本迷你教程概述了電源設計的可能性。它將介紹基本和常用的隔離和非隔離電源拓撲及其優缺點。我們還將介紹電磁干擾 （EMI） 和濾波注意事項。本迷你教程旨在提供對電源設計藝術的簡化理解和重新欣賞。

介紹

大多數電子系統需要在能量供應電壓和需要供電的電路電壓之間進行某種電壓轉換。當電池失去電量時，電壓會下降。一些DC-DC轉換可以確保電池中存儲的更多能量用于為電路供電。此外，例如，對于 110 V AC 線路，我們無法直接為微控制器等半導體供電。由于電壓轉換器（也稱為電源）幾乎用于每個電子系統，因此多年來它們已針對不同的用途進行了優化。當然，一些常見的優化目標是解決方案尺寸、轉換效率、EMI和成本。

最簡單的電源：LDO

最簡單的電源形式之一是低壓差（LDO）穩壓器。LDO是線性穩壓器，而不是開關穩壓器。線性穩壓器在輸入電壓和輸出電壓之間放置一個可調電阻，這意味著輸出電壓是固定的，與輸入電壓如何變化以及流過器件的負載電流無關。圖1顯示了這種簡單電壓轉換器的基本原理。

圖1.線性穩壓器將一個電壓轉換為另一個電壓。

多年來，典型的功率轉換器由連接到電網的 50 Hz 或 60 Hz 變壓器組成，具有一定的繞組比以產生非穩壓輸出電壓，比系統中所需的電源電壓高幾伏。然后，使用線性穩壓器將該電壓轉換為電子設備需要的良好調節電壓。圖 2 顯示了此概念的框圖。

圖2.線路變壓器后接線性穩壓器。

圖2中基本設置的問題在于50 Hz/60 Hz變壓器體積龐大且價格昂貴。此外，線性穩壓器會散發大量熱量，因此系統總效率低，并且在高系統功率下很難消除產生的熱量。

開關模式電源救援

為了避免圖2所示電源的缺點，發明了開關模式電源。它們不依賴于 50 Hz 或 60 Hz 交流電壓。它們采用直流電壓，有時是整流的交流電壓，并產生更高頻率的交流電壓以使用更小的變壓器，或者在非隔離系統中，使用LC濾波器整流電壓以產生直流輸出電壓。優點是解決方案尺寸小，成本相對較低。產生的交流電壓不需要是正弦電壓波形。簡單的PWM信號形狀就可以正常工作，并且很容易使用PWM發生器和開關生成。

直到2000年，雙極晶體管是最常用的開關。它們可以很好地工作，但開關轉換速度相對較慢。它們的能效不是很高，將開關頻率限制在50 kHz或100 kHz。今天，我們使用開關MOSFET代替雙極性瞬變器，從而實現更快的開關轉換。這反過來又為我們提供了更低的開關損耗，允許高達5 MHz的開關頻率。如此高的開關頻率使得在功率級中使用非常小的電感器和電容器成為可能。

開關穩壓器帶來很多好處。它們通常提供高能效電壓轉換，允許電壓升壓和降壓，并提供相對緊湊和低成本的設計。缺點是設計和優化起來并不簡單，并且它們從開關轉換和開關頻率中產生EMI。開關模式電源穩壓器的可用性，以及電源設計工具，如LTpowerCAD?和LTspice?大大簡化了這個困難的設計過程。有了這些工具，開關模式電源的電路設計過程可以半自動化。

電源隔離

在設計電源時，首先要回答的問題是是否需要電氣隔離。使用電流隔離有多種原因。它可以使電路更安全，允許浮動系統操作，并防止嘈雜的接地電流通過一個電路中的不同電子設備傳播。兩種最常見的隔離拓撲是反激式和正激式轉換器。但是，對于更高的功率，使用其他隔離拓撲，例如推挽式、半橋和全橋。

如果不需要電流隔離，則在大多數情況下使用非隔離拓撲。隔離拓撲總是需要變壓器，而這種器件往往昂貴、笨重，并且通常難以滿足定制電源所需的確切要求。

不需要隔離時的最常見拓撲

最常見的非隔離開關模式電源拓撲是降壓轉換器。它也被稱為降壓轉換器。它接受正輸入電壓，并產生低于輸入電壓的輸出電壓。它是三種最基本的開關模式電源拓撲之一，只需要兩個開關、一個電感器和兩個電容器。圖 3 顯示了此拓撲的基本原理。高端開關從輸入端發出脈沖電流，并產生在輸入電壓和接地電壓之間交替的開關節點電壓。LC濾波器在開關節點上獲取該脈沖電壓并產生直流輸出電壓。根據控制高端開關的PWM信號的占空比，會產生不同水平的直流輸出電壓。這種DC-DC降壓轉換器非常節能，相對容易構建，并且需要很少的元件。

圖3.簡單降壓轉換器的概念。

降壓轉換器在輸入側脈沖電流，而輸出側具有來自電感器的連續電流。這就是為什么降壓穩壓器在輸入側噪聲很大，而在輸出側噪聲不大的原因。當需要設計低噪聲系統時，了解這一點非常重要。

除了降壓拓撲之外，第二個基本拓撲是升壓或升壓拓撲。它使用與降壓轉換器相同的五個基本功率元件，但經過重新排列，使電感放置在輸入側，高側開關放置在輸出側。升壓拓撲用于將某個輸入電壓升壓至高于輸入電壓的輸出電壓。

圖4.簡單升壓升壓轉換器的概念。

選擇升壓轉換器時，需要注意的是，升壓轉換器始終在其數據手冊中指定最大額定開關電流，而不是最大輸出電流。在降壓轉換器中，最大開關電流與可實現的最大輸出電流直接相關，與輸入電壓和輸出電壓之間的電壓比無關。在升壓穩壓器中，電壓比直接影響基于固定最大開關電流的可能最大輸出電流。選擇合適的升壓穩壓器IC時，您不僅需要知道所需的輸出電流，還需要知道開發中設計的輸入和輸出電壓。

升壓轉換器在輸入側的噪聲非常低，因為與輸入連接一致的電感可防止電流的快速變化。但是，在輸出端，這種拓撲非常嘈雜。我們只看到脈沖電流流過外部開關，因此與降壓拓撲相比，輸出紋波更受關注。

第三種基本拓撲僅由五個基本元件組成，是反相降壓-升壓轉換器。該名稱來源于該轉換器采用正輸入電壓并將其轉換為負輸出電壓的事實。除此之外，輸入電壓可能高于或低于反相輸出電壓的絕對值。例如，輸入端的5 V或24 V輸出電壓可能產生–12 V。這無需進行任何特殊的電路修改即可實現。圖5顯示了反相降壓-升壓轉換器的電路概念。

圖5.簡單反相降壓-升壓轉換器的概念。

在反相降壓-升壓拓撲中，電感從開關節點連接到地。轉換器的輸入側和輸出側都可以看到脈沖電流，這使得這種拓撲在輸入側和輸出側都相對嘈雜。在低噪聲應用中，這種特性可以通過增加額外的輸入和輸出濾波來補償。

反相降壓-升壓拓撲的一個非常積極的方面是，任何降壓開關穩壓器IC都可用于這種轉換器。它就像將降壓電路的輸出電壓連接到系統接地一樣簡單。降壓IC電路接地將成為調整后的負電壓。這種特性在市場上的開關穩壓器IC中提供了非常多的選擇。

專用拓撲

除了前面討論的三種基本非隔離開關模式電源拓撲外，還有更多可用的拓撲。但是，它們都需要額外的電源組件。這通常使它們成本更高，功率轉換效率更低。雖然存在某些例外情況，但通常，在電源路徑中添加額外的組件會增加損耗。一些最流行的拓撲是SEPIC，Zeta，?uk和4開關降壓升壓。它們各自提供三種基本拓撲所不具備的功能。以下是每個拓撲的最重要功能的列表：

XSEPIC SEPIC可以從可能高于或低于輸出電壓的正輸入電壓中產生正輸出電壓。升壓穩壓器IC可用于設計SEPIC電源。這種拓撲結構的缺點是需要第二個電感器或一個耦合電感器以及一個SEPIC電容器。XZeta Zeta轉換器類似于SEPIC，但它能夠產生正或負輸出電壓。此外，它沒有右半平面零點（RHPZ），從而簡化了調節環路。降壓轉換器IC可用于這種拓撲。X?uk ?uk 轉換器可將正輸入電壓反轉為負輸出電壓。它使用兩個電感器，一個在輸入側，一個在輸出側，因此輸入側和輸出側的噪聲相當低。缺點是支持這種拓撲的開關模式電源轉換IC并不多，因為調節環路需要一個負電壓反饋引腳。X4開關降壓-升壓 這種轉換器類型近年來變得非常流行。它從正輸入電壓提供正輸出電壓。輸入電壓可能高于或低于調整后的輸出電壓。該轉換器取代了許多SEPIC設計，因為它提供了更高的功率轉換效率，并且只需要一個電感器。

最常見的隔離拓撲

除非隔離拓撲外，某些應用還需要電隔離電源轉換器。原因可能是安全問題，在不同電路互連的大型系統中需要浮動接地，或者在噪聲敏感應用中防止接地電流環路。最常見的隔離式轉換器拓撲是反激式和正激式轉換器。

反激式轉換器通常用于高達 60 W 的功率水平。電路的工作方式是在導通時間內，能量存儲在變壓器中。在關斷期間，該能量被釋放到轉換器的次級側，為輸出供電。該轉換器易于構建，但它需要相對較大的變壓器來存儲正常運行所需的所有能量。這方面將拓撲限制為較低的功率水平。圖6顯示了頂部的反激式轉換器和底部的正激式轉換器。

圖6.反激式轉換器（頂部）和正激式轉換器（底部）。

除了反激式轉換器，正激式轉換器也非常受歡迎。它使用變壓器的方式與反激式不同。在導通期間，當電流流過初級側繞組時，也有電流流過次級繞組。能量不應儲存在變壓器的鐵芯中。在每個開關周期之后，我們必須確保磁芯的所有磁化釋放到零，這樣變壓器在經過多個開關周期后就不會飽和。這種從核心釋放的能量可以通過幾種不同的技術來實現。一種流行的方法是使用帶有小型附加開關和電容器的有源箝位。

圖7顯示了使用ADP1074的正激有源箝位設計的LTspice仿真環境原理圖。在正激式轉換器中，與反激式相比，輸出路徑中增加了一個電感，如圖6所示。雖然這是一個額外的元件，具有相關的空間和成本影響，但與反激式轉換器相比，它有助于產生更低的噪聲輸出電壓。此外，與反激式相同功率水平的正激式轉換器所需的變壓器尺寸可能要小得多。

圖7.使用ADP1074的正激有源箝位電路，用于產生隔離輸出電壓，如LTspice中仿真的那樣。

高級隔離拓撲

除了反激式和正激式拓撲結構外，還有許多不同的基于變壓器的電氣隔離轉換器概念。以下列表提供了有關最常見轉換器的一些非常基本的解釋：

XPush-Pull 推挽式拓撲結構類似于正激式轉換器的拓撲結構。但是，這種拓撲不需要一個低邊開關，而是需要兩個有源低邊開關。此外，它還需要一個帶中心抽頭的初級變壓器繞組。推挽式的優點是與正激式轉換器相比，其工作噪聲通常較低，并且還需要更小的變壓器。變壓器BH曲線的遲滯用于兩個象限，而不僅僅是一個象限。XHalf橋/全橋 這兩種拓撲通常用于從幾百瓦到幾千瓦的更高功率設計。除了低邊開關外，它們還需要高邊開關，但使用相對較小的變壓器可以實現非常高的功率傳輸。XZVS在討論高功率隔離轉換器時經常出現這個術語。它代表零電壓開關。這種轉換器的另一個術語是LLC（電感-電感-電容）轉換器。這些架構旨在實現非常高效率的轉換。它們產生諧振電路并在開關兩端的電壓或電流接近于零時切換電源開關。因此，開關損耗最小。然而，這種設計可能難以設計，開關頻率不固定，有時會產生EMI問題。

開關電容轉換器

除了線性穩壓器和開關模式電源外，還有第三組電源轉換器：開關電容轉換器。它們也被稱為電荷泵。它們使用開關和電容器來倍增或反相電壓。它們具有不需要任何電感器的巨大優勢。通常，此類轉換器用于低于5 W的低功率水平。然而，最近已經取得了重大進展，允許更高功率的開關電容轉換器。圖8顯示LTC7820采用120 W設計，效率為98.5%，可將48 V轉換為24 V。

圖8.LTC7820 固定比率高功率充電泵 DC-DC 控制器。

數字電源

本文討論的所有電源都可以實現為模擬或數字電源。數字電源到底是什么？電源必須始終通過帶有開關、電感器、變壓器和電容器的模擬功率級。數字方面由兩個數字構建塊引入。第一個是數字接口，它允許電子系統“交談”和“收聽”電源。可以即時設置不同的參數，以針對不同的工作條件優化電源。此外，電源可以與主處理器通信并發出警告或故障標志。例如，系統可以輕松監控負載電流、超過預設閾值或電源溫度過高。

第二個數字構建模塊用數字環路取代模擬調節環路。這可以成功工作，但對于大多數應用，最佳選擇是標準模擬反饋環路，對某些參數有一些數字影響，例如動態調整誤差放大器的增益或動態設置環路補償參數以實現穩定但快速的反饋環路。具有純數字控制環路的器件示例是ADI公司的ADP1046A。LTC3883 就是具有模擬控制環路的數字接口降壓穩壓器的一個示例，該穩壓器根據數字影響進行了優化。

電磁干擾注意事項

在設計開關模式電源時，電磁干擾（EMI）始終是一個需要注意的主題。原因是開關模式電源在很短的時間內打開和關閉大電流。開關速度越快，系統總效率就越高。更快的開關轉換可縮短開關部分開啟的時間。在此部分導通時間內，會產生大多數開關損耗。圖9顯示了開關模式電源的開關節點波形。讓我們想象一個降壓穩壓器。高壓由流過高端開關的電流定義，低電壓由流過高端開關的電流不足定義。

圖9.開關模式電源的開關轉換速度和開關頻率。

在圖9中，我們可以看到，開關模式電源不僅會產生來自調整后的開關頻率的噪聲，還會產生來自開關轉換速度的噪聲，開關轉換速度的頻率要高得多。雖然開關頻率通常在500 kHz和3 MHz之間，但開關轉換時間可能長達幾納秒。在 1 ns 開關轉換時間，我們將在頻譜中看到 1 GHz 的相應頻率。至少這兩個頻率都將被視為輻射和傳導發射。其他頻率也可能來自調節環路的振蕩或電源和濾波器之間的相互作用。

降低EMI有兩個原因。第一個原因是保護特定電源供電的電子系統的功能。例如，系統信號路徑中使用的16位ADC不應拾取來自電源的開關噪聲。第二個原因是為了滿足世界各國政府制定的某些EMI法規，以同時保護不同電子系統的可靠功能。

EMI 有兩種形式，輻射 EMI 和傳導 EMI。降低輻射EMI的最有效方法是優化PCB布局，并使用ADI公司的靜音開關技術等技術。當然，將電路放入屏蔽金屬盒中也是有效的。但是，這可能不切實際，并且在大多數情況下非常昂貴。?

傳導EMI通常通過額外的濾波衰減。下一節將討論減少傳導輻射的額外濾波。

濾波

RC濾波器是基本的低通濾波器。然而，在電源設計中，每個濾波器都只是一個LC濾波器。通常，只需串聯增加一些電感就足夠了，因為它將與開關模式電源的輸入或輸出電容一起形成LC或CLC濾波器。有時僅使用電容器作為濾波器，但是，考慮到電源線或走線上的寄生電感，我們也與電容器一起形成LC濾波器。電感L可以是帶磁芯的電感，也可以是鐵氧體磁珠。LC濾波器的目的實際上是低通效應，以便直流電源可以穿過，并且高頻干擾在很大程度上衰減。LC濾波器具有雙極點，因此我們得到的高頻衰減為每十倍頻程40 dB。該過濾器的下降相對較快。設計過濾器不是火箭科學;但是，由于電路的寄生元件（如走線電感）具有影響，因此對濾波器進行建模還需要對主要寄生效應進行建模。這會使模擬濾波器非常耗時。許多具有濾波器設計經驗的設計人員都知道哪些濾波器以前工作過，他們可能會為新設計迭代優化某個濾波器。

在所有濾波器設計中，不僅需要考慮小信號行為，例如波特圖中濾波器的傳遞函數，還需要了解大信號效應。在任何LC濾波器中，電源都會流過電感。如果輸出端不再需要該功率，由于突然的負載瞬變，則存儲在電感器中的能量需要去某個地方。它為濾波器的電容充電。如果濾波器不是為這種最壞的情況而設計的，則存儲的功率可能會導致電壓過沖，從而可能損壞電路。

最后，濾波器具有一定的阻抗。該阻抗與連接到濾波器的功率轉換器的阻抗相互作用。這種相互作用可能導致不穩定和振蕩。ADI公司的LTspice和LTpowerCAD等仿真工具可以極大地幫助回答所有這些問題并設計完美的濾波器。圖10顯示了LTpowerCAD設計環境中濾波器設計人員的圖形用戶界面。使用此工具，過濾器設計非常簡單。

圖 10.利用LTpowerCAD為降壓穩壓器設計輸入濾波器。

靜音切換器

輻射發射很難阻擋。需要用一些金屬材料進行特殊的屏蔽。這可能非常昂貴。長期以來，工程師一直在尋找減少開關模式電源產生的輻射發射的方法。幾年前，靜音切換器技術取得了重大突破。通過減少開關模式電源熱回路中的寄生電感，并將熱回路一分為二并以非常對稱的方式設置，輻射發射大多相互抵消。如今，許多靜音切換器器件的輻射發射比傳統產品低得多。減少輻射發射可以提高開關轉換速度，而不會造成嚴重的EMI損失。使開關轉換速度更快可降低開關損耗，從而實現更高的開關頻率。LTC3310S就是這種創新的一個例子，它可以在5 MHz開關頻率下工作，從而能夠實現極其緊湊的設計，并采用成本極低的外部元件。

圖 11.LTC3310S 靜音切換器設計可實現最低的輻射發射。

電源管理是必需品，但也可以令人愉快

在本教程中，我們研究了電源設計的許多方面，包括不同的電源拓撲及其優缺點。對于電源工程師來說，這些信息可能非常基本，但對于專家和非專家來說，使用LTpowerCAD和LTspice等軟件工具來協助設計過程是有幫助的。借助這些工具，可以在很短的時間內設計和優化電源轉換器。希望本教程能激發您期待下一個電源設計挑戰。

審核編輯：郭婷