【導(dǎo)讀】由于所有電子系統(tǒng)都需要某種類型的電源，因此電源的研究已比較透徹，人們對(duì)它也比較了解。但是，由于從移動(dòng)設(shè)備到線路供電硬件等應(yīng)用中的電源持續(xù)呈現(xiàn)出體積減小，能效、可靠性和電源完整性要求提高的趨勢(shì)，電源的設(shè)計(jì)和選擇仍舊對(duì)工程師們構(gòu)成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
隨著 5G 等高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的興起，定時(shí)和噪聲容限要求也變得極高。
為了解決以小巧的外形實(shí)現(xiàn)高效、可靠供電的難題，電源設(shè)計(jì)人員正在將反激式拓?fù)溆糜?a target="_blank" style="text-decoration:none;" >開關(guān)模式電源 (SMPS)。此拓?fù)溥m用于高達(dá) 150 瓦的功率水平，可提供元器件數(shù)少、尺寸小且成本低的設(shè)計(jì)，還提供輸入/輸出隔離以及卓越能效等優(yōu)點(diǎn)。
本文將討論開關(guān)模式電源的工作原理，并簡(jiǎn)要了解電源的自制與外購(gòu)決策過(guò)程。此外還將研究采用反激式拓?fù)涞膯屋敵鲭娫丛O(shè)計(jì)，并提供使用現(xiàn)成零件和元器件的設(shè)計(jì)示例。
開關(guān)模式電源
SMPS（即轉(zhuǎn)換開關(guān)）作為一種電源，使用開關(guān)穩(wěn)壓器維持來(lái)自交流或直流電源的穩(wěn)定輸出電壓。開關(guān)穩(wěn)壓器使用一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體器件（例如雙極結(jié)式晶體管、MOSFET 或 IGBT）在通斷狀態(tài)之間切換，以維持輸出電壓調(diào)節(jié)。這些器件可采用固定“導(dǎo)通”時(shí)間和可變頻率工作，或是更常見的是，以固定頻率和可變占空比工作。開關(guān)器件處于“導(dǎo)通”或“關(guān)斷”狀態(tài)時(shí)的功率耗散較低，因而能效較高。器件僅在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間才會(huì)耗散功率。此外，由于開關(guān)頻率通常為數(shù)十千赫，因此可以大幅縮小變壓器、電感器和電容器的尺寸，實(shí)現(xiàn)高容積效率。
潛在的電磁干擾 (EMI) 會(huì)抵消 SMPS 的優(yōu)勢(shì)。這要?dú)w因于開關(guān)瞬態(tài)，但通過(guò)細(xì)致的元器件選擇、布局和屏蔽可以加以改善。因此，SMPS 的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了它的缺點(diǎn)，這讓 SMPS 成為最常用的電源，而線性電源則退居至僅用于最靈敏的電子應(yīng)用。
SMPS 拓?fù)?/div>
SMPS 可以在多種不同的電路設(shè)計(jì)或拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)。常用的拓?fù)溆袛?shù)十種（表 1）。
表 1：10 種最常用的開關(guān)模式電源拓?fù)洌〝?shù)據(jù)來(lái)源：Digi-Key Electronics）
反激式拓?fù)?/div>
反激式轉(zhuǎn)換器是最常用的 SMPS 電路（圖 1）。
圖 1：使用單個(gè) MOSFET 開關(guān)和反激式變壓器的反激式轉(zhuǎn)換器功能示意圖。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
反激式拓?fù)涞闹饕獌?yōu)勢(shì)是它的簡(jiǎn)單性。在任意給定的功率水平下，該拓?fù)涫窃骷?shù)最少的 SMPS 拓?fù)?。電源可使用直流或交流電源供電。?dāng)配置為從交流線路（市電）工作時(shí)，線路通常采用全波整流。輸入源 (Vi) 為直流。
該電路的核心是反激式變壓器。與傳統(tǒng)的變壓器繞組不同，反激式變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組不會(huì)同時(shí)承載電流。這是因?yàn)槔@組相為反相，繞組上的圓點(diǎn)記號(hào)和次級(jí)側(cè)的串聯(lián)二極管指示了這一點(diǎn)。
使用反激式變壓器帶來(lái)了幾個(gè)好處。首先，電源的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)可以電氣隔離。隔離減少了初級(jí)側(cè)的瞬態(tài)耦合、消除了接地環(huán)路，并在電源的輸出極性方面提供了更大的靈活性。
利用該變壓器可以在電源中生成多個(gè)輸出電壓。變壓器針對(duì)每個(gè)電壓增加額外的繞組。調(diào)壓僅基于單一輸出，而次級(jí)輸出通常在局部進(jìn)行調(diào)壓。
電路從開啟開關(guān)（例如 MOSFET）開始工作（圖 2）。
圖 2：分別顯示兩種工作模式的原理波形的反激式電源工作情況。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
當(dāng)開關(guān)處于接通狀態(tài)時(shí)，VDRAIN 近乎零伏，電流 IP 流經(jīng)變壓器的初級(jí)繞組。能量?jī)?chǔ)存在變壓器的磁化電感中。此電流隨時(shí)間呈線性增長(zhǎng)。次級(jí)側(cè)的串聯(lián)二極管被反向偏壓，并且次級(jí)側(cè)沒有電流流動(dòng)。儲(chǔ)存在輸出電容器的能量向輸出供應(yīng)電流。
當(dāng) MOSFET 開關(guān)被關(guān)斷時(shí)，變壓器中儲(chǔ)存的能量通過(guò)二極管輸出到輸出電容器和輸出負(fù)載。次級(jí)電流值開始時(shí)較高，之后以線性方式遞降。如果次級(jí)電流在開關(guān)重新接通之前降至零，則電源被稱為斷續(xù)電流模式 (DCM) 電源。反之，如果次級(jí)電流沒有降至零，則電源被稱為連續(xù)電流模式 (CCM) 電源。由于電感器中儲(chǔ)存的能量在每個(gè)開關(guān)周期都會(huì)完全釋放，因此 DCM 電源可以使用較小的變壓器。此外，該電源通常更穩(wěn)定，產(chǎn)生的 EMI 也更低。
儲(chǔ)存在變壓器漏泄電感中的能量在開關(guān)關(guān)斷時(shí)流入初級(jí)側(cè)，并由輸入箝位或“吸收”電路吸收，該電路的作用是保護(hù)半導(dǎo)體開關(guān)不會(huì)被高感應(yīng)電壓損壞。只有當(dāng)開關(guān)在通斷狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)才會(huì)耗散功率（圖 3）。
圖 3：顯示 MOSFET 開關(guān)的電壓和電流波形以及瞬時(shí)功率耗散的反激式電源測(cè)量。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
圖 3 中最上面的跡線是反激式電源中 MOSFET 開關(guān)的電壓。彩色覆蓋部分指示 MOSFET 的狀態(tài)。藍(lán)色覆蓋部分指示器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，而紅色區(qū)域則指示器件處于關(guān)斷狀態(tài)。中間的跡線是流經(jīng)器件的電流。最下面的跡線顯示瞬時(shí)功率，其計(jì)算方法為所施加電壓與所產(chǎn)生電流的乘積?？梢杂^察到，開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的功率耗散最明顯。而跡線下面的讀數(shù)自左至右依次顯示：開啟、導(dǎo)通、關(guān)閉和關(guān)斷狀態(tài)期間的功率損耗，以及所有區(qū)域的功率損耗總和。
控制器/穩(wěn)壓器
開關(guān)器件（如圖 2 所示示意圖中的 MOSFET）由控制器或開關(guān)模式穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)。多數(shù)情況下，控制器會(huì)將脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 波形應(yīng)用于開關(guān)的控制元件，對(duì) MOSFET 而言即為柵極。電源輸出被反饋到控制器，控制器則通過(guò)改變柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比來(lái)保持恒定的輸出電壓。這樣，控制器就圍繞反激式轉(zhuǎn)換器構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。
控制器還可以處理數(shù)種輔助功能，例如防止電源出現(xiàn)過(guò)載、過(guò)壓或低功率線路狀態(tài)，還能管理電源的啟動(dòng)，確保實(shí)現(xiàn)有效控制的（“軟”）啟動(dòng)，最大限度減小初始電流和電壓瞬態(tài)。
SMPS 設(shè)計(jì)
有多家半導(dǎo)體元器件供應(yīng)商提供有設(shè)計(jì)工具，可幫助設(shè)計(jì)開關(guān)模式電源，例如 Texas Instruments 的 WEBENCH Power Designer（圖 4）。
圖 4：Texas Instruments WEBENCH 電源設(shè)計(jì)中心的開啟頁(yè)面顯示了 25 瓦 5 伏反激式電源 SMPS 設(shè)計(jì)的基本規(guī)格。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
該設(shè)計(jì)從用戶輸入供電電壓范圍、目標(biāo)輸出電壓和電流等電源規(guī)格開始。本案例中，目標(biāo)設(shè)計(jì)為采用隔離式拓?fù)?、從交流電源工作?5 伏、5 安電源。而對(duì)于更復(fù)雜的多輸出電源，還提供有高級(jí)電源架構(gòu)設(shè)計(jì)工具。
該軟件從這一點(diǎn)開始一系列的設(shè)計(jì)并提示用戶選擇控制器。用戶可以查看每項(xiàng)設(shè)計(jì)的原理圖、物料清單 (BOM) 成本、能效和一些相關(guān)的電路規(guī)格。
此示例選擇的是 Texas Instruments UCC28740 反激式轉(zhuǎn)換器，并且顯示了設(shè)計(jì)原理圖（圖 5）。
圖 5：使用 WEBENCH 建議的光隔離反饋的 25 瓦交流 SMPS 原理圖。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
將指針指向原理圖上的任意元器件都會(huì)顯示詳細(xì)的零件描述，并且還有機(jī)會(huì)選擇替代元器件?？刂破?(U1) 通過(guò) CEL PS2811-1-F3-A 光隔離器接收輸出反饋。此反饋方法會(huì)在電路的初級(jí)部分與次級(jí)部分之間保持電氣隔離。控制器則將 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供給電源開關(guān) M1，即 STMicroelectronics 的 STB21N90K5 900 伏、18.5 安 MOSFET。此外，該設(shè)計(jì)工具還能幫助選擇或設(shè)計(jì)反激式變壓器。
設(shè)計(jì)摘要頁(yè)概述了關(guān)鍵設(shè)計(jì)元素（圖 6）。
圖 6：設(shè)計(jì)摘要整合了所建議設(shè)計(jì)的全部元素。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
用戶可以利用優(yōu)化器的調(diào)整部分來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最低 BOM 成本、最小封裝或最高能效。經(jīng)驗(yàn)不足的設(shè)計(jì)人員也可以利用此工具，通過(guò)查看多項(xiàng)設(shè)計(jì)以及元器件變化所產(chǎn)生的影響來(lái)獲取經(jīng)驗(yàn)。
自制還是外購(gòu)？
毫無(wú)疑問(wèn)，工程師除非有 SMPS 方面的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，否則都會(huì)有一個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程。如果上市時(shí)間非常重要，那么最好購(gòu)買標(biāo)準(zhǔn)電源，或訂立合同獲得自定義電源設(shè)計(jì)。但如果有時(shí)間和技術(shù)人員，尤其當(dāng)多個(gè)項(xiàng)目都需要電源時(shí)，設(shè)計(jì)電源也是值得的。換言之，反復(fù)接觸 SMPS 設(shè)計(jì)將會(huì)增進(jìn)設(shè)計(jì)人員所需的專業(yè)知識(shí)。
總結(jié)
開關(guān)模式電源可提供較高的能效和較小的尺寸。針對(duì)低于 150 瓦的功率水平，采用反激式拓?fù)涞碾娫淳哂卸嗦份敵?、元器件?shù)少和線性隔離等優(yōu)勢(shì)。
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