从线性电源到数字电源，咱们有很大的规划挑选规模。本文扼要介绍规划者面临的一些代替计划，以及会呈现的问题。
关键
电源子体系能够选用线性、开关、电荷泵、AC/DC、数字办理，或数字操控等办法。
线性电源有发热问题。
电荷泵会产生噪声注入。
开关电源有必要处理好安稳性、噪声和发热问题。
数字办理和数字操控电源一般需求在产品推出前做好软件作业。
在现代产品中，功率电子能够是最简略的，也能够是最杂乱的子体系。这并不令人惊奇，由于运用也有简有繁。最简略时，一个电源能够是一个大的齐纳二极管，如用在潜艇的有线增音器分离舱中。这些分离舱需求极点的牢靠性，电阻器加二极管的计划是最简略，因而也是最牢靠的计划。齐纳管要耗散出相当多的热量，但海流会很简略把热量带走。杂乱程度略高一点的是线性稳压器，这是常见的有用部件。LM317是美国国家半导体公司网站数据表下载次数最多的器材。线性稳压器的作业就像一个阀门，它挡住电路中的电流，以保证电压的安稳不变。“晶体管”这个词的英文Transistor来自两个词的组合：互导(transconductance)和变阻器(varistor)。线性稳压器中的晶体管经过夹断电流来操控电压，因而，它产生互导。在其作业中，它作为一个可变电阻，或变阻器。传统的线性稳压器都选用NPN导通元件，低压差稳压器则运用PNP晶体管。
比较杂乱的稳压器是电荷泵。它用多支晶体管作开关，而不是用作线性器材。这些开关将电荷传送给一个电容器，然后改动衔接，由电容器将施加的初始电压翻倍或反相。
当转向开关稳压器时，杂乱性呈现了一次巨大的腾跃。这类电路中有高频磁铁、一个操控回路，并至少有一支起开关作用的晶体管。你能够从Vicor或Tyco购买砖型的全体稳压器，或也能够自己着手，用零件自己做稳压器。开关稳压器有各种类型：降压、升压、反相、阻隔、SEPIC(单端初级电感转化器)和Cuk(发音为“chook”)。
一切这些电源电路都能够把一个直流电压转化为其它直流电压。许多规划运用变压器来改动沟通电压，或先用电路将沟通转化为直流，再用后边的DC/DC转化。最考究的AC/DC转化电路之一是PFC(功率因子校对)电路，它选用一个升压转化器拓扑结构，保证转化器的输入电流与输入电压成份额，而一般AC/DC电路中输入电流会呈现尖峰。
电源领域中的一个新词汇是“数字电源”。它能够意味许多东西，从简略地运用数字输入以关断稳压器，到能与芯片作数字通信，用于监控模仿PWM进程，以及用DSP闭合回路，并用PWM信号直接操控导通元件。
从根底开端说，线性稳压器选用一支晶体管来下降直流电压。一般线性稳压器(例如LM317)用NPN晶体管作约束。由于NPN晶体管的基射结有0.6V压降，所以这些稳压器需求相当大的输入输出压差。工程师们常常犯一种过错，即当器材作业在低于引荐的压降条件时，他们仍假定输出电压是稳压的。器材或许能供给正确的电压，但不契合各种沟通和热规则。线性稳压器的大压差要求一向坚持到上世纪80年代初，其时美国轿车制作商向半导体业提出需求一种低压差的线性稳压器。为规划低压差的稳压器(例如LM2936)，选用了PNP导通晶体管。运用这种办法后，即便在转着手柄发动轿车时电池电压低至8V，稳压电路也能坚持稳压状况。美国国家半导体公司产品界说司理Al Kelsch以为，当下降电压挨近零时，会产生一个“^”，或输入电压的小尖峰，由于导通晶体管的基极处于最大导通状况。虽然IC规划者花费许多时刻，企图规划一个基极驱动电路，它能够约束电流，消除尖峰，并仍能供给瞬态响应和满意其它规则，但客户需求这个小尖峰，作为稳压器失效的检测办法。然后他们就能够关掉整个电路。换句话说，客户把规划者了解为毛病的东西看成了一种功用。
线性稳压器最大的问题便是发热。由于稳压器作业时，导通晶体管中要经过大的电流，它会耗费许多功率。大大都线性稳压器都有一个热关断点，能够防止器材被炸毁，但假如关断产生在作业状况，则会导致电路失效。
线性稳压器的另一个规划问题也适用于大大都电源。你有必要假定一个产品寿数周期的某个时点上，会呈现电解电容器短路现象。假如产生短路，有必要保证稳压器和电路板不致焚毁或构成其它损坏。还有必要在输入电解电容器和任何钽电容器处供给一个保险丝或易熔印制电路走线。即便产品的壁式电源座不或许供给足以引起火灾的电流，但一个勤勉的工程师也有必要为这种状况做好预备，以防用户用较大功率或不正确的壁式电源座为产品供电(图1)。
电荷泵
另一种DC/DC转化器是电荷泵，它能够经过切换电容器充电输入电压上的一个电容器，完结输入电压的反相、翻倍或三倍。然后将该电容器切换到输入电压上，构成一个倍压器。此外，还能够将电容器正极衔接到输入公共端，制作一个电压反相器。经典的电荷泵是Intersil在上世纪80年代推出的ICL7660.其它这样的器材有Catalyst Semiconductor的CAT3636，它选用一种新颖的办法，完结了非整数电压步进，例如1V， 1.33V， 1.5V和2V.这种办法能够在手持体系运用中完结高达92%的功率。这一功率可与一般电感升压转化器比较，尤其是许多制作商为电感升压转化器规则的功率数字是依据运用体积过大的电感。
由于电容器天然生成就会约束该部件能够供给的电流量，散热问题很少呈现在电荷泵中。但它们也有一些缺陷，包含稳压作用差。除非运用一个后置线性稳压器，不然输出会随输入而改动。Maxim用后置稳压电荷泵处理了这个问题。电荷泵的开关频率和噪声远小于开关转化器，但噪声仍或许进入信号链。
另一类型稳压器便是开关稳压器，它选用一种晶体管开关和电感或变压器来改动直流输入电压。图2a显现一个降压开关稳压器，它一步一步下降电压的作业原理像一台水车(图2b)。该设备的旋转速率就类似于流经电感的电流。与电感相同，水车不能忽然中止或发动。图中能够提醒
出一些现实，即为什么工程师们常常将二极管叫做“继流”。当阀门封闭时，水车的惯性创造出强壮的吸力。水车需求水来坚持作业，止回阀供给这种功用。
升压转化器也选用与水车相同的办法(图3)。许多工程师都处理欠好磁电路，由于它们的高电抗意味着电流不能像在电阻器中那样跟从电压而改动。对降压和升压转化器的直观知道有助于了解更杂乱的结构，如Cuk、升压/降压和SEPIC.转化器也能够用变压器来树立阻隔输出(图4)。回扫转化器与正向转化器的差异仅仅输出二极管的极性不同，它将变压器用作一个扼流圈。当开封闭合和初级电流添加时，它们在磁场中存储能量。当开关翻开时，磁场中的能量经过次级泄放。规划者都喜爱回扫转化器，由于它们成本低，而且能够完结多个输出，一切输出都能有相互间的杰出跟从特性。
大都工程师在规划经用的开关转化器时都会遇到困难。榜首个问题是安稳性。杂乱操控回路的安稳是一个令人怯步的作业，由于许多转化器都需求输出电压中的一个纹波才干正常作业。其它问题还有次谐波振动，有必要将一个跃升信号注入基准。当大容值陶瓷电容器价格降至合理规模时，许多工程师会用它们代替输出电解电容器。陶瓷电容器有很低的ESR(等效串联电阻)，基本上没有引起振动的纹波电压。纹波电压自身或许违反规划要求，例如在为模仿电路供电时。这个问题需求作后置稳压，或许运用附加的电感阻尼办法。
噪声是另一个常见问题，它会散发到输入或输出电源线上，或以电磁辐射办法发射到周围空间。规划者或许没有注意到这个问题，而直到量产前送FCC和CE做测验时才发现，这是最糟的状况。规划者能够选用多种技能，将这个噪声与外界和体系其它部分屏蔽开来。不过最好的办法是在榜首地址就不产生噪声，其次才是测验在几十、几百个终端用户设备中作屏蔽。
与线性稳压器相同，发热也是开关转化器的问题。大都降压稳压器都会在继流二极管上产生更多热量，而不是在FET上。美国国家半导体公司的WEBENCH在线规划东西给出的热量图显现，二极管D1是电路板上最热的元件，它正在加热附近的IC(图5)。为了削减继流二极管产生的热量，同步降压稳压器选用第二支异相FET代替了二极管。
上述大部分问题都能够溯源到不恰当的印制电路板布局。现在有几篇文章在评论一个优秀的开关稳压器布局时易犯的过错。工程师应运用公司内制作稳压IC的运用工程人员的优势。假如运用工程师先检查你的规划和布局，然后再送去制作，就能够防止相当多的波折和紊乱。
脱机稳压器
到此为止，本文评论的都是DC/DC转化器。另一类转化器是从沟通电取得直流电。沟通电一般取自民用沟通电源线;因而转化器是脱机供电。其它规划选用阻隔拓扑结构，从原直流电源用经典整流电路给出一个或多个直流电源。Allegro、On、STMicro、Power Integrations和德州仪器公司Unitrode部分制作这类型的器材。脱机电源也有一些问题，包含浪涌电流和谐波电流。浪涌电流是在封闭输入开关的瞬间，为输入电容器充电的许多电流。这个电流能够要挟到整流二极管，构成电容器过早失效。处理这个问题的办法包含在输入端串接NTC(负温度系列)器材。这些器材在低温时有大电阻。当输入电流进入电容器时，器材被加热，电阻下降。它的缺陷是作业温度能够抵达190°C，而且对环境温度很灵敏。
脱机电源的第二个问题是输入电容器会产生大的电流尖峰。这些尖峰在每个线路周期完结。用PFC能够下降这些尖峰，欧洲出售的电源产品都有必要带PFC.记住要给电解%&&&&&%器加保险丝。假如在量产前未能经过UL着火温度测验，那么这以后果与未经过FCC和CE EMI/RFI(电磁搅扰/射频搅扰)测验相同是灾难性的。
运用开关IC的脱机稳压器的另一个一般问题是起动电路的静态电流。有必要在任何振动和稳压开端前为芯片供给5V ~ 10V的电压。因而，往往要用一个大功率电阻器将这个电压送至芯片。假如将电阻器跨接在170V或更高直流总线与5V或10V IC电源线路之间，则会产生相当大的功耗。此刻，规划者能够用500V Supertex耗尽型FET，但这种办法或许不适合低成本电源。有些供货商(例如Power Integrations)开发了一些代替结构来处理这个问题。该公司营销副总裁Doug Bailey说：“选用集成功率晶体管的处理计划能够运用高压MOSFET作为分压器，从操控部分取得能量，而在低电压时只要少数电流分流。Power Integrations已将这种计划用于一切开关IC中，作业得都很好。”
数字办理或操控的电源选用一个一般模仿PWM回路，但与真实的数字操控树立联络，而不是指大都操控器上遍及都有的数字关断脚(图6)。数字办理的功率IC首先在电池充电器IC中找到用处。曩昔的化学电池(例如铅酸电池)常常运用一组稳压IC，为每节电池供给2.3V ~ 2.36V电压，这要取决于运用能否承受较高的充电电压。即便这些简略的充电器也常常添加环境温度检测、时刻约束器，或电池温度检测功用，以调整充电电压。镍金属氢电池及更广泛运用的锂离子化学电池需求更多的数字监控。体系规划者或许要依据温升或电压上升而停止充电周期。假如电池已作废，就不该起动全功率的充电。当产生这种状况时，充电器IC有必要以“打嗝”办法向电池送入一个小电流，并进行监控，直到电压升高到足以承受全功率充电。假如电池现已充了几小时，依然没有抵达停止点，则IC应完毕充电周期。环境温度毛病和许多其它变量也或许有联系。美国国家半导体公司的运用工程师Mary Kao说：“咱们不再把电池充电器IC看作一个带有一些逻辑的PWM电路。咱们以为它现在是带模仿PWM的一个微操控器。”
一旦电池充电器IC路途被铺平，许多其它运用也需求对模仿PWM回路的许大都字操控。例如，Xilinx FPGA需求严厉的上电次序和操控。有一家供货商Cradle制作了一个多核DSP IC.由于它是一个0.13μm的CMOS器材，运用了DDR SDRAM，因而电源体系的规划就成为应战。需求包含I/O的3.3V、内核的1.2V、DDR-SDRAM I/O的2.5V、用于DDR-SDRAM阻抗电压的1.25V陷流源、DRAM电压基准，以及用于另一%&&&&&%的1.8V.Cradle工程师Tapeng Huang和Craig Calder与Intersil的Mike Cheong一同，用单只多通道操控器从头规划了五个独立的电源输出。他们运用了两个DC/DC操控器、两个专用的DDR输出，以及两个独立的低压差稳压器。在一个更了解的领域中，大大都PC机用
户都知道处理器和内存的供电电压是选用数字操控的。手持设备或许有杂乱的操控需求，以节约电池能量和延伸作业时刻。
数字电源选用DSP而不是模仿PWM回路，经过算术运算坚持回路的安稳(图7)。这种计划能够供给回路补偿的灵活性，但这种灵活性是有价值的。Elandesigns的主管Dave Mathis指出：“假如你预备修正补偿，就有必要依据改动而检测一些东西。在收集时刻和过错条件下，这是自找麻烦。”当然，有经历的操控体系工程师都知道，功能杰出的体系一般有一个优势的部分。但是，德州仪器、Silicon Labs和Primarion都制作数字电源设备。Primarion宣布的文章中表明，未来一切电源都将是数字化的，模仿工程师要反抗数字电源的完结，就只能维护自己的领地。Primarion并不运用DSP办理操控回路。它运用了一个自在作业的状况机，其功耗远低于DSP.操控仍在数字回路中，而不是模仿PWM回路。德州仪器公司数字电源司理Steven Bakota指出：“数字电源不是什么新鲜东西。TI现已出售了10年数字电源……以库的方式运用规范DSP.现在的差别是，咱们有了自己的Fusion系列定制件，和一个软件开发环境，能够简化规划的完结。”
一片DSP中的6万支晶体管为数字电源体系供给操控回路，而模仿计划只需求大约100支晶体管。数字电源迷们还揄扬说静态功耗只要7 mA.这个数字在一个刀片服务器中或许是能够承受的，由于它运用墙上电源作业，但依托电池作业或便携产品就难以承受这么大的功耗。而模仿计划能够作业在1 mA以下。规划者还应评价体系的瞬时功耗。假如在一次供电瞬时后，DSP还要从头初始化，并作业用户编写的代码，那么就或许不适合某些运用。最终还有一个正告，司理们期望把杂乱的软件开发作业放在产品规划周期的结束，这一般是规划电源子体系的时刻。司理们不要因规划的平铺直叙而放松警觉。假如规划简略，能够运用低成本和静态电流也较低的模仿PWM部分。要设法承认，一个数字办理的体系并不比全DSP数字操控回路更适宜。
