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了解开关电源设计的艺术和科学

1975 年我成为一名新晋电气工程师之后,参加的第一个设计项目是用于 HP 9825A 台式计算机的 HP 9878A I/O 扩展器。我的职责是项目的所有电子设计,与负责项目机械设计的 HP 工程师 Jerry Nichols 携手合作。

在概念上,I/O 扩展器与今天的 USB 集线器非常相似。也就是将计算机的 I/O 端口“扩展”为多个端口。HP 9878A I/O 扩展器的作用就是将一个 I/O 插槽转换为七个插槽。由于所有 I/O 卡都有基于香料的代码名称,例如 Parsley、Sage 和 Rosemary,因此我们将 I/O 扩展器项目取名为“Spice Rack”(香料架)。Spice Rack 在 1976 年推出(图 1)。

图 1:HP 9878A I/O 扩展器(大约 1976 年)的 5 伏特、12 伏特和 -12 伏特电源使用了线性电源调节,因为当时开关稳压器设计仍然称得上一门艺术。(照片提供:Steve Leibson)

该设计工作包括插入扩展器七个插槽中的 I/O 卡的电源。每个卡可从 I/O 插槽的 5 伏特稳压电源轨获取最多 500 毫安 (mA) 电流,从 12 V 和 -12 V 稳压电源轨获取最多 100 mA 电流。因此,I/O 扩展器中的电源必须在 5 伏特电压下提供 3.5 安培电流(另外还有 I/O 扩展器的内部电路需要的 5 伏特供电电流),并为 12 和 -12 伏特稳压电源提供最多 700 毫安电流。

使用当时的新型 µA7812µA7912 三端子稳压器,很容易满足 HP 9878A 的 12 伏特电源要求,但对于 5 伏特稳压电源,由于需要提供接近 4 安培的电流,就没那么容易选择了。经过快速研究之后,我选择了 µA723 可调节稳压器 IC,它采用十引脚 TO-5 封装,而在大型 TO-3 封装中需要多个额外的支持元件器以及一个外部 2N3055 NPN 功率晶体管。

题外话:颇具传奇色彩的 Bob Widlar 在 1967 年设计了 µA723 可调节稳压器 IC,事实证明该产品具有出色的耐用性。与 Widlar 的很多模拟 IC 设计相同,µA723 稳压器甚至到了今天仍在广泛使用。这款问世长达半个世纪的 IC 还没有太过落伍。

三端子稳压器和 2N3055 功率晶体管固定在铝质面板上,该面板牢固附着在 HP 9878A 的铸铝底座上以便进行散热,板安装型 µA723 可调节稳压器有一个小的卡扣式散热器。使用此设计,散热永远不会成为问题。

即便过了将近 45 年,µA7812 和 µA7912 三端子稳压器现在可能仍然是我们的正确选择,但我不会再选择 µA723 可调节稳压器和外部 2N3055 NPN 传输晶体管。为了最大程度地减少多余的废热量,HP 9878A 中的电源设计需要定制的绕线电源变压器,使得未稳压直流电源轨仅比 5 伏特稳压电源轨高一点。但在当时,HP 拥有自己的变压器车间,因此定制绕线变压器的制作轻而易举。现在情况又不相同了:如果我现在进行设计,我不会使用线性电源。

回到 1975 年,开关电源设计仍处于发展初期。事实上,这种设计更多是一门艺术,而不仅是一门科学,当时能够帮助设计开关电源的 IC 极少。实际上可以说没有。而到了今天,科学发展已有诸多进步,我们有了大量可用的开关电源稳压器 IC,但我仍然认为,要设计可靠的优质开关电源,仍然更多是一门艺术。无论哪一种艺术,艺术家首先必须学习规则。只有这样,他们才能打破规则,发挥他们在这方面的优势。

很多资源都可以帮助您学习开关电源设计的艺术和科学。一些最好的资源包括 Texas Instruments (TI) 为其电源管理实验室套件 (PMLK) 系列开发的评估套件和相关课件。该系列包括:

所有这三种产品都包括评估板,另外还配有教材,分别涵盖降压和升压开关电源设计以及低压差稳压器 (LDO)。即便对于开关电源设计,您可能也需要 LDO,以便从稳压开关电源获取多个低电流的稳压电源电压。

所有这些 TI 教材都包括基于评估板的实验。完成这些 PMLK 教材中的所有实验之后,您将对电源科学有深入的了解。我真的希望我在 45 年前就拥有这些资源。

关于此作者

Image of Steve Leibson Steve Leibson 是 HP 和 Cadnetix 的系统工程师、《EDN》和《Microprocessor Report》杂志主编以及 Xilinx 和 Cadence 的技术博主,并担任过两集“The Next Wave with Leonard Nimoy”的技术专家。33 年来,他一直致力于帮助设计工程师们开发出更好、更快、更可靠的系统。
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