智慧硬體工程師如何能夠輕鬆設計電源：小指南

作者：ADI 現場應用工程師Frederik Dostal

摘要

本文概述了電源設計的可能性，並介紹了基本和常用隔離與非隔離電源拓撲及其優缺點，同時介紹電磁干擾(EMI)和濾波考慮因素。本文目的在於協助大家理解並領略電源設計的藝術。

簡介

大多數電子系統都需要在供能電壓和需要供電的電路電壓之間進行某種轉換。當電池失去電荷時，電壓會下降。某些DC-DC轉換可確保電池中更多儲存的能源用於為電路供電。此外，如果我們使用110 V交流線路，則無法直接為微控制器等半導體供電。由於每個電子系統幾乎都使用電壓轉換器（也稱為電源），因此，多年來其針對不同的用途進行了優化。當然，優化目標通常是解決方案尺寸、轉換效率、EMI和成本。

簡單的電源：LDO

其中一種簡單的電源形式是低壓差(LDO)穩壓器。LDO是與開關穩壓器相對的線性穩壓器。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，這表示不管輸入電壓如何變化，哪個負載電流正在通過裝置，輸出電壓都是固定的。圖1顯示了該簡單電壓轉換器的基本原理。

多年來，典型電源轉換器都是由一個50 Hz或60 Hz的變壓器組成，連接到電網，以一定的繞線比產生不穩定的輸出電壓，比系統中需要的電源電壓高出幾伏特。然後使用線性穩壓器將此電壓轉換為電子產品所需的穩定調節的電壓。圖2顯示了此概念的方框圖。

圖2中基本設定的問題在於50 Hz/60 Hz變壓器體積相對較大且價格昂貴。此外，線性穩壓器還散發大量的熱量，因此系統總效率低，並且由於系統功率高，很難消除產生的熱量。

切換模式電源助一臂之力

為了避免圖2所示的電源的缺點，發明了切換模式電源。它們不依賴於50 Hz或60 Hz交流電壓，而是採用直流電壓，有時採用整流交流電壓，產生更高頻率的交流電壓以使用更小的變壓器，或在非隔離系統中，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訊號波形就能很好地工作，並且可使用PWM產生器和開關輕鬆產生。

直到2000年，雙極性電晶體都是常用的開關。它們的性能不錯，但是開關轉換速度相對較低。功效也不高，切換頻率限制為50 kHz或100 kHz。如今，我們使用開關MOSFET代替雙極性電晶體，開關轉換速度要快得多。反過來，開關損耗也更低，切換頻率高達5 MHz。這樣高的切換頻率支援功率級使用非常小的電感和電容。

開關穩壓器帶來了很多優勢。它們通常提供高功效電壓轉換，允許升壓和降壓，並提供相對精巧且低成本的設計。缺點是設計和優化過程複雜，開關轉換和切換頻率還會產生EMI。切換模式電源穩壓器以及 LTpowerCAD^® 和 LTspice^® 等電源設計工具的上市大幅簡化了這個困難的設計過程。利用這些工具，切換模式電源的電路設計過程可實現半自動化。

電源中的隔離

在設計電源時，要回答的第一個問題是是否需要電氣隔離。使用電氣隔離有多個原因。它可以提高電路的安全性，允許浮動系統操作，防止吵雜的接地電流在一個電路中透過不同的電子裝置傳播。常見的兩種隔離拓撲是反馳轉換器和正馳轉換器。但是，對於較高的功率，使用推挽、半橋和全橋等其他隔離拓撲。

如果不需要電氣隔離，則大多數情況下使用非隔離拓撲。隔離拓撲總是需要變壓器，而這種設備往往昂貴而笨重，並且滿足客製電源所需的確切需求的現成設備通常很難得到。

不需要隔離時的大多數常見拓撲

常見的非隔離切換模式電源拓撲是降壓轉換器。也稱為降壓型轉換器。它接受正輸入電壓，並產生低於該輸入電壓的輸出電壓。它是三個基本切換模式電源拓撲中的一個，只需要兩個開關、一個電感和兩個電容。圖3顯示了此拓撲的基本原理。高端開關從輸入端發出脈衝電流，產生一個切換模式電壓，在輸入電壓和地電壓之間交替。LC濾波器在切換節點上獲取該脈衝電壓，產生一個直流輸出電壓。根據控制高端開關的PWM訊號的訊號雜訊，產生不同位準的直流輸出電壓。這種DC-DC降壓轉換器具有很高的功效，相對容易建構，並且需要的元件很少。

降壓轉換器在輸入端發出脈衝電流，而輸出端有來自電感的連續電流。這就是為什麼降壓轉換器在輸入端雜訊很大，而在輸出端雜訊不那麼大的原因。需要設計低雜訊系統時，瞭解這一點很重要。

除了降壓拓撲，第二個基本拓撲是升壓拓撲。升壓拓撲使用與降壓拓撲相同的五個基本功率元件，但經過了重新排列，將電感放在輸入端，高端開關放在輸出端。升壓拓撲用於將一個輸入電壓升高到高於該輸入電壓的輸出電壓。

選擇升壓轉換器時，務必注意，升壓轉換器在產品手冊中始終指定最大額定切換電流，而非最大輸出電流。在降壓轉換器中，最大切換電流直接與最大可實現輸出電流相關，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，電壓比直接影響基於固定最大切換電流的可能最大輸出電流。選擇合適的升壓穩壓器IC時，不僅要知道所需的輸出電流，而且要知道開發中設計的輸入和輸出電壓。

升壓轉換器在輸入端的雜訊很低，因為與輸入連接一致的電感可防止電流快速變化。但是，在輸出端，這種拓撲的雜訊就很大。我們只看到脈衝電流流過外部開關，因此相對於降壓拓撲，更關注輸出漣波。

第三個基本拓撲是反相升降壓轉換器，僅由五個基本元件組成。該轉換器獲取正輸入電壓，並將其轉換為負輸出電壓，名稱由此而來。除此之外，輸入電壓還可能高於或低於反相輸出電壓的絕對值。例如，–12 V輸出電壓可能從輸入端的5 V或24 V中產生。不進行任何特殊電路修改也可能會發生這種情況。圖5顯示了反相降壓-升壓轉換器的電路概念。

在反相升降壓拓撲中，電感從切換節點接地。轉換器的輸入端和輸出端都有脈衝電流，因此這種拓撲的輸入端和輸出端的雜訊均較大。在低雜 訊應用中，這種特性透過增加額外的輸入和輸出濾波來補償。

反相升降壓拓撲的一個有利方面，是任何降壓開關穩壓器IC都可用於這種轉換器。只要將降壓電路的輸出電壓連接到系統接地即可。降壓IC電路接地將成為經過調整的負電壓。這個特性可以使市場上的開關穩壓器IC的選擇範圍得以擴大。

專門的拓撲

除了前面討論的三種基本非隔離開關模式電源拓撲外，還有很多拓撲可用。但是，它們都需要額外的電源元件。這通常會增加成本，並降低電源轉換效率。雖然存在某些例外情況，但在電源路徑中增加額外的元件通常會增加損耗。一些常用拓撲包括SEPIC、Zeta、Ćuk和4開關升降壓。它們都有三種基本拓撲所不具備的功能。下面是每種拓撲的重要功能列表：

• SEPIC：SEPIC可從高於或低於輸出電壓的正輸入電壓產生正輸出電壓。升壓穩壓器IC可用於設計SEPIC電源。此拓撲的缺點是需要第二個電感或一個耦合電感以及一個SEPIC電容。
• Zeta：這Zeta轉換器類似於SEPIC，但能夠產生正或負輸出電壓。而且，它沒有右半平面零點(RHPZ)，由此簡化了調節迴路。降壓轉換器IC可用於此類拓撲。
• Ćuk：Ćuk轉換器可將正輸入電壓轉換為負輸出電壓。它使用兩個電感，一個在輸入端，一個在輸出端，因此輸入和輸出端的雜訊都很低。缺點是沒有很多切換模式電源轉換IC支援這種拓撲，因為調節迴路需要負電壓回饋接腳。
• 4開關升降壓：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。輸入電壓可能高於或低於經過調節的輸出電壓。這種轉換器的功率轉換效率更高，並且只需要一個電感，因此取代了很多SEPIC設計。

常用隔離拓撲

除了非隔離拓撲外，一些應用需要電氣隔離電源轉換器。原因可能是出於安全考慮，在不同電路相互連接的大型系統中需要有浮動接地，或者在雜訊敏感應用中需要防止接地電流迴路。常見的隔離轉換器拓撲是反馳式轉換器和正向轉換器。

反馳式轉換器通常用於高達60 W的功率位準。電路的工作方式是，在導通時間內，電能儲存在變壓器中。在斷開時，該電能釋放到轉換器的副邊，為輸出供電。這種轉換器容易建構，但需要相對較大的變壓器來儲存正常操作所需的所有電能。這一方面使得該拓撲僅限於較低的功率位準。圖6的頂部顯示了反馳轉換器，底部顯示了正向轉換器。

除了反馳轉換器，正向轉換器也很流行。它使用變壓器的方式與反馳轉換器不同。在導通時間內，雖然有電流流過一次繞組，但也有電流流過二次繞組。電能不應儲存在變壓器線圈中。在每個切換週期後，我們都必須確保線圈的所有磁化釋放到零，使得變壓器在若干切換週期後不會飽和。利用幾項不同的技術就可以從線圈中釋放電能。一種常用方式是使用具有小型額外切換和電容的主動鉗制。

圖7顯示了使用 ADP1074的主動鉗制正向設計的LTspice模擬環境原理圖。在正向轉換器中，輸出路徑中有一個反馳轉換器中所沒有的額外電感，如圖6所示。儘管這個額外的元件具有相關的空間和成本影響，但相較於反馳轉換器，它有助於產生較低雜訊的輸出電壓。此外，在與反馳轉換器相同的功率位準下，正向轉換器所需的變壓器尺寸可能要小得多。

先進隔離拓撲

除反馳和正向拓撲外，還有很多基於不同變壓器的電氣隔離轉換器概念。以下列表對常用轉換器進行了一些基本解釋：

• 推挽：推挽拓撲類似於正向轉換器拓撲。但是，該拓撲需要兩個主動低邊開關，而不是一個低邊開關。還需要一個具有中心抽頭的初級變壓器。與正向轉換器相比，推挽轉換器的優點是運行時的雜訊通常更低，而且需要的變壓器更小。變壓器的BH曲線的滯回在兩個象限而非一個象限中使用。
• 半橋/全橋：這兩種拓撲通常用於更高功率的設計，從幾百瓦開始到幾千瓦。除了低端開關，它們還需要高端開關，但可透過相對較小的變壓器實現很高的電能傳輸。
• ZVS：討論高功率隔離轉換器時，通常會提到這個術語。它代表零電壓開關。此類轉換器的另一個術語是LLC（電感-電感-電容）轉換器。這些架構的目的是實現高效率轉換。它們會產生諧振電路，並在開關上的電壓或電流接近零時切換電源開關。這樣，開關損耗便降至最低。但是，此類設計很難實現，切換頻率也不固定，有時會產生EMI問題。

切換電容變換器

除了線性穩壓器和開關模式電源，還有第三組電源轉換器：切換電容轉換器。也稱為電荷泵。它們使用開關和電容倍增或逆變電壓。一大優點是不需要任何電感。此類轉換器通常用於低於5 瓦的低功率位準。但是，最近取得的重大進展允許功率更大的切換電容轉換器。圖8顯示了採用120 瓦設計、效率達98.5%的 LTC7820 ，將48 V轉換為24 V。

數位電源

本文中討論的所有電源都可作為類比或數位電源來實現。到底什麼是數位電源？電源必須始終透過開關、電感、變壓器和電容的類比功率級。數位方面由兩個數位建構模組引入。第一個是數位介面，透過該介面，電子系統可以與電源通訊。可以即時設定不同的參數，以針對不同的工作條件優化電源。此外，電源還可與主處理器通訊，並引發警告或故障標誌。例如，系統可以輕鬆監控負載電流、超過預設閾值或電池溫度過高的情況。

第二個數位建構模組使用數位迴路取代類比調節迴路。這樣的效果很好，但對於大多數應用，最好採用對一些參數有一定數位影響的標準類比回饋迴路，例如即時調節誤差放大器的增益或動態設定迴路補償參數，以實現穩定但快速的回饋迴路。具有純數位控制迴路的設備的一個示例是ADI的 ADP1046A 。透過數位影響優化並具有類比控制迴路的數位介面降壓穩壓器的一個示例是 LTC3883。

EMI考量

電磁干擾(EMI)一直是設計切換模式電源時需要注意的問題。原因是切換模式電源會在很短的時間內切換高電流。切換速度越快，系統總效率就越好。更快的切換轉換速度可減少部分導通開關的時間。在這個部分接通時間內，會產生大部分開關損耗。圖9所示為切換模式電源在切換節點處的波形。以降壓穩壓器為例。高電壓由通過高端開關的電流定義，而低電壓通過沒有電流流過高端開關來定義。

在圖9中可以看到，切換模式電源產生的雜訊不僅來自於調節後的切換頻率，還來自於比頻率高出許多的切換轉換速度。雖然切換頻率通常在500 kHz至3 MHz之間運行，但切換轉換時間可能有幾奈秒長。在1 ns切換轉換時間，頻譜中對應的頻率將為1 GHz。至少這兩個頻率將被視為電磁輻射騷擾和傳導輻射。調節迴路的振盪或電源和濾波器之間的相互作用也可能帶來其它頻率。

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，系統訊號路徑中使用的16位元ADC不應擷取來自電源的切換雜訊。第二個原因，是滿足世界各國政府為同時保護不同電子系統的可靠功能而制定的某些EMI法規。

EMI具有兩種形式，輻射EMI和傳導EMI。降低輻射EMI的有效方式是優化PCB佈局，並採用諸如ADI Silent Switcher^®技術。當然，把電路放在一個遮罩的金屬盒中也有效。但是，這可能不實用，而且在大多數情況下成本很高。

傳導EMI通常透過額外的濾波進行衰減。下一節將討論減少傳導輻射的額外濾波。

濾波

RC濾波器是基本低通濾波器。但是，在電源設計中，每個濾波器都是一個LC濾波器。通常，只要串聯增加一些電感就夠了，因為它將與切換模式電源的輸入或輸出電容一起形成一個LC或CLC濾波器。有時只使用電容作為濾波器，但是考慮到電源線或佈線上的寄生電感，我們結合電容形成一個LC濾波器。電感L可能是一個具有線圈的電感或是一個鐵氧體磁珠。LC濾波器的目的實際上是一種低通效應，使直流電源可以通過，並在很大程度上衰減較高的頻率干擾。LC濾波器有一個雙極點，因此可實現40 dB/十倍頻程的高頻率衰減。該濾波器可實現相對急劇的頻降。設計濾波器並非易事；但是，由於電路的寄生元件（如佈線電感）會產生效應，因此對濾波器建模也需要對主要寄生效應進行建模。這使得模擬濾波器相當耗時。很多有濾波器設計經驗的設計人員知道哪些濾波器好用，可能會反覆運算地優化某個濾波器以獲得新的設計。

在設計所有濾波器時，不僅需要考慮小訊號行為，如波特圖中濾波器的轉換函數，而且需要注意大訊號效應。在任何LC濾波器中，電源都會通過電感。如果輸出端不再需要該電源，由於突然負載瞬態，儲存在電感中的電能需要釋放到某個地方。它會對濾波器的電容充電。如果濾波器不是針對這種最壞的情況而設計的，儲存的電能就可能會導致電壓過沖，可能損壞電路。

最後，濾波器具有一定的阻抗。該阻抗與附加在濾波器上的電源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盪。ADI的LTspice和LTpowerCAD等模擬工具對於回答所有這些問題和設計傑出濾波器很有幫助。圖10所示為LTpowerCAD設計環境中濾波器設計人員的圖形化使用者介面。使用該工具設計濾波器非常簡單。

Silent Switcher

電磁輻射騷擾很難阻擋。需要採用某種金屬材料製成的特殊遮罩。這樣做的成本很高。長期以來，工程師一直在尋找減少切換模式電源產生的電磁輻射騷擾的方式。幾年前，Silent Switcher技術取得了重大突破。透過減少切換模式電源的熱迴路中的寄生電感，並將熱迴路分為兩個迴路，以高度對稱的方式設定，電磁輻射騷擾大多相互抵消。目前許多Silent Switcher裝置所提供的電磁輻射騷擾比傳統產品低得多。減少電磁輻射騷擾可提高開關轉換速度，而不會產生嚴重的EMI。提高開關轉換速度可減少開關損耗，由此提高切換頻率。這種創新的一個示例是 LTC3310S，其切換頻率為5 MHz，使用低成本的外部元件實現非常精巧的設計。

電源管理是必需的，但也會帶來樂趣

在本文中，我們討論了電源設計的許多方面，包括不同的電源拓撲及其優缺點。這些資訊對於電源工程師來說雖屬基礎，但是對於專家和非專業人士而言，在設計過程中使用LTpowerCAD和LTspice等軟體工具很有幫助。借助這些工具，將可在很短的時間內設計和優化電源轉換器。希望內容有助於您迎接下一次電源設計挑戰。