电源设计:拓扑和理论

关键的外卖

• 不同的转换器家庭用于电源设计以及他们的一些应用程序。
• 一些介绍性的概述电力设计拓扑。
• 常用电源设计,不能被归类为non-isolative或归纳。

电源设计是考虑在每一个点在网格上,从一代到最终产品。

多氯联苯,权力有多种形式,反映出不同的电路在不同的应用程序的需求。翻译在不同电流(类型和值),电压,频率,和其他基本波形特征是所有电子产品的必要步骤。电源启动电路,但任何设计师被焚烧或震惊董事会在开发过程中充分认识到错误在设计电力系统会有后果。什么可能是一个痛苦的不便可能很快就会演变为严重或致命伤害随着电流和电压增加的电力需求增加。甚至无视最糟糕的情况,电力将影响每一个电路和组件在一块板子上,俯瞰这个影响在设计可能会导致董事会需要稍后进行大量的修改。

虽然供电设计是一个非常广泛的对话,逻辑起点将电路本身如果形式服从功能。通过了解影响功率电路的不同方法,设计者可以诱导最佳性能的设计考虑到各种不同的限制。

电流和互变现象

最定义方面的电源设计围绕什么类型的转换器将需要建立在源或机载权力。转换器可以接受和输出提供交流或直流。不同功能的三种风格围绕如何转换器的输入和输出之间的转换:

• 直流-直流转换器——这些转换器不涉及当前的任何转换,而是调整输入电压到必要的输出水平。在当今的电子世界,可能有多个实例升压或降压改变电压源(电池、充电器等)所需要的各种电压等级不同的权力网,例如,3.3 v, 5 v,等。电压的增加(提高)和减少(称为降压)利用磁场或电场存储通过电感或电容,分别实现所需的输出电压和任何额外的过滤特性。
• 农用转换器——一般来说,电源类型属于这个域看到使用在大型电子系统三相感应电机和工业等设置。比直流-直流拓扑更有限的由于他们的特殊应用程序。农用转换器通过作用于波形本身而不是电压的电源,通常与数字逻辑水平有关。除了改变波形的振幅,农用还能改变的频率信号,类似于脉冲宽度调制的数字线路的影响。
• 混合动力交流和直流之间切换是一个至关重要的功能与大规模集成电路,最明显的是网格。网格级传播需要交流(高压直流与新技术取得了显著的成效)来减少能源损失重要的旅行距离电缆,虽然许多消费电子产品主要在直流操作。需要整改和集成从交直流变换,反之亦然,分别。
• 整流器——从AC, DC转换。递增的顺序通常通过完成(效率)半波、全波、三相整流。由此产生的直流信号需要大量的过滤消除信号和消除谐波。根据功率,电流,电压要求一个特定的电路,这可以从电阻和电容到精心设计的滤波器来完成网络和活跃的设备(如电压调节器。
• 逆变器——将从直流到交流。附近有一个时可以创建无限数量的周期信号从直流,设计师通常在广场上磨练波(最简单的模拟直流信号,因此适合设备操作二进制开关模式)或某种形式的更敏感组件的正弦波。

基本系统:线性监管机构和开关电源的设计

最简单的功率线性调节器的设计。立即的线性稳压器具有操作直观,任何一个有基本的了解电子理论:通过电阻负载,监管机构可以提供更低的输出电压从一个高输入功率以热的形式耗散。实际上,一些权力是用来加热元素来实现所需的电压在负载。

根据电压在负载的变化以及电源电压,线性监管机构提供一个简单的和非常稳定的电压波形作为最终产品以最小的EMI问题可能出现在快速交换电源。提供董事会没有任何担忧热一代附近的监管机构,是否因为整体少量的热量产生的(如在线性辍学监管者)或因为董事会设计能有效热水槽,监管机构的有效实现。然而,线性稳压器在能源效率和贫穷只能从输入电平的电压下降,因此需要一个足够高的操作。由于这些原因,监管机构的使用仅限于董事会效率优先,热,和非标准电压水平最低。

设计人员如何提高效率的设计?由于其灵活性和功率效率,开关电源包含电源设计的一个重要部分。虽然有更多的排列以适应具体的电流,电压,和效率的要求一个特定的,基本non-isolated拓扑如下所示:

• 巴克——也称为降压转换器,它是用来减少高电压源到一个较低的值与降低电网电压的要求。包括源、开关、电容器、电感器回程二极管(这是有时取而代之的是第二个晶体管作为开关减少损失)。当开关第一次关闭后一个开放的稳定状态,晶体管开始储存能量以磁场的形式有一个很大的电压降在初始时刻电路关闭(理想电压源),逐步减少为零。一段足够的充电后,开关被打开和电感电流来自其存储领域继续驱动电路。至于其余的组件,回程二极管防止大电压峰值在电感负载时开关打开后稳态封闭条件和输出电容降低纹波更稳定的直流电压信号。巴克转换器与第二晶体管可以同步设置,减少电阻电路的损失“on”时期,尤其有利于轻型周期/减缓转换应用程序。
• 提高- boost变换器,也称为一个步骤,构造相同的元素作为一个巴克转换器。然而,这些组件被安排在这样一种方式稳态断开的开关条件特性与磁场感应器在巴克的最大强度相对于零的设计。偏见完全发展在电感器在稳态条件下,开关被打开时,电流环的总阻抗增加。补偿,感应器将一些磁能转换为当前最小化更改当前的循环。在这一过程中,一些偏见发达在电感器将有效地转移到负载。电容器用于存储生成的电荷结合source-inductor系列组合和供给负载,当开关关闭的二极管防止通过接触放电开关处于打开状态。
• Buck-boost——buck-boost转换器是一个组合的升压和降压电压功能各自单独的电路。标准的设计是一个反相极性转换器,也就是说,一个负电压源转换成积极的价值提供负载,反之亦然。替代设计允许non-inversion four-switch配置或电压源的源和负载之间的双向权力交接Ćuk或split-pi设置。Buck-boost转换器可以用作构建块等更复杂的电力线路单端primary-inductor转换器(SEPIC)。分别在巴克和提高转换器,一个封闭的电感和开关状态指控允许电容负载的电压源,而断开的开关条件电感电流负载直接来源。

一个重要的操作参数对开关电源周期电流提供给来自时的负载电感。电力电路来操作连续或间断地当当前提供的全部时间inductor-sourcing周期大于零或零电流通过电感器时在此状态,在任何时候。

一般来说,理想的功率传输方程变得更复杂操作不连续模式与连续模式,以及在不连续模式下可能出现更大的损失。例如,动力传递函数在连续运营模式可能是一个简单的输入和输出电压之比,而不连续模式可能会引入电感值,工作周期等参数。虽然这可能比从效率和设计简单的角度来设计一个连续的操作模式,这是部分受到负载本身,因为较低的负载可能不需要画inductor-sourced权力的全部时间。

巴克的视觉参考,促进和buck-boost转换器的理论。

特殊开关参数:隔离的和电容

与变压器开关电源操作指定隔离由于电隔离变压器的绕组之间存在。安全性和信号完整性,这些电源设计提供了特殊的好处。打破不同次电流之间的传导路径,设计师可以在单独的电源之间沟通操作在不同的电压水平。除了提供隔离,这些开关电源还可以提高或降低电压水平基于在变压器绕组的匝数比礼物。像non-isolated开关电源上面列出,有一些基本的拓扑,可以不断地调整:

• 向前——由一个开关,变压器,二极管,电感器和电容器来创建和储存能量的方式各自的领域。在开关“on”条件下,能量是通过变压器差距和传播为负载提供电力。
• 回扫——功能在设计上类似buck-boost转换器在分区之间的整体电路开关阶段。能量存储在变压器的磁通,而执行像一个低效的磁存储单元,而不是一个电感器。使用状态有电感建筑物能源和负载采购的电容电压功率负载,而断开的传输变压器的磁场能量,驱动负载和存储在输出电容器电场。如前所述,变压器作为存储单元,并大大降低了电路的效率相比,拓扑。
• 推拉/网格状的——推挽式转换器都相对独特的可接受的配置开关位置为负载提供电力,而不是更常见的风格的源驱动一些存储设备,然后权力在破坏原始电路的负载路径。计时电路设计是极其重要的,同时开关(通常变压器由于其响应)关闭导致短路,和两个开关的打开可以开发一个重要的电动势。
• h桥——一般在机器人或任何设备,电力需求提供允许汽车向前和向后运行(如将轮车)。h桥允许权力通过两个不同的终端,提供配置不会导致射穿短的运动条件。

到目前为止,讨论忽视了纯电容电源设计的方法。俗称电荷泵,电路在这个模具可以生成整数和分数倍数的输入电压使用两阶段过程类似于磁性开关电源充电。特定的开放或关闭开关配置首先指控电容器同时交替条件允许源和电容器供应系列,结合负载的价值来源。电容式开关电源设计有一个更狭窄的应用领域,主要是在低功耗电子产品领域,效率比绝对的吞吐量更有价值的地方。

隔离和变压器形式设计任意次幂的基础设施的一个重要组成部分。

为提高功率效率的最佳实践

电源拓扑的选择和制定最佳实践同样重要诱导特定配置最优性能。幸运的是,这些设计标准广泛适用于任何选择的权力设计:

• 限制高电压/电流峰值——与开关电源相关信号峰值可以证明危险的力量通过电感耦合电路和影响附近的信号。需要澄清的是,不仅仅是高电压或电流水平,需要考虑,而且高水平的变化,即。,dv / dt和di / dt。连续操作模式会限制峰值超过不连续的操作,但设计师也可以限制这些峰值保持当前的循环和返回路径直接和短。某些节点,比如开关mosfet和盖茨,需要减少表面积减少电容;虽然这增加电感,整体效果比减少循环大小明显要少得多。
• 寄生——电路制造的现实的意思是离散的,理想化的组件是窗外。虽然个别实例的发生都很小,容易使平凡,这些影响会变得有害总如果下落不明。寄生采取三个基本电路的形式特征:
• 电阻——导体的厚度方向正常的平面板是线性和电阻成反比。还通过提供一个名义上的阻力,与一个更大的环孔和辊身长度增加阻力。
• 电容——无论铜特性存在于相同的位置在平面上但是在不同的层,电容耦合。这个电容很简单,除了短层之间的距离,但这电容会增加通过的所有领域。因此等人口网的力量,这种耦合可能特别棘手。减少了重叠区域的导体或增加层之间的距离将减少该值。
• 电感——最好的方法来降低电感在跟踪路由在地面,用一个短导体与地平面之间的距离减少电流环的大小。
• 热——电源可能会在操作过程中产生大量的热量,但是设计师可以投资于许多减轻技术妥善准备。被动选择,大型铜倒和air-facing表面区域将耗散的主要选择。倒越大,断裂在平面上的不中断,更有效的热量可以通过董事会,远离它的一代。更大更涉及包可能需要某种形式的热垫;总是使用最大规格热垫设计最大化接触垫和销为热通过提供额外的空间。散热片也可以用来增加额外的air-surface接触面积通过对流冷却。记住欧姆加热是由于当前的方法来改善当前的路径控制和通道也将提高热流。

一般来说,布局流程(位置和路由)应遵循逻辑流的大小和优先级。大型组件或那些需要在黑板上某个位置(如边缘,远离高组件垂直连接器,等)应放置/路由之前那些可以安排更大的灵活性。以这种方式不仅会优先提高性能,但它可能会节省时间,花纠正布局。一如既往,保持短的痕迹和直接,指的是制造商的数据表。

电源设计是一个广泛的话题包括许多支持设计概念除了所有自己的话题。最佳实践的必要性在设计力量不容忽视:系统功率输出较差,接地,或其他问题都有可能出现不合格的性能和操作期间的中断。没有一个工具集来评估板设计的各个方面会影响电源的性能,设计师可以在黑暗中离开电路表现如何。幸运的是,抑扬顿挫的PCB设计和分析软件提供一个全面的评估在制品减少时间原型和修订。再加上OrCAD PCB设计者,用户可以意识到即使是最复杂和要求董事会的功能的易用性和权力。