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技術(shù)專題
開關(guān)電源設(shè)計(jì)簡介
大多數(shù)制造商或發(fā)燒友都知道升壓或降壓轉(zhuǎn)換器的功能，并且以前使用過它們。但是，他們通常只是采用固定方法來設(shè)計(jì)一個(gè)，而不完全完全了解它在做什么。
本文提供了一種易于理解的方法來解釋開關(guān)模式，降壓或升壓電源的工作方式。
目的不是提供有關(guān)這些類型電源的詳細(xì)設(shè)計(jì)信息，而是要充分了解其操作，以便對此類電路塊的所需方面做出明智的決定。因此，數(shù)學(xué)和任何設(shè)計(jì)方程式都將保持最小。
此外，還有許多開關(guān)模式電源或SMPS電源拓?fù)洹榱伺c本文的原理保持一致，討論將僅限于簡單的升壓或降壓設(shè)計(jì)。
基本組成部分
在介紹實(shí)際SMPS的工作原理之前，本節(jié)簡要介紹了典型SMPS的一些基本組件。
電子開關(guān)
所有開關(guān)電源都需要一個(gè)電子控制的開關(guān)。低功率SMPS中最常用的兩個(gè)器件是雙極NPN晶體管和N-Ch MOSFET。圖1顯示了這兩種類型的開關(guān)。
這里要注意的關(guān)鍵是這些開關(guān)在飽和模式下運(yùn)行：完全飽和或完全截止。在這兩種情況下，開關(guān)中的功耗均最小。實(shí)際上，這就是開關(guān)電源與線性穩(wěn)壓器相比如何實(shí)現(xiàn)其高效率。
電容器和電感器
即使在開關(guān)模式電源中，電感器是在其基本操作中起著最重要作用的電路元件，本節(jié)也將從對電容器的一些關(guān)鍵操作特性進(jìn)行回顧入手，因?yàn)閺母拍钌细菀桌斫狻＿@為更好地了解電感的作用奠定了基礎(chǔ)。
如圖2所示，考慮一個(gè)由完全放電的電容器組成的電路，該電容器從電壓源充電。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電容器電壓朝著電池電壓V呈指數(shù)上升，而電流呈指數(shù)下降。
圖2 –電容器從電壓源充電
請注意，從技術(shù)上講，電容器電壓永遠(yuǎn)不會達(dá)到與電池電壓相同的值，并且電流永遠(yuǎn)不會一直下降到零。但是，出于所有實(shí)際目的，它們最終會足夠接近各自的極限以被視為相等。
還要注意，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電容器電流會立即上升到實(shí)際上等于V / R的值。另一方面，電壓緩慢上升到V值。
現(xiàn)在，考慮下面圖3中的電路。當(dāng)開關(guān)S1閉合時(shí)，電容器將照常充電。
現(xiàn)在，如果在稍后的時(shí)間（T）開關(guān)S1斷開，而S2同時(shí)閉合，則電容器兩端的電壓將處于某個(gè)電壓V OPEN，這將取決于電容器在開關(guān)之前充電了多長時(shí)間開幕。
圖3 –電容器充放電
現(xiàn)在，相同的電壓將流過R，導(dǎo)致電流流過R，等于在切換開關(guān)的瞬間流過V OPEN / R。
電容器當(dāng)然會放電，從而釋放一些存儲的能量，R兩端的電壓將降低，電流也會降低。這里要注意的是，電容器電流已瞬間反轉(zhuǎn)。
因此，它不再像開關(guān)S1閉合時(shí)那樣流入電容器，而是從電容器中流出。但是，電容器兩端的電壓并未反向。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到電感器，圖4顯示了一個(gè)由恒壓源（電池）驅(qū)動的電感器。它在很多方面都與電容器相似，只是電流和電壓曲線可以交換。
圖4 –由恒定電壓源驅(qū)動的電感器
最終可以達(dá)到的最大電流將受制于電感器所組成的電線的直流電阻，加上串聯(lián)電路中任何實(shí)際的物理電阻器以及電池電壓的限制。
圖5顯示了當(dāng)為已經(jīng)“充電”一段時(shí)間的電感器打開開關(guān)S1時(shí)發(fā)生的情況。以與電容器外殼類似的方式，但是在交換了電流和電壓作用的情況下，電感器兩端的電壓瞬時(shí)反轉(zhuǎn)，以在開關(guān)切換的確切時(shí)刻保持相同的電流流動。
圖5 –電感驅(qū)動負(fù)載
同樣，為了與電容器并聯(lián)，這一次是電感器電壓改變了方向，而電流方向卻保持不變。同樣，就像電容器一樣，隨著電感器放棄其存儲的能量，電壓和電流將緩慢下降。
升壓（升壓）轉(zhuǎn)換器
通過前面對典型SMPS中主要部件的描述，可以了解升壓轉(zhuǎn)換器的操作。如圖6所示。
圖6 –升壓轉(zhuǎn)換器的框圖
如圖所示，該開關(guān)是連續(xù)閉合或斷開的電子開關(guān)，例如N溝道MOSFET。閉合時(shí)，上升的電感器電流流過開關(guān)，電感器電壓緩慢下降，但是在此期間它又與電池電壓相反。
如前所示，打開時(shí)，電感兩端的電壓會瞬間改變方向，以試圖保持電流流動。由于開關(guān)斷開，該電感器電流必須流過二極管D進(jìn)入負(fù)載。
請注意，電感器電壓現(xiàn)在已添加到電池電壓中，因此輸出電壓將高于電池電壓。因此，實(shí)現(xiàn)了升壓轉(zhuǎn)換器的作用。
還要注意，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，最初流入電感器的電流將取決于開關(guān)閉合的時(shí)間。該電流將用于給電容器充電，并且還流入負(fù)載。
通過控制電感器電流，也可以控制電容器電壓，從而控制負(fù)載電壓。換句話說，通過控制開關(guān)的接通時(shí)間，可以控制負(fù)載處的電壓。
降壓轉(zhuǎn)換器
基本的降壓轉(zhuǎn)換器與升壓轉(zhuǎn)換器包含相同的組件，但它們的布置不同。圖7顯示了基本降壓轉(zhuǎn)換器的框圖。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電感器中的電流像以前一樣上升。
圖7 –降壓轉(zhuǎn)換器的框圖
在此導(dǎo)通期間內(nèi)，電感兩端任何時(shí)間的電壓都將與電池相反。因此，電容器和負(fù)載將看到低于電池電壓的電壓。
當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電感器電壓會立即切換方向，以保持電流流向與開關(guān)接通時(shí)相同的方向。二極管D為該返回電流提供路徑。
通過適當(dāng)控制開到關(guān)的切換時(shí)間，可以在電容器和負(fù)載電阻兩端維持一個(gè)比電池電壓低的相對穩(wěn)定的電壓。
SMPS控制器
即使幾乎所有的SMPS都集成了負(fù)責(zé)所有控制功能的芯片，但了解如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)仍然很有指導(dǎo)意義。
在開始之前，應(yīng)該提到許多現(xiàn)代SMPS控制器都集成了內(nèi)部數(shù)字處理模塊，該模塊允許更復(fù)雜的控制回路，從而增強(qiáng)了此類控制器的多功能性。
圖8顯示了如何實(shí)現(xiàn)簡單的模擬SMPS PWM降壓控制器。它由一個(gè)向比較器的同相輸入饋入的三角波和一個(gè)向比較器的反相輸入饋入的輸出電壓樣本組成。
圖8 –簡單的SMPS模擬PWM降壓控制器實(shí)現(xiàn)
只要同相輸入電平高于反相輸入電平，比較器輸出就會為高。注意，在實(shí)際的實(shí)現(xiàn)中，有環(huán)路濾波器和磁滯控制組件，以防止控制環(huán)路不穩(wěn)定。這些未在此處顯示。
圖9顯示了在三種不同的輸出電壓電平下發(fā)生的情況。輸出電壓高時(shí)，PWM輸出的導(dǎo)通時(shí)間短。當(dāng)然，這會使輸出電壓下降。
相反，當(dāng)輸出電壓較低時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間較長，從而導(dǎo)致輸出電壓較高。因此，通過分量值的適當(dāng)選擇，一個(gè)穩(wěn)定的，調(diào)節(jié)的輸出電壓就可以實(shí)現(xiàn)。
圖9 –各種輸出電壓下的PWM波形
開關(guān)與線性穩(wěn)壓器
穩(wěn)壓器有兩種：開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器。如果輸出電壓高于輸入電壓，則必須使用開關(guān)電源，無論是直升壓還是其他開關(guān)拓?fù)洹?span>
在相反的情況下，可以在SMPS或線性電源之間進(jìn)行選擇。那么，有哪些注意事項(xiàng)？
首先是效率。例如，考慮輸入電壓為10V，輸出電壓為5V的1A穩(wěn)壓器的情況。然后，線性穩(wěn)壓器消耗的功率（浪費(fèi)為熱量）將等于（10V – 5V）* 1A = 5W。
這浪費(fèi)了很多功率，并且大多數(shù)線性穩(wěn)壓器將無法處理如此高的功耗。
在這種特定情況下，效率最多為50％。這意味著一半的功率被浪費(fèi)為熱量，只有一半的功率流向了輸出負(fù)載。如果輸入電壓高于10V，情況會更糟。
另一方面，SMPS可以達(dá)到90％或更高的效率。在這種情況下，它將僅浪費(fèi)0.5W。即使不是直接考慮能源浪費(fèi)，也必須考慮如何安全地散發(fā)多余的熱量，尤其是在狹窄的空間中。
使用SMPS有哪些缺點(diǎn)？第一個(gè)是成本和復(fù)雜性。典型的SMPS比線性SMPS更復(fù)雜，并且使用更多的組件。因此，它通常花費(fèi)更多。
SMPS的另一個(gè)問題是穩(wěn)壓輸出上存在紋波。這僅僅是由于其切換特性。在某些情況下，這可能不太重要。在確實(shí)重要的情況下，通常通過在SMPS之后加上線性后置穩(wěn)壓器來解決此問題。
SMPS將輸入電壓帶到線性后置穩(wěn)壓器的輸入至輸出電壓差適當(dāng)小的點(diǎn)。進(jìn)而，線性穩(wěn)壓器向負(fù)載提供更穩(wěn)定的穩(wěn)壓電壓。
另一個(gè)問題是瞬態(tài)響應(yīng)差。例如，SMPS需要一些時(shí)間來做出反應(yīng)并補(bǔ)償階躍或突然的負(fù)載變化。PWM需要花費(fèi)幾個(gè)周期才能將輸出正確地調(diào)節(jié)回原來的位置。
最后，再次由于其開關(guān)特性，SMPS確實(shí)會產(chǎn)生有害的RF干擾。因此，除了額外的復(fù)雜性之外，很可能需要更多的RF抑制組件才能使最終產(chǎn)品通過發(fā)射要求。
不僅如此，而且在某些情況下，必須正確放置低電平信號處理模塊，并應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)?span>PCB走線布線，以最大程度地減小這種開關(guān)噪聲對這些敏感部分的影響。