如何使開關(guān)電源設(shè)計更簡單及使用開關(guān)電源的一些問題
在線電源設(shè)計的第一步是定義電源需求,包括電壓范圍、輸出電壓和負載電流。可能的解決方案會得到自動評估,并將一、兩個推薦方案呈現(xiàn)給用戶。 這也是設(shè)計者可能遇到麻煩的第一個地方:如果需求的表達不正確(例如,如果實際的輸入電壓范圍高于或低于輸入值),則不適合的解決方案也會顯示。用戶可以嘗試多組需求,但必須對系統(tǒng)需求有清晰的概念。
當選定了穩(wěn)壓器解決方案后, 就可以確定該電路的元器件。該工具會會顯示元器件的號碼。用戶可以更改為一個預設(shè)的替代品,或輸入一個定制元件。對于元器件值和所有關(guān)鍵的
寄生參數(shù)值都有指導。 如果采用了與推薦值差異較大的定制元件,恐怕性能就會下降不少。
1 性能評估
一旦選定了電路元器件, 就到了評估性能的時候了。一般來說,性能評估要看頻率響應(yīng)值(交叉頻率和相位裕度)、峰值電流和電壓,以及熱性能值(效率、結(jié)溫和元件溫度)。盡管這些計算建基于模型,仿真結(jié)果與工作臺數(shù)據(jù)還是匹配得很好的。
2 電氣仿真與熱仿真
電氣仿真支持某些解決方案。這些仿真器會顯示出邏輯圖,用戶可以進一步更改元器件,并在穩(wěn)壓電路上運行測試,F(xiàn)有的測試包括波德圖、穩(wěn)態(tài)、線路瞬態(tài)、負載瞬態(tài)和起動。(注意,波德圖只能用于那些采用固定頻率穩(wěn)壓器 IC 的電路。)為使在線測試更有用,用戶應(yīng)仔細檢查所有測試條件。輸入電壓和負載電流對每次測試都可能會變化,而默認值可能與用戶的系統(tǒng)不相匹配。用戶必須先估計出應(yīng)得的結(jié)果,如果仿真結(jié)果與之不同,去找出原因。
熱仿真可以用于許多方案。在線工具會用一個參考設(shè)計布局,評估在 PCB 板上實現(xiàn)的穩(wěn)壓電路。元器件和電路板溫度的結(jié)果以全彩圖象及表格顯示。由于熱仿真運行得較快(幾分鐘內(nèi)就可以給出結(jié)果),精度自然比不上一個耗費數(shù)小時的詳盡 CFD(計算流體動力)仿真結(jié)果。但是,溫度估計一般在實際值的 20°C 內(nèi)。這對于確定電路板或元器件的熱點,防止出現(xiàn)過熱情況已經(jīng)足夠使用了。
3 測試原型
開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計投產(chǎn)前的最后步驟是建立一個原型,用于工作臺的測試。某些解決方案含有客戶化設(shè)計的支持,其它方案則有參考設(shè)計板。在線工具有強大功能,或許你會由此產(chǎn)生跳過此步驟的想法 – 千萬不要這樣!大多數(shù)設(shè)計的運行良好,但有些則需要精心布局才能得到最佳性能。實際的元器件可能并不精確匹配仿真結(jié)果,特別是考慮它們的寄生效應(yīng)后,實際性能(包括電路板布局效果)會與仿真結(jié)果略有差別。
因為經(jīng)常設(shè)計的是射頻或者是低頻的模擬電路,所以設(shè)計中很少用到開關(guān)電源,但是有幾種情況下,必須選用開關(guān)電源,才能滿足系統(tǒng)的性能!
1. 輸入的電源電壓比系統(tǒng)所需要的電壓低,在這種情況下,系統(tǒng)需要升壓芯片來提高輸入電壓,對于這種電路,如果被供電電路是敏感的模擬信號或者是射頻信號,那么建議采用LC 的網(wǎng)絡(luò)濾波,或者再采用一級LDO來降壓,從而達到輸出低紋波的特性。
2. 系統(tǒng)的電壓需要負壓,在這種情況下,系統(tǒng)需要開關(guān)電源把正壓變換為負壓。如果被供電電路是敏感的模擬信號或者是射頻信號,那么建議采用LC 的網(wǎng)絡(luò)濾波,或者再采用一級負壓的LDO來降壓,從而達到輸出低紋波的特性。
3.系統(tǒng)的輸入電壓比系統(tǒng)所需要的電壓大很多,并且系統(tǒng)需要的電流很大,此時若使用LDO或者三端穩(wěn)壓芯片,芯片上的功耗會很大,不僅降低了系統(tǒng)的效率,而且給系統(tǒng)的散熱帶來問題。此時可以首先使用開關(guān)電源電壓降低到一個比較合適的電壓,再使用LDO。
在使用的過程中還有一些問題需要注意:
一。最近使用正電到負電的變壓芯片時,發(fā)現(xiàn)輸出的負電壓不足,當與負載斷開時,發(fā)現(xiàn)電壓恢復,開始懷疑時后級電路出了問題,但是當采用穩(wěn)壓電源供電時,負電壓并沒有限流,而且采用萬用表的電流檔測試時,發(fā)現(xiàn)電流只有50mA,后來發(fā)現(xiàn)當我把芯片輸出正電的線路中串連的大電感去掉后,輸出正常。所以在開關(guān)電源中,輸入電壓供電的線路中加入大電感,雖然在一定程度上有隔掉直流分量的作用,但是同樣影響的開關(guān)電源的的正常工作。
二。開關(guān)電源雖然具有很高的效率,但是畢竟不是100%,而且開關(guān)電源芯片的熱阻相對比較小,散熱能力相對差,所以一定要計算系統(tǒng)所需的電壓和電流,從而計算出系統(tǒng)的功耗,然后根據(jù)效率曲線計算出消耗在開關(guān)電源芯片的上功耗。通過熱阻計算芯片的溫度是否超過芯片能承受的溫度。然后留出一定的余量的情況下,選擇芯片。
當選定了穩(wěn)壓器解決方案后, 就可以確定該電路的元器件。該工具會會顯示元器件的號碼。用戶可以更改為一個預設(shè)的替代品,或輸入一個定制元件。對于元器件值和所有關(guān)鍵的
寄生參數(shù)值都有指導。 如果采用了與推薦值差異較大的定制元件,恐怕性能就會下降不少。
1 性能評估
一旦選定了電路元器件, 就到了評估性能的時候了。一般來說,性能評估要看頻率響應(yīng)值(交叉頻率和相位裕度)、峰值電流和電壓,以及熱性能值(效率、結(jié)溫和元件溫度)。盡管這些計算建基于模型,仿真結(jié)果與工作臺數(shù)據(jù)還是匹配得很好的。
2 電氣仿真與熱仿真
電氣仿真支持某些解決方案。這些仿真器會顯示出邏輯圖,用戶可以進一步更改元器件,并在穩(wěn)壓電路上運行測試,F(xiàn)有的測試包括波德圖、穩(wěn)態(tài)、線路瞬態(tài)、負載瞬態(tài)和起動。(注意,波德圖只能用于那些采用固定頻率穩(wěn)壓器 IC 的電路。)為使在線測試更有用,用戶應(yīng)仔細檢查所有測試條件。輸入電壓和負載電流對每次測試都可能會變化,而默認值可能與用戶的系統(tǒng)不相匹配。用戶必須先估計出應(yīng)得的結(jié)果,如果仿真結(jié)果與之不同,去找出原因。
熱仿真可以用于許多方案。在線工具會用一個參考設(shè)計布局,評估在 PCB 板上實現(xiàn)的穩(wěn)壓電路。元器件和電路板溫度的結(jié)果以全彩圖象及表格顯示。由于熱仿真運行得較快(幾分鐘內(nèi)就可以給出結(jié)果),精度自然比不上一個耗費數(shù)小時的詳盡 CFD(計算流體動力)仿真結(jié)果。但是,溫度估計一般在實際值的 20°C 內(nèi)。這對于確定電路板或元器件的熱點,防止出現(xiàn)過熱情況已經(jīng)足夠使用了。
3 測試原型
開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計投產(chǎn)前的最后步驟是建立一個原型,用于工作臺的測試。某些解決方案含有客戶化設(shè)計的支持,其它方案則有參考設(shè)計板。在線工具有強大功能,或許你會由此產(chǎn)生跳過此步驟的想法 – 千萬不要這樣!大多數(shù)設(shè)計的運行良好,但有些則需要精心布局才能得到最佳性能。實際的元器件可能并不精確匹配仿真結(jié)果,特別是考慮它們的寄生效應(yīng)后,實際性能(包括電路板布局效果)會與仿真結(jié)果略有差別。
因為經(jīng)常設(shè)計的是射頻或者是低頻的模擬電路,所以設(shè)計中很少用到開關(guān)電源,但是有幾種情況下,必須選用開關(guān)電源,才能滿足系統(tǒng)的性能!
1. 輸入的電源電壓比系統(tǒng)所需要的電壓低,在這種情況下,系統(tǒng)需要升壓芯片來提高輸入電壓,對于這種電路,如果被供電電路是敏感的模擬信號或者是射頻信號,那么建議采用LC 的網(wǎng)絡(luò)濾波,或者再采用一級LDO來降壓,從而達到輸出低紋波的特性。
2. 系統(tǒng)的電壓需要負壓,在這種情況下,系統(tǒng)需要開關(guān)電源把正壓變換為負壓。如果被供電電路是敏感的模擬信號或者是射頻信號,那么建議采用LC 的網(wǎng)絡(luò)濾波,或者再采用一級負壓的LDO來降壓,從而達到輸出低紋波的特性。
3.系統(tǒng)的輸入電壓比系統(tǒng)所需要的電壓大很多,并且系統(tǒng)需要的電流很大,此時若使用LDO或者三端穩(wěn)壓芯片,芯片上的功耗會很大,不僅降低了系統(tǒng)的效率,而且給系統(tǒng)的散熱帶來問題。此時可以首先使用開關(guān)電源電壓降低到一個比較合適的電壓,再使用LDO。
在使用的過程中還有一些問題需要注意:
一。最近使用正電到負電的變壓芯片時,發(fā)現(xiàn)輸出的負電壓不足,當與負載斷開時,發(fā)現(xiàn)電壓恢復,開始懷疑時后級電路出了問題,但是當采用穩(wěn)壓電源供電時,負電壓并沒有限流,而且采用萬用表的電流檔測試時,發(fā)現(xiàn)電流只有50mA,后來發(fā)現(xiàn)當我把芯片輸出正電的線路中串連的大電感去掉后,輸出正常。所以在開關(guān)電源中,輸入電壓供電的線路中加入大電感,雖然在一定程度上有隔掉直流分量的作用,但是同樣影響的開關(guān)電源的的正常工作。
二。開關(guān)電源雖然具有很高的效率,但是畢竟不是100%,而且開關(guān)電源芯片的熱阻相對比較小,散熱能力相對差,所以一定要計算系統(tǒng)所需的電壓和電流,從而計算出系統(tǒng)的功耗,然后根據(jù)效率曲線計算出消耗在開關(guān)電源芯片的上功耗。通過熱阻計算芯片的溫度是否超過芯片能承受的溫度。然后留出一定的余量的情況下,選擇芯片。
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