電(diàn)路设计具有(yǒu)EMC性能(néng)的开关電(diàn)源设计原理(lǐ)

2020-09-03

基本的SMPS拓扑

降压SMPS的主要功能(néng)目标是将直流信号V IN降压至较低的直流值V OUT，如图1 所示。

图1：降压型SMPS的目标

此过程的第一步包括创建DC输入信号的脉宽调制（PWM）版本，如图2 所示。

图2：PWM信号

图2中所示的输出信号与我们的目标中描述的所需输出信号相差甚遠(yuǎn)。即：1）仅当晶體(tǐ)管导通时為(wèi)恒定信号； 2）当晶體(tǐ)管导通时其電(diàn)平不低于输入信号； 3）在过渡时间内其谐波含量高，[1 ]。

让我们通过在電(diàn)路的输出侧放置一个低通LC滤波器来解决第三方面的问题，如图3 所示。

图3：具有(yǒu)低通滤波器的SMPS電(diàn)路

為(wèi)了减少電(diàn)路中的不必要功耗，避免了RC和RL滤波器，并且基本设计采用(yòng)了简单的LC滤波器。

假设晶體(tǐ)管截止，LC滤波器中没有(yǒu)存储能(néng)量，并且输出電(diàn)压為(wèi)零。当晶體(tǐ)管导通时，我们得到如图4（a）所示的電(diàn)路（假设没有(yǒu)電(diàn)压降的理(lǐ)想晶體(tǐ)管）。

输出電(diàn)压逐渐增加。假设导通时间足够長(cháng)，则该電(diàn)压最终达到稳态值V OUT = V IN。在稳态下，電(diàn)感两端的電(diàn)压v L為(wèi)零，直流電(diàn)流I L流过電(diàn)感，如图4（b）所示。磁能(néng)存储在電(diàn)感器中。

图4：晶體(tǐ)管第一次导通：a）瞬态行為(wèi)，b）稳态

当开关断开时，電(diàn)感器和随后的开关两端会产生很(hěn)大的负電(diàn)压。如图5（a）所示，存储在電(diàn)感器中的磁能(néng)通过开关触点在電(diàn)弧中消散或辐射[2] 。

这种行為(wèi)通常会对开关造成破坏，因此需要某种保护電(diàn)路。最简单的解决方案是在开关事件期间通过在電(diàn)路中插入二极管為(wèi)電(diàn)感器電(diàn)流提供路径，如图5（b）所示。我们已经找到了最简单的降压（降压）SMPS之一。

图5：晶體(tǐ)管开关关闭：a）不良行為(wèi)b）保护二极管

此SMPS的基本设计包括对组件L和C的正确选择，以满足所施加的设计要求。当晶體(tǐ)管导通（开关闭合）和晶體(tǐ)管关断（开关断开）时，通过電(diàn)路分(fēn)析确定组件值。各个電(diàn)路和选定的電(diàn)路变量如图6 所示。

图6：降压SMPS電(diàn)路：a）晶體(tǐ)管导通b）晶體(tǐ)管截止

请注意，在两种情况下，当开关闭合和断开时，電(diàn)感器電(diàn)流為(wèi)正，并且流向相同方向。如果开关保持断开状态足够長(cháng)的时间，電(diàn)感器電(diàn)流将衰减為(wèi)零，随后输出電(diàn)压将变為(wèi)零。

如果在开关周期中電(diàn)感器電(diàn)流（和输出電(diàn)压）变為(wèi)零之前开关闭合，则SMPS将以所谓的连续导通模式工作。这是EMC中的首选模式–导致较小(xiǎo)的输出纹波，较小(xiǎo)的负载電(diàn)流变化和较低的EMC辐射。

当开关随后断开时，输出電(diàn)压上升。当达到所需值V OUT  <  V IN时，开关再次打开。在连续模式和稳态操作下，電(diàn)感器電(diàn)流和输出電(diàn)压始终保持為(wèi)正，并且永遠(yuǎn)不会為(wèi)零。

SMPS设计

以下SMPS设计假定组件是理(lǐ)想的-晶體(tǐ)管和二极管的压降為(wèi)零，電(diàn)感器和電(diàn)容器為(wèi)理(lǐ)想（无寄生）。電(diàn)路中没有(yǒu)损耗–電(diàn)源提供的功率等于传递给负载的功率。这里讨论的方法基于[1]中介绍的材料。

SMPS在连续导通模式下以稳定状态工作，PWM信号的占空比D等于

 （1）

其中开关频率f SW是恒定的。开关关闭一段时间

 （2a）

并且有(yǒu)时间

 （2b）

当开关闭合时，二极管反向偏置，電(diàn)路如图7 所示。

图7：开关闭合的電(diàn)路

電(diàn)感两端的電(diàn)压為(wèi)

 （3）

二极管两端的電(diàn)压等于输入電(diàn)压v D = V IN。从等式 （3）我们得到

 （4）

由于该导数為(wèi)正，因此在开关闭合期间電(diàn)感器電(diàn)流線(xiàn)性增加。為(wèi)了确定在此期间電(diàn)感器電(diàn)流的（近似）变化，我们对方程中的导数进行近似。（4）通过

 （5）

因此，電(diàn)感器電(diàn)流的变化為(wèi)

 （6）

当开关断开时，二极管被正向偏置（v D = 0），我们得到了图8 所示的電(diàn)路。

图8：开关断开的電(diàn)路

電(diàn)感两端的電(diàn)压為(wèi)

 （7）

从等式 （7）我们得到

 （8）

由于此导数為(wèi)负，因此在开关断开期间，電(diàn)感器電(diàn)流線(xiàn)性减小(xiǎo)。在此期间，電(diàn)感器電(diàn)流的（大约）变化可(kě)从

 （9）

因此，電(diàn)感器電(diàn)流的变化為(wèi)

 （10）

電(diàn)感器電(diàn)压和電(diàn)流的变化如图9所示。

图9：電(diàn)感器電(diàn)压和電(diàn)流的变化

显然，（∆ i L）关闭 = ∆ i L）打开。从等式 （6）和（10）我们得到

 （11）

要么

 （12）

导致降压转换器的输入输出关系

 （13）

由于占空比小(xiǎo)于1，因此输出電(diàn)压低于输入電(diàn)压。我们可(kě)以通过简单地改变占空比来控制输出電(diàn)压的水平。

接下来，让我们计算平均，最大和最小(xiǎo)電(diàn)感器電(diàn)流。在稳态操作中，平均電(diàn)容器電(diàn)流I C = 0，[3]。因此，平均電(diàn)感器電(diàn)流I L必须与平均负载電(diàn)流I R相同。那是，

 （14）

根据图9，電(diàn)感器電(diàn)流的最小(xiǎo)值和最大值分(fēn)别為(wèi)

 （15a）

 （15b）

使用(yòng)等式。等式中的（10）和（14）。（15）我们得到

 （16a）

 （16b）

要么

 （17a）

 （17b）

其中˚F SW = 1 / Ť。

现在，我们可(kě)以计算连续工作模式下電(diàn)感的最小(xiǎo)值 L MIN。在连续模式和不连续模式之间的边界处，I MIN = 0。（17a）我们得到

 （18）

要么

 （19a）

或利用(yòng)等式 （13），

 （19b）

当然，電(diàn)感的实际值应大于方程式给出的最小(xiǎo)值。（19）。合理(lǐ)的选择是

 （20）

最后，可(kě)通过分(fēn)析图10 获得输出電(diàn)压纹波∆ V OUT，图10 显示了電(diàn)容器電(diàn)流和输出電(diàn)压曲線(xiàn)[1]。

電(diàn)容器充電(diàn)时，電(diàn)容器電(diàn)荷的变化ΔQ等于電(diàn)容器電(diàn)流曲線(xiàn)下的三角形面积。那是，

 （21）

以来

 （22a）

它遵循

 （22b）

和

 （22分(fēn)）

从等式 （10），

 （23）

利用(yòng)等式。等式中的（22c）和（23）。（21）我们得到

 （24）

导致输出電(diàn)压纹波為(wèi)

 （25）

相对输出電(diàn)压纹波為(wèi)

 （26）

可(kě)以根据指定的電(diàn)压纹波获取所需的電(diàn)容

 （27）

在SMPS的设计中，通常指定输入和输出電(diàn)压。负载和输出電(diàn)压纹波也是如此。一旦选择了开关频率，就可(kě)以根据公式计算出最小(xiǎo)電(diàn)感值。（19b），電(diàn)容值由式 （27）。

本文(wén)介绍了最简单的（可(kě)能(néng)是嘈杂的）SMPS设计的基本知识。它应作為(wèi)入门级教程和朝着更高级的SMPS迈进的一步。设计的下一步应该包括非理(lǐ)想的二极管和晶體(tǐ)管模型，组件的寄生效应及其物(wù)理(lǐ)限制。為(wèi)了减轻EMC辐射，除其他(tā)许多(duō)因素外，还应实现输入滤波器[2]和缓冲電(diàn)路[3,4]。