|
最新的嵌入式設計為各行各業(yè)及各種應用提供了大量復雜的新產(chǎn)品和新服務(wù)。由于精簡(jiǎn)成本的限制及提高性能的預期，嵌入式設計正在為各種包括家電、工具、建筑、服裝及我們周?chē)鷰缀跛形锲吩趦鹊娜粘锰峁└�、更�?jīng)濟的解決方案。 這些嵌入式設計通常由一個(gè)微控制器和各種二級接口構成，如電源。能夠放心且迅速簡(jiǎn)便地選擇電源的元器件對提供可靠的更小、更經(jīng)濟的解決方案至關(guān)重要。為實(shí)現這一目標，需要使用直觀(guān)的測試測量工具，快速獲得優(yōu)化結果。本文重點(diǎn)介紹了電源分析的實(shí)際應用，采用特定測量技術(shù)更加高效地選擇和確定相應的元器件。 電源分析 在本例中，我們要為開(kāi)關(guān)電源選擇最好的電源FET。晶體管的總功率損耗主要是開(kāi)關(guān)損耗，但開(kāi)關(guān)損耗計算起來(lái)要困難得多。我們可以根據FET的電流和開(kāi)點(diǎn)電阻，相對簡(jiǎn)便地計算開(kāi)關(guān)電源的靜態(tài)損耗。 因為成本和功率損耗是一對矛盾，而我們的目標是選擇成本最低的部件，其總功耗不超過(guò)0.5 W。在這里，我們預先確定要測試的四個(gè)晶體管。 圖1是標準開(kāi)關(guān)電源的方框圖。我們使用差分探頭測量流經(jīng)晶體管的電壓，并使用電流探頭測量流經(jīng)晶體管的電流。接下來(lái)，我們將考察使用這一測試設備測得的開(kāi)關(guān)損耗。 圖1 電源電路和測試設置方框圖 圖2顯示的是開(kāi)關(guān)晶體管通道1的電壓($軌跡)和通道4的電流(綠色軌跡)，可以用來(lái)計算功率損耗。注意，平滑電感器要足夠大，以便電流在晶體管打開(kāi)期間不會(huì )上升得太高。此處簡(jiǎn)化了晶體管中的功率損耗計算過(guò)程，因為電流在打開(kāi)期間上升大約不到10%，因此我們可以使用平均電流進(jìn)行計算。靜態(tài)功率損耗是平方后的電流乘以電阻，然后再乘以占空比 (I2R×占空比)。每個(gè)元器件在2A處的靜態(tài)功率損耗已經(jīng)被計算出并列在表1中。 圖2 工作電壓和電流波形 圖3是測得的額定電流最低的晶體管(NMD9700)的開(kāi)關(guān)功率損耗。我們使用泰克DPOPWR分析軟件，設置成在通道1上使用差分電壓探頭測量流經(jīng)晶體管的電壓($軌跡)，在通道4上使用電流探頭測量電流(綠色軌跡)。它顯示了打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程中的開(kāi)關(guān)損耗，我們將使用總平均損耗值，因為這是兩個(gè)開(kāi)關(guān)損耗的綜合結果。要注意，功率損耗主要取決于關(guān)閉過(guò)程。1.53W的總損耗(0.54W靜態(tài)損耗+0.99W開(kāi)關(guān)損耗)明顯高于我們的目標。 圖3 第一個(gè)晶體管(NMD9700)的波形和 下一個(gè)晶體管(NMD9720)的額定電流較高，成本也略高。如圖4所示，平均開(kāi)關(guān)損耗較低，但其打開(kāi)損耗要高于第一個(gè)晶體管。靜態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗較低，但總損耗0.54W (0.19W靜態(tài)損耗+ 0.35W 開(kāi)關(guān)損耗)仍要高于我們的目標。 圖4 第二個(gè)晶體管(NMD9720)的波形和測量結果 圖5是第三個(gè)晶體管(NMD9740)，其平均功率損耗較低，但成本較高。其總損耗為0.41W (0.08W靜態(tài)損耗+0.33W 開(kāi)關(guān)損耗)，低于我們的目標，因此這一產(chǎn)品不會(huì )過(guò)熱。產(chǎn)品成本為$1.83，要遠遠高于以前的選項，但產(chǎn)品封裝限制不允許使用損耗較低的設備�？瓷先ミ@似乎是最好的選擇，但我們要看一下第四個(gè)部件（其靜態(tài)損耗要更低）來(lái)確認這一選擇是否正確。 圖5 第三個(gè)晶體管(NMD9740)的波形和測量結果 如圖6所示，第四個(gè)、也就是成本最高的晶體管(NMD9760)平均功率損耗較高，因為這是一個(gè)非常大的設備�？倱p耗為0.55W (0.03W靜態(tài)損耗 + 0.52W 開(kāi)關(guān)損耗)，高于第三個(gè)設備，同時(shí)也高于我們的目標。 圖6 第四個(gè)晶體管(NMD9760)的波形和測量結果 迅速簡(jiǎn)便地測量電源晶體管中開(kāi)關(guān)損耗的能力，使我們可以放心可靠地選擇電源的關(guān)鍵元器件。在本例中，第三個(gè)選項(NMD9740)提供了最低的總功率損耗，滿(mǎn)足了我們的總損耗目標，因此熱縮器可以保持很小的體積，產(chǎn)品不會(huì )過(guò)熱。 電源測量和分析軟件為這類(lèi)應用及許多其它應用提供了多種電源測量功能。如果晶體管的rDS(ON)未知或需要確認，也可以使用我們在開(kāi)關(guān)損耗測量中使用的相同的測試設置進(jìn)行這一測量。還可以使用圖7所示的選擇菜單來(lái)測量電源的工作狀況，如頻率、占空比和其它參數。此外，可以檢定電感器或變壓器的電感、磁性損耗和其它指標。 圖7 電源系統設備測量的選擇屏幕測量結果 在設計電源時(shí)，結合使用電源測量和分析軟件可以節約時(shí)間，與不使用這些強大的工具相比，提供的結果要更準確。由于熱量是電子系統發(fā)生故障的主要原因，因此進(jìn)行這一測量及類(lèi)似測量尤其關(guān)鍵。如我們在第四個(gè)晶體管看到的那樣，體積過(guò)大的元器件實(shí)際上會(huì )浪費熱量和成本。 |
