设计开关电源的16种方法

设计开关电源的16种方法

在选择电源拓扑时，首先确定所需的规格，然后确定要采纳线性模式还是开关模式。

简而言之，设计电源是一项重要的工作。在做出建筑和购买决策之后，您将面临无数的电路选择，这可能比您想象的要多。过去，构建电源相对简单，但如今，开关模式已成为主流，这已成为一项复杂的专业。如果您不是电源专家，并且/或者这是您的第一批设计之一，则可能需要一些指导。此处提供的信息应有助于您确定选项，并一一把握零。

步骤1：良好的规范

一切都始于良好的规范。花时间研究您的需求并编写详细的规范至关重要。首先，列出以下主要功能：

• 输入电压（交流或直流）范围
• 输出电压（直流或交流）和公差
• 输出电流要求
• 最大纹波
• 估量所需的总功率
• 效率要求（如果有）
• 电磁干扰（EMI）注意事项（如果有）

步骤2：第一个决策

有了这些规范，您应该能够做出第一个重大选择：线性和开关模式设计。是的，即使在当前的开关模式主导环境中，线性电源仍旧是一种选择。如果您的设计可以接受线性电源的低效率，您可能会观赏它的好处。线性电源的主要优点是设计简单，成本低廉，相关组件丰富，成熟的技术以及低EMI辐射。

另一方面，开关模式设计固有地会产生噪声，并且您正在供电的电路可能会受到该噪声的影响。例如，振荡器，时钟，合成器或其他关键电路可能需要低相位噪声或抖动。具有低压差（LDO）调节器的线性电源将提供洁净的直流电，以满足这一需求。至少要牢记线性选项，因为在某些设计中它仍旧是您的最佳选择。

大多数新设计都是开关模式的。开关电源（SMPS）的优点实在是太强大了，不容忽视。效率是主要优势，许多设计的效率都超过90％。小尺寸和合理的成本是其他好处。缺点是复杂而棘手的设计，具有许多替代方法。但是，如果您扩展规格列表，则可以做出更明智的设计选择。

步骤3：扩展规格

除了以前编译的基本规范外，还应为您的设计定义这些规范：

• 输入和输出之间电气隔离的要求
• 工作温度范围
• 预期浪涌电流
• 峰值和平均输出电流
• 临时暴露和响应需求
• 负载和线路调节要求
• 开关频率
• 除EMI需求外，还包含功率因数校正（PFC），保险商实验室（UL）或其他认证的需求

步骤4：选择拓扑

最受欢迎的dc-dc SMPS拓扑是降压（a），升压（b），反相降压-升压（c），SEPIC（d）和Zeta（e）。MOSFET进行开关，电感器和电容器存储能量，二极管操纵电流方向。

您可能已经了解几种不同的开关模式电路设计可用。但是您了解实际上应该了解16种拓扑吗？其中之一肯定可以满足您的需求：

• 巴克
• 同步降压
• 促进
• 反向升降压
• SEPIC
• uk
• 泽塔
• 飞降
• 飞回来
• 两开关反激
• 主动钳向前
• 单开关正向
• 两开关向前
• 半桥
• 全桥
• 相移全桥

此处空间不足会阻挡完全覆盖。但是，您可以探究两个很棒的资源来评估拓扑选择：

• 《电源拓扑快速参考指南》：这9页提供了有关最常见的开关电源拓扑的快速更新。它充满了相关的波形和方程式。

• 200页的《电源拓扑手册》中提供了更多详细信息。电路说明和设计建议均基于要求。

步骤5：开始设计

一种典型的方法是在做出最终决策之前缩小您对拓扑的选择。最受欢迎的拓扑是降压，升压，降压-升压（和反相版本），SEPIC和Zeta。图1显示了每种电路的简化电路。降压格式可降低输入电压，而升压可提高输入电压。其他三个都可以。如果您需要更改输出的极性，则Cuk拓扑是一个很好的拓扑。

如果需要隔离，可以使用变压器。将它们整合到设计中的拓扑是反激式，向前钳位，推挽式，半桥式或全桥式。

至于开关频率，通常会根据您的应用得出最佳估量值。今天，典型的开关频率范围从大约100 kHz到几兆赫。对于要求最高效率的高功率应用，低频通常更好。较高的频率使使用较小的电容器和电感器的滤波变得更简单，并且可以减小尺寸和成本。 

其它，请务必考虑基波和谐波对附近其他设备的影响。限制开关EMI的一种潜在解决方案是抖动。这涉及开关频率的随机变化，以通过在更大范围内扩展频谱来降低任何EMI。

如果您不了解如何或从哪里开始，则开关模式电源设计可能是一个神奇的企业。请查看此推举的博客，以更好地了解如何为您的应用选择最合适的电源拓扑。

步骤6：其他资源

二极管和集成电路是您设计的核心。请记住，大多数半导体公司都提供支持产品或服务，例如德州仪器（TI）的WEBENCH等在线设计软件。不要忘记参考设计和评估套件可以进一步加快和简化设计的可能性。