隨著(zhù) 5G 等高速數據通信系統的興起，定時(shí)和噪聲容限要求也變得極高。

 

為了解決以小巧的外形實(shí)現高效、可靠供電的難題，電源設計人員正在將反激式拓撲用于開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS)。此拓撲適用于高達 150 瓦的功率水平，可提供元器件數少、尺寸小且成本低的設計，還提供輸入/輸出隔離以及卓越能效等優(yōu)點(diǎn)。

 

本文將討論開(kāi)關(guān)模式電源的工作原理，并簡(jiǎn)要了解電源的自制與外購決策過(guò)程。此外還將研究采用反激式拓撲的單輸出電源設計，并提供使用現成零件和元器件的設計示例。

 

開(kāi)關(guān)模式電源

 

SMPS（即轉換開(kāi)關(guān)）作為一種電源，使用開(kāi)關(guān)穩壓器維持來(lái)自交流或直流電源的穩定輸出電壓。開(kāi)關(guān)穩壓器使用一個(gè)或多個(gè)半導體器件（例如雙極結式晶體管、MOSFET 或 IGBT）在通斷狀態(tài)之間切換，以維持輸出電壓調節。這些器件可采用固定“導通”時(shí)間和可變頻率工作，或是更常見(jiàn)的是，以固定頻率和可變占空比工作。開(kāi)關(guān)器件處于“導通”或“關(guān)斷”狀態(tài)時(shí)的功率耗散較低，因而能效較高。器件僅在狀態(tài)轉換期間才會(huì )耗散功率。此外，由于開(kāi)關(guān)頻率通常為數十千赫，因此可以大幅縮小變壓器、電感器和電容器的尺寸，實(shí)現高容積效率。

 

潛在的電磁干擾 (EMI) 會(huì )抵消 SMPS 的優(yōu)勢。這要歸因于開(kāi)關(guān)瞬態(tài)，但通過(guò)細致的元器件選擇、布局和屏蔽可以加以改善。因此，SMPS 的優(yōu)勢遠遠超過(guò)了它的缺點(diǎn)，這讓 SMPS 成為最常用的電源，而線(xiàn)性電源則退居至僅用于最靈敏的電子應用。

 

SMPS 拓撲

 

SMPS 可以在多種不同的電路設計或拓撲中實(shí)現。常用的拓撲有數十種（表 1）。

 

表 1：10 種最常用的開(kāi)關(guān)模式電源拓撲（數據來(lái)源：Digi-Key Electronics）

 

反激式拓撲

 

反激式轉換器是最常用的 SMPS 電路（圖 1）。

 

圖 1：使用單個(gè) MOSFET 開(kāi)關(guān)和反激式變壓器的反激式轉換器功能示意圖。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

 

反激式拓撲的主要優(yōu)勢是它的簡(jiǎn)單性。在任意給定的功率水平下，該拓撲是元器件數最少的 SMPS 拓撲。電源可使用直流或交流電源供電。當配置為從交流線(xiàn)路（市電）工作時(shí)，線(xiàn)路通常采用全波整流。輸入源 (Vi) 為直流。

 

該電路的核心是反激式變壓器。與傳統的變壓器繞組不同，反激式變壓器的初級和次級繞組不會(huì )同時(shí)承載電流。這是因為繞組相為反相，繞組上的圓點(diǎn)記號和次級側的串聯(lián)二極管指示了這一點(diǎn)。

 

使用反激式變壓器帶來(lái)了幾個(gè)好處。首先，電源的初級側和次級側可以電氣隔離。隔離減少了初級側的瞬態(tài)耦合、消除了接地環(huán)路，并在電源的輸出極性方面提供了更大的靈活性。

 

利用該變壓器可以在電源中生成多個(gè)輸出電壓。變壓器針對每個(gè)電壓增加額外的繞組。調壓僅基于單一輸出，而次級輸出通常在局部進(jìn)行調壓。

 

電路從開(kāi)啟開(kāi)關(guān)（例如 MOSFET）開(kāi)始工作（圖 2）。

 

圖 2：分別顯示兩種工作模式的原理波形的反激式電源工作情況。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

 

當開(kāi)關(guān)處于接通狀態(tài)時(shí)，VDRAIN 近乎零伏，電流 IP 流經(jīng)變壓器的初級繞組。能量?jì)Υ嬖谧儔浩鞯拇呕姼兄?。此電流隨時(shí)間呈線(xiàn)性增長(cháng)。次級側的串聯(lián)二極管被反向偏壓，并且次級側沒(méi)有電流流動(dòng)。儲存在輸出電容器的能量向輸出供應電流。

 

當 MOSFET 開(kāi)關(guān)被關(guān)斷時(shí)，變壓器中儲存的能量通過(guò)二極管輸出到輸出電容器和輸出負載。次級電流值開(kāi)始時(shí)較高，之后以線(xiàn)性方式遞降。如果次級電流在開(kāi)關(guān)重新接通之前降至零，則電源被稱(chēng)為斷續電流模式 (DCM) 電源。反之，如果次級電流沒(méi)有降至零，則電源被稱(chēng)為連續電流模式 (CCM) 電源。由于電感器中儲存的能量在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期都會(huì )完全釋放，因此 DCM 電源可以使用較小的變壓器。此外，該電源通常更穩定，產(chǎn)生的 EMI 也更低。

 

儲存在變壓器漏泄電感中的能量在開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)流入初級側，并由輸入箝位或“吸收”電路吸收，該電路的作用是保護半導體開(kāi)關(guān)不會(huì )被高感應電壓損壞。只有當開(kāi)關(guān)在通斷狀態(tài)之間轉換時(shí)才會(huì )耗散功率（圖 3）。

 

圖 3：顯示 MOSFET 開(kāi)關(guān)的電壓和電流波形以及瞬時(shí)功率耗散的反激式電源測量。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

 

圖 3 中最上面的跡線(xiàn)是反激式電源中 MOSFET 開(kāi)關(guān)的電壓。彩色覆蓋部分指示 MOSFET 的狀態(tài)。藍色覆蓋部分指示器件處于導通狀態(tài)，而紅色區域則指示器件處于關(guān)斷狀態(tài)。中間的跡線(xiàn)是流經(jīng)器件的電流。最下面的跡線(xiàn)顯示瞬時(shí)功率，其計算方法為所施加電壓與所產(chǎn)生電流的乘積?？梢杂^(guān)察到，開(kāi)關(guān)轉換期間的功率耗散最明顯。而跡線(xiàn)下面的讀數自左至右依次顯示：開(kāi)啟、導通、關(guān)閉和關(guān)斷狀態(tài)期間的功率損耗，以及所有區域的功率損耗總和。

 

控制器/穩壓器

 

開(kāi)關(guān)器件（如圖 2 所示示意圖中的 MOSFET）由控制器或開(kāi)關(guān)模式穩壓器驅動(dòng)。多數情況下，控制器會(huì )將脈沖寬度調制 (PWM) 波形應用于開(kāi)關(guān)的控制元件，對 MOSFET 而言即為柵極。電源輸出被反饋到控制器，控制器則通過(guò)改變柵極驅動(dòng)信號的占空比來(lái)保持恒定的輸出電壓。這樣，控制器就圍繞反激式轉換器構成了一個(gè)閉環(huán)控制系統。

 

控制器還可以處理數種輔助功能，例如防止電源出現過(guò)載、過(guò)壓或低功率線(xiàn)路狀態(tài)，還能管理電源的啟動(dòng)，確保實(shí)現有效控制的（“軟”）啟動(dòng)，最大限度減小初始電流和電壓瞬態(tài)。

 

SMPS 設計

 

有多家半導體元器件供應商提供有設計工具，可幫助設計開(kāi)關(guān)模式電源，例如 Texas Instruments 的 WEBENCH Power Designer（圖 4）。

 

圖 4：Texas Instruments WEBENCH 電源設計中心的開(kāi)啟頁(yè)面顯示了 25 瓦 5 伏反激式電源 SMPS 設計的基本規格。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

 

該設計從用戶(hù)輸入供電電壓范圍、目標輸出電壓和電流等電源規格開(kāi)始。本案例中，目標設計為采用隔離式拓撲、從交流電源工作的 5 伏、5 安電源。而對于更復雜的多輸出電源，還提供有高級電源架構設計工具。

 

該軟件從這一點(diǎn)開(kāi)始一系列的設計并提示用戶(hù)選擇控制器。用戶(hù)可以查看每項設計的原理圖、物料清單 (BOM) 成本、能效和一些相關(guān)的電路規格。

 

此示例選擇的是 Texas Instruments UCC28740 反激式轉換器，并且顯示了設計原理圖（圖 5）。

 

圖 5：使用 WEBENCH 建議的光隔離反饋的 25 瓦交流 SMPS 原理圖。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

 

將指針指向原理圖上的任意元器件都會(huì )顯示詳細的零件描述，并且還有機會(huì )選擇替代元器件?？刂破?(U1) 通過(guò) CEL PS2811-1-F3-A 光隔離器接收輸出反饋。此反饋方法會(huì )在電路的初級部分與次級部分之間保持電氣隔離?？刂破鲃t將 PWM 驅動(dòng)信號提供給電源開(kāi)關(guān) M1，即 STMicroelectronics 的 STB21N90K5 900 伏、18.5 安 MOSFET。此外，該設計工具還能幫助選擇或設計反激式變壓器。

 

設計摘要頁(yè)概述了關(guān)鍵設計元素（圖 6）。

 

 

圖 6：設計摘要整合了所建議設計的全部元素。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

 

用戶(hù)可以利用優(yōu)化器的調整部分來(lái)優(yōu)化設計，實(shí)現最低 BOM 成本、最小封裝或最高能效。經(jīng)驗不足的設計人員也可以利用此工具，通過(guò)查看多項設計以及元器件變化所產(chǎn)生的影響來(lái)獲取經(jīng)驗。

 

自制還是外購？

 

毫無(wú)疑問(wèn)，工程師除非有 SMPS 方面的相關(guān)經(jīng)驗，否則都會(huì )有一個(gè)學(xué)習過(guò)程。如果上市時(shí)間非常重要，那么最好購買(mǎi)標準電源，或訂立合同獲得自定義電源設計。但如果有時(shí)間和技術(shù)人員，尤其當多個(gè)項目都需要電源時(shí)，設計電源也是值得的。換言之，反復接觸 SMPS 設計將會(huì )增進(jìn)設計人員所需的專(zhuān)業(yè)知識。

 

總結

 

開(kāi)關(guān)模式電源可提供較高的能效和較小的尺寸。針對低于 150 瓦的功率水平，采用反激式拓撲的電源具有多路輸出、元器件數少和線(xiàn)性隔離等優(yōu)勢。

 

 

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