开关电源设计简介

2020-12-10

大多数制造商或发烧友都知道升压或降压转换器的功能，并且以前使用过它们。但是，他们通常只是采用固定方法来设计一个，而不完全完全了解它在做什么。

本文提供了一种易于理解的方法来解释开关模式，降压或升压电源的工作方式。

目的不是提供有关这些类型电源的详细设计信息，而是要充分了解其操作，以便对此类电路块的所需方面做出明智的决定。因此，数学和任何设计方程式都将保持最小。

此外，还有许多开关模式电源或SMPS电源拓扑。为了与本文的原理保持一致，讨论将仅限于简单的升压或降压设计。 

基本组成部分

在介绍实际SMPS的工作原理之前，本节简要介绍了典型SMPS的一些基本组件。

电子开关

所有开关电源都需要一个电子控制的开关。低功率SMPS中最常用的两个器件是双极NPN晶体管和N-Ch MOSFET。图1显示了这两种类型的开关。 

这里要注意的关键是这些开关在饱和模式下运行：完全饱和或完全截止。在这两种情况下，开关中的功耗均最小。实际上，这就是开关电源与线性稳压器相比如何实现其高效率。

电容器和电感器

即使在开关模式电源中，电感器是在其基本操作中起着最重要作用的电路元件，本节也将从对电容器的一些关键操作特性进行回顾入手，因为从概念上更容易理解。这为更好地了解电感的作用奠定了基础。

如图2所示，考虑一个由完全放电的电容器组成的电路，该电容器从电压源充电。当开关闭合时，电容器电压朝着电池电压V呈指数上升，而电流呈指数下降。

图2 –电容器从电压源充电

请注意，从技术上讲，电容器电压永远不会达到与电池电压相同的值，并且电流永远不会一直下降到零。但是，出于所有实际目的，它们最终会足够接近各自的极限以被视为相等。

还要注意，当开关闭合时，电容器电流会立即上升到实际上等于V / R的值。另一方面，电压缓慢上升到V值。

现在，考虑下面图3中的电路。当开关S1闭合时，电容器将照常充电。

现在，如果在稍后的时间（T）开关S1断开，而S2同时闭合，则电容器两端的电压将处于某个电压V OPEN，这将取决于电容器在开关之前充电了多长时间开幕。

图3 –电容器充放电

现在，相同的电压将流过R，导致电流流过R，等于在切换开关的瞬间流过V OPEN / R。

电容器当然会放电，从而释放一些存储的能量，R两端的电压将降低，电流也会降低。这里要注意的是，电容器电流已瞬间反转。

因此，它不再像开关S1闭合时那样流入电容器，而是从电容器中流出。但是，电容器两端的电压并未反向。

现在转到电感器，图4显示了一个由恒压源（电池）驱动的电感器。它在很多方面都与电容器相似，只是电流和电压曲线可以交换。

图4 –由恒定电压源驱动的电感器

最终可以达到的最大电流将受制于电感器所组成的电线的直流电阻，加上串联电路中任何实际的物理电阻器以及电池电压的限制。

图5显示了当为已经“充电”一段时间的电感器打开开关S1时发生的情况。以与电容器外壳类似的方式，但是在交换了电流和电压作用的情况下，电感器两端的电压瞬时反转，以在开关切换的确切时刻保持相同的电流流动。 

图5 –电感驱动负载

同样，为了与电容器并联，这一次是电感器电压改变了方向，而电流方向却保持不变。同样，就像电容器一样，随着电感器放弃其存储的能量，电压和电流将缓慢下降。

升压（升压）转换器

通过前面对典型SMPS中主要部件的描述，可以了解升压转换器的操作。如图6所示。

图6 –升压转换器的框图

如图所示，该开关是连续闭合或断开的电子开关，例如N沟道MOSFET。闭合时，上升的电感器电流流过开关，电感器电压缓慢下降，但是在此期间它又与电池电压相反。

如前所示，打开时，电感两端的电压会瞬间改变方向，以试图保持电流流动。由于开关断开，该电感器电流必须流过二极管D进入负载。

请注意，电感器电压现在已添加到电池电压中，因此输出电压将高于电池电压。因此，实现了升压转换器的作用。

还要注意，当开关闭合时，最初流入电感器的电流将取决于开关闭合的时间。该电流将用于给电容器充电，并且还流入负载。

通过控制电感器电流，也可以控制电容器电压，从而控制负载电压。换句话说，通过控制开关的接通时间，可以控制负载处的电压。

降压转换器

基本的降压转换器与升压转换器包含相同的组件，但它们的布置不同。图7显示了基本降压转换器的框图。当开关闭合时，电感器中的电流像以前一样上升。

图7 –降压转换器的框图

在此导通期间内，电感两端任何时间的电压都将与电池相反。因此，电容器和负载将看到低于电池电压的电压。

当开关断开时，电感器电压会立即切换方向，以保持电流流向与开关接通时相同的方向。二极管D为该返回电流提供路径。

通过适当控制开到关的切换时间，可以在电容器和负载电阻两端维持一个比电池电压低的相对稳定的电压。

SMPS控制器

即使几乎所有的SMPS都集成了负责所有控制功能的芯片，但了解如何实现这一目标仍然很有指导意义。

在开始之前，应该提到许多现代SMPS控制器都集成了内部数字处理模块，该模块允许更复杂的控制回路，从而增强了此类控制器的多功能性。

图8显示了如何实现简单的模拟SMPS PWM降压控制器。它由一个向比较器的同相输入馈入的三角波和一个向比较器的反相输入馈入的输出电压样本组成。 

图8 –简单的SMPS模拟PWM降压控制器实现

只要同相输入电平高于反相输入电平，比较器输出就会为高。注意，在实际的实现中，有环路滤波器和磁滞控制组件，以防止控制环路不稳定。这些未在此处显示。

图9显示了在三种不同的输出电压电平下发生的情况。输出电压高时，PWM输出的导通时间短。当然，这会使输出电压下降。

相反，当输出电压较低时，导通时间较长，从而导致输出电压较高。因此，通过分量值的适当选择，一个稳定的，调节的输出电压就可以实现。

图9 –各种输出电压下的PWM波形

开关与线性稳压器

稳压器有两种：开关稳压器和线性稳压器。如果输出电压高于输入电压，则必须使用开关电源，无论是直升压还是其他开关拓扑。

在相反的情况下，可以在SMPS或线性电源之间进行选择。那么，有哪些注意事项？

首先是效率。例如，考虑输入电压为10V，输出电压为5V的1A稳压器的情况。然后，线性稳压器消耗的功率（浪费为热量）将等于（10V – 5V）* 1A = 5W。

这浪费了很多功率，并且大多数线性稳压器将无法处理如此高的功耗。

在这种特定情况下，效率最多为50％。这意味着一半的功率被浪费为热量，只有一半的功率流向了输出负载。如果输入电压高于10V，情况会更糟。

另一方面，SMPS可以达到90％或更高的效率。在这种情况下，它将仅浪费0.5W。即使不是直接考虑能源浪费，也必须考虑如何安全地散发多余的热量，尤其是在狭窄的空间中。

使用SMPS有哪些缺点？第一个是成本和复杂性。典型的SMPS比线性SMPS更复杂，并且使用更多的组件。因此，它通常花费更多。

SMPS的另一个问题是稳压输出上存在纹波。这仅仅是由于其切换特性。在某些情况下，这可能不太重要。在确实重要的情况下，通常通过在SMPS之后加上线性后置稳压器来解决此问题。

SMPS将输入电压带到线性后置稳压器的输入至输出电压差适当小的点。进而，线性稳压器向负载提供更稳定的稳压电压。

另一个问题是瞬态响应差。例如，SMPS需要一些时间来做出反应并补偿阶跃或突然的负载变化。PWM需要花费几个周期才能将输出正确地调节回原来的位置。

最后，再次由于其开关特性，SMPS确实会产生有害的RF干扰。因此，除了额外的复杂性之外，很可能需要更多的RF抑制组件才能使最终产品通过发射要求。

不仅如此，而且在某些情况下，必须正确放置低电平信号处理模块，并应考虑适当的PCB走线布线，以最大程度地减小这种开关噪声对这些敏感部分的影响。