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电源在低温下发生损耗,一个设计技巧搞定!

2021-05-18 David Bogardus 阅读:
电源在低温下发生损耗,一个设计技巧搞定!
几年前,我为一款逻辑分析仪探头设计了一个简单而又高性价比的低功耗直流电源。这个原型电源制造和测试起来很容易,在室温和55℃时工作得也非常出色,但是在-15℃时却出现了输出电压跌落的情况…

几年前,当我刚加入一家示波器和逻辑分析仪顶尖制造商,成为一名新设计人员时,我有幸为一款逻辑分析仪探头设计了一个非常简单而又高性价比的低功耗直流电源。那时,唯一可用的电源电压是-9.5V,但是需要用5V电压为某些逻辑缓冲器供电。由于我只需要大约50mA的电流,而且不需要考虑电路板空间问题,因此我使用了NE555(其图腾柱输出具有很强的驱动能力)来驱动电压反向二极管/电容电荷泵,然后使用78L05三​​端稳压器来降低纹波,并提供过温和过流保护。所有元器件都很常见而且便宜,而且都在公司零件系统中进行了编号,在工程库房也都有现货。因此,这个原型电源制造和测试起来就很容易。FmRednc

这款原型产品工作得非常出色,可以为78L05提供充足的输入电压裕量,因此我对进行电路板布局充满信心。当我们把板子拿回制作后,一切似乎都很好。在室温下,这个小电源为负载提供了足够的电流,并且由于线性稳压器的纹波很低,电压就非常好而且安静。FmRednc

当我们在温箱中进行工作测试时,问题就出现了。在室温下一切都很好,在55℃时也还不错,但令我惊讶和失望的是,这个小开关电源的输出电压在-15℃时出现了跌落。78L05的输入电压下降到了指定的最小值以下。在负载下则需要2.5V的裕量。(那个时候,低压差稳压器还不常见甚至都还没有。)为了最大程度地降低开关损耗,我选择了1N5817肖特基二极管,因为其正向压降只有400mV。我使用示波器测量出进入二极管/电容电荷泵的驱动电压良好,肖特基二极管两端的损耗也很低。但出乎意料的是,电解电容两端的压降却很大。FmRednc

我在设计产品时在电荷泵部分使用的是小型径向引脚铝电解电容。尽管它们的指定工作温度范围比我的目标温度范围要宽,但我却不知道,在-15℃时,它们会从合适的电容变成损耗非常大的电容。从那时起,我了解到,除非指定用特殊的宽温度范围铝电解电容,否则不仅将会看到额定电容值随温度下降而下降,而且等效串联电阻(ESR)还可能会增加10倍!而且由于我是使用它们来传输电力,而不仅仅是用来实现毫伏级信号耦合,因此ESR的增加就非常要命。FmRednc

要怎样才在不改变电路板布局的情况下实现正常恢复呢?幸运的是,我们正好有一些径向“orange drop”钽电容,它们正好适合现有电路板的尺寸,而且它们在-15℃的温度下也没有问题。问题解决了。现在,我也更加关注性能随温度降低的情况。FmRednc

(本文授权编译自EDN美国版,原文参考链接:Glossing over lossy capacitors。由赵明灿编译)FmRednc

  • Charge Pump的充放电容器低温下ESR加大导致开关贮能转换低效,满足不了后级LDO输入端的最小输出电压+2.5V电压差,使得输出电压采样+基准+误差放大闭环稳不住出现了输出电压跌落
  • 印工点评:我们在设计电路时的确经常用到电容器,无非是输入输出隔直耦合和高频旁路和低频去耦作用。在低温情况下电解电容内电解液会出现凝结ESR加大现象。比如,某行业特种车辆厂家要求低至-45度的环境下仍可工作,所以我们有款视频隔离解决方案必须采用全固态电容并加100%灌封
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