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為何設計可靠電源時應考慮真實電壓源

本文作者:Frederik Dostal       點擊: 2021-11-22 10:51
前言:
作者:ADI 現場應用工程師 Frederik Dostal
實際使用中,電源的來源從來都不理想。建構可靠的電力系統需要考慮包括寄生在內的實際行為。在使用電源時,我們要確保開關穩壓器等DC-DC轉換器能夠承受一定的輸入電壓範圍,並能以足夠的電流產生所需的輸出電壓。輸入電壓經常指定為一個範圍,因為通常無法精準調節。但是,為了使電源可靠地工作,輸入電壓必須始終在開關穩壓器允許的範圍內。
 
例如,12 V電源電壓的典型輸入電壓範圍為8 V至16 V。圖1所示為從12 V標準電壓產生3.3 V電壓的降壓型轉換器(降壓拓撲)。
 
圖1. 與系統直流電壓源一起顯示的降壓型開關穩壓器。
 
但是,在設計DC-DC轉換器時,僅考慮輸入電壓最小值和最大值是不夠的。圖1顯示降壓轉換器在正輸入處有一個開關。此開關可打開或關閉。切換速度應盡可能高,這樣切換損耗較低。但是,這會導致脈衝電流在電源線上流動。並非每個電壓源都能在不出現任何問題的情況下提供這些脈衝電流。因此,開關穩壓器輸入端的電壓會下降。為了儘量減少這種情況,需要在電源輸入端使用一個備用電容。圖1所示CIN就是這種電容。
 
圖2所示為圖1中的電路,但這次同時顯示電源線的寄生元件和電壓源本身。電壓源(RSERIES)的內部電阻、電源線(R、L電源線)的電感和電阻,以及任何電流限制都是電壓源必須考慮的關鍵特性,這樣才能保證開關穩壓器正常運行。在大多數情況下,正確選擇輸入電容可以確保電路正常運行。第一種方法應該是採用開關穩壓器IC產品手冊中的CIN的推薦電容值。但是,如果電壓源或電源線表現出特別特性,則模擬電壓源和開關穩壓器的組合是可行的。圖3顯示使用ADI的LTspice®模擬環境執行的模擬。
 
圖2. 圖1中的電路,但顯示了電源線寄生元件和電壓源。
 
圖3. 使用LTspice進行的模擬,用於檢查開關穩壓器輸入電壓的行為。
 
圖3所示為 ADP2360 降壓轉換器的模擬電路。此處顯示了使用理想電壓源產生輸入電壓IN的簡化表。由於沒有為電壓源定義內部電阻,也沒有為電壓源和開關穩壓器之間的電源線提供寄生值,定義的電壓始終應用於ADP2360的VIN接腳。因此,無需增加輸入電容(CIN)。但是,在現實世界中,由於電壓源和電源線並不理想,因此開關穩壓器總是需要輸入電容。如果LTspice等模擬環境也用於檢查不同輸入電容的行為,則必須使用具有內部電阻的電壓源和具有電阻和電感寄生值的電源線,如圖2所示。
 

 

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