電源設計對于每個工程師來說都會有點熟悉而又陌生的感覺。如何有效攻克電源設計中遇到的疑難雜癥？加強工程師之間溝通，充分利用工程師的設計心得是其中一個有效途徑。基于此，電子發燒友網將電子發燒友網讀者奉上《電源工程師設計札記》系列大餐，之后還將會推出相關電子書，敬請留意！

　　1、如何使過壓過流電路保護設計更輕松？

　　對于大型的控制電路，比如LED燈塔的電源控制線路，其保護以及維修都是一個比較復雜的工程。使用TBU方案，是否可以使過壓過流電路保護解決方案設計更輕松呢？

　　本文從傳統的保護元器件入手，對比傳統過流過壓保護元器件和TBU方案的工作方式，深度解析TBU與傳統過壓過流電路保護元件的區別及其應用限制，為廣大電子工程師探索過壓過流電路保護方案輕松設計之道。

　　保護元器件的分類

　　保護電子元器件主要分成兩大塊，如圖所示，一塊是過流保護，一塊是過壓保護。

　　相對過壓的保護元件，過流的保護元件主要分成圖示上部分的幾塊，右邊的元件反應速度快，但通流量較小，而左邊的元件相反，所以需要做一些搭配。主要是整合器的元器件，如TBU。TBU把過流和過壓的元器件組合在一起，可同時進行過流和過壓保護。

　　傳統過流和過壓保護元器件的組合和工作方式

　　下圖是最常見的組合圖，可以看出怎樣把過流和過壓保護元器件放在一般的線路上。

　　過流的產品一定是串聯在電路上，包含一般電阻或電壓。而過壓的產品主要并聯在電路上，包含一級壓、二級壓、三級壓。類似TBS管等，二級和三級基本可以互換，關鍵是怎樣做搭配，保護系統的協調工作非常重要。

　　按傳統的方式，當一個雷擊進來之后，首先上升的一定是電壓，一定是內部靠近IC部分的保護器件最先反應，若沒有反應，內部線路肯定會被擊穿；或TBS管一定要運作，作為開關直接關閉。

　　舉例來說，由于過電壓產品最怕電流質，而過電流產品最怕電壓，當TBS打開之后，所有的電流都會往一邊流。若出現一個很大的雷擊，這個TBS管一定會被擊穿。所以必須要在外面擺上一個氣體管，來保護這個TBS管。當電流經過這個管后，其電壓會持續上升，靠近外面的氣體放電管，必須要在動作之后才能保護 TBS管。一般來講，PDC的速度非常慢，所以單個雷擊進來之后PDC沒有辦法動作。

　　TBU是近十年一個比較新的產品，是高速的保護器，也可以說是一個電子的限流器。現在來看看TBU的工作方式與傳統過壓過流保護元器件有何不同。

　　TBU的工作方式

　　傳統電子保險絲的內部結構

　　TUB的內部結構圖

　　與傳統的雙向保險絲結構相比，TUB最重要的差異是電壓部分。傳統保險絲的工作方式是把電流導到地的方式，而TBU方式主要是用隔離的方式。雷擊進來之后電流經過內部的IC去走，當電流超過觸發點之后，TBU就會打開，TBU打開之后所有的能量都是隔絕在外，這時候電壓還是會持續上升。在外部放一個氣體管保護TBU。由于過電流產品最怕是電壓。而TBU是過電流產品，假設選擇的是一個850v的TBU，必須確定線路偷走的電壓值不能夠超過850v，所以必須在外部再擺一個氣體放電管去保護TBU，這點與傳統的方式有所區別。事實上兩種應用方式的區別是后者做了開關，把能量全部阻絕在外面。

　　把TBU放入電路之后，電流會上升，這時候TBU就要打開，阻絕到電流跟電壓，電路就被保護。當電壓上升之后，因為其反應速度非常快，代表電流也上升，TBU動作之后會阻絕電壓與電流的部分。TBU是電流啟動電壓回復的元件。當TBU沒有動作的時候，如同電阻；電流超過之后，開關直接打開，承接高阻；當電壓回復之后，TBU回復原本工作狀態。

2、如何選擇開關電源拓撲結構

　　電源是電子產品中必不可少的一部分，現在逐漸流行開關電源，其拓撲結構有很多種。下面就個人了解，羅列一些（不一定全）供大家參考。首先要明確您的產品中電源部分是否要與輸入電源隔離。

　　對于不隔離式開關電源，大體上有降壓（buck）、升壓（boost）、極性反轉（負輸出，降升壓buck-boost）、斬波（cuck）3種類型。對于隔離式開關電源，分正激、反激、半橋、全橋、推挽5種類型。

　　先說不隔離式：

　　降壓（buck）型原理如下圖所示，前半周期Q1導通向C供電同時L1儲能，后半周期D1導通L1放能向C供電。

　　升壓（boost）型原理如下圖所示，前半周期Q1導通L1儲能，后半周期D1導通L1放能與V1串連向C1供電。

　　極性反轉型原理如下圖所示，前半周期Q1導通L1儲能，后半周期D1導通L1放能向C1供電。

　　若輸入電壓大于工作電壓，則選用降壓型，反之選擇升壓型。若單電源輸入，需要+、-電源時選用極性反轉型。

　　再說隔離式：若輸出功率較小（100W以下）常用反激式；若功率稍大，可選用正激式；再大就要采用半橋或全橋式了。

　　反激式是磁性元件在前半周儲能，后半周期傳遞能量。并關管要承受電源電壓與反激電壓之和，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傳遞能量，后半周期泄放磁場。若磁場泄放不掉，則后面的周期中會因磁飽和而燒毀功率器。

　　全橋式是有4個功率器件，能夠讓變壓器原邊電流來回流動，在每半個周期都傳遞能量，所以能做到較大功率。

　　半橋式是全橋式的簡化，它將一個橋臂上的功率器件換成電容，節約了一半數量的功率器件，且功率器件上承受的電壓也減半，故降低了成本。

　　升壓變換中多采用推挽式，因原邊電壓較低，繞組匝數少，繞成雙原邊也不增加多少成本，雙繞組又能增加功率，故是廣泛采用的方式。

　　3、多電源系統的監控和時序控制

　　現今，電子系統往往具有許多不同的電源軌。在采用模擬電路和微處理器、DSP、ASIC、FPGA的系統中，尤其如此。為實現可靠、可重復的操作，必須監控各電源電壓的開關時序、上升和下降速率、加電順序以及幅度。既定的電源系統設計可能包括電源時序控制、電源跟蹤、電源電壓/電流監控和控制。有各種各樣的電源管理IC可以執行時序控制、跟蹤、上電和關斷監控等功能。

　　時序控制和跟蹤器件可以監控和控制多個電源軌，其功能可能包括設置開啟時間和電壓上升速率、欠壓和過壓故障檢測、余量微調（在標稱電壓值的一定范圍內調整電源電壓）以及有序關斷。適合這些應用的IC種類眾多，簡單的如利用電阻、電容和比較器構成的純模擬器件，復雜的如高集成度狀態機和通過 I2C bus.總線進行數字控制的可編程器件。某些情況下，系統的電壓調節器和控制器可能包括關鍵控制功能。

　　對于采用多個開關控制器和調節器的系統，還有一個考慮是器件以不同開關頻率工作時，如何將產生的系統噪聲降至最低。常常需要同步調節器的時鐘，事實上，如今的許多高性能開關控制器和調節器都可以與外部時鐘同步。

　　圖1. 電源軌的控制類型

電源時序