【導讀】大多數(shù)電子系統(tǒng)都需要在供能電壓和需要供電的電路電壓之間進行某種轉(zhuǎn)換。當電池失去電荷時，電壓會下降。某些DC-DC轉(zhuǎn)換可確保電池中更多儲存的能源用于為電路供電。
大多數(shù)電子系統(tǒng)都需要在供能電壓和需要供電的電路電壓之間進行某種轉(zhuǎn)換。當電池失去電荷時，電壓會下降。某些DC-DC轉(zhuǎn)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交流線路，則無法直接為微控制器等半導體供電。由于每個電子系統(tǒng)幾乎都使用電壓轉(zhuǎn)換器（也稱為電源），因此多年來，它們針對不同的用途進行了優(yōu)化。當然，優(yōu)化目標通常是解決方案尺寸、轉(zhuǎn)換效率、EMI和成本。
簡單的電源：LDO
其中一種簡單的電源形式是低壓差(LDO)穩(wěn)壓器。LDO是與開關(guān)穩(wěn)壓器相對的線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器在輸入電壓和輸出電壓之間放置一個可調(diào)電阻，這意味著不管輸入電壓如何變化，哪個負載電流正在通過設(shè)備，輸出電壓都是固定的。圖1顯示了該簡單電壓轉(zhuǎn)換器的基本原理。
圖1. 線性穩(wěn)壓器將一種電壓轉(zhuǎn)換為另一種電壓。
多年來，典型電源轉(zhuǎn)換器都是由一個50 Hz或60 Hz的變壓器組成，連接到電網(wǎng)，以一定的繞線比產(chǎn)生不穩(wěn)定的輸出電壓，比系統(tǒng)中需要的電源電壓高幾伏。然后使用線性穩(wěn)壓器將此電壓轉(zhuǎn)換為電子產(chǎn)品所需的穩(wěn)定調(diào)節(jié)的電壓。圖2顯示了此概念的方框圖。
圖2. 線路變壓器后跟線性穩(wěn)壓器。
圖2中基本設(shè)置的問題在于50 Hz/60 Hz變壓器體積相對較大且價格昂貴。此外，線性穩(wěn)壓器還散發(fā)大量的熱量，因此系統(tǒng)總效率低，并且由于系統(tǒng)功率高，很難消除產(chǎn)生的熱量。
開關(guān)模式電源助一臂之力
為了避免圖2所示的電源的缺點，發(fā)明了開關(guān)模式電源。它們不依賴于50 Hz或60 Hz交流電壓，而是采用直流電壓，有時采用整流交流電壓，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(tǒng)中，使用LC濾波器整流電壓，以產(chǎn)生直流輸出電壓。優(yōu)點是解決方案尺寸小，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)生器和開關(guān)輕松生成。
直到2000年，雙極性晶體管都是常用的開關(guān)。它們性能不錯，但是開關(guān)轉(zhuǎn)換速度相對較低。功效也不高，開關(guān)頻率限制為50 kHz或100 kHz。如今，我們使用開關(guān)MOSFET代替雙極性晶體管，開關(guān)轉(zhuǎn)換速度要快得多。反過來，開關(guān)損耗也更低，開關(guān)頻率高達5 MHz。這樣高的開關(guān)頻率支持功率級使用非常小的電感和電容。
開關(guān)穩(wěn)壓器帶來了很多優(yōu)勢。它們通常提供高功效電壓轉(zhuǎn)換，允許升壓和降壓，并提供相對緊湊且低成本的設(shè)計。缺點是設(shè)計和優(yōu)化過程復(fù)雜，開關(guān)轉(zhuǎn)換和開關(guān)頻率還會產(chǎn)生EMI。開關(guān)模式電源穩(wěn)壓器以及 LTpowerCAD® 和 LTspice® 等電源設(shè)計工具的面市極大地簡化了這個困難的設(shè)計過程。利用這些工具，開關(guān)模式電源的電路設(shè)計過程可實現(xiàn)半自動化。
電源中的隔離
在設(shè)計電源時，要回答的第一個問題是是否需要電氣隔離。使用電氣隔離有多個原因。它可以提高電路的安全性，允許浮動系統(tǒng)操作，防止嘈雜的接地電流在一個電路中通過不同的電子設(shè)備傳播。常見的兩種隔離拓撲是反激轉(zhuǎn)換器和正激轉(zhuǎn)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(shù)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(shè)備往往昂貴而笨重，并且滿足定制電源所需的確切需求的現(xiàn)成設(shè)備通常很難得到。
不需要隔離時的大多數(shù)常見拓撲
常見的非隔離開關(guān)模式電源拓撲是降壓轉(zhuǎn)換器。也稱為降壓型轉(zhuǎn)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。它是三個基本開關(guān)模式電源拓撲中的一個，只需要兩個開關(guān)、一個電感和兩個電容。圖3顯示了此拓撲的基本原理。高端開關(guān)從輸入端發(fā)出脈沖電流，生成一個開關(guān)模式電壓，在輸入電壓和地電壓之間交替。LC濾波器在開關(guān)節(jié)點上獲取該脈沖電壓，生成一個直流輸出電壓。根據(jù)控制高端開關(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(zhuǎn)換器具有很高的功效，相對容易構(gòu)建，并且需要的組件很少。
圖3. 簡單降壓轉(zhuǎn)換器的概念。
降壓轉(zhuǎn)換器在輸入端發(fā)出脈沖電流，而輸出端有來自電感的連續(xù)電流。這就是為什么降壓轉(zhuǎn)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(shè)計低噪聲系統(tǒng)時，了解這一點很重要。
除了降壓拓撲，第二個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基本功率元件，但經(jīng)過了重新排列，將電感放在輸入端，高端開關(guān)放在輸出端。升壓拓撲用于將一個輸入電壓升高到高于該輸入電壓的輸出電壓。
圖4. 簡單升壓轉(zhuǎn)換器的概念。
選擇升壓轉(zhuǎn)換器時，務(wù)必注意，升壓轉(zhuǎn)換器在數(shù)據(jù)手冊中始終指定最大額定開關(guān)電流，而非最大輸出電流。在降壓轉(zhuǎn)換器中，最大開關(guān)電流直接與最大可實現(xiàn)輸出電流相關(guān)，與輸入電壓和輸出電壓之間的電壓比無關(guān)。在升壓穩(wěn)壓器中，電壓比直接影響基于固定最大開關(guān)電流的可能最大輸出電流。選擇合適的升壓穩(wěn)壓器IC時，不僅要知道所需的輸出電流，而且要知道開發(fā)中設(shè)計的輸入和輸出電壓。
升壓轉(zhuǎn)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外部開關(guān)，因此相比降壓拓撲，更關(guān)注輸出紋波。
第三個基本拓撲是反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，僅由五個基本元件組成。該轉(zhuǎn)換器獲取正輸入電壓，并將其轉(zhuǎn)換為負輸出電壓，名稱由此而來。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。不進行任何特殊電路修改也可能會發(fā)生這種情況。圖5顯示了反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電路概念。
圖5. 簡單反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的概念。
在反相降壓-升壓拓撲中，電感從開關(guān)節(jié)點接地。轉(zhuǎn)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(yīng)用中，這種特性通過添加額外的輸入和輸出濾波來補償。
反相降壓-升壓拓撲的一個有利方面是任何降壓開關(guān)穩(wěn)壓器IC都可用于這種轉(zhuǎn)換器。只要將降壓電路的輸出電壓連接到系統(tǒng)接地即可。降壓IC電路接地將成為經(jīng)過調(diào)整的負電壓。這一特性使得市場上的開關(guān)穩(wěn)壓器IC的選擇范圍很大。
專門的拓撲
除了前面討論的三種基本非隔離開關(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。這通常會增加成本，并降低電源轉(zhuǎn)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增加損耗。一些常用拓撲包括SEPIC、Zeta、?uk和4開關(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(wěn)壓器IC可用于設(shè)計SEPIC電源。此拓撲的缺點是需要第二個電感或一個耦合電感以及一個SEPIC電容。
Zeta：這Zeta轉(zhuǎn)換器類似于SEPIC，但能夠產(chǎn)生正或負輸出電壓。而且，它沒有右半平面零點(RHPZ)，由此簡化了調(diào)節(jié)環(huán)路。降壓轉(zhuǎn)換器IC可用于此類拓撲。
?uk：?uk轉(zhuǎn)換器可將正輸入電壓轉(zhuǎn)換為負輸出電壓。它使用兩個電感，一個在輸入端，一個在輸出端，因此輸入和輸出端的噪聲都很低。缺點是沒有很多開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換IC支持這種拓撲，因為調(diào)節(jié)環(huán)路需要負電壓反饋引腳。
4開關(guān)降壓-升壓：這種轉(zhuǎn)換器類型近年來變得非常流行。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)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。這種轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換效率更高，并且只需要一個電感，因此取代了很多SEPIC設(shè)計。
常用隔離拓撲
除了非隔離拓撲外，一些應(yīng)用需要電氣隔離電源轉(zhuǎn)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(tǒng)中需要有浮動接地，或者在噪聲敏感應(yīng)用中需要防止接地電流環(huán)路。常見的隔離轉(zhuǎn)換器拓撲是反激轉(zhuǎn)換器和正激轉(zhuǎn)換器。
反激轉(zhuǎn)換器通常用于高達60 W的功率電平。電路的工作方式是，在導通時間內(nèi)，電能存儲在變壓器中。在斷開時，該電能釋放到轉(zhuǎn)換器的副邊，為輸出供電。這種轉(zhuǎn)換器容易構(gòu)建，但需要相對較大的變壓器來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(zhuǎn)換器，底部顯示了正激轉(zhuǎn)換器。
圖6. 反激轉(zhuǎn)換器（頂部）和正激轉(zhuǎn)換器（底部）。
除了反激轉(zhuǎn)換器，正激轉(zhuǎn)換器也很流行。它使用變壓器的方式與反激轉(zhuǎn)換器不同。在導通時間內(nèi)，雖然有電流流過一次繞組，但也有電流流過二次繞組。電能不應(yīng)存儲在變壓器線圈中。在每個開關(guān)周期后，我們都必須確保線圈的所有磁化釋放到零，使得變壓器在若干開關(guān)周期后不會飽和。利用幾項不同的技術(shù)就可以從線圈中釋放電能。一種常用方式是使用帶有小型額外開關(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(shè)計的LTspice仿真環(huán)境原理圖。在正激轉(zhuǎn)換器中，輸出路徑中有一個反激轉(zhuǎn)換器中所沒有的額外電感，如圖6所示。盡管這個額外的組件具有相關(guān)的空間和成本影響，但與反激轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器相同的功率電平下，正激轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器概念。以下列表對常用轉(zhuǎn)換器進行了一些基本解釋：
推挽：推挽拓撲類似于正激轉(zhuǎn)換器拓撲。但是，該拓撲需要兩個有源低邊開關(guān)，而不是一個低邊開關(guān)。還需要一個帶中心抽頭的初級變壓器。與正激轉(zhuǎn)換器相比，推挽轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是運行時的噪聲通常更低，而且需要的變壓器更小。變壓器的BH曲線的滯回在兩個象限而非一個象限中使用。
半橋/全橋：這兩種拓撲通常用于更高功率的設(shè)計，從幾百瓦開始一直到幾千瓦。除了低端開關(guān)，它們還需要高端開關(guān)，但可通過相對較小的變壓器實現(xiàn)很高的電能傳輸。
ZVS：討論高功率隔離轉(zhuǎn)換器時，通常會提到這個術(shù)語。它代表零電壓開關(guān)。此類轉(zhuǎn)換器的另一個術(shù)語是LLC（電感-電感-電容）轉(zhuǎn)換器。這些架構(gòu)的目的是實現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換。它們會產(chǎn)生諧振電路，并在開關(guān)上的電壓或電流接近零時開關(guān)電源開關(guān)。這樣，開關(guān)損耗便降至最低。但是，此類設(shè)計很難實現(xiàn)，開關(guān)頻率也不固定，有時會產(chǎn)生EMI問題。
開關(guān)電容變換器
除了線性穩(wěn)壓器和開關(guān)模式電源，還有第三組電源轉(zhuǎn)換器：開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。也稱為電荷泵。它們使用開關(guān)和電容倍增或逆變電壓。一大優(yōu)點是不需要任何電感。此類轉(zhuǎn)換器通常用于低于5 W的低功率電平。但是，最近取得的重大進展允許功率更大的開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。圖8顯示了采用120 W設(shè)計、效率達98.5%的 LTC7820 ，將48 V轉(zhuǎn)換為24 V。
圖8. LTC7820固定比率高功率電荷泵DC-DC控制器。
數(shù)字電源
本文中討論的所有電源都可作為模擬或數(shù)字電源來實現(xiàn)。到底什么是數(shù)字電源？電源必須始終通過開關(guān)、電感、變壓器和電容的模擬功率級。數(shù)字方面由兩個數(shù)字構(gòu)建模塊引入。第一個是數(shù)字接口，通過該接口，電子系統(tǒng)可以與電源通信?？梢约磿r設(shè)置不同的參數(shù)，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(tǒng)可以輕松監(jiān)控負載電流、超過預(yù)設(shè)閾值或電池溫度過高的情況。
第二個數(shù)字構(gòu)建模塊使用數(shù)字環(huán)路代替模擬調(diào)節(jié)環(huán)路。這樣做的效果很好，但對于大多數(shù)應(yīng)用，最好采用對一些參數(shù)有一定數(shù)字影響的標準模擬反饋環(huán)路，例如即時調(diào)節(jié)誤差放大器的增益或動態(tài)設(shè)置環(huán)路補償參數(shù)，以實現(xiàn)穩(wěn)定但快速的反饋環(huán)路。具有純數(shù)字控制環(huán)路的設(shè)備的一個示例是ADI公司的 ADP1046A 。通過數(shù)字影響優(yōu)化并具有模擬控制環(huán)路的數(shù)字接口降壓穩(wěn)壓器的一個示例是 LTC3883。
EMI考量
電磁干擾(EMI)一直是設(shè)計開關(guān)模式電源時需要注意的問題。原因是開關(guān)模式電源會在很短的時間內(nèi)開關(guān)高電流。開關(guān)速度越快，系統(tǒng)總效率就越好。更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換速度可減少部分接通開關(guān)的時間。在這個部分接通時間內(nèi)，會產(chǎn)生大部分開關(guān)損耗。圖9所示為開關(guān)模式電源在開關(guān)節(jié)點處的波形。以降壓穩(wěn)壓器為例。高電壓由通過高端開關(guān)的電流定義，而低電壓通過沒有電流流過高端開關(guān)來定義。
圖9. 開關(guān)模式電源的開關(guān)轉(zhuǎn)換速度和開關(guān)頻率。
在圖9中可以看到，開關(guān)模式電源產(chǎn)生的噪聲不僅來自于調(diào)節(jié)后的開關(guān)頻率，還來自于比頻率高得多的開關(guān)轉(zhuǎn)換速度。雖然開關(guān)頻率通常在500 kHz至3 MHz之間運行，但開關(guān)轉(zhuǎn)換時間可能有幾納秒長。在1 ns開關(guān)轉(zhuǎn)換時間，頻譜中對應(yīng)的頻率將為1 GHz。至少這兩個頻率將被視為電磁輻射騷擾和傳導輻射。調(diào)節(jié)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其它頻率。
降低EMI有兩個原因。第一個原因是保護特定電源供電的電子系統(tǒng)的功能。例如，系統(tǒng)信號路徑中使用的16位ADC不應(yīng)拾取來自電源的開關(guān)噪聲。第二個原因是滿足世界各國政府為同時保護不同電子系統(tǒng)的可靠功能而制定的某些EMI法規(guī)。
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，把電路放在一個屏蔽的金屬盒中也有效。但是，這可能不實用，而且在大多數(shù)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(shè)計中，每個濾波器都是一個LC濾波器。通常，只要串聯(lián)添加一些電感就夠了，因為它將與開關(guān)模式電源的輸入或輸出電容一起形成一個LC或CLC濾波器。有時只使用電容作為濾波器，但是考慮到電源線或走線上的寄生電感，我們結(jié)合電容形成一個LC濾波器。電感L可能是一個帶有線圈的電感或是一個鐵氧體磁珠。LC濾波器的目的實際上是一種低通效應(yīng)，使直流電源可以通過，并在很大程度上衰減較高的頻率干擾。LC濾波器有一個雙極點，因此可實現(xiàn)40 dB/十倍頻程的高頻率衰減。該濾波器可實現(xiàn)相對急劇的頻降。設(shè)計濾波器并非易事；但是，由于電路的寄生組件（如走線電感）會產(chǎn)生效應(yīng)，因此對濾波器建模也需要對主要寄生效應(yīng)進行建模。這使得模擬濾波器相當耗時。很多有濾波器設(shè)計經(jīng)驗的設(shè)計人員知道哪些濾波器好用，可能會迭代地優(yōu)化某個濾波器以獲得新的設(shè)計。
在設(shè)計所有濾波器時，不僅需要考慮小信號行為，如波特圖中濾波器的轉(zhuǎn)換函數(shù)，而且需要注意大信號效應(yīng)。在任何LC濾波器中，電源都會通過電感。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地方。它會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(shè)計的，存儲的電能就可能會導致電壓過沖，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(zhuǎn)換器的阻抗相互作用。這種相互作用可能導致不穩(wěn)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題和設(shè)計出色濾波器很有幫助。圖10所示為LTpowerCAD設(shè)計環(huán)境中濾波器設(shè)計人員的圖形用戶界面。使用該工具設(shè)計濾波器非常簡單。
圖10. 使用LTpowerCAD設(shè)計降壓穩(wěn)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。很長時間以來，工程師一直在尋找減少開關(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。通過減少開關(guān)模式電源的熱回路中的寄生電感，并將熱回路分為兩個回路，以高度對稱的方式設(shè)置，電磁輻射騷擾大多相互抵消。今天的許多Silent Switcher設(shè)備所提供的電磁輻射騷擾比傳統(tǒng)產(chǎn)品低得多。減少電磁輻射騷擾可提高開關(guān)轉(zhuǎn)換速度，而不會產(chǎn)生嚴重的EMI。提高開關(guān)轉(zhuǎn)換速度可減少開關(guān)損耗，由此提高開關(guān)頻率。這種創(chuàng)新的一個示例是 LTC3310S，其開關(guān)頻率為5 MHz，使用低成本的外部組件實現(xiàn)非常緊湊的設(shè)計。
圖11. 實現(xiàn)低電磁輻射騷擾的LTC3310S Silent Switcher設(shè)計。
電源管理是必需的，但也會帶來樂趣
在本教程中，我們討論了電源設(shè)計的許多方面，包括不同的電源拓撲及其優(yōu)缺點。這些信息對于電源工程師來說非?；A(chǔ)，但是對于專家和非專業(yè)人士而言，在設(shè)計過程中使用LTpowerCAD和LTspice等軟件工具很有幫助。借助這些工具，可在很短的時間內(nèi)設(shè)計和優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換器。希望本教程有助于您迎接下一次電源設(shè)計挑戰(zhàn)。
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