开关电源入门：基本原理

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开关电源入门：基本原理

Switch-Mode Power Supplies for Beginners: An Introduction
作者：Daniel Wagner Maxim公司

种类繁多的电子产品对直流电压的需求也多种多样，这就需要一个行之有效的方法将标准电源转化成负载所需的电压，这种方法必须通用、高效、可靠。在 现代电子产品中，开关电源（SMPS）被普遍用来提供各种不同的直流电源，而且，它对于提高DC-DC电源转换系统的效率和可靠性也是不可或缺的。

为什么选择开关电源（SMPS）
绝大部分直流负载由标准电源供电。但是，标准电源电压可能不符合微处理器、电机、LED或其他负载的电压要求，尤其是当标准电源的输出电压不稳定 时。电池供电设备就是一个最好的例子，标准Li+电池或镍氢电池的典型电压对于大多数应用而言，不是过高就是过低，或者在放电过程中电压下降过多。
幸运的是，SMPS的通用性帮我们解决了这一难题，它将标准电源电压转换成合适的、符合规定的电源电压。SMPS有多种拓扑，可以划分为几种基 本类型，不同类型的转换器可以对输入电压实现升压、降压、反向及升/降压变换。与线性稳压器只能对输入电压进行降压不同的是，可以选择不同拓扑的SMPS 来满足任何输出电压的需求，这也正是SMPS极具吸引力的原因。
另外，先进的SMPS IC设计提供了不同的集成度，将经过裁剪的标准SMPS电路集成到单片IC，允许设计人员在不同规模的拓扑中进行选择。由此减轻厂商对通用电源或特殊应用 电源的设计负担，并可根据项目需要为工程师提供定制的SMPS IC，从而进一步提高了这类器件的灵活多用性。

图1. 简单的降压型SMPS IC。

工程师经常面临的一个问题是：如何将输入电压高效地转换到一个更低的输出电压。比较简单的方案是线性稳压器。毕竟这种方案仅需几个外部电容和适当的热管理。但是，方案简单带来的一个结果是效率低下 — 当输入-输出压差较大时，效率往往低得让人无法接受。
线性稳压器的效率直接与其调整管功耗有关，调整管功耗等于ILDOx（VIN -VOUT），由此可见，有些情况下调整管会产生较大损耗。例如，负载为100mA时，将3.6V的电池电压降至1.8V输出，线性稳压器功耗为 0.18W，效率将低于50%，电池的工作时间也将缩减50%（按理想情况估算）。
线性稳压器的低效迫使工程师寻求新的改进方案，正是在这一背景下，开关电源引起了人们的关注。根据SMPS的工作原理，在不同负载和电压下，一 个设计良好的SMPS效率可达90%甚至更高。上述例子中，如果使用图1所示降压型SMPS代替线性稳压器，可以获得90％的效率。与线性稳压器相比，效 率提高了40％。通过直观比较，降压SMPS的优势便体现出来了，其他SMPS拓扑同样具有相近或更高的效率。
SMPS设计不仅仅具有高效率这一主要优势，功耗的降低还带来了许多直接好处。例如，与低效率的竞争产品相比，SMPS的散热片面积大大减小。降低了对热管理的要求；更重要的是，由于器件不会工作在低效的高温环境，大大提高了器件的可靠性，进而延长工作寿命。

SMPS拓扑及转换原理
如上所述，根据电路拓扑的不同，SMPS可以将直流输入电压转换成不同的直流输出电压。实际应用中存在多种拓扑结构，比较常见有几种基本类型，按 照功能划分为：降压（Buck）、升压（Boost）及升/降压（Buck-Boost），图2给出了三种基本拓扑，下面还将讨论电感的充电/放电通道。
任何拓扑都包括MOSFET开关、二极管、输出电容和电感。MOSFET是拓扑中的有源受控元件，与控制器（图中没有给出）连接，控制器输出脉 宽调制（PWM）方波信号驱动MOSFET的栅极，控制器件断开或导通。为使输出电压保持稳定，控制器检测SMPS的输出电压，并改变方波信号的占空比 D，即MOSFET在每个开关周期（tS）导通时间。D是方波导通时间与周期的比值（tON/tS），直接影响SMPS的输出电压，以下进行详细讨论。
MOSFET将SMPS电路的工作过程分为两个阶段：充电阶段和放电阶段，分别表示电感中的能量传递状态（请参考图2中的环路）。充电期间电感 储存的能量，在放电期间传递给输出负载和电容。电感充电期间，输出电容为负载供电，维持输出电压稳定。根据拓扑结构，能量在电路元件中循环传递，使输出电 压维持在适当的数值。
在每个开关周期，电感是电源到负载能量传输的核心。如果没有电感，MOSFET切换时，SMPS将无法正常工作。电感（L）储能 (E）取决于电感电流（i）：



因此，电感中能量的变化可通过电流的变化量（IL）来衡量，取决于规定时间内（△t）电感两端电压的变化量（VL）：



在每个开关周期（图3），电感两端的电压值保持固定，因此，电感电流线性变化。根据基尔霍夫电压环路定律，可以得到开关过程中电感两端的电压，注意极性以及VIN/VOUT的关系。例如，升压转换器放电期间，电感两端电压为-（VOUT-VIN）。因为VOUT > VIN，所以电感两端电压为负。
充电期间，MOSFET导通，二极管反向偏置，能量从电源传递给电感（图2）。由于电感两端电压为正，电感电流将逐渐上升。同时，输出电容将前一个周期存储的能量传递给负载，以保持输出电压的稳定。

图2. 基本的SMPS拓扑：Buck、Boost和Buck/Boost。

放电期间，MOSFET关断，二极管正向偏置并导通。由于此时电源不再对电感充电，电感两端电压极性反转，并将能量释放给负载，同时补充输出电容的储能（图2）。放电时，电感电流将逐渐下降，放电电流如上述关系式所示。

图3. 稳态时电感的电压、电流。

充电/放电周期性循环，并保持一个稳定的开关状态。在电路建立稳态的过程中，电感电流逐渐达到稳定值，该电流是直流电流和电路在两个阶段切换时所产生的交流电流（或电感纹波电流）之和（图3）。直流电流的大小与输出电流成正比，也取决于电感在SMPS拓扑中的位置。

表1. SMPS转换比。

纹波电流需要经过SMPS滤波，以获得真正的直流输出。滤波由输出电容完成，它对交流信号表现出较低的阻抗（XC=1/（2*pi*f*C））。 不需要的输出纹波电流通过输出电容旁路，并当电流对地放电时保持电容电荷的稳定。因此，输出电容还起到稳定输出电压的作用。实际应用中，输出电容的等效串 联电阻（ESR）产生的输出电压纹波与电容的纹波电流成正比。
由此可见，转换器中，能量在电源、电感和输出电容之间传递，保持稳定的输出电压，为负载供电。那么，通过SMPS间的能量传递如何确定输出电压和输入/输出电压转换比？如果能够理解电路作用一个周期性波形时的稳态过程，便可很容易地计算出这些数值。
稳态期间，有一个变量在重复周期tS的开始阶段与结束阶段相等。对于电感来说，如上所述，其电流周期性地充电与放电，电流在PWM周期的开始阶段 应该与结束阶段相等。这意味着，电感电流在充电过程的变化量（△IcharGE）等于放电过程的变化量（△IDIScharGE）。建立上述△I的等式， 可得到下面的表达式：


简而言之，在不同的工作周期，电感电压和时间的乘积相等。因此，从图2所示SMPS电路中，我们可以很容易得到稳态时的电压和电流转换比。对于降 压电路，根据充电电路的基尔霍夫电压环路可得电感两端的电压为（VIN-VOUT）。同理，放电过程中，电感两端的电压为 -VOUT。根据上述等式，可得出电压的转换比为：



同时，在理想情况下，输入功率与输出功率相等。由此可得电流转换比为：



从这一系列等式可以看出，降压转换器的输出比VIN增大了D倍，而输入电流则比负载电流增大D倍。表1列举了图2所示拓扑的转换比。有些复杂的拓扑结构可能难以分析，但利用这个方法可以得到所有SMPS的转换比。

缺点与折中
当然，SMPS的高效率并非没有任何代价。开关模式转换器最常被提及的问题是其引入的电磁干扰（EMI）和传导噪声。EM辐射源于SMPS电路中电流、电压开关波形的快速瞬变。
电感节点电压的快速变化将产生电场辐射，而充/放电环路电流的快速切换将产生磁场辐射。另一方面，当SMPS的输入/输出电容以及PCB寄生阻抗 对开关电流呈高阻抗时，输入、输出电路之间将产生传导噪声。值得庆幸的是，良好的器件布局和PCB布线可以大大降低EMI和传导噪声。
SMPS的另一个问题是需要额外的外部元件，并且，理解这些外部元件的工作原理、选择合理的元件比较复杂。幸运的是，很多SMPS IC厂商都提供了有关资料，不仅为用户介绍器件的工作原理，还给出了正确选择外部元件的详细说明。此外，新一代SMPS IC具有更高的集成度，大大减少了外部元件数。
虽然，额外的复杂度和元件数量意味着整个电源的成本的提高。即便如此，SMPS仍然被广泛应用到多种场合，因为可以通过设计克服SMPS的缺点，而利用SMPS获得的高效率和灵活性则是众多应用迫切需要的。