开关電(diàn)源设计简介

2020-12-10

大多(duō)数制造商(shāng)或发烧友都知道升压或降压转换器的功能(néng)，并且以前使用(yòng)过它们。但是，他(tā)们通常只是采用(yòng)固定方法来设计一个，而不完全完全了解它在做什么。

本文(wén)提供了一种易于理(lǐ)解的方法来解释开关模式，降压或升压電(diàn)源的工作方式。

目的不是提供有(yǒu)关这些类型電(diàn)源的详细设计信息，而是要充分(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)和任何设计方程式都将保持最小(xiǎo)。

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)的原理(lǐ)保持一致，讨论将仅限于简单的升压或降压设计。 

基本组成部分(fēn)

在介绍实际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)子控制的开关。低功率SMPS中最常用(yòng)的两个器件是双极NPN晶體(tǐ)管和N-Ch MOSFET。图1显示了这两种类型的开关。 

这里要注意的关键是这些开关在饱和模式下运行：完全饱和或完全截止。在这两种情况下，开关中的功耗均最小(xiǎo)。实际上，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。

電(diàn)容器和電(diàn)感器

即使在开关模式電(diàn)源中，電(diàn)感器是在其基本操作中起着最重要作用(yòng)的電(diàn)路元件，本节也将从对電(diàn)容器的一些关键操作特性进行回顾入手，因為(wèi)从概念上更容易理(lǐ)解。这為(wèi)更好地了解電(diàn)感的作用(yòng)奠定了基础。

如图2所示，考虑一个由完全放電(diàn)的電(diàn)容器组成的電(diàn)路，该電(diàn)容器从電(diàn)压源充電(diàn)。当开关闭合时，電(diàn)容器電(diàn)压朝着電(diàn)池電(diàn)压V呈指数上升，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，并且電(diàn)流永遠(yuǎn)不会一直下降到零。但是，出于所有(yǒu)实际目的，它们最终会足够接近各自的极限以被视為(wèi)相等。

还要注意，当开关闭合时，電(diàn)容器電(diàn)流会立即上升到实际上等于V / R的值。另一方面，電(diàn)压缓慢上升到V值。

现在，考虑下面图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断开，而S2同时闭合，则電(diàn)容器两端的電(diàn)压将处于某个電(diàn)压V OPEN，这将取决于電(diàn)容器在开关之前充電(diàn)了多(duō)長(cháng)时间开幕。

图3 –電(diàn)容器充放電(diàn)

现在，相同的電(diàn)压将流过R，导致電(diàn)流流过R，等于在切换开关的瞬间流过V OPEN / R。

電(diàn)容器当然会放電(diàn)，从而释放一些存储的能(néng)量，R两端的電(diàn)压将降低，電(diàn)流也会降低。这里要注意的是，電(diàn)容器電(diàn)流已瞬间反转。

因此，它不再像开关S1闭合时那样流入電(diàn)容器，而是从電(diàn)容器中流出。但是，電(diàn)容器两端的電(diàn)压并未反向。

现在转到電(diàn)感器，图4显示了一个由恒压源（電(diàn)池）驱动的電(diàn)感器。它在很(hěn)多(duō)方面都与電(diàn)容器相似，只是電(diàn)流和電(diàn)压曲線(xiàn)可(kě)以交换。

图4 –由恒定電(diàn)压源驱动的電(diàn)感器

最终可(kě)以达到的最大電(diàn)流将受制于電(diàn)感器所组成的電(diàn)線(xiàn)的直流電(diàn)阻，加上串联電(diàn)路中任何实际的物(wù)理(lǐ)電(diàn)阻器以及電(diàn)池電(diàn)压的限制。

图5显示了当為(wèi)已经“充電(diàn)”一段时间的電(diàn)感器打开开关S1时发生的情况。以与電(diàn)容器外壳类似的方式，但是在交换了電(diàn)流和電(diàn)压作用(yòng)的情况下，電(diàn)感器两端的電(diàn)压瞬时反转，以在开关切换的确切时刻保持相同的電(diàn)流流动。 

图5 –電(diàn)感驱动负载

同样，為(wèi)了与電(diàn)容器并联，这一次是電(diàn)感器電(diàn)压改变了方向，而電(diàn)流方向却保持不变。同样，就像電(diàn)容器一样，随着電(diàn)感器放弃其存储的能(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中主要部件的描述，可(kě)以了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，该开关是连续闭合或断开的電(diàn)子开关，例如N沟道MOSFET。闭合时，上升的電(diàn)感器電(diàn)流流过开关，電(diàn)感器電(diàn)压缓慢下降，但是在此期间它又(yòu)与電(diàn)池電(diàn)压相反。

如前所示，打开时，電(diàn)感两端的電(diàn)压会瞬间改变方向，以试图保持電(diàn)流流动。由于开关断开，该電(diàn)感器電(diàn)流必须流过二极管D进入负载。

请注意，電(diàn)感器電(diàn)压现在已添加到電(diàn)池電(diàn)压中，因此输出電(diàn)压将高于電(diàn)池電(diàn)压。因此，实现了升压转换器的作用(yòng)。

还要注意，当开关闭合时，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)于给電(diàn)容器充電(diàn)，并且还流入负载。

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

降压转换器

基本的降压转换器与升压转换器包含相同的组件，但它们的布置不同。图7显示了基本降压转换器的框图。当开关闭合时，電(diàn)感器中的電(diàn)流像以前一样上升。

图7 –降压转换器的框图

在此导通期间内，電(diàn)感两端任何时间的電(diàn)压都将与電(diàn)池相反。因此，電(diàn)容器和负载将看到低于電(diàn)池電(diàn)压的電(diàn)压。

当开关断开时，電(diàn)感器電(diàn)压会立即切换方向，以保持電(diàn)流流向与开关接通时相同的方向。二极管D為(wèi)该返回電(diàn)流提供路径。

通过适当控制开到关的切换时间，可(kě)以在電(diàn)容器和负载電(diàn)阻两端维持一个比電(diàn)池電(diàn)压低的相对稳定的電(diàn)压。

SMPS控制器

即使几乎所有(yǒu)的SMPS都集成了负责所有(yǒu)控制功能(néng)的芯片，但了解如何实现这一目标仍然很(hěn)有(yǒu)指导意义。

在开始之前，应该提到许多(duō)现代SMPS控制器都集成了内部数字处理(lǐ)模块，该模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。它由一个向比较器的同相输入馈入的三角波和一个向比较器的反相输入馈入的输出電(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。注意，在实际的实现中，有(yǒu)环路滤波器和磁滞控制组件，以防止控制环路不稳定。这些未在此处显示。

图9显示了在三种不同的输出電(diàn)压電(diàn)平下发生的情况。输出電(diàn)压高时，PWM输出的导通时间短。当然，这会使输出電(diàn)压下降。

相反，当输出電(diàn)压较低时，导通时间较長(cháng)，从而导致输出電(diàn)压较高。因此，通过分(fēn)量值的适当选择，一个稳定的，调节的输出電(diàn)压就可(kě)以实现。

图9 –各种输出電(diàn)压下的PWM波形

开关与線(xiàn)性稳压器

稳压器有(yǒu)两种：开关稳压器和線(xiàn)性稳压器。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)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？

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。然后，線(xiàn)性稳压器消耗的功率（浪费為(wèi)热量）将等于（10V – 5V）* 1A = 5W。

这浪费了很(hěn)多(duō)功率，并且大多(duō)数線(xiàn)性稳压器将无法处理(lǐ)如此高的功耗。

在这种特定情况下，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)一半的功率流向了输出负载。如果输入電(diàn)压高于10V，情况会更糟。

另一方面，SMPS可(kě)以达到90％或更高的效率。在这种情况下，它将仅浪费0.5W。即使不是直接考虑能(néng)源浪费，也必须考虑如何安全地散发多(duō)余的热量，尤其是在狭窄的空间中。

使用(yòng)SMPS有(yǒu)哪些缺点？第一个是成本和复杂性。典型的SMPS比線(xiàn)性SMPS更复杂，并且使用(yòng)更多(duō)的组件。因此，它通常花(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特性。在某些情况下，这可(kě)能(néng)不太重要。在确实重要的情况下，通常通过在SMPS之后加上線(xiàn)性后置稳压器来解决此问题。

SMPS将输入電(diàn)压带到線(xiàn)性后置稳压器的输入至输出電(diàn)压差适当小(xiǎo)的点。进而，線(xiàn)性稳压器向负载提供更稳定的稳压電(diàn)压。

另一个问题是瞬态响应差。例如，SMPS需要一些时间来做出反应并补偿阶跃或突然的负载变化。PWM需要花(huā)费几个周期才能(néng)将输出正确地调节回原来的位置。

最后，再次由于其开关特性，SMPS确实会产生有(yǒu)害的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RF抑制组件才能(néng)使最终产品通过发射要求。

不仅如此，而且在某些情况下，必须正确放置低電(diàn)平信号处理(lǐ)模块，并应考虑适当的PCB走線(xiàn)布線(xiàn)，以最大程度地减小(xiǎo)这种开关噪声对这些敏感部分(fēn)的影响。