[电源设计]

了解电源的自制与外购决策过程

2018-6-19 09:38:48 3049 开关电源开关频率

本帖最后由 liuyongwangzi 于 2018-6-19 09:41 编辑

讨论开关模式电源的工作原理，并简要了解电源的自制与外购决策过程。此外还将研究采用反激式拓扑的单输出电源设计，并提供使用现成零件和元器件的设计示例。开关模式电源SMPS（即转换开关）作为一种电源，使用开关稳压器维持来自交流或直流电源的稳定输出电压。开关稳压器使用一个或多个半导体器件（例如双极结式晶体管、MOSFET 或 IGBT）在通断状态之间切换，以维持输出电压调节。这些器件可采用固定“导通”时间和可变频率工作，或是更常见的是，以固定频率和可变占空比工作。开关器件处于“导通”或“关断”状态时的功率耗散较低，因而能效较高。器件仅在状态转换期间才会耗散功率。此外，由于开关频率通常为数十千赫，因此可以大幅缩小变压器、电感器和电容器的尺寸，实现高容积效率。潜在的电磁干扰 (EMI) 会抵消 SMPS 的优势。这要归因于开关瞬态，但通过细致的元器件选择、布局和屏蔽可以加以改善。因此，SMPS 的优势远远超过了它的缺点，这让 SMPS 成为最常用的电源，而线性电源则退居至仅用于最灵敏的电子应用。SMPS 拓扑SMPS 可以在多种不同的电路设计或拓扑中实现。常用的拓扑有数十种（表 1）。

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拓扑	最大功率 (W)	典型能效	相对成本	需要的磁性元件
降压	500	85	1	电感器
升压	150	70	1	电感器
降压升压	150	70	1	电感器
Sepic	150	75	1.2	双电感器或耦合电感器
Cuk	150	75	1.2	双电感器或耦合电感器
反激	150	75	1.5	变压器
正激	150	75	1.8	变压器电感器
推挽式	500	80	1.8	变压器电感器
半桥	500	85	2	变压器电感器
全桥	1000	85	2	变压器电感器

表 1：10 种最常用的开关模式电源拓扑（数据来源：Digi-Key Electronics）反激式拓扑反激式转换器是最常用的 SMPS 电路（图 1）。

图 1：使用单个 MOSFET 开关和反激式变压器的反激式转换器功能示意图。（图片来源：Digi-Key Electronics）反激式拓扑的主要优势是它的简单性。在任意给定的功率水平下，该拓扑是元器件数最少的 SMPS 拓扑。电源可使用直流或交流电源供电。当配置为从交流线路（市电）工作时，线路通常采用全波整流。输入源 (Vi) 为直流。该电路的核心是反激式变压器。与传统的变压器绕组不同，反激式变压器的初级和次级绕组不会同时承载电流。

这是因为绕组相为反相，绕组上的圆点记号和次级侧的串联二极管指示了这一点。使用反激式变压器带来了几个好处。首先，电源的初级侧和次级侧可以电气隔离。隔离减少了初级侧的瞬态耦合、消除了接地环路，并在电源的输出极性方面提供了更大的灵活性。利用该变压器可以在电源中生成多个输出电压。变压器针对每个电压增加额外的绕组。调压仅基于单一输出，而次级输出通常在局部进行调压。电路从开启开关（例如 MOSFET）开始工作（图 2）。

图 2：分别显示两种工作模式的原理波形的反激式电源工作情况。（图片来源：Digi-Key Electronics）

当开关处于接通状态时，VDRAIN 近乎零伏，电流 IP 流经变压器的初级绕组。能量储存在变压器的磁化电感中。此电流随时间呈线性增长。次级侧的串联二极管被反向偏压，并且次级侧没有电流流动。储存在输出电容器的能量向输出供应电流。当 MOSFET 开关被关断时，变压器中储存的能量通过二极管输出到输出电容器和输出负载。次级电流值开始时较高，之后以线性方式递降。如果次级电流在开关重新接通之前降至零，则电源被称为断续电流模式 (DCM) 电源。反之，如果次级电流没有降至零，则电源被称为连续电流模式 (CCM) 电源。由于电感器中储存的能量在每个开关周期都会完全释放，因此 DCM 电源可以使用较小的变压器。此外，该电源通常更稳定，产生的 EMI 也更低。储存在变压器漏泄电感中的能量在开关关断时流入初级侧，并由输入箝位或“吸收”电路吸收，该电路的作用是保护半导体开关不会被高感应电压损坏。只有当开关在通断状态之间转换时才会耗散功率（图 3）。

图 3：显示 MOSFET 开关的电压和电流波形以及瞬时功率耗散的反激式电源测量。（图片来源：Digi-Key Electronics）

图 3 中最上面的迹线是反激式电源中 MOSFET 开关的电压。彩色覆盖部分指示 MOSFET 的状态。蓝色覆盖部分指示器件处于导通状态，而红色区域则指示器件处于关断状态。中间的迹线是流经器件的电流。最下面的迹线显示瞬时功率，其计算方法为所施加电压与所产生电流的乘积。可以观察到，开关转换期间的功率耗散最明显。而迹线下面的读数自左至右依次显示：开启、导通、关闭和关断状态期间的功率损耗，以及所有区域的功率损耗总和。控制器/稳压器开关器件（如图 2 所示示意图中的 MOSFET）由控制器或开关模式稳压器驱动。多数情况下，控制器会将脉冲宽度调制 (PWM) 波形应用于开关的控制元件，对 MOSFET 而言即为栅极。

电源输出被反馈到控制器，控制器则通过改变栅极驱动信号的占空比来保持恒定的输出电压。这样，控制器就围绕反激式转换器构成了一个闭环控制系统。控制器还可以处理数种辅助功能，例如防止电源出现过载、过压或低功率线路状态，还能管理电源的启动，确保实现有效控制的（“软”）启动，最大限度减小初始电流和电压瞬态。SMPS 设计有多家半导体元器件供应商提供有设计工具，可帮助设计开关模式电源，例如 Texas Instruments 的 WEBENCH Power Designer（图 4）。

图 4：Texas Instruments WEBENCH 电源设计中心的开启页面显示了 25 瓦 5 伏反激式电源 SMPS 设计的基本规格。（图片来源：Digi-Key Electronics）

该设计从用户输入供电电压范围、目标输出电压和电流等电源规格开始。本案例中，目标设计为采用隔离式拓扑、从交流电源工作的 5 伏、5 安电源。而对于更复杂的多输出电源，还提供有高级电源架构设计工具。该软件从这一点开始一系列的设计并提示用户选择控制器。用户可以查看每项设计的原理图、物料清单 (BOM) 成本、能效和一些相关的电路规格。此示例选择的是 Texas Instruments UCC28740 反激式转换器，并且显示了设计原理图（图 5）。

图 5：使用 WEBENCH 建议的光隔离反馈的 25 瓦交流 SMPS 原理图。（图片来源：Digi-Key Electronics）将指针指向原理图上的任意元器件都会显示详细的零件描述，并且还有机会选择替代元器件。控制器 (U1) 通过 CEL PS2811-1-F3-A 光隔离器接收输出反馈。此反馈方法会在电路的初级部分与次级部分之间保持电气隔离。控制器则将 PWM 驱动信号提供给电源开关 M1，即 STMicroelectronics 的 STB21N90K5 900 伏、18.5 安 MOSFET。此外，该设计工具还能帮助选择或设计反激式变压器。设计摘要页概述了关键设计元素（图 6）。
图 6：设计摘要整合了所建议设计的全部元素。（图片来源：Digi-Key Electronics）

用户可以利用优化器的调整部分来优化设计，实现最低 BOM 成本、最小封装或最高能效。经验不足的设计人员也可以利用此工具，通过查看多项设计以及元器件变化所产生的影响来获取经验。自制还是外购？毫无疑问，工程师除非有 SMPS 方面的相关经验，否则都会有一个学习过程。如果上市时间非常重要，那么最好购买标准电源，或订立合同获得自定义电源设计。但如果有时间和技术人员，尤其当多个项目都需要电源时，设计电源也是值得的。换言之，反复接触 SMPS 设计将会增进设计人员所需的专业知识。总结开关模式电源可提供较高的能效和较小的尺寸。针对低于 150 瓦的功率水平，采用反激式拓扑的电源具有多路输出、元器件数少和线性隔离等优势。