如何使開關電源設計更簡單及使用開關電源的一些問題
在線電源設計的第一步是定義電源需求,包括電壓范圍、輸出電壓和負載電流。可能的解決方案會得到自動評估,并將一、兩個推薦方案呈現給用戶。 這也是設計者可能遇到麻煩的第一個地方:如果需求的表達不正確(例如,如果實際的輸入電壓范圍高于或低于輸入值),則不適合的解決方案也會顯示。用戶可以嘗試多組需求,但必須對系統需求有清晰的概念。
當選定了穩壓器解決方案后, 就可以確定該電路的元器件。該工具會會顯示元器件的號碼。用戶可以更改為一個預設的替代品,或輸入一個定制元件。對于元器件值和所有關鍵的
寄生參數值都有指導。 如果采用了與推薦值差異較大的定制元件,恐怕性能就會下降不少。
1 性能評估
一旦選定了電路元器件, 就到了評估性能的時候了。一般來說,性能評估要看頻率響應值(交叉頻率和相位裕度)、峰值電流和電壓,以及熱性能值(效率、結溫和元件溫度)。盡管這些計算建基于模型,仿真結果與工作臺數據還是匹配得很好的。
2 電氣仿真與熱仿真
電氣仿真支持某些解決方案。這些仿真器會顯示出邏輯圖,用戶可以進一步更改元器件,并在穩壓電路上運行測試。現有的測試包括波德圖、穩態、線路瞬態、負載瞬態和起動。(注意,波德圖只能用于那些采用固定頻率穩壓器 IC 的電路。)為使在線測試更有用,用戶應仔細檢查所有測試條件。輸入電壓和負載電流對每次測試都可能會變化,而默認值可能與用戶的系統不相匹配。用戶必須先估計出應得的結果,如果仿真結果與之不同,去找出原因。
熱仿真可以用于許多方案。在線工具會用一個參考設計布局,評估在 PCB 板上實現的穩壓電路。元器件和電路板溫度的結果以全彩圖象及表格顯示。由于熱仿真運行得較快(幾分鐘內就可以給出結果),精度自然比不上一個耗費數小時的詳盡 CFD(計算流體動力)仿真結果。但是,溫度估計一般在實際值的 20°C 內。這對于確定電路板或元器件的熱點,防止出現過熱情況已經足夠使用了。
3 測試原型
開關穩壓器設計投產前的最后步驟是建立一個原型,用于工作臺的測試。某些解決方案含有客戶化設計的支持,其它方案則有參考設計板。在線工具有強大功能,或許你會由此產生跳過此步驟的想法 – 千萬不要這樣!大多數設計的運行良好,但有些則需要精心布局才能得到最佳性能。實際的元器件可能并不精確匹配仿真結果,特別是考慮它們的寄生效應后,實際性能(包括電路板布局效果)會與仿真結果略有差別。
因為經常設計的是射頻或者是低頻的模擬電路,所以設計中很少用到開關電源,但是有幾種情況下,必須選用開關電源,才能滿足系統的性能!
1. 輸入的電源電壓比系統所需要的電壓低,在這種情況下,系統需要升壓芯片來提高輸入電壓,對于這種電路,如果被供電電路是敏感的模擬信號或者是射頻信號,那么建議采用LC 的網絡濾波,或者再采用一級LDO來降壓,從而達到輸出低紋波的特性。
2. 系統的電壓需要負壓,在這種情況下,系統需要開關電源把正壓變換為負壓。如果被供電電路是敏感的模擬信號或者是射頻信號,那么建議采用LC 的網絡濾波,或者再采用一級負壓的LDO來降壓,從而達到輸出低紋波的特性。
3.系統的輸入電壓比系統所需要的電壓大很多,并且系統需要的電流很大,此時若使用LDO或者三端穩壓芯片,芯片上的功耗會很大,不僅降低了系統的效率,而且給系統的散熱帶來問題。此時可以首先使用開關電源電壓降低到一個比較合適的電壓,再使用LDO。
在使用的過程中還有一些問題需要注意:
一。最近使用正電到負電的變壓芯片時,發現輸出的負電壓不足,當與負載斷開時,發現電壓恢復,開始懷疑時后級電路出了問題,但是當采用穩壓電源供電時,負電壓并沒有限流,而且采用萬用表的電流檔測試時,發現電流只有50mA,后來發現當我把芯片輸出正電的線路中串連的大電感去掉后,輸出正常。所以在開關電源中,輸入電壓供電的線路中加入大電感,雖然在一定程度上有隔掉直流分量的作用,但是同樣影響的開關電源的的正常工作。
二。開關電源雖然具有很高的效率,但是畢竟不是100%,而且開關電源芯片的熱阻相對比較小,散熱能力相對差,所以一定要計算系統所需的電壓和電流,從而計算出系統的功耗,然后根據效率曲線計算出消耗在開關電源芯片的上功耗。通過熱阻計算芯片的溫度是否超過芯片能承受的溫度。然后留出一定的余量的情況下,選擇芯片。
當選定了穩壓器解決方案后, 就可以確定該電路的元器件。該工具會會顯示元器件的號碼。用戶可以更改為一個預設的替代品,或輸入一個定制元件。對于元器件值和所有關鍵的
寄生參數值都有指導。 如果采用了與推薦值差異較大的定制元件,恐怕性能就會下降不少。
1 性能評估
一旦選定了電路元器件, 就到了評估性能的時候了。一般來說,性能評估要看頻率響應值(交叉頻率和相位裕度)、峰值電流和電壓,以及熱性能值(效率、結溫和元件溫度)。盡管這些計算建基于模型,仿真結果與工作臺數據還是匹配得很好的。
2 電氣仿真與熱仿真
電氣仿真支持某些解決方案。這些仿真器會顯示出邏輯圖,用戶可以進一步更改元器件,并在穩壓電路上運行測試。現有的測試包括波德圖、穩態、線路瞬態、負載瞬態和起動。(注意,波德圖只能用于那些采用固定頻率穩壓器 IC 的電路。)為使在線測試更有用,用戶應仔細檢查所有測試條件。輸入電壓和負載電流對每次測試都可能會變化,而默認值可能與用戶的系統不相匹配。用戶必須先估計出應得的結果,如果仿真結果與之不同,去找出原因。
熱仿真可以用于許多方案。在線工具會用一個參考設計布局,評估在 PCB 板上實現的穩壓電路。元器件和電路板溫度的結果以全彩圖象及表格顯示。由于熱仿真運行得較快(幾分鐘內就可以給出結果),精度自然比不上一個耗費數小時的詳盡 CFD(計算流體動力)仿真結果。但是,溫度估計一般在實際值的 20°C 內。這對于確定電路板或元器件的熱點,防止出現過熱情況已經足夠使用了。
3 測試原型
開關穩壓器設計投產前的最后步驟是建立一個原型,用于工作臺的測試。某些解決方案含有客戶化設計的支持,其它方案則有參考設計板。在線工具有強大功能,或許你會由此產生跳過此步驟的想法 – 千萬不要這樣!大多數設計的運行良好,但有些則需要精心布局才能得到最佳性能。實際的元器件可能并不精確匹配仿真結果,特別是考慮它們的寄生效應后,實際性能(包括電路板布局效果)會與仿真結果略有差別。
因為經常設計的是射頻或者是低頻的模擬電路,所以設計中很少用到開關電源,但是有幾種情況下,必須選用開關電源,才能滿足系統的性能!
1. 輸入的電源電壓比系統所需要的電壓低,在這種情況下,系統需要升壓芯片來提高輸入電壓,對于這種電路,如果被供電電路是敏感的模擬信號或者是射頻信號,那么建議采用LC 的網絡濾波,或者再采用一級LDO來降壓,從而達到輸出低紋波的特性。
2. 系統的電壓需要負壓,在這種情況下,系統需要開關電源把正壓變換為負壓。如果被供電電路是敏感的模擬信號或者是射頻信號,那么建議采用LC 的網絡濾波,或者再采用一級負壓的LDO來降壓,從而達到輸出低紋波的特性。
3.系統的輸入電壓比系統所需要的電壓大很多,并且系統需要的電流很大,此時若使用LDO或者三端穩壓芯片,芯片上的功耗會很大,不僅降低了系統的效率,而且給系統的散熱帶來問題。此時可以首先使用開關電源電壓降低到一個比較合適的電壓,再使用LDO。
在使用的過程中還有一些問題需要注意:
一。最近使用正電到負電的變壓芯片時,發現輸出的負電壓不足,當與負載斷開時,發現電壓恢復,開始懷疑時后級電路出了問題,但是當采用穩壓電源供電時,負電壓并沒有限流,而且采用萬用表的電流檔測試時,發現電流只有50mA,后來發現當我把芯片輸出正電的線路中串連的大電感去掉后,輸出正常。所以在開關電源中,輸入電壓供電的線路中加入大電感,雖然在一定程度上有隔掉直流分量的作用,但是同樣影響的開關電源的的正常工作。
二。開關電源雖然具有很高的效率,但是畢竟不是100%,而且開關電源芯片的熱阻相對比較小,散熱能力相對差,所以一定要計算系統所需的電壓和電流,從而計算出系統的功耗,然后根據效率曲線計算出消耗在開關電源芯片的上功耗。通過熱阻計算芯片的溫度是否超過芯片能承受的溫度。然后留出一定的余量的情況下,選擇芯片。
【上一個】 線性電源和開關電源的優缺點 | 【下一個】 開關電源常規功能測試分析 |
^ 如何使開關電源設計更簡單及使用開關電源的一些問題 |