推挽：推挽拓?fù)漕?lèi)似于正激轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹５?，該拓?fù)湫枰獌蓚€(gè)有源低邊開(kāi)關(guān)，而不是一個(gè)低邊開(kāi)關(guān)。還需要一個(gè)帶中心抽頭的初級(jí)變壓器。與正激轉(zhuǎn)換器相比，推挽轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行時(shí)的噪聲通常更低，而且需要的變壓器更小。變壓器的BH曲線(xiàn)的滯回在兩個(gè)象限而非一個(gè)象限中使用。

 

半橋/全橋：這兩種拓?fù)渫ǔＳ糜诟吖β实脑O(shè)計(jì)，從幾百瓦開(kāi)始一直到幾千瓦。除了低端開(kāi)關(guān)，它們還需要高端開(kāi)關(guān)，但可通過(guò)相對(duì)較小的變壓器實(shí)現(xiàn)很高的電能傳輸。

 

ZVS：討論高功率隔離轉(zhuǎn)換器時(shí)，通常會(huì)提到這個(gè)術(shù)語(yǔ)。它代表零電壓開(kāi)關(guān)。此類(lèi)轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)術(shù)語(yǔ)是LLC（電感-電感-電容）轉(zhuǎn)換器。這些架構(gòu)的目的是實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換。它們會(huì)產(chǎn)生諧振電路，并在開(kāi)關(guān)上的電壓或電流接近零時(shí)開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)。這樣，開(kāi)關(guān)損耗便降至最低。但是，此類(lèi)設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)頻率也不固定，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生EMI問(wèn)題。

 

開(kāi)關(guān)電容變換器

 

除了線(xiàn)性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)模式電源，還有第三組電源轉(zhuǎn)換器：開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。也稱(chēng)為電荷泵。它們使用開(kāi)關(guān)和電容倍增或逆變電壓。一大優(yōu)點(diǎn)是不需要任何電感。此類(lèi)轉(zhuǎn)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(jìn)展允許功率更大的開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。圖8顯示了采用120 W設(shè)計(jì)、效率達(dá)98.5%的 LTC7820 ，將48 V轉(zhuǎn)換為24 V。

 

圖8. LTC7820固定比率高功率電荷泵DC-DC控制器。

 

數(shù)字電源

 

本文中討論的所有電源都可作為模擬或數(shù)字電源來(lái)實(shí)現(xiàn)。到底什么是數(shù)字電源？電源必須始終通過(guò)開(kāi)關(guān)、電感、變壓器和電容的模擬功率級(jí)。數(shù)字方面由兩個(gè)數(shù)字構(gòu)建模塊引入。第一個(gè)是數(shù)字接口，通過(guò)該接口，電子系統(tǒng)可以與電源通信。可以即時(shí)設(shè)置不同的參數(shù)，以針對(duì)不同的工作條件優(yōu)化電源。此外，電源還可與主處理器通信，并引發(fā)警告或故障標(biāo)志。例如，系統(tǒng)可以輕松監(jiān)控負(fù)載電流、超過(guò)預(yù)設(shè)閾值或電池溫度過(guò)高的情況。

 

第二個(gè)數(shù)字構(gòu)建模塊使用數(shù)字環(huán)路代替模擬調(diào)節(jié)環(huán)路。這樣做的效果很好，但對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，最好采用對(duì)一些參數(shù)有一定數(shù)字影響的標(biāo)準(zhǔn)模擬反饋環(huán)路，例如即時(shí)調(diào)節(jié)誤差放大器的增益或動(dòng)態(tài)設(shè)置環(huán)路補(bǔ)償參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定但快速的反饋環(huán)路。具有純數(shù)字控制環(huán)路的設(shè)備的一個(gè)示例是ADI公司的 ADP1046A 。通過(guò)數(shù)字影響優(yōu)化并具有模擬控制環(huán)路的數(shù)字接口降壓穩(wěn)壓器的一個(gè)示例是 LTC3883。

 

EMI考量

 

電磁干擾(EMI)一直是設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)模式電源時(shí)需要注意的問(wèn)題。原因是開(kāi)關(guān)模式電源會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)高電流。開(kāi)關(guān)速度越快，系統(tǒng)總效率就越好。更快的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度可減少部分接通開(kāi)關(guān)的時(shí)間。在這個(gè)部分接通時(shí)間內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生大部分開(kāi)關(guān)損耗。圖9所示為開(kāi)關(guān)模式電源在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處的波形。以降壓穩(wěn)壓器為例。高電壓由通過(guò)高端開(kāi)關(guān)的電流定義，而低電壓通過(guò)沒(méi)有電流流過(guò)高端開(kāi)關(guān)來(lái)定義。

 

圖9. 開(kāi)關(guān)模式電源的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度和開(kāi)關(guān)頻率。

 

在圖9中可以看到，開(kāi)關(guān)模式電源產(chǎn)生的噪聲不僅來(lái)自于調(diào)節(jié)后的開(kāi)關(guān)頻率，還來(lái)自于比頻率高得多的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度。雖然開(kāi)關(guān)頻率通常在500 kHz至3 MHz之間運(yùn)行，但開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間可能有幾納秒長(zhǎng)。在1 ns開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間，頻譜中對(duì)應(yīng)的頻率將為1 GHz。至少這兩個(gè)頻率將被視為電磁輻射騷擾和傳導(dǎo)輻射。調(diào)節(jié)環(huán)路的振蕩或電源和濾波器之間的相互作用也可能帶來(lái)其它頻率。

 

降低EMI有兩個(gè)原因。第一個(gè)原因是保護(hù)特定電源供電的電子系統(tǒng)的功能。例如，系統(tǒng)信號(hào)路徑中使用的16位ADC不應(yīng)拾取來(lái)自電源的開(kāi)關(guān)噪聲。第二個(gè)原因是滿(mǎn)足世界各國(guó)政府為同時(shí)保護(hù)不同電子系統(tǒng)的可靠功能而制定的某些EMI法規(guī)。

 

EMI有兩種形式，輻射EMI和傳導(dǎo)EMI。降低輻射EMI的有效方式是優(yōu)化PCB布局，并采用諸如ADI公司Silent Switcher®這樣的技術(shù)。當(dāng)然，把電路放在一個(gè)屏蔽的金屬盒中也有效。但是，這可能不實(shí)用，而且在大多數(shù)情況下成本很高。

 

濾波

 

RC濾波器是基本低通濾波器。但是，在電源設(shè)計(jì)中，每個(gè)濾波器都是一個(gè)LC濾波器。通常，只要串聯(lián)添加一些電感就夠了，因?yàn)樗鼘⑴c開(kāi)關(guān)模式電源的輸入或輸出電容一起形成一個(gè)LC或CLC濾波器。有時(shí)只使用電容作為濾波器，但是考慮到電源線(xiàn)或走線(xiàn)上的寄生電感，我們結(jié)合電容形成一個(gè)LC濾波器。電感L可能是一個(gè)帶有線(xiàn)圈的電感或是一個(gè)鐵氧體磁珠。LC濾波器的目的實(shí)際上是一種低通效應(yīng)，使直流電源可以通過(guò)，并在很大程度上衰減較高的頻率干擾。LC濾波器有一個(gè)雙極點(diǎn)，因此可實(shí)現(xiàn)40 dB/十倍頻程的高頻率衰減。該濾波器可實(shí)現(xiàn)相對(duì)急劇的頻降。設(shè)計(jì)濾波器并非易事；但是，由于電路的寄生組件（如走線(xiàn)電感）會(huì)產(chǎn)生效應(yīng)，因此對(duì)濾波器建模也需要對(duì)主要寄生效應(yīng)進(jìn)行建模。這使得模擬濾波器相當(dāng)耗時(shí)。很多有濾波器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員知道哪些濾波器好用，可能會(huì)迭代地優(yōu)化某個(gè)濾波器以獲得新的設(shè)計(jì)。

 

在設(shè)計(jì)所有濾波器時(shí)，不僅需要考慮小信號(hào)行為，如波特圖中濾波器的轉(zhuǎn)換函數(shù)，而且需要注意大信號(hào)效應(yīng)。在任何LC濾波器中，電源都會(huì)通過(guò)電感。如果輸出端不再需要該電源，由于突然負(fù)載瞬態(tài)，存儲(chǔ)在電感中的電能需要釋放到某個(gè)地方。它會(huì)對(duì)濾波器的電容充電。如果濾波器不是針對(duì)這種最壞的情況而設(shè)計(jì)的，存儲(chǔ)的電能就可能會(huì)導(dǎo)致電壓過(guò)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(zhuǎn)換器的阻抗相互作用。這種相互作用可能導(dǎo)致不穩(wěn)定和振蕩。ADI公司的LTspice和LTpowerCAD等仿真工具對(duì)于回答所有這些問(wèn)題和設(shè)計(jì)出色濾波器很有幫助。圖10所示為L(zhǎng)TpowerCAD設(shè)計(jì)環(huán)境中濾波器設(shè)計(jì)人員的圖形用戶(hù)界面。使用該工具設(shè)計(jì)濾波器非常簡(jiǎn)單。

 

圖10. 使用LTpowerCAD設(shè)計(jì)降壓穩(wěn)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(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，工程師一直在尋找減少開(kāi)關(guān)模式電源產(chǎn)生的電磁輻射騷擾的方式。幾年前，Silent Switcher技術(shù)取得了重大突破。通過(guò)減少開(kāi)關(guān)模式電源的熱回路中的寄生電感，并將熱回路分為兩個(gè)回路，以高度對(duì)稱(chēng)的方式設(shè)置，電磁輻射騷擾大多相互抵消。今天的許多Silent Switcher設(shè)備所提供的電磁輻射騷擾比傳統(tǒng)產(chǎn)品低得多。減少電磁輻射騷擾可提高開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度，而不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI。提高開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度可減少開(kāi)關(guān)損耗，由此提高開(kāi)關(guān)頻率。這種創(chuàng)新的一個(gè)示例是 LTC3310S，其開(kāi)關(guān)頻率為5 MHz，使用低成本的外部組件實(shí)現(xiàn)非常緊湊的設(shè)計(jì)。

 

圖11. 實(shí)現(xiàn)低電磁輻射騷擾的LTC3310S Silent Switcher設(shè)計(jì)。

 

電源管理是必需的，但也會(huì)帶來(lái)樂(lè)趣

 

在本教程中，我們討論了電源設(shè)計(jì)的許多方面，包括不同的電源拓?fù)浼捌鋬?yōu)缺點(diǎn)。這些信息對(duì)于電源工程師來(lái)說(shuō)非?；A(chǔ)，但是對(duì)于專(zhuān)家和非專(zhuān)業(yè)人士而言，在設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)和優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換器。希望本教程有助于您迎接下一次電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。