開關(guān)模式電源基礎(chǔ)知識(shí)

所有三種基本拓?fù)浒ㄒ粋€(gè) MOSFET 開關(guān)、一個(gè)二極管、一個(gè)輸出電容器和一個(gè)電感器。MOSFET是電路中的主動(dòng)控制元件，與控制器接口（未顯示）。該控制器將脈寬調(diào)制 （PWM） 方波信號(hào)施加到 MOSFET 的柵極，從而打開和關(guān)閉器件。為了保持恒定的輸出電壓，控制器檢測SMPS輸出電壓并改變方波信號(hào)的占空比（D），從而決定MOSFET在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間（TS).D 的值，即方波的導(dǎo)通時(shí)間與其切換周期 （T上/TS），直接影響在SMPS輸出端觀察到的電壓。這種關(guān)系在等式4和5中得到了說明。

MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)將SMPS電路分為兩相：充電相和放電相，這兩個(gè)相位都描述了電感的能量傳遞（參見圖2中的路徑環(huán)路）。在充電階段存儲(chǔ)在電感器中的能量在放電階段傳遞到輸出負(fù)載和電容器。電容器在電感充電時(shí)支撐負(fù)載并維持輸出電壓。電路元件之間的這種周期性能量傳輸根據(jù)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將輸出電壓保持在適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

電感器是每個(gè)開關(guān)周期從電源到負(fù)載的能量傳輸?shù)暮诵?。沒有它，當(dāng)MOSFET切換時(shí)，SMPS將無法工作。存儲(chǔ)在電感器（L）中的能量（E）取決于其電流（I）：

因此，電感中的能量變化是通過其電流的變化（ΔIL），這是由于在其兩端施加的電壓（VL） 在特定時(shí)間段 （ΔT）：

（ΔIL） 是一個(gè)線性斜坡，因?yàn)樵诿總€(gè)開關(guān)階段，電感兩端施加恒定電壓（圖 3）。開關(guān)階段的電感電壓可以通過執(zhí)行基爾霍夫電壓環(huán)路來確定，同時(shí)仔細(xì)注意極性和V在/V外關(guān)系。例如，升壓轉(zhuǎn)換器在放電階段的電感電壓為-（V外， w在).因?yàn)閂外> V在，電感電壓為負(fù)。

圖3.詳細(xì)介紹了穩(wěn)態(tài)電感器的電壓和電流特性。

在充電階段，MOSFET 導(dǎo)通，二極管反向偏置，能量從電壓源傳輸?shù)诫姼校▓D 2）。電感電流斜坡上升，因?yàn)?VL是積極的。此外，輸出電容將其從前一個(gè)周期存儲(chǔ)的能量傳輸?shù)截?fù)載，以保持恒定的輸出電壓。在放電階段，MOSFET關(guān)斷，二極管變?yōu)檎蚱茫虼藢?dǎo)通。由于電源不再為電感充電，因此電感的端子在向負(fù)載釋放能量并補(bǔ)充輸出電容時(shí)會(huì)交換極性（圖 2）。電感電流在傳遞能量時(shí)逐漸減小，這與前面給出的傳輸關(guān)系相同。

充電/放電循環(huán)重復(fù)并保持穩(wěn)態(tài)開關(guān)條件。在電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的過程中，電感電流會(huì)累積到其最終水平，這是直流電流與兩個(gè)電路階段產(chǎn)生的斜坡交流電流（或電感紋波電流）的疊加（圖 3）。直流電流電平與輸出電流有關(guān)，但取決于電感在SMPS電路中的位置。

紋波電流必須由SMPS濾除，以便向輸出提供真正的直流電流。這種濾波作用由輸出電容完成，輸出電容對(duì)高頻交流電流的阻力很小。不需要的輸出紋波電流通過輸出電容器，并在電流傳遞到地時(shí)保持電容器的電荷。因此，輸出電容也穩(wěn)定了輸出電壓。然而，在非理想應(yīng)用中，輸出電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）會(huì)導(dǎo)致輸出電壓紋波與流過它的紋波電流成正比。

因此，總而言之，能量在源極、電感器和輸出電容器之間穿梭，以保持恒定的輸出電壓并為負(fù)載供電。但是，SMPS的能量傳輸如何決定其輸出電壓轉(zhuǎn)換比？當(dāng)穩(wěn)態(tài)被理解為適用于周期波形時(shí)，很容易計(jì)算出這個(gè)比率。

要處于穩(wěn)定狀態(tài)，一個(gè)以周期 T 重復(fù)的變量S在每個(gè)周期的開頭和結(jié)尾必須相等。由于上述充電和放電階段，電感電流是周期性的，因此PWM周期開始時(shí)的電感電流必須等于結(jié)束時(shí)的電感電流。這意味著充電階段電感電流的變化（ΔI負(fù)責(zé)） 必須等于放電階段電感電流的變化 （ΔI放電).將充電和放電階段的電感電流變化相等，得到一個(gè)有趣的結(jié)果，也稱為伏秒規(guī)則：

簡而言之，每個(gè)電路階段的電感電壓-時(shí)間乘積相等。這意味著，通過觀察圖2所示的SMPS電路，可以毫不費(fèi)力地找到理想的穩(wěn)態(tài)電壓/電流轉(zhuǎn)換比。對(duì)于降壓電路，圍繞充電相位電路的基爾霍夫電壓環(huán)路顯示電感電壓是V之間的差值在和 V外.同樣，放電相電路期間的電感電壓為-V外.使用公式3中的伏秒規(guī)則，確定以下電壓轉(zhuǎn)換比：

此外，輸入功率（P在） 等于輸出功率 （P外）在理想電路中。因此，可以得出電流轉(zhuǎn)換比：

從這些結(jié)果可以看出，降壓轉(zhuǎn)換器降低了V在D倍，而輸入電流是負(fù)載電流的D倍。表1列出了圖2所示拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換比。通常，所有SMPS轉(zhuǎn)換比都可以通過用于求解公式3和公式5的方法找到，盡管復(fù)雜的拓?fù)淇赡芨y分析。

SMPS的缺點(diǎn)和權(quán)衡

當(dāng)然，SMPS提供的高效率并非沒有代價(jià)。關(guān)于開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，最常被提及的問題是它們傾向于輻射電磁干擾（EMI）和傳導(dǎo)噪聲。電磁輻射是由SMPS電路中存在的電流和電壓開關(guān)波形的快速轉(zhuǎn)換引起的。電感節(jié)點(diǎn)處的快速變化電壓會(huì)產(chǎn)生輻射電場，而充電/放電環(huán)路的快速開關(guān)電流會(huì)產(chǎn)生磁場。然而，當(dāng)SMPS輸入/輸出電容和PCB寄生效應(yīng)對(duì)開關(guān)電流具有更高的阻抗時(shí)，傳導(dǎo)噪聲會(huì)傳播到輸入和輸出電路。幸運(yùn)的是，良好的元件放置和PCB布局技術(shù)可以成功對(duì)抗EMI并降低噪聲。

SMPS也可能非常復(fù)雜，需要額外的外部組件，這兩者都相當(dāng)于電源總成本的增加。幸運(yùn)的是，大多數(shù)SMPS IC制造商不僅提供了有關(guān)器件操作的詳細(xì)文獻(xiàn)，還提供了有關(guān)選擇正確外部元件的詳細(xì)文獻(xiàn)。此外，現(xiàn)代SMPS IC的高集成度可以減少所需的外部元件數(shù)量。

盡管存在這些問題，SMPS仍廣泛用于眾多應(yīng)用。缺點(diǎn)是可以管理的，并且從它們的使用中獲得的效率和多功能性是非?？扇〉模⑶医?jīng)常需要。

審核編輯：郭婷