如何进行电源设计——第 3 部分

1、前言

在本文系列的第二部分中，我讨论了如何从我们的电源规格参数中选择最适合的拓扑。在第三部分中，我将详细介绍降压、升压和降压-升压拓扑的不同方面。

2.降压转换器

图 1 显示了非同步降压转换器的原理图。降压转换器将其输入电压降低到较低的输出电压。当开关 Q1 导通时，能量转移到输出端。

图 1：非同步降压转换器的原理图

公式 1 计算占空比为：

公式 2 计算最大金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 应力为：

公式 3 给出了最大二极管应力为：

其中V in 是输入电压，V out 是输出电压，V f 是二极管正向电压。

输入电压和输出电压之间的差异越大，与线性稳压器或低压降稳压器 (LDO) 相比，降压转换器的效率就越高。

虽然降压转换器在输入端具有脉冲电流，但由于电感电容 (LC) 滤波器位于转换器输出端，因此输出电流是连续的。因此，反射到输入端的电压纹波与输出端的纹波相比会更大。

对于占空比小且输出电流大于 3A 的降压转换器，我建议使用同步整流器。如果我们的电源需要大于 30A 的输出电流，我建议使用多相或交错式功率级，因为这可以最大限度地减少组件的应力，将产生的热量分散到多个功率级，并减少转换器输入端的反射纹波。

使用 N-FET 时可能会出现占空比限制，因为自举电容器需要在每个开关周期充电。在这种情况下，最大占空比在 95-99% 的范围内。

降压转换器通常具有良好的动态特性，因为它们代表了正向拓扑。可实现的带宽取决于误差放大器的质量和所选的开关频率。

图 2 至图 7 显示了非同步降压转换器中 FET、二极管和电感器在连续导通模式 (CCM) 下的电压和电流波形。

3.升压转换器

升压转换器将其输入电压升高到更大的输出电压。当开关 Q1 不导通时，能量转移到输出。图 8 是非同步升压转换器的示意图。

图 8：非同步升压转换器原理图

公式 4 计算占空比为：

公式 5 计算最大 MOSFET 应力为：

公式 6 给出了最大二极管应力为：

其中V in 是输入电压，  V out 是输出电压，V f  是二极管正向电压。

使用升压转换器，我们可以看到脉冲输出电流，因为 LC 滤波器位于输入端。因此，输入电流是连续的，输出电压纹波大于输入电压纹波。

在设计升压转换器时，重要的是要知道从输入到输出有一个永久连接，即使转换器没有切换。我们必须采取预防措施，以防输出端发生可能的短事件。

对于大于 4A 的输出电流，应将二极管更换为同步整流器。如果我们的电源需要提供大于 10A 的输出电流，我强烈建议采用多相或交错式功率级方法。

在 CCM 下运行时，升压转换器的动态行为会因其传递函数的右半平面零 (RHPZ) 而受到限制。由于 RHPZ 无法补偿，因此可实现的带宽通常小于 RHPZ 频率的五分之一到十分之一。见公式 7：

其中V out 是输出电压，D 是占空比，I out 是输出电流，L 1 是升压转换器的电感。

图 9 至 14 显示了非同步升压转换器中 FET、二极管和电感器的 CCM 电压和电流波形。

4.升降压转换器

降压-升压转换器是降压和升压功率级的组合，它们共享相同的电感。参见图 15。

图 15：双开关降压-升压转换器原理图

降压-升压拓扑很有用，因为输入电压可以小于、大于或等于输出电压，而所需的输出功率大于 50W。

对于小于 50W 的输出功率，单端初级电感转换器 (SEPIC) 是一种更具成本效益的选择，因为它使用的组件较少。

当输入电压大于输出电压时，降压-升压转换器工作在降压模式，而当输入电压小于输出电压时，则工作在升压模式。当转换器在传输区工作时，即输入电压在输出电压范围内时，有两种处理这些条件的概念：要么降压级和升压级同时有效，要么开关周期在降压和升压级之间交替，每个通常以常规开关频率的一半运行。与常规降压或升压操作相比，第二个概念会在输出端引起次谐波噪声，输出电压精度可能会稍差一点，但与第一个概念相比，转换器的效率要高得多。

降压-升压拓扑在输入和输出端具有脉冲电流，因为没有指向任一方向的 LC 滤波器。

对于降压-升压转换器，我们可以分别使用降压和升压功率级计算。

带有两个开关的升降压转换器适用于 50W 到 100W 的功率范围（例如LM5118），同步整流最高可达 400W（例如LM5175）。我建议使用与未组合的降压和升压功率级具有相同电流限制的同步整流器。

我们需要为升压级设计降压-升压转换器的补偿网络，因为 RHPZ 将成为稳压器带宽的限制因素。

在我的下一篇文章中，我将讨论 SEPIC 和 Zeta 转换器的特性和缺点。