SMPS选择和测试要领的分析

出处：毛毛虫姑娘发布于：2007-12-24 15:54:20

　　在现代电子产品中，开关电源（SMPS）被普遍选择用为来提供各种不同的直流电源，因它对于提高DC-DC电源转换系统的效率和可靠性是必不可少。然而在这设计和应用过程中对于了解与掌握高效率SMPS的选择和测试要领很为重要，为此本文将对SMPS的选择和测试要领作分析说明。

1、选择SMPS基本要领

1.1从开关电源(SMPS)系统基本特征说起

　　大多数现代系统中主流的直流电源体系结构是开关电源系统，它因为能够有效地应对变化负载而众所周知。典型SMPS的电能“信号通路”包括无源器件、有源器件和磁性元件。SMPS尽可能少地使用损耗性元器件(如电阻和线性晶体管)，而主要使用(理想情况下)无损耗的元器件：开关晶体管、电容和磁性元件。

　　SMPS设备还有一个控制部分，其中包括脉宽调节器、脉频调节器以及反馈环路等组成部分。控制部分可能有自己的电源。图1是简化的SMPS示意图，图中显示了电能转换部分，包括有源器件、无源器件以及磁性元件。

　　绝大部分的电气直流负载由标准电源供电。但是，标准电源的电压可能不符合微处理器、电机、LED或其他负载的电压要求，尤其当标准电源本身的输出电压并不稳定时。电池供电设备就是一个的例子：标准的Li+电池或NiMH电池组的典型电压对于大多数应用而言，不是过高就是过低，或者随着放电过程电压下降的过多。

1.2选择要领

　　幸运的是，SMPS的通用性帮我们解决了这一难题，它将标准电源电压转换成合适的、符合规定的电源电压。SMPS拓扑结构有很多，但可以划分为几种基本的类型，不同类型的转换器可以对输入电压实现升压、降压、反转以及升／降压变换。与线性稳压器只能对输入电压进行降压不同的是，可以选择不同拓扑的SMPS来满足任何输出电压的需求，这也正是SMPS极具吸引力的原因。

　　如上所述，根据电路拓扑的不同，SMPS可以将(DC-DC)直流输入电压转换成不同的直流输出电压。实际应用中存在多种拓扑结构，比较常见有三种非隔离式DC-DC拓扑结构，按照功能划分为：降压(buck 图2a所示)、升压(boost图2b所示)、升／降压(buck-boost或反转图2c所示)。而图2(a)(b)(c)中所画出的为电感充电通道，为电感放电通道。

图2(a)

图2(b)

图2(c)

　　三种拓扑都包括MOSFET开关、二极管、输出电容和电感。MOSFET是拓扑中的有源受控元件，与控制器连接，控制器输出脉宽调制(PWM)方波信号驱动MOSFET栅极，控制器件的关断或导通。为使输出电压保持稳定，控制器检测SMPS输出电压，并改变方波信号的占空比(D)，即MOSFET每个开关周期(Ts)导通时间。D是方波导通时间和周期的比值(ToN／Ts)，直接影响SMPS的输出电压。两者之间的关系在等式4和等式5给出。

　　MOSFET的导通和关断状态将SMPS电路分为两个阶段：充电阶段和放电阶段，分别表示电感中的能量传递状态(见图2的环路)。充电期间电感所储存的能量，在放电期间传递给输出负载和电容上。电感充电期间，输出电容为负载供电，维持输出电压稳定。根据拓扑结构不同，能量在电路元件中循环传递，使输出电压维持在适当的值。

　　而对于MOSFET驱动器值此以一种新型MOSFET驱动器作为选择之一。

　　其本特征；MOSFET驱动器内置电压稳压器后，MOSFET驱动器能工作于更宽泛的输入电压范围，使其更灵活的适用于各类应用；其输出口数量，可选用单路或双路的输出驱动器，以补足DC／DC开关及马达控制应用的需要；输出配置可选择反向(1nvertlng)、同向(noninverting)、与(AND)以及与非(NAND)配置方式。

　　独特的Truedrive输出架构：被用于引的大电流门驱动器及控制器上，其输出架构采用了双极型晶体管及CMOS晶体管并联的形式构建见图2(d)。而Truedrive技术在需要的区域给出了大电流输出并提供了转换效率增益。

　　预测门驱动(Predictive Gate Drive)技术，是一种数字控制技巧，用以控制高效率、低输出电压同步压降转换器的延迟时间。

　　举例：120V，MOSFET高侧、低侧驱动器UCC27200，UCC27201特点。

　　主要特点：于高侧、低侧配置时驱动两个N道沟MOSFET；引导电压峰值为120V；片置0．65V VF、0.6Ω RD阴极负载二极管(bootstrapdiode)；工作于1MHz；20ns典型传播延迟；25A吸收(sink)、2A馈送(source)输出电流；1000pF负载时，10ns上升及8ns下降时间；2ns典型延迟匹配，其封装模式：SOIC-8、PowerPAD、SOIC-8以及空间节省型DFN封装(均为无铅封装)。图2(d)为UCC27200/01结构框图。

图2(d)

灵活多用性、可定制-根据项目需可提供定制的SMPS IC

　　另外，先进的SMPS IC的设计提供了不同的集成度，将经过裁剪标准的SMPS电路集成到单片IC，允许设计人员在不同规模的拓扑中进行选择。由此减轻厂商对通用电源或特殊应用电源的设计负担，并可根据项目需要为工程师提供定制的SMPS IC，从而进一步提高了这类器件的灵活多用性。

1.3高效率是终选择目标

　　工程师经常面临的一个问题是：如何高效的转换直流电源。例如，如何将输入电压降压转换为一个更低的输出电压。比较简单的方案是使用线性稳压器，毕竟，这一方案仅需几个外部电容和适当的热管理。但是，方案简单所带来的一个结果是效率低下。当输入-输出压差较大时，效率往往低得让人无法接受。线性稳压器的效率直接与其调整管所消耗的功率有关，调整管的功耗等于ILDOx(VIN-VOUT)，由此可见，有些情况下调整管会产生较大损耗。例如，负载为100mA时，将3.6V的电池电压降至1.8V输出，线性稳压器的功耗为0.18W。效率将低于50％，电池的工作时间也将缩减50％(按照理想情况估算)。线性稳压器的低效率迫使工程师寻求新的改进方案，正是在这一背景下，SMPS引起人们的关注。

　　根据SMPS的工作原理，在不同负载和电压下，一个设计良好的SMPS效率可达90％甚至更高。上述例子中，如果使用图3所示的降压型SMPS代替线性稳压器，效率可达到90％。

图3

　　这相比线性稳压器，效率提高了40％。通过直观的比较，降压SMPS的优势便体现出来了，其他的SMPS拓扑结构同样具有相近或是更高的效率。之所以用它作典型来说明，这取决于它MAX8640Y优异的技术特征。

　　微型500mA、4MHz/2MHz同步降压型DC-DC变换器 MAX8640Y/MAX8640Z降压转换器经过优化，适合需要优先考虑小尺寸、高效率和低输出纹波的应用。采用新型的PWM控制方案，通过优化开关频率，使用小尺寸外部元件即可获得高效率，并且在所有负载条件下都保持低输出纹波。MAX8640Z的开关频率高达4MHz，从而允许使用微型的1μH电感和2.2μF输出电容。为了获得更高效率，MAX8640Y的开关频率高达2MHz，仍允许使用小尺寸的2.2μH和4.7μF元件。输出电流保证达到500mA，而静态电流仅28μA (典型)。工厂预设的输出电压为0.8V至2.5V，可以省去外部反馈元件。内置同步整流功能大大提高了效率，并省去了常规降压型转换器中所必需的外部肖特基二极管。内部快速软启动功能可以消除浪涌电流，降低对输入电容的要求。图4为MAX8640Y引脚功能与应用示意图。

图4

　　MAX8640Y/MAX8640Z采用纤小的6引脚SC70无铅封装(2.0mm x 2.1mm)和μDFN (1.5mm x 1.0mm)封装。两种封装均为无铅封装。

　　关键特性：纤小的SC70封装和μDFN封装；保证500mA输出电流； 4MHz或2MHz PWM开关频率；微型外部元件：1μH/2.2μF或2.2μH/4.7μF；28μA静态电流；工厂预设输出0.8V至2.5V；初始为±1%：在所有负载条件下具有低输出纹波；负载降低至1mA时，进入超声跳跃模式；超快的线路和负载瞬态响应；快速软启动消除浪涌电流。可在蜂窝电话、PDA、DSC、MP3和I/O电源、微处理器/DSP核供电空间受限的手持产品上获得应用。

　　一种更加有效的方法是采用一种基于单个电感器的控制器，其控制器可控制四个外部开关来执行降压、升压和100％占空比模式操作。这种四开关降压／升压型转换器具有易于设计的优点和高功率密度，而且还凭借其同步驱动能力实现了高效操作。值此以LTC3780为例作说明。

　　新型四开关控制器IC能够满足上述的全部要求。LTC3780提供了入一个紧凑的解决方案占板面积、约95％的高工作效率以及一种采用单个现售电感器和一个电流检测电阻器的简单设计。其恒定频率电流模式架构实现了一个高达400kHz的可锁相频率。凭借一个4V～30V宽输入和输出范围以及不同工作模式之间的无缝切换，LTC3780成为了电信、医疗、工业和汽车应用的理想选择。

　　LTC3780是一款电流模式控制器，可提供一个高于、等于或低于输入电压的输出电压。借助一种专有拓扑结构和控制架构，LTC3780可在降压或升压模式中采用一个电流检测电阻器。检测电感器电流受控于ITH引脚(它是误差放大器EA的输出端)上的电压。VOSENSE引脚，见图5引脚功能示意图的引脚6，负责接收电压反馈信号，并由EA将其与内部基准电压加以比较。

图5

　　其上端MOSFET驱动器由浮置自举电容器CA，和CB(见图5所示左侧)来施加偏压，当上端MOSFET被关断时，一般通过一个外部二极管来对这些电容器进行再充电。虽然无需在同步开关D和同步开关B的两端跨接肖特基二极管，但在死区时间里产生的压降较小。在400kHz频率条件下，增设肖特基二极管通常能将峰值效率提高1％～2％。主控制环路通过把RUN引脚拉至低电平来关断。当RUN引脚电压高于1.5V时，一个内部1.2μA电流源将对SS引脚上的软起动电容器CSS进行充电。这样，ITH电压被箝位于SS电压，而Css在启动期间缓慢充电。这种“软起动”箝位处理可防止从输入电源突然吸收电流。4个功率开关TG为图5的A，B，C，D。

　　由此可以看出，SMPS设计不仅仅具有高效率这一主要优势，由于功耗的降低还带来许多直接的好处。例如，与低效率的竞争产品相比，SMPS的散热片面积大大减小。降低了对热管理的要求；而且更重要的是，由于器件不会工作在低效的高温环境中，大大提高了器件的可靠性，进而延长工作寿命。

2、SMPS的测试要领分析

　　确保实现的SMPS设计可靠性、稳定性、兼容性、安全性，测量是的办法。

　　SMPS测量分为三个主要部分：有源器件测量、无源器件测量(主要是磁性元件)以及电源质量测试。有些测量可能要面对浮动电压和强电流；有些测量需要大量数学分析，才能得到有意义的结果。电源测量可能很复杂，特别是开关电源系统测量中安全技术为引人注目，这是为什么呐？应先从当今开关电源(SMPS)技术发展趋势与开关电源没计中的挑战说起。

2.1不能使用传统示波器测量，这是为什么？

　　不安全的测量方法，会带来人身伤害和仪器和电路损坏！

　　以交流供电的传统示波器是以“地为参考点的测量”的含义是：交流供电的示波器必须与地线相接，探头的地线与示波器应和所有通道的参考点相连，从而接到地电位。而传统交流供电示波器”差分浮地测量-危险！这是为什么？

　　我们测量的Vc-d=(Va-b+V地环路电压)-V地环路电压(共模)。通过用切断标准三头AC插座地线的方法或使用一个交流隔离变压器，切断中线与地线的连接。将示波器从保护地线浮动起来，以减小地环路的影响。这种方法其实并个可行，因为在建筑物的布线中其中线也许在某处已经与地线相连。不安全的测量方法，会带来人身伤害和仪器和电路损坏！

　　其一、分布电容和电感降对待测点带来超过100pf的感性负载，可能造成电路损坏，故不可用剪断示波器接地线的方法迸行差分测量！也不可使用隔离变压器进行差分测量！

　　其二、分布电容和电感还可能带来原本没有的振铃！见图6(a)所示。

图6(a)

　　其三、示波器在没有接地的情况下，其电磁兼容特性降达不到设计要求，可能干扰待测电路或受到空间电磁波的干扰，影响测量结果！

　　大多数示波器的”信号公共线”终端与保护性接地系统相连接，通常称之为“接地”。这样做的结果是：所有施加到示波器上，以及由示波器提供的信号都具有一个公共的连接点。该公用连接点通常是示波器机壳，通过使交流电源设备电源线中的第三根导线源线地线，并将探头地线连到一个测试点上。这是一种不安全的测量行为。此行为会将仪器底盘(不再接地)的电压提高为与探头地线相连的测试点电压相同。触摸仪器的用户就会成为接地的短路径。图6(b)说明了这种危险的情况。

图6(b)

　　V1是高于真实接地电压的“偏置”电压，而VMeas是待测电压。根据被测单元(DUT)的不同，V1可能为数百伏，而VMeas则可能为几分之一伏。以此方式浮动机壳接地端会对用户、(被测单元)DUT和仪器构成威胁。

　　此外，它违反了工业健康和安全规定，且获得的测量结果也差。而且交流供电仪器在地面浮动时会出现一个大的寄生电容。因此，浮动测量将受到振荡性的破坏，即图2(a)所示的振铃出现。

　　如何解决？采用一台经济的全内置示波器(TPS2000系列)，可提供：隔离和浮动测量功能+实验室示波器的性能+现埸通用+功率专用测量和分析，等于高的生产效率。那就是浮动测量新方法的应用。

2.2浮动测量新方法的引入

　　所谓”浮动”测量，即测量的两个点都不处于接地电位，该测量也常称为差分测量。“信号公共线”与地之间的电压可能会升高到数百伏。“浮动”参考接地的示波器是通过使接地系统无效或使用隔离变压器，将“信号公共线”从地面断开，使示波器保护性接地系统无效的一种技术。为此需要通过具有内置隔离通道(Isolated ChanneI)技术的TPS2000系列示波器，使得工程师和技术人员可以快速、准确、经济地进行多通道隔离测量。

2.21为什么浮动测量的方法中要用多通道隔离测量技术？

　　虽则解决了一个矛盾但又出现了新的问题。因为浮动测量该技术使机壳、机柜和连接器等仪器可接触部件具有探头地线连接点的电势，而该技术是危险的，不仅是因为它升高了示波器上存在的电压(操作人员可能会遭到电击)，还因为它向示波器的电源变压器绝缘体上累积了应力，虽然该应力不会立即引发故障，但是可能在将来引发危险的故障(电击和火灾)，即使将示波器恢复至正常地接地操作也无法挽回。这就有可能造成不仅浮动参照接地的示波器很危险，而且会使测量方法还不准确，即该电势的误差是由于在地线连接点处直接将示波器机壳的总电容与被测电路相连所致。于是又需采用安全放在位的隔离通道(LsoIated ChanneI)技术作为解决方案。

2.22关于安全放在位的隔离通道(LsoIated ChanneI)技术

　　在当今使用的宽带示波器系统中，常用的隔离方法是双路方法，将输入信号分为两个信号：低频和高频。该方法需要每个输入通道都具有昂贵的光耦合器和宽带线性变压器。使用创新的LsoIated ChanneI技术，取消了双路方法，而对每个从直流到示波器带宽的输入通道仅使用一个宽带信号通路。通过该技术，可以提供批具有四个输入 (1solated Channel)、低成本并使用电池供电的示波器，该电池可供示波器连续工作八个小时。对于需要进行四通道隔离测量，并希望获得由低成本并使用电池供电的示波器提供的性能和易用性的工程师和技术人员来讲，选择内置有隔离通道(LsoIated ChanneI)技术的TPS2000系列示波器是理想工具。

2.23 SMPS的电源质量测量是重中之重

　　电源质量不仅仅取决于发电机。它还取决于电源的设计和制造以及终用户负载。电源的电源质量特征定义了电源的“健康”状况。现实的电线从来不会提供理想的正弦波，线路上总是有一些失真和杂波。开关电源给供电电源施加了一个非线性负载。因此，电压和电流波形不是完全相同的。电流在输入周期的某一部分被吸收，使输入电流波形上产生谐波。确定这些失真的影响是电源工程的一个重要部分。

　　为了确定电源线上的功率消耗和失真，应该在输入阶段进行电源质量测量，如图7为所示的电压和电流测试点。