如何進(jìn)行電源設(shè)計(jì)——第 3 部分

1、前言

在本文系列的第二部分中，我討論了如何從我們的電源規(guī)格參數(shù)中選擇最適合的拓?fù)?。在第三部分中，我將詳?xì)介紹降壓、升壓和降壓-升壓拓?fù)涞牟煌矫妗?

2.降壓轉(zhuǎn)換器

圖 1 顯示了非同步降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。降壓轉(zhuǎn)換器將其輸入電壓降低到較低的輸出電壓。當(dāng)開關(guān) Q1 導(dǎo)通時(shí)，能量轉(zhuǎn)移到輸出端。

圖 1：非同步降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖

公式 1 計(jì)算占空比為：

公式 2 計(jì)算最大金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 應(yīng)力為：

公式 3 給出了最大二極管應(yīng)力為：

其中V in 是輸入電壓，V out 是輸出電壓，V f 是二極管正向電壓。

輸入電壓和輸出電壓之間的差異越大，與線性穩(wěn)壓器或低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 相比，降壓轉(zhuǎn)換器的效率就越高。

雖然降壓轉(zhuǎn)換器在輸入端具有脈沖電流，但由于電感電容 (LC) 濾波器位于轉(zhuǎn)換器輸出端，因此輸出電流是連續(xù)的。因此，反射到輸入端的電壓紋波與輸出端的紋波相比會(huì)更大。

對(duì)于占空比小且輸出電流大于 3A 的降壓轉(zhuǎn)換器，我建議使用同步整流器。如果我們的電源需要大于 30A 的輸出電流，我建議使用多相或交錯(cuò)式功率級(jí)，因?yàn)檫@可以最大限度地減少組件的應(yīng)力，將產(chǎn)生的熱量分散到多個(gè)功率級(jí)，并減少轉(zhuǎn)換器輸入端的反射紋波。

使用 N-FET 時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)占空比限制，因?yàn)樽耘e電容器需要在每個(gè)開關(guān)周期充電。在這種情況下，最大占空比在 95-99% 的范圍內(nèi)。

降壓轉(zhuǎn)換器通常具有良好的動(dòng)態(tài)特性，因?yàn)樗鼈兇砹苏蛲負(fù)??？蓪?shí)現(xiàn)的帶寬取決于誤差放大器的質(zhì)量和所選的開關(guān)頻率。

圖 2 至圖 7 顯示了非同步降壓轉(zhuǎn)換器中 FET、二極管和電感器在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下的電壓和電流波形。

3.升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器將其輸入電壓升高到更大的輸出電壓。當(dāng)開關(guān) Q1 不導(dǎo)通時(shí)，能量轉(zhuǎn)移到輸出。圖 8 是非同步升壓轉(zhuǎn)換器的示意圖。

圖 8：非同步升壓轉(zhuǎn)換器原理圖

公式 4 計(jì)算占空比為：

公式 5 計(jì)算最大 MOSFET 應(yīng)力為：

公式 6 給出了最大二極管應(yīng)力為：

其中V in 是輸入電壓，  V out 是輸出電壓，V f  是二極管正向電壓。

使用升壓轉(zhuǎn)換器，我們可以看到脈沖輸出電流，因?yàn)?/span> LC 濾波器位于輸入端。因此，輸入電流是連續(xù)的，輸出電壓紋波大于輸入電壓紋波。

在設(shè)計(jì)升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，重要的是要知道從輸入到輸出有一個(gè)永久連接，即使轉(zhuǎn)換器沒有切換。我們必須采取預(yù)防措施，以防輸出端發(fā)生可能的短事件。

對(duì)于大于 4A 的輸出電流，應(yīng)將二極管更換為同步整流器。如果我們的電源需要提供大于 10A 的輸出電流，我強(qiáng)烈建議采用多相或交錯(cuò)式功率級(jí)方法。

在 CCM 下運(yùn)行時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)行為會(huì)因其傳遞函數(shù)的右半平面零 (RHPZ) 而受到限制。由于 RHPZ 無(wú)法補(bǔ)償，因此可實(shí)現(xiàn)的帶寬通常小于 RHPZ 頻率的五分之一到十分之一。見公式 7：

其中V out 是輸出電壓，D 是占空比，I out 是輸出電流，L 1 是升壓轉(zhuǎn)換器的電感。

圖 9 至 14 顯示了非同步升壓轉(zhuǎn)換器中 FET、二極管和電感器的 CCM 電壓和電流波形。

4.升降壓轉(zhuǎn)換器

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是降壓和升壓功率級(jí)的組合，它們共享相同的電感。參見圖 15。

圖 15：雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器原理圖

降壓-升壓拓?fù)浜苡杏?，因?yàn)檩斎腚妷嚎梢孕∮?、大于或等于輸出電壓，而所需的輸出功率大?50W。

對(duì)于小于 50W 的輸出功率，單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 是一種更具成本效益的選擇，因?yàn)樗褂玫慕M件較少。

當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓時(shí)，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器工作在降壓模式，而當(dāng)輸入電壓小于輸出電壓時(shí)，則工作在升壓模式。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在傳輸區(qū)工作時(shí)，即輸入電壓在輸出電壓范圍內(nèi)時(shí)，有兩種處理這些條件的概念：要么降壓級(jí)和升壓級(jí)同時(shí)有效，要么開關(guān)周期在降壓和升壓級(jí)之間交替，每個(gè)通常以常規(guī)開關(guān)頻率的一半運(yùn)行。與常規(guī)降壓或升壓操作相比，第二個(gè)概念會(huì)在輸出端引起次諧波噪聲，輸出電壓精度可能會(huì)稍差一點(diǎn)，但與第一個(gè)概念相比，轉(zhuǎn)換器的效率要高得多。

降壓-升壓拓?fù)湓谳斎牒洼敵龆司哂忻}沖電流，因?yàn)闆]有指向任一方向的 LC 濾波器。

對(duì)于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，我們可以分別使用降壓和升壓功率級(jí)計(jì)算。

帶有兩個(gè)開關(guān)的升降壓轉(zhuǎn)換器適用于 50W 到 100W 的功率范圍（例如LM5118），同步整流最高可達(dá) 400W（例如LM5175）。我建議使用與未組合的降壓和升壓功率級(jí)具有相同電流限制的同步整流器。

我們需要為升壓級(jí)設(shè)計(jì)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)?RHPZ 將成為穩(wěn)壓器帶寬的限制因素。

在我的下一篇文章中，我將討論 SEPIC 和 Zeta 轉(zhuǎn)換器的特性和缺點(diǎn)。