如何进行电源设计——第 1 部分

1、前言

如果我们不知道如何开始以及从哪里开始设计电源，对于开关模式电源设计可能是一件神秘的事情，因为有多种拓扑结构和控制器类型可供选择。在本文系列中，我将介绍如何为我们的应用选择最合适的电源拓扑，以及我们需要了解的内容。最好的起点通常是为我们的应用制定专门的规范。该规范至少应包括有关输入电压范围、输出电压和最大负载电流的信息。但是，如果我们还可以回答一些后续问题，则选择最合适的拓扑和/或系统解决方案会更容易。

2.电源需求

·我们的应用是否需要输入和输出之间的隔离屏障？如果是，我们需要哪种绝缘等级？我们想通过初级或次级侧调节实现输出电压调节吗？

·我们的电源是用于 DC-DC 还是 AC-DC 转换？关于输入的其他有用信息可以包括最大浪涌电流、最大输入电流和最大可接受反射纹波。

·我们的应用的输出功率范围是多少？在许多情况下，此信息会减少可用拓扑和控制器的数量。我们的规格还应包括对电源输出电压容差、最大可接受输出电压纹波、平均输出电流和峰值输出电流的要求。对动态行为的其他要求，如负载调节、瞬态响应和线路调节（例如，后者对于汽车启动很重要）也应该在规范中，因为我们可能需要相应地调整功率级来实现它们。

·我们想要的开关频率是多少？我们是否需要频率抖动来降低峰值发射？我们的系统中是否有多个电源？如果是这样，是否需要同步供应？对于汽车应用，通常选择低于 450kHz 或高于 2.1MHz 的开关频率以避免干扰 AM 频段。对于高功率应用，我们可能希望选择低开关频率以获得最佳效率。

·环境和工作温度范围是多少？设计用于哪个应用领域？是否需要汽车或军用级零件？

·我们的电源的主要优先事项是什么？一般来说，对于每个电源设计，我们都必须在性能、外形尺寸和成本之间进行权衡。了解这些因素中哪一个具有最高优先级很重要，因为它会直接影响我们的设计质量。

·电源是否需要满足有关效率、电磁干扰 (EMI)、功率因数校正 (PFC) 或美国保险商实验室 (UL) 认证的特定标准？是否需要轻载效率或特定的待机功率水平？

当然，所有这些信息并不总是必要的。然而，我们的电源规格越详细，就越容易选择最合适的拓扑结构和性能最佳的组件。

3常见的开关电源拓扑

最常见的开关模式电源拓扑是：

·Boost升压

·Buck降压

·Buck-Boost降压-升压

·反向升降压

·单端初级电感转换器 (SEPIC)

·Flyback反激

·Two-Transistor Forward双晶体管正激

·Forward正激

·Push-Pull推挽

·Half Bridge半桥

·Full Bridge全桥

·移相全桥

4、电路举例

1、Boost升压

特点：把输入升至一个较高的电压。升压与降压一样，但重新安排了电感、开关和二极管。输出总是比大于或等于输入(忽略二极管的正向压降)。输入电流平滑，输出电流不连续 (斩波)。

2、Buck-Boost降压-升压

特点：电感、开关和二极管的另一种安排方法。结合了降压和升压电路的缺点。输入电流不连续 (斩波)。输出电流也不连续 (斩波)。输出总是与输入反向 (注意电容的极性)，但是幅度可以小于或大于输入。“反激”变换器实际是降压-升压电路隔离形式。

3、Flyback反激

特点：如降压-升压电路一样工作，但是电感有两个绕组，而且同时作为变压器和电感。输出可以为正或为负，由线圈和二极管的极性决定。输出电压可以大于或小于输入电压，由变压器的匝数比决定。这是隔离拓扑结构中最简单的，增加次级绕组和电路可以得到多个输出。

4、Forward正激

特点：降压电路的变压器耦合形式。不连续的输入电流，平滑的输出电流。因为采用变压器，输出可以大于或小于输入，可以是任何极性。增加次级绕组和电路可以获得多个输出。在每个开关周期中必须对变压器磁芯去磁。常用的做法是增加一个与初级绕组匝数相同的绕组。在开关接通阶段存储在初级电感中的能量，在开关断开阶段通过另外的绕组和二极管释放。

5、电源规格的最常见参数

表 1总结了电源规格的最常见参数。

输入	·DC/DC 或 AC/DC ·电压纹波 ·浪涌电流
输出	·电压容差 ·电压纹波 ·平均电流 ·峰值电流 ·瞬态响应 ·负载调节 ·线路调节
隔离	·没有任何 ·功能性 ·加强型 ·双倍的 ·安全类别
优先事项	·表现 ·构成因素 ·成本
开关频率	·范围 ·同步 ·抖动
标准	·电磁干扰 ·PFC ·这 ·效率 ·轻载效率 ·待机电源

表1：有用的规格参数汇总

在我的下一篇文章中，我将描述如何根据我们的规范参数选择最合适的拓扑。