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开关电源的拓扑及设计介绍    2023-01-18

对于每个电路设计者来说,电源基本上是百分之百会遇到的问题,在以嵌入式设计为主的设计中,更是如此。对于很多的弱电设计者来说,功率电子方面的知识就很欠缺了,当然在设计硬件时,就会遇到这样那样的问题。电源的问题也是博大精深,本文就电源的基础知识做一简单的总结,有不正确的地方,还请读者不吝赐教,共同学习交流。

 

电源设计中,常用的变换形式有DC-DC、AC-DC,有线性电源,也有开关电源。开关电源以其高效率,低成本等优势在大功率(一般大于10W)和多电压输出要求的设计中应用越来越多。一般来说,线性电源的效率为30%-50%左右,而开关电源则高达70%-90%,所以在手持设备,低功耗要求的设计中,几乎都是开关电源的天下。

 

常用的开关电源有以下几种拓扑结构:

 

1)Buck

  

2)boost

  

3)buck/boost

 

4)flyback

 

5)full-bridge

  

6)half-bridge

 

7)half-forward

 

8)push-pull

  

在电源设计中需考虑以下几个方面:

 

1)输入输出是否隔离。未有隔离的电源,当开关出现问题时(短路或是断路),输入电压就会直接连接到输 上,给后级电路造成伤害。比如buck、boost、buck/boost等

 

2)电感或是变压器上电压大小

 

3)电感、二极管和开关上流经的电流峰值大小

 

4)是否要求多电压值输出

 

5)电容上电压峰值多少

 

常用的电源设计中,开关、反馈等控制部分被集成到一个IC中,设计者仅需根据实际情况选择合适的电容、二极管、电感即可。这三者也是构成开关电源的基本器件。下面以一个典型的buck电路为例,讨论下电源外围此三者的选型要求。分别讨论Cin、D1、L1和Cout的选择。

 

1、Cin

 

Cin电容在电路中起到的是bypass的作用,一般选择低ESR的铝电解电容或是钽电容,若是选择铝电解电容则其耐压值至少是输入最大电压的1.5倍,如选择钽电容则其耐压值必须是输入最大电压的2倍。同时电容的RMS电流应该至少大于负载电流的1/2

 

2、D1

 

该二极管应选择快恢复二极管,同时反向击穿电压至少应该大于最大输入电压的1.25倍。额定电流至少是负载电流的2.3倍。肖特基二极管是best choice,这主要是因为他们的fast switch speed和low forward voltage drop

 

3、L1

 

电感一般选择绕线型电感,耐流值一般应大于最大负载电流的1.5倍。电感的大小有输入电压,最大负载电流决定。

 

4、Cout

 

在大多数应用中,推荐使用低ESR的电解电容(比如铝电解电容)或是钽电容。电容的大小范围一般也是有限制的。电解电容需在82uF和820uF之间,钽电容一般在10uF-470uF之间。电容的耐压值应该比输出电压大1.5倍。

 

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