开关电源设计

事实上，所有TV和计算机都用开关电源(SMPS)，大多数工业设备都装备有开关电源。开关电源与传统电源相比，它具有效率高和成本低的优势。

　　理论上，开关电源工作没有损耗，受理想元件的限制，其实际的效率为70%~95%。开关电源的高效率改善了可靠性，并使温度下降。开关频率越高，开关电源的元件尺寸就越小，重量就越轻，这降低了电源成本，减小了板尺寸。

开关电源拓扑

　　开关电源的拓扑包括：

　　·降压

　　·升压

　　·SEPIC(单端初级电感转换器)

　　·反激。

　　用Sipex、NS和ON Semicondnctor公司器件，实现这些拓扑的电路示于图1~图5。

　
图1　用SP6652构成的集成升压拓扑

　
图2　同步降压拓扑

　　开关电源拓扑的选择取决于应用。当输出电压低于输入电压时，用降压拓扑；当输出电压高于输入电压时，用升压拓扑；当输入电池电压根据输出电压(随着电池放电)变化时，SEPIC是有用的；反激电源用于较高的电源输出。

开关电源主要噪声

　　开关电源是基于控制器驱动一个或两个晶体管(同步或非同步)。这种配置导致开关频率及其谐波中的噪声。电源噪声对相关数字电路的性能可能造成影响。

　
图3　用SP6648稳压器构成的集成升压拓扑

　
图4　用LM3478控制器构成的SEPIC拓扑，可提供高于或低于输入电压的稳压输出

　　开关电源所产生的主要噪声类型是输入噪声、输出噪声、辐射噪声和颤噪声。输入噪声中，电源的输入电流噪声与原电源电压、不纯洁的AC线路或电池电压的源阻抗互相配合。输出噪声是电压噪声，此噪声干扰噪声敏感的负载(如音频或视频电路)。辐射噪声可能是电磁或静电，通常发生在磁元件(如变压器，电感器，开关和整流器)中。颤噪声是听得见的噪声，通常是由低频开关波形激励线圈组引起的，导致机械颤动互相撞击。

　
图5　用NCP1216构成的隔离反激拓扑

　　一个简单的输入滤波器可以显著地降低输入噪声。然而，输入滤波器的电容器不能抑制输入电源噪声，这是由于与输入电容器有关的大的等效串联电阻和电感(ESR和ESL)反射到电池和AC适配器。然而，这种噪声可损害连到电池上的其他负载。

　　假若噪声使得电池连线或AC适配器缆线如同天线，而由此产生的电磁干扰(EMI)可破坏稳压。这使得电容器的选择成为一个关键因素。

　　升压转换器的输出电容器受突变电流(等于整个峰值电感器电流)支配。这些高幅度快速电流瞬变与输出电压器的ESL和ESR相互配合时，可能会产生某种输出噪声。除ESR引起的大电压之外，ESL在开关波形的前沿和后沿，导致微量的高频尖峰信号。这些高频尖峰信号(称之为噪声干扰尖峰信号)可达到几百毫伏，用电源线上的简单RC滤波器(如串联0.1Ω电阻器和连接地的陶瓷电容器构成的RC滤波器)可以抑制它们。连接到电源和负载的线寄生电感可消除噪声干扰尖峰信号。折衷考虑是电容器应具有低ESL和ESR。陶瓷电容器是好的选择。

　　通常提高频率(超出20Hz~20KHz音频范围)和给绕组涂漆来解决颤噪声问题。

控制结构

　　固定频率脉宽调制(PWM)控制结构能提供稳定和可预知的噪声性能。设计人员可以选择开关频率及其谐波，使音频段或所选择的RF频段保持无开关噪声。

　　可变频率脉频调制(PFM)开关电源也很流行，因为在“休眠”和“待机”工作模式时，这种电源能延长电池寿命。在低侧，这种电源与PWM电源相比在幅度和频率方面都有干扰。在轻载时，在非常低频下，开关可使PFM系统开关损耗，这改善了电池寿命。但是，在音频段是以噪声为代价，这需要滤波。

　　然而，仔细地选择元件可以在负载条件下驱使PFM转换器工作在音频段以上。例如，调节定时电容靠降低PFM稳压器的导通时间可以提高开关频率。

集成可简化设计

　　很多半导体制造商把多个元件集成在单个器件中，用来降低成本和简化电源设计。其中一个实例是美国国家半导体(NS)的LM5008，它把控制器和几个MOSFET组合在一个芯片中，其输入电压高达100V。

　　另一种节省成本的方法是减小稳压器的尺寸，增加其功率。例如，NS把稳压器封装在LLP封装中，以及Vishay公司的PowerPAK　MOSFET器件。

　　Sipex公司的SP756X降压稳压器与Vishay公司的IHLP2525电感器结合，对于负载点电池供电的应用是一个良好的选择。ON　Semicondnctor公司的NCP1450升压控制器，适用于功率效率和PCB尺寸严格受限的小电池供电的应用。NS的LM5115降压控制器结合IR公司的高电压MOSFET，用于相当高输入电压的工业应用(高达75V)。

设计工具

　　电源制造商除提供电源器件外，还提供参考设计、评估板和在线设计工具，使电源设计变得容易。

　　WEBENCH是NS公司为电源设计提供的在线设计工具。设计人员确定输入电压范围、所希望的输出电压和电流，WEBENCH在线进行设计，很快就会给出恰当的拓扑和产品来实现所要求的功能。Sipex公司也提供在线设计工具，一种在线设计工具专门用于PowerBlox大电流开关稳压器家族，用于负载点电源设计；另一个设计工具用于驱动LED设计。