開關(guān)電源介紹

1、開關(guān)電源介紹摘要：開關(guān)電源是非常通用的電源架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員常常面臨DC-DC轉(zhuǎn)換器的選型問題。不同電路在進(jìn)行直流電源轉(zhuǎn)換時(shí)具有較大的性能差異，需折中考慮。本文介紹了開關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)和設(shè)計(jì)考慮，并介紹了它們的基本工作原理和相關(guān)理論。 種類繁多的電子產(chǎn)品對(duì)直流電壓的需求也多種多樣，這就需要一個(gè)行之有效的方法將標(biāo)準(zhǔn)電源轉(zhuǎn)化成負(fù)載所需的電壓，這種方法必須通用、高效、可靠。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，開關(guān)電源(SMPS)被普遍用來提供各種不同的直流電源，而且，它對(duì)于提高DC-DC電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率和可靠性也是不可或缺的。為什么選擇SMPS?絕大部分的電氣直流負(fù)載由標(biāo)準(zhǔn)電源供電。但是，標(biāo)準(zhǔn)電源的電壓可能不符合微處理器、

2、電機(jī)、LED或其他負(fù)載的電壓要求，尤其當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)電源本身的輸出電壓并不穩(wěn)定時(shí)。電池供電設(shè)備就是一個(gè)最好的例子：標(biāo)準(zhǔn)的Li+電池或鎳氫電池的典型電壓對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，不是過高就是過低，或者隨著放電過程電壓下降的過多。通用性幸運(yùn)的是，SMPS的通用性幫我們解決了這一難題，它將標(biāo)準(zhǔn)電源電壓轉(zhuǎn)換成合適的、符合規(guī)定的電源電壓。SMPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多，但可以劃分為幾種基本的類型，不同類型的轉(zhuǎn)換器可以對(duì)輸入電壓實(shí)現(xiàn)升壓、降壓、反轉(zhuǎn)以及升/降壓變換。與線性穩(wěn)壓器只能對(duì)輸入電壓進(jìn)行降壓不同的是，可以選擇不同拓?fù)涞腟MPS來滿足任何輸出電壓的需求，這也正是SMPS極具吸引力的原因。可定制另外，先進(jìn)的SMPS IC的

3、設(shè)計(jì)提供了不同的集成度，將經(jīng)過裁剪的標(biāo)準(zhǔn)SMPS電路集成到單片IC，允許設(shè)計(jì)人員在不同規(guī)模的拓?fù)渲羞M(jìn)行選擇。由此減輕廠商對(duì)通用電源或特殊應(yīng)用電源的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，并可根據(jù)項(xiàng)目需要為工程師提供定制的SMPS IC，從而進(jìn)一步提高了這類器件的靈活多用性。效率工程師經(jīng)常面臨的一個(gè)問題是：如何高效的轉(zhuǎn)換DC電源。例如，如何將輸入電壓降壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)更低的輸出電壓。比較簡(jiǎn)單的方案是使用線性穩(wěn)壓器，畢竟，這一方案僅需幾個(gè)外部的電容和適當(dāng)?shù)臒峁芾?。但是，方案?jiǎn)單所帶來的一個(gè)結(jié)果是效率低下當(dāng)輸入-輸出壓差較大時(shí)，效率往往低得讓人無法接受。線性穩(wěn)壓器的效率直接與其調(diào)整管所消耗的功率有關(guān)。調(diào)整管的功耗等于ILDO (VI

4、N - VOUT圖1所示的降壓型SMPS代替線性穩(wěn)壓器，效率可達(dá)到90%。這相比線性穩(wěn)壓器，效率提高了40%。通過直觀的比較，降壓SMPS的優(yōu)勢(shì)便體現(xiàn)出來了，其他的SMPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同樣具有相近或是更高的效率。圖1. MAX8640Y采用簡(jiǎn)單的降壓型SMPS電路SMPS設(shè)計(jì)不僅僅具有高效率這一主要優(yōu)勢(shì)，由于功耗的降低還帶來許多直接的好處。例如，與低效率的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比，SMPS的散熱片面積大大減小。降低了對(duì)熱管理的要求；而且更重要的是，由于器件不會(huì)工作在低效的高溫環(huán)境中，大大提高了器件的可靠性，進(jìn)而延長工作壽命。SMPS拓?fù)浼稗D(zhuǎn)換原理如上所述，根據(jù)電路拓?fù)涞牟煌?，SMPS可以將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成不

5、同的直流輸出電壓。實(shí)際應(yīng)用中存在多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比較常見有三種基本類型，按照功能劃分為(參見圖2)：降壓(buck)、升壓(boost)、升/降壓(buck-boost或反轉(zhuǎn))。下面還將討論圖2中所畫出的電感充電/放電通道。圖2. 基本的SMPS拓?fù)洌篵uck、boost和buck/boost三種拓?fù)涠及∕OSFET開關(guān)、二極管、輸出電容和電感。MOSFET是拓?fù)渲械挠性词芸卦c控制器(圖中沒給出)連接，控制器輸出脈寬調(diào)制(PWM)方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極，控制器件的關(guān)斷或?qū)?。為使輸出電壓保持穩(wěn)定，控制器檢測(cè)SMPS輸出電壓，并改變方波信號(hào)的占空比(D)，即MOSFET在每個(gè)開關(guān)周期

6、(TS)導(dǎo)通時(shí)間。D是方波導(dǎo)通時(shí)間和周期的比值(TON/TS)，直接影響SMPS的輸出電壓。兩者之間的關(guān)系在等式4和等式5給出。MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)將SMPS電路分為兩個(gè)階段：充電階段和放電階段，分別表示電感中的能量傳遞狀態(tài)(參見圖2的環(huán)路)。充電期間電感所儲(chǔ)存的能量，在放電期間傳遞給輸出負(fù)載和電容。電感充電期間，輸出電容為負(fù)載供電，維持輸出電壓穩(wěn)定。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，能量在電路元件中循環(huán)傳遞，使輸出電壓維持在適當(dāng)?shù)闹?。在每個(gè)開關(guān)周期，電感是電源到負(fù)載能量傳輸?shù)暮诵?。如果沒有電感，MOSFET切換時(shí)，SMPS將無法正常工作。電感(L)中所儲(chǔ)存的能量(E)取決于電感電流值(I)：因此，電

7、感中能量的變化可通過電流的變化量(IL)來衡量，取決于規(guī)定的時(shí)間(T)內(nèi)電感兩端電壓的變化量(VL)：在每個(gè)開關(guān)周期中(圖3)，電感兩端的電壓恒定，因此電感中的電流變化(IL)是線性的。根據(jù)基爾霍夫電壓環(huán)路定律，可以得到開關(guān)過程中電感兩端電壓，注意極性以及VIN/VOUT的關(guān)系。例如，升壓轉(zhuǎn)換器的放電期間，電感兩端電壓為-(VOUT - VIN)。因?yàn)閂OUT VIN，所以電感兩端電壓為負(fù)。圖3. 穩(wěn)態(tài)時(shí)電感的電壓、電流特性充電期間，MOSFET導(dǎo)通，二極管反向偏置，能量從電源傳遞給電感(圖2)。由于電感兩端電壓(VL)為正，電感電流將逐漸上升。同時(shí)，輸出電容將前一個(gè)周期存儲(chǔ)的能量傳遞給負(fù)載，

8、以保持輸出電壓的恒定。放電期間，MOSFET關(guān)斷，二極管正向偏置并導(dǎo)通。由于此時(shí)電源不再對(duì)電感充電，電感兩端電壓極性反轉(zhuǎn)，并且將能量釋放給負(fù)載，同時(shí)補(bǔ)充輸出電容的儲(chǔ)能(圖2)。放電時(shí)，電感電流逐漸下降，放電電流如上述關(guān)系式所示。充電/放電周期循環(huán)，并保持一個(gè)穩(wěn)定的開關(guān)狀態(tài)。在電路建立穩(wěn)態(tài)的過程中，電感電流逐漸達(dá)到其穩(wěn)定值，該電流是直流電流和電路在兩個(gè)階段切換時(shí)所產(chǎn)生的交流電流(或電感紋波電流)之和(圖3)。直流電流的大小與輸出電流成正比，也取決于電感在SMPS拓?fù)渲械奈恢谩＜y波電流需要經(jīng)過SMPS濾波，以獲得真正的直流輸出。濾波由輸出電容完成，它對(duì)于交流信號(hào)呈現(xiàn)較低的阻抗。不需要的輸出紋波電流

9、通過輸出電容旁路，并且當(dāng)電流對(duì)地放電時(shí)保持電容電荷恒定。因此，輸出電容還起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。實(shí)際應(yīng)用中，輸出電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)產(chǎn)生的輸出電壓紋波與電容的紋波電流成正比。由此可見，能量在電源、電感和輸出電容間傳遞，保持輸出電壓恒定，為負(fù)載供電。那么，通過SMPS間的能量傳遞如何確定輸出電壓和輸入/輸出電壓轉(zhuǎn)換比? 如果能夠理解電路作用一個(gè)周期性波形的穩(wěn)態(tài)過程，便可以很容易的計(jì)算出這些數(shù)值。穩(wěn)態(tài)期間，有一個(gè)變量在重復(fù)周期TS的開始階段與結(jié)束階段相等。對(duì)于電感而言，如上所述，其電流周期性的充電與放電，因此其電流在PWM周期的開始階段應(yīng)該與結(jié)束階段相等。這意味著，電感電流在充電過程的變化

10、量(ICHARGE)應(yīng)等于在放電過程的變化量(IDISCHARGE)。建立充電和放電期間電感電流變化的等式，可得到下面的表達(dá)式，也稱作電壓第二定律：簡(jiǎn)而言之，在不同的工作周期，電感電壓和時(shí)間的乘積相等。因此，從圖2的SMPS電路中，我們可以很容易的得到穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓和電流轉(zhuǎn)換比。對(duì)于降壓電路，根據(jù)充電電路的基爾霍夫電壓環(huán)路可得到電感兩端的電壓為(VIN - VOUT)。同理，放電過程中電路電感兩端的電壓為-VOUT。根據(jù)等式3中的電壓第二定律，可得出電壓的轉(zhuǎn)換比為：同時(shí)，在理想的情況下，輸入功率(PIN)與輸出功率(POUT)相等。因此，可得出電流轉(zhuǎn)換比為：從這一系列等式可以看出，降壓轉(zhuǎn)換器的輸

11、出相比VIN增大了D倍，而輸入電流則比負(fù)載電流大D倍。表1列舉了圖2中所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換比。有些復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能難以分析，但是利用這個(gè)方法解等式3和5可得到全部SMPS的轉(zhuǎn)換比。表1. SMPS轉(zhuǎn)換比 TopologyVoltage-Conversion RatioCurrent-Conversion RatioStep-downVOUT/VIN = DIIN/IOUT = DStep-upVOUT/VIN = 1/(1 - D)IIN/IOUT = 1/(1 - D)Step-up/downVOUT/VIN = D/(1 - D)IIN/IOUT = D/(1 - D)SMPS的缺點(diǎn)和折中當(dāng)然， SMPS的高效率并不是沒有任何代價(jià)的。開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器最常被提及的問題是其引入的電磁干擾(EMI)和傳導(dǎo)噪聲。電磁輻射的產(chǎn)生源于SMPS電路中電流、電壓開關(guān)波形的快速瞬變。電感節(jié)點(diǎn)電壓的快速變化將產(chǎn)生電場(chǎng)輻射，而充/放電環(huán)路電流的快速切換將產(chǎn)生磁場(chǎng)輻射。另一方面，當(dāng)SMPS的輸入/輸出電容以及PCB寄生對(duì)開關(guān)電流呈高阻抗時(shí)，輸入、輸出電路間將產(chǎn)生傳導(dǎo)噪聲。值得慶幸的是，良好的器件布局和PCB布線可以大大降低EMI和傳導(dǎo)噪聲。SMPS可以非常復(fù)雜，并且需要額外的