如何進(jìn)行電源設(shè)計(jì)——第 1 部分

1、前言

如果我們不知道如何開(kāi)始以及從哪里開(kāi)始設(shè)計(jì)電源，對(duì)于開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)可能是一件神秘的事情，因?yàn)橛卸喾N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制器類(lèi)型可供選擇。在本文系列中，我將介紹如何為我們的應(yīng)用選擇最合適的電源拓?fù)?，以?/span>我們需要了解的內(nèi)容。最好的起點(diǎn)通常是為我們的應(yīng)用制定專門(mén)的規(guī)范。該規(guī)范至少應(yīng)包括有關(guān)輸入電壓范圍、輸出電壓和最大負(fù)載電流的信息。但是，如果我們還可以回答一些后續(xù)問(wèn)題，則選擇最合適的拓?fù)浜?/span>/或系統(tǒng)解決方案會(huì)更容易。

2.電源需求

· 我們的應(yīng)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(jí)？我們想通過(guò)初級(jí)或次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)嗎？

· 我們的電源是用于 DC-DC 還是 AC-DC 轉(zhuǎn)換？關(guān)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(yīng)用的輸出功率范圍是多少？在許多情況下，此信息會(huì)減少可用拓?fù)浜涂刂破鞯臄?shù)量。我們的規(guī)格還應(yīng)包括對(duì)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(duì)動(dòng)態(tài)行為的其他要求，如負(fù)載調(diào)節(jié)、瞬態(tài)響應(yīng)和線路調(diào)節(jié)（例如，后者對(duì)于汽車(chē)啟動(dòng)很重要）也應(yīng)該在規(guī)范中，因?yàn)?/span>我們可能需要相應(yīng)地調(diào)整功率級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)它們。

· 我們想要的開(kāi)關(guān)頻率是多少？我們是否需要頻率抖動(dòng)來(lái)降低峰值發(fā)射？我們的系統(tǒng)中是否有多個(gè)電源？如果是這樣，是否需要同步供應(yīng)？對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用，通常選擇低于 450kHz 或高于 2.1MHz 的開(kāi)關(guān)頻率以避免干擾 AM 頻段。對(duì)于高功率應(yīng)用，我們可能希望選擇低開(kāi)關(guān)頻率以獲得最佳效率。

· 環(huán)境和工作溫度范圍是多少？設(shè)計(jì)用于哪個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域？是否需要汽車(chē)或軍用級(jí)零件？

· 我們的電源的主要優(yōu)先事項(xiàng)是什么？一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于每個(gè)電源設(shè)計(jì)，我們都必須在性能、外形尺寸和成本之間進(jìn)行權(quán)衡。了解這些因素中哪一個(gè)具有最高優(yōu)先級(jí)很重要，因?yàn)樗鼤?huì)直接影響我們的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

· 電源是否需要滿足有關(guān)效率、電磁干擾 (EMI)、功率因數(shù)校正 (PFC) 或美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室 (UL) 認(rèn)證的特定標(biāo)準(zhǔn)？是否需要輕載效率或特定的待機(jī)功率水平？

當(dāng)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(xì)，就越容易選擇最合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和性能最佳的組件。

3常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源拓?fù)?/span>

最常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)模式電源拓?fù)涫牵?/span>

· Boost升壓

· Buck降壓

· Buck-Boost降壓-升壓

· 反向升降壓

· 單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)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(diǎn)：把輸入升至一個(gè)較高的電壓。升壓與降壓一樣，但重新安排了電感、開(kāi)關(guān)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(diǎn)：電感、開(kāi)關(guān)和二極管的另一種安排方法。結(jié)合了降壓和升壓電路的缺點(diǎn)。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(shí)際是降壓-升壓電路隔離形式。

3、Flyback反激

特點(diǎn)：如降壓-升壓電路一樣工作，但是電感有兩個(gè)繞組，而且同時(shí)作為變壓器和電感。輸出可以為正或?yàn)樨?fù)，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(shù)比決定。這是隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最簡(jiǎn)單的，增加次級(jí)繞組和電路可以得到多個(gè)輸出。

4、Forward正激

特點(diǎn)：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?yàn)椴捎米儔浩?，輸出可以大于或小于輸入，可以是任何極性。增加次級(jí)繞組和電路可以獲得多個(gè)輸出。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中必須對(duì)變壓器磁芯去磁。常用的做法是增加一個(gè)與初級(jí)繞組匝數(shù)相同的繞組。在開(kāi)關(guān)接通階段存儲(chǔ)在初級(jí)電感中的能量，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)階段通過(guò)另外的繞組和二極管釋放。

5、電源規(guī)格的最常見(jiàn)參數(shù)

表 1總結(jié)了電源規(guī)格的最常見(jiàn)參數(shù)。

表1 ：有用的規(guī)格參數(shù)匯總

在我的下一篇文章中，我將描述如何根據(jù)我們的規(guī)范參數(shù)選擇最合適的拓?fù)洹?/span>