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開關電源設計簡介
開關電源設計簡介
大多數制造商或愛好者都知道升壓或降壓轉換器的作用，并且以前使用過它們。然而，他們通常只是遵循一種固定的方法來設計一個方法，而沒有完全了解它正在做什么。
讓我們仔細看看開關模式、降壓或升壓電源的工作原理。目標不是提供有關這些類型電源的詳細設計信息，而是充分了解其操作，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將保持在最低限度。
此外，還有許多開關模式電源或 SMPS 電源拓撲。為了與本文的理念保持一致，討論將僅限于簡單的升壓或降壓設計。
基本組件
在了解實際 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開關。低功率 SMPS 中最常用的兩種器件是雙極 NPN 晶體管和 N-Ch MOSFET。圖 1 顯示了這兩種類型的開關。
圖 1 – 簡單 SMPS 電路中使用的兩種常見電子開關類型
這里要注意的關鍵是這些開關在飽和模式下操作：完全飽和或完全截止。在這兩種情況下，開關中的功耗都被最小化了。事實上，這就是開關電源與線性穩壓器相比如何實現其高效率的原因。
電容器和電感器
盡管在開關模式電源中，電感器是在其基本操作中發揮最重要作用的電路元件，但本節將首先回顧電容器的一些關鍵操作特性，因為這在概念上更容易理解。這為更好地理解電感器的貢獻奠定了基礎。
考慮由電壓源充電的完全放電電容器組成的電路，如圖 2 所示。當開關閉合時，電容器電壓呈指數上升至電池電壓 V，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，電流永遠不會下降到零。然而，出于所有實際目的，它們最終足夠接近它們各自的極限，被認為是相等的。
另請注意，當開關閉合時，電容器電流立即上升到實際等于 V/R 的值。另一方面，電壓向 V 值緩慢上升。
現在，考慮下圖 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 打開，同時 S2 閉合，則電容器兩端的電壓將處于某個電壓 V OPEN，這取決于開關之前電容器充電的時間開幕。
圖 3 – 電容器充電和放電
這個相同的電壓現在將穿過 R，導致電流流過 R，在開關切換的瞬間等于 V OPEN /R。
當然，電容器會放電，釋放其存儲的一些能量，并且 R 兩端的電壓將下降，電流也將下降。這里要注意的是，電容器電流已經瞬間反轉。
因此，它不像開關 S1 閉合時那樣流入電容器，而是流出電容器。然而，電容器兩端的電壓并沒有反轉。
現在繼續討論電感器，圖 4 顯示了一個由恒壓源（電池）驅動的電感器。它在許多方面與電容器相似，只是電流和電壓曲線互換。
圖 4 – 由恒壓源驅動的電感器
最終可以達到的最大電流將受到構成電感器的導線的直流電阻、串聯電路中的任何實際物理電阻以及電池電壓的限制。
圖 5 顯示了當開關 S1 為已經“充電”一段時間的電感器打開時會發生什么。與電容器的情況有些相似，但交換了電流和電壓的作用，電感兩端的電壓瞬間反轉，以便在開關切換的確切時刻保持相同的電流流動。
圖 5 – 驅動負載的電感器
同樣，為了與電容器并聯，這次是電感電壓改變了方向，而電流方向保持不變。此外，與電容器一樣，隨著電感器釋放其存儲的能量，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 中主要組件的描述，現在可以理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，開關是一個電子開關，例如連續閉合或斷開的 N 溝道 MOSFET。閉合時，上升的電感電流流過開關，電感電壓緩慢下降，但在此期間又與電池電壓相反。
當打開時，如前所示，電感兩端的電壓會立即改變方向以試圖保持電流流動。由于開關打開，該電感電流必須通過二極管 D 流入負載。
請注意，電感電壓現在已添加到電池電壓，因此輸出電壓將高于電池電壓。因此，實現升壓轉換器動作。
另請注意，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。該電流將用于為電容器充電，它也流入負載。
通過控制電感器電流，也可以控制電容器電壓，進而控制負載電壓。換句話說，通過控制開關的導通時間，可以控制負載處的電壓。
降壓（降壓）轉換器
基本降壓轉換器由與升壓轉換器相同的組件組成，但它們的排列方式不同。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，電感兩端的電壓將與電池相反。因此，電容器和負載的電壓將低于電池電壓。
當開關關斷時，電感電壓會立即切換方向，以保持電流沿開關導通時的相同方向流動。二極管 D 為該返回電流提供路徑。
通過適當控制 ON 到 OFF 的切換時間，可以在電容器和負載電阻器兩端保持一個低于電池電壓的相對穩定的電壓。
SMPS 控制器
盡管幾乎所有 SMPS 都包含一個負責所有控制功能的芯片，但了解如何實現這一點仍然很有指導意義。
在開始討論之前，應該提到的是，許多現代 SMPS 控制器都包含一個內部數字處理塊，該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。它由饋入比較器同相輸入端的三角波和饋入比較器反相輸入端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電平。請注意，在實際實施中，存在環路濾波器和遲滯控制組件以防止控制環路中的不穩定。這些在此處未顯示。
圖 9 顯示了在三個不同輸出電壓電平下發生的情況。輸出電壓高時，PWM輸出的ON時間小。當然，這會導致輸出電壓降低。
反之，當輸出電壓較低時，導通時間較長，導致輸出電壓較高。
圖 9 – 不同輸出電壓下的 PWM 波形
開關與線性穩壓器
有兩種電壓調節器：開關和線性。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一些開關拓撲。
在相反的情況下，可以在 SMPS 或線性電源之間進行選擇。那么，有哪些注意事項呢？
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。那么線性穩壓器消耗的功率（并作為熱量浪費掉）將等于 (10V – 5V)*1A = 5W。
這是大量浪費的功率，大多數線性穩壓器將無法處理如此高的功耗。
在這種特殊情況下，效率最多為 50%。這意味著一半的功率被浪費為熱量，只有一半的功率用于輸出負載。如果輸入電壓高于 10V，情況會更糟。
另一方面，SMPS 可以實現 90% 或更高的效率。在這種情況下，它只會浪費 0.5W。即使能源浪費不是直接問題，您也必須考慮如何安全地散發這些多余的熱量，尤其是在密閉空間中。
使用 SMPS 的缺點是什么？第一個是成本和復雜性。典型的 SMPS 比線性 SMPS 更復雜，并使用更多組件。因此，它通常會花費更多。
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性質。在某些情況下，這可能不太重要。在它確實重要的情況下，這通常通過讓 SMPS 后跟一個線性后置穩壓器來解決。
SMPS 將輸入電壓帶到線性后置穩壓器的輸入到輸出電壓差適當小的點。反過來，線性穩壓器為負載提供更清潔的穩壓電壓。
另一個問題是不良的瞬態響應。例如，SMPS 需要一些時間來響應和補償階躍或突然的負載變化。PWM 需要幾個周期才能將輸出正確調節回應有的位置。
最后，同樣由于其開關特性，SMPS 確實會產生不需要的 RF 干擾。因此，除了額外的復雜性之外，很可能需要更多的射頻抑制組件才能使最終產品通過輻射要求。
不僅如此，在某些情況下，還必須正確放置低電平信號處理塊，并應考慮適當的 PCB 走線布線，以盡量減少這種開關噪聲對這些敏感部分的影響。