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开关稳压器设计理论

时间:2012-12-08      阅读:1107

在线开关电源设计的*步是定义电源需求,包括电压范围、输出电压和负载电流。可能的解决方案会得到自动评估,并将一、两个推荐方案呈现给用户。这也是设计者可能遇到麻烦的*个地方:如果需求的表达不正确(例如,如果实际的输入电压范围高于或低于输入值),则不适合的解决方案也会显示。用户可以尝试多组需求,但必须对系统需求有清晰的概念。

当选定了稳压器解决方案后,就可以确定该电路的元器件。该工具会会显示元器件的号码。用户可以更改为一个预设的替代品,或输入一个定制元件。对于元器件值和所有关键的寄生参数值都有指导。如果采用了与推荐值差异较大的定制元件,恐怕性能就会下降不少。

性能评估

一旦选定了电路元器件,就到了评估性能的时候了。一般来说,性能评估要看频率响应值(交叉频率和相位裕度)、峰值电流和电压,以及热性能值(效率、结温和元件温度)。尽管这些计算建基于模型,仿真结果与工作台数据还是匹配得很好的。
布线开关电源中包含有高频信号,PCB上任何印制线都可以起到天线的作用,印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗,从而影响频率响应。即使是通过直流信号的印制线也会从邻近的印制线耦合到射频信号并造成电路问题(甚至再次辐射出干扰信号)。因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽,这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比,而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。长度反映出印制线响应的波长,长度越长,印制线能发送和接收电磁波的频率越低,它就能辐射出更多的射频能量。根据印制线路板电流的大小,尽量加租电源线宽度,减少环路电阻。 同时、使电源线、地线的走向和电流的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。接地是开关电源四个电流回路的底层支路,作为电路的公共参考点起着很重要的作用,它是控制干扰的重要方法。

电气仿真与热仿真

电气仿真支持某些解决方案。这些仿真器会显示出逻辑图,用户可以进一步更改元器件,并在稳压电路上运行测试。现有的测试包括波德图、稳态、线路瞬态、负载瞬态和起动。(注意,波德图只能用于那些采用固定频率稳压器IC的电路。)为使在线测试更有用,用户应仔细检查所有测试条件。输入电压和负载电流对每次测试都可能会变化,而默认值可能与用户的系统不相匹配。用户必须先估计出应得的结果,如果仿真结果与之不同,去找出原因。

热仿真可以用于许多方案。在线工具会用一个参考设计布局,评估在PCB板上实现的稳压电路。元器件和电路板温度的结果以全彩图象及表格显示。由于热仿真运行得较快(几分钟内就可以给出结果),精度自然比不上一个耗费数小时的详尽CFD(计算流体动力)仿真结果。但是,温度估计一般在实际值的20°C内。这对于确定电路板或元器件的热点,防止出现过热情况已经足够使用了。

测试原型

开关稳压器设计投产前的zui后步骤是建立一个原型,用于工作台的测试。某些解决方案含有客户化设计的支持,其它方案则有参考设计板。在线工具有强大功能,或许你会由此产生跳过此步骤的想法–千万不要这样!大多数设计的运行良好,但有些则需要精心布局才能得到*性能。实际的元器件可能并不匹配仿真结果,特别是考虑它们的寄生效应后,实际性能(包括电路板布局效果)会与仿真结果略有差别。我们重申,关键是要确定期望值,并分析所有不同之处。设计者应使用各种实验室工具,包括高速示波器、DVM、电流表,再加上自己的思考,就能得到*的成功机会。
过去15年来,开关电源的设计逐渐成为主流。现在,开关电源的设计已不再是专家的任务,任何参与系统设计的人员都能够zui终设计出自己的开关电源。

 

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