设计开关电源的16种方法

在选择电源拓扑时,首先确定所需的规格,然后确定要采用线性模式还是开关模式。

简而言之,设计电源是一项重要的工作。在做出建造与购买决策之后,您将面临无数的电路选择,这可能比您想象的要多。过去,构建电源相对简单,但如今,开关模式已成为主流,这已成为一项复杂的专业。如果您不是电源专家,并且/或者这是您的第一批设计之一,则可能需要一些指导。此处提供的信息应有助于您确定选项,并一一掌握零。

步骤1:良好的规范

一切都始于良好的规范。花时间研究您的需求并编写详细的规范至关重要。首先,列出以下主要功能:

  • 输入电压(交流或直流)范围
  • 输出电压(直流或交流)和公差
  • 输出电流要求
  • 最大纹波
  • 估计所需的总功率
  • 效率要求(如果有)
  • 电磁干扰(EMI)注意事项(如果有)

步骤2:第一个决定

有了这些规范,您应该能够做出第一个重大选择:线性与开关模式设计。是的,即使在当前的开关模式主导环境中,线性电源仍然是一种选择。如果您的设计可以接受线性电源的低效率,您可能会欣赏它的好处。线性电源的主要优点是设计简单,成本低廉,相关组件丰富,成熟的技术以及低EMI辐射。

另一方面,开关模式设计固有地会产生噪声,并且您正在供电的电路可能会受到该噪声的影响。例如,振荡器,时钟,合成器或其他关键电路可能需要低相位噪声或抖动。具有低压差(LDO)调节器的线性电源将提供干净的直流电,以满足这一需求。至少要牢记线性选项,因为在某些设计中它仍然是您的最佳选择。

大多数新设计都是开关模式的。开关电源(SMPS)的优点实在是太强大了,不容忽视。效率是主要优势,许多设计的效率都超过90%。小尺寸和合理的成本是其他好处。缺点是复杂而棘手的设计,具有许多替代方法。但是,如果您扩展规格列表,则可以做出更明智的设计选择。

步骤3:扩展规格

除了早先编译的基本规范外,还应为您的设计定义这些规范:

  • 输入和输出之间电气隔离的要求
  • 工作温度范围
  • 预期浪涌电流
  • 峰值和平均输出电流
  • 暂时暴露和响应需求
  • 负载和线路调节要求
  • 开关频率
  • 除EMI需求外,还包括功率因数校正(PFC),保险商实验室(UL)或其他认证的需求

步骤4:选择拓扑

最受欢迎的dc-dc SMPS拓扑是降压(a),升压(b),反相降压-升压(c),SEPIC(d)和Zeta(e)。MOSFET进行开关,电感器和电容器存储能量,二极管控制电流方向。

您可能已经知道几种不同的开关模式电路设计可用。但是您知道实际上应该了解16种拓扑吗?其中之一肯定可以满足您的需求:

  • 巴克
  • 同步降压
  • 促进
  • 反向升降压
  • SEPIC
  • uk
  • 泽塔
  • 飞降
  • 飞回来
  • 两开关反激
  • 主动钳向前
  • 单开关正向
  • 两开关向前
  • 半桥
  • 全桥
  • 相移全桥

此处空间不足会阻止完全覆盖。但是,您可以探索两个很棒的资源来评估拓扑选择:

  • 《电源拓扑快速参考指南》:这9页提供了有关最常见的开关电源拓扑的快速更新。它充满了相关的波形和方程式。
  • 200页的《电源拓扑手册》中提供了更多详细信息。电路说明和设计建议均基于要求。

步骤5:开始设计

一种典型的方法是在做出最终决定之前缩小您对拓扑的选择。最受欢迎的拓扑是降压,升压,降压-升压(和反相版本),SEPIC和Zeta。图1显示了每种电路的简化电路。降压格式可降低输入电压,而升压可提高输入电压。其他三个都可以。如果您需要更改输出的极性,则Cuk拓扑是一个很好的拓扑。

如果需要隔离,可以使用变压器。将它们整合到设计中的拓扑是反激式,向前钳位,推挽式,半桥式或全桥式。

至于开关频率,通常会根据您的应用得出最佳估计值。今天,典型的开关频率范围从大约100 kHz到几兆赫。对于要求最高效率的高功率应用,低频通常更好。较高的频率使使用较小的电容器和电感器的滤波变得更容易,并且可以减小尺寸和成本。 

另外,请务必考虑基波和谐波对附近其他设备的影响。限制开关EMI的一种潜在解决方案是抖动。这涉及开关频率的随机变化,以通过在更大范围内扩展频谱来降低任何EMI。

如果您不知道如何或从哪里开始,则开关模式电源设计可能是一个神秘的企业。请查看此推荐的博客,以更好地了解如何为您的应用选择最合适的电源拓扑。

步骤6:其他资源

二极管和集成电路是您设计的核心。请记住,大多数半导体公司都提供支持产品或服务,例如德州仪器(TI)的WEBENCH等在线设计软件。不要忘记参考设计和评估套件可以进一步加快和简化设计的可能性。