無論何種應用,電源設計人員都必須瞭解適用領域的具體安全或環境規定,以及實際的電氣性能。本文將重點介紹如何使用電阻來調節電源輸出並保護電源不發生故障。

電源的分類通常取決於輸入是交流還是直流,以及使用何種類型的調節方式來提供正確的直流輸出,通常是開關模式或線性模式。主電壓通常為AC-DC電源供電,而DC-DC電源可以由電池或任何其他直流電源供電。這些DC-DC轉換器使用開關模式技術將輸入電壓調節為更高(升壓)或更低(降壓)的輸出電壓。

現成的電源適用於許多市場和常規用途,但在某些情況下需要定制設計。

線性穩壓器

要知道元件在電源中的作用,有必要瞭解電源工作的基本原理。許多工程師都記得設計一個如圖1所示的電路。該電路使用齊納二極體(Zener diode)為負載(R2)提供恆定電壓,R1用於提供最小電流以保持齊納二極體處於恆定擊穿狀態,並提供負載電流。

20180529TA01P1** 圖1 一個簡單的齊納二極體穩壓器電路。

此類系統適用於功率較低且供電電壓和負載都相當穩定的電路。如果負載電流降低或電源電壓突然增加,則可能會超出齊納二極體的額定功耗,這種電路中的電阻很容易選擇,只要其額定功率符合齊納二極體和負載的組合功率要求即可。

對於供電電壓或負載可能變化的電源,串聯設計可以使用傳輸電晶體(pass transistor),這將確保負載電流穩定,並可將電壓輸出降低到所期望的範圍。

圖2顯示了這種電路,這些設計通常使用IC或低壓差(LDO)穩壓器來調節負載電源,由R1和R2形成的分壓器感測並設置相對於參考電壓的電壓輸出。如果電路具有固定輸出,則分壓器位於內部;對於其他應用,可以在外部放置一或兩個電阻。

20180529TA01P2 圖2 線性串聯穩壓器簡圖。

選擇電阻值以提供所需的比率,最重要的考慮因素是精準度。如果比較器電路具有高增益和高輸入阻抗,則可以使用圖1中的公式輕鬆計算最差情況下的數值,首先選R1最大值和R2最小值,然後選R2最大值和R1最小值。這些計算可顯示出與期望輸出的最大電壓偏差。

開關電源(SMPS)

由於串聯的傳輸元件和負載都會消耗能量,線性電源效率可能會比較低。隨著負載上壓降的增加,效率會更低。

為提高效率,設計師經常使用另一種電源拓撲結構。SMPS採用未經調節的輸入直流電壓,並以高頻率(10k~1MHz)進行切換;工作週期決定整流和平滑後的直流輸出電壓。

SMPS輸出的調節也使用分壓器,但是要調節開關頻率和工作週期。透過避免線性穩壓器壓降帶來的損失,SMPS可實現高達95%的效率。由於高頻變壓器和濾波器/儲能電容尺寸要小得多,SMPS也可能比類似功率的線性AC-DC電源設計更緊湊。

SMPS的主要缺點是它要求必須有最小負載,空載狀態可能會損壞電源,為避免這種情況,設計人員經常使用一個功率電阻作為假負載。如果主負載斷開,該電阻可以用於吸收最小的特定負載電流,當然,假負載電阻也會有功耗,從而影響整體電源效率,因此在選定電阻時需要考慮這個因素。規避該問題的另一種方法是當負載開路時在輸出端使用分流電阻,基於安全的目的,SMPS設計也會採用其他電阻。低阻值、高功率電阻通常可防止過壓情況,而限流設計則可防止短路。

此類開關技術也可以用於DC-DC轉換器設計,將直流電壓的一個值調節為另一個值。降壓轉換器在工作原理上非常類似於前述的SMPS設計,升壓轉換器則使用電荷泵技術輸出比輸入端更高的電壓,這兩種技術都使用類似方法調節輸出電壓並提供電路保護。

電阻在電源設計中的其他用途

放電電阻主要用於對電路中的電容進行放電。它們與負載並聯,在AC-DC和DC-DC轉換器中分別用於對平滑電容和儲能電容進行放電,電源關閉後,電容保持充電狀態,有可能對使用者造成傷害,因此需要放電。當為這項任務選擇電阻時,需要權衡兩點:它們應具有夠高的阻值,以便當電路工作時耗電很少;為給電容快速放電,其阻值又要夠低。

浪湧限制電阻可以限制AC-DC電源在初次接通,並且儲能電容充電時可能引起的浪湧電流量,這些電阻通常阻值很低,並且與交流電源線串聯。對於更高功率的電源,通常使用負溫度係數(NTC)電阻達到這一目的,這些電阻的阻值隨自身發熱而下降,使用此類電阻的一個缺點是在工作期間溫度必須保持恆定以確保維持為低阻值。第三種方案是使用脈衝式(pulse-resistant)電阻,這些電阻的功率通常以焦耳為單位,它能比採用以瓦為單位的正常持續功率標度更好地執行其功能。

平衡電阻用於使用多個電源時調變負載電流。通常,與使用單個高功率大電源相比,並聯設置使用多個DC-DC轉換器可以更便宜、更節能、更緊湊。在設計此類電路時,不能簡單地將輸出連接在一起,必須採用一個方法來確保平均分擔負載,圖3顯示RSHARE電阻填平了轉換器輸出之間的餘差。

20180529TA01P3 圖3 平衡電阻在DC-DC轉換器之間分擔負載。

這種負載分擔方法也用於其他類型的電源設計,特別是那些使用功率電晶體的設計。並聯多個電晶體為負載供電,負載分配電阻在串聯中使用。

另一種需要平衡的場合如圖4所示。在這種情況下,儲能電容與直流電源輸出串聯。電解電容漏電流的作用類似跟電容並聯的電阻,如圖中的RL1和RL2。這些阻值可能會有相當大的變化,並且由於它們在整個輸出端起分壓器的作用,可能會導致電容兩端的壓差超過電容額定值,而匹配的電阻RB1和RB2抵消了這種效應。

20180529TA01P4 圖4 平衡電阻確保輸出電容兩端的電壓相等。

高壓分壓器用於向調節電路提供回饋。這些電阻通常還有其他次要作用,例如監測除顫器中的高壓電源,以及為儲能電容充電,並在期望的充電電平下關斷電源。

高電流檢測用於測量供電電流。這種測量方法採用分流電錶原理,需要串聯一個低值電阻,並測量其上的壓降以計算電流大小。此類電路設計必須綜合考慮電阻的選擇,一方面要求低阻值以最大限度地減少發熱和功耗,另一方面又要求高阻抗以便於測量。

總結

幾乎所有電源設計中的電阻選擇都有不同特性優先順序和性能要求,包括需要能夠處理高電壓、大電流和高功率的電阻,以及需要低容差的電阻。通常還需要電阻具有特定的屬性,如浪湧抑制能力或負TCR等。

(參考原文: High performance resistors for custom power supplies,by Phil Ebbert)