　电源是电子产品中必不可少的一部分，现在逐渐流行开关电源，其拓扑结构有很多种。下面就个人了解，罗列一些（不一定全）供大家参考。首先要明确您的产品中电源部分是否要与输入电源隔离。

　　对于不隔离式开关电源，大体上有降压（buck）、升压（boost）、极性反转（负输出，降升压buck-boost）、斩波（cuck）3种类型。对于隔离式开关电源，分正激、反激、半桥、全桥、推挽5种类型。

　　先说不隔离式：

　　降压（buck）型原理如下图所示，前半周期Q1导通向C供电同时L1储能，后半周期D1导通L1放能向C供电。

　　升压（boost）型原理如下图所示，前半周期Q1导通L1储能，后半周期D1导通L1放能与V1串连向C1供电。

　　极性反转型原理如下图所示，前半周期Q1导通L1储能，后半周期D1导通L1放能向C1供电。

　　若输入电压大于工作电压，则选用降压型，反之选择升压型。若单电源输入，需要+、-电源时选用极性反转型。

　　再说隔离式：若输出功率较小（100W以下）常用反激式；若功率稍大，可选用正激式；再大就要采用半桥或全桥式了。

　　反激式是磁性元件在前半周储能，后半周期传递能量。并关管要承受电源电压与反激电压之和，一般220V整流后要用700V左右的功率管。

　　正激式是在前半周期直接传递能量，后半周期泄放磁场。若磁场泄放不掉，则后面的周期中会因磁饱和而烧毁功率器。

　　全桥式是有4个功率器件，能够让变压器原边电流来回流动，在每半个周期都传递能量，所以能做到较大功率。

　　半桥式是全桥式的简化，它将一个桥臂上的功率器件换成电容，节约了一半数量的功率器件，且功率器件上承受的电压也减半，故降低了成本。

　　升压变换中多采用推挽式，因原边电压较低，绕组匝数少，绕成双原边也不增加多少成本，双绕组又能增加功率，故是广泛采用的方式。

　　3、多电源系统的监控和时序控制

　　现今，电子系统往往具有许多不同的电源轨。在采用模拟电路和微处理器、DSP、ASIC、FPGA的系统中，尤其如此。为实现可靠、可重复的操作，必须监控各电源电压的开关时序、上升和下降速率、加电顺序以及幅度。既定的电源系统设计可能包括电源时序控制、电源跟踪、电源电压/电流监控和控制。有各种各样的电源管理IC可以执行时序控制、跟踪、上电和关断监控等功能。

　　时序控制和跟踪器件可以监控和控制多个电源轨，其功能可能包括设置开启时间和电压上升速率、欠压和过压故障检测、余量微调（在标称电压值的一定范围内调整电源电压）以及有序关断。适合这些应用的IC种类众多，简单的如利用电阻、电容和比较器构成的纯模拟器件，复杂的如高集成度状态机和通过 I2C bus.总线进行数字控制的可编程器件。某些情况下，系统的电压调节器和控制器可能包括关键控制功能。

　　对于采用多个开关控制器和调节器的系统，还有一个考虑是器件以不同开关频率工作时，如何将产生的系统噪声降至最低。常常需要同步调节器的时钟，事实上，如今的许多高性能开关控制器和调节器都可以与外部时钟同步。

　　图1. 电源轨的控制类型

电源时序控制和跟踪

　　所谓电源时序控制，是指以指定顺序开关电源。电源时序控制可以简单地基于既定的时间顺序，或者一个电源的开启时间取决于另一个电源何时达到设定的阈值。电源跟踪基于这样一个事实：电源电压无法（一般也不应）瞬间改变。电源系统设计师可以利用这一特性，有效地控制系统中各电源相对于其它电源的斜率。电源跟踪分为三类：同步、比率和偏移。图1中的四幅图对时序控制、同步跟踪、比率跟踪和偏移跟踪进行了比较。

　　图1a中，三个电源按一定的时间顺序开启和关闭。首先是3.3 V电源开启，后续电源的开启和关闭延迟时间取决于应用的需要。如果额定最大值要求电源按一定的顺序激活，这种简单的时序控制技术将能确保有源器件的电压不会超过额定最大值。举例来说，在ADC驱动的放大器上电之前，我们必须保证ADC的电源存在，否则可能损坏ADC的前端。

　　图1b显示同步跟踪情况，所有三个电源同时开启，并且以相同的速率彼此跟踪，因此最低电源电压首先建立，然后是较高的电源电压。电源关断以相反的方式进行。这个例子很好地说明了旧式FPGA或微处理器应用中电源是如何接通的：首先激活较低的内核电压，然后接通辅助或I/O电源。稍后将以Xilinx Virtex-5 FPGA的同步跟踪举例说明。

　　图1c中，电源以不同的斜率上电。如前所述，能够对电源的斜率dV/dt进行控制是一个非常有用的特性，它可以防止电路中去耦电容的大浪涌电流（充电电流）损坏器件。如果不加限制的话，浪涌电流可能大大超过标称工作电流。斜率限制可以防止有源器件闩锁、电容短路、PCB走线受损以及线路保险丝熔断。

　　图1d中，所有电源具有相同的斜率，但其施加时间由预定的失调电压决定。此类跟踪适用于需要限制电源电压差（常常出现在DAC和ADC等混合信号器件的额定最大值部分）的器件，这种方法可以防止器件永久性受损。

　　基于FPGA的设计示例

　　使用FPGA系统的供电是探讨多电源系统处理的活教材。适当的FPGA电源控制对于实现可靠、可重复的设计至关重要，否则可能会在实验室甚至现场引发灾难性故障。大多数FPGA具有多个电源轨，一般表示为 VCCO， VCCAUX， 和 VCCINT. 这些电源分别用于为FPGA内核、辅助电路（如时钟和PLL等）、接口逻辑供电。

　　这些电源轨需要考虑的事项可以分为如下几类：

　　电源轨的时序控制

　　电源轨电压的容差要求

　　电源可能有软启动或斜率控制需求

　　下面以Xilinx Virtex-5系列FPGA的电源要求为例来说明，该系列提供许多特性，包括逻辑可编程能力、信号处理和时钟管理。根据数据手册，Virtex-5的电源上电顺序要求为 VCCINT， VCCAUX， and VCCO. 这些电源相对于地的斜坡时间为200 μs（最小值）至50 ms（最大值）。建议工作条件如表1所示。

　　The 如前所述，Virtex-5要求同步电压跟踪。此外，电源必须在特定的建议工作容差范围内，而且必须在特定的dV/dt范围内上升和下降。