引言

最新的嵌入式設計為各行各業(yè)及各種應用提供了大量復雜的新產(chǎn)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(nèi)的日常應用提供更小、更經(jīng)濟的解決方案。

這些嵌入式設計通常會由一個微控制器和各種二級接口構(gòu)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(jīng)濟的解決方案至關重要。為實現(xiàn)這一目標，您需要使用直觀的測試測量工具，快速獲得優(yōu)化結(jié)果。那么北京東方中科集成科技股份有限公司在多年與客戶的交流及自我總結(jié)當中，整理出了此解決方案，僅供參考。本文重點介紹了電源分析實際應用，采用特定測量技術，為嵌入式設計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�？梢愿鶕�(jù)FET的電流和開點電阻，相對簡便地計算開關電源的靜態(tài)損耗。晶體管的總功率損耗主要是開關損耗，開關損耗計算起來要困難得多。

本例的挑戰(zhàn)是為這一應用選擇最好的元器件，因為成本和功率損耗是一對矛盾。在這里，我們預先確定要測試的四個晶體管。

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。

圖1.1是標準開關電源的方框圖。我們使用差分探頭，測量流經(jīng)晶體管的電壓；我們使用電流探頭，測量流經(jīng)晶體管的電流。在下面幾個圖中，我們將考察使用這一測試設備測得的開關損耗。

圖1.1 電源電路和測試設置方框圖。

[圖示內(nèi)容：]

Differential Probe: 差分探頭

Power Source: 電源

Load: 負載

DPO7000 Series Oscilloscope: DPO7000系列示波器

Controller: 控制器

Current Probe: 電流探頭

圖1.2是開關晶體管通道1的電壓（黃色軌跡）和通道4的電流（綠色軌跡），我們可以計算功率損耗。注意，平滑電感器足夠大，以便電流在晶體管打開期間不會上升得太高。這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(tài)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）。我們已經(jīng)為每個元器件計算了這些值，并在上面的表格“2A處的靜態(tài)功率損耗”中記下這些值。

圖1.2 工作電壓和電流波形。

圖1.3是額定電流最低的晶體管（NMD9700）測得的開關功率損耗。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(jīng)晶體管的電壓（黃色軌跡），在通道4上使用電流探頭測量電流（綠色軌跡）。它顯示了打開過程和關閉過程的開關損耗，但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(jié)果。但要注意，功率損耗主要取決于關閉過程。1.53 W的總損耗（0.54 W靜態(tài)損耗 + 0.99 W開關損耗）明顯要高于我們的目標< 0.5 W。遺憾的是，成本最低的FET（$ 0.88）不能滿足我們的需求。很明顯，即使是這個晶體管的靜態(tài)損耗，仍然要高于我們的目標損耗。我們只使用這個晶體管，來說明測量過程。

圖1.3 第一個晶體管（NMD9700）的波形和測量結(jié)果。

下一個較大的晶體管（NMD9720）的額定電流較高，成本也略高。如圖1.4所示，平均開關損耗較低，但要注意，其打開損耗要高于第一個晶體管，與晶粒較大的預期結(jié)果一致。靜態(tài)損耗和開關損耗較低，但總損耗0.54 W （0.19 W靜態(tài)損耗+ 0.35 W 開關損耗）仍要高于我們的目標< 0.5 W。我們成本第二低的部件（$ 0.97）似乎更接近我們的功率損耗目標，但由于封裝限制，在環(huán)境溫度高時，我們不能在沒有過熱風險的情況下處理高于我們目標的功率損耗。讓我們看看下一個部件，看我們能否滿足功率損耗限制，同時仍能實現(xiàn)低廉的成本。

圖1.4 第二個晶體管（NMD9720）的波形和測量結(jié)果。

圖1.5是第三個晶體管（NMD9740），其平均功率損耗較低，但其成本較高。其總損耗為0.41 W （0.08 W靜態(tài)損耗 + 0.33 W 開關損耗），低于我們的目標，因此這一產(chǎn)品不會過熱。產(chǎn)品成本為$ 1.83，要遠遠高于以前的選項，但產(chǎn)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(tài)損耗要更低，來確認這一選擇是否正確。

圖1.5 第三個晶體管（NMD9740）的波形和測量結(jié)果。

如圖1.6所示，第四個、也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�？倱p耗為0.55 W （0.03 W靜態(tài)損耗 + 0.52 W 開關損耗），高于第三個設備，同時也高于我們的目標< 0.5 W。因此，我們可以看到，如果晶體管太大，那么開關損耗實際上會上升，產(chǎn)品要比成本較低的第三個晶體管熱。由于總功率損耗及成本，第四個晶體管并不是可行的選擇。

圖1.6 第四個晶體管（NMD9760）的波形和測量結(jié)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(chǎn)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。例如，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1.7所示的選擇菜單，測量電源的工作狀況，如頻率、占空比和其它參數(shù)。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1.7 電源系統(tǒng)設備測量的選擇屏幕。

在設計電源時，結(jié)合使用電源測量和分析軟件可以節(jié)約時間，與不使用這些強大的工具相比，提供的結(jié)果要更準確。由于熱量是電子系統(tǒng)發(fā)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。

小結(jié)

通過使用特定測量技術，我們可以簡化和加快電源晶體管的選擇過程，同時又幫助有效降低了成本。