【導讀】由于所有電子系統(tǒng)都需要某種類型的電源，因此電源的研究已比較透徹，人們對它也比較了解。但是，由于從移動設備到線路供電硬件等應用中的電源持續(xù)呈現(xiàn)出體積減小，能效、可靠性和電源完整性要求提高的趨勢，電源的設計和選擇仍舊對工程師們構成了嚴峻的挑戰(zhàn)。
隨著 5G 等高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的興起，定時和噪聲容限要求也變得極高。
為了解決以小巧的外形實現(xiàn)高效、可靠供電的難題，電源設計人員正在將反激式拓撲用于開關模式電源 (SMPS)。此拓撲適用于高達 150 瓦的功率水平，可提供元器件數(shù)少、尺寸小且成本低的設計，還提供輸入/輸出隔離以及卓越能效等優(yōu)點。
本文將討論開關模式電源的工作原理，并簡要了解電源的自制與外購決策過程。此外還將研究采用反激式拓撲的單輸出電源設計，并提供使用現(xiàn)成零件和元器件的設計示例。
開關模式電源
SMPS（即轉換開關）作為一種電源，使用開關穩(wěn)壓器維持來自交流或直流電源的穩(wěn)定輸出電壓。開關穩(wěn)壓器使用一個或多個半導體器件（例如雙極結式晶體管、MOSFET 或 IGBT）在通斷狀態(tài)之間切換，以維持輸出電壓調節(jié)。這些器件可采用固定“導通”時間和可變頻率工作，或是更常見的是，以固定頻率和可變占空比工作。開關器件處于“導通”或“關斷”狀態(tài)時的功率耗散較低，因而能效較高。器件僅在狀態(tài)轉換期間才會耗散功率。此外，由于開關頻率通常為數(shù)十千赫，因此可以大幅縮小變壓器、電感器和電容器的尺寸，實現(xiàn)高容積效率。
潛在的電磁干擾 (EMI) 會抵消 SMPS 的優(yōu)勢。這要歸因于開關瞬態(tài)，但通過細致的元器件選擇、布局和屏蔽可以加以改善。因此，SMPS 的優(yōu)勢遠遠超過了它的缺點，這讓 SMPS 成為最常用的電源，而線性電源則退居至僅用于最靈敏的電子應用。
SMPS 拓撲
SMPS 可以在多種不同的電路設計或拓撲中實現(xiàn)。常用的拓撲有數(shù)十種（表 1）。
表 1：10 種最常用的開關模式電源拓撲（數(shù)據(jù)來源：Digi-Key Electronics）
反激式拓撲
反激式轉換器是最常用的 SMPS 電路（圖 1）。
圖 1：使用單個 MOSFET 開關和反激式變壓器的反激式轉換器功能示意圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
反激式拓撲的主要優(yōu)勢是它的簡單性。在任意給定的功率水平下，該拓撲是元器件數(shù)最少的 SMPS 拓撲。電源可使用直流或交流電源供電。當配置為從交流線路（市電）工作時，線路通常采用全波整流。輸入源 (Vi) 為直流。
該電路的核心是反激式變壓器。與傳統(tǒng)的變壓器繞組不同，反激式變壓器的初級和次級繞組不會同時承載電流。這是因為繞組相為反相，繞組上的圓點記號和次級側的串聯(lián)二極管指示了這一點。
使用反激式變壓器帶來了幾個好處。首先，電源的初級側和次級側可以電氣隔離。隔離減少了初級側的瞬態(tài)耦合、消除了接地環(huán)路，并在電源的輸出極性方面提供了更大的靈活性。
利用該變壓器可以在電源中生成多個輸出電壓。變壓器針對每個電壓增加額外的繞組。調壓僅基于單一輸出，而次級輸出通常在局部進行調壓。
電路從開啟開關（例如 MOSFET）開始工作（圖 2）。
圖 2：分別顯示兩種工作模式的原理波形的反激式電源工作情況。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
當開關處于接通狀態(tài)時，VDRAIN 近乎零伏，電流 IP 流經(jīng)變壓器的初級繞組。能量儲存在變壓器的磁化電感中。此電流隨時間呈線性增長。次級側的串聯(lián)二極管被反向偏壓，并且次級側沒有電流流動。儲存在輸出電容器的能量向輸出供應電流。
當 MOSFET 開關被關斷時，變壓器中儲存的能量通過二極管輸出到輸出電容器和輸出負載。次級電流值開始時較高，之后以線性方式遞降。如果次級電流在開關重新接通之前降至零，則電源被稱為斷續(xù)電流模式 (DCM) 電源。反之，如果次級電流沒有降至零，則電源被稱為連續(xù)電流模式 (CCM) 電源。由于電感器中儲存的能量在每個開關周期都會完全釋放，因此 DCM 電源可以使用較小的變壓器。此外，該電源通常更穩(wěn)定，產生的 EMI 也更低。
儲存在變壓器漏泄電感中的能量在開關關斷時流入初級側，并由輸入箝位或“吸收”電路吸收，該電路的作用是保護半導體開關不會被高感應電壓損壞。只有當開關在通斷狀態(tài)之間轉換時才會耗散功率（圖 3）。
圖 3：顯示 MOSFET 開關的電壓和電流波形以及瞬時功率耗散的反激式電源測量。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
圖 3 中最上面的跡線是反激式電源中 MOSFET 開關的電壓。彩色覆蓋部分指示 MOSFET 的狀態(tài)。藍色覆蓋部分指示器件處于導通狀態(tài)，而紅色區(qū)域則指示器件處于關斷狀態(tài)。中間的跡線是流經(jīng)器件的電流。最下面的跡線顯示瞬時功率，其計算方法為所施加電壓與所產生電流的乘積。可以觀察到，開關轉換期間的功率耗散最明顯。而跡線下面的讀數(shù)自左至右依次顯示：開啟、導通、關閉和關斷狀態(tài)期間的功率損耗，以及所有區(qū)域的功率損耗總和。
控制器/穩(wěn)壓器
開關器件（如圖 2 所示示意圖中的 MOSFET）由控制器或開關模式穩(wěn)壓器驅動。多數(shù)情況下，控制器會將脈沖寬度調制 (PWM) 波形應用于開關的控制元件，對 MOSFET 而言即為柵極。電源輸出被反饋到控制器，控制器則通過改變柵極驅動信號的占空比來保持恒定的輸出電壓。這樣，控制器就圍繞反激式轉換器構成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。
控制器還可以處理數(shù)種輔助功能，例如防止電源出現(xiàn)過載、過壓或低功率線路狀態(tài)，還能管理電源的啟動，確保實現(xiàn)有效控制的（“軟”）啟動，最大限度減小初始電流和電壓瞬態(tài)。
SMPS 設計
有多家半導體元器件供應商提供有設計工具，可幫助設計開關模式電源，例如 Texas Instruments 的 WEBENCH Power Designer（圖 4）。
圖 4：Texas Instruments WEBENCH 電源設計中心的開啟頁面顯示了 25 瓦 5 伏反激式電源 SMPS 設計的基本規(guī)格。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
該設計從用戶輸入供電電壓范圍、目標輸出電壓和電流等電源規(guī)格開始。本案例中，目標設計為采用隔離式拓撲、從交流電源工作的 5 伏、5 安電源。而對于更復雜的多輸出電源，還提供有高級電源架構設計工具。
該軟件從這一點開始一系列的設計并提示用戶選擇控制器。用戶可以查看每項設計的原理圖、物料清單 (BOM) 成本、能效和一些相關的電路規(guī)格。
此示例選擇的是 Texas Instruments UCC28740 反激式轉換器，并且顯示了設計原理圖（圖 5）。
圖 5：使用 WEBENCH 建議的光隔離反饋的 25 瓦交流 SMPS 原理圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
將指針指向原理圖上的任意元器件都會顯示詳細的零件描述，并且還有機會選擇替代元器件。控制器 (U1) 通過 CEL PS2811-1-F3-A 光隔離器接收輸出反饋。此反饋方法會在電路的初級部分與次級部分之間保持電氣隔離。控制器則將 PWM 驅動信號提供給電源開關 M1，即 STMicroelectronics 的 STB21N90K5 900 伏、18.5 安 MOSFET。此外，該設計工具還能幫助選擇或設計反激式變壓器。
設計摘要頁概述了關鍵設計元素（圖 6）。
圖 6：設計摘要整合了所建議設計的全部元素。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
用戶可以利用優(yōu)化器的調整部分來優(yōu)化設計，實現(xiàn)最低 BOM 成本、最小封裝或最高能效。經(jīng)驗不足的設計人員也可以利用此工具，通過查看多項設計以及元器件變化所產生的影響來獲取經(jīng)驗。
自制還是外購？
毫無疑問，工程師除非有 SMPS 方面的相關經(jīng)驗，否則都會有一個學習過程。如果上市時間非常重要，那么最好購買標準電源，或訂立合同獲得自定義電源設計。但如果有時間和技術人員，尤其當多個項目都需要電源時，設計電源也是值得的。換言之，反復接觸 SMPS 設計將會增進設計人員所需的專業(yè)知識。
總結
開關模式電源可提供較高的能效和較小的尺寸。針對低于 150 瓦的功率水平，采用反激式拓撲的電源具有多路輸出、元器件數(shù)少和線性隔離等優(yōu)勢。
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