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使用隔离反激式拓扑设计开关模式电源

由于所有的电子系统都需要某种功率,所以电源的特性和理解都很明确。尽管如此,由于移动设备到线路供电硬件等应用的尺寸更小,效率更高,可靠性更高以及功率完整性更​​高,电源设计和选择仍然是工程师的挑战。
随着像5G这样的高速数据通信系统的出现,时序和噪声容限的要求变得相当极端。
为了解决在小尺寸下高效可靠的电源交付问题,电源设计人员正在使用具有反激式拓扑的开关电源(SMPS)。这种拓扑结构对于高达150瓦的功率水平非常有用,可为小尺寸和低成本提供低元件数量的设计。它还提供输入/输出隔离,以及高效率。
本文将讨论开关模式电源的操作,并简要探讨电源的制造与购买决策过程。它还将研究采用反激式拓扑结构的单输出电源的设计,并提供使用现成零件和组件的样品设计。

开关模式电源

开关电源(SMPS)是一种电源,它使用开关稳压器来维持来自交流或直流电源的稳定输出电压。开关稳压器使用一个或多个半导体器件,例如双极结型晶体管,MOSFET或IGBT在“导通”和“关断”状态之间切换,以保持输出电压调节。这些器件可以以固定的“开”时间和可变频率工作,或者更常见的是以固定的频率和可变的工作周期工作。当开关装置处于“开”或“关”状态时,开关装置的功率消耗低,效率高。该设备仅在状态之间的转换期间消耗功率。而且,由于开关频率一般在几十千赫,变压器,电感器和电容器可以小得多,因此体积效率高。
电磁干扰(EMI)的潜力对抗SMPS的优势。这是由于开关瞬变造成的,可以通过仔细的元件选择,布局和屏蔽来改善。因此,开关电源的优势远远超过了它的缺点,使其成为最常用的电源,而线性电源仅限于最敏感的电子应用。

SMPS拓扑结构

SMPS可以用各种各样的电路设计或拓扑来实现。有十几种常用的拓扑结构(表1)。
拓扑 最大功率(W) 典型的效率 相对成本 需要磁性
巴克 500 85 1 感应器
促进 150 70 1 感应器
降压 - 升压 150 70 1 感应器
SEPIC 150 75 1.2 双电感或耦合电感
丘克 150 75 1.2 双电感或耦合电感
飞回来 150 75 1.5 变压器
前锋 150 75 1.8 变压器电感
推拉 500 80 1.8 变压器电感
半桥 500 85 2 变压器电感
全桥 1000 85 2 变压器电感
表1:10种最常用的开关模式电源拓扑结构(数据来源:Digi-Key Electronics)

反激拓扑

反激式转换器是最常用的SMPS电路(图1)。
使用单个MOSFET开关和回扫变压器的反激式转换器的功能框图
图1:使用单个MOSFET开关和回扫变压器的反激式转换器的功能框图。(图片来源:Digi-Key Electronics)
反激式拓扑结构的主要优势在于其简单性。在任何给定功率水平下,SMPS拓扑结构的组件数最少。电源可以由直流电源或交流电源供电。当配置为从交流线路(主电源)运行时,线路一般是全波整流。输入源(V i)是DC。
电路的核心是反激式变压器。与传统的变压器绕组不同,回扫变压器的初级绕组和次级绕组不能同时传输电流。这是由于绕组相反,如绕组上的点符号和次级侧上的串联二极管所示。
反激变压器的使用提供了几个好处。首先是电源的一次侧和二次侧是电隔离的。隔离减少了初级侧的瞬态耦合,消除了接地回路,并在电源输出极性方面提供了更大的灵活性。
变压器允许在电源中产生多个输出电压。每个电压的附加绕组被添加到变压器。法规仅以单一产出为基础,次要产出一般在当地进行管理。
电路操作从开关(例如MOSFET)开启(图2)开始。
显示主波形的反激电源的操作图
图2:反激式电源的工作情况,显示了两种工作模式的主波形。(图片来源:Digi-Key Electronics)
当开关导通时,V DRAIN接近零伏,电流I P流经变压器的初级绕组。能量存储在变压器的磁化电感中。这个电流随时间线性上升。在二次侧,串联二极管反向偏置,次级没有电流流过。存储在输出电容中的能量将电流提供给输出。
当MOSFET开关关闭时,变压器中存储的能量通过二极管输出到输出电容和输出负载。次级电流从高值开始并线性下降。如果次级电流在开关重新接通之前下降到零,则电源被称为不连续电流模式(DCM)电源。如果次级电流不下降到零,则电源被称为连续电流模式(CCM)电源。由于存储在电感器中的能量在每个开关周期完全放电,DCM电源可以使用较小的变压器。此外,电源一般更稳定,产生更低的EMI。
存储在变压器漏电感中的能量在开关断开时流入初级,被输入钳位或“缓冲”电路吸收,其功能是保护半导体开关不受高感应电压的影响。功率仅在开关在“ON”和“OFF”状态之间转换时消耗(图3)。
反激电源的测量图像,显示MOSFET开关处的电压和电流波形
图3:测量反激电源,显示MOSFET开关的电压和电流波形,以及瞬时功耗。(图片来源:Digi-Key Electronics)
图3中的顶部走线是反激式电源中MOSFET开关两端的电压。彩色叠加显示了MOSFET的状态。蓝色覆盖表示设备正在导通,红色表示设备关闭。中心跟踪是通过设备的电流。底部曲线显示瞬时功率计算为施加电压与合成电流的乘积。观察开关转换期间的功耗是最重要的。轨迹显示下面的读数显示(从左到右):在关闭状态下的导通,导通,关断期间的功率损耗,以及所有区域的总功率损耗。

控制器/调节器

开关器件(如图中的MOSFET)(如图2所示)由控制器或开关模式调节器驱动。在大多数情况下,控制器向开关的控制元件施加脉宽调制(PWM)波形,其对于MOSFET是门极。电源的输出耦合回控制器,控制器改变栅极驱动信号的占空比,以保持恒定的输出电压。如此,控制器形成关于反激转换器的闭环控制系统。
控制器也可以处理多个辅助功能,例如保护电源免受过载,过电压或低电压条件的影响。它还可以管理电源的启动,以确保良好的控制(“软”)启动,最小化初始电流和电压瞬变。

SMPS设计

几家半导体元件供应商提供设计工具来帮助设计开关模式电源,如德州仪器的 WEBENCH Power Designer (图4)。
德州仪器WEBENCH电源设计中心的图片
图4:德州仪器WEBENCH电源设计中心的开放页面显示了一个25瓦5伏特反激式电源SMPS设计的基本规格。(图片来源:Digi-Key Electronics)
设计从用户输入的电源电压范围,所需输出电压和电流的功率规格开始。在这种情况下,所需的设计是采用交流隔离式拓扑的5伏5安培电源。对于更复杂的多输出电源,还有一个先进的Power Architect设计工具。
从这一点开始,软件启动一系列设计并提示用户选择控制器。用户可以查看每个设计以查看原理图,物料清单(BOM)成本,效率以及一打相关的电路规格。
在本例中,选择了德州仪器的UCC28740反激式转换器,并显示了设计原理图(图5)。
采用光隔离反馈的25 W交流SMPS的原理图
图5:使用WEBENCH建议的使用光隔离反馈的25瓦交流SMPS的示意图。(图片来源:Digi-Key Electronics)
指向原理图中的任何组件都会提供详细的部件描述,并有机会选择替代组件。控制器(U1)通过CEL PS2811-1-F3-A光隔离器从输出接收反馈。这种反馈方法保持了电路初级和次级部分之间的电气隔离。控制器向功率开关M1,STMicroelectronics的  STB21N90K5 900 V,18.5 amp,MOSFET 提供PWM驱动信号。该设计工具还有助于选择或设计回扫变压器。
设计摘要页面提供关键设计元素的概述(图6)。
设计总结的图像整合了建议设计的所有元素
图6:设计总结整合了建议设计的所有元素。(图片来源:Digi-Key Electronics)
优化器调优部分允许用户优化设计以实现最低BOM成本,最小占用空间或最高效率。使用这个工具可以让没有经验的设计人员通过查看多个设计并查看组件变化产生的效果来获得经验。

做或买?

毫无疑问,除非一位工程师具有SMPS的经验,否则将会有一条学习曲线。如果上市时间是一个大问题,那么最好是购买标准电源或定制电源设计合同。有时间和澳门美高梅娱乐城人员,尤其是如果多个项目需要供应,那么设计供应是值得的。也就是说,反复接触SMPS设计将为设计人员增加所需的专业知识。

结论

开关模式电源提供高效率和小尺寸。对于低于150瓦的功率水平,反激式拓扑电源具有多输出,低元件数量和线路隔离的优点。

(责任编辑:ioter)

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