為具體應(yīng)用情景選擇合適電源—從一開始就使用精確的 DC/DC轉(zhuǎn)換器測量值為何至關(guān)重要

車輛的性能數(shù)據(jù)一直是車主們津津樂道的話題。許多人曾表示，如果汽車油耗超過制造商數(shù)據(jù) 1到 2升，就是欺騙消費(fèi)者，但“欺騙”的說法到底是否正確呢？換句話說，我們要應(yīng)對的是電子行業(yè)設(shè)計師老生常談的主題，即實(shí)驗(yàn)室收集的數(shù)據(jù)不同于實(shí)際應(yīng)用中收集的數(shù)據(jù)。這是怎么發(fā)生的？是讀數(shù)真的有誤，還是在將 AC/DC電源或 DC/DC轉(zhuǎn)換器集成到電路中時還有其他需要考量的因素？對于前面提到的油耗數(shù)字問題，究根到底是因?yàn)?，相比在附近山上滿載一家四口行駛的汽車，在預(yù)定測試賽道上行駛的空車油耗要低得多。在購車時，一般來說，預(yù)算等個人情況將決定我們購買哪款車，但我們該如何選擇合適的動力組件呢？

分析需求

我們首先要做的是定義各種電源的用途，這會引出一些看似很簡單的初步問題。

我們的關(guān)鍵目標(biāo)是將應(yīng)用情形的輸入電壓調(diào)整到新的電勢，據(jù)此要思考：

• 是否應(yīng)拆分電勢？
• 輸入和輸出電壓的范圍是多少，以及輸出相應(yīng)電流需要什么？
• 我為哪種設(shè)計留有空間？例如，電路板上的其他組件是否允許使用這種設(shè)計？
• 需要該電路的最終產(chǎn)品是什么？
• 需要遵守哪些規(guī)定？（工業(yè)、鐵路或醫(yī)療）
• 該應(yīng)用情形有哪些環(huán)境條件？
• 整個電路和應(yīng)用情景應(yīng)該或必須達(dá)到多高的可靠性？

誠然，保時捷 911是一輛好車，但它并不適合穿越南美洲熱帶雨林的探險，四輪驅(qū)動的吉普車是更好的選擇，這一點(diǎn)很容易理解。

但選擇合適的電源并非總是如同選擇合適的汽車那么簡單。

弄清上述標(biāo)準(zhǔn)基本問題的答案后，我們接下來還要探討本文打算更全面地研究的問題：

• 如何正確地測量并避免誤差？
• 應(yīng)該如何處理紋波和噪聲？
• 出現(xiàn)浪涌電流時會發(fā)生什么？
• 關(guān)于電磁兼容性 (EMC)，我需要注意什么？

瑞士制造商 Traco Power的產(chǎn)品組合包括超過 25個 3瓦 DC/DC轉(zhuǎn)換器系列，如具有超低紋波和噪聲的 TVN系列；經(jīng)認(rèn)證可用于醫(yī)療應(yīng)用的 THM系列開放式框架版本；還有經(jīng)批準(zhǔn)適用于具有 3000 VDC絕緣電壓的鐵路應(yīng)用情形的 TMR-WIR系列，可謂應(yīng)有盡有。我們可能都想要能一次性滿足所有必要需求的轉(zhuǎn)換器，想要現(xiàn)成的解決方案，但這通常成本更高，因?yàn)槲覀冃枰恢挂粋€轉(zhuǎn)換器來滿足需求，或者需要額外的布線來達(dá)到要求的參數(shù)值。 那么，要找到解決方案，我們需要先確定什么？首先是要確定我們需要的測量值—通過簡單的測量，我們可以輕松做出粗略的評估：轉(zhuǎn)換器和負(fù)荷上的輸入和輸出電壓和電流，以及可能的效率變化。

避免測量誤差

需要考慮的一個基本點(diǎn)是，每次測量都會改變電路的實(shí)際狀態(tài)，并且需要將任何影響保持在盡可能小的水平。這意味著，即使是“簡單的測量”，也建議采用 4線式測量。用獨(dú)立的測試引線測量電流和電壓意味著引線的固有電阻對數(shù)值的影響較小?？紤]最終用途也很重要。例如，在手術(shù)室中，電源和實(shí)際負(fù)荷之間可能有 30米長的導(dǎo)線。如果負(fù)荷需要 24V電壓，則電源需要更高的輸出電壓來抵消導(dǎo)線上的電壓損耗。

這意味著需要對負(fù)荷和電源都進(jìn)行測量。請查看下面對電源進(jìn)行典型 4線式電壓測量的例子。

確定并改變紋波和噪聲

為什么要測量紋波和噪聲？無論是什么應(yīng)用情形，DC/DC轉(zhuǎn)換器的紋波和噪聲都會存在于其實(shí)際工作區(qū)域中（如在測量電橋中），因此需要對其進(jìn)行單獨(dú)考慮和評估。 紋波和噪聲是什么，如何才能對它們進(jìn)行獨(dú)立測量？在 AC/DC和 DC/DC電路中，當(dāng)內(nèi)部電路引起不規(guī)則擾動時，就會產(chǎn)生紋波，而噪聲是指按開關(guān)頻率變換脈沖時產(chǎn)生并周期性返回的峰值。為了確定實(shí)際值，探頭必須與針腳、接地環(huán)以及測量尖端直接接觸。（見下文）為了能將結(jié)果與制造商的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，示波器上的帶寬被限制在 20MHz，這是實(shí)驗(yàn)室工作的常用值。

一般來說，只需兩個并聯(lián)開關(guān)電容器（如一個 100nF金屬薄膜電容器和一個 10μF電解電容器）即可降低噪聲和紋波，但請牢記，在最終的使用過程中，數(shù)據(jù)表上的值可能會受到其他因素的影響。

處理浪涌電流

以下信息對于確保上游組件尺寸正確非常重要。

• 電流基本上取決于開關(guān)速度，所以理想情況下，在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)使用水銀開關(guān)
• 電源的內(nèi)阻抗應(yīng)盡可能低
• 用退磁針尖測量電流

環(huán)境溫度對浪涌電流也有很大影響。例如，電解電容器的使用對溫度的依賴度很高。 下圖顯示 LED燈的浪涌電壓示例（黃線）。該圖還以紫色線顯示了 LED燈上的電壓起伏。可以看到圖中標(biāo)記了該設(shè)備的接通點(diǎn)（橙色背景的 T圖標(biāo)），此時電流達(dá)到 10A 左右的最大值，并且在 10ms內(nèi)又回到 300 mA。

如果您遇到影響電路的浪涌電壓問題，使用熱敏電阻 (NTC)會有所幫助。

電磁兼容性

對于一般應(yīng)用情形而言，確定 EMC兼容性（電磁兼容性）也很重要。使用內(nèi)置濾波器的 DC/DC轉(zhuǎn)換器并不意味著您會符合為該應(yīng)用情形指定的值，因?yàn)?EMC兼容性通常會受到幾個組件的影響。在許多情況下，出于安全考慮，輸出電壓必須與保護(hù)接地線相連，這可能會對 EMC產(chǎn)生重大影響。通常，電源制造商可以就如何遵守 EMC的值提供建議。

總結(jié)

總而言之，如果您能善用制造商的幫助和可用的簡單資源，不需要費(fèi)盡千辛也能確定符合設(shè)計所需的電源組件。在進(jìn)行任何評估和選擇之前，清楚定義您的需求很重要，同時也要認(rèn)識到，在您真正需要什么和您想要什么之間存在很大的區(qū)別?；氐轿覀冊诒疚拈_頭提到的汽車制造商，有一點(diǎn)很重要，那就是要考慮如何正確進(jìn)行測量，以及每次測量如何影響收集到的值。測試條和實(shí)驗(yàn)室條件是在構(gòu)建電路時定義的，但該電路實(shí)際上將在什么條件下使用呢？如果市面上沒有合適的設(shè)備，通過串聯(lián)或并聯(lián)開關(guān)，或者使用濾波器是否可能產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果？滿足 EMC要求在很大程度上取決于應(yīng)用領(lǐng)域及其前提條件，如紋波、噪聲和浪涌電流。眾所周知，由于市場上的制造商眾多，某種產(chǎn)品的質(zhì)量和價格千差萬別。

選擇一款“簡單”、無品牌、批量生產(chǎn)的設(shè)備是否足夠？試圖省錢的做法最終是否會讓您得不償失？您是否總是需要高端產(chǎn)品？無論有什么建議，最終的決定權(quán)都在客戶手中，但 Traco Power作為歐洲制造商具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，能為客戶提供多語言和德語支持。