開(kāi)關(guān)電源設計簡(jiǎn)介

2020-12-10

大多數制造商或發(fā)燒友都知道升壓或降壓轉換器的功能，并且以前使用過(guò)它們。但是，他們通常只是采用固定方法來(lái)設計一個(gè)，而不完全完全了解它在做什么。

本文提供了一種易于理解的方法來(lái)解釋開(kāi)關(guān)模式，降壓或升壓電源的工作方式。

目的不是提供有關(guān)這些類(lèi)型電源的詳細設計信息，而是要充分了解其操作，以便對此類(lèi)電路塊的所需方面做出明智的決定。因此，數學(xué)和任何設計方程式都將保持最小。

此外，還有許多開(kāi)關(guān)模式電源或SMPS電源拓撲。為了與本文的原理保持一致，討論將僅限于簡(jiǎn)單的升壓或降壓設計。 

基本組成部分

在介紹實(shí)際SMPS的工作原理之前，本節簡(jiǎn)要介紹了典型SMPS的一些基本組件。

電子開(kāi)關(guān)

所有開(kāi)關(guān)電源都需要一個(gè)電子控制的開(kāi)關(guān)。低功率SMPS中最常用的兩個(gè)器件是雙極NPN晶體管和N-Ch MOSFET。圖1顯示了這兩種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)。 

這里要注意的關(guān)鍵是這些開(kāi)關(guān)在飽和模式下運行：完全飽和或完全截止。在這兩種情況下，開(kāi)關(guān)中的功耗均最小。實(shí)際上，這就是開(kāi)關(guān)電源與線(xiàn)性穩壓器相比如何實(shí)現其高效率。

電容器和電感器

即使在開(kāi)關(guān)模式電源中，電感器是在其基本操作中起著(zhù)最重要作用的電路元件，本節也將從對電容器的一些關(guān)鍵操作特性進(jìn)行回顧入手，因為從概念上更容易理解。這為更好地了解電感的作用奠定了基礎。

如圖2所示，考慮一個(gè)由完全放電的電容器組成的電路，該電容器從電壓源充電。當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電容器電壓朝著(zhù)電池電壓V呈指數上升，而電流呈指數下降。

圖2 –電容器從電壓源充電

請注意，從技術(shù)上講，電容器電壓永遠不會(huì )達到與電池電壓相同的值，并且電流永遠不會(huì )一直下降到零。但是，出于所有實(shí)際目的，它們最終會(huì )足夠接近各自的極限以被視為相等。

還要注意，當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電容器電流會(huì )立即上升到實(shí)際上等于V / R的值。另一方面，電壓緩慢上升到V值。

現在，考慮下面圖3中的電路。當開(kāi)關(guān)S1閉合時(shí)，電容器將照常充電。

現在，如果在稍后的時(shí)間（T）開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，而S2同時(shí)閉合，則電容器兩端的電壓將處于某個(gè)電壓V OPEN，這將取決于電容器在開(kāi)關(guān)之前充電了多長(cháng)時(shí)間開(kāi)幕。

圖3 –電容器充放電

現在，相同的電壓將流過(guò)R，導致電流流過(guò)R，等于在切換開(kāi)關(guān)的瞬間流過(guò)V OPEN / R。

電容器當然會(huì )放電，從而釋放一些存儲的能量，R兩端的電壓將降低，電流也會(huì )降低。這里要注意的是，電容器電流已瞬間反轉。

因此，它不再像開(kāi)關(guān)S1閉合時(shí)那樣流入電容器，而是從電容器中流出。但是，電容器兩端的電壓并未反向。

現在轉到電感器，圖4顯示了一個(gè)由恒壓源（電池）驅動(dòng)的電感器。它在很多方面都與電容器相似，只是電流和電壓曲線(xiàn)可以交換。

圖4 –由恒定電壓源驅動(dòng)的電感器

最終可以達到的最大電流將受制于電感器所組成的電線(xiàn)的直流電阻，加上串聯(lián)電路中任何實(shí)際的物理電阻器以及電池電壓的限制。

圖5顯示了當為已經(jīng)“充電”一段時(shí)間的電感器打開(kāi)開(kāi)關(guān)S1時(shí)發(fā)生的情況。以與電容器外殼類(lèi)似的方式，但是在交換了電流和電壓作用的情況下，電感器兩端的電壓瞬時(shí)反轉，以在開(kāi)關(guān)切換的確切時(shí)刻保持相同的電流流動(dòng)。 

圖5 –電感驅動(dòng)負載

同樣，為了與電容器并聯(lián)，這一次是電感器電壓改變了方向，而電流方向卻保持不變。同樣，就像電容器一樣，隨著(zhù)電感器放棄其存儲的能量，電壓和電流將緩慢下降。

升壓（升壓）轉換器

通過(guò)前面對典型SMPS中主要部件的描述，可以了解升壓轉換器的操作。如圖6所示。

圖6 –升壓轉換器的框圖

如圖所示，該開(kāi)關(guān)是連續閉合或斷開(kāi)的電子開(kāi)關(guān)，例如N溝道MOSFET。閉合時(shí)，上升的電感器電流流過(guò)開(kāi)關(guān)，電感器電壓緩慢下降，但是在此期間它又與電池電壓相反。

如前所示，打開(kāi)時(shí)，電感兩端的電壓會(huì )瞬間改變方向，以試圖保持電流流動(dòng)。由于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，該電感器電流必須流過(guò)二極管D進(jìn)入負載。

請注意，電感器電壓現在已添加到電池電壓中，因此輸出電壓將高于電池電壓。因此，實(shí)現了升壓轉換器的作用。

還要注意，當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，最初流入電感器的電流將取決于開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)間。該電流將用于給電容器充電，并且還流入負載。

通過(guò)控制電感器電流，也可以控制電容器電壓，從而控制負載電壓。換句話(huà)說(shuō)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間，可以控制負載處的電壓。

降壓轉換器

基本的降壓轉換器與升壓轉換器包含相同的組件，但它們的布置不同。圖7顯示了基本降壓轉換器的框圖。當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電感器中的電流像以前一樣上升。

圖7 –降壓轉換器的框圖

在此導通期間內，電感兩端任何時(shí)間的電壓都將與電池相反。因此，電容器和負載將看到低于電池電壓的電壓。

當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感器電壓會(huì )立即切換方向，以保持電流流向與開(kāi)關(guān)接通時(shí)相同的方向。二極管D為該返回電流提供路徑。

通過(guò)適當控制開(kāi)到關(guān)的切換時(shí)間，可以在電容器和負載電阻兩端維持一個(gè)比電池電壓低的相對穩定的電壓。

SMPS控制器

即使幾乎所有的SMPS都集成了負責所有控制功能的芯片，但了解如何實(shí)現這一目標仍然很有指導意義。

在開(kāi)始之前，應該提到許多現代SMPS控制器都集成了內部數字處理模塊，該模塊允許更復雜的控制回路，從而增強了此類(lèi)控制器的多功能性。

圖8顯示了如何實(shí)現簡(jiǎn)單的模擬SMPS PWM降壓控制器。它由一個(gè)向比較器的同相輸入饋入的三角波和一個(gè)向比較器的反相輸入饋入的輸出電壓樣本組成。 

圖8 –簡(jiǎn)單的SMPS模擬PWM降壓控制器實(shí)現

只要同相輸入電平高于反相輸入電平，比較器輸出就會(huì )為高。注意，在實(shí)際的實(shí)現中，有環(huán)路濾波器和磁滯控制組件，以防止控制環(huán)路不穩定。這些未在此處顯示。

圖9顯示了在三種不同的輸出電壓電平下發(fā)生的情況。輸出電壓高時(shí)，PWM輸出的導通時(shí)間短。當然，這會(huì )使輸出電壓下降。

相反，當輸出電壓較低時(shí)，導通時(shí)間較長(cháng)，從而導致輸出電壓較高。因此，通過(guò)分量值的適當選擇，一個(gè)穩定的，調節的輸出電壓就可以實(shí)現。

圖9 –各種輸出電壓下的PWM波形

開(kāi)關(guān)與線(xiàn)性穩壓器

穩壓器有兩種：開(kāi)關(guān)穩壓器和線(xiàn)性穩壓器。如果輸出電壓高于輸入電壓，則必須使用開(kāi)關(guān)電源，無(wú)論是直升壓還是其他開(kāi)關(guān)拓撲。

在相反的情況下，可以在SMPS或線(xiàn)性電源之間進(jìn)行選擇。那么，有哪些注意事項？

首先是效率。例如，考慮輸入電壓為10V，輸出電壓為5V的1A穩壓器的情況。然后，線(xiàn)性穩壓器消耗的功率（浪費為熱量）將等于（10V – 5V）* 1A = 5W。

這浪費了很多功率，并且大多數線(xiàn)性穩壓器將無(wú)法處理如此高的功耗。

在這種特定情況下，效率最多為50％。這意味著(zhù)一半的功率被浪費為熱量，只有一半的功率流向了輸出負載。如果輸入電壓高于10V，情況會(huì )更糟。

另一方面，SMPS可以達到90％或更高的效率。在這種情況下，它將僅浪費0.5W。即使不是直接考慮能源浪費，也必須考慮如何安全地散發(fā)多余的熱量，尤其是在狹窄的空間中。

使用SMPS有哪些缺點(diǎn)？第一個(gè)是成本和復雜性。典型的SMPS比線(xiàn)性SMPS更復雜，并且使用更多的組件。因此，它通?；ㄙM更多。

SMPS的另一個(gè)問(wèn)題是穩壓輸出上存在紋波。這僅僅是由于其切換特性。在某些情況下，這可能不太重要。在確實(shí)重要的情況下，通常通過(guò)在SMPS之后加上線(xiàn)性后置穩壓器來(lái)解決此問(wèn)題。

SMPS將輸入電壓帶到線(xiàn)性后置穩壓器的輸入至輸出電壓差適當小的點(diǎn)。進(jìn)而，線(xiàn)性穩壓器向負載提供更穩定的穩壓電壓。

另一個(gè)問(wèn)題是瞬態(tài)響應差。例如，SMPS需要一些時(shí)間來(lái)做出反應并補償階躍或突然的負載變化。PWM需要花費幾個(gè)周期才能將輸出正確地調節回原來(lái)的位置。

最后，再次由于其開(kāi)關(guān)特性，SMPS確實(shí)會(huì )產(chǎn)生有害的RF干擾。因此，除了額外的復雜性之外，很可能需要更多的RF抑制組件才能使最終產(chǎn)品通過(guò)發(fā)射要求。

不僅如此，而且在某些情況下，必須正確放置低電平信號處理模塊，并應考慮適當的PCB走線(xiàn)布線(xiàn)，以最大程度地減小這種開(kāi)關(guān)噪聲對這些敏感部分的影響。