常見的開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電源，是一種能夠提供電能的設(shè)備。 開關(guān)電源是采用開關(guān)管開關(guān)技術(shù)的電源。 自第二次工業(yè)革命以來(lái)，伴隨著半導(dǎo)體晶體管的發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)也如火如荼地發(fā)展起來(lái)，并深入到我們生活中的方方面面。 大到國(guó)家電網(wǎng)供電系統(tǒng)，光伏發(fā)電，小到家庭照明，個(gè)人消費(fèi)電子，都應(yīng)用到了開關(guān)電源技術(shù)。

產(chǎn)品的定位和應(yīng)用場(chǎng)景不同，導(dǎo)致開關(guān)電源的選型和設(shè)計(jì)方式不盡相同。 比如通信電源，在給通信設(shè)備提供電能的同時(shí)，我們不希望電源對(duì)于設(shè)備有不必要的電磁干擾，因此通信電源對(duì)于EMI的要求較高。 再比如消費(fèi)類電源，由于消費(fèi)產(chǎn)品更追求的是用戶體驗(yàn)、安全以及價(jià)格，所以消費(fèi)電源傾向于設(shè)計(jì)高性價(jià)比，安全可靠的產(chǎn)品。

什么是開關(guān)電源

1. 感性地理解開關(guān)電源

開關(guān)電源的本質(zhì)，是能量的傳輸與調(diào)理。 生活中各式各樣的設(shè)備，都有不同的用電需求，有的需要交流電，有的需要直流電; 有的需要高壓電，有的則需要低壓電。 因此利用開關(guān)電源將某一種形態(tài)的電能“調(diào)理”成另外一種形態(tài)的電能，是必要的需求。

關(guān)于開關(guān)電源的主要“工作”，這里冒昧地用一下開關(guān)電源大佬Sanjaya Maniktala提到的一個(gè)形象的比喻。 回想一下我們都經(jīng)歷過(guò)的上下班高峰期或春運(yùn)高峰期，我們有一群人在同一地點(diǎn)，希望到達(dá)同一目的地。 顯然這么多人不可能同時(shí)乘坐一趟交通工具達(dá)到目的地，而是需要把這些人“打包”，一趟一趟地輸送過(guò)去。

在送達(dá)時(shí)間一定的條件下，有兩種輸送方式。 一種方式是將人群“打成大包”，采用大型的交通工具(如地鐵或高鐵)，每隔10分鐘輸送一趟; 另一種是將人群“打成小包”，采用小型的交通工具，每隔1分鐘輸送一趟。

開關(guān)電源就是這樣大型或小型的交通工具，而它要“打包”的，不是“人數(shù)”，而是“能量”。 開關(guān)電源利用開關(guān)的特性，鍘刀式地切割能量的大小和份數(shù)，然后一份份地從出發(fā)地(輸入)送到目的地(輸出，也就是用電設(shè)備)。

開關(guān)電源的開關(guān)頻率影響其存儲(chǔ)和傳輸能量的元器件(電容，電感，變壓器)的體積。 頻率越高，切割的能量顆粒度越小，儲(chǔ)能元件的體積越小。 開關(guān)電源的“鍘刀”，即功率開關(guān)管MOSFET。 近些年半導(dǎo)體行業(yè)的熱詞“氮化鎵GaN”，就是基于GaN材料的MOSFET。 采用GaN MOSFET設(shè)計(jì)的開關(guān)電源，比傳統(tǒng)的基于Si MOSFET的開關(guān)電源，具有更高的開關(guān)頻率，能量切割的更小，因此體積更小。

交通工具通過(guò)控制荷載人數(shù)，發(fā)車頻率，調(diào)整運(yùn)輸?shù)浇K點(diǎn)站的人數(shù)和時(shí)間; 開關(guān)電源通過(guò)控制開關(guān)頻率，占空比，反饋環(huán)路，可以實(shí)現(xiàn)用戶需要的任意輸出，如恒壓輸出，恒流輸出，甚至恒功率輸出。 可以滿足不同的用戶使用場(chǎng)景，因此靈活性非常高。

2. 從原理上理解開關(guān)電源

開關(guān)電源全稱為Switching Mode Power Supply(SMPS)，即電源是工作開關(guān)模式的。 另外一種電源與之對(duì)應(yīng)，稱為線性電源。 線性電源優(yōu)點(diǎn)是輸出紋波小，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不存在EMI的問(wèn)題。 缺點(diǎn)就是損耗較大，效率差，只能應(yīng)用在低功率的場(chǎng)景。 如三端穩(wěn)壓器，或線性穩(wěn)壓器(LDO)，都是線性電源。

最基本的線性電源為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。 這種電路適用于輸出電壓不可調(diào)，且功率較小的場(chǎng)景，比如產(chǎn)品中IC的供電電路。 線性電源采用的關(guān)鍵器件是雙極型晶體管(Bipolar Junctiontransistor, BJT)，BJT在電路中工作在放大狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，晶體管發(fā)射極E和基極B之間的電流具有固定的比例放大關(guān)系。 通過(guò)控制發(fā)射極電流(即輸出電流)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出的目的。

圖3 基本串聯(lián)型穩(wěn)壓電路(左)和具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路(右)

另外一種輸出電壓可調(diào)的線性電源為具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。 這種線性電源通過(guò)引入深度負(fù)反饋的放大器和可調(diào)采樣電阻，精確穩(wěn)定輸出電壓。

線性電源采用的BJT晶體管工作在放大狀態(tài)，晶體管損耗較大，因此效率較差，整體效率在30%~40%左右，因此并不適用于大功率的應(yīng)用場(chǎng)景。

開關(guān)電源常用的關(guān)鍵器件為場(chǎng)效應(yīng)管，全稱為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor)，簡(jiǎn)稱MOS管或開關(guān)管。 開關(guān)管主要工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，即開關(guān)狀態(tài)，電路效率可以達(dá)到70%~95%。

圖4 MOSFET及其開通和關(guān)斷狀態(tài)

開關(guān)電源有多種固定的電路形態(tài)，稱之為拓?fù)?，這些拓?fù)涫菤v史上聰明的頭腦們發(fā)明并優(yōu)化出的電路結(jié)構(gòu)。 每種拓?fù)涠加凶陨淼膬?yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，因此不同的使用場(chǎng)景，不同的用戶需求，工程師會(huì)采用不同的拓?fù)溥M(jìn)行設(shè)計(jì)。

常見的開關(guān)電源拓?fù)?/p>

1. Buck電路

Buck電路即降壓電路，輸出電壓低于輸入電壓。 Buck電路利用開關(guān)管將輸入功率“打包”成一段一段的電壓(方波電壓)，然后經(jīng)過(guò)LC濾波電路輸出給負(fù)載。

圖5 Buck電路原理圖

系統(tǒng)通過(guò)控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)輸入能量的“打包”。 這種控制方式稱為脈沖寬度調(diào)制(PulseWidth Modulation，PWM)，顧名思義，就是利用方波脈沖控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，通過(guò)調(diào)整方波高電平的脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制。

圖6 Buck電路的工作模式

開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入端給電感充電，同時(shí)給輸出供電; 開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，輸入被“截?cái)唷?，電感通過(guò)二極管續(xù)流給輸出放電。 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)管導(dǎo)通的比例稱為占空比D(Duty Cycle)，D=1時(shí)，輸入輸出直通，輸出電壓等于輸入電壓;D=0時(shí)，輸入輸出完全截止，輸出電壓為0;D=50%時(shí)，輸出電壓為輸入電壓的一半。 因此可以得出輸入輸出的關(guān)系：Vo=Vin*D。 (從另外一個(gè)角度看，Buck電路是將一個(gè)某占空比的方波，經(jīng)過(guò)LC低通濾波器濾波成直流的一種電路。 )

圖7 占空比D

在許多應(yīng)用中，為了提高效率，會(huì)采用同步整流的方式控制Buck電路。 這種方式會(huì)把續(xù)流二極管換成另外一只開關(guān)管，其導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)與第一只開關(guān)管互補(bǔ)。 利用同步整流的方式，可以彌補(bǔ)二極管損耗較大的缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高電路的整體效率。

圖8 同步整流Buck電路

2. Boost電路

Boost電路為升壓電路，輸出電壓高于輸入電壓。 只需要基于Buck電路，將開關(guān)管，二極管以及電感器件逆時(shí)針調(diào)換位置，就得到了Boost電路。

圖9 Buck電路(左)變換為Boost電路(右)

開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流流過(guò)開關(guān)管給電感充電，同時(shí)通過(guò)二極管給負(fù)載供電; 開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，輸入端和電感共同給負(fù)載供電。 輸出與輸入電壓的比例為Vo=Vin/(1-D)。

圖10 Boost電路的工作模式

Boost電路開關(guān)管不可以100%導(dǎo)通(D=1)，這種情況下，輸入端被短路。 從輸入輸出公式我們也可以看到，D=1的情況下分母為0，這在數(shù)學(xué)上不允許出現(xiàn)的。

3. Flyback電路

Flyback又稱反激變換器，是由Boost電路衍生而來(lái)的。 由上面兩種電路我們可以看到，Buck/Boost輸入輸出是“共地”的，因此對(duì)于一些需要輸入輸出隔離的場(chǎng)景，Buck/Boost拓?fù)洳⒉缓线m。 Flyback在輸入端和輸出端采用了隔離變壓器的設(shè)計(jì)，將“輸入地”和“輸出地”隔離，屬于“離線式(off-line)變換器”。

在了解Boost電路時(shí)我們知道，電感在工作中有充電和放電兩種狀態(tài)，這兩種狀態(tài)是由同一個(gè)電感完成的。 我們對(duì)這個(gè)電感稍作調(diào)整，將充電和放電兩種狀態(tài)分離開來(lái)，即充電由一個(gè)電感完成，而這部分電能由另一個(gè)電感來(lái)釋放。 聽起來(lái)不太可能，但是電磁感應(yīng)的機(jī)理使得這種方式成為可能，即耦合電感。

圖11 反激變換器flyback的演變過(guò)程

耦合電感形似變壓器，但它實(shí)質(zhì)并不是變壓器，而是兩個(gè)電感通過(guò)磁芯耦合在一起，分為原邊和副邊。 當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，原邊電感充電，并通過(guò)電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)化為磁芯的磁能量; 當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，磁能量再通過(guò)電磁感應(yīng)反向轉(zhuǎn)化為電感的電能，并通過(guò)二極管釋放給輸出。

反激變換器原副邊電感的同名端是反向的(即原副邊繞組朝相反方向繞制)。 為了方便說(shuō)明，我們分別用Lp和Ls代表原邊和副邊電感。 開關(guān)管閉合導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓通過(guò)開關(guān)管給Lp充電。 Ls正負(fù)與Lp相反，由于二極管的存在，Ls處于截止?fàn)顟B(tài)。

開關(guān)管斷開時(shí)，Lp的能量通過(guò)磁芯耦合輸送到副邊，Ls正負(fù)發(fā)生反向，并通過(guò)二極管輸出給負(fù)載。 這時(shí)Ls的電壓仍然與Lp存在比例關(guān)系，仿佛是副邊電壓“飛到”原邊，因此稱為“Fly-back”。

另外，工程師可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)原副邊的匝比，因此flyback可以實(shí)現(xiàn)較寬范圍的輸入升降壓功能。

圖12 反激變換器flyback的工作原理

然而實(shí)際上，原副邊耦合的程度并非理想中的百分百耦合，而是有一部分并未相互耦合的電感，這個(gè)電感稱之為漏感。 在flyback工作時(shí)，漏感能量并未通過(guò)磁芯耦合到副邊，因此需要有一條路徑消耗掉，否則這些能量會(huì)直接消耗在開關(guān)管上，損壞開關(guān)管。

圖13 未耦合到副邊的漏感

根據(jù)消耗路徑的控制方式，flyback又可以分為兩種形態(tài)：QR(Quasi-resonance)flyback和ACF(Active Clamp Flyback)。

QR反激是利用開關(guān)管工作過(guò)程的谷底開通技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電路的準(zhǔn)諧振，進(jìn)而降低開關(guān)損耗。 在QR反激中，漏感能量會(huì)通過(guò)電阻，電容和二極管回路釋放掉，以保護(hù)開關(guān)管。 這個(gè)泄放回路稱為RCD吸收回路。 由于漏感能量完全通過(guò)元器件以熱量的形式泄放出來(lái)，這種形式拓?fù)湫事缘汀?/p>

ACF反激以一只開關(guān)管代替RCD吸收回路，實(shí)現(xiàn)有源鉗位，利用這只開關(guān)管與下開關(guān)管的互補(bǔ)導(dǎo)通，將漏感能量“回收“回來(lái)，進(jìn)一步提高效率。 由于ACF需要額外增加一顆開關(guān)管，因此在成本上略高于QR的方案。

圖14 QR反激和ACF反激

Flyback這種利用電磁耦合實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)姆绞?，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，但是由于漏感的存在，整體效率必然是一個(gè)挑戰(zhàn)。 尤其是在大功率的場(chǎng)景，大量的漏感能量被吸收回路泄放掉了，變換器的損耗隨著功率的提升而增加。 因此，因此flyback通常應(yīng)用在功率在100W以下的場(chǎng)景。