【導讀】大多數電子系統都需要在供能電壓和需要供電的電路電壓之間進(jìn)行某種轉換。當電池失去電荷時(shí)，電壓會(huì )下降。某些DC-DC轉換可確保電池中更多儲存的能源用于為電路供電。
大多數電子系統都需要在供能電壓和需要供電的電路電壓之間進(jìn)行某種轉換。當電池失去電荷時(shí)，電壓會(huì )下降。某些DC-DC轉換可確保電池中更多儲存的能源用于為電路供電。此外，如果我們使用110 V交流線(xiàn)路，則無(wú)法直接為微控制器等半導體供電。由于每個(gè)電子系統幾乎都使用電壓轉換器（也稱(chēng)為電源），因此多年來(lái)，它們針對不同的用途進(jìn)行了優(yōu)化。當然，優(yōu)化目標通常是解決方案尺寸、轉換效率、EMI和成本。
簡(jiǎn)單的電源：LDO
其中一種簡(jiǎn)單的電源形式是低壓差(LDO)穩壓器。LDO是與開(kāi)關(guān)穩壓器相對的線(xiàn)性穩壓器。線(xiàn)性穩壓器在輸入電壓和輸出電壓之間放置一個(gè)可調電阻，這意味著(zhù)不管輸入電壓如何變化，哪個(gè)負載電流正在通過(guò)設備，輸出電壓都是固定的。圖1顯示了該簡(jiǎn)單電壓轉換器的基本原理。
圖1. 線(xiàn)性穩壓器將一種電壓轉換為另一種電壓。
多年來(lái)，典型電源轉換器都是由一個(gè)50 Hz或60 Hz的變壓器組成，連接到電網(wǎng)，以一定的繞線(xiàn)比產(chǎn)生不穩定的輸出電壓，比系統中需要的電源電壓高幾伏。然后使用線(xiàn)性穩壓器將此電壓轉換為電子產(chǎn)品所需的穩定調節的電壓。圖2顯示了此概念的方框圖。
圖2. 線(xiàn)路變壓器后跟線(xiàn)性穩壓器。
圖2中基本設置的問(wèn)題在于50 Hz/60 Hz變壓器體積相對較大且價(jià)格昂貴。此外，線(xiàn)性穩壓器還散發(fā)大量的熱量，因此系統總效率低，并且由于系統功率高，很難消除產(chǎn)生的熱量。
開(kāi)關(guān)模式電源助一臂之力
為了避免圖2所示的電源的缺點(diǎn)，發(fā)明了開(kāi)關(guān)模式電源。它們不依賴(lài)于50 Hz或60 Hz交流電壓，而是采用直流電壓，有時(shí)采用整流交流電壓，產(chǎn)生更高頻率的交流電壓以使用更小的變壓器，或在非隔離系統中，使用LC濾波器整流電壓，以產(chǎn)生直流輸出電壓。優(yōu)點(diǎn)是解決方案尺寸小，成本相對較低。產(chǎn)生的交流電壓不需要是正弦電壓波形。簡(jiǎn)單的PWM信號波形就能很好地工作，并且可使用PWM發(fā)生器和開(kāi)關(guān)輕松生成。
直到2000年，雙極性晶體管都是常用的開(kāi)關(guān)。它們性能不錯，但是開(kāi)關(guān)轉換速度相對較低。功效也不高，開(kāi)關(guān)頻率限制為50 kHz或100 kHz。如今，我們使用開(kāi)關(guān)MOSFET代替雙極性晶體管，開(kāi)關(guān)轉換速度要快得多。反過(guò)來(lái)，開(kāi)關(guān)損耗也更低，開(kāi)關(guān)頻率高達5 MHz。這樣高的開(kāi)關(guān)頻率支持功率級使用非常小的電感和電容。
開(kāi)關(guān)穩壓器帶來(lái)了很多優(yōu)勢。它們通常提供高功效電壓轉換，允許升壓和降壓，并提供相對緊湊且低成本的設計。缺點(diǎn)是設計和優(yōu)化過(guò)程復雜，開(kāi)關(guān)轉換和開(kāi)關(guān)頻率還會(huì )產(chǎn)生EMI。開(kāi)關(guān)模式電源穩壓器以及 LTpowerCAD® 和 LTspice® 等電源設計工具的面市極大地簡(jiǎn)化了這個(gè)困難的設計過(guò)程。利用這些工具，開(kāi)關(guān)模式電源的電路設計過(guò)程可實(shí)現半自動(dòng)化。
電源中的隔離
在設計電源時(shí)，要回答的第一個(gè)問(wèn)題是是否需要電氣隔離。使用電氣隔離有多個(gè)原因。它可以提高電路的安全性，允許浮動(dòng)系統操作，防止嘈雜的接地電流在一個(gè)電路中通過(guò)不同的電子設備傳播。常見(jiàn)的兩種隔離拓撲是反激轉換器和正激轉換器。但是，對于較高的功率，使用推挽、半橋和全橋等其他隔離拓撲。
如果不需要電氣隔離，則大多數情況下使用非隔離拓撲。隔離拓撲總是需要變壓器，而這種設備往往昂貴而笨重，并且滿(mǎn)足定制電源所需的確切需求的現成設備通常很難得到。
不需要隔離時(shí)的大多數常見(jiàn)拓撲
常見(jiàn)的非隔離開(kāi)關(guān)模式電源拓撲是降壓轉換器。也稱(chēng)為降壓型轉換器。它接受正輸入電壓，并生成低于該輸入電壓的輸出電壓。它是三個(gè)基本開(kāi)關(guān)模式電源拓撲中的一個(gè)，只需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)、一個(gè)電感和兩個(gè)電容。圖3顯示了此拓撲的基本原理。高端開(kāi)關(guān)從輸入端發(fā)出脈沖電流，生成一個(gè)開(kāi)關(guān)模式電壓，在輸入電壓和地電壓之間交替。LC濾波器在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上獲取該脈沖電壓，生成一個(gè)直流輸出電壓。根據控制高端開(kāi)關(guān)的PWM信號的占空比，生成不同電平的直流輸出電壓。這種DC-DC降壓轉換器具有很高的功效，相對容易構建，并且需要的組件很少。
圖3. 簡(jiǎn)單降壓轉換器的概念。
降壓轉換器在輸入端發(fā)出脈沖電流，而輸出端有來(lái)自電感的連續電流。這就是為什么降壓轉換器在輸入端噪聲很大，而在輸出端噪聲不那么大的原因。需要設計低噪聲系統時(shí)，了解這一點(diǎn)很重要。
除了降壓拓撲，第二個(gè)基本拓撲是升壓拓撲。升壓拓撲使用與降壓拓撲相同的五個(gè)基本功率元件，但經(jīng)過(guò)了重新排列，將電感放在輸入端，高端開(kāi)關(guān)放在輸出端。升壓拓撲用于將一個(gè)輸入電壓升高到高于該輸入電壓的輸出電壓。
圖4. 簡(jiǎn)單升壓轉換器的概念。
選擇升壓轉換器時(shí)，務(wù)必注意，升壓轉換器在數據手冊中始終指定最大額定開(kāi)關(guān)電流，而非最大輸出電流。在降壓轉換器中，最大開(kāi)關(guān)電流直接與最大可實(shí)現輸出電流相關(guān)，與輸入電壓和輸出電壓之間的電壓比無(wú)關(guān)。在升壓穩壓器中，電壓比直接影響基于固定最大開(kāi)關(guān)電流的可能最大輸出電流。選擇合適的升壓穩壓器IC時(shí)，不僅要知道所需的輸出電流，而且要知道開(kāi)發(fā)中設計的輸入和輸出電壓。
升壓轉換器在輸入端的噪聲很低，因為與輸入連接一致的電感可防止電流快速變化。但是，在輸出端，這種拓撲的噪聲就很大。我們只看到脈沖電流流過(guò)外部開(kāi)關(guān)，因此相比降壓拓撲，更關(guān)注輸出紋波。
第三個(gè)基本拓撲是反相降壓-升壓轉換器，僅由五個(gè)基本元件組成。該轉換器獲取正輸入電壓，并將其轉換為負輸出電壓，名稱(chēng)由此而來(lái)。除此之外，輸入電壓還可能高于或低于反相輸出電壓的絕對值。例如，–12 V輸出電壓可能從輸入端的5 V或24 V中產(chǎn)生。不進(jìn)行任何特殊電路修改也可能會(huì )發(fā)生這種情況。圖5顯示了反相降壓-升壓轉換器的電路概念。
圖5. 簡(jiǎn)單反相降壓-升壓轉換器的概念。
在反相降壓-升壓拓撲中，電感從開(kāi)關(guān)節點(diǎn)接地。轉換器的輸入端和輸出端都有脈沖電流，因此這種拓撲的輸入端和輸出端的噪聲均較大。在低噪聲應用中，這種特性通過(guò)添加額外的輸入和輸出濾波來(lái)補償。
反相降壓-升壓拓撲的一個(gè)有利方面是任何降壓開(kāi)關(guān)穩壓器IC都可用于這種轉換器。只要將降壓電路的輸出電壓連接到系統接地即可。降壓IC電路接地將成為經(jīng)過(guò)調整的負電壓。這一特性使得市場(chǎng)上的開(kāi)關(guān)穩壓器IC的選擇范圍很大。
專(zhuān)門(mén)的拓撲
除了前面討論的三種基本非隔離開(kāi)關(guān)模式電源拓撲外，還有很多拓撲可用。但是，它們都需要額外的電源組件。這通常會(huì )增加成本，并降低電源轉換效率。雖然存在某些例外情況，但在電源路徑中添加額外的組件通常會(huì )增加損耗。一些常用拓撲包括SEPIC、Zeta、?uk和4開(kāi)關(guān)降壓-升壓。它們都有三種基本拓撲所不具備的功能。下面是每種拓撲的重要功能列表：
SEPIC：SEPIC可從高于或低于輸出電壓的正輸入電壓產(chǎn)生正輸出電壓。升壓穩壓器IC可用于設計SEPIC電源。此拓撲的缺點(diǎn)是需要第二個(gè)電感或一個(gè)耦合電感以及一個(gè)SEPIC電容。
Zeta：這Zeta轉換器類(lèi)似于SEPIC，但能夠產(chǎn)生正或負輸出電壓。而且，它沒(méi)有右半平面零點(diǎn)(RHPZ)，由此簡(jiǎn)化了調節環(huán)路。降壓轉換器IC可用于此類(lèi)拓撲。
?uk：?uk轉換器可將正輸入電壓轉換為負輸出電壓。它使用兩個(gè)電感，一個(gè)在輸入端，一個(gè)在輸出端，因此輸入和輸出端的噪聲都很低。缺點(diǎn)是沒(méi)有很多開(kāi)關(guān)模式電源轉換IC支持這種拓撲，因為調節環(huán)路需要負電壓反饋引腳。
4開(kāi)關(guān)降壓-升壓：這種轉換器類(lèi)型近年來(lái)變得非常流行。它從正輸入電壓提供正輸出電壓。輸入電壓可能高于或低于經(jīng)過(guò)調節的輸出電壓。這種轉換器的功率轉換效率更高，并且只需要一個(gè)電感，因此取代了很多SEPIC設計。
常用隔離拓撲
除了非隔離拓撲外，一些應用需要電氣隔離電源轉換器。原因可能是出于安全考慮，在不同電路相互連接的大型系統中需要有浮動(dòng)接地，或者在噪聲敏感應用中需要防止接地電流環(huán)路。常見(jiàn)的隔離轉換器拓撲是反激轉換器和正激轉換器。
反激轉換器通常用于高達60 W的功率電平。電路的工作方式是，在導通時(shí)間內，電能存儲在變壓器中。在斷開(kāi)時(shí)，該電能釋放到轉換器的副邊，為輸出供電。這種轉換器容易構建，但需要相對較大的變壓器來(lái)存儲正常操作所需的所有電能。這一方面使得該拓撲僅限于較低的功率電平。圖6的頂部顯示了反激轉換器，底部顯示了正激轉換器。
圖6. 反激轉換器（頂部）和正激轉換器（底部）。
除了反激轉換器，正激轉換器也很流行。它使用變壓器的方式與反激轉換器不同。在導通時(shí)間內，雖然有電流流過(guò)一次繞組，但也有電流流過(guò)二次繞組。電能不應存儲在變壓器線(xiàn)圈中。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期后，我們都必須確保線(xiàn)圈的所有磁化釋放到零，使得變壓器在若干開(kāi)關(guān)周期后不會(huì )飽和。利用幾項不同的技術(shù)就可以從線(xiàn)圈中釋放電能。一種常用方式是使用帶有小型額外開(kāi)關(guān)和電容的有源鉗位。
圖7顯示了使用 ADP1074 的有源鉗位正激設計的LTspice仿真環(huán)境原理圖。在正激轉換器中，輸出路徑中有一個(gè)反激轉換器中所沒(méi)有的額外電感，如圖6所示。盡管這個(gè)額外的組件具有相關(guān)的空間和成本影響，但與反激轉換器相比，它有助于產(chǎn)生較低噪聲的輸出電壓。此外，在與反激轉換器相同的功率電平下，正激轉換器所需的變壓器尺寸可能要小得多。
圖7. 使用ADP1074產(chǎn)生隔離輸出電壓的有源鉗位正激電路，如LTspice中仿真所示。
先進(jìn)隔離拓撲
除反激和正激拓撲外，還有很多基于不同變壓器的電氣隔離轉換器概念。以下列表對常用轉換器進(jìn)行了一些基本解釋?zhuān)?/div>
推挽：推挽拓撲類(lèi)似于正激轉換器拓撲。但是，該拓撲需要兩個(gè)有源低邊開(kāi)關(guān)，而不是一個(gè)低邊開(kāi)關(guān)。還需要一個(gè)帶中心抽頭的初級變壓器。與正激轉換器相比，推挽轉換器的優(yōu)點(diǎn)是運行時(shí)的噪聲通常更低，而且需要的變壓器更小。變壓器的BH曲線(xiàn)的滯回在兩個(gè)象限而非一個(gè)象限中使用。
半橋/全橋：這兩種拓撲通常用于更高功率的設計，從幾百瓦開(kāi)始一直到幾千瓦。除了低端開(kāi)關(guān)，它們還需要高端開(kāi)關(guān)，但可通過(guò)相對較小的變壓器實(shí)現很高的電能傳輸。
ZVS：討論高功率隔離轉換器時(shí)，通常會(huì )提到這個(gè)術(shù)語(yǔ)。它代表零電壓開(kāi)關(guān)。此類(lèi)轉換器的另一個(gè)術(shù)語(yǔ)是LLC（電感-電感-電容）轉換器。這些架構的目的是實(shí)現高效率轉換。它們會(huì )產(chǎn)生諧振電路，并在開(kāi)關(guān)上的電壓或電流接近零時(shí)開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)。這樣，開(kāi)關(guān)損耗便降至最低。但是，此類(lèi)設計很難實(shí)現，開(kāi)關(guān)頻率也不固定，有時(shí)會(huì )產(chǎn)生EMI問(wèn)題。
開(kāi)關(guān)電容變換器
除了線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)模式電源，還有第三組電源轉換器：開(kāi)關(guān)電容轉換器。也稱(chēng)為電荷泵。它們使用開(kāi)關(guān)和電容倍增或逆變電壓。一大優(yōu)點(diǎn)是不需要任何電感。此類(lèi)轉換器通常用于低于5 W的低功率電平。但是，最近取得的重大進(jìn)展允許功率更大的開(kāi)關(guān)電容轉換器。圖8顯示了采用120 W設計、效率達98.5%的 LTC7820 ，將48 V轉換為24 V。
圖8. LTC7820固定比率高功率電荷泵DC-DC控制器。
數字電源
本文中討論的所有電源都可作為模擬或數字電源來(lái)實(shí)現。到底什么是數字電源？電源必須始終通過(guò)開(kāi)關(guān)、電感、變壓器和電容的模擬功率級。數字方面由兩個(gè)數字構建模塊引入。第一個(gè)是數字接口，通過(guò)該接口，電子系統可以與電源通信?？梢约磿r(shí)設置不同的參數，以針對不同的工作條件優(yōu)化電源。此外，電源還可與主處理器通信，并引發(fā)警告或故障標志。例如，系統可以輕松監控負載電流、超過(guò)預設閾值或電池溫度過(guò)高的情況。
第二個(gè)數字構建模塊使用數字環(huán)路代替模擬調節環(huán)路。這樣做的效果很好，但對于大多數應用，最好采用對一些參數有一定數字影響的標準模擬反饋環(huán)路，例如即時(shí)調節誤差放大器的增益或動(dòng)態(tài)設置環(huán)路補償參數，以實(shí)現穩定但快速的反饋環(huán)路。具有純數字控制環(huán)路的設備的一個(gè)示例是ADI公司的 ADP1046A 。通過(guò)數字影響優(yōu)化并具有模擬控制環(huán)路的數字接口降壓穩壓器的一個(gè)示例是 LTC3883。
EMI考量
電磁干擾(EMI)一直是設計開(kāi)關(guān)模式電源時(shí)需要注意的問(wèn)題。原因是開(kāi)關(guān)模式電源會(huì )在很短的時(shí)間內開(kāi)關(guān)高電流。開(kāi)關(guān)速度越快，系統總效率就越好。更快的開(kāi)關(guān)轉換速度可減少部分接通開(kāi)關(guān)的時(shí)間。在這個(gè)部分接通時(shí)間內，會(huì )產(chǎn)生大部分開(kāi)關(guān)損耗。圖9所示為開(kāi)關(guān)模式電源在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)處的波形。以降壓穩壓器為例。高電壓由通過(guò)高端開(kāi)關(guān)的電流定義，而低電壓通過(guò)沒(méi)有電流流過(guò)高端開(kāi)關(guān)來(lái)定義。
圖9. 開(kāi)關(guān)模式電源的開(kāi)關(guān)轉換速度和開(kāi)關(guān)頻率。
在圖9中可以看到，開(kāi)關(guān)模式電源產(chǎn)生的噪聲不僅來(lái)自于調節后的開(kāi)關(guān)頻率，還來(lái)自于比頻率高得多的開(kāi)關(guān)轉換速度。雖然開(kāi)關(guān)頻率通常在500 kHz至3 MHz之間運行，但開(kāi)關(guān)轉換時(shí)間可能有幾納秒長(cháng)。在1 ns開(kāi)關(guān)轉換時(shí)間，頻譜中對應的頻率將為1 GHz。至少這兩個(gè)頻率將被視為電磁輻射騷擾和傳導輻射。調節環(huán)路的振蕩或電源和濾波器之間的相互作用也可能帶來(lái)其它頻率。
降低EMI有兩個(gè)原因。第一個(gè)原因是保護特定電源供電的電子系統的功能。例如，系統信號路徑中使用的16位ADC不應拾取來(lái)自電源的開(kāi)關(guān)噪聲。第二個(gè)原因是滿(mǎn)足世界各國政府為同時(shí)保護不同電子系統的可靠功能而制定的某些EMI法規。
EMI有兩種形式，輻射EMI和傳導EMI。降低輻射EMI的有效方式是優(yōu)化PCB布局，并采用諸如ADI公司Silent Switcher®這樣的技術(shù)。當然，把電路放在一個(gè)屏蔽的金屬盒中也有效。但是，這可能不實(shí)用，而且在大多數情況下成本很高。
濾波
RC濾波器是基本低通濾波器。但是，在電源設計中，每個(gè)濾波器都是一個(gè)LC濾波器。通常，只要串聯(lián)添加一些電感就夠了，因為它將與開(kāi)關(guān)模式電源的輸入或輸出電容一起形成一個(gè)LC或CLC濾波器。有時(shí)只使用電容作為濾波器，但是考慮到電源線(xiàn)或走線(xiàn)上的寄生電感，我們結合電容形成一個(gè)LC濾波器。電感L可能是一個(gè)帶有線(xiàn)圈的電感或是一個(gè)鐵氧體磁珠。LC濾波器的目的實(shí)際上是一種低通效應，使直流電源可以通過(guò)，并在很大程度上衰減較高的頻率干擾。LC濾波器有一個(gè)雙極點(diǎn)，因此可實(shí)現40 dB/十倍頻程的高頻率衰減。該濾波器可實(shí)現相對急劇的頻降。設計濾波器并非易事；但是，由于電路的寄生組件（如走線(xiàn)電感）會(huì )產(chǎn)生效應，因此對濾波器建模也需要對主要寄生效應進(jìn)行建模。這使得模擬濾波器相當耗時(shí)。很多有濾波器設計經(jīng)驗的設計人員知道哪些濾波器好用，可能會(huì )迭代地優(yōu)化某個(gè)濾波器以獲得新的設計。
在設計所有濾波器時(shí)，不僅需要考慮小信號行為，如波特圖中濾波器的轉換函數，而且需要注意大信號效應。在任何LC濾波器中，電源都會(huì )通過(guò)電感。如果輸出端不再需要該電源，由于突然負載瞬態(tài)，存儲在電感中的電能需要釋放到某個(gè)地方。它會(huì )對濾波器的電容充電。如果濾波器不是針對這種最壞的情況而設計的，存儲的電能就可能會(huì )導致電壓過(guò)沖，可能損壞電路。
最后，濾波器具有一定的阻抗。該阻抗與附加在濾波器上的電源轉換器的阻抗相互作用。這種相互作用可能導致不穩定和振蕩。ADI公司的LTspice和LTpowerCAD等仿真工具對于回答所有這些問(wèn)題和設計出色濾波器很有幫助。圖10所示為L(cháng)TpowerCAD設計環(huán)境中濾波器設計人員的圖形用戶(hù)界面。使用該工具設計濾波器非常簡(jiǎn)單。
圖10. 使用LTpowerCAD設計降壓穩壓器的輸入濾波器。
Silent Switchers
電磁輻射騷擾很難阻擋。需要采用某種金屬材料制成的特殊屏蔽。這樣做的成本很高。很長(cháng)時(shí)間以來(lái)，工程師一直在尋找減少開(kāi)關(guān)模式電源產(chǎn)生的電磁輻射騷擾的方式。幾年前，Silent Switcher技術(shù)取得了重大突破。通過(guò)減少開(kāi)關(guān)模式電源的熱回路中的寄生電感，并將熱回路分為兩個(gè)回路，以高度對稱(chēng)的方式設置，電磁輻射騷擾大多相互抵消。今天的許多Silent Switcher設備所提供的電磁輻射騷擾比傳統產(chǎn)品低得多。減少電磁輻射騷擾可提高開(kāi)關(guān)轉換速度，而不會(huì )產(chǎn)生嚴重的EMI。提高開(kāi)關(guān)轉換速度可減少開(kāi)關(guān)損耗，由此提高開(kāi)關(guān)頻率。這種創(chuàng )新的一個(gè)示例是 LTC3310S，其開(kāi)關(guān)頻率為5 MHz，使用低成本的外部組件實(shí)現非常緊湊的設計。
圖11. 實(shí)現低電磁輻射騷擾的LTC3310S Silent Switcher設計。
電源管理是必需的，但也會(huì )帶來(lái)樂(lè )趣
在本教程中，我們討論了電源設計的許多方面，包括不同的電源拓撲及其優(yōu)缺點(diǎn)。這些信息對于電源工程師來(lái)說(shuō)非?；A，但是對于專(zhuān)家和非專(zhuān)業(yè)人士而言，在設計過(guò)程中使用LTpowerCAD和LTspice等軟件工具很有幫助。借助這些工具，可在很短的時(shí)間內設計和優(yōu)化電源轉換器。希望本教程有助于您迎接下一次電源設計挑戰。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請電話(huà)或者郵箱聯(lián)系小編進(jìn)行侵刪。
