開關(guān)電源設(shè)計入門與實例解析 開關(guān)電源設(shè)計原理

電源是什么？

電源是將來自能量源（如供電網(wǎng)）的電流轉(zhuǎn)換為負載（如電機或電子設(shè)備）用電所需電壓值的電氣設(shè)備。

電源主要有兩種設(shè)計：線性電源和開關(guān)電源。

線性電源：線性電源設(shè)計利用變壓器來降低輸入電壓，然后對電壓整流并轉(zhuǎn)換為直流電壓，再進行濾波以改善波形質(zhì)量。線性電源使用線性穩(wěn)壓器來保持輸出電壓的恒定。線性穩(wěn)壓器以熱量的形式耗散任何多余的能量。

開關(guān)電源:開關(guān)電源設(shè)計是一種較新的方法，它可以解決線性電源設(shè)計中存在的許多問題，包括變壓器尺寸和電壓調(diào)節(jié)問題。在開關(guān)電源設(shè)計中，輸入電壓不再被降低，而是在輸入端進行整流和濾波；然后通過斬波器將其轉(zhuǎn)換為高頻脈沖序列；在電壓到達輸出端之前，再次進行濾波和整流。

開關(guān)電源的工作原理

長久以來，線性AC / DC電源一直被用于將公用電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，用于家用電器或照明用電。但大功率應(yīng)用越來越需要更小的電源。線性電源被降級到特定的工業(yè)和醫(yī)療用途中，因其低噪聲讓它在這類應(yīng)用中仍有用武之地；而開關(guān)電源因為體積小、效率高并且能夠處理大功率，已經(jīng)很大程度上替代了線性電源。圖1闡明了在開關(guān)電源中，交流電（AC）到直流電（DC）的一般轉(zhuǎn)換過程。

圖1: 隔離式AC/DC開關(guān)電源

輸入整流

整流是將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓的過程。輸入信號的整流是開關(guān)模式AC / DC電源的第一步。

直流電壓通常被認為是恒定的直線電壓，就像電池提供的電壓那樣。 但實際上，直流電（DC）被定義為單向電荷流。這意味著直流電壓沿同一方向流動，但不一定是恒定的。

正弦波交流電（AC）正弦波是最典型的電壓波形，其前半周期為正，后半周期為負。如果負半周期反相或消除，則電流將停止交替，變?yōu)橹绷麟姟＿@個轉(zhuǎn)換過程可以通過整流來實現(xiàn)。

利用無源半橋整流器中的二極管，可以消除正弦波的負半部分，從而實現(xiàn)整流（參見圖2）。二極管允許電流在波的正半周期通過，并在電流沿相反方向流過時截止電流。

圖2: 半橋整流器

正弦波經(jīng)過整流后將具有較低的平均功率，無法有效為設(shè)備供電。另一種更有效的方法是改變負半波的極性，將其變?yōu)檎ā＿@種方法稱為全波整流，它只需要四個二極管做全橋配置即可（見圖3）。不管輸入電壓的極性如何，這種配置都可以確保穩(wěn)定的電流方向。

圖3: 全橋整流器

相比半橋整流，經(jīng)過全波整流的波形平均輸出電壓更高，但仍與電子設(shè)備供電所需的恒定直流波形相差甚遠。盡管它已經(jīng)是一個直流波形，但從電壓波的形狀可以看出，電壓變化非常快而且頻繁，用這樣的直流電為設(shè)備供電效率會很低。直流電壓的這種周期性變化稱為紋波，減少或消除紋波對于實現(xiàn)高效電源至關(guān)重要。

減少紋波最簡單、最常用的方法是在整流器輸出端添加一個大電容，稱為儲能電容器或平滑濾波器（見圖4）。

該電容器在波峰期間存儲電壓，然后為負載提供電流，直到其電壓小于正在上升的整流電壓波為止。其產(chǎn)生的波形將更接近所需的形狀，也可以認為是沒有交流分量的直流電壓。這個最終的電壓波形就可以為直流設(shè)備供電了。

圖4: 帶平滑濾波器的全橋整流器

無源整流器采用半導(dǎo)體二極管作為非受控開關(guān)，這是最簡單的交流波整流方法，但并不是最有效的方法。

二極管是相對高效的開關(guān)。它們能夠以最小功耗快速導(dǎo)通和關(guān)斷。但它唯一的問題是存在0.5V至1V的正向偏置壓降，這會降低效率。

有源整流器采用可控開關(guān)代替了二極管，例如MOSFET或BJT晶體管（見圖5）。它有兩個優(yōu)勢：首先，晶體管整流器沒有半導(dǎo)體二極管固有的0.5V至1V壓降，因為其電阻可以任意小，因此壓降也很??；其次，晶體管是受控開關(guān)，這意味著開關(guān)頻率可以調(diào)節(jié)，并進而優(yōu)化。

其缺點是，有源整流器需要更復(fù)雜的控制電路才能實現(xiàn)其目標(biāo)，這需要額外的組件，因此成本更高。

圖5: 全橋有源整流器

功率因數(shù)校正（PFC）

開關(guān)電源設(shè)計的第二步是功率因數(shù)校正（PFC）。

PFC電路對交流電到直流電的實際轉(zhuǎn)換貢獻不大，但它卻是大多數(shù)商用電源的重要組成部分。

圖6: 整流器輸出端的電壓和電流波形

觀察整流器儲能電容器的電流波形（請參見圖6），會發(fā)現(xiàn)充電電流在很短的時間跨度內(nèi)流經(jīng)電容器；具體而言，是從電容器輸入端電壓大于電容器電荷的那一點，到整流信號峰值之間。這會導(dǎo)致電容器中產(chǎn)生一系列短電流尖峰，不僅會對電源造成嚴重問題，還會影響整個電網(wǎng)。因為這些電流尖峰會注入電網(wǎng)并產(chǎn)生大量諧波。而諧波會產(chǎn)生失真，可能會影響連接到電網(wǎng)的其他電源和設(shè)備。

在開關(guān)電源設(shè)計中，功率因數(shù)校正電路的目的就是濾除這些諧波，使之最小化。功率因數(shù)校正電路有兩種類型：有源和無源。

無源PFC電路由無源低通濾波器組成，這些濾波器會嘗試消除高頻諧波。但是，僅使用無源PFC，還無法使電源（尤其是在大功率應(yīng)用中）符合國際諧波噪聲規(guī)范。必須采用有源功率因數(shù)校正。

有源PFC可以改變電流波形的形狀，使其跟隨電壓波形。諧波被轉(zhuǎn)移到更高的頻率上，因此更容易被濾除。在這種情況下，最常應(yīng)用的電路是升壓（boost，或step-up）變換器。

隔離：隔離式與非隔離式開關(guān)電源

無論是否存在PFC電路，電源變換的最后一步都是將整流后的直流電壓降低到適合預(yù)期應(yīng)用的適當(dāng)幅度。

由于輸入的交流波形在輸入端進行整流，因此直流電壓輸出很高：沒有PFC時，整流器的輸出直流電壓將約為320V；存在有源PFC電路時，升壓變換器的輸出將為400V或更高的穩(wěn)定直流電壓。

對大多數(shù)只需要很低電壓的應(yīng)用而言，這兩種情況下的高電壓都極其危險，而且沒必要。表1列出了選擇正確的隔離拓撲時應(yīng)考慮的幾個方面，包括變換器和應(yīng)用。

表1: 隔離式和非隔離式AC/DC電源

降壓方式的選擇主要關(guān)乎安全性。

電源的輸入端連接到交流電力干線，這意味著如果輸出端漏電，這種程度的電擊會導(dǎo)致人員嚴重傷害甚至死亡，而且會損壞連接到輸出端的任何設(shè)備。

將連接電力干線的AC / DC電源輸入和輸出電路磁隔離可以確保安全。隔離式AC / DC電源中應(yīng)用最廣泛的電路是反激變換器和諧振LLC變換器，因為它們均具有電隔離或磁隔離（請參見圖7）。

圖7: 反激變換器（左）和LLC諧振變換器（右）

采用變壓器意味著信號不能是平坦的直流電壓。相反，電壓必須變化，因此電流也必須變化，這樣才能通過感應(yīng)耦合將能量從變壓器的一側(cè)傳遞到另一側(cè)。因此，反激變換器和LLC變換器都將輸入直流電壓“斬波”為方波，然后再通過變壓器降壓。最后，在輸出之前，再次對波形進行整流。

反激變換器主要用于低功率應(yīng)用，它也是一種隔離式降壓-升壓變換器，其輸出電壓可以高于或低于輸入電壓，具體取決于變壓器的初級繞組與次級繞組之間的匝數(shù)比。

反激變換器的操作與升壓變換器非常相似。

當(dāng)開關(guān)閉合時，初級線圈通過輸入進行充電并形成磁場；當(dāng)開關(guān)打開時，初級電感器中的電荷轉(zhuǎn)移到次級繞組，次級繞組向電路中注入電流，從而為負載供電。

反激變換器相對而言較易設(shè)計，相比其他變換器需要的組件更少，但它效率不高，因為它強制晶體管任意導(dǎo)通和關(guān)斷，這種硬切換會造成巨大的損耗（參見圖8）。特別是在大功率應(yīng)用中，這會縮短晶體管壽命，并產(chǎn)生巨大的功耗。因此，反激變換器更適合功率通常最高100W的低功率應(yīng)用。

諧振LLC變換器則普遍應(yīng)用于大功率應(yīng)用。其電路也通過變壓器進行磁隔離。LLC變換器基于諧振現(xiàn)象，即當(dāng)工作頻率與濾波器固有頻率匹配時，該頻率將被放大。在這種情況下，LLC變換器的諧振頻率由串聯(lián)的電感與電容（LC濾波器）定義，同時還受變壓器初級電感（L）的附加作用影響，因此被命名為LLC變換器。

LLC諧振變換器是大功率應(yīng)用的首選，因為它們可以產(chǎn)生零電流開關(guān)，也稱為軟開關(guān)（見圖8）。當(dāng)電路中的電流接近零時，它可以導(dǎo)通和關(guān)斷開關(guān)，將晶體管的開關(guān)損耗降至最低，從而降低EMI并提高效率。不過，這種性能的提升需要付出一定的代價：設(shè)計能夠在各種負載條件下實現(xiàn)軟開關(guān)的LLC諧振變換器非常困難。為此，MPS開發(fā)了一種特殊的LLC設(shè)計工具，它可以確保變換器在正確的諧振狀態(tài)下工作，從而實現(xiàn)更佳開關(guān)效率。

圖8: 硬開關(guān)（左）和軟開關(guān)（右）損耗

前文提到過，AC / DC電源的局限性之一是輸入變壓器的尺寸和重量。這是因為輸入變壓器的低工作頻率（50Hz）需要較大的電感器和磁芯，才能避免飽和。

在開關(guān)電源中，電壓的振蕩頻率明顯更高（至少高于20kHz）。這意味著降壓變壓器可以更小，因為高頻信號在線性變壓器中產(chǎn)生的磁損耗較小。輸入變壓器的尺寸變小了，系統(tǒng)就可以小型化，才有可能實現(xiàn)將整個電源都裝進手機充電器中，就像我們現(xiàn)在所使用的。

有些直流設(shè)備并不需要變壓器提供隔離。這在不需要用戶直接觸摸的設(shè)備（例如燈、傳感器、IoT等）中很常見，因為對設(shè)備參數(shù)的任何處理都是在單獨的設(shè)備（例如手機、平板電腦或計算機）上完成的。

這對設(shè)備的重量、尺寸和性能都有很大益處。這些變換器利用高電壓降壓變換器降低了輸出電壓水平。其電路可以認為是之前提到的升壓變換器的反相電路。在這種情況下，當(dāng)晶體管開關(guān)閉合時，流經(jīng)電感的電流會在電感兩端產(chǎn)生一個電壓，它會抵消來自電源的電壓，從而降低輸出端的電壓。當(dāng)開關(guān)打開時，電感釋放電流供給負載，在電路與電源斷開時保持負載上的電壓值。

AC / DC開關(guān)電源采用高電壓降壓變換器，因為充當(dāng)開關(guān)的MOSFET晶體管必須能夠承受較大的電壓變化（見圖9）。當(dāng)開關(guān)閉合時，MOSFET兩端的電壓接近0V；但當(dāng)它打開時，在單相應(yīng)用中，該電壓上升至400V，在三相變換器中，該電壓上升至800V。這些突然的高電壓變化很容易損壞普通晶體管，因此要使用特殊的高電壓MOSFET。

圖9: 帶有源PFC的非隔離式AC/DC開關(guān)電源

降壓變換器比變壓器更易集成，因為它只需要一個電感。其降壓效率也更高，正常情況下其效率高達95％。實現(xiàn)這種高效率是因為晶體管和二極管幾乎沒有開關(guān)功耗，唯一的損耗來自電感。

MPS MP17xA系列即為一款非隔離式AC / DC電源輸出穩(wěn)壓器。該系列設(shè)備可以控制多種不同的變換器拓撲，例如降壓、升壓、降壓-升壓或反激。它最高支持700V的電壓，因此適用于單相電源。該器件還具有綠色模式選項，在該模式下，開關(guān)頻率和峰值電流與負載成比例下降，這提高了電源的整體效率。圖10顯示了MP173A MP173A的典型應(yīng)用電路，它在其中調(diào)節(jié)由電感（L1）、二極管（D1）和電容（C4）組成的降壓變換器。電阻（R1和R2）構(gòu)成一個分壓器，用于提供反饋電壓（FB引腳）以閉合控制環(huán)路。

圖10: MP173A MP173A典型應(yīng)用電路

AC/DC開關(guān)電源以更小的尺寸提供了更高的性能，因此更受設(shè)計師的歡迎。其缺點是電路要復(fù)雜很多，而且需要更精確的控制電路和噪聲消除濾波器。在這種情況下，MPS仍然提供了簡單有效的解決方案，讓您的AC / DC電源開發(fā)工作更加輕松。

總結(jié)

AC / DC開關(guān)電源是目前將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源最有效的方法。其電源轉(zhuǎn)換分為三個階段：

輸入整流：輸入的市電交流電壓通過二極管電橋被轉(zhuǎn)換為直流整流波。在電橋的輸出端增加一個電容器可以降低紋波電壓。

功率因數(shù)校正（PFC）：由于整流器中存在非線性電流，因此電流的諧波含量非常大。有兩種方法可以解決此問題：一種方法是采用無源PFC，它使用濾波器來抑制諧波影響，但這種方法效率不高；第二種方法稱為有源PFC，它使用開關(guān)升壓變換器，使電流波形跟隨輸入電壓波形。有源PFC是使電源變換器滿足當(dāng)前尺寸與效率標(biāo)準的唯一方法。

隔離：開關(guān)電源可以是隔離的，也可以是非隔離的。當(dāng)電源的輸入和輸出未物理連接時，設(shè)備處于隔離狀態(tài)。隔離可以通過變壓器實現(xiàn)，變壓器將電路的兩半部分電氣隔離。但變壓器只能在電流產(chǎn)生變化時傳輸電力，因此整流后的直流電壓會被斬波為高頻方波，然后再傳輸?shù)酱渭夒娐分校浑S后再次進行整流，并最終傳遞到輸出。

設(shè)計開關(guān)電源需要考慮方方面面，尤其是安全性、性能、尺寸和重量等。開關(guān)電源的控制電路也比線性電源復(fù)雜，很多設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)，在電源中采用集成模塊有很大幫助。

MPS提供了多種可簡化開關(guān)電源設(shè)計的模塊，例如電源變換器、控制器、整流器等。

審核編輯：彭菁