【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，人們對它也比較了解。但是，由于從移動設(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，電源的設(shè)計和選擇仍舊對工程師們構(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，定時和噪聲容限要求也變得極高。
為了解決以小巧的外形實現(xiàn)高效、可靠供電的難題，電源設(shè)計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，還提供輸入/輸出隔離以及卓越能效等優(yōu)點。
本文將討論開關(guān)模式電源的工作原理，并簡要了解電源的自制與外購決策過程。此外還將研究采用反激式拓?fù)涞膯屋敵鲭娫丛O(shè)計，并提供使用現(xiàn)成零件和元器件的設(shè)計示例。
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)壓器使用一個或多個半導(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，實現(xiàn)高容積效率。
潛在的電磁干擾 (EMI) 會抵消 SMPS 的優(yōu)勢。這要歸因于開關(guān)瞬態(tài)，但通過細(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)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了它的缺點，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)計或拓?fù)渲袑崿F(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 MOSFET 開關(guān)和反激式變壓器的反激式轉(zhuǎn)換器功能示意圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
反激式拓?fù)涞闹饕獌?yōu)勢是它的簡單性。在任意給定的功率水平下，該拓?fù)涫窃骷?shù)最少的 SMPS 拓?fù)洹ｋ娫纯墒褂弥绷骰蚪涣麟娫垂╇姟．?dāng)配置為從交流線路（市電）工作時，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和次級繞組不會同時承載電流。這是因為繞組相為反相，繞組上的圓點記號和次級側(cè)的串聯(lián)二極管指示了這一點。
使用反激式變壓器帶來了幾個好處。首先，電源的初級側(cè)和次級側(cè)可以電氣隔離。隔離減少了初級側(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輸出電壓。變壓器針對每個電壓增加額外的繞組。調(diào)壓僅基于單一輸出，而次級輸出通常在局部進(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。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
當(dāng)開關(guān)處于接通狀態(tài)時，VDRAIN 近乎零伏，電流 IP 流經(jīng)變壓器的初級繞組。能量儲存在變壓器的磁化電感中。此電流隨時間呈線性增長。次級側(cè)的串聯(lián)二極管被反向偏壓，并且次級側(cè)沒有電流流動。儲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，變壓器中儲存的能量通過二極管輸出到輸出電容器和輸出負(fù)載。次級電流值開始時較高，之后以線性方式遞降。如果次級電流在開關(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。由于電感器中儲存的能量在每個開關(guān)周期都會完全釋放，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。
儲存在變壓器漏泄電感中的能量在開關(guān)關(guān)斷時流入初級側(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)換時才會耗散功率（圖 3）。
圖 3：顯示 MOSFET 開關(guān)的電壓和電流波形以及瞬時功率耗散的反激式電源測量。（圖片來源：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功率，其計算方法為所施加電壓與所產(chǎn)生電流的乘積。可以觀察到，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。多數(shù)情況下，控制器會將脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 波形應(yīng)用于開關(guān)的控制元件，對 MOSFET 而言即為柵極。電源輸出被反饋到控制器，控制器則通過改變柵極驅(qū)動信號的占空比來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)過載、過壓或低功率線路狀態(tài)，還能管理電源的啟動，確保實現(xiàn)有效控制的（“軟”）啟動，最大限度減小初始電流和電壓瞬態(tài)。
SMPS 設(shè)計
有多家半導(dǎo)體元器件供應(yīng)商提供有設(shè)計工具，可幫助設(shè)計開關(guān)模式電源，例如 Texas Instruments 的 WEBENCH Power Designer（圖 4）。
圖 4：Texas Instruments WEBENCH 電源設(shè)計中心的開啟頁面顯示了 25 瓦 5 伏反激式電源 SMPS 設(shè)計的基本規(guī)格。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
該設(shè)計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)計為采用隔離式拓?fù)洹慕涣麟娫垂ぷ鞯?5 伏、5 安電源。而對于更復(fù)雜的多輸出電源，還提供有高級電源架構(gòu)設(shè)計工具。
該軟件從這一點開始一系列的設(shè)計并提示用戶選擇控制器。用戶可以查看每項設(shè)計的原理圖、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。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
將指針指向原理圖上的任意元器件都會顯示詳細(xì)的零件描述，并且還有機會選擇替代元器件。控制器 (U1) 通過 CEL PS2811-1-F3-A 光隔離器接收輸出反饋。此反饋方法會在電路的初級部分與次級部分之間保持電氣隔離。控制器則將 PWM 驅(qū)動信號提供給電源開關(guān) M1，即 STMicroelectronics 的 STB21N90K5 900 伏、18.5 安 MOSFET。此外，該設(shè)計工具還能幫助選擇或設(shè)計反激式變壓器。
設(shè)計摘要頁概述了關(guān)鍵設(shè)計元素（圖 6）。
圖 6：設(shè)計摘要整合了所建議設(shè)計的全部元素。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
用戶可以利用優(yōu)化器的調(diào)整部分來優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)最低 BOM 成本、最小封裝或最高能效。經(jīng)驗不足的設(shè)計人員也可以利用此工具，通過查看多項設(shè)計以及元器件變化所產(chǎn)生的影響來獲取經(jīng)驗。
自制還是外購？
毫無疑問，工程師除非有 SMPS 方面的相關(guān)經(jīng)驗，否則都會有一個學(xué)習(xí)過程。如果上市時間非常重要，那么最好購買標(biāo)準(zhǔn)電源，或訂立合同獲得自定義電源設(shè)計。但如果有時間和技術(shù)人員，尤其當(dāng)多個項目都需要電源時，設(shè)計電源也是值得的。換言之，反復(fù)接觸 SMPS 設(shè)計將會增進(jìn)設(shè)計人員所需的專業(yè)知識。
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觥⒃骷?shù)少和線性隔離等優(yōu)勢。
推薦閱讀：
特別推薦
- 線繞電阻在電力電子與工業(yè)控制中的關(guān)鍵作用
- 線繞電阻在精密儀器與醫(yī)療設(shè)備中的高精度應(yīng)用和技術(shù)實踐
- 工程師必看！從驅(qū)動到熱管理：MOSFET選型與應(yīng)用實戰(zhàn)手冊
- 毫米波雷達(dá)突破醫(yī)療監(jiān)測痛點：非接觸式生命體征傳感器破解臨床難題
- 貿(mào)澤電子聯(lián)合ADI與Samtec發(fā)布工業(yè)AI/ML電子書：探索工業(yè)自動化未來
- 碳膜電位器技術(shù)解析：從原理到選型與頭部廠商對比
- 厚膜電阻在通信基礎(chǔ)設(shè)施中的關(guān)鍵應(yīng)用與技術(shù)突破
技術(shù)文章更多>>
- 智能終端的進(jìn)化論：邊緣AI突破能耗與安全隱私的雙重困局
- 光敏電阻從原理到國產(chǎn)替代的全面透視與選型指南
- MOSFET技術(shù)解析：定義、原理與選型策略
- 線繞電阻與金屬膜電阻技術(shù)對比及選型指南
- 立體視覺的“超感進(jìn)化”：軟硬件協(xié)同突破機器人感知極限
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
LED保護(hù)元件
LED背光
LED調(diào)光
LED模擬調(diào)光
LED驅(qū)動
LED驅(qū)動IC
LED驅(qū)動模塊
LED散熱
LED數(shù)碼管
LED數(shù)字調(diào)光
LED顯示
LED顯示屏
LED照明
LED照明設(shè)計
Lightning
Linear
Litepoint
Littelfuse
LTC
LTE
LTE功放
LTE基帶
Marvell
Maxim
MCU
MediaTek
MEMS
MEMS傳感器
MEMS麥克風(fēng)
MEMS振蕩器
