開關電源設計入門與實例解析 開關電源設計原理

電源是什么？

電源是將來自能量源（如供電網）的電流轉換為負載（如電機或電子設備）用電所需電壓值的電氣設備。

電源主要有兩種設計：線性電源和開關電源。

線性電源：線性電源設計利用變壓器來降低輸入電壓，然后對電壓整流并轉換為直流電壓，再進行濾波以改善波形質量。線性電源使用線性穩壓器來保持輸出電壓的恒定。線性穩壓器以熱量的形式耗散任何多余的能量。

開關電源:開關電源設計是一種較新的方法，它可以解決線性電源設計中存在的許多問題，包括變壓器尺寸和電壓調節問題。在開關電源設計中，輸入電壓不再被降低，而是在輸入端進行整流和濾波；然后通過斬波器將其轉換為高頻脈沖序列；在電壓到達輸出端之前，再次進行濾波和整流。

開關電源的工作原理

長久以來，線性AC / DC電源一直被用于將公用電網的交流電轉換為直流電，用于家用電器或照明用電。但大功率應用越來越需要更小的電源。線性電源被降級到特定的工業和醫療用途中，因其低噪聲讓它在這類應用中仍有用武之地；而開關電源因為體積小、效率高并且能夠處理大功率，已經很大程度上替代了線性電源。圖1闡明了在開關電源中，交流電（AC）到直流電（DC）的一般轉換過程。

圖1: 隔離式AC/DC開關電源

輸入整流

整流是將交流電壓轉換為直流電壓的過程。輸入信號的整流是開關模式AC / DC電源的第一步。

直流電壓通常被認為是恒定的直線電壓，就像電池提供的電壓那樣。 但實際上，直流電（DC）被定義為單向電荷流。這意味著直流電壓沿同一方向流動，但不一定是恒定的。

正弦波交流電（AC）正弦波是最典型的電壓波形，其前半周期為正，后半周期為負。如果負半周期反相或消除，則電流將停止交替，變為直流電。這個轉換過程可以通過整流來實現。

利用無源半橋整流器中的二極管，可以消除正弦波的負半部分，從而實現整流（參見圖2）。二極管允許電流在波的正半周期通過，并在電流沿相反方向流過時截止電流。

圖2: 半橋整流器

正弦波經過整流后將具有較低的平均功率，無法有效為設備供電。另一種更有效的方法是改變負半波的極性，將其變為正波。這種方法稱為全波整流，它只需要四個二極管做全橋配置即可（見圖3）。不管輸入電壓的極性如何，這種配置都可以確保穩定的電流方向。

圖3: 全橋整流器

相比半橋整流，經過全波整流的波形平均輸出電壓更高，但仍與電子設備供電所需的恒定直流波形相差甚遠。盡管它已經是一個直流波形，但從電壓波的形狀可以看出，電壓變化非?？於翌l繁，用這樣的直流電為設備供電效率會很低。直流電壓的這種周期性變化稱為紋波，減少或消除紋波對于實現高效電源至關重要。

減少紋波最簡單、最常用的方法是在整流器輸出端添加一個大電容，稱為儲能電容器或平滑濾波器（見圖4）。

該電容器在波峰期間存儲電壓，然后為負載提供電流，直到其電壓小于正在上升的整流電壓波為止。其產生的波形將更接近所需的形狀，也可以認為是沒有交流分量的直流電壓。這個最終的電壓波形就可以為直流設備供電了。

圖4: 帶平滑濾波器的全橋整流器

無源整流器采用半導體二極管作為非受控開關，這是最簡單的交流波整流方法，但并不是最有效的方法。

二極管是相對高效的開關。它們能夠以最小功耗快速導通和關斷。但它唯一的問題是存在0.5V至1V的正向偏置壓降，這會降低效率。

有源整流器采用可控開關代替了二極管，例如MOSFET或BJT晶體管（見圖5）。它有兩個優勢：首先，晶體管整流器沒有半導體二極管固有的0.5V至1V壓降，因為其電阻可以任意小，因此壓降也很??；其次，晶體管是受控開關，這意味著開關頻率可以調節，并進而優化。

其缺點是，有源整流器需要更復雜的控制電路才能實現其目標，這需要額外的組件，因此成本更高。

圖5: 全橋有源整流器

功率因數校正（PFC）

開關電源設計的第二步是功率因數校正（PFC）。

PFC電路對交流電到直流電的實際轉換貢獻不大，但它卻是大多數商用電源的重要組成部分。

圖6: 整流器輸出端的電壓和電流波形

觀察整流器儲能電容器的電流波形（請參見圖6），會發現充電電流在很短的時間跨度內流經電容器；具體而言，是從電容器輸入端電壓大于電容器電荷的那一點，到整流信號峰值之間。這會導致電容器中產生一系列短電流尖峰，不僅會對電源造成嚴重問題，還會影響整個電網。因為這些電流尖峰會注入電網并產生大量諧波。而諧波會產生失真，可能會影響連接到電網的其他電源和設備。

在開關電源設計中，功率因數校正電路的目的就是濾除這些諧波，使之最小化。功率因數校正電路有兩種類型：有源和無源。

無源PFC電路由無源低通濾波器組成，這些濾波器會嘗試消除高頻諧波。但是，僅使用無源PFC，還無法使電源（尤其是在大功率應用中）符合國際諧波噪聲規范。必須采用有源功率因數校正。

有源PFC可以改變電流波形的形狀，使其跟隨電壓波形。諧波被轉移到更高的頻率上，因此更容易被濾除。在這種情況下，最常應用的電路是升壓（boost，或step-up）變換器。

隔離：隔離式與非隔離式開關電源

無論是否存在PFC電路，電源變換的最后一步都是將整流后的直流電壓降低到適合預期應用的適當幅度。

由于輸入的交流波形在輸入端進行整流，因此直流電壓輸出很高：沒有PFC時，整流器的輸出直流電壓將約為320V；存在有源PFC電路時，升壓變換器的輸出將為400V或更高的穩定直流電壓。

對大多數只需要很低電壓的應用而言，這兩種情況下的高電壓都極其危險，而且沒必要。表1列出了選擇正確的隔離拓撲時應考慮的幾個方面，包括變換器和應用。

表1: 隔離式和非隔離式AC/DC電源

降壓方式的選擇主要關乎安全性。

電源的輸入端連接到交流電力干線，這意味著如果輸出端漏電，這種程度的電擊會導致人員嚴重傷害甚至死亡，而且會損壞連接到輸出端的任何設備。

將連接電力干線的AC / DC電源輸入和輸出電路磁隔離可以確保安全。隔離式AC / DC電源中應用最廣泛的電路是反激變換器和諧振LLC變換器，因為它們均具有電隔離或磁隔離（請參見圖7）。

圖7: 反激變換器（左）和LLC諧振變換器（右）

采用變壓器意味著信號不能是平坦的直流電壓。相反，電壓必須變化，因此電流也必須變化，這樣才能通過感應耦合將能量從變壓器的一側傳遞到另一側。因此，反激變換器和LLC變換器都將輸入直流電壓“斬波”為方波，然后再通過變壓器降壓。最后，在輸出之前，再次對波形進行整流。

反激變換器主要用于低功率應用，它也是一種隔離式降壓-升壓變換器，其輸出電壓可以高于或低于輸入電壓，具體取決于變壓器的初級繞組與次級繞組之間的匝數比。

反激變換器的操作與升壓變換器非常相似。

當開關閉合時，初級線圈通過輸入進行充電并形成磁場；當開關打開時，初級電感器中的電荷轉移到次級繞組，次級繞組向電路中注入電流，從而為負載供電。

反激變換器相對而言較易設計，相比其他變換器需要的組件更少，但它效率不高，因為它強制晶體管任意導通和關斷，這種硬切換會造成巨大的損耗（參見圖8）。特別是在大功率應用中，這會縮短晶體管壽命，并產生巨大的功耗。因此，反激變換器更適合功率通常最高100W的低功率應用。

諧振LLC變換器則普遍應用于大功率應用。其電路也通過變壓器進行磁隔離。LLC變換器基于諧振現象，即當工作頻率與濾波器固有頻率匹配時，該頻率將被放大。在這種情況下，LLC變換器的諧振頻率由串聯的電感與電容（LC濾波器）定義，同時還受變壓器初級電感（L）的附加作用影響，因此被命名為LLC變換器。

LLC諧振變換器是大功率應用的首選，因為它們可以產生零電流開關，也稱為軟開關（見圖8）。當電路中的電流接近零時，它可以導通和關斷開關，將晶體管的開關損耗降至最低，從而降低EMI并提高效率。不過，這種性能的提升需要付出一定的代價：設計能夠在各種負載條件下實現軟開關的LLC諧振變換器非常困難。為此，MPS開發了一種特殊的LLC設計工具，它可以確保變換器在正確的諧振狀態下工作，從而實現更佳開關效率。

圖8: 硬開關（左）和軟開關（右）損耗

前文提到過，AC / DC電源的局限性之一是輸入變壓器的尺寸和重量。這是因為輸入變壓器的低工作頻率（50Hz）需要較大的電感器和磁芯，才能避免飽和。

在開關電源中，電壓的振蕩頻率明顯更高（至少高于20kHz）。這意味著降壓變壓器可以更小，因為高頻信號在線性變壓器中產生的磁損耗較小。輸入變壓器的尺寸變小了，系統就可以小型化，才有可能實現將整個電源都裝進手機充電器中，就像我們現在所使用的。

有些直流設備并不需要變壓器提供隔離。這在不需要用戶直接觸摸的設備（例如燈、傳感器、IoT等）中很常見，因為對設備參數的任何處理都是在單獨的設備（例如手機、平板電腦或計算機）上完成的。

這對設備的重量、尺寸和性能都有很大益處。這些變換器利用高電壓降壓變換器降低了輸出電壓水平。其電路可以認為是之前提到的升壓變換器的反相電路。在這種情況下，當晶體管開關閉合時，流經電感的電流會在電感兩端產生一個電壓，它會抵消來自電源的電壓，從而降低輸出端的電壓。當開關打開時，電感釋放電流供給負載，在電路與電源斷開時保持負載上的電壓值。

AC / DC開關電源采用高電壓降壓變換器，因為充當開關的MOSFET晶體管必須能夠承受較大的電壓變化（見圖9）。當開關閉合時，MOSFET兩端的電壓接近0V；但當它打開時，在單相應用中，該電壓上升至400V，在三相變換器中，該電壓上升至800V。這些突然的高電壓變化很容易損壞普通晶體管，因此要使用特殊的高電壓MOSFET。

圖9: 帶有源PFC的非隔離式AC/DC開關電源

降壓變換器比變壓器更易集成，因為它只需要一個電感。其降壓效率也更高，正常情況下其效率高達95％。實現這種高效率是因為晶體管和二極管幾乎沒有開關功耗，唯一的損耗來自電感。

MPS MP17xA系列即為一款非隔離式AC / DC電源輸出穩壓器。該系列設備可以控制多種不同的變換器拓撲，例如降壓、升壓、降壓-升壓或反激。它最高支持700V的電壓，因此適用于單相電源。該器件還具有綠色模式選項，在該模式下，開關頻率和峰值電流與負載成比例下降，這提高了電源的整體效率。圖10顯示了MP173A MP173A的典型應用電路，它在其中調節由電感（L1）、二極管（D1）和電容（C4）組成的降壓變換器。電阻（R1和R2）構成一個分壓器，用于提供反饋電壓（FB引腳）以閉合控制環路。

圖10: MP173A MP173A典型應用電路

AC/DC開關電源以更小的尺寸提供了更高的性能，因此更受設計師的歡迎。其缺點是電路要復雜很多，而且需要更精確的控制電路和噪聲消除濾波器。在這種情況下，MPS仍然提供了簡單有效的解決方案，讓您的AC / DC電源開發工作更加輕松。

總結

AC / DC開關電源是目前將交流電源轉換為直流電源最有效的方法。其電源轉換分為三個階段：

輸入整流：輸入的市電交流電壓通過二極管電橋被轉換為直流整流波。在電橋的輸出端增加一個電容器可以降低紋波電壓。

功率因數校正（PFC）：由于整流器中存在非線性電流，因此電流的諧波含量非常大。有兩種方法可以解決此問題：一種方法是采用無源PFC，它使用濾波器來抑制諧波影響，但這種方法效率不高；第二種方法稱為有源PFC，它使用開關升壓變換器，使電流波形跟隨輸入電壓波形。有源PFC是使電源變換器滿足當前尺寸與效率標準的唯一方法。

隔離：開關電源可以是隔離的，也可以是非隔離的。當電源的輸入和輸出未物理連接時，設備處于隔離狀態。隔離可以通過變壓器實現，變壓器將電路的兩半部分電氣隔離。但變壓器只能在電流產生變化時傳輸電力，因此整流后的直流電壓會被斬波為高頻方波，然后再傳輸到次級電路中；隨后再次進行整流，并最終傳遞到輸出。

設計開關電源需要考慮方方面面，尤其是安全性、性能、尺寸和重量等。開關電源的控制電路也比線性電源復雜，很多設計人員發現，在電源中采用集成模塊有很大幫助。

MPS提供了多種可簡化開關電源設計的模塊，例如電源變換器、控制器、整流器等。

審核編輯：彭菁