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。

 

benwenjiangtaolunkaiguanmoshidianyuandegongzuoyuanli
，bingjianyaolejiedianyuandezizhiyuwaigoujueceguocheng。ciwaihaijiangyanjiucaiyongfanjishituopudedanshuchudianyuansheji，bingtigongshiyongxianchenglingjianheyuanqijiandeshejishili。

 

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。

 

該(gai)電(dian)路(lu)的(de)核(he)心(xin)是(shi)反(fan)激(ji)式(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)。與(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)繞(rao)組(zu)不(bu)同(tong)，反(fan)激(ji)式(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)初(chu)級(ji)和(he)次(ci)級(ji)繞(rao)組(zu)不(bu)會(hui)同(tong)時(shi)承(cheng)載(zai)電(dian)流(liu)。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)繞(rao)組(zu)相(xiang)為(wei)反(fan)相(xiang)，繞(rao)組(zu)上(shang)的(de)圓(yuan)點(dian)記(ji)號(hao)和(he)次(ci)級(ji)側(ce)的(de)串(chuan)聯(lian)二(er)極(ji)管(guan)指(zhi)示(shi)了(le)這(zhe)一(yi)點(dian)。

 

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 開(kai)關(guan)被(bei)關(guan)斷(duan)時(shi)，變(bian)壓(ya)器(qi)中(zhong)儲(chu)存(cun)的(de)能(neng)量(liang)通(tong)過(guo)二(er)極(ji)管(guan)輸(shu)出(chu)到(dao)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)器(qi)和(he)輸(shu)出(chu)負(fu)載(zai)。次(ci)級(ji)電(dian)流(liu)值(zhi)開(kai)始(shi)時(shi)較(jiao)高(gao)，之(zhi)後(hou)以(yi)線(xian)性(xing)方(fang)式(shi)遞(di)降(jiang)。如(ru)果(guo)次(ci)級(ji)電(dian)流(liu)在(zai)開(kai)關(guan)重(zhong)新(xin)接(jie)通(tong)之(zhi)前(qian)降(jiang)至(zhi)零(ling)
，則(ze)電(dian)源(yuan)被(bei)稱(cheng)為(wei)斷(duan)續(xu)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi) (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 而(er)言(yan)即(ji)為(wei)柵(zha)極(ji)。電(dian)源(yuan)輸(shu)出(chu)被(bei)反(fan)饋(kui)到(dao)控(kong)製(zhi)器(qi)，控(kong)製(zhi)器(qi)則(ze)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)信(xin)號(hao)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)來(lai)保(bao)持(chi)恒(heng)定(ding)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。這(zhe)樣(yang)，控(kong)製(zhi)器(qi)就(jiu)圍(wei)繞(rao)反(fan)激(ji)式(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)構(gou)成(cheng)了(le)一(yi)個(ge)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)。

 

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 fangmiandexiangguanjingyan
，fouzedouhuiyouyigexuexiguocheng。ruguoshangshishijianfeichangzhongyao
，namezuihaogoumaibiaozhundianyuan，huodinglihetonghuodezidingyidianyuansheji。danruguoyoushijianhejishurenyuan，youqidangduogexiangmudouxuyaodianyuanshi
，shejidianyuanyeshizhidede。huanyanzhi

，fanfujiechu 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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