电路设计具有EMC性能的开关电源设计原理

2020-09-03

基本的SMPS拓扑

降压SMPS的主要功能目标是将直流信号V IN降压至较低的直流值V OUT，如图1 所示。

图1：降压型SMPS的目标

此过程的第一步包括创建DC输入信号的脉宽调制（PWM）版本，如图2 所示。

图2：PWM信号

图2中所示的输出信号与我们的目标中描述的所需输出信号相差甚远。即：1）仅当晶体管导通时为恒定信号； 2）当晶体管导通时其电平不低于输入信号； 3）在过渡时间内其谐波含量高，[1 ]。

让我们通过在电路的输出侧放置一个低通LC滤波器来解决第三方面的问题，如图3 所示。

图3：具有低通滤波器的SMPS电路

为了减少电路中的不必要功耗，避免了RC和RL滤波器，并且基本设计采用了简单的LC滤波器。

假设晶体管截止，LC滤波器中没有存储能量，并且输出电压为零。当晶体管导通时，我们得到如图4（a）所示的电路（假设没有电压降的理想晶体管）。

输出电压逐渐增加。假设导通时间足够长，则该电压最终达到稳态值V OUT = V IN。在稳态下，电感两端的电压v L为零，直流电流I L流过电感，如图4（b）所示。磁能存储在电感器中。

图4：晶体管第一次导通：a）瞬态行为，b）稳态

当开关断开时，电感器和随后的开关两端会产生很大的负电压。如图5（a）所示，存储在电感器中的磁能通过开关触点在电弧中消散或辐射[2] 。

这种行为通常会对开关造成破坏，因此需要某种保护电路。最简单的解决方案是在开关事件期间通过在电路中插入二极管为电感器电流提供路径，如图5（b）所示。我们已经找到了最简单的降压（降压）SMPS之一。

图5：晶体管开关关闭：a）不良行为b）保护二极管

此SMPS的基本设计包括对组件L和C的正确选择，以满足所施加的设计要求。当晶体管导通（开关闭合）和晶体管关断（开关断开）时，通过电路分析确定组件值。各个电路和选定的电路变量如图6 所示。

图6：降压SMPS电路：a）晶体管导通b）晶体管截止

请注意，在两种情况下，当开关闭合和断开时，电感器电流为正，并且流向相同方向。如果开关保持断开状态足够长的时间，电感器电流将衰减为零，随后输出电压将变为零。

如果在开关周期中电感器电流（和输出电压）变为零之前开关闭合，则SMPS将以所谓的连续导通模式工作。这是EMC中的首选模式–导致较小的输出纹波，较小的负载电流变化和较低的EMC辐射。

当开关随后断开时，输出电压上升。当达到所需值V OUT  <  V IN时，开关再次打开。在连续模式和稳态操作下，电感器电流和输出电压始终保持为正，并且永远不会为零。

SMPS设计

以下SMPS设计假定组件是理想的-晶体管和二极管的压降为零，电感器和电容器为理想（无寄生）。电路中没有损耗–电源提供的功率等于传递给负载的功率。这里讨论的方法基于[1]中介绍的材料。

SMPS在连续导通模式下以稳定状态工作，PWM信号的占空比D等于

 （1）

其中开关频率f SW是恒定的。开关关闭一段时间

 （2a）

并且有时间

 （2b）

当开关闭合时，二极管反向偏置，电路如图7 所示。

图7：开关闭合的电路

电感两端的电压为

 （3）

二极管两端的电压等于输入电压v D = V IN。从等式 （3）我们得到

 （4）

由于该导数为正，因此在开关闭合期间电感器电流线性增加。为了确定在此期间电感器电流的（近似）变化，我们对方程中的导数进行近似。（4）通过

 （5）

因此，电感器电流的变化为

 （6）

当开关断开时，二极管被正向偏置（v D = 0），我们得到了图8 所示的电路。

图8：开关断开的电路

电感两端的电压为

 （7）

从等式 （7）我们得到

 （8）

由于此导数为负，因此在开关断开期间，电感器电流线性减小。在此期间，电感器电流的（大约）变化可从

 （9）

因此，电感器电流的变化为

 （10）

电感器电压和电流的变化如图9所示。

图9：电感器电压和电流的变化

显然，（∆ i L）关闭 = ∆ i L）打开。从等式 （6）和（10）我们得到

 （11）

要么

 （12）

导致降压转换器的输入输出关系

 （13）

由于占空比小于1，因此输出电压低于输入电压。我们可以通过简单地改变占空比来控制输出电压的水平。

接下来，让我们计算平均，最大和最小电感器电流。在稳态操作中，平均电容器电流I C = 0，[3]。因此，平均电感器电流I L必须与平均负载电流I R相同。那是，

 （14）

根据图9，电感器电流的最小值和最大值分别为

 （15a）

 （15b）

使用等式。等式中的（10）和（14）。（15）我们得到

 （16a）

 （16b）

要么

 （17a）

 （17b）

其中˚F SW = 1 / Ť。

现在，我们可以计算连续工作模式下电感的最小值 L MIN。在连续模式和不连续模式之间的边界处，I MIN = 0。（17a）我们得到

 （18）

要么

 （19a）

或利用等式 （13），

 （19b）

当然，电感的实际值应大于方程式给出的最小值。（19）。合理的选择是

 （20）

最后，可通过分析图10 获得输出电压纹波∆ V OUT，图10 显示了电容器电流和输出电压曲线[1]。

电容器充电时，电容器电荷的变化ΔQ等于电容器电流曲线下的三角形面积。那是，

 （21）

以来

 （22a）

它遵循

 （22b）

和

 （22分）

从等式 （10），

 （23）

利用等式。等式中的（22c）和（23）。（21）我们得到

 （24）

导致输出电压纹波为

 （25）

相对输出电压纹波为

 （26）

可以根据指定的电压纹波获取所需的电容

 （27）

在SMPS的设计中，通常指定输入和输出电压。负载和输出电压纹波也是如此。一旦选择了开关频率，就可以根据公式计算出最小电感值。（19b），电容值由式 （27）。

本文介绍了最简单的（可能是嘈杂的）SMPS设计的基本知识。它应作为入门级教程和朝着更高级的SMPS迈进的一步。设计的下一步应该包括非理想的二极管和晶体管模型，组件的寄生效应及其物理限制。为了减轻EMC辐射，除其他许多因素外，还应实现输入滤波器[2]和缓冲电路[3,4]。