本迷你教程概述了電源設(shè)計的可能性。它將介紹基本和常用的隔離和非隔離電源拓撲及其優(yōu)缺點。我們還將介紹電磁干擾 （EMI） 和濾波注意事項。本迷你教程旨在提供對電源設(shè)計藝術(shù)的簡化理解和重新欣賞。

介紹

大多數(shù)電子系統(tǒng)需要在能量供應(yīng)電壓和需要供電的電路電壓之間進行某種電壓轉(zhuǎn)換。當電池失去電量時，電壓會下降。一些DC-DC轉(zhuǎn)換可以確保電池中存儲的更多能量用于為電路供電。此外，例如，對于 110 V AC 線路，我們無法直接為微控制器等半導(dǎo)體供電。由于電壓轉(zhuǎn)換器（也稱為電源）幾乎用于每個電子系統(tǒng)，因此多年來它們已針對不同的用途進行了優(yōu)化。當然，一些常見的優(yōu)化目標是解決方案尺寸、轉(zhuǎn)換效率、EMI和成本。

最簡單的電源：LDO

最簡單的電源形式之一是低壓差（LDO）穩(wěn)壓器。LDO是線性穩(wěn)壓器，而不是開關(guān)穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器在輸入電壓和輸出電壓之間放置一個可調(diào)電阻，這意味著輸出電壓是固定的，與輸入電壓如何變化以及流過器件的負載電流無關(guān)。圖1顯示了這種簡單電壓轉(zhuǎn)換器的基本原理。

圖1.線性穩(wěn)壓器將一個電壓轉(zhuǎn)換為另一個電壓。

多年來，典型的功率轉(zhuǎn)換器由連接到電網(wǎng)的 50 Hz 或 60 Hz 變壓器組成，具有一定的繞組比以產(chǎn)生非穩(wěn)壓輸出電壓，比系統(tǒng)中所需的電源電壓高幾伏。然后，使用線性穩(wěn)壓器將該電壓轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備需要的良好調(diào)節(jié)電壓。圖 2 顯示了此概念的框圖。

圖2.線路變壓器后接線性穩(wěn)壓器。

圖2中基本設(shè)置的問題在于50 Hz/60 Hz變壓器體積龐大且價格昂貴。此外，線性穩(wěn)壓器會散發(fā)大量熱量，因此系統(tǒng)總效率低，并且在高系統(tǒng)功率下很難消除產(chǎn)生的熱量。

開關(guān)模式電源救援

為了避免圖2所示電源的缺點，發(fā)明了開關(guān)模式電源。它們不依賴于 50 Hz 或 60 Hz 交流電壓。它們采用直流電壓，有時是整流的交流電壓，并產(chǎn)生更高頻率的交流電壓以使用更小的變壓器，或者在非隔離系統(tǒng)中，使用LC濾波器整流電壓以產(chǎn)生直流輸出電壓。優(yōu)點是解決方案尺寸小，成本相對較低。產(chǎn)生的交流電壓不需要是正弦電壓波形。簡單的PWM信號形狀就可以正常工作，并且很容易使用PWM發(fā)生器和開關(guān)生成。

直到2000年，雙極晶體管是最常用的開關(guān)。它們可以很好地工作，但開關(guān)轉(zhuǎn)換速度相對較慢。它們的能效不是很高，將開關(guān)頻率限制在50 kHz或100 kHz。今天，我們使用開關(guān)MOSFET代替雙極性瞬變器，從而實現(xiàn)更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換。這反過來又為我們提供了更低的開關(guān)損耗，允許高達5 MHz的開關(guān)頻率。如此高的開關(guān)頻率使得在功率級中使用非常小的電感器和電容器成為可能。

開關(guān)穩(wěn)壓器帶來很多好處。它們通常提供高能效電壓轉(zhuǎn)換，允許電壓升壓和降壓，并提供相對緊湊和低成本的設(shè)計。缺點是設(shè)計和優(yōu)化起來并不簡單，并且它們從開關(guān)轉(zhuǎn)換和開關(guān)頻率中產(chǎn)生EMI。開關(guān)模式電源穩(wěn)壓器的可用性，以及電源設(shè)計工具，如LTpowerCAD?和LTspice?大大簡化了這個困難的設(shè)計過程。有了這些工具，開關(guān)模式電源的電路設(shè)計過程可以半自動化。

電源隔離

在設(shè)計電源時，首先要回答的問題是是否需要電氣隔離。使用電流隔離有多種原因。它可以使電路更安全，允許浮動系統(tǒng)操作，并防止嘈雜的接地電流通過一個電路中的不同電子設(shè)備傳播。兩種最常見的隔離拓撲是反激式和正激式轉(zhuǎn)換器。但是，對于更高的功率，使用其他隔離拓撲，例如推挽式、半橋和全橋。

如果不需要電流隔離，則在大多數(shù)情況下使用非隔離拓撲。隔離拓撲總是需要變壓器，而這種器件往往昂貴、笨重，并且通常難以滿足定制電源所需的確切要求。

不需要隔離時的最常見拓撲

最常見的非隔離開關(guān)模式電源拓撲是降壓轉(zhuǎn)換器。它也被稱為降壓轉(zhuǎn)換器。它接受正輸入電壓，并產(chǎn)生低于輸入電壓的輸出電壓。它是三種最基本的開關(guān)模式電源拓撲之一，只需要兩個開關(guān)、一個電感器和兩個電容器。圖 3 顯示了此拓撲的基本原理。高端開關(guān)從輸入端發(fā)出脈沖電流，并產(chǎn)生在輸入電壓和接地電壓之間交替的開關(guān)節(jié)點電壓。LC濾波器在開關(guān)節(jié)點上獲取該脈沖電壓并產(chǎn)生直流輸出電壓。根據(jù)控制高端開關(guān)的PWM信號的占空比，會產(chǎn)生不同水平的直流輸出電壓。這種DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器非常節(jié)能，相對容易構(gòu)建，并且需要很少的元件。

圖3.簡單降壓轉(zhuǎn)換器的概念。

降壓轉(zhuǎn)換器在輸入側(cè)脈沖電流，而輸出側(cè)具有來自電感器的連續(xù)電流。這就是為什么降壓穩(wěn)壓器在輸入側(cè)噪聲很大，而在輸出側(cè)噪聲不大的原因。當需要設(shè)計低噪聲系統(tǒng)時，了解這一點非常重要。

除了降壓拓撲之外，第二個基本拓撲是升壓或升壓拓撲。它使用與降壓轉(zhuǎn)換器相同的五個基本功率元件，但經(jīng)過重新排列，使電感放置在輸入側(cè)，高側(cè)開關(guān)放置在輸出側(cè)。升壓拓撲用于將某個輸入電壓升壓至高于輸入電壓的輸出電壓。

圖4.簡單升壓升壓轉(zhuǎn)換器的概念。

選擇升壓轉(zhuǎn)換器時，需要注意的是，升壓轉(zhuǎn)換器始終在其數(shù)據(jù)手冊中指定最大額定開關(guān)電流，而不是最大輸出電流。在降壓轉(zhuǎn)換器中，最大開關(guān)電流與可實現(xiàn)的最大輸出電流直接相關(guān)，與輸入電壓和輸出電壓之間的電壓比無關(guān)。在升壓穩(wěn)壓器中，電壓比直接影響基于固定最大開關(guān)電流的可能最大輸出電流。選擇合適的升壓穩(wěn)壓器IC時，您不僅需要知道所需的輸出電流，還需要知道開發(fā)中設(shè)計的輸入和輸出電壓。

升壓轉(zhuǎn)換器在輸入側(cè)的噪聲非常低，因為與輸入連接一致的電感可防止電流的快速變化。但是，在輸出端，這種拓撲非常嘈雜。我們只看到脈沖電流流過外部開關(guān)，因此與降壓拓撲相比，輸出紋波更受關(guān)注。

第三種基本拓撲僅由五個基本元件組成，是反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。該名稱來源于該轉(zhuǎn)換器采用正輸入電壓并將其轉(zhuǎn)換為負輸出電壓的事實。除此之外，輸入電壓可能高于或低于反相輸出電壓的絕對值。例如，輸入端的5 V或24 V輸出電壓可能產(chǎn)生–12 V。這無需進行任何特殊的電路修改即可實現(xiàn)。圖5顯示了反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電路概念。

圖5.簡單反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的概念。

在反相降壓-升壓拓撲中，電感從開關(guān)節(jié)點連接到地。轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)和輸出側(cè)都可以看到脈沖電流，這使得這種拓撲在輸入側(cè)和輸出側(cè)都相對嘈雜。在低噪聲應(yīng)用中，這種特性可以通過增加額外的輸入和輸出濾波來補償。

反相降壓-升壓拓撲的一個非常積極的方面是，任何降壓開關(guān)穩(wěn)壓器IC都可用于這種轉(zhuǎn)換器。它就像將降壓電路的輸出電壓連接到系統(tǒng)接地一樣簡單。降壓IC電路接地將成為調(diào)整后的負電壓。這種特性在市場上的開關(guān)穩(wěn)壓器IC中提供了非常多的選擇。

專用拓撲

除了前面討論的三種基本非隔離開關(guān)模式電源拓撲外，還有更多可用的拓撲。但是，它們都需要額外的電源組件。這通常使它們成本更高，功率轉(zhuǎn)換效率更低。雖然存在某些例外情況，但通常，在電源路徑中添加額外的組件會增加損耗。一些最流行的拓撲是SEPIC，Zeta，?uk和4開關(guān)降壓升壓。它們各自提供三種基本拓撲所不具備的功能。以下是每個拓撲的最重要功能的列表：

XSEPIC SEPIC可以從可能高于或低于輸出電壓的正輸入電壓中產(chǎn)生正輸出電壓。升壓穩(wěn)壓器IC可用于設(shè)計SEPIC電源。這種拓撲結(jié)構(gòu)的缺點是需要第二個電感器或一個耦合電感器以及一個SEPIC電容器。XZeta Zeta轉(zhuǎn)換器類似于SEPIC，但它能夠產(chǎn)生正或負輸出電壓。此外，它沒有右半平面零點（RHPZ），從而簡化了調(diào)節(jié)環(huán)路。降壓轉(zhuǎn)換器IC可用于這種拓撲。X?uk ?uk 轉(zhuǎn)換器可將正輸入電壓反轉(zhuǎn)為負輸出電壓。它使用兩個電感器，一個在輸入側(cè)，一個在輸出側(cè)，因此輸入側(cè)和輸出側(cè)的噪聲相當?shù)汀Ｈ秉c是支持這種拓撲的開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換IC并不多，因為調(diào)節(jié)環(huán)路需要一個負電壓反饋引腳。X4開關(guān)降壓-升壓 這種轉(zhuǎn)換器類型近年來變得非常流行。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調(diào)整后的輸出電壓。該轉(zhuǎn)換器取代了許多SEPIC設(shè)計，因為它提供了更高的功率轉(zhuǎn)換效率，并且只需要一個電感器。

最常見的隔離拓撲

除非隔離拓撲外，某些應(yīng)用還需要電隔離電源轉(zhuǎn)換器。原因可能是安全問題，在不同電路互連的大型系統(tǒng)中需要浮動接地，或者在噪聲敏感應(yīng)用中防止接地電流環(huán)路。最常見的隔離式轉(zhuǎn)換器拓撲是反激式和正激式轉(zhuǎn)換器。

反激式轉(zhuǎn)換器通常用于高達 60 W 的功率水平。電路的工作方式是在導(dǎo)通時間內(nèi)，能量存儲在變壓器中。在關(guān)斷期間，該能量被釋放到轉(zhuǎn)換器的次級側(cè)，為輸出供電。該轉(zhuǎn)換器易于構(gòu)建，但它需要相對較大的變壓器來存儲正常運行所需的所有能量。這方面將拓撲限制為較低的功率水平。圖6顯示了頂部的反激式轉(zhuǎn)換器和底部的正激式轉(zhuǎn)換器。

圖6.反激式轉(zhuǎn)換器（頂部）和正激式轉(zhuǎn)換器（底部）。

除了反激式轉(zhuǎn)換器，正激式轉(zhuǎn)換器也非常受歡迎。它使用變壓器的方式與反激式不同。在導(dǎo)通期間，當電流流過初級側(cè)繞組時，也有電流流過次級繞組。能量不應(yīng)儲存在變壓器的鐵芯中。在每個開關(guān)周期之后，我們必須確保磁芯的所有磁化釋放到零，這樣變壓器在經(jīng)過多個開關(guān)周期后就不會飽和。這種從核心釋放的能量可以通過幾種不同的技術(shù)來實現(xiàn)。一種流行的方法是使用帶有小型附加開關(guān)和電容器的有源箝位。

圖7顯示了使用ADP1074的正激有源箝位設(shè)計的LTspice仿真環(huán)境原理圖。在正激式轉(zhuǎn)換器中，與反激式相比，輸出路徑中增加了一個電感，如圖6所示。雖然這是一個額外的元件，具有相關(guān)的空間和成本影響，但與反激式轉(zhuǎn)換器相比，它有助于產(chǎn)生更低的噪聲輸出電壓。此外，與反激式相同功率水平的正激式轉(zhuǎn)換器所需的變壓器尺寸可能要小得多。

圖7.使用ADP1074的正激有源箝位電路，用于產(chǎn)生隔離輸出電壓，如LTspice中仿真的那樣。

高級隔離拓撲

除了反激式和正激式拓撲結(jié)構(gòu)外，還有許多不同的基于變壓器的電氣隔離轉(zhuǎn)換器概念。以下列表提供了有關(guān)最常見轉(zhuǎn)換器的一些非常基本的解釋：

XPush-Pull 推挽式拓撲結(jié)構(gòu)類似于正激式轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)。但是，這種拓撲不需要一個低邊開關(guān)，而是需要兩個有源低邊開關(guān)。此外，它還需要一個帶中心抽頭的初級變壓器繞組。推挽式的優(yōu)點是與正激式轉(zhuǎn)換器相比，其工作噪聲通常較低，并且還需要更小的變壓器。變壓器BH曲線的遲滯用于兩個象限，而不僅僅是一個象限。XHalf橋/全橋 這兩種拓撲通常用于從幾百瓦到幾千瓦的更高功率設(shè)計。除了低邊開關(guān)外，它們還需要高邊開關(guān)，但使用相對較小的變壓器可以實現(xiàn)非常高的功率傳輸。XZVS在討論高功率隔離轉(zhuǎn)換器時經(jīng)常出現(xiàn)這個術(shù)語。它代表零電壓開關(guān)。這種轉(zhuǎn)換器的另一個術(shù)語是LLC（電感-電感-電容）轉(zhuǎn)換器。這些架構(gòu)旨在實現(xiàn)非常高效率的轉(zhuǎn)換。它們產(chǎn)生諧振電路并在開關(guān)兩端的電壓或電流接近于零時切換電源開關(guān)。因此，開關(guān)損耗最小。然而，這種設(shè)計可能難以設(shè)計，開關(guān)頻率不固定，有時會產(chǎn)生EMI問題。

開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器

除了線性穩(wěn)壓器和開關(guān)模式電源外，還有第三組電源轉(zhuǎn)換器：開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。它們也被稱為電荷泵。它們使用開關(guān)和電容器來倍增或反相電壓。它們具有不需要任何電感器的巨大優(yōu)勢。通常，此類轉(zhuǎn)換器用于低于5 W的低功率水平。然而，最近已經(jīng)取得了重大進展，允許更高功率的開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。圖8顯示LTC7820采用120 W設(shè)計，效率為98.5%，可將48 V轉(zhuǎn)換為24 V。

圖8.LTC7820 固定比率高功率充電泵 DC-DC 控制器。

數(shù)字電源

本文討論的所有電源都可以實現(xiàn)為模擬或數(shù)字電源。數(shù)字電源到底是什么？電源必須始終通過帶有開關(guān)、電感器、變壓器和電容器的模擬功率級。數(shù)字方面由兩個數(shù)字構(gòu)建塊引入。第一個是數(shù)字接口，它允許電子系統(tǒng)“交談”和“收聽”電源。可以即時設(shè)置不同的參數(shù)，以針對不同的工作條件優(yōu)化電源。此外，電源可以與主處理器通信并發(fā)出警告或故障標志。例如，系統(tǒng)可以輕松監(jiān)控負載電流、超過預(yù)設(shè)閾值或電源溫度過高。

第二個數(shù)字構(gòu)建模塊用數(shù)字環(huán)路取代模擬調(diào)節(jié)環(huán)路。這可以成功工作，但對于大多數(shù)應(yīng)用，最佳選擇是標準模擬反饋環(huán)路，對某些參數(shù)有一些數(shù)字影響，例如動態(tài)調(diào)整誤差放大器的增益或動態(tài)設(shè)置環(huán)路補償參數(shù)以實現(xiàn)穩(wěn)定但快速的反饋環(huán)路。具有純數(shù)字控制環(huán)路的器件示例是ADI公司的ADP1046A。LTC3883 就是具有模擬控制環(huán)路的數(shù)字接口降壓穩(wěn)壓器的一個示例，該穩(wěn)壓器根據(jù)數(shù)字影響進行了優(yōu)化。

電磁干擾注意事項

在設(shè)計開關(guān)模式電源時，電磁干擾（EMI）始終是一個需要注意的主題。原因是開關(guān)模式電源在很短的時間內(nèi)打開和關(guān)閉大電流。開關(guān)速度越快，系統(tǒng)總效率就越高。更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換可縮短開關(guān)部分開啟的時間。在此部分導(dǎo)通時間內(nèi)，會產(chǎn)生大多數(shù)開關(guān)損耗。圖9顯示了開關(guān)模式電源的開關(guān)節(jié)點波形。讓我們想象一個降壓穩(wěn)壓器。高壓由流過高端開關(guān)的電流定義，低電壓由流過高端開關(guān)的電流不足定義。

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

在圖9中，我們可以看到，開關(guān)模式電源不僅會產(chǎn)生來自調(diào)整后的開關(guān)頻率的噪聲，還會產(chǎn)生來自開關(guān)轉(zhuǎn)換速度的噪聲，開關(guān)轉(zhuǎn)換速度的頻率要高得多。雖然開關(guān)頻率通常在500 kHz和3 MHz之間，但開關(guān)轉(zhuǎn)換時間可能長達幾納秒。在 1 ns 開關(guān)轉(zhuǎn)換時間，我們將在頻譜中看到 1 GHz 的相應(yīng)頻率。至少這兩個頻率都將被視為輻射和傳導(dǎo)發(fā)射。其他頻率也可能來自調(diào)節(jié)環(huán)路的振蕩或電源和濾波器之間的相互作用。

降低EMI有兩個原因。第一個原因是保護特定電源供電的電子系統(tǒng)的功能。例如，系統(tǒng)信號路徑中使用的16位ADC不應(yīng)拾取來自電源的開關(guān)噪聲。第二個原因是為了滿足世界各國政府制定的某些EMI法規(guī)，以同時保護不同電子系統(tǒng)的可靠功能。

EMI 有兩種形式，輻射 EMI 和傳導(dǎo) EMI。降低輻射EMI的最有效方法是優(yōu)化PCB布局，并使用ADI公司的靜音開關(guān)技術(shù)等技術(shù)。當然，將電路放入屏蔽金屬盒中也是有效的。但是，這可能不切實際，并且在大多數(shù)情況下非常昂貴。?

傳導(dǎo)EMI通常通過額外的濾波衰減。下一節(jié)將討論減少傳導(dǎo)輻射的額外濾波。

濾波

RC濾波器是基本的低通濾波器。然而，在電源設(shè)計中，每個濾波器都只是一個LC濾波器。通常，只需串聯(lián)增加一些電感就足夠了，因為它將與開關(guān)模式電源的輸入或輸出電容一起形成LC或CLC濾波器。有時僅使用電容器作為濾波器，但是，考慮到電源線或走線上的寄生電感，我們也與電容器一起形成LC濾波器。電感L可以是帶磁芯的電感，也可以是鐵氧體磁珠。LC濾波器的目的實際上是低通效應(yīng)，以便直流電源可以穿過，并且高頻干擾在很大程度上衰減。LC濾波器具有雙極點，因此我們得到的高頻衰減為每十倍頻程40 dB。該過濾器的下降相對較快。設(shè)計過濾器不是火箭科學(xué);但是，由于電路的寄生元件（如走線電感）具有影響，因此對濾波器進行建模還需要對主要寄生效應(yīng)進行建模。這會使模擬濾波器非常耗時。許多具有濾波器設(shè)計經(jīng)驗的設(shè)計人員都知道哪些濾波器以前工作過，他們可能會為新設(shè)計迭代優(yōu)化某個濾波器。

在所有濾波器設(shè)計中，不僅需要考慮小信號行為，例如波特圖中濾波器的傳遞函數(shù)，還需要了解大信號效應(yīng)。在任何LC濾波器中，電源都會流過電感。如果輸出端不再需要該功率，由于突然的負載瞬變，則存儲在電感器中的能量需要去某個地方。它為濾波器的電容充電。如果濾波器不是為這種最壞的情況而設(shè)計的，則存儲的功率可能會導(dǎo)致電壓過沖，從而可能損壞電路。

最后，濾波器具有一定的阻抗。該阻抗與連接到濾波器的功率轉(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等仿真工具可以極大地幫助回答所有這些問題并設(shè)計完美的濾波器。圖10顯示了LTpowerCAD設(shè)計環(huán)境中濾波器設(shè)計人員的圖形用戶界面。使用此工具，過濾器設(shè)計非常簡單。

圖 10.利用LTpowerCAD為降壓穩(wěn)壓器設(shè)計輸入濾波器。

靜音切換器

輻射發(fā)射很難阻擋。需要用一些金屬材料進行特殊的屏蔽。這可能非常昂貴。長期以來，工程師一直在尋找減少開關(guān)模式電源產(chǎn)生的輻射發(fā)射的方法。幾年前，靜音切換器技術(shù)取得了重大突破。通過減少開關(guān)模式電源熱回路中的寄生電感，并將熱回路一分為二并以非常對稱的方式設(shè)置，輻射發(fā)射大多相互抵消。如今，許多靜音切換器器件的輻射發(fā)射比傳統(tǒng)產(chǎn)品低得多。減少輻射發(fā)射可以提高開關(guān)轉(zhuǎn)換速度，而不會造成嚴重的EMI損失。使開關(guān)轉(zhuǎn)換速度更快可降低開關(guān)損耗，從而實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率。LTC3310S就是這種創(chuàng)新的一個例子，它可以在5 MHz開關(guān)頻率下工作，從而能夠?qū)崿F(xiàn)極其緊湊的設(shè)計，并采用成本極低的外部元件。

圖 11.LTC3310S 靜音切換器設(shè)計可實現(xiàn)最低的輻射發(fā)射。

電源管理是必需品，但也可以令人愉快

在本教程中，我們研究了電源設(shè)計的許多方面，包括不同的電源拓撲及其優(yōu)缺點。對于電源工程師來說，這些信息可能非常基本，但對于專家和非專家來說，使用LTpowerCAD和LTspice等軟件工具來協(xié)助設(shè)計過程是有幫助的。借助這些工具，可以在很短的時間內(nèi)設(shè)計和優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換器。希望本教程能激發(fā)您期待下一個電源設(shè)計挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷