如何进行电源设计——第 2 部分

1.前言

在这个由两部分组成的系列的第一部分中，我描述了正确设计电源的良好规范的重要性。在第 2 部分中，我将概述我们的规范中的哪些参数（参见图 1）会影响某些拓扑的决策。

图 1：我们的规范参数，这些参数会影响某个拓扑的决策

2、拓扑决策

开关电源中有几种基础的拓扑，buck拓扑电路、boost拓扑电路以及反激式开关电源等等。这些拓扑既有他们相同之处，也有其独特性。一般，经验丰富的工程师在设计的时候能够根据需求选择适合的拓扑。而对于初学者来说，如何选择合适的拓扑这就非常困难了。因此，就需要我们很好的掌握拓扑的基本特性，这是非常有必要的。这对我们在设计时选择合适的拓扑也是很有帮助的，可以避免因为拓扑选择不当而浪费时间。

一些拓扑适用于离线式（电网供电的）AC/DC变换器，其中有些适合小功率输出（<200W），有些适合大功率输出；有些适合较高的AC输人电压（>=220V AC），而有些适合较低的AC输人电压的场合；有些在较高的DC输出电压（ >200V）场合有较大的优势，而有些在较低的DC输出电压场合有较大的优势。对于多级电压输出的应用场合，使用器件较少或是在器件数与可靠性之间有较好折中是选择拓扑要考虑的因素。同时，输入/输出纹波和噪声要求也是选择拓扑要考虑的重要因素。某些拓扑因其本身固有的局限性，需要辅助电路或更复杂的电路，使得在某些应用场合它的特性变得非常难以分析。

因此，要恰当选择拓扑，熟悉各种不同基本拓扑的优缺点是非常重要的。错误的选择会导致电源的性能变差，甚至浪费设计时间和成本。因此有必要充分地了解不同拓扑的基本特性参数。

3、如何进行电源拓扑决策

当我们的应用不需要输入和输出之间的隔离屏障时，V in和 V out之间的比率、输入和输出电压的纹波要求以及最大输出功率通常会决定我们应该选择哪种拓扑。降压、升压、降压-升压、单端初级电感转换器 (SEPIC) 和 Zeta 是最常见的非隔离式电源拓扑，功率范围高达 250W。降压转换器降低其输入电压，升压转换器将其升高。降压-升压、SEPIC 和 Zeta 的输入电压可以等于、小于或大于它们的输出电压。如果我们的输入电压与输出电压的符号不同，则应选择反相降压-升压转换器或 Cuk 转换器。对于这两种拓扑，输入电压的绝对值可以等于、小于或大于输出电压的绝对值。

表 1 列出了输入电压和输出电压之间的关系以及我提到的非隔离拓扑的典型功率范围。如果我们的应用需要超过表 1 中所示的输出功率限制，则可以将两个或更多交错转换器级并联或使用隔离拓扑（参见表 2），因为这些已经用于更高的功率水平。

表1 ：非隔离拓扑概述

隔离拓扑可以提高或降低其输入电压。输出电压可以为正也可以为负。通过添加额外的变压器绕组，还可以生成多个输出电压。反激、正向、推挽、半桥和全桥转换器是最常见的隔离拓扑。将这些拓扑的损耗降至最低的最常见方法是让转换器在谐振或准谐振模式下运行。谐振转换器利用零电压开关 (ZVS) 或零电流开关 (ZCS)。例如准谐振反激、有源钳位反激或正向、电感-电感-转换器 (LLC) 半桥和移相全桥。表 2 显示了不同隔离拓扑的功率范围。 

表2 ：隔离拓扑概述

如果转换器的输出端可能发生非常彻底的负载瞬变，重要的是要知道在连续导通模式下运行的反激拓扑不可能有良好的动态行为，因为转换器传递函数中的右半平面零 (RHPZ)对于此类转换器，通常会将带宽限制为低于 5kHz 的频率。隔离拓扑的输出电压反馈路径通常需要光隔离器的带宽，这可能是瞬态响应行为的另一个缺点。如果我们的电源确实需要非常好的瞬态响应行为，但我们必须使用与降压转换器不同的拓扑，那么两级方法可能是我们的最佳选择。另一种选择是将控制器放置在电源的次级侧。

降压、升压、SEPIC 和反激式拓扑适用于功率因数校正 (PFC) 电路。最常见的选择是 PFC 升压。

在本系列的下一部分中，我将介绍降压、升压和降压-升压转换器。