为何设计可靠电源时应考虑真实电压源

实际使用中,电源的来源从来都不理想。构建可靠的电力系统需要考虑包括寄生在内的实际行为。在使用电源时,我们要确保开关稳压器等DC-DC转换器能够承受一定的输入电压范围,并能以足够的电流产生所需的输出电压。输入电压经常指定为一个范围,因为通常无法精确调节。但是,为了使电源可靠地工作,输入电压必须始终在开关稳压器允许的范围内。

例如,12 V电源电压的典型输入电压范围为8 V至16 V。图1所示为从12 V标称电压产生3.3 V电压的降压型转换器(降压拓扑)。

图1. 与系统直流电压源一起显示的降压型开关稳压器。

但是,在设计DC-DC转换器时,仅考虑输入电压最小值和最大值是不够的。图1显示降压转换器在正输入处有一个开关。此开关可打开或关闭。开关速度应尽可能高,这样开关损耗较低。但是,这会导致脉冲电流在电源线上流动。并非每个电压源都能在不出现任何问题的情况下提供这些脉冲电流。因此,开关稳压器输入端的电压会下降。为了尽量减少这种情况,需要在电源输入端使用一个备用电容。图1所示CIN就是这种电容。

图2所示为图1中的电路,但这次同时显示电源线的寄生元件和电压源本身。电压源(RSERIES)的内部电阻、电源线(R、L电源线)的电感和电阻,以及任何电流限制都是电压源必须考虑的关键特性,这样才能保证开关稳压器正常运行。在大多数情况下,正确选择输入电容可以确保电路正常运行。第一种方法应该是采用开关稳压器IC数据手册中的CIN的推荐电容值。但是,如果电压源或电源线表现出特别特性,则仿真电压源和开关稳压器的组合是可行的。图3显示使用ADI公司的LTspice®仿真环境执行的仿真。

图2. 图1中的电路,但显示了电源线寄生元件和电压源。

图3. 使用LTspice进行的仿真,用于检查开关稳压器输入电压的行为。

图3所示为 ADP2360 降压转换器的仿真电路。此处显示了使用理想电压源产生输入电压IN的简化表。由于没有为电压源定义内部电阻,也没有为电压源和开关稳压器之间的电源线提供寄生值,定义的电压始终应用于ADP2360的VIN引脚。因此,无需添加输入电容(CIN)。但是,在现实世界中,由于电压源和电源线并不理想,因此开关稳压器总是需要输入电容。如果LTspice等仿真环境也用于检查不同输入电容的行为,则必须使用具有内部电阻的电压源和具有电阻和电感寄生值的电源线,如图2所示。

作者

Frederik Dostal

Frederik Dostal

Frederik Dostal曾就读于德国埃尔兰根-纽伦堡大学微电子学专业。他于2001年开始工作,涉足电源管理业务,曾担任多种应用工程师职位,并在亚利桑那州凤凰城工作了4年,负责开关模式电源。他于2009年加入ADI公司,现担任位于德国慕尼黑的ADI公司的电源管理现场应用工程师。