如何進行電源設計——第 2 部分

1.前言

在這個由兩部分組成的系列的第一部分中，我描述了正確設計電源的良好規(guī)范的重要性。在第 2 部分中，我將概述我們的規(guī)范中的哪些參數(shù)（參見圖 1）會影響某些拓撲的決策。

圖 1：我們的規(guī)范參數(shù)，這些參數(shù)會影響某個拓撲的決策

2、拓撲決策

開關(guān)電源中有幾種基礎的拓撲，buck拓撲電路、boost拓撲電路以及反激式開關(guān)電源等等。這些拓撲既有他們相同之處，也有其獨特性。一般，經(jīng)驗豐富的工程師在設計的時候能夠根據(jù)需求選擇適合的拓撲。而對于初學者來說，如何選擇合適的拓撲這就非常困難了。因此，就需要我們很好的掌握拓撲的基本特性，這是非常有必要的。這對我們在設計時選擇合適的拓撲也是很有幫助的，可以避免因為拓撲選擇不當而浪費時間。

一些拓撲適用于離線式（電網(wǎng)供電的）AC/DC變換器，其中有些適合小功率輸出（<200W），有些適合大功率輸出；有些適合較高的AC輸人電壓（>=220V AC），而有些適合較低的AC輸人電壓的場合；有些在較高的DC輸出電壓（ >200V）場合有較大的優(yōu)勢，而有些在較低的DC輸出電壓場合有較大的優(yōu)勢。對于多級電壓輸出的應用場合，使用器件較少或是在器件數(shù)與可靠性之間有較好折中是選擇拓撲要考慮的因素。同時，輸入/輸出紋波和噪聲要求也是選擇拓撲要考慮的重要因素。某些拓撲因其本身固有的局限性，需要輔助電路或更復雜的電路，使得在某些應用場合它的特性變得非常難以分析。

因此，要恰當選擇拓撲，熟悉各種不同基本拓撲的優(yōu)缺點是非常重要的。錯誤的選擇會導致電源的性能變差，甚至浪費設計時間和成本。因此有必要充分地了解不同拓撲的基本特性參數(shù)。

3、如何進行電源拓撲決策

當我們的應用不需要輸入和輸出之間的隔離屏障時，V in和 V out之間的比率、輸入和輸出電壓的紋波要求以及最大輸出功率通常會決定我們應該選擇哪種拓撲。降壓、升壓、降壓-升壓、單端初級電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 和 Zeta 是最常見的非隔離式電源拓撲，功率范圍高達 250W。降壓轉(zhuǎn)換器降低其輸入電壓，升壓轉(zhuǎn)換器將其升高。降壓-升壓、SEPIC 和 Zeta 的輸入電壓可以等于、小于或大于它們的輸出電壓。如果我們的輸入電壓與輸出電壓的符號不同，則應選擇反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器或 Cuk 轉(zhuǎn)換器。對于這兩種拓撲，輸入電壓的絕對值可以等于、小于或大于輸出電壓的絕對值。

表 1 列出了輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系以及我提到的非隔離拓撲的典型功率范圍。如果我們的應用需要超過表 1 中所示的輸出功率限制，則可以將兩個或更多交錯轉(zhuǎn)換器級并聯(lián)或使用隔離拓撲（參見表 2），因為這些已經(jīng)用于更高的功率水平。

表1 ：非隔離拓撲概述

隔離拓撲可以提高或降低其輸入電壓。輸出電壓可以為正也可以為負。通過添加額外的變壓器繞組，還可以生成多個輸出電壓。反激、正向、推挽、半橋和全橋轉(zhuǎn)換器是最常見的隔離拓撲。將這些拓撲的損耗降至最低的最常見方法是讓轉(zhuǎn)換器在諧振或準諧振模式下運行。諧振轉(zhuǎn)換器利用零電壓開關(guān) (ZVS) 或零電流開關(guān) (ZCS)。例如準諧振反激、有源鉗位反激或正向、電感-電感-轉(zhuǎn)換器 (LLC) 半橋和移相全橋。表 2 顯示了不同隔離拓撲的功率范圍。 

表2 ：隔離拓撲概述

如果轉(zhuǎn)換器的輸出端可能發(fā)生非常徹底的負載瞬變，重要的是要知道在連續(xù)導通模式下運行的反激拓撲不可能有良好的動態(tài)行為，因為轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)中的右半平面零 (RHPZ)對于此類轉(zhuǎn)換器，通常會將帶寬限制為低于 5kHz 的頻率。隔離拓撲的輸出電壓反饋路徑通常需要光隔離器的帶寬，這可能是瞬態(tài)響應行為的另一個缺點。如果我們的電源確實需要非常好的瞬態(tài)響應行為，但我們必須使用與降壓轉(zhuǎn)換器不同的拓撲，那么兩級方法可能是我們的最佳選擇。另一種選擇是將控制器放置在電源的次級側(cè)。

降壓、升壓、SEPIC 和反激式拓撲適用于功率因數(shù)校正 (PFC) 電路。最常見的選擇是 PFC 升壓。

在本系列的下一部分中，我將介紹降壓、升壓和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。