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设计一个开关模式电源使用一个孤立的回飞拓扑---凯利讯半导体

2019-07-14 01:38发布

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　　由于所有的电子系统都需要某种能量，所以电力供应的特点和理解是很好的。然而，由于移动设备到线路驱动的硬件的应用越来越小、效率更高、可靠性更高、功率更大，电源设计和选择仍在挑战工程师。 　　随着5G等高速数据通信系统的出现，时间和噪音的要求变得非常极端。 　　为了解决一个小的形式的有效和可靠的电力输送问题，电源设计人员使用开关模式电源(SMPS)，并使用回飞拓扑。这种拓扑结构，适用于高达150瓦的功率级，提供小尺寸和低成本的低组件设计。它还提供输入/输出隔离和良好的效率。 　　本文将对开关电源的操作进行探讨，并简要探讨电力供应的制造与购买决策过程。它还将研究一个利用flyback拓扑的单一输出供应的设计，并使用现成的部件和组件提供一个示例设计。
　　开关模式电源 　　一个smp或切换器是一个电源，它使用一个开关调节器来保持一个交流或直流电源的稳定输出电压。开关调节器使用一个或多个半导体器件，如双极结晶体管、MOSFET或IGBT在“On”和“Off”状态之间切换以维持输出电压调节。这些装置可以在固定的频率和可变的工作周期内固定的时间和可变频率操作。高效率的结果来自于开关设备的低功耗，当它是“On”或“Off”时。只有在状态之间的转换过程中，设备才会消耗能量。另外，由于开关频率一般在几十千赫，变压器、电感器和电容可以小得多，从而提供高容量的效率。 　　电磁干扰(EMI)的潜力抵消了smp的优点。这是由于切换瞬态，可以通过仔细的组件选择、布局和屏蔽来改善。因此，smp的优点远远超过了它的缺点，使其成为最常用的电源，而线性的供应只被降级为最敏感的电子应用程序。
　　smp拓扑 　　smp可以在多种电路设计或拓扑结构中实现。有十几种常用的拓扑结构(表1)。 　　
　　表1:最常用的10个开关电源拓扑结构(数据源:凯利讯半导体电子) 　　回程拓扑 　　flyback转换器是最常用的SMPS电路(图1)。 　　使用一个MOSFET开关和一个回飞变压器的反激变换器的功能图。 　　
　　图1:使用一个MOSFET开关和一个回飞变压器的反激变换器的功能图。(图片来源:凯利讯半导体电子) 　　flyback拓扑的主要优点是它的简单性。在任何给定的功率级别，它都具有SMPS拓扑的最低组件计数。电源可由直流电源或交流电源供电。当配置为从交流线路(mains)操作时，线路通常是全波整流。输入源(Vi)为DC。 　　电路的核心是回飞变压器。与传统的变压器绕组不同，回扫变压器的主绕组和二次绕组不同时携带电流。这是由于绕组相位被反转，由绕组上的点表示法和次级侧的串联二极管所指示的。 　　flyback变压器的使用提供了几个好处。第一，供应的主要和次要方面是电隔离的。隔离降低了从主侧的瞬态耦合，消除了接地回路，并在供应的输出极性中提供了更大的灵活性。 　　变压器允许在供应中产生多个输出电压。在变压器中增加每个电压的附加绕组。规则只基于单个输出，而次要输出通常在本地进行管理。 　　电路操作从打开开关(如MOSFET)开始(图2)。 　　显示原理波形的flyback供应操作示意图。 　　
　　图2:在两种操作模式下，flyback供应的操作显示了每个操作模式的原理波形。(图片来源:凯利讯半导体电子) 　　当开关打开时，VDRAIN接近零电压，电流，IP，流过变压器的主绕组。能量存储在变压器的磁化电感中。电流随时间线性增加。在二次侧，串联二极管反向偏置，在第二端没有电流流动。储存在输出电容器中的能量供应电流到输出。 　　当MOSFET开关关闭时，变压器的能量通过二极管输出到输出电容和输出负载。次级电流以高值开始，并线性下降。如果二次电流在开关再次开启前降至零，则供应被称为不连续电流模式(DCM)供应。如果二次电流不降为零，则供应称为连续电流模式(CCM)供应。由于电感器中储存的能量在每个开关周期内完全放电，DCM的供应可以使用较小的变压器。此外，供应一般更稳定，产生的电磁干扰更低。 　　当开关关闭并被输入夹或“阻尼器”电路吸收时，变压器的漏电感流中存储的能量，其作用是保护半导体开关不受高电感电压的影响。只有在开关在“ON”和“OFF”状态之间的转换(图3)中，Power才会被耗散。 　　测量在MOSFET开关上显示电压和电流波形的回扫电源的图像。 　　
图3:在MOSFET开关上显示电压和电流波形，以及瞬时功耗的测量。(图片来源:凯利讯半导体电子)
　　图3中最上面的轨迹是在一个flyback电源的MOSFET开关上的电压。彩 {MOD}叠加显示了MOSFET的状态。蓝 {MOD}覆盖表示设备正在进行，而红 {MOD}区域表示设备已关闭。中心跟踪是设备的电流。底部的轨迹显示了所计算的瞬时功率，即应用电压和合成电流的乘积。观察在切换转换过程中，功耗是最重要的。跟踪显示器下面的读数显示(左至右):关闭状态下的电源损耗，在关闭状态下的传导，关闭状态，以及所有区域的和功率损耗。
　　控制器/监管机构 　　切换装置，例如图中的MOSFET(图2)，是由控制器或开关模式调节器驱动的。在大多数情况下，控制器将脉冲宽度调制(PWM)波形应用于开关的控制元件，对于mosfet是门。电源的输出被耦合回控制器，它改变了栅极驱动信号的工作周期，以保持恒定的输出电压。这样，控制器就形成了一个关于反激变换器的闭环控制系统。 　　控制器还可以处理一些辅助功能，比如保护电源不受过载、过电压或低线路条件的影响。它还可以管理供应的启动，以确保一个良好控制的('软')启动，最小化初始电流和电压瞬变。
　　smp设计 　　一些半导体元件供应商提供设计工具来帮助设计开关电源，例如来自德州仪器的WEBENCH power Designer(图4)。 　　德州仪器WEBENCH电源设计中心图像。 　　
　　图4:德州仪器WEBENCH Power Design Center的第一页显示了一个25瓦5伏的反力电源的SMPS设计的基本规范。(图片来源:凯利讯半导体电子) 　　设计开始于用户输入电源电压范围、期望输出电压和电流。在这种情况下，理想的设计是5伏特，5安培的电源，从AC和一个孤立的拓扑。对于更复杂的多输出设备，有一个高级的Power Architect设计工具。 　　从这一点开始，软件启动了一系列的设计，并提示用户选择控制器。用户可以查看每一个设计，以查看图纸、物料清单(BOM)的成本、效率和十几个相关的电路规格。 　　在本例中，选择了德州仪器UCC28740反激变换器，并显示了设计原理图(图5)。 　　采用光学隔离反馈的25瓦AC smp的原理图。 　　
　　图5:由WEBENCH提出的基于光学隔离反馈的25瓦AC smp的示意图。(图片来源:凯利讯半导体电子)
　　指向示意图上的任何组件都将提供一个详细的部分描述和选择另一个组件的机会。控制器(U1)通过一个CEL ps2811 -1- f3 -一个光隔离器接收来自输出的反馈。这种反馈方法维持电路的主要和次要部分之间的电气隔离。控制器提供PWM驱动信号到电源开关M1,STMicroelectronics ' STB21N90K5 900伏特，18.5 amp, MOSFET。设计工具还可以帮助选择或设计回飞变压器。 　　设计总结页面提供了关键设计元素的概述(图6)。 　　设计总结的图像整合了建议设计的所有元素。 　　
　　图6:设计汇总整合了建议设计的所有元素。(图片来源:凯利讯半导体电子) 　　优化器优化部分允许用户优化设计，以获得最小的BOM成本、最小的内存占用，或者最高的效率。通过使用这个工具，没有经验的设计师可以通过查看多个设计来获得经验，并看到影响组件的变化产生。
　　使或购买? 　　毫无疑问，除非工程师有SMPSs的经验，否则将会有学习曲线。如果时间对市场是一个大问题，那么最好是购买一个标准的供应或合同的一个定制电源设计。有时间和技术人员，特别是如果多个项目需要供应，那么设计一个供应是值得的。也就是说，反复接触SMPS设计会增加设计人员所需的专业知识。
　　结论 　　开关电源供应效率高，体积小。对于150瓦以下的功率级，flyback拓扑提供了多个输出、低组件计数和线路隔离的优点。

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