隨著 5G 等高速數據通信係統的興起

，定時和噪聲容限要求也變得極高。

 

為了解決以小巧的外形實現高效、可靠供電的難題，電源設計人員正在將反激式拓撲用於開關模式電源 (SMPS)。此拓撲適用於高達 150 瓦的功率水平
，可提供元器件數少、尺寸小且成本低的設計，還提供輸入/輸出隔離以及卓越能效等優點。

 

本ben文wen將jiang討tao論lun開kai關guan模mo式shi電dian源yuan的de工gong作zuo原yuan理li，並bing簡jian要yao了le解jie電dian源yuan的de自zi製zhi與yu外wai購gou決jue策ce過guo程cheng。此ci外wai還hai將jiang研yan究jiu采cai用yong反fan激ji式shi拓tuo撲pu的de單dan輸shu出chu電dian源yuan設she計ji
，並bing提ti供gong使shi用yong現xian成cheng零ling件jian和he元yuan器qi件jian的de設she計ji示shi例li。

 

開關模式電源

 

SMPS（即轉換開關）作為一種電源，使用開關穩壓器維持來自交流或直流電源的穩定輸出電壓。開關穩壓器使用一個或多個半導體器件（例如雙極結式晶體管、MOSFET 或 IGBT）在通斷狀態之間切換
，以維持輸出電壓調節。這些器件可采用固定“導通”時間和可變頻率工作
，或是更常見的是，以固定頻率和可變占空比工作。開關器件處於“導通”或“關斷”狀(zhuang)態(tai)時(shi)的(de)功(gong)率(lv)耗(hao)散(san)較(jiao)低(di)，因(yin)而(er)能(neng)效(xiao)較(jiao)高(gao)。器(qi)件(jian)僅(jin)在(zai)狀(zhuang)態(tai)轉(zhuan)換(huan)期(qi)間(jian)才(cai)會(hui)耗(hao)散(san)功(gong)率(lv)。此(ci)外(wai)
，由(you)於(yu)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)通(tong)常(chang)為(wei)數(shu)十(shi)千(qian)赫(he)，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)大(da)幅(fu)縮(suo)小(xiao)變(bian)壓(ya)器(qi)、電感器和電容器的尺寸，實現高容積效率。

 

潛在的電磁幹擾 (EMI) 會抵消 SMPS 的優勢。這要歸因於開關瞬態，但通過細致的元器件選擇、布局和屏蔽可以加以改善。因此，SMPS 的優勢遠遠超過了它的缺點
，這讓 SMPS 成為最常用的電源，而線性電源則退居至僅用於最靈敏的電子應用。

 

SMPS 拓撲

 

SMPS 可以在多種不同的電路設計或拓撲中實現。常用的拓撲有數十種（表 1）。

 

表 1：10 種最常用的開關模式電源拓撲（數據來源：Digi-Key Electronics）

 

反激式拓撲

 

反激式轉換器是最常用的 SMPS 電路（圖 1）。

 

圖 1：使用單個 MOSFET 開關和反激式變壓器的反激式轉換器功能示意圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

反激式拓撲的主要優勢是它的簡單性。在任意給定的功率水平下，該拓撲是元器件數最少的 SMPS 拓撲。電源可使用直流或交流電源供電。當配置為從交流線路（市電）工作時，線路通常采用全波整流。輸入源 (Vi) 為直流。

 

gaidianludehexinshifanjishibianyaqi。yuchuantongdebianyaqiraozubutong，fanjishibianyaqidechujihecijiraozubuhuitongshichengzaidianliu。zheshiyinweiraozuxiangweifanxiang，raozushangdeyuandianjihaohecijicedechuanlianerjiguanzhishilezheyidian。

 

使用反激式變壓器帶來了幾個好處。首先，電源的初級側和次級側可以電氣隔離。隔離減少了初級側的瞬態耦合、消除了接地環路，並在電源的輸出極性方麵提供了更大的靈活性。

 

利li用yong該gai變bian壓ya器qi可ke以yi在zai電dian源yuan中zhong生sheng成cheng多duo個ge輸shu出chu電dian壓ya。變bian壓ya器qi針zhen對dui每mei個ge電dian壓ya增zeng加jia額e外wai的de繞rao組zu。調tiao壓ya僅jin基ji於yu單dan一yi輸shu出chu，而er次ci級ji輸shu出chu通tong常chang在zai局ju部bu進jin行xing調tiao壓ya。

 

電路從開啟開關（例如 MOSFET）開始工作（圖 2）。

 

圖 2：分別顯示兩種工作模式的原理波形的反激式電源工作情況。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

當開關處於接通狀態時
，VDRAIN 近乎零伏，電流 IP 流liu經jing變bian壓ya器qi的de初chu級ji繞rao組zu。能neng量liang儲chu存cun在zai變bian壓ya器qi的de磁ci化hua電dian感gan中zhong。此ci電dian流liu隨sui時shi間jian呈cheng線xian性xing增zeng長chang。次ci級ji側ce的de串chuan聯lian二er極ji管guan被bei反fan向xiang偏pian壓ya，並bing且qie次ci級ji側ce沒mei有you電dian流liu流liu動dong。儲chu存cun在zai輸shu出chu電dian容rong器qi的de能neng量liang向xiang輸shu出chu供gong應ying電dian流liu。

 

當 MOSFET kaiguanbeiguanduanshi，bianyaqizhongchucundenengliangtongguoerjiguanshuchudaoshuchudianrongqiheshuchufuzai。cijidianliuzhikaishishijiaogao

，zhihouyixianxingfangshidijiang。ruguocijidianliuzaikaiguanzhongxinjietongzhiqianjiangzhiling，zedianyuanbeichengweiduanxudianliumoshi (DCM) 電源。反之，如果次級電流沒有降至零，則電源被稱為連續電流模式 (CCM) 電源。由於電感器中儲存的能量在每個開關周期都會完全釋放，因此 DCM 電源可以使用較小的變壓器。此外，該電源通常更穩定，產生的 EMI 也更低。

 

儲存在變壓器漏泄電感中的能量在開關關斷時流入初級側，並由輸入箝位或“吸收”電路吸收，該電路的作用是保護半導體開關不會被高感應電壓損壞。隻有當開關在通斷狀態之間轉換時才會耗散功率（圖 3）。

 

圖 3：顯示 MOSFET 開關的電壓和電流波形以及瞬時功率耗散的反激式電源測量。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

圖 3 中最上麵的跡線是反激式電源中 MOSFET 開關的電壓。彩色覆蓋部分指示 MOSFET dezhuangtai。lansefugaibufenzhishiqijianchuyudaotongzhuangtai，erhongsequyuzezhishiqijianchuyuguanduanzhuangtai。zhongjiandejixianshiliujingqijiandedianliu。zuixiamiandejixianxianshishunshigonglv，qijisuanfangfaweisuoshijiadianyayusuochanshengdianliudechengji。keyiguanchadao，kaiguanzhuanhuanqijiandegonglvhaosanzuimingxian。erjixianxiamiandedushuzizuozhiyouyicixianshi：開啟、導通、關閉和關斷狀態期間的功率損耗，以及所有區域的功率損耗總和。

 

控製器/穩壓器

 

開關器件（如圖 2 所示示意圖中的 MOSFET）由控製器或開關模式穩壓器驅動。多數情況下，控製器會將脈衝寬度調製 (PWM) 波形應用於開關的控製元件，對 MOSFET eryanjiweizhaji。dianyuanshuchubeifankuidaokongzhiqi
，kongzhiqizetongguogaibianzhajiqudongxinhaodezhankongbilaibaochihengdingdeshuchudianya。zheyang，kongzhiqijiuweiraofanjishizhuanhuanqigouchengleyigebihuankongzhixitong。

 

控製器還可以處理數種輔助功能
，例如防止電源出現過載、過壓或低功率線路狀態，還能管理電源的啟動
，確保實現有效控製的（“軟”）啟動
，最大限度減小初始電流和電壓瞬態。

 

SMPS 設計

 

有多家半導體元器件供應商提供有設計工具
，可幫助設計開關模式電源

，例如 Texas Instruments 的 WEBENCH Power Designer（圖 4）。

 

圖 4：Texas Instruments WEBENCH 電源設計中心的開啟頁麵顯示了 25 瓦 5 伏反激式電源 SMPS 設計的基本規格。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

該設計從用戶輸入供電電壓範圍、目標輸出電壓和電流等電源規格開始。本案例中，目標設計為采用隔離式拓撲
、從交流電源工作的 5 伏、5 安電源。而對於更複雜的多輸出電源，還提供有高級電源架構設計工具。

 

該軟件從這一點開始一係列的設計並提示用戶選擇控製器。用戶可以查看每項設計的原理圖
、物料清單 (BOM) 成本、能效和一些相關的電路規格。

 

此示例選擇的是 Texas Instruments UCC28740 反激式轉換器
，並且顯示了設計原理圖（圖 5）。

 

圖 5：使用 WEBENCH 建議的光隔離反饋的 25 瓦交流 SMPS 原理圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

將指針指向原理圖上的任意元器件都會顯示詳細的零件描述
，並且還有機會選擇替代元器件。控製器 (U1) 通過 CEL PS2811-1-F3-A 光隔離器接收輸出反饋。此反饋方法會在電路的初級部分與次級部分之間保持電氣隔離。控製器則將 PWM 驅動信號提供給電源開關 M1，即 STMicroelectronics 的 STB21N90K5 900 伏、18.5 安 MOSFET。此外
，該設計工具還能幫助選擇或設計反激式變壓器。

 

設計摘要頁概述了關鍵設計元素（圖 6）。

 

 

圖 6：設計摘要整合了所建議設計的全部元素。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

用戶可以利用優化器的調整部分來優化設計
，實現最低 BOM 成本
、最小封裝或最高能效。經驗不足的設計人員也可以利用此工具，通過查看多項設計以及元器件變化所產生的影響來獲取經驗。

 

自製還是外購？

 

毫無疑問，工程師除非有 SMPS 方(fang)麵(mian)的(de)相(xiang)關(guan)經(jing)驗(yan)，否(fou)則(ze)都(dou)會(hui)有(you)一(yi)個(ge)學(xue)習(xi)過(guo)程(cheng)。如(ru)果(guo)上(shang)市(shi)時(shi)間(jian)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)
，那(na)麼(me)最(zui)好(hao)購(gou)買(mai)標(biao)準(zhun)電(dian)源(yuan)，或(huo)訂(ding)立(li)合(he)同(tong)獲(huo)得(de)自(zi)定(ding)義(yi)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)。但(dan)如(ru)果(guo)有(you)時(shi)間(jian)和(he)技(ji)術(shu)人(ren)員(yuan)，尤(you)其(qi)當(dang)多(duo)個(ge)項(xiang)目(mu)都(dou)需(xu)要(yao)電(dian)源(yuan)時(shi)，設(she)計(ji)電(dian)源(yuan)也(ye)是(shi)值(zhi)得(de)的(de)。換(huan)言(yan)之(zhi)
，反(fan)複(fu)接(jie)觸(chu) SMPS 設計將會增進設計人員所需的專業知識。

 

總結

 

開關模式電源可提供較高的能效和較小的尺寸。針對低於 150 瓦的功率水平
，采用反激式拓撲的電源具有多路輸出、元器件數少和線性隔離等優勢。

 

 

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