開關電源設計簡介

2020-12-10

大多數制造商或發燒友都知道升壓或降壓轉換器的功能，并且以前使用過它們。但是，他們通常只是采用固定方法來設計一個，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解釋開關模式，降壓或升壓電源的工作方式。

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

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

基本組成部分

在介紹實際SMPS的工作原理之前，本節簡要介紹了典型SMPS的一些基本組件。

電子開關

所有開關電源都需要一個電子控制的開關。低功率SMPS中最常用的兩個器件是雙極NPN晶體管和N-Ch MOSFET。圖1顯示了這兩種類型的開關。 

這里要注意的關鍵是這些開關在飽和模式下運行：完全飽和或完全截止。在這兩種情況下，開關中的功耗均最小。實際上，這就是開關電源與線性穩壓器相比如何實現其高效率。

電容器和電感器

即使在開關模式電源中，電感器是在其基本操作中起著最重要作用的電路元件，本節也將從對電容器的一些關鍵操作特性進行回顧入手，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。當開關閉合時，電容器電壓朝著電池電壓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，從技術上講，電容器電壓永遠不會達到與電池電壓相同的值，并且電流永遠不會一直下降到零。但是，出于所有實際目的，它們最終會足夠接近各自的極限以被視為相等。

還要注意，當開關閉合時，電容器電流會立即上升到實際上等于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。當開關S1閉合時，電容器將照常充電。

現在，如果在稍后的時間（T）開關S1斷開，而S2同時閉合，則電容器兩端的電壓將處于某個電壓V OPEN，這將取決于電容器在開關之前充電了多長時間開幕。

圖3 –電容器充放電

現在，相同的電壓將流過R，導致電流流過R，等于在切換開關的瞬間流過V OPEN / R。

電容器當然會放電，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，它不再像開關S1閉合時那樣流入電容器，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顯示了一個由恒壓源（電池）驅動的電感器。它在很多方面都與電容器相似，只是電流和電壓曲線可以交換。

圖4 –由恒定電壓源驅動的電感器

最終可以達到的最大電流將受制于電感器所組成的電線的直流電阻，加上串聯電路中任何實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“充電”一段時間的電感器打開開關S1時發生的情況。以與電容器外殼類似的方式，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反轉，以在開關切換的確切時刻保持相同的電流流動。 

圖5 –電感驅動負載

同樣，為了與電容器并聯，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，該開關是連續閉合或斷開的電子開關，例如N溝道MOSFET。閉合時，上升的電感器電流流過開關，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，打開時，電感兩端的電壓會瞬間改變方向，以試圖保持電流流動。由于開關斷開，該電感器電流必須流過二極管D進入負載。

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，實現了升壓轉換器的作用。

還要注意，當開關閉合時，最初流入電感器的電流將取決于開關閉合的時間。該電流將用于給電容器充電，并且還流入負載。

通過控制電感器電流，也可以控制電容器電壓，從而控制負載電壓。換句話說，通過控制開關的接通時間，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。當開關閉合時，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。

當開關斷開時，電感器電壓會立即切換方向，以保持電流流向與開關接通時相同的方向。二極管D為該返回電流提供路徑。

通過適當控制開到關的切換時間，可以在電容器和負載電阻兩端維持一個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，但了解如何實現這一目標仍然很有指導意義。

在開始之前，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，從而增強了此類控制器的多功能性。

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

圖8 –簡單的SMPS模擬PWM降壓控制器實現

只要同相輸入電平高于反相輸入電平，比較器輸出就會為高。注意，在實際的實現中，有環路濾波器和磁滯控制組件，以防止控制環路不穩定。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生的情況。輸出電壓高時，PWM輸出的導通時間短。當然，這會使輸出電壓下降。

相反，當輸出電壓較低時，導通時間較長，從而導致輸出電壓較高。因此，通過分量值的適當選擇，一個穩定的，調節的輸出電壓就可以實現。

圖9 –各種輸出電壓下的PWM波形

開關與線性穩壓器

穩壓器有兩種：開關穩壓器和線性穩壓器。如果輸出電壓高于輸入電壓，則必須使用開關電源，無論是直升壓還是其他開關拓撲。

在相反的情況下，可以在SMPS或線性電源之間進行選擇。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，并且大多數線性穩壓器將無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多余的熱量，尤其是在狹窄的空間中。

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

SMPS的另一個問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。在確實重要的情況下，通常通過在SMPS之后加上線性后置穩壓器來解決此問題。

SMPS將輸入電壓帶到線性后置穩壓器的輸入至輸出電壓差適當小的點。進而，線性穩壓器向負載提供更穩定的穩壓電壓。

另一個問題是瞬態響應差。例如，SMPS需要一些時間來做出反應并補償階躍或突然的負載變化。PWM需要花費幾個周期才能將輸出正確地調節回原來的位置。

最后，再次由于其開關特性，SMPS確實會產生有害的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品通過發射要求。

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走線布線，以最大程度地減小這種開關噪聲對這些敏感部分的影響。