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為何設計可靠電源時應考慮真實電壓源

2021-12-17 16:33:38 ADI 公司 Frederik Dostal，現場應用工程師

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

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標稱電壓產生3.3 V電壓的降壓型轉換器（降壓拓撲）。

圖1.與系統直流電壓源一起顯示的降壓型開關穩壓器

但是，在設計DC-DC轉換器時，僅考慮輸入電壓最小值和最大值是不夠的。圖1顯示降壓轉換器在正輸入處有一個開關。此開關可打開或關閉。開關速度應盡可能高，這樣開關損耗較低。但是，這會導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任何問題的情況下提供這些脈沖電流。因此，開關穩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鍵特性，這樣才能保證開關穩壓器正常運行。在大多數情況下，正確選擇輸入電容可以確保電路正常運行。第一種方法應該是采用開關穩壓器IC數據手冊中的C_IN的推薦電容值。但是，如果電壓源或電源線表現出特別特性，則仿真電壓源和開關穩壓器的組合是可行的。圖3顯示使用ADI公司的LTspice^®仿真環境執行的仿真。

圖3.使用LTspice進行的仿真，用于檢查開關穩壓器輸入電壓的行為

圖3所示為ADP2360降壓轉換器的仿真電路。此處顯示了使用理想電壓源產生輸入電壓IN的簡化表。由于沒有為電壓源定義內部電阻，也沒有為電壓源和開關穩壓器之間的電源線提供寄生值，定義的電壓始終應用于ADP2360的V_IN引腳。因此，無需添加輸入電容(C_IN)。但是，在現實世界中，由于電壓源和電源線并不理想，因此開關穩壓器總是需要輸入電容。如果LTspice等仿真環境也用于檢查不同輸入電容的行為，則必須使用具有內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微電子學專業。他于2001年開始工作，涉足電源管理業務，曾擔任各種應用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負責開關模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司擔任電源管理現場應用工程師。