如何進行電源設計——第 1 部分

1、前言

如果我們不知道如何開始以及從哪里開始設計電源，對于開關模式電源設計可能是一件神秘的事情，因為有多種拓撲結構和控制器類型可供選擇。在本文系列中，我將介紹如何為我們的應用選擇最合適的電源拓撲，以及我們需要了解的內容。最好的起點通常是為我們的應用制定專門的規(guī)范。該規(guī)范至少應包括有關輸入電壓范圍、輸出電壓和最大負載電流的信息。但是，如果我們還可以回答一些后續(xù)問題，則選擇最合適的拓撲和/或系統(tǒng)解決方案會更容易。

2.電源需求

· 我們的應用是否需要輸入和輸出之間的隔離屏障？如果是，我們需要哪種絕緣等級？我們想通過初級或次級側調節(jié)實現輸出電壓調節(jié)嗎？

· 我們的電源是用于 DC-DC 還是 AC-DC 轉換？關于輸入的其他有用信息可以包括最大浪涌電流、最大輸入電流和最大可接受反射紋波。

· 我們的應用的輸出功率范圍是多少？在許多情況下，此信息會減少可用拓撲和控制器的數量。我們的規(guī)格還應包括對電源輸出電壓容差、最大可接受輸出電壓紋波、平均輸出電流和峰值輸出電流的要求。對動態(tài)行為的其他要求，如負載調節(jié)、瞬態(tài)響應和線路調節(jié)（例如，后者對于汽車啟動很重要）也應該在規(guī)范中，因為我們可能需要相應地調整功率級來實現它們。

· 我們想要的開關頻率是多少？我們是否需要頻率抖動來降低峰值發(fā)射？我們的系統(tǒng)中是否有多個電源？如果是這樣，是否需要同步供應？對于汽車應用，通常選擇低于 450kHz 或高于 2.1MHz 的開關頻率以避免干擾 AM 頻段。對于高功率應用，我們可能希望選擇低開關頻率以獲得最佳效率。

· 環(huán)境和工作溫度范圍是多少？設計用于哪個應用領域？是否需要汽車或軍用級零件？

· 我們的電源的主要優(yōu)先事項是什么？一般來說，對于每個電源設計，我們都必須在性能、外形尺寸和成本之間進行權衡。了解這些因素中哪一個具有最高優(yōu)先級很重要，因為它會直接影響我們的設計質量。

· 電源是否需要滿足有關效率、電磁干擾 (EMI)、功率因數校正 (PFC) 或美國保險商實驗室 (UL) 認證的特定標準？是否需要輕載效率或特定的待機功率水平？

當然，所有這些信息并不總是必要的。然而，我們的電源規(guī)格越詳細，就越容易選擇最合適的拓撲結構和性能最佳的組件。

3常見的開關電源拓撲

最常見的開關模式電源拓撲是：

· Boost升壓

· Buck降壓

· Buck-Boost降壓-升壓

· 反向升降壓

· 單端初級電感轉換器 (SEPIC)

· Flyback反激

· Two-Transistor Forward雙晶體管正激

· Forward正激

· Push-Pull推挽

· Half Bridge半橋

· Full Bridge全橋

· 移相全橋

4、電路舉例

1、Boost升壓

特點：把輸入升至一個較高的電壓。升壓與降壓一樣，但重新安排了電感、開關和二極管。輸出總是比大于或等于輸入(忽略二極管的正向壓降)。輸入電流平滑，輸出電流不連續(xù) (斬波)。

2、Buck-Boost降壓-升壓

特點：電感、開關和二極管的另一種安排方法。結合了降壓和升壓電路的缺點。輸入電流不連續(xù) (斬波)。輸出電流也不連續(xù) (斬波)。輸出總是與輸入反向 (注意電容的極性)，但是幅度可以小于或大于輸入?！胺醇ぁ弊儞Q器實際是降壓-升壓電路隔離形式。

3、Flyback反激

特點：如降壓-升壓電路一樣工作，但是電感有兩個繞組，而且同時作為變壓器和電感。輸出可以為正或為負，由線圈和二極管的極性決定。輸出電壓可以大于或小于輸入電壓，由變壓器的匝數比決定。這是隔離拓撲結構中最簡單的，增加次級繞組和電路可以得到多個輸出。

4、Forward正激

特點：降壓電路的變壓器耦合形式。不連續(xù)的輸入電流，平滑的輸出電流。因為采用變壓器，輸出可以大于或小于輸入，可以是任何極性。增加次級繞組和電路可以獲得多個輸出。在每個開關周期中必須對變壓器磁芯去磁。常用的做法是增加一個與初級繞組匝數相同的繞組。在開關接通階段存儲在初級電感中的能量，在開關斷開階段通過另外的繞組和二極管釋放。

5、電源規(guī)格的最常見參數

表 1總結了電源規(guī)格的最常見參數。

表1 ：有用的規(guī)格參數匯總

在我的下一篇文章中，我將描述如何根據我們的規(guī)范參數選擇最合適的拓撲。