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為何設(shè)計可靠電源時應(yīng)考慮真實電壓源

2021-12-17 16:33:38 ADI 公司 Frederik Dostal，現(xiàn)場應(yīng)用工程師

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實際使用中，電源的來源從來都不理想。構(gòu)建可靠的電力系統(tǒng)需要考慮包括寄生在內(nèi)的實際行為。在使用電源時，我們要確保開關(guān)穩(wěn)壓器等DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠承受一定的輸入電壓范圍，并能以足夠的電流產(chǎn)生所需的輸出電壓。輸入電壓經(jīng)常指定為一個范圍，因為通常無法精確調(diào)節(jié)。但是，為了使電源可靠地工作，輸入電壓必須始終在開關(guān)穩(wěn)壓器允許的范圍內(nèi)。

例如，12 V電源電壓的典型輸入電壓范圍為8 V至16 V。圖1所示為從12 V標稱電壓產(chǎn)生3.3 V電壓的降壓型轉(zhuǎn)換器（降壓拓撲）。

圖1.與系統(tǒng)直流電壓源一起顯示的降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器

但是，在設(shè)計DC-DC轉(zhuǎn)換器時，僅考慮輸入電壓最小值和最大值是不夠的。圖1顯示降壓轉(zhuǎn)換器在正輸入處有一個開關(guān)。此開關(guān)可打開或關(guān)閉。開關(guān)速度應(yīng)盡可能高，這樣開關(guān)損耗較低。但是，這會導(dǎo)致脈沖電流在電源線上流動。并非每個電壓源都能在不出現(xiàn)任何問題的情況下提供這些脈沖電流。因此，開關(guān)穩(wěn)壓器輸入端的電壓會下降。為了盡量減少這種情況，需要在電源輸入端使用一個備用電容。圖1所示C_IN就是這種電容。

圖2.圖1中的電路，但顯示了電源線寄生元件和電壓源

圖2所示為圖1中的電路，但這次同時顯示電源線的寄生元件和電壓源本身。電壓源(R_SERIES)的內(nèi)部電阻、電源線（R、L電源線）的電感和電阻，以及任何電流限制都是電壓源必須考慮的關(guān)鍵特性，這樣才能保證開關(guān)穩(wěn)壓器正常運行。在大多數(shù)情況下，正確選擇輸入電容可以確保電路正常運行。第一種方法應(yīng)該是采用開關(guān)穩(wěn)壓器IC數(shù)據(jù)手冊中的C_IN的推薦電容值。但是，如果電壓源或電源線表現(xiàn)出特別特性，則仿真電壓源和開關(guān)穩(wěn)壓器的組合是可行的。圖3顯示使用ADI公司的LTspice^®仿真環(huán)境執(zhí)行的仿真。

圖3.使用LTspice進行的仿真，用于檢查開關(guān)穩(wěn)壓器輸入電壓的行為

圖3所示為ADP2360降壓轉(zhuǎn)換器的仿真電路。此處顯示了使用理想電壓源產(chǎn)生輸入電壓IN的簡化表。由于沒有為電壓源定義內(nèi)部電阻，也沒有為電壓源和開關(guān)穩(wěn)壓器之間的電源線提供寄生值，定義的電壓始終應(yīng)用于ADP2360的V_IN引腳。因此，無需添加輸入電容(C_IN)。但是，在現(xiàn)實世界中，由于電壓源和電源線并不理想，因此開關(guān)穩(wěn)壓器總是需要輸入電容。如果LTspice等仿真環(huán)境也用于檢查不同輸入電容的行為，則必須使用具有內(nèi)部電阻的電壓源和具有電阻和電感寄生值的電源線，如圖2所示。

作者簡介

Frederik Dostal曾就讀于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)。他于2001年開始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔任各種應(yīng)用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負責(zé)開關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司擔任電源管理現(xiàn)場應(yīng)用工程師。