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。

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。