【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(duì)它也比較了解。但是，由于從移動(dòng)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(shì)，電源的設(shè)計(jì)和選擇仍舊對(duì)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(shí)和噪聲容限要求也變得極高。
為了解決以小巧的外形實(shí)現(xiàn)高效、可靠供電的難題，電源設(shè)計(jì)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(jì)，還提供輸入/輸出隔離以及卓越能效等優(yōu)點(diǎn)。
本文將討論開關(guān)模式電源的工作原理，并簡(jiǎn)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(jì)，并提供使用現(xiàn)成零件和元器件的設(shè)計(jì)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(gè)或多個(gè)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(shí)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(shí)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(huì)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(shí)現(xiàn)高容積效率。
潛在的電磁干擾 (EMI) 會(huì)抵消 SMPS 的優(yōu)勢(shì)。這要?dú)w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(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了它的缺點(diǎn)，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(jì)或拓?fù)渲袑?shí)現(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(gè) 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(shì)是它的簡(jiǎn)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)?。電源可使用直流或交流電源供電。?dāng)配置為從交流線路（市電）工作時(shí)，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(jí)和次級(jí)繞組不會(huì)同時(shí)承載電流。這是因?yàn)槔@組相為反相，繞組上的圓點(diǎn)記號(hào)和次級(jí)側(cè)的串聯(lián)二極管指示了這一點(diǎn)。
使用反激式變壓器帶來了幾個(gè)好處。首先，電源的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)可以電氣隔離。隔離減少了初級(jí)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(gè)輸出電壓。變壓器針對(duì)每個(gè)電壓增加額外的繞組。調(diào)壓僅基于單一輸出，而次級(jí)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(shí)，VDRAIN 近乎零伏，電流 IP 流經(jīng)變壓器的初級(jí)繞組。能量?jī)?chǔ)存在變壓器的磁化電感中。此電流隨時(shí)間呈線性增長。次級(jí)側(cè)的串聯(lián)二極管被反向偏壓，并且次級(jí)側(cè)沒有電流流動(dòng)。儲(chǔ)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(shí)，變壓器中儲(chǔ)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(jí)電流值開始時(shí)較高，之后以線性方式遞降。如果次級(jí)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(jí)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(chǔ)存的能量在每個(gè)開關(guān)周期都會(huì)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(chǔ)存在變壓器漏泄電感中的能量在開關(guān)關(guān)斷時(shí)流入初級(jí)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(huì)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(shí)才會(huì)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(shí)功率耗散的反激式電源測(cè)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(shí)功率，其計(jì)算方法為所施加電壓與所產(chǎn)生電流的乘積?？梢杂^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(dòng)。多數(shù)情況下，控制器會(huì)將脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 波形應(yīng)用于開關(guān)的控制元件，對(duì) 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(dòng)信號(hào)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(gè)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(dòng)，確保實(shí)現(xiàn)有效控制的（“軟”）啟動(dòng)，最大限度減小初始電流和電壓瞬態(tài)。
SMPS 設(shè)計(jì)
有多家半導(dǎo)體元器件供應(yīng)商提供有設(shè)計(jì)工具，可幫助設(shè)計(jì)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(jì)中心的開啟頁面顯示了 25 瓦 5 伏反激式電源 SMPS 設(shè)計(jì)的基本規(guī)格。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
該設(shè)計(jì)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(jì)為采用隔離式拓?fù)?、從交流電源工作?5 伏、5 安電源。而對(duì)于更復(fù)雜的多輸出電源，還提供有高級(jí)電源架構(gòu)設(shè)計(jì)工具。
該軟件從這一點(diǎn)開始一系列的設(shè)計(jì)并提示用戶選擇控制器。用戶可以查看每項(xiàng)設(shè)計(jì)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(jì)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(huì)顯示詳細(xì)的零件描述，并且還有機(jī)會(huì)選擇替代元器件?？刂破?(U1) 通過 CEL PS2811-1-F3-A 光隔離器接收輸出反饋。此反饋方法會(huì)在電路的初級(jí)部分與次級(jí)部分之間保持電氣隔離?？刂破鲃t將 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(jì)工具還能幫助選擇或設(shè)計(jì)反激式變壓器。
設(shè)計(jì)摘要頁概述了關(guān)鍵設(shè)計(jì)元素（圖 6）。
圖 6：設(shè)計(jì)摘要整合了所建議設(shè)計(jì)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(jì)，實(shí)現(xiàn)最低 BOM 成本、最小封裝或最高能效。經(jīng)驗(yàn)不足的設(shè)計(jì)人員也可以利用此工具，通過查看多項(xiàng)設(shè)計(jì)以及元器件變化所產(chǎn)生的影響來獲取經(jīng)驗(yàn)。
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(yàn)，否則都會(huì)有一個(gè)學(xué)習(xí)過程。如果上市時(shí)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(jì)。但如果有時(shí)間和技術(shù)人員，尤其當(dāng)多個(gè)項(xiàng)目都需要電源時(shí)，設(shè)計(jì)電源也是值得的。換言之，反復(fù)接觸 SMPS 設(shè)計(jì)將會(huì)增進(jìn)設(shè)計(jì)人員所需的專業(yè)知識(shí)。
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(duì)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(shì)。
推薦閱讀：
特別推薦
- AMTS 2025展位預(yù)訂正式開啟——體驗(yàn)科技驅(qū)動(dòng)的未來汽車世界，共迎AMTS 20周年！
- 貿(mào)澤電子攜手安森美和Würth Elektronik推出新一代太陽能和儲(chǔ)能解決方案
- 功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（六）——瞬態(tài)熱測(cè)量
- 貿(mào)澤開售Nordic Semiconductor nRF9151-DK開發(fā)套件
- TDK推出用于可穿戴設(shè)備的薄膜功率電感器
- 日清紡微電子GNSS兩款新的射頻低噪聲放大器 (LNA) 進(jìn)入量產(chǎn)
- 中微半導(dǎo)推出高性價(jià)比觸控 MCU-CMS79FT72xB系列
技術(shù)文章更多>>
- 意法半導(dǎo)體推出首款超低功耗生物傳感器，成為眾多新型應(yīng)用的核心所在
- 是否存在有關(guān) PCB 走線電感的經(jīng)驗(yàn)法則？
- 智能電池傳感器的兩大關(guān)鍵部件: 車規(guī)級(jí)分流器以及匹配的評(píng)估板
- 功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（八）——利用瞬態(tài)熱阻計(jì)算二極管浪涌電流
- AHTE 2025展位預(yù)訂正式開啟——促進(jìn)新技術(shù)新理念應(yīng)用，共探多行業(yè)柔性解決方案
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(dòng)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
生產(chǎn)測(cè)試
聲表諧振器
聲傳感器
濕度傳感器
石英機(jī)械表
石英石危害
時(shí)間繼電器
時(shí)鐘IC
世強(qiáng)電訊
示波器
視頻IC
視頻監(jiān)控
收發(fā)器
手機(jī)開發(fā)
受話器
數(shù)字家庭
數(shù)字家庭
數(shù)字鎖相環(huán)
雙向可控硅
水泥電阻
絲印設(shè)備
伺服電機(jī)
速度傳感器
鎖相環(huán)
胎壓監(jiān)測(cè)
太陽能
太陽能電池
泰科源
鉭電容
碳膜電位器
