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最新的嵌入式設計為各行各業及各種應用提供了大量復雜的新產品和新服務。由于精簡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、服裝及我們周圍幾乎所有物品在內的日常應用提供更小、更經濟的解決方案。 這些嵌入式設計通常由一個微控制器和各種二級接口構成，如電源。能夠放心且迅速簡便地選擇電源的元器件對提供可靠的更小、更經濟的解決方案至關重要。為實現這一目標，需要使用直觀的測試測量工具，快速獲得優化結果。本文重點介紹了電源分析的實際應用，采用特定測量技術更加高效地選擇和確定相應的元器件。 電源分析 在本例中，我們要為開關電源選擇最好的電源FET。晶體管的總功率損耗主要是開關損耗，但開關損耗計算起來要困難得多。我們可以根據FET的電流和開點電阻，相對簡便地計算開關電源的靜態損耗。 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0.5 W。在這里，我們預先確定要測試的四個晶體管。 圖1是標準開關電源的方框圖。我們使用差分探頭測量流經晶體管的電壓，并使用電流探頭測量流經晶體管的電流。接下來，我們將考察使用這一測試設備測得的開關損耗。 圖1 電源電路和測試設置方框圖 圖2顯示的是開關晶體管通道1的電壓($軌跡)和通道4的電流(綠色軌跡)，可以用來計算功率損耗。注意，平滑電感器要足夠大，以便電流在晶體管打開期間不會上升得太高。此處簡化了晶體管中的功率損耗計算過程，因為電流在打開期間上升大約不到10%，因此我們可以使用平均電流進行計算。靜態功率損耗是平方后的電流乘以電阻，然后再乘以占空比 (I2R×占空比)。每個元器件在2A處的靜態功率損耗已經被計算出并列在表1中。 圖2 工作電壓和電流波形 圖3是測得的額定電流最低的晶體管(NMD9700)的開關功率損耗。我們使用泰克DPOPWR分析軟件，設置成在通道1上使用差分電壓探頭測量流經晶體管的電壓($軌跡)，在通道4上使用電流探頭測量電流(綠色軌跡)。它顯示了打開和關閉過程中的開關損耗，我們將使用總平均損耗值，因為這是兩個開關損耗的綜合結果。要注意，功率損耗主要取決于關閉過程。1.53W的總損耗(0.54W靜態損耗+0.99W開關損耗)明顯高于我們的目標。 圖3 第一個晶體管(NMD9700)的波形和 下一個晶體管(NMD9720)的額定電流較高，成本也略高。如圖4所示，平均開關損耗較低，但其打開損耗要高于第一個晶體管。靜態損耗和開關損耗較低，但總損耗0.54W (0.19W靜態損耗+ 0.35W 開關損耗)仍要高于我們的目標。 圖4 第二個晶體管(NMD9720)的波形和測量結果 圖5是第三個晶體管(NMD9740)，其平均功率損耗較低，但成本較高。其總損耗為0.41W (0.08W靜態損耗+0.33W 開關損耗)，低于我們的目標，因此這一產品不會過熱。產品成本為$1.83，要遠遠高于以前的選項，但產品封裝限制不允許使用損耗較低的設備。看上去這似乎是最好的選擇，但我們要看一下第四個部件（其靜態損耗要更低）來確認這一選擇是否正確。 圖5 第三個晶體管(NMD9740)的波形和測量結果 如圖6所示，第四個、也就是成本最高的晶體管(NMD9760)平均功率損耗較高，因為這是一個非常大的設備。總損耗為0.55W (0.03W靜態損耗 + 0.52W 開關損耗)，高于第三個設備，同時也高于我們的目標。 圖6 第四個晶體管(NMD9760)的波形和測量結果 迅速簡便地測量電源晶體管中開關損耗的能力，使我們可以放心可靠地選擇電源的關鍵元器件。在本例中，第三個選項(NMD9740)提供了最低的總功率損耗，滿足了我們的總損耗目標，因此熱縮器可以保持很小的體積，產品不會過熱。 電源測量和分析軟件為這類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關損耗測量中使用的相同的測試設置進行這一測量。還可以使用圖7所示的選擇菜單來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，結合使用電源測量和分析軟件可以節約時間，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生故障的主要原因，因此進行這一測量及類似測量尤其關鍵。如我們在第四個晶體管看到的那樣，體積過大的元器件實際上會浪費熱量和成本。 |
