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使用隔离反激式拓扑设计开关模式电源

发布时间:2018-06-07 来源:Art Pini 责任编辑:wenwei

【导读】由于所有电子系统都需要某种类型的电源,因此电源的研究已比较透彻,人们对它也比较了解。但是,由于从移动设备到线路供电硬件等应用中的电源持续呈现出体积减小,能效、可靠性和电源完整性要求提高的趋势,电源的设计和选择仍旧对工程师们构成了严峻的挑战。
 
随着 5G 等高速数据通信系统的兴起,定时和噪声容限要求也变得极高。
 
为了解决以小巧的外形实现高效、可靠供电的难题,电源设计人员正在将反激式拓扑用于开关模式电源 (SMPS)。此拓扑适用于高达 150 瓦的功率水平,可提供元器件数少、尺寸小且成本低的设计,还提供输入/输出隔离以及卓越能效等优点。
 
本文将讨论开关模式电源的工作原理,并简要了解电源的自制与外购决策过程。此外还将研究采用反激式拓扑的单输出电源设计,并提供使用现成零件和元器件的设计示例。
 
开关模式电源
 
SMPS(即转换开关)作为一种电源,使用开关稳压器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(例如双极结式晶体管、MOSFET 或 IGBT)在通断状态之间切换,以维持输出电压调节。这些器件可采用固定“导通”时间和可变频率工作,或是更常见的是,以固定频率和可变占空比工作。开关器件处于“导通”或“关断”状态时的功率耗散较低,因而能效较高。器件仅在状态转换期间才会耗散功率。此外,由于开关频率通常为数十千赫,因此可以大幅缩小变压器、电感器和电容器的尺寸,实现高容积效率。
 
潜在的电磁干扰 (EMI) 会抵消 SMPS 的优势。这要归因于开关瞬态,但通过细致的元器件选择、布局和屏蔽可以加以改善。因此,SMPS 的优势远远超过了它的缺点,这让 SMPS 成为最常用的电源,而线性电源则退居至仅用于最灵敏的电子应用。
 
SMPS 拓扑
 
SMPS 可以在多种不同的电路设计或拓扑中实现。常用的拓扑有数十种(表 1)。
 
使用隔离反激式拓扑设计开关模式电源
表 1:10 种最常用的开关模式电源拓扑(数据来源:Digi-Key Electronics)
 
反激式拓扑
 
反激式转换器是最常用的 SMPS 电路(图 1)。
 
使用隔离反激式拓扑设计开关模式电源
图 1:使用单个 MOSFET 开关和反激式变压器的反激式转换器功能示意图。(图片来源:Digi-Key Electronics)
 
反激式拓扑的主要优势是它的简单性。在任意给定的功率水平下,该拓扑是元器件数最少的 SMPS 拓扑。电源可使用直流或交流电源供电。当配置为从交流线路(市电)工作时,线路通常采用全波整流。输入源 (Vi) 为直流。
 
该电路的核心是反激式变压器。与传统的变压器绕组不同,反激式变压器的初级和次级绕组不会同时承载电流。这是因为绕组相为反相,绕组上的圆点记号和次级侧的串联二极管指示了这一点。
 
使用反激式变压器带来了几个好处。首先,电源的初级侧和次级侧可以电气隔离。隔离减少了初级侧的瞬态耦合、消除了接地环路,并在电源的输出极性方面提供了更大的灵活性。
 
利用该变压器可以在电源中生成多个输出电压。变压器针对每个电压增加额外的绕组。调压仅基于单一输出,而次级输出通常在局部进行调压。
 
电路从开启开关(例如 MOSFET)开始工作(图 2)。
 
使用隔离反激式拓扑设计开关模式电源
图 2:分别显示两种工作模式的原理波形的反激式电源工作情况。(图片来源:Digi-Key Electronics)
 
当开关处于接通状态时,VDRAIN 近乎零伏,电流 IP 流经变压器的初级绕组。能量储存在变压器的磁化电感中。此电流随时间呈线性增长。次级侧的串联二极管被反向偏压,并且次级侧没有电流流动。储存在输出电容器的能量向输出供应电流。
 
当 MOSFET 开关被关断时,变压器中储存的能量通过二极管输出到输出电容器和输出负载。次级电流值开始时较高,之后以线性方式递降。如果次级电流在开关重新接通之前降至零,则电源被称为断续电流模式 (DCM) 电源。反之,如果次级电流没有降至零,则电源被称为连续电流模式 (CCM) 电源。由于电感器中储存的能量在每个开关周期都会完全释放,因此 DCM 电源可以使用较小的变压器。此外,该电源通常更稳定,产生的 EMI 也更低。
 
储存在变压器漏泄电感中的能量在开关关断时流入初级侧,并由输入箝位或“吸收”电路吸收,该电路的作用是保护半导体开关不会被高感应电压损坏。只有当开关在通断状态之间转换时才会耗散功率(图 3)。
 
使用隔离反激式拓扑设计开关模式电源
图 3:显示 MOSFET 开关的电压和电流波形以及瞬时功率耗散的反激式电源测量。(图片来源:Digi-Key Electronics)
 
图 3 中最上面的迹线是反激式电源中 MOSFET 开关的电压。彩色覆盖部分指示 MOSFET 的状态。蓝色覆盖部分指示器件处于导通状态,而红色区域则指示器件处于关断状态。中间的迹线是流经器件的电流。最下面的迹线显示瞬时功率,其计算方法为所施加电压与所产生电流的乘积。可以观察到,开关转换期间的功率耗散最明显。而迹线下面的读数自左至右依次显示:开启、导通、关闭和关断状态期间的功率损耗,以及所有区域的功率损耗总和。
 
控制器/稳压器
 
开关器件(如图 2 所示示意图中的 MOSFET)由控制器或开关模式稳压器驱动。多数情况下,控制器会将脉冲宽度调制 (PWM) 波形应用于开关的控制元件,对 MOSFET 而言即为栅极。电源输出被反馈到控制器,控制器则通过改变栅极驱动信号的占空比来保持恒定的输出电压。这样,控制器就围绕反激式转换器构成了一个闭环控制系统。
 
控制器还可以处理数种辅助功能,例如防止电源出现过载、过压或低功率线路状态,还能管理电源的启动,确保实现有效控制的(“软”)启动,最大限度减小初始电流和电压瞬态。
 
SMPS 设计
 
有多家半导体元器件供应商提供有设计工具,可帮助设计开关模式电源,例如 Texas Instruments 的 WEBENCH Power Designer(图 4)。
 
使用隔离反激式拓扑设计开关模式电源
图 4:Texas Instruments WEBENCH 电源设计中心的开启页面显示了 25 瓦 5 伏反激式电源 SMPS 设计的基本规格。(图片来源:Digi-Key Electronics)
 
该设计从用户输入供电电压范围、目标输出电压和电流等电源规格开始。本案例中,目标设计为采用隔离式拓扑、从交流电源工作的 5 伏、5 安电源。而对于更复杂的多输出电源,还提供有高级电源架构设计工具。
 
该软件从这一点开始一系列的设计并提示用户选择控制器。用户可以查看每项设计的原理图、物料清单 (BOM) 成本、能效和一些相关的电路规格。
 
此示例选择的是 Texas Instruments UCC28740 反激式转换器,并且显示了设计原理图(图 5)。
 
使用隔离反激式拓扑设计开关模式电源
图 5:使用 WEBENCH 建议的光隔离反馈的 25 瓦交流 SMPS 原理图。(图片来源:Digi-Key Electronics)
 
将指针指向原理图上的任意元器件都会显示详细的零件描述,并且还有机会选择替代元器件。控制器 (U1) 通过 CEL PS2811-1-F3-A 光隔离器接收输出反馈。此反馈方法会在电路的初级部分与次级部分之间保持电气隔离。控制器则将 PWM 驱动信号提供给电源开关 M1,即 STMicroelectronics 的 STB21N90K5 900 伏、18.5 安 MOSFET。此外,该设计工具还能帮助选择或设计反激式变压器。
 
设计摘要页概述了关键设计元素(图 6)。
 
 
使用隔离反激式拓扑设计开关模式电源
图 6:设计摘要整合了所建议设计的全部元素。(图片来源:Digi-Key Electronics)
 
用户可以利用优化器的调整部分来优化设计,实现最低 BOM 成本、最小封装或最高能效。经验不足的设计人员也可以利用此工具,通过查看多项设计以及元器件变化所产生的影响来获取经验。
 
自制还是外购?
 
毫无疑问,工程师除非有 SMPS 方面的相关经验,否则都会有一个学习过程。如果上市时间非常重要,那么最好购买标准电源,或订立合同获得自定义电源设计。但如果有时间和技术人员,尤其当多个项目都需要电源时,设计电源也是值得的。换言之,反复接触 SMPS 设计将会增进设计人员所需的专业知识。
 
总结
 
开关模式电源可提供较高的能效和较小的尺寸。针对低于 150 瓦的功率水平,采用反激式拓扑的电源具有多路输出、元器件数少和线性隔离等优势。
 
 
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