除反激和正激拓?fù)渫猓€有很多基于不同變壓器的電氣隔離轉(zhuǎn)換器概念。以下列表對常用轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了一些基本解釋：

 

推挽：推挽拓?fù)漕愃朴谡まD(zhuǎn)換器拓?fù)?。但是，該拓?fù)湫枰獌蓚€有源低邊開關(guān)，而不是一個低邊開關(guān)。還需要一個帶中心抽頭的初級變壓器。與正激轉(zhuǎn)換器相比，推挽轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是運行時的噪聲通常更低，而且需要的變壓器更小。變壓器的BH曲線的滯回在兩個象限而非一個象限中使用。

 

半橋/全橋：這兩種拓?fù)渫ǔＳ糜诟吖β实脑O(shè)計，從幾百瓦開始一直到幾千瓦。除了低端開關(guān)，它們還需要高端開關(guān)，但可通過相對較小的變壓器實現(xiàn)很高的電能傳輸。

 

ZVS：討論高功率隔離轉(zhuǎn)換器時，通常會提到這個術(shù)語。它代表零電壓開關(guān)。此類轉(zhuǎn)換器的另一個術(shù)語是LLC（電感-電感-電容）轉(zhuǎn)換器。這些架構(gòu)的目的是實現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換。它們會產(chǎn)生諧振電路，并在開關(guān)上的電壓或電流接近零時開關(guān)電源開關(guān)。這樣，開關(guān)損耗便降至最低。但是，此類設(shè)計很難實現(xiàn)，開關(guān)頻率也不固定，有時會產(chǎn)生EMI問題。

 

開關(guān)電容變換器

 

除了線性穩(wěn)壓器和開關(guān)模式電源，還有第三組電源轉(zhuǎn)換器：開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。也稱為電荷泵。它們使用開關(guān)和電容倍增或逆變電壓。一大優(yōu)點是不需要任何電感。此類轉(zhuǎn)換器通常用于低于5 W的低功率電平。但是，最近取得的重大進(jìn)展允許功率更大的開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。圖8顯示了采用120 W設(shè)計、效率達(dá)98.5%的 LTC7820 ，將48 V轉(zhuǎn)換為24 V。

 

圖8. LTC7820固定比率高功率電荷泵DC-DC控制器。

 

數(shù)字電源

 

本文中討論的所有電源都可作為模擬或數(shù)字電源來實現(xiàn)。到底什么是數(shù)字電源？電源必須始終通過開關(guān)、電感、變壓器和電容的模擬功率級。數(shù)字方面由兩個數(shù)字構(gòu)建模塊引入。第一個是數(shù)字接口，通過該接口，電子系統(tǒng)可以與電源通信?？梢约磿r設(shè)置不同的參數(shù)，以針對不同的工作條件優(yōu)化電源。此外，電源還可與主處理器通信，并引發(fā)警告或故障標(biāo)志。例如，系統(tǒng)可以輕松監(jiān)控負(fù)載電流、超過預(yù)設(shè)閾值或電池溫度過高的情況。

 

第二個數(shù)字構(gòu)建模塊使用數(shù)字環(huán)路代替模擬調(diào)節(jié)環(huán)路。這樣做的效果很好，但對于大多數(shù)應(yīng)用，最好采用對一些參數(shù)有一定數(shù)字影響的標(biāo)準(zhǔn)模擬反饋環(huán)路，例如即時調(diào)節(jié)誤差放大器的增益或動態(tài)設(shè)置環(huán)路補償參數(shù)，以實現(xiàn)穩(wěn)定但快速的反饋環(huán)路。具有純數(shù)字控制環(huán)路的設(shè)備的一個示例是ADI公司的 ADP1046A 。通過數(shù)字影響優(yōu)化并具有模擬控制環(huán)路的數(shù)字接口降壓穩(wěn)壓器的一個示例是 LTC3883。

 

EMI考量

 

電磁干擾(EMI)一直是設(shè)計開關(guān)模式電源時需要注意的問題。原因是開關(guān)模式電源會在很短的時間內(nèi)開關(guān)高電流。開關(guān)速度越快，系統(tǒng)總效率就越好。更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換速度可減少部分接通開關(guān)的時間。在這個部分接通時間內(nèi)，會產(chǎn)生大部分開關(guān)損耗。圖9所示為開關(guān)模式電源在開關(guān)節(jié)點處的波形。以降壓穩(wěn)壓器為例。高電壓由通過高端開關(guān)的電流定義，而低電壓通過沒有電流流過高端開關(guān)來定義。

 

圖9. 開關(guān)模式電源的開關(guān)轉(zhuǎn)換速度和開關(guān)頻率。

 

在圖9中可以看到，開關(guān)模式電源產(chǎn)生的噪聲不僅來自于調(diào)節(jié)后的開關(guān)頻率，還來自于比頻率高得多的開關(guān)轉(zhuǎn)換速度。雖然開關(guān)頻率通常在500 kHz至3 MHz之間運行，但開關(guān)轉(zhuǎn)換時間可能有幾納秒長。在1 ns開關(guān)轉(zhuǎn)換時間，頻譜中對應(yīng)的頻率將為1 GHz。至少這兩個頻率將被視為電磁輻射騷擾和傳導(dǎo)輻射。調(diào)節(jié)環(huán)路的振蕩或電源和濾波器之間的相互作用也可能帶來其它頻率。

 

降低EMI有兩個原因。第一個原因是保護特定電源供電的電子系統(tǒng)的功能。例如，系統(tǒng)信號路徑中使用的16位ADC不應(yīng)拾取來自電源的開關(guān)噪聲。第二個原因是滿足世界各國政府為同時保護不同電子系統(tǒng)的可靠功能而制定的某些EMI法規(guī)。

 

EMI有兩種形式，輻射EMI和傳導(dǎo)EMI。降低輻射EMI的有效方式是優(yōu)化PCB布局，并采用諸如ADI公司Silent Switcher®這樣的技術(shù)。當(dāng)然，把電路放在一個屏蔽的金屬盒中也有效。但是，這可能不實用，而且在大多數(shù)情況下成本很高。

 

濾波

 

RC濾波器是基本低通濾波器。但是，在電源設(shè)計中，每個濾波器都是一個LC濾波器。通常，只要串聯(lián)添加一些電感就夠了，因為它將與開關(guān)模式電源的輸入或輸出電容一起形成一個LC或CLC濾波器。有時只使用電容作為濾波器，但是考慮到電源線或走線上的寄生電感，我們結(jié)合電容形成一個LC濾波器。電感L可能是一個帶有線圈的電感或是一個鐵氧體磁珠。LC濾波器的目的實際上是一種低通效應(yīng)，使直流電源可以通過，并在很大程度上衰減較高的頻率干擾。LC濾波器有一個雙極點，因此可實現(xiàn)40 dB/十倍頻程的高頻率衰減。該濾波器可實現(xiàn)相對急劇的頻降。設(shè)計濾波器并非易事；但是，由于電路的寄生組件（如走線電感）會產(chǎn)生效應(yīng)，因此對濾波器建模也需要對主要寄生效應(yīng)進(jìn)行建模。這使得模擬濾波器相當(dāng)耗時。很多有濾波器設(shè)計經(jīng)驗的設(shè)計人員知道哪些濾波器好用，可能會迭代地優(yōu)化某個濾波器以獲得新的設(shè)計。

 

在設(shè)計所有濾波器時，不僅需要考慮小信號行為，如波特圖中濾波器的轉(zhuǎn)換函數(shù)，而且需要注意大信號效應(yīng)。在任何LC濾波器中，電源都會通過電感。如果輸出端不再需要該電源，由于突然負(fù)載瞬態(tài)，存儲在電感中的電能需要釋放到某個地方。它會對濾波器的電容充電。如果濾波器不是針對這種最壞的情況而設(shè)計的，存儲的電能就可能會導(dǎo)致電壓過沖，可能損壞電路。

 

最后，濾波器具有一定的阻抗。該阻抗與附加在濾波器上的電源轉(zhuǎn)換器的阻抗相互作用。這種相互作用可能導(dǎo)致不穩(wěn)定和振蕩。ADI公司的LTspice和LTpowerCAD等仿真工具對于回答所有這些問題和設(shè)計出色濾波器很有幫助。圖10所示為LTpowerCAD設(shè)計環(huán)境中濾波器設(shè)計人員的圖形用戶界面。使用該工具設(shè)計濾波器非常簡單。

 

圖10. 使用LTpowerCAD設(shè)計降壓穩(wěn)壓器的輸入濾波器。

 

Silent Switchers

 

電磁輻射騷擾很難阻擋。需要采用某種金屬材料制成的特殊屏蔽。這樣做的成本很高。很長時間以來，工程師一直在尋找減少開關(guān)模式電源產(chǎn)生的電磁輻射騷擾的方式。幾年前，Silent Switcher技術(shù)取得了重大突破。通過減少開關(guān)模式電源的熱回路中的寄生電感，并將熱回路分為兩個回路，以高度對稱的方式設(shè)置，電磁輻射騷擾大多相互抵消。今天的許多Silent Switcher設(shè)備所提供的電磁輻射騷擾比傳統(tǒng)產(chǎn)品低得多。減少電磁輻射騷擾可提高開關(guān)轉(zhuǎn)換速度，而不會產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI。提高開關(guān)轉(zhuǎn)換速度可減少開關(guān)損耗，由此提高開關(guān)頻率。這種創(chuàng)新的一個示例是 LTC3310S，其開關(guān)頻率為5 MHz，使用低成本的外部組件實現(xiàn)非常緊湊的設(shè)計。

 

圖11. 實現(xiàn)低電磁輻射騷擾的LTC3310S Silent Switcher設(shè)計。

 

電源管理是必需的，但也會帶來樂趣

 

在本教程中，我們討論了電源設(shè)計的許多方面，包括不同的電源拓?fù)浼捌鋬?yōu)缺點。這些信息對于電源工程師來說非常基礎(chǔ)，但是對于專家和非專業(yè)人士而言，在設(shè)計過程中使用LTpowerCAD和LTspice等軟件工具很有幫助。借助這些工具，可在很短的時間內(nèi)設(shè)計和優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換器。希望本教程有助于您迎接下一次電源設(shè)計挑戰(zhàn)。