开关电源电路运行基本原理及外围参数设计思路

众所周知，在硬件设计师领域，都会遇到的一类基础电路设计便是电源设计，其中开关电源(SMPS，Switched-Mode Power Supply)是一种非常高效的电源变换器，其转换效率多达90%以上，种类繁多。按拓扑结构分：有Buck、Boost、Buck-Boost、Charge-pump等;按开关控制方式来划分：又有PWM、PFM等;按开关管类别分：可分为BJT、FET、IGBT等。

对比传统的线性电源，开关电源具备多种优势。此次我们就以拓扑结构划分的方式，来讨论在CCM模式下几种开关电源设计思路。

1电路运行基本原理

图1 Buck型电路

图1 是简化后的Buck电路主回路示意图，其工作模式如下：

K接通Ton时期，电流经L流入负载R上，由输入Ui为L进行储能，C为储能滤波电容，同时带起负载R，R两端的电压Uo在Ton期间为稳定的直流电压。

K关断Toff时期，L降产生反电动势，电流由反电动势eL正极流出，通过负载R，再经过续流二极管D回到eL的负极。由于C的储能稳压，Toff阶段的输出电压Uo也是稳定的直流电压。

图2 Boost型电路

图2 是简化后的Boost电路主回路示意图，其工作模式如下：

K接通Ton时期，Ui仅对L进行充电，C为负载R供电，形成稳定电压Uo。

K关断Toff时期，为保持励磁不变，L也会产生反电动势eL。eL反电动势的方向与开关K关断前的方向相反，但与电流的方向相同，在负载两段就会有Ui和eL叠加之和的稳定输出电压。

图3 Buck-Boost型电路

图3 是简化后的Buck-Boost电路主回路示意图，其工作模式如下：

当S1开关工作，S2处于常断期间，回路为Buck工作模式

当S2开关工作，S1处于常通期间，回路为Boost工作模式

2电路外围参数设计思路

1. 主要元件及参数

开关电源电路的主要元件有：

a)有源开关(Switch：MOS，IGBT，Triode)，有源开关是开关电源工作的核心，通过PWM或PFM等方式控制有源开关的开关切换，可有效实现开关电源的工作控制。因MOS具有极低的TON和TOFF时间，在开关电源电路设计时，多采用其作为有源开关，部分集成式的芯片会内置MOS(例TPS6292XX系列)，但对于Iout≥5A的负载需求，一般采用外置MOS来解决。

针对Buck-Boost型电路有双开关管和四开关管的主要工作模式，其中四开关管是将原理中的二极管换为开关管，例如LM5175构成的Synchronous Buck-Boost电路：

图4 Synchronous Buck-Boost电路

上述Synchronous Buck-Boost电路转换效率优于常规双开关管模式。

b)二极管Diode，在开关电源电路设计时所用的Diode一般为SBD，保证在高频开关电源环境下的可靠导通与关断，同时具有低压降低功耗低温升的优点。选用二极管时，除电压降和反向耐压裕量(建议30%以上)以外，正向电流考虑≥1.3*IOUTmax即可。

c)电感Inductor，电感在开关电源电路设计中主要起储能释放，纹波调节的作用，设计时主要考虑的电感参数有电感量L、直流电阻RDCR、通流能力Irms、饱和电流Isat，这三个参数主要由电感设计时采用的绕线圈数、绕线直径、绕线材料和磁芯结构设计等多方面决定，部分不带磁芯的空心电感不存在饱和电流一说。

电感值的选择一般参考下式：

式中，DMIN — 为最小占空比;

FSW — 开关频率;确定了电感值的选取，接下来还需关注的便是饱和电流，在设计中，推荐饱和电流Isat≥1.5*IOUTmax。

d)电容Capacitor，在这里我们主要讨论的是开关电源的COUT，一般来说输出电容的选择主要取决于电容量和瞬态响应之间的权衡，因为更大的电容量可以减少瞬态响应超调和欠调。在设计中我们希望电容的ESR尽可能小，采用钽电容时需要尽可能采用2.5倍以上的耐压值。电容值的选择考虑输出电压下冲需要满足：

考虑输出电压过冲需要满足：

式中：IOH — 负载瞬态电流高值; IOL — 负载瞬态电流低值; VUS — 输出下冲电压; VOS — 输出过冲电压;

在设计开关电源电路时，电感和电容的参数多数需要配合进行抉择，以LM5152为例：

图5 LM5152推荐电路示意图

在参数设计时需满足：

而在Buck-Boost型电源芯片TPS638XX系列中，电感设计参数需满足：

式中： D — 占空比; ƒ — 开关频率; L — 电感量; ŋ — 转换效率。

图6 TPS638XX系列推荐电路示意图

在TPS638XX系列中，针对电感的设计，电容给出了推荐设计参数：

表2 TPS638XX系列推荐参数示意表

2. 优化设计方向

PCB设计：

对于输出电容器，建议使用小型陶瓷电容器，尽可能靠近IC的VOUT和PGND等引脚。

排列好功率器件，以减小AC回路面积，必要时适当布置铜箔铺在功率地以辅助散热。

FB、COMP和ISET等类似引脚信号GND返回点以单点连接到功率地，提高抗干扰性能。

FB、COMP和ISET等信号回路避开VIN与VOUT，避免受到干扰。

纹波(Ripple)的产生与抑制：

纹波是由于直流稳压电源的电压波动而造成的一种现象，因为直流稳压电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的，这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成分，同时开关电源自身工作时，各储能元件充放电过程也并非完全理想的瞬态响应，会有交流成分，这种叠加在直流量上的交流分量就是纹波。纹波的成分较为复杂，它的形态一般为频率高于工频的类似正弦波的谐波，另一种则是宽度很窄的脉冲波。

为了减小开关电源的纹波，设计参数时，对储能元件的参数选取留有适当的余量是有效控制自身纹波的重要环节;在兼顾转换效率与纹波的场合，采用多增加中转电压转换的形式是相对常用的方式，例如：12V-5V的场合，采用12V-6V-5V的形式进行，也可有效的抑制前置电路带来的干扰。

3更多类型的开关电源电路

应用形式扩展

Buck实现负电压升降压：例TPS5430如下应用，通过将原本参考设计中的GND作为VOUT，将原本的VOUT拉至GND，从而实现负电压。

图7 TPS5430负电压输出电路示意图

Sepic实现升降压：例LM5002采用Sepic调节器形式设计升降压，使输出为固定为12V，而VIN可进行3.1V~42V的调节，实现升降压功能。在Sepic电路中，L1与L2可以采用共模电感进行设计，电感量为非耦合电感的一半即可。

图8 LM5002采用Sepic设计形式输出电路示意图

Flyback实现升降压：Flyback型电路分为隔离或非隔离式，以LM5001非隔离式应用为例，推荐采用耦合式电感进行设计，固定输出为24V，推荐输入可在16~42V间调节，实现升降压功能。

图9 LM5001采用Flyback设计形式输出电路示意图

开关电源因其高转换效率、更低的热消耗和更小的体积，已广泛应用于电子设计的各行各业。未来开关电源将继续向着低噪声、高集成化和高可靠性的方向发展。熟练应用各种不同拓扑的开关电源将会为我们的设计打下夯实的基础。