开关电源设计简介

2021-08-05

开关电源设计简介

大多数制造商或爱好者都知道升压或降压转换器的作用，并且以前使用过它们。然而，他们通常只是遵循一种固定的方法来设计一个方法，而没有完全了解它正在做什么。

让我们仔细看看开关模式、降压或升压电源的工作原理。目标不是提供有关这些类型电源的详细设计信息，而是充分了解其操作，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将保持在最低限度。

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

基本组件

在了解实际 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开关。低功率 SMPS 中最常用的两种器件是双极 NPN 晶体管和 N-Ch MOSFET。图 1 显示了这两种类型的开关。

图 1 – 简单 SMPS 电路中使用的两种常见电子开关类型

这里要注意的关键是这些开关在饱和模式下操作：完全饱和或完全截止。在这两种情况下，开关中的功耗都被最小化了。事实上，这就是开关电源与线性稳压器相比如何实现其高效率的原因。

电容器和电感器

尽管在开关模式电源中，电感器是在其基本操作中发挥最重要作用的电路元件，但本节将首先回顾电容器的一些关键操作特性，因为这在概念上更容易理解。这为更好地理解电感器的贡献奠定了基础。

考虑由电压源充电的完全放电电容器组成的电路，如图 2 所示。当开关闭合时，电容器电压呈指数上升至电池电压 V，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，电流永远不会下降到零。然而，出于所有实际目的，它们最终足够接近它们各自的极限，被认为是相等的。

另请注意，当开关闭合时，电容器电流立即上升到实际等于 V/R 的值。另一方面，电压向 V 值缓慢上升。

现在，考虑下图 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 打开，同时 S2 闭合，则电容器两端的电压将处于某个电压 V OPEN，这取决于开关之前电容器充电的时间开幕。 

图 3 – 电容器充电和放电

这个相同的电压现在将穿过 R，导致电流流过 R，在开关切换的瞬间等于 V OPEN /R。

当然，电容器会放电，释放其存储的一些能量，并且 R 两端的电压将下降，电流也将下降。这里要注意的是，电容器电流已经瞬间反转。

因此，它不像开关 S1 闭合时那样流入电容器，而是流出电容器。然而，电容器两端的电压并没有反转。

现在继续讨论电感器，图 4 显示了一个由恒压源（电池）驱动的电感器。它在许多方面与电容器相似，只是电流和电压曲线互换。

图 4 – 由恒压源驱动的电感器

最终可以达到的最大电流将受到构成电感器的导线的直流电阻、串联电路中的任何实际物理电阻以及电池电压的限制。

图 5 显示了当开关 S1 为已经“充电”一段时间的电感器打开时会发生什么。与电容器的情况有些相似，但交换了电流和电压的作用，电感两端的电压瞬间反转，以便在开关切换的确切时刻保持相同的电流流动。

图 5 – 驱动负载的电感器

同样，为了与电容器并联，这次是电感电压改变了方向，而电流方向保持不变。此外，与电容器一样，随着电感器释放其存储的能量，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 中主要组件的描述，现在可以理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，开关是一个电子开关，例如连续闭合或断开的 N 沟道 MOSFET。闭合时，上升的电感电流流过开关，电感电压缓慢下降，但在此期间又与电池电压相反。

当打开时，如前所示，电感两端的电压会立即改变方向以试图保持电流流动。由于开关打开，该电感电流必须通过二极管 D 流入负载。

请注意，电感电压现在已添加到电池电压，因此输出电压将高于电池电压。因此，实现升压转换器动作。

另请注意，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。该电流将用于为电容器充电，它也流入负载。

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

降压（降压）转换器

基本降压转换器由与升压转换器相同的组件组成，但它们的排列方式不同。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，电感两端的电压将与电池相反。因此，电容器和负载的电压将低于电池电压。

当开关关断时，电感电压会立即切换方向，以保持电流沿开关导通时的相同方向流动。二极管 D 为该返回电流提供路径。

通过适当控制 ON 到 OFF 的切换时间，可以在电容器和负载电阻器两端保持一个低于电池电压的相对稳定的电压。

SMPS 控制器

尽管几乎所有 SMPS 都包含一个负责所有控制功能的芯片，但了解如何实现这一点仍然很有指导意义。

在开始讨论之前，应该提到的是，许多现代 SMPS 控制器都包含一个内部数字处理块，该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。它由馈入比较器同相输入端的三角波和馈入比较器反相输入端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电平。请注意，在实际实施中，存在环路滤波器和迟滞控制组件以防止控制环路中的不稳定。这些在此处未显示。

图 9 显示了在三个不同输出电压电平下发生的情况。输出电压高时，PWM输出的ON时间小。当然，这会导致输出电压降低。

反之，当输出电压较低时，导通时间较长，导致输出电压较高。

图 9 – 不同输出电压下的 PWM 波形 

开关与线性稳压器

有两种电压调节器：开关和线性。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一些开关拓扑。

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

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。那么线性稳压器消耗的功率（并作为热量浪费掉）将等于 (10V – 5V)*1A = 5W。

这是大量浪费的功率，大多数线性稳压器将无法处理如此高的功耗。

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

另一方面，SMPS 可以实现 90% 或更高的效率。在这种情况下，它只会浪费 0.5W。即使能源浪费不是直接问题，您也必须考虑如何安全地散发这些多余的热量，尤其是在密闭空间中。

使用 SMPS 的缺点是什么？第一个是成本和复杂性。典型的 SMPS 比线性 SMPS 更复杂，并使用更多组件。因此，它通常会花费更多。

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性质。在某些情况下，这可能不太重要。在它确实重要的情况下，这通常通过让 SMPS 后跟一个线性后置稳压器来解决。

SMPS 将输入电压带到线性后置稳压器的输入到输出电压差适当小的点。反过来，线性稳压器为负载提供更清洁的稳压电压。

另一个问题是不良的瞬态响应。例如，SMPS 需要一些时间来响应和补偿阶跃或突然的负载变化。PWM 需要几个周期才能将输出正确调节回应有的位置。

最后，同样由于其开关特性，SMPS 确实会产生不需要的 RF 干扰。因此，除了额外的复杂性之外，很可能需要更多的射频抑制组件才能使最终产品通过辐射要求。

不仅如此，在某些情况下，还必须正确放置低电平信号处理块，并应考虑适当的 PCB 走线布线，以尽量减少这种开关噪声对这些敏感部分的影响。