开关電(diàn)源设计简介

2021-08-05

开关電(diàn)源设计简介

大多(duō)数制造商(shāng)或爱好者都知道升压或降压转换器的作用(yòng)，并且以前使用(yòng)过它们。然而，他(tā)们通常只是遵循一种固定的方法来设计一个方法，而没有(yǒu)完全了解它正在做什么。

让我们仔细看看开关模式、降压或升压電(diàn)源的工作原理(lǐ)。目标不是提供有(yǒu)关这些类型電(diàn)源的详细设计信息，而是充分(fēn)了解其操作，以便对此类電(diàn)路块的所需方面做出明智的决定。因此，数學(xué)和任何设计方程将保持在最低限度。

此外，还有(yǒu)许多(duō)开关模式電(diàn)源或 SMPS 電(diàn)源拓扑。為(wèi)了与本文(wén)的理(lǐ)念保持一致，讨论将仅限于简单的升压或降压设计。

基本组件

在了解实际 SMPS 的工作原理(lǐ)之前，本节简要介绍了典型 SMPS 的一些基本组件。

電(diàn)子开关

所有(yǒu)开关電(diàn)源都需要一个電(diàn)子控制开关。低功率 SMPS 中最常用(yòng)的两种器件是双极 NPN 晶體(tǐ)管和 N-Ch MOSFET。图 1 显示了这两种类型的开关。

图 1 – 简单 SMPS 電(diàn)路中使用(yòng)的两种常见電(diàn)子开关类型

这里要注意的关键是这些开关在饱和模式下操作：完全饱和或完全截止。在这两种情况下，开关中的功耗都被最小(xiǎo)化了。事实上，这就是开关電(diàn)源与線(xiàn)性稳压器相比如何实现其高效率的原因。

電(diàn)容器和電(diàn)感器

尽管在开关模式電(diàn)源中，電(diàn)感器是在其基本操作中发挥最重要作用(yòng)的電(diàn)路元件，但本节将首先回顾電(diàn)容器的一些关键操作特性，因為(wèi)这在概念上更容易理(lǐ)解。这為(wèi)更好地理(lǐ)解電(diàn)感器的贡献奠定了基础。

考虑由電(diàn)压源充電(diàn)的完全放電(diàn)電(diàn)容器组成的電(diàn)路，如图 2 所示。当开关闭合时，電(diàn)容器電(diàn)压呈指数上升至電(diàn)池電(diàn)压 V，而電(diàn)流呈指数下降。

图 2 – 電(diàn)容器从電(diàn)压源充電(diàn)

请注意，从技术上讲，電(diàn)容器電(diàn)压永遠(yuǎn)不会达到与電(diàn)池電(diàn)压相同的值，電(diàn)流永遠(yuǎn)不会下降到零。然而，出于所有(yǒu)实际目的，它们最终足够接近它们各自的极限，被认為(wèi)是相等的。

另请注意，当开关闭合时，電(diàn)容器電(diàn)流立即上升到实际等于 V/R 的值。另一方面，電(diàn)压向 V 值缓慢上升。

现在，考虑下图 3 中的電(diàn)路。当开关 S1 闭合时，電(diàn)容器将照常充電(diàn)。

现在，如果在稍后的时间 (T)，开关 S1 打开，同时 S2 闭合，则電(diàn)容器两端的電(diàn)压将处于某个電(diàn)压 V OPEN，这取决于开关之前電(diàn)容器充電(diàn)的时间开幕。 

图 3 – 電(diàn)容器充電(diàn)和放電(diàn)

这个相同的電(diàn)压现在将穿过 R，导致電(diàn)流流过 R，在开关切换的瞬间等于 V OPEN /R。

当然，電(diàn)容器会放電(diàn)，释放其存储的一些能(néng)量，并且 R 两端的電(diàn)压将下降，電(diàn)流也将下降。这里要注意的是，電(diàn)容器電(diàn)流已经瞬间反转。

因此，它不像开关 S1 闭合时那样流入電(diàn)容器，而是流出電(diàn)容器。然而，電(diàn)容器两端的電(diàn)压并没有(yǒu)反转。

现在继续讨论電(diàn)感器，图 4 显示了一个由恒压源（電(diàn)池）驱动的電(diàn)感器。它在许多(duō)方面与電(diàn)容器相似，只是電(diàn)流和電(diàn)压曲線(xiàn)互换。

图 4 – 由恒压源驱动的電(diàn)感器

最终可(kě)以达到的最大電(diàn)流将受到构成電(diàn)感器的导線(xiàn)的直流電(diàn)阻、串联電(diàn)路中的任何实际物(wù)理(lǐ)電(diàn)阻以及電(diàn)池電(diàn)压的限制。

图 5 显示了当开关 S1 為(wèi)已经“充電(diàn)”一段时间的電(diàn)感器打开时会发生什么。与電(diàn)容器的情况有(yǒu)些相似，但交换了電(diàn)流和電(diàn)压的作用(yòng)，電(diàn)感两端的電(diàn)压瞬间反转，以便在开关切换的确切时刻保持相同的電(diàn)流流动。

图 5 – 驱动负载的電(diàn)感器

同样，為(wèi)了与電(diàn)容器并联，这次是電(diàn)感電(diàn)压改变了方向，而電(diàn)流方向保持不变。此外，与電(diàn)容器一样，随着電(diàn)感器释放其存储的能(néng)量，電(diàn)压和電(diàn)流将缓慢下降。

升压（升压）转换器

通过前面对典型 SMPS 中主要组件的描述，现在可(kě)以理(lǐ)解升压转换器的操作。如图 6 所示。 

图 6 – 升压转换器的框图

如图所示，开关是一个電(diàn)子开关，例如连续闭合或断开的 N 沟道 MOSFET。闭合时，上升的電(diàn)感電(diàn)流流过开关，電(diàn)感電(diàn)压缓慢下降，但在此期间又(yòu)与電(diàn)池電(diàn)压相反。

当打开时，如前所示，電(diàn)感两端的電(diàn)压会立即改变方向以试图保持電(diàn)流流动。由于开关打开，该電(diàn)感電(diàn)流必须通过二极管 D 流入负载。

请注意，電(diàn)感電(diàn)压现在已添加到電(diàn)池電(diàn)压，因此输出電(diàn)压将高于電(diàn)池電(diàn)压。因此，实现升压转换器动作。

另请注意，开关闭合时最初流入電(diàn)感器的電(diàn)流将取决于开关闭合的时间。该電(diàn)流将用(yòng)于為(wèi)電(diàn)容器充電(diàn)，它也流入负载。

通过控制電(diàn)感器電(diàn)流，也可(kě)以控制電(diàn)容器電(diàn)压，进而控制负载電(diàn)压。换句话说，通过控制开关的导通时间，可(kě)以控制负载处的電(diàn)压。

降压（降压）转换器

基本降压转换器由与升压转换器相同的组件组成，但它们的排列方式不同。图 7 显示了基本降压转换器的框图。当开关闭合时，電(diàn)感中的電(diàn)流像以前一样上升。 

图 7 – 降压转换器的框图

在此导通期间，電(diàn)感两端的電(diàn)压将与電(diàn)池相反。因此，電(diàn)容器和负载的電(diàn)压将低于電(diàn)池電(diàn)压。

当开关关断时，電(diàn)感電(diàn)压会立即切换方向，以保持電(diàn)流沿开关导通时的相同方向流动。二极管 D 為(wèi)该返回電(diàn)流提供路径。

通过适当控制 ON 到 OFF 的切换时间，可(kě)以在電(diàn)容器和负载電(diàn)阻器两端保持一个低于電(diàn)池電(diàn)压的相对稳定的電(diàn)压。

SMPS 控制器

尽管几乎所有(yǒu) SMPS 都包含一个负责所有(yǒu)控制功能(néng)的芯片，但了解如何实现这一点仍然很(hěn)有(yǒu)指导意义。

在开始讨论之前，应该提到的是，许多(duō)现代 SMPS 控制器都包含一个内部数字处理(lǐ)块，该块允许更复杂的控制回路，从而增强了此类控制器的多(duō)功能(néng)性。

图 8 显示了如何实现简单的模拟 SMPS PWM 降压控制器。它由馈入比较器同相输入端的三角波和馈入比较器反相输入端的输出電(diàn)压样本组成。

图 8 – 简单的 SMPS 模拟 PWM 降压控制器实现

只要同相输入電(diàn)平高于反相输入電(diàn)平，比较器输出就会為(wèi)高電(diàn)平。请注意，在实际实施中，存在环路滤波器和迟滞控制组件以防止控制环路中的不稳定。这些在此处未显示。

图 9 显示了在三个不同输出電(diàn)压電(diàn)平下发生的情况。输出電(diàn)压高时，PWM输出的ON时间小(xiǎo)。当然，这会导致输出電(diàn)压降低。

反之，当输出電(diàn)压较低时，导通时间较長(cháng)，导致输出電(diàn)压较高。

图 9 – 不同输出電(diàn)压下的 PWM 波形 

开关与線(xiàn)性稳压器

有(yǒu)两种電(diàn)压调节器：开关和線(xiàn)性。如果输出電(diàn)压高于输入電(diàn)压，则必须使用(yòng)开关電(diàn)源，无论是直升压还是其他(tā)一些开关拓扑。

在相反的情况下，可(kě)以在 SMPS 或線(xiàn)性電(diàn)源之间进行选择。那么，有(yǒu)哪些注意事项呢(ne)？

首先是效率。例如，考虑输入電(diàn)压為(wèi) 10V、输出電(diàn)压為(wèi) 5V 的 1A 稳压器的情况。那么線(xiàn)性稳压器消耗的功率（并作為(wèi)热量浪费掉）将等于 (10V – 5V)*1A = 5W。

这是大量浪费的功率，大多(duō)数線(xiàn)性稳压器将无法处理(lǐ)如此高的功耗。

在这种特殊情况下，效率最多(duō)為(wèi) 50%。这意味着一半的功率被浪费為(wèi)热量，只有(yǒu)一半的功率用(yòng)于输出负载。如果输入電(diàn)压高于 10V，情况会更糟。

另一方面，SMPS 可(kě)以实现 90% 或更高的效率。在这种情况下，它只会浪费 0.5W。即使能(néng)源浪费不是直接问题，您也必须考虑如何安全地散发这些多(duō)余的热量，尤其是在密闭空间中。

使用(yòng) SMPS 的缺点是什么？第一个是成本和复杂性。典型的 SMPS 比線(xiàn)性 SMPS 更复杂，并使用(yòng)更多(duō)组件。因此，它通常会花(huā)费更多(duō)。

SMPS 的另一个问题是稳压输出上存在纹波。这仅仅是由于其切换性质。在某些情况下，这可(kě)能(néng)不太重要。在它确实重要的情况下，这通常通过让 SMPS 后跟一个線(xiàn)性后置稳压器来解决。

SMPS 将输入電(diàn)压带到線(xiàn)性后置稳压器的输入到输出電(diàn)压差适当小(xiǎo)的点。反过来，線(xiàn)性稳压器為(wèi)负载提供更清洁的稳压電(diàn)压。

另一个问题是不良的瞬态响应。例如，SMPS 需要一些时间来响应和补偿阶跃或突然的负载变化。PWM 需要几个周期才能(néng)将输出正确调节回应有(yǒu)的位置。

最后，同样由于其开关特性，SMPS 确实会产生不需要的 RF 干扰。因此，除了额外的复杂性之外，很(hěn)可(kě)能(néng)需要更多(duō)的射频抑制组件才能(néng)使最终产品通过辐射要求。

不仅如此，在某些情况下，还必须正确放置低電(diàn)平信号处理(lǐ)块，并应考虑适当的 PCB 走線(xiàn)布線(xiàn)，以尽量减少这种开关噪声对这些敏感部分(fēn)的影响。