電源設計說明：常見的開關模式拓撲

此前，我們已經看到了如何電源可分為兩類：電源與開關穩(wěn)壓器線性穩(wěn)壓器和電源。盡管它們非常簡單和便宜，但線性穩(wěn)壓器有一些局限性，主要是因為它們的效率非常低以及需要散發(fā)大量熱量（隨著輸出電壓和輸入電壓之間的差異而線性增加）。

電流開關穩(wěn)壓器可提供 20 W/in 的功率密度。3，與0.3 W/in的密度相比。之前的線性電源模型中的3種。此外，SMPS 可以從單個輸入電壓開始提供多個隔離輸出電壓，實現(xiàn) 70% 至 95% 的效率。關于開關穩(wěn)壓器，我們已經介紹了兩種經典方案，即正向穩(wěn)壓器和反激式穩(wěn)壓器。在本文中，我們將通過檢查用于多種應用（包括高功率應用）的 SMPS 電源的其他方案或拓撲來深化討論。

降壓穩(wěn)壓??器

降壓穩(wěn)壓??器可以被認為是一種正向穩(wěn)壓器，正如我們所知，它很容易通過 LC 濾波器輸出端的存在來識別。該穩(wěn)壓器的特點是產生低于輸入電壓的輸出電壓；因此，它是一個降壓穩(wěn)壓器。降壓穩(wěn)壓??器方案如圖 1 所示。當開關晶體管 Q 1由具有特定頻率和占空比的 PWM 信號驅動，處于“導通”狀態(tài)時，負載由流經電感的電流供電，它在電感器和輸出電容器中存儲能量。另一方面，二極管是反向偏置的，因此被阻斷。當 Q 1處于“關閉”狀態(tài)，電路由二極管關閉，二極管現(xiàn)在正向偏置，電感和電容器存儲的能量為負載供電，直到下一個“開啟”周期發(fā)生。輸出電壓 V OUT由輸入電壓 V IN與 PWM 信號的占空比 D的乘積給出。

圖 1：降壓穩(wěn)壓器原理圖

升壓調節(jié)器

升壓穩(wěn)壓器的特點是產生大于輸入電壓的輸出電壓。它在降低電流的同時升高電壓。升壓穩(wěn)壓器（其原理圖如圖 2 所示）將能量存儲在其電感器中，并在高于輸入電壓的電壓下釋放能量，這一特性使其對于升壓電子設備非常有用。當開關晶體管Q 1導通時，輸入電壓提供的能量儲存在電感中，而二極管反向偏置。在此期間，負載由存儲在電容器中的能量供電。當 Q 1關閉時，二極管正向偏置，電感存儲的能量可用于為負載供電并為輸出電容器充電。

圖 2：升壓調節(jié)器原理圖

通過將降壓調節(jié)器與升壓調節(jié)器相結合，可以獲得降壓-升壓調節(jié)器，它能夠僅使用一種電路拓撲來升高（升壓）和降低（降壓）輸入電壓。

反相調節(jié)器

升降壓穩(wěn)壓器不僅可以增加或降低輸入電壓，還可以從正輸入電壓開始產生負輸出電壓。圖 3 顯示了反相降壓-升壓穩(wěn)壓器的原理圖（注意二極管現(xiàn)在如何連接到輸出電壓的負端子）。

圖 3：反相降壓-升壓穩(wěn)壓器原理圖

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與降壓-升壓類似，單端初級電感轉換器 (SEPIC) 能夠提高或降低輸入電壓，從而獲得更高或更低的輸出電壓。當晶體管處于“關斷”狀態(tài)時，能量被轉移到負載。在圖 4 中，我們可以觀察到 SEPIC 轉換器的典型原理圖。兩個電感器 L 1和 L 2也可以纏繞在同一個磁芯上，因為在整個開關周期內對它們施加相同的電壓。

圖 4：SEPIC 轉換器原理圖

當開關管Q 1導通時，電感L 1開始儲存輸入電壓提供的能量，電容C S給電感L 2充電，二極管D 1開路，負載直接由C OUT供電. 當 Q 1關閉時，二極管 D 1正向偏置，負載由 L 1和 L 2提供的能量供電。

反激式轉換器

反激式穩(wěn)壓器將輸入電壓轉換為更高或更低值的輸出電壓，具有正極性或負極性。反激式轉換器是包含電絕緣的最簡單的拓撲類型。盡管應用僅限于低功率或中等功率，但這些穩(wěn)壓器具有一些顯著優(yōu)勢，包括極其簡單。絕緣由變壓器提供，變壓器的作用相當于一對存儲能量的電感器，如具有降壓或升壓拓撲的轉換器。開關晶體管，通常是 MOSFET 或 IGBT，在導通 (on) 和阻斷 (off) 狀態(tài)之間交替運行。在“導通”狀態(tài)下，輸入電流對變壓器的初級繞組充電，二極管反向偏置，負載由電容器供電（圖 5）。在“關閉”狀態(tài)下，初級繞組中沒有電流流動，而存儲在其中的能量被轉移到次級繞組。二極管現(xiàn)在正向偏置，允許次級繞組向負載提供電流并為電容器充電。

圖 5：反激式轉換器原理圖

半導體選型

實現(xiàn)開關電源所需元件的選擇取決于幾個因素，其中主要有：成本、電壓和電流的最大值、控制開關的 PWM 信號的頻率和占空比，以及所需的元件。熱管理。開關晶體管無疑是最關鍵的組件之一，因為其性能、可靠性和成本在很大程度上影響了項目的成功。最常用于開關晶體管的技術是雙極結型晶體管 (BJT)、MOSFET 和 IGBT。BJT 具有便宜且堅固耐用的優(yōu)點，但它們在開關頻率和可處理的功率水平方面受到限制。IGBT 能夠承受比 BJT 高得多的電流和電壓，并且占據非常窄的硅面積，具有成本優(yōu)勢。功率 MOSFET 可以在比 IGBT 更高的開關頻率下工作，是最常見的選擇。通常，最常見的建議是選擇 R DS(on)盡可能低的 MOSFET價值，作為這個因素，通過減少功率損耗，最大限度地減少散熱器的尺寸和成本。此外，MOSFET 的驅動器電路必須能夠提供獲得極快開關時間所需的電流。


審核編輯：劉清