太全了！硬件工程師如何輕輕松松設計電源？

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2022-03-18 02:39:11 3

大多數電子系統都需要在供能電壓和需要供電的電路電壓之間進行某種轉換。當電池失去電荷時，電壓會下降。某些DC-DC轉換可確保電池中更多儲存的能源用于為電路供電。此外，如果我們使用110 V交流線路，則無法直接為微控制器等半導體供電。由于每個電子系統幾乎都使用電壓轉換器（也稱為電源），因此多年來，它們針對不同的用途進行了優化。當然，優化目標通常是解決方案尺寸、轉換效率、EMI和成本。

簡單的電源：LDO

其中一種簡單的電源形式是低壓差(LDO)穩壓器。LDO是與開關穩壓器相對的線性穩壓器。線性穩壓器在輸入電壓和輸出電壓之間放置一個可調電阻，這意味著不管輸入電壓如何變化，哪個負載電流正在通過設備，輸出電壓都是固定的。圖1顯示了該簡單電壓轉換器的基本原理。

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圖1. 線性穩壓器將一種電壓轉換為另一種電壓。

多年來，典型電源轉換器都是由一個50 Hz或60 Hz的變壓器組成，連接到電網，以一定的繞線比產生不穩定的輸出電壓，比系統中需要的電源電壓高幾伏。然后使用線性穩壓器將此電壓轉換為電子產品所需的穩定調節的電壓。圖2顯示了此概念的方框圖。

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圖2. 線路變壓器后跟線性穩壓器。

圖2中基本設置的問題在于50 Hz/60 Hz變壓器體積相對較大且價格昂貴。此外，線性穩壓器還散發大量的熱量，因此系統總效率低，并且由于系統功率高，很難消除產生的熱量。

開關模式電源助一臂之力

為了避免圖2所示的電源的缺點，發明了開關模式電源。它們不依賴于50 Hz或60 Hz交流電壓，而是采用直流電壓，有時采用整流交流電壓，產生更高頻率的交流電壓以使用更小的變壓器，或在非隔離系統中，使用LC濾波器整流電壓，以產生直流輸出電壓。優點是解決方案尺寸小，成本相對較低。產生的交流電壓不需要是正弦電壓波形。簡單的PWM信號波形就能很好地工作，并且可使用PWM發生器和開關輕松生成。

直到2000年，雙極性晶體管都是常用的開關。它們性能不錯，但是開關轉換速度相對較低。功效也不高，開關頻率限制為50 kHz或100 kHz。如今，我們使用開關MOSFET代替雙極性晶體管，開關轉換速度要快得多。反過來，開關損耗也更低，開關頻率高達5 MHz。這樣高的開關頻率支持功率級使用非常小的電感和電容。

開關穩壓器帶來了很多優勢。它們通常提供高功效電壓轉換，允許升壓和降壓，并提供相對緊湊且低成本的設計。缺點是設計和優化過程復雜，開關轉換和開關頻率還會產生EMI。開關模式電源穩壓器以及 LTpowerCAD® 和 LTspice® 等電源設計工具的面市極大地簡化了這個困難的設計過程。利用這些工具，開關模式電源的電路設計過程可實現半自動化。

電源中的隔離

在設計電源時，要回答的*個問題是是否需要電氣隔離。使用電氣隔離有多個原因。它可以提高電路的安全性，允許浮動系統操作，防止嘈雜的接地電流在一個電路中通過不同的電子設備傳播。常見的兩種隔離拓撲是反激轉換器和正激轉換器。但是，對于較高的功率，使用推挽、半橋和全橋等其他隔離拓撲。

如果不需要電氣隔離，則大多數情況下使用非隔離拓撲。隔離拓撲總是需要變壓器，而這種設備往往昂貴而笨重，并且滿足定制電源所需的確切需求的現成設備通常很難得到。

不需要隔離時的大多數常見拓撲

常見的非隔離開關模式電源拓撲是降壓轉換器，也稱為降壓型轉換器，它接受正輸入電壓，并生成低于該輸入電壓的輸出電壓。它是三個基本開關模式電源拓撲中的一個，只需要兩個開關、一個電感和兩個電容。圖3顯示了此拓撲的基本原理。高端開關從輸入端發出脈沖電流，生成一個開關模式電壓，在輸入電壓和地電壓之間交替。LC濾波器在開關節點上獲取該脈沖電壓，生成一個直流輸出電壓。根據控制高端開關的PWM信號的占空比，生成不同電平的直流輸出電壓。這種DC-DC降壓轉換器具有很高的功效，相對容易構建，并且需要的組件很少。

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圖3. 簡單降壓轉換器的概念。

降壓轉換器在輸入端發出脈沖電流，而輸出端有來自電感的連續電流。這就是為什么降壓轉換器在輸入端噪聲很大，而在輸出端噪聲不那么大的原因。需要設計低噪聲系統時，了解這一點很重要。

除了降壓拓撲，第二個基本拓撲是升壓拓撲。升壓拓撲使用與降壓拓撲相同的五個基本功率元件，但經過了重新排列，將電感放在輸入端，高端開關放在輸出端。升壓拓撲用于將一個輸入電壓升高到高于該輸入電壓的輸出電壓。

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圖4. 簡單升壓轉換器的概念。

選擇升壓轉換器時，務必注意，升壓轉換器在數據手冊中始終指定最大額定開關電流，而非最大輸出電流。在降壓轉換器中，最大開關電流直接與最大可實現輸出電流相關，與輸入電壓和輸出電壓之間的電壓比無關。在升壓穩壓器中，電壓比直接影響基于固定最大開關電流的可能最大輸出電流。選擇合適的升壓穩壓器IC時，不僅要知道所需的輸出電流，而且要知道開發中設計的輸入和輸出電壓。

升壓轉換器在輸入端的噪聲很低，因為與輸入連接一致的電感可防止電流快速變化。但是，在輸出端，這種拓撲的噪聲就很大。我們只看到脈沖電流流過外部開關，因此相比降壓拓撲，更關注輸出紋波。

第三個基本拓撲是反相降壓-升壓轉換器，僅由五個基本元件組成。該轉換器獲取正輸入電壓，并將其轉換為負輸出電壓，名稱由此而來。除此之外，輸入電壓還可能高于或低于反相輸出電壓的*值。例如，–12 V輸出電壓可能從輸入端的5 V或24 V中產生。不進行任何特殊電路修改也可能會發生這種情況。圖5顯示了反相降壓-升壓轉換器的電路概念。

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圖5. 簡單反相降壓-升壓轉換器的概念。

在反相降壓-升壓拓撲中，電感從開關節點接地。轉換器的輸入端和輸出端都有脈沖電流，因此這種拓撲的輸入端和輸出端的噪聲均較大。在低噪聲應用中，這種特性通過添加額外的輸入和輸出濾波來補償。

反相降壓-升壓拓撲的一個有利方面是任何降壓開關穩壓器IC都可用于這種轉換器。只要將降壓電路的輸出電壓連接到系統接地即可。降壓IC電路接地將成為經過調整的負電壓。這一特性使得市場上的開關穩壓器IC的選擇范圍很大。

專門的拓撲

除了前面討論的三種基本非隔離開關模式電源拓撲外，還有很多拓撲可用。但是，它們都需要額外的電源組件。這通常會增加成本，并降低電源轉換效率。雖然存在某些例外情況，但在電源路徑中添加額外的組件通常會增加損耗。一些常用拓撲包括SEPIC、Zeta、?uk和4開關降壓-升壓。它們都有三種基本拓撲所不具備的功能。下面是每種拓撲的重要功能列表：

SEPIC：SEPIC可從高于或低于輸出電壓的正輸入電壓產生正輸出電壓。升壓穩壓器IC可用于設計SEPIC電源。此拓撲的缺點是需要第二個電感或一個耦合電感以及一個SEPIC電容。

Zeta：這Zeta轉換器類似于SEPIC，但能夠產生正或負輸出電壓。而且，它沒有右半平面零點(RHPZ)，由此簡化了調節環路。降壓轉換器IC可用于此類拓撲。

?uk：?uk轉換器可將正輸入電壓轉換為負輸出電壓。它使用兩個電感，一個在輸入端，一個在輸出端，因此輸入和輸出端的噪聲都很低。缺點是沒有很多開關模式電源轉換IC支持這種拓撲，因為調節環路需要負電壓反饋引腳。

4開關降壓-升壓：這種轉換器類型近年來變得非常*。它從正輸入電壓提供正輸出電壓。輸入電壓可能高于或低于經過調節的輸出電壓。這種轉換器的功率轉換效率更高，并且只需要一個電感，因此取代了很多SEPIC設計。

常用隔離拓撲

除了非隔離拓撲外，一些應用需要電氣隔離電源轉換器。原因可能是出于安全考慮，在不同電路相互連接的大型系統中需要有浮動接地，或者在噪聲敏感應用中需要防止接地電流環路。常見的隔離轉換器拓撲是反激轉換器和正激轉換器。

反激轉換器通常用于高達60 W的功率電平。電路的工作方式是，在導通時間內，電能存儲在變壓器中。在斷開時，該電能釋放到轉換器的副邊，為輸出供電。這種轉換器容易構建，但需要相對較大的變壓器來存儲正常操作所需的所有電能。這一方面使得該拓撲僅限于較低的功率電平。圖6的頂部顯示了反激轉換器，底部顯示了正激轉換器。

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圖6. 反激轉換器（頂部）和正激轉換器（底部）。

除了反激轉換器，正激轉換器也很*。它使用變壓器的方式與反激轉換器不同。在導通時間內，雖然有電流流過一次繞組，但也有電流流過二次繞組。電能不應存儲在變壓器線圈中。在每個開關周期后，我們都必須確保線圈的所有磁化釋放到零，使得變壓器在若干開關周期后不會飽和。利用幾項不同的技術就可以從線圈中釋放電能。一種常用方式是使用帶有小型額外開關和電容的有源鉗位。

圖7顯示了使用 ADP1074 的有源鉗位正激設計的LTspice仿真環境原理圖。在正激轉換器中，輸出路徑中有一個反激轉換器中所沒有的額外電感，如圖6所示。盡管這個額外的組件具有相關的空間和成本影響，但與反激轉換器相比，它有助于產生較低噪聲的輸出電壓。此外，在與反激轉換器相同的功率電平下，正激轉換器所需的變壓器尺寸可能要小得多。

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圖7. 使用ADP1074產生隔離輸出電壓的有源鉗位正激電路，如LTspice中仿真所示。

先進隔離拓撲

除反激和正激拓撲外，還有很多基于不同變壓器的電氣隔離轉換器概念。以下列表對常用轉換器進行了一些基本解釋：

推挽：推挽拓撲類似于正激轉換器拓撲。但是，該拓撲需要兩個有源低邊開關，而不是一個低邊開關。還需要一個帶中心抽頭的初級變壓器。與正激轉換器相比，推挽轉換器的優點是運行時的噪聲通常更低，而且需要的變壓器更小。變壓器的BH曲線的滯回在兩個象限而非一個象限中使用。
半橋/全橋：這兩種拓撲通常用于更高功率的設計，從幾百瓦開始一直到幾千瓦。除了低端開關，它們還需要高端開關，但可通過相對較小的變壓器實現很高的電能傳輸。
ZVS：討論高功率隔離轉換器時，通常會提到這個術語。它代表零電壓開關。此類轉換器的另一個術語是LLC（電感-電感-電容）轉換器。這些架構的目的是實現高效率轉換。它們會產生諧振電路，并在開關上的電壓或電流接近零時開關電源開關。這樣，開關損耗便降至最低。但是，此類設計很難實現，開關頻率也不固定，有時會產生EMI問題。

開關電容變換器

除了線性穩壓器和開關模式電源，還有第三組電源轉換器：開關電容轉換器。也稱為電荷泵。它們使用開關和電容倍增或逆變電壓。一大優點是不需要任何電感。此類轉換器通常用于低于5 W的低功率電平。但是，最近取得的重大進展允許功率更大的開關電容轉換器。圖8顯示了采用120 W設計、效率達98.5%的 LTC7820 ，將48 V轉換為24 V。

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圖8. LTC7820固定比率高功率電荷泵DC-DC控制器。

數字電源

本文中討論的所有電源都可作為模擬或數字電源來實現。到底什么是數字電源？電源必須始終通過開關、電感、變壓器和電容的模擬功率級。數字方面由兩個數字構建模塊引入：

*個是數字接口，通過該接口，電子系統可以與電源通信。可以即時設置不同的參數，以針對不同的工作條件優化電源。此外，電源還可與主處理器通信，并引發警告或故障標志。例如，系統可以輕松監控負載電流、超過預設閾值或電池溫度過高的情況。
第二個數字構建模塊使用數字環路代替模擬調節環路。這樣做的效果很好，但對于大多數應用，最好采用對一些參數有一定數字影響的標準模擬反饋環路，例如即時調節誤差放大器的增益或動態設置環路補償參數，以實現穩定但快速的反饋環路。

具有純數字控制環路的設備的一個示例是ADI 的 ADP1046A 。通過數字影響優化并具有模擬控制環路的數字接口降壓穩壓器的一個示例是 LTC3883。

EMI考量

電磁干擾(EMI)一直是設計開關模式電源時需要注意的問題。原因是開關模式電源會在很短的時間內開關高電流。開關速度越快，系統總效率就越好。更快的開關轉換速度可減少部分接通開關的時間。在這個部分接通時間內，會產生大部分開關損耗。圖9所示為開關模式電源在開關節點處的波形。以降壓穩壓器為例。高電壓由通過高端開關的電流定義，而低電壓通過沒有電流流過高端開關來定義。

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圖9. 開關模式電源的開關轉換速度和開關頻率。

在圖9中可以看到，開關模式電源產生的噪聲不僅來自于調節后的開關頻率，還來自于比頻率高得多的開關轉換速度。雖然開關頻率通常在500 kHz至3 MHz之間運行，但開關轉換時間可能有幾納秒長。在1 ns開關轉換時間，頻譜中對應的頻率將為1 GHz。至少這兩個頻率將被視為電磁輻射騷擾和傳導輻射。調節環路的振蕩或電源和濾波器之間的相互作用也可能帶來其它頻率。

降低EMI有兩個原因。*個原因是保護特定電源供電的電子系統的功能。例如，系統信號路徑中使用的16位ADC不應拾取來自電源的開關噪聲；第二個原因是滿足*各國政府為同時保護不同電子系統的可靠功能而制定的某些EMI法規。

EMI有兩種形式，輻射EMI和傳導EMI。降低輻射EMI的有效方式是優化PCB布局，并采用諸如ADI公司Silent Switcher®這樣的技術。當然，把電路放在一個屏蔽的金屬盒中也有效。但是，這可能不實用，而且在大多數情況下成本很高。

傳導EMI通常通過額外的濾波進行衰減。接下來將討論減少傳導輻射的額外濾波。

濾波

RC濾波器是基本低通濾波器。但是，在電源設計中，每個濾波器都是一個LC濾波器。通常，只要串聯添加一些電感就夠了，因為它將與開關模式電源的輸入或輸出電容一起形成一個LC或CLC濾波器。有時只使用電容作為濾波器，但是考慮到電源線或走線上的寄生電感，我們結合電容形成一個LC濾波器。電感L可能是一個帶有線圈的電感或是一個鐵氧體磁珠。LC濾波器的目的實際上是一種低通效應，使直流電源可以通過，并在很大程度上衰減較高的頻率干擾。LC濾波器有一個雙極點，因此可實現40 dB/十倍頻程的高頻率衰減。該濾波器可實現相對急劇的頻降。設計濾波器并非易事；但是，由于電路的寄生組件（如走線電感）會產生效應，因此對濾波器建模也需要對主要寄生效應進行建模。這使得模擬濾波器相當耗時。很多有濾波器設計經驗的設計人員知道哪些濾波器好用，可能會迭代地優化某個濾波器以獲得新的設計。

在設計所有濾波器時，不僅需要考慮小信號行為，如波特圖中濾波器的轉換函數，而且需要注意大信號效應。在任何LC濾波器中，電源都會通過電感。如果輸出端不再需要該電源，由于突然負載瞬態，存儲在電感中的電能需要釋放到某個地方。它會對濾波器的電容充電。如果濾波器不是針對這種最壞的情況而設計的，存儲的電能就可能會導致電壓過沖，可能損壞電路。

最后，濾波器具有一定的阻抗。該阻抗與附加在濾波器上的電源轉換器的阻抗相互作用。這種相互作用可能導致不穩定和振蕩。ADI公司的LTspice和LTpowerCAD等仿真工具對于回答所有這些問題和設計*濾波器很有幫助。圖10所示為LTpowerCAD設計環境中濾波器設計人員的圖形用戶界面。使用該工具設計濾波器非常簡單。

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圖10. 使用LTpowerCAD設計降壓穩壓器的輸入濾波器。

Silent Switchers

電磁輻射騷擾很難阻擋。需要采用某種金屬材料制成的特殊屏蔽。這樣做的成本很高。很長時間以來，工程師一直在尋找減少開關模式電源產生的電磁輻射騷擾的方式。幾年前，Silent Switcher技術取得了重大突破。通過減少開關模式電源的熱回路中的寄生電感，并將熱回路分為兩個回路，以高度對稱的方式設置，電磁輻射騷擾大多相互抵消。今天的許多Silent Switcher設備所提供的電磁輻射騷擾比傳統產品低得多。減少電磁輻射騷擾可提高開關轉換速度，而不會產生嚴重的EMI。提高開關轉換速度可減少開關損耗，由此提高開關頻率。這種創新的一個示例是 LTC3310S，其開關頻率為5 MHz，使用低成本的外部組件實現非常緊湊的設計。

電源管理是必需的，但也會帶來樂趣

在本文中，我們討論了電源設計的許多方面，包括不同的電源拓撲及其優缺點。這些信息對于電源工程師來說非?；A，但是對于專家和非專業人士而言，在設計過程中使用LTpowerCAD和LTspice等軟件工具很有幫助。借助這些工具，可在很短的時間內設計和優化電源轉換器。

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