开关电源基础

做硬件工程师的，几乎都碰到过开关电源。网上的资料也很多。笔者也经常接触开关电源，从工程应用实践中自己总结了一些开关电源的心得。本文力求浅显易懂。但愿对开关电源比较陌生的工程师能有所帮助。开关电源是一个很大的领域，本文的描述仅见一斑，有不当之处，望以斧正之。1：常用的开关电源的原理——单端自激boost升压电路如上图，开关电源利用电感电流不能瞬间改变的原理，用ctrl信号打开三极管，使得Vin通过电感和三极管向地流动。由于电感电流不能突变，因此，这个回路不能理解成短路，应理解成给电感充能。充能是通过电感流过的电流不断增大体现的，电流越大，电感的储能越多。当电感电流增加到一定程度，用ctrl关闭三极管。则电感电流的回地的路就被切断。同样由于电感电流不能突变，因此，电流就会通过二极管流向电容。这样就完成一次电感通过二极管给电容充电的过程。Ctrl信号周期性不停止的复现，宏观上就形成从vin不断流向电容的电流。这个过程与vout和vin电压孰高孰低无关。意味着可升压，也可降压。上面说的切断电感电流，迫使电流流向改变，一般叫做“反激”，上图的电感只有一个，反激点只有一个，叫做单端。有的电路用2个电感，交替进行电流流动。做直流逆变交流时，一般用2个电感，形成推挽效果。2：如何实现稳压上图是原理。由于vout的负载不确定，因此，vout不可能稳定在我们期望的电压上，可能是升压，也可能是降压。解决这个问题的办法是利用vout的电压进行反馈。当vout电压低于期望值时，反馈信号就会调整ctrl，使它打开三极管的时间相对延长。则电感充能更多，从而使vout上升。反过来也一样。这样ctrl信号就有了个名字，叫pwm。一般是改变它的占空比。当vout电压不够时，增加pwm信号占空比，使得更多的电能流向vout。3：占空比从原理容易理解，pwm信号不能达到100%占空比，那样就真的短路了。当pwm信号占空比大到一定程度时，也就是刚好有时间让三极管能开关时，电感的充能达到极大值。这个电能必须能满足后续电路的消耗。这样就能使vout稳定在我们需要的电压上。4：实用电路有许多成熟芯片提供Pwm信号的产生，并提供反馈电压调整pwm的占空比，这类芯片叫开关电源芯片，是专门用来设计开关电源的。下图附一个成熟电路，是笔者在工程中应用的。这个芯片把三极管集成到芯片内部，因此应用比较简单。因为它能提供的电流很小，是给lcd供电的。+12V后面还有一个10uF/25V的电容。5：设计开关电源要注意的几个问题A：注意电感的选择，应参照芯片资料，切忌理解成输出电流多大就用多大的电感，这是许多新手容易理解错的地方。例如，输出电流是0.5A，电感可不要选0.5A的哦，要按资料来选，一般是1A左右。如果电感的电流参数选小了，会很热。二极管也一样，电流参数不能按最终输出电流选。电感值的大小涉及到饱和电流的问题，即电流大到一定程度后呈现饱和状态，电流则会瞬间增大，不再受电流不能突变的约束。因此选择电感时，可以比资料的推荐值稍大一些。因为电感的误差比较大，市场常见的电感是±20%，所以宁大勿小的原则。买电感时要注意。B：第1节的图里的三极管，从原理易得：其导通电阻越小越好，开关响应越快越好。这2个因素是决定效率的最主要的2个方面。一般选择mos管，要注意mos管的导通电阻和栅极寄生电容。芯片的输出能否驱动得了栅极，如果驱动栅极的能力不够，应使用LM5111等驱动芯片。C：开关电源的噪声比较大，尤其它是给后续电路提供电源的，这使得后续电路的电源从骨子里就带噪声。这种噪声的消除，需要使用滤波电路，必要时用π型滤波。滤波要消耗电能，这与要达到的稳压效果成为一对矛盾，需要工程师权衡为达到某效果需要付出多大的滤波消耗。在开关电源后面串联线性电源(例如7805等)不能显著消除噪声。一味加大电容也不是办法，噪声仍然能够通过。不要期望既不付出电能消耗，又能消除噪声。但是串联电感器件的滤波电路确实更加节省一些。D：开关电源两端隔离的做法是用3个线圈共轭，一个用于自激充能，一个用于输出，一个用于电压反馈。值得一提的是，这种隔离不能消除开关引起的各种噪声。噪声会沿着共轭电感传递，而且噪声的损耗很小。由于电压反馈变成非直接的反馈，这种电源一般具有较大的误差，但精度受影响很小，一般都带输出电压调整。市场常见的模块电源一般都带电压微调。E：开关电源的地的布线。为了减少噪声，需给噪声尽量短的回地路线。第1节的图中用了2个地符号。这2个地最终要接在一起，需要注意的是，vout后端有个电容，在这个电容的负端把2个地接在一起。这样，开关芯片的噪声能最大程度的消耗在自己那边，能大大改善vout的噪声。F：设计开关电源时，功率设计要至少保留1倍的余地，例如设计5V1A的开关电源，最大功率输出要能达到2A。不要按需求设计成1A的，那样会使pwm占空比接近最大值，电感、mos管等都会发热。一般掌握在稳定输出时，pwm在50%或稍小为宜。这样整个电路工作在一个“比较舒服”的情况下，噪声、发热等各方面综合性能都比较好。G：开关电源的保护。从第1节的图可以看出，当某种原因造成ctrl电平为常高时，会导致电感和三极管烧毁。Ctrl常低还好些，但是vin会串到vout上，对后续电路造成欠压供电。常用的保护是在vin前端串联一个过流保护器件，它一般是热保护，电流过大会断开。过一会儿又导通。