開關電源電路運行基本原理及外圍參數設計思路

眾所周知，在硬件設計師領域，都會遇到的一類基礎電路設計便是電源設計，其中開關電源(SMPS，Switched-Mode Power Supply)是一種非常高效的電源變換器，其轉換效率多達90%以上，種類繁多。按拓撲結構分：有Buck、Boost、Buck-Boost、Charge-pump等;按開關控制方式來劃分：又有PWM、PFM等;按開關管類別分：可分為BJT、FET、IGBT等。

對比傳統的線性電源，開關電源具備多種優勢。此次我們就以拓撲結構劃分的方式，來討論在CCM模式下幾種開關電源設計思路。

1電路運行基本原理

圖1 Buck型電路

圖1 是簡化后的Buck電路主回路示意圖，其工作模式如下：

K接通Ton時期，電流經L流入負載R上，由輸入Ui為L進行儲能，C為儲能濾波電容，同時帶起負載R，R兩端的電壓Uo在Ton期間為穩定的直流電壓。

K關斷Toff時期，L降產生反電動勢，電流由反電動勢eL正極流出，通過負載R，再經過續流二極管D回到eL的負極。由于C的儲能穩壓，Toff階段的輸出電壓Uo也是穩定的直流電壓。

圖2 Boost型電路

圖2 是簡化后的Boost電路主回路示意圖，其工作模式如下：

K接通Ton時期，Ui僅對L進行充電，C為負載R供電，形成穩定電壓Uo。

K關斷Toff時期，為保持勵磁不變，L也會產生反電動勢eL。eL反電動勢的方向與開關K關斷前的方向相反，但與電流的方向相同，在負載兩段就會有Ui和eL疊加之和的穩定輸出電壓。

圖3 Buck-Boost型電路

圖3 是簡化后的Buck-Boost電路主回路示意圖，其工作模式如下：

當S1開關工作，S2處于常斷期間，回路為Buck工作模式

當S2開關工作，S1處于常通期間，回路為Boost工作模式

2電路外圍參數設計思路

1. 主要元件及參數

開關電源電路的主要元件有：

a)有源開關(Switch：MOS，IGBT，Triode)，有源開關是開關電源工作的核心，通過PWM或PFM等方式控制有源開關的開關切換，可有效實現開關電源的工作控制。因MOS具有極低的TON和TOFF時間，在開關電源電路設計時，多采用其作為有源開關，部分集成式的芯片會內置MOS(例TPS6292XX系列)，但對于Iout≥5A的負載需求，一般采用外置MOS來解決。

針對Buck-Boost型電路有雙開關管和四開關管的主要工作模式，其中四開關管是將原理中的二極管換為開關管，例如LM5175構成的Synchronous Buck-Boost電路：

圖4 Synchronous Buck-Boost電路

上述Synchronous Buck-Boost電路轉換效率優于常規雙開關管模式。

b)二極管Diode，在開關電源電路設計時所用的Diode一般為SBD，保證在高頻開關電源環境下的可靠導通與關斷，同時具有低壓降低功耗低溫升的優點。選用二極管時，除電壓降和反向耐壓裕量(建議30%以上)以外，正向電流考慮≥1.3*IOUTmax即可。

c)電感Inductor，電感在開關電源電路設計中主要起儲能釋放，紋波調節的作用，設計時主要考慮的電感參數有電感量L、直流電阻RDCR、通流能力Irms、飽和電流Isat，這三個參數主要由電感設計時采用的繞線圈數、繞線直徑、繞線材料和磁芯結構設計等多方面決定，部分不帶磁芯的空心電感不存在飽和電流一說。

電感值的選擇一般參考下式：

式中，DMIN — 為最小占空比;

FSW — 開關頻率;確定了電感值的選取，接下來還需關注的便是飽和電流，在設計中，推薦飽和電流Isat≥1.5*IOUTmax。

d)電容Capacitor，在這里我們主要討論的是開關電源的COUT，一般來說輸出電容的選擇主要取決于電容量和瞬態響應之間的權衡，因為更大的電容量可以減少瞬態響應超調和欠調。在設計中我們希望電容的ESR盡可能小，采用鉭電容時需要盡可能采用2.5倍以上的耐壓值。電容值的選擇考慮輸出電壓下沖需要滿足：

考慮輸出電壓過沖需要滿足：

式中：IOH — 負載瞬態電流高值; IOL — 負載瞬態電流低值; VUS — 輸出下沖電壓; VOS — 輸出過沖電壓;

在設計開關電源電路時，電感和電容的參數多數需要配合進行抉擇，以LM5152為例：

圖5 LM5152推薦電路示意圖

在參數設計時需滿足：

而在Buck-Boost型電源芯片TPS638XX系列中，電感設計參數需滿足：

式中： D — 占空比; ? — 開關頻率; L — 電感量; ? — 轉換效率。

圖6 TPS638XX系列推薦電路示意圖

在TPS638XX系列中，針對電感的設計，電容給出了推薦設計參數：

表2 TPS638XX系列推薦參數示意表

2. 優化設計方向

PCB設計：

對于輸出電容器，建議使用小型陶瓷電容器，盡可能靠近IC的VOUT和PGND等引腳。

排列好功率器件，以減小AC回路面積，必要時適當布置銅箔鋪在功率地以輔助散熱。

FB、COMP和ISET等類似引腳信號GND返回點以單點連接到功率地，提高抗干擾性能。

FB、COMP和ISET等信號回路避開VIN與VOUT，避免受到干擾。

紋波(Ripple)的產生與抑制：

紋波是由于直流穩壓電源的電壓波動而造成的一種現象，因為直流穩壓電源一般是由交流電源經整流穩壓等環節而形成的，這就不可避免地在直流穩定量中多少帶有一些交流成分，同時開關電源自身工作時，各儲能元件充放電過程也并非完全理想的瞬態響應，會有交流成分，這種疊加在直流量上的交流分量就是紋波。紋波的成分較為復雜，它的形態一般為頻率高于工頻的類似正弦波的諧波，另一種則是寬度很窄的脈沖波。

為了減小開關電源的紋波，設計參數時，對儲能元件的參數選取留有適當的余量是有效控制自身紋波的重要環節;在兼顧轉換效率與紋波的場合，采用多增加中轉電壓轉換的形式是相對常用的方式，例如：12V-5V的場合，采用12V-6V-5V的形式進行，也可有效的抑制前置電路帶來的干擾。

3更多類型的開關電源電路

應用形式擴展

Buck實現負電壓升降壓：例TPS5430如下應用，通過將原本參考設計中的GND作為VOUT，將原本的VOUT拉至GND，從而實現負電壓。