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高效低功耗的开关电源设计开关电源设计和选型
        来源:        作者:        发表时间:2014-11-25        阅读次数:574次

其实在实际的电路设计过程中,系统要求高的情况下,不一定所有的芯片都要选最快的。因为在一个高速系统中并不是每一部分都工作在高速状态,而器件速度每提高一个等级,价格差不多要翻倍,另外还给信号完整性问题带来极大的负面影响。自动布线必然要占用更大的PCB面积,同时产生比手动布线多好多倍的过孔,在批量很大的产品中,PCB厂家降价所考虑的因素除了商务因素外,就是线宽和过孔数量,它们分别影响到PCB的成品率和钻头的消耗数量,节约了供应商的成本,也就给降价找到了理由。CPU的速度和存储器的空间都是用钱买来的,如果写代码时多花几天时间提高一下程序效率,那么从降低CPU主频和减少存储器容量所节约的成本绝对是划算的。CPLD/FPGA设计也类似。

然后就是低功耗设计与高系统效率的设计问题,其实低功耗设计是在省电的同时让器件的寿命变得更长。其降低了电源模块散热系统的成本、由于电流的减小也减少了电磁辐射和热噪声的干扰。随着设备温度的降低,器件寿命则相应延长(半导体器件的工作温度每提高10度,寿命则缩短一半)。针对于高系统性能来说CACHE的增大,并不一定就导致系统性能的提高,在某些情况下关闭CACHE反而比使用CACHE还快。原因是搬到CACHE中的数据必须得到多次重复使用才会提高系统效率。所以在通信系统中一般只打开指令CACHE,数据CACHE即使打开也只局限在部分存储空间,如堆栈部分。同时也要求程序设计要兼顾CACHE的容量及块大小,这涉及到关键代码循环体的长度及跳转范围,如果一个循环刚好比CACHE大那么一点点,又在反复循环的话,那就惨了。中断的实时性强,但不一定快。如果中断任务特别多的话,这个没退出来,后面又接踵而至,一会儿系统就将崩溃了。如果任务数量多但很频繁的话,CPU的很大精力都用在进出中断的开销上,系统效率极为低下,如果改用查询方式反而可极大提高效率,但查询有时不能满足实时性要求,所以最好的办法是在中断中查询,即进一次中断就把积累的所有任务都处理完再退出。BSP对存储器接口设置的默认值都是按最保守的参数设置的,在实际应用中应结合总线工作频率和等待周期等参数进行合理调配。有时把频率降低反而可提高效率,如RAM的存取周期是70ns,总线频率为40M时,设3个周期的存取时间,即75ns即可;若总线频率为50M时,必须设为4个周期,实际存取时间却放慢到了 80ns。对于搬砖头来说,两个人应该比一个人的效率高一倍;对于作画来说,多一个人只能帮倒忙。使用几个CPU需对业务有较多的了解后才能确定,尽量减少两个CPU间协调的代价,使1+1尽可能接近2千万别小于1。

由于仿真模型不可能与实物一模一样,连不同批次加工的实物都有差别,就更别说模型了。再说实际情况千差万别,仿真也不可能穷举所有可能,尤其是串扰。曾经有一教训是某单板只有特定长度的包极易丢包,最后的原因是长度域的值是0xFF,当这个数据出现在总线上时,干扰了相邻的WE信号,导致写不进RAM。其它数据也会对WE产生干扰,但干扰在可接受的范围内,可是当8位总线同时由0边1时,附近的信号就招架不住了。结论是仿真结果仅供参考,还应留有足够的余量。

针对开关电源模块选型,我们需要注意且考虑很多规则。例如保险丝的标称值1A,它是指25度时候的指标,但如果设备工作在50度的话,保险丝的标称值可就比1A变低,此温度下的设计余量就要选大一点了。同理电感的1mH也不是什么时候都是1mH,它是1kHz的时候,如果您把它用在1MHz的时候,加工商送来的1mH电感的值可就不是1mH,因为1M时电感线圈里的分布电容开始起不小的影响,会抵消掉一部分电感的作用。滤波器的插损IL=25dB,是MHz  Rs/RL=50欧姆(源阻抗和负载阻抗)的时候,而实际上,我们的滤波器使用场合,很难做到阻抗来满足这个要求,因此25dB的插损就会大打折扣。磁珠、电容、二极管、电阻……都具有类似规则。下面我们来说说开关电源模块选型除了成本以外的规则。电源模块的拓扑结构有多种,反激、正激、推挽、半桥、全桥多种,每种因为其原理的不同,也表现为在某些特性指标方面的优越性。

这里我们来说明几种典型拓扑结构的使用规则。首先是反激电源,其在开关的一个周期中,充电的时段没有放电,就是因为这个特性,其时间响应特性、纹波特性就很难做到很好,虽然可以通过大的储能电容协助解决一点,但原理性缺陷终归是硬伤,智力不足是可以通过勤劳来弥补,但补来补去遇到临界难题的时候终归跨不过某个坎儿。漏感也大等等问题,但其优点是电路简单,成本低,体积小,不必加磁复位绕组,而且输入电压范围比较宽。也正因为此,才有了其占总电源市场7成以上的份额。

下面我们来说一下电源市场上其他比较主要的开关电源的拓扑结构。正激电源输出电压瞬态控制特性较好,负载能力较强,但其缺点也同样显著,多用一个大储能滤波电感和一个续流二极管、体积大、变压器初级线圈反电动势电压高,对开关管的要求较高(容易击穿损坏)。推挽式电源电流瞬态响应速度很高,电压输出特性很好,在所有拓扑结构中,是利用率最高的一种开关电源,无漏磁,驱动电路简单。但其缺点是两个开关器件需要很高的耐压值;要有两组初级线圈,对于小功率输出的推挽式开关电源是个缺点。若两个正激式变换器不完全对称或平衡,经过几个周期累积的偏磁,会使磁芯进入饱和,导致高频变压器励磁电流过大,甚至损坏开关管。桥式开关电源输出功率很大,工作效率很高,开关管的耐压值要求比较低,变压器初级线圈只需要一个绕组。缺点是效率低,会出现半导通区,损耗大。

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