智能硬件工程师如何轻松设计电源

本迷你教程概述了电源设计的可能性。它将介绍基本和常用的隔离和非隔离电源拓扑及其优缺点。我们还将介绍电磁干扰 （EMI） 和滤波注意事项。本迷你教程旨在提供对电源设计艺术的简化理解和重新欣赏。

介绍

大多数电子系统需要在能量供应电压和需要供电的电路电压之间进行某种电压转换。当电池失去电量时，电压会下降。一些DC-DC转换可以确保电池中存储的更多能量用于为电路供电。此外，例如，对于 110 V AC 线路，我们无法直接为微控制器等半导体供电。由于电压转换器（也称为电源）几乎用于每个电子系统，因此多年来它们已针对不同的用途进行了优化。当然，一些常见的优化目标是解决方案尺寸、转换效率、EMI和成本。

最简单的电源：LDO

最简单的电源形式之一是低压差（LDO）稳压器。LDO是线性稳压器，而不是开关稳压器。线性稳压器在输入电压和输出电压之间放置一个可调电阻，这意味着输出电压是固定的，与输入电压如何变化以及流过器件的负载电流无关。图1显示了这种简单电压转换器的基本原理。

图1.线性稳压器将一个电压转换为另一个电压。

多年来，典型的功率转换器由连接到电网的 50 Hz 或 60 Hz 变压器组成，具有一定的绕组比以产生非稳压输出电压，比系统中所需的电源电压高几伏。然后，使用线性稳压器将该电压转换为电子设备需要的良好调节电压。图 2 显示了此概念的框图。

图2.线路变压器后接线性稳压器。

图2中基本设置的问题在于50 Hz/60 Hz变压器体积庞大且价格昂贵。此外，线性稳压器会散发大量热量，因此系统总效率低，并且在高系统功率下很难消除产生的热量。

开关模式电源救援

为了避免图2所示电源的缺点，发明了开关模式电源。它们不依赖于 50 Hz 或 60 Hz 交流电压。它们采用直流电压，有时是整流的交流电压，并产生更高频率的交流电压以使用更小的变压器，或者在非隔离系统中，使用LC滤波器整流电压以产生直流输出电压。优点是解决方案尺寸小，成本相对较低。产生的交流电压不需要是正弦电压波形。简单的PWM信号形状就可以正常工作，并且很容易使用PWM发生器和开关生成。

直到2000年，双极晶体管是最常用的开关。它们可以很好地工作，但开关转换速度相对较慢。它们的能效不是很高，将开关频率限制在50 kHz或100 kHz。今天，我们使用开关MOSFET代替双极性瞬变器，从而实现更快的开关转换。这反过来又为我们提供了更低的开关损耗，允许高达5 MHz的开关频率。如此高的开关频率使得在功率级中使用非常小的电感器和电容器成为可能。

开关稳压器带来很多好处。它们通常提供高能效电压转换，允许电压升压和降压，并提供相对紧凑和低成本的设计。缺点是设计和优化起来并不简单，并且它们从开关转换和开关频率中产生EMI。开关模式电源稳压器的可用性，以及电源设计工具，如LTpowerCAD®和LTspice®大大简化了这个困难的设计过程。有了这些工具，开关模式电源的电路设计过程可以半自动化。

电源隔离

在设计电源时，首先要回答的问题是是否需要电气隔离。使用电流隔离有多种原因。它可以使电路更安全，允许浮动系统操作，并防止嘈杂的接地电流通过一个电路中的不同电子设备传播。两种最常见的隔离拓扑是反激式和正激式转换器。但是，对于更高的功率，使用其他隔离拓扑，例如推挽式、半桥和全桥。

如果不需要电流隔离，则在大多数情况下使用非隔离拓扑。隔离拓扑总是需要变压器，而这种器件往往昂贵、笨重，并且通常难以满足定制电源所需的确切要求。

不需要隔离时的最常见拓扑

最常见的非隔离开关模式电源拓扑是降压转换器。它也被称为降压转换器。它接受正输入电压，并产生低于输入电压的输出电压。它是三种最基本的开关模式电源拓扑之一，只需要两个开关、一个电感器和两个电容器。图 3 显示了此拓扑的基本原理。高端开关从输入端发出脉冲电流，并产生在输入电压和接地电压之间交替的开关节点电压。LC滤波器在开关节点上获取该脉冲电压并产生直流输出电压。根据控制高端开关的PWM信号的占空比，会产生不同水平的直流输出电压。这种DC-DC降压转换器非常节能，相对容易构建，并且需要很少的元件。

图3.简单降压转换器的概念。

降压转换器在输入侧脉冲电流，而输出侧具有来自电感器的连续电流。这就是为什么降压稳压器在输入侧噪声很大，而在输出侧噪声不大的原因。当需要设计低噪声系统时，了解这一点非常重要。

除了降压拓扑之外，第二个基本拓扑是升压或升压拓扑。它使用与降压转换器相同的五个基本功率元件，但经过重新排列，使电感放置在输入侧，高侧开关放置在输出侧。升压拓扑用于将某个输入电压升压至高于输入电压的输出电压。

图4.简单升压升压转换器的概念。

选择升压转换器时，需要注意的是，升压转换器始终在其数据手册中指定最大额定开关电流，而不是最大输出电流。在降压转换器中，最大开关电流与可实现的最大输出电流直接相关，与输入电压和输出电压之间的电压比无关。在升压稳压器中，电压比直接影响基于固定最大开关电流的可能最大输出电流。选择合适的升压稳压器IC时，您不仅需要知道所需的输出电流，还需要知道开发中设计的输入和输出电压。

升压转换器在输入侧的噪声非常低，因为与输入连接一致的电感可防止电流的快速变化。但是，在输出端，这种拓扑非常嘈杂。我们只看到脉冲电流流过外部开关，因此与降压拓扑相比，输出纹波更受关注。

第三种基本拓扑仅由五个基本元件组成，是反相降压-升压转换器。该名称来源于该转换器采用正输入电压并将其转换为负输出电压的事实。除此之外，输入电压可能高于或低于反相输出电压的绝对值。例如，输入端的5 V或24 V输出电压可能产生–12 V。这无需进行任何特殊的电路修改即可实现。图5显示了反相降压-升压转换器的电路概念。

图5.简单反相降压-升压转换器的概念。

在反相降压-升压拓扑中，电感从开关节点连接到地。转换器的输入侧和输出侧都可以看到脉冲电流，这使得这种拓扑在输入侧和输出侧都相对嘈杂。在低噪声应用中，这种特性可以通过增加额外的输入和输出滤波来补偿。

反相降压-升压拓扑的一个非常积极的方面是，任何降压开关稳压器IC都可用于这种转换器。它就像将降压电路的输出电压连接到系统接地一样简单。降压IC电路接地将成为调整后的负电压。这种特性在市场上的开关稳压器IC中提供了非常多的选择。

专用拓扑

除了前面讨论的三种基本非隔离开关模式电源拓扑外，还有更多可用的拓扑。但是，它们都需要额外的电源组件。这通常使它们成本更高，功率转换效率更低。虽然存在某些例外情况，但通常，在电源路径中添加额外的组件会增加损耗。一些最流行的拓扑是SEPIC，Zeta，Ćuk和4开关降压升压。它们各自提供三种基本拓扑所不具备的功能。以下是每个拓扑的最重要功能的列表：

XSEPIC SEPIC可以从可能高于或低于输出电压的正输入电压中产生正输出电压。升压稳压器IC可用于设计SEPIC电源。这种拓扑结构的缺点是需要第二个电感器或一个耦合电感器以及一个SEPIC电容器。XZeta Zeta转换器类似于SEPIC，但它能够产生正或负输出电压。此外，它没有右半平面零点（RHPZ），从而简化了调节环路。降压转换器IC可用于这种拓扑。XĆuk Ćuk 转换器可将正输入电压反转为负输出电压。它使用两个电感器，一个在输入侧，一个在输出侧，因此输入侧和输出侧的噪声相当低。缺点是支持这种拓扑的开关模式电源转换IC并不多，因为调节环路需要一个负电压反馈引脚。X4开关降压-升压 这种转换器类型近年来变得非常流行。它从正输入电压提供正输出电压。输入电压可能高于或低于调整后的输出电压。该转换器取代了许多SEPIC设计，因为它提供了更高的功率转换效率，并且只需要一个电感器。

最常见的隔离拓扑

除非隔离拓扑外，某些应用还需要电隔离电源转换器。原因可能是安全问题，在不同电路互连的大型系统中需要浮动接地，或者在噪声敏感应用中防止接地电流环路。最常见的隔离式转换器拓扑是反激式和正激式转换器。

反激式转换器通常用于高达 60 W 的功率水平。电路的工作方式是在导通时间内，能量存储在变压器中。在关断期间，该能量被释放到转换器的次级侧，为输出供电。该转换器易于构建，但它需要相对较大的变压器来存储正常运行所需的所有能量。这方面将拓扑限制为较低的功率水平。图6显示了顶部的反激式转换器和底部的正激式转换器。

图6.反激式转换器（顶部）和正激式转换器（底部）。

除了反激式转换器，正激式转换器也非常受欢迎。它使用变压器的方式与反激式不同。在导通期间，当电流流过初级侧绕组时，也有电流流过次级绕组。能量不应储存在变压器的铁芯中。在每个开关周期之后，我们必须确保磁芯的所有磁化释放到零，这样变压器在经过多个开关周期后就不会饱和。这种从核心释放的能量可以通过几种不同的技术来实现。一种流行的方法是使用带有小型附加开关和电容器的有源箝位。

图7显示了使用ADP1074的正激有源箝位设计的LTspice仿真环境原理图。在正激式转换器中，与反激式相比，输出路径中增加了一个电感，如图6所示。虽然这是一个额外的元件，具有相关的空间和成本影响，但与反激式转换器相比，它有助于产生更低的噪声输出电压。此外，与反激式相同功率水平的正激式转换器所需的变压器尺寸可能要小得多。

图7.使用ADP1074的正激有源箝位电路，用于产生隔离输出电压，如LTspice中仿真的那样。

高级隔离拓扑

除了反激式和正激式拓扑结构外，还有许多不同的基于变压器的电气隔离转换器概念。以下列表提供了有关最常见转换器的一些非常基本的解释：

XPush-Pull 推挽式拓扑结构类似于正激式转换器的拓扑结构。但是，这种拓扑不需要一个低边开关，而是需要两个有源低边开关。此外，它还需要一个带中心抽头的初级变压器绕组。推挽式的优点是与正激式转换器相比，其工作噪声通常较低，并且还需要更小的变压器。变压器BH曲线的迟滞用于两个象限，而不仅仅是一个象限。XHalf桥/全桥 这两种拓扑通常用于从几百瓦到几千瓦的更高功率设计。除了低边开关外，它们还需要高边开关，但使用相对较小的变压器可以实现非常高的功率传输。XZVS在讨论高功率隔离转换器时经常出现这个术语。它代表零电压开关。这种转换器的另一个术语是LLC（电感-电感-电容）转换器。这些架构旨在实现非常高效率的转换。它们产生谐振电路并在开关两端的电压或电流接近于零时切换电源开关。因此，开关损耗最小。然而，这种设计可能难以设计，开关频率不固定，有时会产生EMI问题。

开关电容转换器

除了线性稳压器和开关模式电源外，还有第三组电源转换器：开关电容转换器。它们也被称为电荷泵。它们使用开关和电容器来倍增或反相电压。它们具有不需要任何电感器的巨大优势。通常，此类转换器用于低于5 W的低功率水平。然而，最近已经取得了重大进展，允许更高功率的开关电容转换器。图8显示LTC7820采用120 W设计，效率为98.5%，可将48 V转换为24 V。

图8.LTC7820 固定比率高功率充电泵 DC-DC 控制器。

数字电源

本文讨论的所有电源都可以实现为模拟或数字电源。数字电源到底是什么？电源必须始终通过带有开关、电感器、变压器和电容器的模拟功率级。数字方面由两个数字构建块引入。第一个是数字接口，它允许电子系统“交谈”和“收听”电源。可以即时设置不同的参数，以针对不同的工作条件优化电源。此外，电源可以与主处理器通信并发出警告或故障标志。例如，系统可以轻松监控负载电流、超过预设阈值或电源温度过高。

第二个数字构建模块用数字环路取代模拟调节环路。这可以成功工作，但对于大多数应用，最佳选择是标准模拟反馈环路，对某些参数有一些数字影响，例如动态调整误差放大器的增益或动态设置环路补偿参数以实现稳定但快速的反馈环路。具有纯数字控制环路的器件示例是ADI公司的ADP1046A。LTC3883 就是具有模拟控制环路的数字接口降压稳压器的一个示例，该稳压器根据数字影响进行了优化。

电磁干扰注意事项

在设计开关模式电源时，电磁干扰（EMI）始终是一个需要注意的主题。原因是开关模式电源在很短的时间内打开和关闭大电流。开关速度越快，系统总效率就越高。更快的开关转换可缩短开关部分开启的时间。在此部分导通时间内，会产生大多数开关损耗。图9显示了开关模式电源的开关节点波形。让我们想象一个降压稳压器。高压由流过高端开关的电流定义，低电压由流过高端开关的电流不足定义。

图9.开关模式电源的开关转换速度和开关频率。

在图9中，我们可以看到，开关模式电源不仅会产生来自调整后的开关频率的噪声，还会产生来自开关转换速度的噪声，开关转换速度的频率要高得多。虽然开关频率通常在500 kHz和3 MHz之间，但开关转换时间可能长达几纳秒。在 1 ns 开关转换时间，我们将在频谱中看到 1 GHz 的相应频率。至少这两个频率都将被视为辐射和传导发射。其他频率也可能来自调节环路的振荡或电源和滤波器之间的相互作用。

降低EMI有两个原因。第一个原因是保护特定电源供电的电子系统的功能。例如，系统信号路径中使用的16位ADC不应拾取来自电源的开关噪声。第二个原因是为了满足世界各国政府制定的某些EMI法规，以同时保护不同电子系统的可靠功能。

EMI 有两种形式，辐射 EMI 和传导 EMI。降低辐射EMI的最有效方法是优化PCB布局，并使用ADI公司的静音开关技术等技术。当然，将电路放入屏蔽金属盒中也是有效的。但是，这可能不切实际，并且在大多数情况下非常昂贵。®

传导EMI通常通过额外的滤波衰减。下一节将讨论减少传导辐射的额外滤波。

滤波

RC滤波器是基本的低通滤波器。然而，在电源设计中，每个滤波器都只是一个LC滤波器。通常，只需串联增加一些电感就足够了，因为它将与开关模式电源的输入或输出电容一起形成LC或CLC滤波器。有时仅使用电容器作为滤波器，但是，考虑到电源线或走线上的寄生电感，我们也与电容器一起形成LC滤波器。电感L可以是带磁芯的电感，也可以是铁氧体磁珠。LC滤波器的目的实际上是低通效应，以便直流电源可以穿过，并且高频干扰在很大程度上衰减。LC滤波器具有双极点，因此我们得到的高频衰减为每十倍频程40 dB。该过滤器的下降相对较快。设计过滤器不是火箭科学;但是，由于电路的寄生元件（如走线电感）具有影响，因此对滤波器进行建模还需要对主要寄生效应进行建模。这会使模拟滤波器非常耗时。许多具有滤波器设计经验的设计人员都知道哪些滤波器以前工作过，他们可能会为新设计迭代优化某个滤波器。

在所有滤波器设计中，不仅需要考虑小信号行为，例如波特图中滤波器的传递函数，还需要了解大信号效应。在任何LC滤波器中，电源都会流过电感。如果输出端不再需要该功率，由于突然的负载瞬变，则存储在电感器中的能量需要去某个地方。它为滤波器的电容充电。如果滤波器不是为这种最坏的情况而设计的，则存储的功率可能会导致电压过冲，从而可能损坏电路。

最后，滤波器具有一定的阻抗。该阻抗与连接到滤波器的功率转换器的阻抗相互作用。这种相互作用可能导致不稳定和振荡。ADI公司的LTspice和LTpowerCAD等仿真工具可以极大地帮助回答所有这些问题并设计完美的滤波器。图10显示了LTpowerCAD设计环境中滤波器设计人员的图形用户界面。使用此工具，过滤器设计非常简单。

图 10.利用LTpowerCAD为降压稳压器设计输入滤波器。

静音切换器

辐射发射很难阻挡。需要用一些金属材料进行特殊的屏蔽。这可能非常昂贵。长期以来，工程师一直在寻找减少开关模式电源产生的辐射发射的方法。几年前，静音切换器技术取得了重大突破。通过减少开关模式电源热回路中的寄生电感，并将热回路一分为二并以非常对称的方式设置，辐射发射大多相互抵消。如今，许多静音切换器器件的辐射发射比传统产品低得多。减少辐射发射可以提高开关转换速度，而不会造成严重的EMI损失。使开关转换速度更快可降低开关损耗，从而实现更高的开关频率。LTC3310S就是这种创新的一个例子，它可以在5 MHz开关频率下工作，从而能够实现极其紧凑的设计，并采用成本极低的外部元件。

图 11.LTC3310S 静音切换器设计可实现最低的辐射发射。

电源管理是必需品，但也可以令人愉快

在本教程中，我们研究了电源设计的许多方面，包括不同的电源拓扑及其优缺点。对于电源工程师来说，这些信息可能非常基本，但对于专家和非专家来说，使用LTpowerCAD和LTspice等软件工具来协助设计过程是有帮助的。借助这些工具，可以在很短的时间内设计和优化电源转换器。希望本教程能激发您期待下一个电源设计挑战。

审核编辑：郭婷