【導(dǎo)讀】自第二次工業(yè)革命之后，人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展和電能深度綁定，電氣/電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、能源、交通、民生等各個(gè)領(lǐng)域。隨著用電設(shè)備從單一回路逐漸演變成為系統(tǒng)，將電能合理、有效地分配給系統(tǒng)中的每個(gè)器件尤為重要。一個(gè)優(yōu)秀的電源管理系統(tǒng)不僅能夠保障系統(tǒng)的用電安全，更是設(shè)備做到高效節(jié)能的關(guān)鍵所在。
眾所周知，搭建電源管理系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的工程，不僅要考慮設(shè)備內(nèi)單一器件的輸入電壓、輸出電壓和電流等參數(shù)指標(biāo)，還要從設(shè)備能效、系統(tǒng)參數(shù)以及散熱等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)干擾問(wèn)題也要考慮周全。
電源管理器件的創(chuàng)新/選型
從產(chǎn)品類(lèi)別上來(lái)看，電源管理器件主要分為電源管理IC和分立式電源器件。前者包括了輸出電路、輸入電路、反饋電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路等涉及的多類(lèi)別、多型號(hào)IC器件；后者則主要是我們常常提到的功率半導(dǎo)體器件。
我們?cè)谡務(wù)撾娫垂芾砥骷臅r(shí)候，第一個(gè)重要的議題是能效管理。系統(tǒng)的電能消耗是單位時(shí)間內(nèi)能源消耗和時(shí)間的乘積，因此降低不必要器件的供電時(shí)間和單一器件/模塊的功耗是解決問(wèn)題的兩大著力點(diǎn)。在電源管理器件設(shè)計(jì)方面，提升能效主要優(yōu)化的點(diǎn)在于更高的開(kāi)關(guān)頻率、更低的靜態(tài)電流、更先進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)器和更小的無(wú)源器件等。
EMI是第二個(gè)要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，主要是系統(tǒng)的噪聲和干擾。隨著系統(tǒng)集成度和DC/DC開(kāi)關(guān)速度的提高，低EMI的重要性不言而喻，在汽車(chē)、工業(yè)領(lǐng)域尤甚。通過(guò)集成旁路電容和采用高電源抑制比穩(wěn)壓器等方式，能夠有效地降低系統(tǒng)產(chǎn)生的EMI，并簡(jiǎn)化方案設(shè)計(jì)。
第三大發(fā)展趨勢(shì)是集成保護(hù)，在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們能夠看到各種保護(hù)電路設(shè)計(jì)。如今先進(jìn)的電源管理器件集成各種保護(hù)功能，如欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、限流保護(hù)、短路保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)等。模塊電源更是會(huì)采用隔離式設(shè)計(jì)，既能夠屏蔽外部設(shè)備的干擾保持電源信號(hào)完整性，又可以保護(hù)設(shè)計(jì)和操作人員的用電安全，同時(shí)節(jié)省布板空間。
第四點(diǎn)，各類(lèi)型電源管理器件在高效率、低EMI、高集成保護(hù)等創(chuàng)新之下，也在著力改進(jìn)封裝設(shè)計(jì)，以求在更小型、可靠的封裝中容納更多的創(chuàng)新元素，進(jìn)而讓器件本身和采用該器件的方案擁有更高的功率密度。在這方面，小型封裝帶來(lái)的散熱問(wèn)題是一大挑戰(zhàn)，制造商也在投資開(kāi)發(fā)具有更好散熱性能的封裝形式。
在一些特殊的領(lǐng)域，比如醫(yī)療和電子/電力產(chǎn)品等領(lǐng)域，低漏電流、少寄生電容、高隔離電壓和低隔離電容等共性特征是做電源管理器件選型必須要重視的，以達(dá)到超過(guò)其他行業(yè)的EMC性能。
除了產(chǎn)品特征參數(shù)的考慮，在打造完整的電源系統(tǒng)時(shí)，也要綜合看器件的拓?fù)潆娐?，這和電器件創(chuàng)新是相輔相成。一般而言，各類(lèi)型電源管理器件都會(huì)有自己的成熟拓?fù)?，以DC-DC轉(zhuǎn)換器為例，定壓輸入多選用Royer電路，寬輸入范圍則有Flyback拓?fù)浜虵orward拓?fù)?。這些成熟的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)歷了時(shí)間的考驗(yàn)，是系統(tǒng)電路穩(wěn)定的保障。
當(dāng)然，為追求更高功率密度，制造商也在進(jìn)行拓?fù)潆娐返膭?chuàng)新，以幫助用戶(hù)方案實(shí)現(xiàn)更小的體積，這是提升功率密度的主要方式。在此過(guò)程中，無(wú)源器件是主要的優(yōu)化點(diǎn)，尤其是電感和電容，與器件的集成度和開(kāi)關(guān)頻率息息相關(guān)。
在器件集成方面，擁有先進(jìn)柵極驅(qū)動(dòng)器的器件會(huì)使拓?fù)潆娐分械沫h(huán)路電感明顯減小，一些器件集成的電容器同樣有減小環(huán)路電感的作用；此外通過(guò)3D堆疊的形式，將電容和電感直接集成在器件內(nèi)部，能夠明顯簡(jiǎn)化拓?fù)潆娐泛拖到y(tǒng)電路。因此，當(dāng)選定的電源管理器件為高集成度器件時(shí)，無(wú)源器件數(shù)量的減少或者體積的減小將使得用戶(hù)方案在功率密度上有明顯的優(yōu)勢(shì)。
在開(kāi)關(guān)頻率方面，更高的開(kāi)關(guān)頻率不僅意味著更出色的能效，同時(shí)每個(gè)開(kāi)關(guān)周期儲(chǔ)存和釋放的能量就更少，電感和輸出電容就可以減小，進(jìn)而在拓?fù)潆娐泛拖到y(tǒng)電路上減小方案的尺寸。
需要注意的是，用戶(hù)在做電源管理器件性能評(píng)定時(shí)，無(wú)法像比較處理器/控制器芯片一樣，通過(guò)特征參數(shù)中的工藝、工作頻率、功耗、GPIO豐富度等就可以大致判斷出自己需要哪顆芯片。對(duì)于電源管理器件而言，與之相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具是準(zhǔn)確掌握器件性能的捷徑。
快速了解電源管理器件
接下來(lái)，我們通過(guò)具體的產(chǎn)品來(lái)看一下工程師在做電源管理器件選型時(shí)會(huì)遇到的實(shí)際困難，以及開(kāi)發(fā)工具扮演的重要角色。
1 穩(wěn)壓器和它豐富的分類(lèi)
作為被設(shè)計(jì)用來(lái)自動(dòng)維持恒定電壓的裝置，相信工程師朋友們對(duì)穩(wěn)壓器肯定不陌生。穩(wěn)壓器能夠?qū)⑤斎腚妷焊咝мD(zhuǎn)化成為所需要的輸出電壓，具有升壓、降壓和穩(wěn)壓的作用。在產(chǎn)品分類(lèi)上，穩(wěn)壓器包括開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、線(xiàn)性穩(wěn)壓器以及集成DC-DC控制器、功率晶體管、輸入與輸出電容器、補(bǔ)償組件和電感器在一個(gè)封裝里面的穩(wěn)壓器模塊。每一個(gè)類(lèi)型下方又會(huì)包含豐富的子系列，比如開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器就會(huì)有升壓型穩(wěn)壓器、降壓型穩(wěn)壓器和反相穩(wěn)壓器等。
當(dāng)我們通過(guò)產(chǎn)品參數(shù)層層選拔最終選定一款穩(wěn)壓器之后，如何確定它就是自己需要的呢？又如何對(duì)該款穩(wěn)壓器的性能有一個(gè)準(zhǔn)確的把控呢？
比如當(dāng)我們選定貿(mào)澤電子在售的來(lái)自制造商Analog Devices(ADI)的LTC3310HV#WPBF降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，這款器件的輸出電壓范圍為500mV-5.5V，輸入電壓范圍為2.25V-5.5V，輸出電流為10A，開(kāi)關(guān)頻率為5MHz。很明顯，這款器件是輸入和輸出電壓都動(dòng)態(tài)可調(diào)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，將其放置到穩(wěn)壓電路中表現(xiàn)如何呢？
圖1：LTC3310系列穩(wěn)壓器電路原理圖（圖源：ADI）
不必犯難，有了ADI的DC3042A演示板我們就可以從真實(shí)電路的工作表現(xiàn)評(píng)定LTC3310 10A低壓同步降壓型穩(wěn)壓器的具體表現(xiàn)。
圖2：DC3042A演示板（圖源：ADI）
圖3：DC3042A演示板電路原理圖（圖源：ADI）
DC3042A演示板設(shè)置為以2MHz的開(kāi)關(guān)頻率在強(qiáng)制連續(xù)模式下運(yùn)行，也可以配置為pulse-skipping模式和不同的開(kāi)關(guān)頻率。通過(guò)DC3042A演示板，工程師朋友們可以感受到LTC3310系列穩(wěn)壓器超低輻射、高效率和高速同步等性能優(yōu)勢(shì)，體驗(yàn)基于Silent Switcher技術(shù)打造的快速電流環(huán)路。
ADI的Silent Switcher技術(shù)在高效率、EMI限制方面有著突出的優(yōu)勢(shì)，其能夠在大于2MHz的高開(kāi)關(guān)頻率下提供95%的高效率，并能夠幫助系統(tǒng)方案輕松超越CISPR 25 Class 5峰值EMI限制的要求。
當(dāng)DC3042A演示板運(yùn)行之后，通過(guò)圖4能夠看出LTC3310系列穩(wěn)壓器在效率和負(fù)載電流方面的表現(xiàn)，其中藍(lán)色線(xiàn)條為強(qiáng)制連續(xù)模式，紅色線(xiàn)條為脈沖跳躍模式。
圖4：LTC3310穩(wěn)壓器效率和負(fù)載電流表現(xiàn)（圖源：ADI）
圖5展示出LTC3310系列穩(wěn)壓器在負(fù)載階躍響應(yīng)方面的能力，圖6則展示出LTC3310系列穩(wěn)壓器在CISPR25 Class5峰值限制測(cè)試的結(jié)果。
圖5：LTC3310穩(wěn)壓器負(fù)載階躍響應(yīng)（圖源：ADI）
圖6：CISPR25 Class5峰值限制測(cè)試（圖源：ADI）
此外，DC3042A演示板設(shè)有EMI濾波器，可降低傳導(dǎo)EMI，輔以L(fǎng)TC3310系列穩(wěn)壓器超低輻射特性，將EMI/EMC輻射降至低點(diǎn)，這在方案電路設(shè)計(jì)時(shí)有很好的參考價(jià)值。
2 電壓比較器和它多面的應(yīng)用
接下來(lái)，我們?cè)僖噪妷罕容^器為例來(lái)說(shuō)明開(kāi)發(fā)工具對(duì)于了解器件的重要性。電壓比較器的引腳結(jié)構(gòu)、電路符號(hào)與運(yùn)算放大器類(lèi)似，將輸入端的電壓作為一個(gè)基準(zhǔn)值，另一個(gè)作為比較值，輸出高電平或者低電平。原理非常容易理解，但只要簡(jiǎn)單變換電路就會(huì)扮演不同的角色，比如過(guò)壓比較器、過(guò)零電壓比較器、窗口比較器和滯回比較器。
比如貿(mào)澤電子在售的來(lái)自制造商ROHM Semiconductor的BM1Z101FJ電壓比較器，便是一款過(guò)零電壓比較器，可輸出交流電壓過(guò)零定時(shí)檢測(cè)和二極管整流后直流電壓。BM1Z101FJ是一款600V高壓監(jiān)控器，與傳統(tǒng)過(guò)零檢測(cè)電路相比，BM1Z101FJ并不需要光耦合器和外部元件，可以大幅減少元件數(shù)量，還可實(shí)現(xiàn)接近零（0.01W）的待機(jī)功耗。
圖7：BM1Z101FJ電壓比較器（圖源：ROHM Semiconductor）
面向電飯鍋、烘干機(jī)等家電應(yīng)用和空調(diào)、洗衣機(jī)、真空吸塵器等配備電機(jī)的家用電器應(yīng)用，BM1Z101FJ中集成的電壓鉗位功能可保護(hù)下游MCU，確保MCU輸入不超過(guò)4.8V。即使在不同國(guó)家使用的不同電源電壓（100V至230V）以及不同的MCU情況下，依然能夠高效驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
如果工程師朋友需要采購(gòu)這顆器件，又想更深入地了解該器件在交流電壓過(guò)零檢測(cè)方面的優(yōu)秀性能，可以通過(guò)ROHM BM1ZxxxFJ評(píng)估板進(jìn)行體驗(yàn)，貿(mào)澤電子網(wǎng)站上的制造商編號(hào)為BM1Z002FJ-EVK-002。
如圖8所示，針對(duì)BM1ZxxxFJ系列電壓比較器，ROHM Semiconductor共打造了三款評(píng)估板，我們這一次選定的BM1Z002FJ-EVK-002是其中唯一的隔離型AC（交流）過(guò)零檢測(cè)電路。
圖8：BM1ZxxxFJ評(píng)估板類(lèi)型（圖源：ROHM Semiconductor）
通過(guò)BM1ZxxxFJ評(píng)估板，大家可以直觀(guān)地感受到包括BM1Z101FJ在內(nèi)的一系列BM1ZxxxFJ電壓比較器相較于傳統(tǒng)過(guò)零檢測(cè)電路的優(yōu)勢(shì)。如圖9所示，BM1ZxxxFJ電壓比較器能夠準(zhǔn)確地看到從90VAC到264VAC的輸入交流電壓在何時(shí)出現(xiàn)零電壓交叉。
圖9：零電壓交叉（圖源：ROHM Semiconductor）
在實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)負(fù)載停止時(shí)，BM1ZxxxFJ評(píng)估板能夠?qū)㈦妷赫猛Ｖ乖?V狀態(tài)，如圖10所示，這樣精準(zhǔn)的脈沖控制提升了電路的安全性。顯然，這些是無(wú)法通過(guò)參數(shù)讀取解讀出來(lái)的。
圖10：零點(diǎn)狀態(tài)捕捉（圖源：ROHM Semiconductor）
此外，通過(guò)BM1ZxxxFJ評(píng)估板我們還可以明顯看到BM1ZxxxFJ系列電壓比較器在小型化方面的優(yōu)勢(shì)，不再需要傳統(tǒng)ZCD電路中所需的光耦合器和外部元件。
開(kāi)發(fā)工具讓你更好地理解電源管理器件
ADI DC3042A演示板和ROHM Semiconductor BM1ZxxxFJ評(píng)估板的例子很好地詮釋了開(kāi)發(fā)工具在評(píng)估電源管理器件性能方面的重要性。通過(guò)開(kāi)發(fā)工具，工程師朋友們可以直觀(guān)地感受到很多元器件參數(shù)無(wú)法體現(xiàn)的性能優(yōu)勢(shì)，這對(duì)選購(gòu)電源管理器件來(lái)說(shuō)極為重要，有助于快速打造高效、節(jié)能的系統(tǒng)方案。
當(dāng)然，電源管理器件種類(lèi)豐富，貿(mào)澤電子網(wǎng)站上也有大量來(lái)自TI、ADI、Maxim Integrated、ROHM Semiconductor、英飛凌等制造商的開(kāi)發(fā)工具，幫助工程師朋友們快速、高效地了解預(yù)采購(gòu)的電源管理器件。
來(lái)源：貿(mào)澤電子
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