隨著 5G 等高速數據通信係統的興起
，定時和噪聲容限要求也變得極高。

 

為了解決以小巧的外形實現高效、可靠供電的難題

，電源設計人員正在將反激式拓撲用於開關模式電源 (SMPS)。此拓撲適用於高達 150 瓦的功率水平，可提供元器件數少

、尺寸小且成本低的設計，還提供輸入/輸出隔離以及卓越能效等優點。

 

本(ben)文(wen)將(jiang)討(tao)論(lun)開(kai)關(guan)模(mo)式(shi)電(dian)源(yuan)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)，並(bing)簡(jian)要(yao)了(le)解(jie)電(dian)源(yuan)的(de)自(zi)製(zhi)與(yu)外(wai)購(gou)決(jue)策(ce)過(guo)程(cheng)。此(ci)外(wai)還(hai)將(jiang)研(yan)究(jiu)采(cai)用(yong)反(fan)激(ji)式(shi)拓(tuo)撲(pu)的(de)單(dan)輸(shu)出(chu)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)，並(bing)提(ti)供(gong)使(shi)用(yong)現(xian)成(cheng)零(ling)件(jian)和(he)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)設(she)計(ji)示(shi)例(li)。

 

開關模式電源

 

SMPS（即轉換開關）作為一種電源，使用開關穩壓器維持來自交流或直流電源的穩定輸出電壓。開關穩壓器使用一個或多個半導體器件（例如雙極結式晶體管
、MOSFET 或 IGBT）在通斷狀態之間切換，以維持輸出電壓調節。這些器件可采用固定“導通”時間和可變頻率工作，或是更常見的是，以固定頻率和可變占空比工作。開關器件處於“導通”或“關斷”zhuangtaishidegonglvhaosanjiaodi
，yinernengxiaojiaogao。qijianjinzaizhuangtaizhuanhuanqijiancaihuihaosangonglv。ciwai

，youyukaiguanpinlvtongchangweishushiqianhe，yincikeyidafusuoxiaobianyaqi
、電感器和電容器的尺寸

，實現高容積效率。

 

潛在的電磁幹擾 (EMI) 會抵消 SMPS 的優勢。這要歸因於開關瞬態，但通過細致的元器件選擇、布局和屏蔽可以加以改善。因此
，SMPS 的優勢遠遠超過了它的缺點，這讓 SMPS 成為最常用的電源
，而線性電源則退居至僅用於最靈敏的電子應用。

 

SMPS 拓撲

 

SMPS 可以在多種不同的電路設計或拓撲中實現。常用的拓撲有數十種（表 1）。

 

表 1：10 種最常用的開關模式電源拓撲（數據來源：Digi-Key Electronics）

 

反激式拓撲

 

反激式轉換器是最常用的 SMPS 電路（圖 1）。

 

圖 1：使用單個 MOSFET 開關和反激式變壓器的反激式轉換器功能示意圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

反激式拓撲的主要優勢是它的簡單性。在任意給定的功率水平下，該拓撲是元器件數最少的 SMPS 拓撲。電源可使用直流或交流電源供電。當配置為從交流線路（市電）工作時，線路通常采用全波整流。輸入源 (Vi) 為直流。

 

該(gai)電(dian)路(lu)的(de)核(he)心(xin)是(shi)反(fan)激(ji)式(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)。與(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)繞(rao)組(zu)不(bu)同(tong)，反(fan)激(ji)式(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)初(chu)級(ji)和(he)次(ci)級(ji)繞(rao)組(zu)不(bu)會(hui)同(tong)時(shi)承(cheng)載(zai)電(dian)流(liu)。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)繞(rao)組(zu)相(xiang)為(wei)反(fan)相(xiang)，繞(rao)組(zu)上(shang)的(de)圓(yuan)點(dian)記(ji)號(hao)和(he)次(ci)級(ji)側(ce)的(de)串(chuan)聯(lian)二(er)極(ji)管(guan)指(zhi)示(shi)了(le)這(zhe)一(yi)點(dian)。

 

使用反激式變壓器帶來了幾個好處。首先，電源的初級側和次級側可以電氣隔離。隔離減少了初級側的瞬態耦合、消除了接地環路，並在電源的輸出極性方麵提供了更大的靈活性。

 

利li用yong該gai變bian壓ya器qi可ke以yi在zai電dian源yuan中zhong生sheng成cheng多duo個ge輸shu出chu電dian壓ya。變bian壓ya器qi針zhen對dui每mei個ge電dian壓ya增zeng加jia額e外wai的de繞rao組zu。調tiao壓ya僅jin基ji於yu單dan一yi輸shu出chu，而er次ci級ji輸shu出chu通tong常chang在zai局ju部bu進jin行xing調tiao壓ya。

 

電路從開啟開關（例如 MOSFET）開始工作（圖 2）。

 

圖 2：分別顯示兩種工作模式的原理波形的反激式電源工作情況。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

當開關處於接通狀態時，VDRAIN 近乎零伏
，電流 IP 流liu經jing變bian壓ya器qi的de初chu級ji繞rao組zu。能neng量liang儲chu存cun在zai變bian壓ya器qi的de磁ci化hua電dian感gan中zhong。此ci電dian流liu隨sui時shi間jian呈cheng線xian性xing增zeng長chang。次ci級ji側ce的de串chuan聯lian二er極ji管guan被bei反fan向xiang偏pian壓ya，並bing且qie次ci級ji側ce沒mei有you電dian流liu流liu動dong。儲chu存cun在zai輸shu出chu電dian容rong器qi的de能neng量liang向xiang輸shu出chu供gong應ying電dian流liu。

 

當 MOSFET kaiguanbeiguanduanshi，bianyaqizhongchucundenengliangtongguoerjiguanshuchudaoshuchudianrongqiheshuchufuzai。cijidianliuzhikaishishijiaogao
，zhihouyixianxingfangshidijiang。ruguocijidianliuzaikaiguanzhongxinjietongzhiqianjiangzhiling
，zedianyuanbeichengweiduanxudianliumoshi (DCM) 電源。反之，如果次級電流沒有降至零

，則電源被稱為連續電流模式 (CCM) 電源。由於電感器中儲存的能量在每個開關周期都會完全釋放，因此 DCM 電源可以使用較小的變壓器。此外，該電源通常更穩定
，產生的 EMI 也更低。

 

儲存在變壓器漏泄電感中的能量在開關關斷時流入初級側，並由輸入箝位或“吸收”電路吸收，該電路的作用是保護半導體開關不會被高感應電壓損壞。隻有當開關在通斷狀態之間轉換時才會耗散功率（圖 3）。

 

圖 3：顯示 MOSFET 開關的電壓和電流波形以及瞬時功率耗散的反激式電源測量。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

圖 3 中最上麵的跡線是反激式電源中 MOSFET 開關的電壓。彩色覆蓋部分指示 MOSFET 的(de)狀(zhuang)態(tai)。藍(lan)色(se)覆(fu)蓋(gai)部(bu)分(fen)指(zhi)示(shi)器(qi)件(jian)處(chu)於(yu)導(dao)通(tong)狀(zhuang)態(tai)


，而(er)紅(hong)色(se)區(qu)域(yu)則(ze)指(zhi)示(shi)器(qi)件(jian)處(chu)於(yu)關(guan)斷(duan)狀(zhuang)態(tai)。中(zhong)間(jian)的(de)跡(ji)線(xian)是(shi)流(liu)經(jing)器(qi)件(jian)的(de)電(dian)流(liu)。最(zui)下(xia)麵(mian)的(de)跡(ji)線(xian)顯(xian)示(shi)瞬(shun)時(shi)功(gong)率(lv)
，其(qi)計(ji)算(suan)方(fang)法(fa)為(wei)所(suo)施(shi)加(jia)電(dian)壓(ya)與(yu)所(suo)產(chan)生(sheng)電(dian)流(liu)的(de)乘(cheng)積(ji)。可(ke)以(yi)觀(guan)察(cha)到(dao)，開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)期(qi)間(jian)的(de)功(gong)率(lv)耗(hao)散(san)最(zui)明(ming)顯(xian)。而(er)跡(ji)線(xian)下(xia)麵(mian)的(de)讀(du)數(shu)自(zi)左(zuo)至(zhi)右(you)依(yi)次(ci)顯(xian)示(shi)：開啟、導通、關閉和關斷狀態期間的功率損耗，以及所有區域的功率損耗總和。

 

控製器/穩壓器

 

開關器件（如圖 2 所示示意圖中的 MOSFET）由控製器或開關模式穩壓器驅動。多數情況下，控製器會將脈衝寬度調製 (PWM) 波形應用於開關的控製元件，對 MOSFET eryanjiweizhaji。dianyuanshuchubeifankuidaokongzhiqi，kongzhiqizetongguogaibianzhajiqudongxinhaodezhankongbilaibaochihengdingdeshuchudianya。zheyang，kongzhiqijiuweiraofanjishizhuanhuanqigouchengleyigebihuankongzhixitong。

 

控製器還可以處理數種輔助功能，例如防止電源出現過載、過壓或低功率線路狀態，還能管理電源的啟動，確保實現有效控製的（“軟”）啟動，最大限度減小初始電流和電壓瞬態。

 

SMPS 設計

 

有多家半導體元器件供應商提供有設計工具
，可幫助設計開關模式電源，例如 Texas Instruments 的 WEBENCH Power Designer（圖 4）。

 

圖 4：Texas Instruments WEBENCH 電源設計中心的開啟頁麵顯示了 25 瓦 5 伏反激式電源 SMPS 設計的基本規格。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

該設計從用戶輸入供電電壓範圍、目標輸出電壓和電流等電源規格開始。本案例中，目標設計為采用隔離式拓撲、從交流電源工作的 5 伏、5 安電源。而對於更複雜的多輸出電源
，還提供有高級電源架構設計工具。

 

該軟件從這一點開始一係列的設計並提示用戶選擇控製器。用戶可以查看每項設計的原理圖、物料清單 (BOM) 成本
、能效和一些相關的電路規格。

 

此示例選擇的是 Texas Instruments UCC28740 反激式轉換器，並且顯示了設計原理圖（圖 5）。

 

圖 5：使用 WEBENCH 建議的光隔離反饋的 25 瓦交流 SMPS 原理圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

將指針指向原理圖上的任意元器件都會顯示詳細的零件描述，並且還有機會選擇替代元器件。控製器 (U1) 通過 CEL PS2811-1-F3-A 光隔離器接收輸出反饋。此反饋方法會在電路的初級部分與次級部分之間保持電氣隔離。控製器則將 PWM 驅動信號提供給電源開關 M1，即 STMicroelectronics 的 STB21N90K5 900 伏
、18.5 安 MOSFET。此外
，該設計工具還能幫助選擇或設計反激式變壓器。

 

設計摘要頁概述了關鍵設計元素（圖 6）。

 

 

圖 6：設計摘要整合了所建議設計的全部元素。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

用戶可以利用優化器的調整部分來優化設計
，實現最低 BOM 成本
、最小封裝或最高能效。經驗不足的設計人員也可以利用此工具
，通過查看多項設計以及元器件變化所產生的影響來獲取經驗。

 

自製還是外購

？

 

毫無疑問，工程師除非有 SMPS 方fang麵mian的de相xiang關guan經jing驗yan，否fou則ze都dou會hui有you一yi個ge學xue習xi過guo程cheng。如ru果guo上shang市shi時shi間jian非fei常chang重zhong要yao，那na麼me最zui好hao購gou買mai標biao準zhun電dian源yuan，或huo訂ding立li合he同tong獲huo得de自zi定ding義yi電dian源yuan設she計ji。但dan如ru果guo有you時shi間jian和he技ji術shu人ren員yuan，尤you其qi當dang多duo個ge項xiang目mu都dou需xu要yao電dian源yuan時shi

，設she計ji電dian源yuan也ye是shi值zhi得de的de。換huan言yan之zhi，反fan複fu接jie觸chu SMPS 設計將會增進設計人員所需的專業知識。

 

總結

 

開關模式電源可提供較高的能效和較小的尺寸。針對低於 150 瓦的功率水平
，采用反激式拓撲的電源具有多路輸出
、元器件數少和線性隔離等優勢。

 

 

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