电源工程师设计札记:轻松完成电源设计

电源设计关于每个工程师来说都会有点熟悉而又陌生的感觉。如何有效攻克电源设计中遇到的疑难杂症？加强工程师之间沟通，充分利用工程师的设计心得是其中一个有效途径。基于此，电子发烧友网将电子发烧友网读者奉上《电源工程师设计札记》系列大餐，之后还将会推出相关电子书，敬请留意！

1、如何使过压过流电路保护设计更轻松？

关于大型的控制电路，比如LED灯塔的电源控制线路，其保护以及维修都是一个比较复杂的工程。使用TBU方法，是否可以使过压过流电路保护解决方法设计更轻松呢？

本文从传统的保护元器件入手，比较传统过流过压保护元器件和TBU方法的工作方式，深度解析TBU与传统过压过流电路保护元件的差别及其应用限制，为广大电子工程师探索过压过流电路保护方法轻松设计之道。

保护元器件的分类

保护电子元器件重要分成两大块，如图所示，一块是过流保护，一块是过压保护。

相对过压的保护元件，过流的保护元件重要分成图示上部分的几块，右边的元件反应速度快，但通流量较小，而左边的元件相反，所以要做一些搭配。重要是整合器的元器件，如TBU。TBU把过流和过压的元器件组合在一起，可同时进行过流和过压保护。

传统过流和过压保护元器件的组合和工作方式

下图是最常见的组合图，可以看出怎么样把过流和过压保护元器件放在一般的线路上。

过流的产品一定是串联在电路上，包含一般电阻或电压。而过压的产品重要并联在电路上，包含一级压、二级压、三级压。类似TBS管等，二级和三级基本可以互换，关键是怎么样做搭配，保护系统的协调工作非常重要。

按传统的方式，当一个雷击进来之后，首先上升的一定是电压，一定是内部靠近IC部分的保护器件最先反应，若没有反应，内部线路肯定会被击穿；或TBS管一定要运作，作为开关直接关闭。

举例来说，由于过电压产品最怕电流质，而过电流产品最怕电压，当TBS打开之后，所有的电流都会往一边流。若出现一个很大的雷击，这个TBS管一定会被击穿。所以必须要在外面摆上一个气体管，来保护这个TBS管。当电流经过这个管后，其电压会持续上升，靠近外面的气体放电管，必须要在动作之后才能保护TBS管。一般来讲，pDC的速度非常慢，所以单个雷击进来之后pDC没有办法动作。

TBU是近十年一个比较新的产品，是高速的保护器，也可以说是一个电子的限流器。现在来看看TBU的工作方式与传统过压过流保护元器件有何不同。

TBU的工作方式

传统电子保险丝的内部结构

TUB的内部结构图

与传统的双向保险丝结构相比，TUB最重要的差异是电压部分。传统保险丝的工作方式是把电流导到地的方式，而TBU方式重要是用隔离的方式。雷击进来之后电流经过内部的IC去走，当电流超过触发点之后，TBU就会打开，TBU打开之后所有的能量都是隔绝在外，这时候电压还是会持续上升。在外部放一个气体管保护TBU。由于过电流产品最怕是电压。而TBU是过电流产品，假设选择的是一个850v的TBU，必须确定线路偷走的电压值不能够超过850v，所以必须在外部再摆一个气体放电管去保护TBU，这点与传统的方式有所差别。事实上两种应用方式的差别是后者做了开关，把能量全部阻绝在外面。

把TBU放入电路之后，电流会上升，这时候TBU就要打开，阻绝到电流跟电压，电路就被保护。当电压上升之后，因为其反应速度非常快，代表电流也上升，TBU动作之后会阻绝电压与电流的部分。TBU是电流启动电压回复的元件。当TBU没有动作的时候，如同电阻；电流超过之后，开关直接打开，承接高阻；当电压回复之后，TBU回复原本工作状态。2、如何选择开关电源拓扑结构

电源是电子产品中必不可少的一部分，现在逐渐流行开关电源，其拓扑结构有很多种。下面就个人了解，罗列一些（不一定全）供大家参考。首先要明确您的产品中电源部分是否要与输入电源隔离。

关于不隔离式开关电源，大体上有降压（buck）、升压（boost）、极性反转（负输出，降升压buck-boost）、斩波（cuck）3种类型。关于隔离式开关电源，分正激、反激、半桥、全桥、推挽5种类型。

先说不隔离式：

降压（buck）型原理如下图所示，前半周期Q1导通向C供电同时L1储能，后半周期D1导通L1放能向C供电。

升压（boost）型原理如下图所示，前半周期Q1导通L1储能，后半周期D1导通L1放能与V1串连向C1供电。

极性反转型原理如下图所示，前半周期Q1导通L1储能，后半周期D1导通L1放能向C1供电。

若输入电压大于工作电压，则选用降压型，反之选择升压型。若单电源输入，要+、-电源时选用极性反转型。

再说隔离式：若输出功率较小（100W以下）常用反激式；若功率稍大，可选用正激式；再大就要采用半桥或全桥式了。

反激式是磁性元件在前半周储能，后半周期传递能量。并关管要承受电源电压与反激电压之和，一般220V整流后要用700V左右的功率管。

正激式是在前半周期直接传递能量，后半周期泄放磁场。若磁场泄放不掉，则后面的周期中会因磁饱和而烧毁功率器。

全桥式是有4个功率器件，能够让变压器原边电流来回流动，在每半个周期都传递能量，所以能做到较大功率。

半桥式是全桥式的简化，它将一个桥臂上的功率器件换成电容，节约了一半数量的功率器件，且功率器件上承受的电压也减半，故降低了成本。

升压变换中多采用推挽式，因原边电压较低，绕组匝数少，绕成双原边也不新增多少成本，双绕组又能新增功率，故是广泛采用的方式。

3、多电源系统的监控和时序控制

现今，电子系统往往具有许多不同的电源轨。在采用模拟电路和微处理器、DSp、ASIC、FpGA的系统中，尤其如此。为实现可靠、可重复的操作，必须监控各电源电压的开关时序、上升和下降速率、加电顺序以及幅度。既定的电源系统设计可能包括电源时序控制、电源跟踪、电源电压/电流监控和控制。有各种各样的电源管理IC可以执行时序控制、跟踪、上电和关断监控等功能。

时序控制和跟踪器件可以监控和控制多个电源轨，其功能可能包括设置开启时间和电压上升速率、欠压和过压故障检测、余量微调（在标称电压值的一定范围内调整电源电压）以及有序关断。适合这些应用的IC种类众多，简单的如利用电阻、电容和比较器构成的纯模拟器件，复杂的如高集成度状态机和通过I2Cbus.总线进行数字控制的可编程器件。某些情况下，系统的电压调节器和控制器可能包括关键控制功能。

关于采用多个开关控制器和调节器的系统，还有一个考虑是器件以不同开关频率工作时，如何将出现的系统噪声降至最低。常常要同步调节器的时钟，事实上，如今的许多高性能开关控制器和调节器都可以与外部时钟同步。

图1.电源轨的控制类型电源时序