基本電子電路:開關(guān)電源講解

做硬件工程師的，幾乎都碰到過開關(guān)電源。網(wǎng)上的資料也很多。筆者也經(jīng)常接觸開關(guān)電源，從工程應(yīng)用實(shí)踐中自己總結(jié)了一些開關(guān)電源的心得。本文力求淺顯易懂。但愿對(duì)開關(guān)電源比較陌生的工程師能有所幫助。開關(guān)電源是一個(gè)很大的領(lǐng)域，本文的描述僅見一斑，有不當(dāng)之處，望以斧正之。

1：常用的開關(guān)電源的原理——單端自激boost升壓電路

如上圖，開關(guān)電源利用電感電流不能瞬間改變的原理，用ctrl信號(hào)打開三極管，使得Vin通過電感和三極管向地流動(dòng)。由于電感電流不能突變，因此，這個(gè)回路不能理解成短路，應(yīng)理解成給電感充能。充能是通過電感流過的電流不斷增大體現(xiàn)的，電流越大，電感的儲(chǔ)能越多。

當(dāng)電感電流增加到一定程度，用ctrl關(guān)閉三極管。則電感電流的回地的路就被切斷。同樣由于電感電流不能突變，因此，電流就會(huì)通過二極管流向電容。這樣就完成一次電感通過二極管給電容充電的過程。Ctrl信號(hào)周期性不停止的復(fù)現(xiàn)，宏觀上就形成從vin不斷流向電容的電流。這個(gè)過程與vout和vin電壓孰高孰低無(wú)關(guān)。意味著可升壓，也可降壓。

上面說的切斷電感電流，迫使電流流向改變，一般叫做“反激”，上圖的電感只有一個(gè)，反激點(diǎn)只有一個(gè)，叫做單端。有的電路用2個(gè)電感，交替進(jìn)行電流流動(dòng)。做直流逆變交流時(shí)，一般用2個(gè)電感，形成推挽效果。

2：如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓

上圖是原理。由于vout的負(fù)載不確定，因此，vout不可能穩(wěn)定在我們期望的電壓上，可能是升壓，也可能是降壓。解決這個(gè)問題的辦法是利用vout的電壓進(jìn)行反饋。當(dāng)vout電壓低于期望值時(shí)，反饋信號(hào)就會(huì)調(diào)整ctrl，使它打開三極管的時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)。則電感充能更多，從而使vout上升。反過來(lái)也一樣。

這樣ctrl信號(hào)就有了個(gè)名字，叫pwm。一般是改變它的占空比。當(dāng)vout電壓不夠時(shí)，增加pwm信號(hào)占空比，使得更多的電能流向vout。

3：占空比

從原理容易理解，pwm信號(hào)不能達(dá)到100%占空比，那樣就真的短路了。當(dāng)pwm信號(hào)占空比大到一定程度時(shí)，也就是剛好有時(shí)間讓三極管能開關(guān)時(shí)，電感的充能達(dá)到極大值。這個(gè)電能必須能滿足后續(xù)電路的消耗。這樣就能使vout穩(wěn)定在我們需要的電壓上。

4：實(shí)用電路

有許多成熟芯片提供Pwm信號(hào)的產(chǎn)生，并提供反饋電壓調(diào)整pwm的占空比，這類芯片叫開關(guān)電源芯片，是專門用來(lái)設(shè)計(jì)開關(guān)電源的。下圖附一個(gè)成熟電路，是筆者在工程中應(yīng)用的。

這個(gè)芯片把三極管集成到芯片內(nèi)部，因此應(yīng)用比較簡(jiǎn)單。因?yàn)樗芴峁┑碾娏骱苄?，是給lcd供電的。+12V后面還有一個(gè)10uF/25V的電容。

5：設(shè)計(jì)開關(guān)電源要注意的幾個(gè)問題

A：注意電感的選擇，應(yīng)參照芯片資料，切忌理解成輸出電流多大就用多大的電感，這是許多新手容易理解錯(cuò)的地方。例如，輸出電流是0.5A，電感可不要選0.5A的哦，要按資料來(lái)選，一般是1A左右。如果電感的電流參數(shù)選小了，會(huì)很熱。二極管也一樣，電流參數(shù)不能按最終輸出電流選。電感值的大小涉及到飽和電流的問題，即電流大到一定程度后呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，電流則會(huì)瞬間增大，不再受電流不能突變的約束。因此選擇電感時(shí)，可以比資料的推薦值稍大一些。因?yàn)殡姼械恼`差比較大，市場(chǎng)常見的電感是±20%，所以寧大勿小的原則。買電感時(shí)要注意。

B：第1節(jié)的圖里的三極管，從原理易得：其導(dǎo)通電阻越小越好，開關(guān)響應(yīng)越快越好。這2個(gè)因素是決定效率的最主要的2個(gè)方面。一般選擇mos管，要注意mos管的導(dǎo)通電阻和柵極寄生電容。芯片的輸出能否驅(qū)動(dòng)得了柵極，如果驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O的能力不夠，應(yīng)使用LM5111等驅(qū)動(dòng)芯片。

C：開關(guān)電源的噪聲比較大，尤其它是給后續(xù)電路提供電源的，這使得后續(xù)電路的電源從骨子里就帶噪聲。這種噪聲的消除，需要使用濾波電路，必要時(shí)用π型濾波。濾波要消耗電能，這與要達(dá)到的穩(wěn)壓效果成為一對(duì)矛盾，需要工程師權(quán)衡為達(dá)到某效果需要付出多大的濾波消耗。在開關(guān)電源后面串聯(lián)線性電源(例如7805等)不能顯著消除噪聲。一味加大電容也不是辦法，噪聲仍然能夠通過。不要期望既不付出電能消耗，又能消除噪聲。但是串聯(lián)電感器件的濾波電路確實(shí)更加節(jié)省一些。

D：開關(guān)電源兩端隔離的做法是用3個(gè)線圈共軛，一個(gè)用于自激充能，一個(gè)用于輸出，一個(gè)用于電壓反饋。值得一提的是，這種隔離不能消除開關(guān)引起的各種噪聲。噪聲會(huì)沿著共軛電感傳遞，而且噪聲的損耗很小。由于電壓反饋?zhàn)兂煞侵苯拥姆答?，這種電源一般具有較大的誤差，但精度受影響很小，一般都帶輸出電壓調(diào)整。市場(chǎng)常見的模塊電源一般都帶電壓微調(diào)。

E：開關(guān)電源的地的布線。為了減少噪聲，需給噪聲盡量短的回地路線。第1節(jié)的圖中用了2個(gè)地符號(hào)。這2個(gè)地最終要接在一起，需要注意的是，vout后端有個(gè)電容，在這個(gè)電容的負(fù)端把2個(gè)地接在一起。這樣，開關(guān)芯片的噪聲能最大程度的消耗在自己那邊，能大大改善vout的噪聲。

F：設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，功率設(shè)計(jì)要至少保留1倍的余地，例如設(shè)計(jì)5V1A的開關(guān)電源，最大功率輸出要能達(dá)到2A。不要按需求設(shè)計(jì)成1A的，那樣會(huì)使pwm占空比接近最大值，電感、mos管等都會(huì)發(fā)熱。一般掌握在穩(wěn)定輸出時(shí)，pwm在50%或稍小為宜。這樣整個(gè)電路工作在一個(gè)“比較舒服”的情況下，噪聲、發(fā)熱等各方面綜合性能都比較好。

G：開關(guān)電源的保護(hù)。從第1節(jié)的圖可以看出，當(dāng)某種原因造成ctrl電平為常高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電感和三極管燒毀。Ctrl常低還好些，但是vin會(huì)串到vout上，對(duì)后續(xù)電路造成欠壓供電。常用的保護(hù)是在vin前端串聯(lián)一個(gè)過流保護(hù)器件，它一般是熱保護(hù)，電流過大會(huì)斷開。過一會(huì)兒又導(dǎo)通。