開(kāi)關(guān)電源電路運(yùn)行基本原理及外圍參數(shù)設(shè)計(jì)思路

眾所周知，在硬件設(shè)計(jì)師領(lǐng)域，都會(huì)遇到的一類(lèi)基礎(chǔ)電路設(shè)計(jì)便是電源設(shè)計(jì)，其中開(kāi)關(guān)電源(SMPS，Switched-Mode Power Supply)是一種非常高效的電源變換器，其轉(zhuǎn)換效率多達(dá)90%以上，種類(lèi)繁多。按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分：有Buck、Boost、Buck-Boost、Charge-pump等;按開(kāi)關(guān)控制方式來(lái)劃分：又有PWM、PFM等;按開(kāi)關(guān)管類(lèi)別分：可分為BJT、FET、IGBT等。

對(duì)比傳統(tǒng)的線(xiàn)性電源，開(kāi)關(guān)電源具備多種優(yōu)勢(shì)。此次我們就以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分的方式，來(lái)討論在CCM模式下幾種開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)思路。

1電路運(yùn)行基本原理

圖1 Buck型電路

圖1 是簡(jiǎn)化后的Buck電路主回路示意圖，其工作模式如下：

K接通Ton時(shí)期，電流經(jīng)L流入負(fù)載R上，由輸入U(xiǎn)i為L(zhǎng)進(jìn)行儲(chǔ)能，C為儲(chǔ)能濾波電容，同時(shí)帶起負(fù)載R，R兩端的電壓Uo在Ton期間為穩(wěn)定的直流電壓。

K關(guān)斷Toff時(shí)期，L降產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，電流由反電動(dòng)勢(shì)eL正極流出，通過(guò)負(fù)載R，再經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管D回到eL的負(fù)極。由于C的儲(chǔ)能穩(wěn)壓，Toff階段的輸出電壓Uo也是穩(wěn)定的直流電壓。

圖2 Boost型電路

圖2 是簡(jiǎn)化后的Boost電路主回路示意圖，其工作模式如下：

K接通Ton時(shí)期，Ui僅對(duì)L進(jìn)行充電，C為負(fù)載R供電，形成穩(wěn)定電壓Uo。

K關(guān)斷Toff時(shí)期，為保持勵(lì)磁不變，L也會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)eL。eL反電動(dòng)勢(shì)的方向與開(kāi)關(guān)K關(guān)斷前的方向相反，但與電流的方向相同，在負(fù)載兩段就會(huì)有Ui和eL疊加之和的穩(wěn)定輸出電壓。

圖3 Buck-Boost型電路

圖3 是簡(jiǎn)化后的Buck-Boost電路主回路示意圖，其工作模式如下：

當(dāng)S1開(kāi)關(guān)工作，S2處于常斷期間，回路為Buck工作模式

當(dāng)S2開(kāi)關(guān)工作，S1處于常通期間，回路為Boost工作模式

2電路外圍參數(shù)設(shè)計(jì)思路

1. 主要元件及參數(shù)

開(kāi)關(guān)電源電路的主要元件有：

a)有源開(kāi)關(guān)(Switch：MOS，IGBT，Triode)，有源開(kāi)關(guān)是開(kāi)關(guān)電源工作的核心，通過(guò)PWM或PFM等方式控制有源開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)切換，可有效實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的工作控制。因MOS具有極低的TON和TOFF時(shí)間，在開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)時(shí)，多采用其作為有源開(kāi)關(guān)，部分集成式的芯片會(huì)內(nèi)置MOS(例TPS6292XX系列)，但對(duì)于Iout≥5A的負(fù)載需求，一般采用外置MOS來(lái)解決。

針對(duì)Buck-Boost型電路有雙開(kāi)關(guān)管和四開(kāi)關(guān)管的主要工作模式，其中四開(kāi)關(guān)管是將原理中的二極管換為開(kāi)關(guān)管，例如LM5175構(gòu)成的Synchronous Buck-Boost電路：

圖4 Synchronous Buck-Boost電路

上述Synchronous Buck-Boost電路轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于常規(guī)雙開(kāi)關(guān)管模式。

b)二極管Diode，在開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)時(shí)所用的Diode一般為SBD，保證在高頻開(kāi)關(guān)電源環(huán)境下的可靠導(dǎo)通與關(guān)斷，同時(shí)具有低壓降低功耗低溫升的優(yōu)點(diǎn)。選用二極管時(shí)，除電壓降和反向耐壓裕量(建議30%以上)以外，正向電流考慮≥1.3*IOUTmax即可。

c)電感Inductor，電感在開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)中主要起儲(chǔ)能釋放，紋波調(diào)節(jié)的作用，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的電感參數(shù)有電感量L、直流電阻RDCR、通流能力Irms、飽和電流Isat，這三個(gè)參數(shù)主要由電感設(shè)計(jì)時(shí)采用的繞線(xiàn)圈數(shù)、繞線(xiàn)直徑、繞線(xiàn)材料和磁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多方面決定，部分不帶磁芯的空心電感不存在飽和電流一說(shuō)。

電感值的選擇一般參考下式：

式中，DMIN — 為最小占空比;

FSW — 開(kāi)關(guān)頻率;確定了電感值的選取，接下來(lái)還需關(guān)注的便是飽和電流，在設(shè)計(jì)中，推薦飽和電流Isat≥1.5*IOUTmax。

d)電容Capacitor，在這里我們主要討論的是開(kāi)關(guān)電源的COUT，一般來(lái)說(shuō)輸出電容的選擇主要取決于電容量和瞬態(tài)響應(yīng)之間的權(quán)衡，因?yàn)楦蟮碾娙萘靠梢詼p少瞬態(tài)響應(yīng)超調(diào)和欠調(diào)。在設(shè)計(jì)中我們希望電容的ESR盡可能小，采用鉭電容時(shí)需要盡可能采用2.5倍以上的耐壓值。電容值的選擇考慮輸出電壓下沖需要滿(mǎn)足：

考慮輸出電壓過(guò)沖需要滿(mǎn)足：

式中：IOH — 負(fù)載瞬態(tài)電流高值; IOL — 負(fù)載瞬態(tài)電流低值; VUS — 輸出下沖電壓; VOS — 輸出過(guò)沖電壓;

在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源電路時(shí)，電感和電容的參數(shù)多數(shù)需要配合進(jìn)行抉擇，以L(fǎng)M5152為例：

圖5 LM5152推薦電路示意圖

在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)需滿(mǎn)足：

而在Buck-Boost型電源芯片TPS638XX系列中，電感設(shè)計(jì)參數(shù)需滿(mǎn)足：

式中： D — 占空比; ? — 開(kāi)關(guān)頻率; L — 電感量; ? — 轉(zhuǎn)換效率。

圖6 TPS638XX系列推薦電路示意圖

在TPS638XX系列中，針對(duì)電感的設(shè)計(jì)，電容給出了推薦設(shè)計(jì)參數(shù)：

表2 TPS638XX系列推薦參數(shù)示意表

2. 優(yōu)化設(shè)計(jì)方向

PCB設(shè)計(jì)：

對(duì)于輸出電容器，建議使用小型陶瓷電容器，盡可能靠近IC的VOUT和PGND等引腳。

排列好功率器件，以減小AC回路面積，必要時(shí)適當(dāng)布置銅箔鋪在功率地以輔助散熱。

FB、COMP和ISET等類(lèi)似引腳信號(hào)GND返回點(diǎn)以單點(diǎn)連接到功率地，提高抗干擾性能。

FB、COMP和ISET等信號(hào)回路避開(kāi)VIN與VOUT，避免受到干擾。

紋波(Ripple)的產(chǎn)生與抑制：

紋波是由于直流穩(wěn)壓電源的電壓波動(dòng)而造成的一種現(xiàn)象，因?yàn)橹绷鞣€(wěn)壓電源一般是由交流電源經(jīng)整流穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)而形成的，這就不可避免地在直流穩(wěn)定量中多少帶有一些交流成分，同時(shí)開(kāi)關(guān)電源自身工作時(shí)，各儲(chǔ)能元件充放電過(guò)程也并非完全理想的瞬態(tài)響應(yīng)，會(huì)有交流成分，這種疊加在直流量上的交流分量就是紋波。紋波的成分較為復(fù)雜，它的形態(tài)一般為頻率高于工頻的類(lèi)似正弦波的諧波，另一種則是寬度很窄的脈沖波。

為了減小開(kāi)關(guān)電源的紋波，設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，對(duì)儲(chǔ)能元件的參數(shù)選取留有適當(dāng)?shù)挠嗔渴怯行Э刂谱陨砑y波的重要環(huán)節(jié);在兼顧轉(zhuǎn)換效率與紋波的場(chǎng)合，采用多增加中轉(zhuǎn)電壓轉(zhuǎn)換的形式是相對(duì)常用的方式，例如：12V-5V的場(chǎng)合，采用12V-6V-5V的形式進(jìn)行，也可有效的抑制前置電路帶來(lái)的干擾。

3更多類(lèi)型的開(kāi)關(guān)電源電路

應(yīng)用形式擴(kuò)展

Buck實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓升降壓：例TPS5430如下應(yīng)用，通過(guò)將原本參考設(shè)計(jì)中的GND作為VOUT，將原本的VOUT拉至GND，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓。

圖7 TPS5430負(fù)電壓輸出電路示意圖

Sepic實(shí)現(xiàn)升降壓：例LM5002采用Sepic調(diào)節(jié)器形式設(shè)計(jì)升降壓，使輸出為固定為12V，而VIN可進(jìn)行3.1V~42V的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)升降壓功能。在Sepic電路中，L1與L2可以采用共模電感進(jìn)行設(shè)計(jì)，電感量為非耦合電感的一半即可。

圖8 LM5002采用Sepic設(shè)計(jì)形式輸出電路示意圖

Flyback實(shí)現(xiàn)升降壓：Flyback型電路分為隔離或非隔離式，以L(fǎng)M5001非隔離式應(yīng)用為例，推薦采用耦合式電感進(jìn)行設(shè)計(jì)，固定輸出為24V，推薦輸入可在16~42V間調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)升降壓功能。

圖9 LM5001采用Flyback設(shè)計(jì)形式輸出電路示意圖

開(kāi)關(guān)電源因其高轉(zhuǎn)換效率、更低的熱消耗和更小的體積，已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)的各行各業(yè)。未來(lái)開(kāi)關(guān)電源將繼續(xù)向著低噪聲、高集成化和高可靠性的方向發(fā)展。熟練應(yīng)用各種不同拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)電源將會(huì)為我們的設(shè)計(jì)打下夯實(shí)的基礎(chǔ)。