高壓高電流開關(guān)電源如何設(shè)計

從集成電路到分立元件的大型電源，您的下一個 PCB 將需要某種電源調(diào)節(jié)方案才能正常運行。我們喜歡認(rèn)為電源始終提供平滑的AC或DC輸出，但事實并非如此。精密模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)需要穩(wěn)定、可預(yù)測的高效率電壓輸出。

考慮到這一點，是什么決定了開關(guān)電源設(shè)計中的效率、穩(wěn)定性和功率輸出?我們可以將其歸結(jié)為五個方面：

開關(guān)轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>

配套電路

元件選擇

開關(guān)頻率

PDN阻抗

上述最后兩點通常是開關(guān)電源設(shè)計的事后考慮，但它們對于低級系統(tǒng)最重要，例如低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和精密模擬系統(tǒng)。以下是您需要了解的有關(guān)開關(guān)電源設(shè)計的信息。

開關(guān)電源設(shè)計技巧

低電平直流系統(tǒng)

用于低功率/低電平數(shù)字系統(tǒng)的典型開關(guān)電源可能在小型 IC 封裝中包含控制電路。在這種情況下，您主要關(guān)心的是確保未調(diào)節(jié)的輸入保持在正確的范圍內(nèi)。對于電池供電的系統(tǒng)，電池電壓會隨著電池放電而下降，因此您需要確保輸出保持在所需的電壓/電流以保持系統(tǒng)運行。典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在輸出級放置一個LDO 穩(wěn)壓器，只要其輸入電壓高于所需的裕量，就可以確保一致的輸出電壓和電流。一般需要放置輸入輸出EMI濾波電路，以及調(diào)節(jié)輸出功率所需的電感和電容。

高功率系統(tǒng)

對于高電壓/低電流，或低電壓/高電流，您可以購買開關(guān)穩(wěn)壓器IC，其中包含您需要的穩(wěn)壓器電路。在這種情況下，您需要遵循與低功耗工作時相同的布局和組件選擇策略。開關(guān)穩(wěn)壓器IC可提供各種輸出功率并可接受各種輸入。

對于大功率系統(tǒng)(高電壓和大電流)，情況就大不相同了，您需要從頭開始對開關(guān)電源設(shè)計中的每個功能塊進(jìn)行布局。您通常需要考慮以下設(shè)計方面以使系統(tǒng)產(chǎn)生所需的功率輸出：

脈寬調(diào)制發(fā)生器。這將降壓、升壓、降壓-升壓或其他轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞妮敵鲈O(shè)置為特定水平，具體取決于占空比。在現(xiàn)代穩(wěn)壓器IC中，PWM發(fā)生器可能是可編程的并集成到轉(zhuǎn)換器中。在其他情況下，您可以使用MCU或單獨的發(fā)生器IC提供PWM信號。

帶反饋的控制電路?？刂齐娐芬话阋揽糠答佭M(jìn)行精確控制，開關(guān)電源設(shè)計也不例外。高功率系統(tǒng)通常使用電流檢測放大器來檢查電流輸出是否處于所需水平。然后，PWM發(fā)生器或MCU使用輸出放大器通過調(diào)整PWM信號的占空比來調(diào)整輸出電壓。

堅固的組件。您需要做的最后一件事是您的電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障，因為您的組件無法處理它們需要提供的電流/電壓。如果過度驅(qū)動到極端水平(熱故障)，半導(dǎo)體(特別是用于開關(guān)電源的FET)可能會發(fā)生故障。

熱管理。如果系統(tǒng)不散發(fā)熱量，即使是 99% 效率的電源調(diào)節(jié)器也會達(dá)到高溫。保持系統(tǒng)冷卻通常需要散熱器、風(fēng)扇或兩者兼而有之。

如果您正在設(shè)計帶有交流電源的直流電源轉(zhuǎn)換，最好包括一個用于交流電源的功率因數(shù)校正 (PFC) 電路。這將確保電源中的開關(guān)穩(wěn)壓器級汲取接近正弦波的電流源，而不是在短時間內(nèi)汲取電流。這增加了整個穩(wěn)壓器的總功率因數(shù)，進(jìn)而減少了作為熱量損失的功率量(即更高的效率)。

選擇PWM開關(guān)頻率

開關(guān)電源中PWM信號的開關(guān)頻率將決定損耗水平，因為該信號負(fù)責(zé)調(diào)制驅(qū)動 MOSFET 中的柵極電壓。使用更高的頻率會導(dǎo)致 MOSFET 更頻繁地開啟和關(guān)閉，從而減少在 MOSFET 中的累積。然而，邊沿速率也很關(guān)鍵，因為它決定了 MOSFET 通道是否被充分調(diào)制到關(guān)閉狀態(tài)。在邊緣速率較慢的情況下，即使 PWM 信號可能已降至 0 V，MOSFET 仍可保持導(dǎo)通。

通過使用更快的邊沿速率，您可以將MOSFET推入更深的關(guān)斷狀態(tài)，從而降低開關(guān)穩(wěn)壓器部分的熱損耗。結(jié)合更高的PWM頻率和更快的PWM邊沿速率允許在穩(wěn)壓器電路中使用物理上更小的組件。然而，權(quán)衡更大的傳導(dǎo)和輻射 EMI，因為 PWM 信號將以更高的頻率發(fā)射。~100 kHz PWM 頻率在大多數(shù)電源中是典型的，但是當(dāng) PWM 頻率以 ~1 ns 邊緣速率達(dá)到 1 MHz 時，高效開關(guān)電源設(shè)計可以變得更高效并使用更小的組件。

將 PWM 開關(guān)設(shè)置為高于開關(guān)穩(wěn)壓器的滾降頻率將防止開關(guān)噪聲傳導(dǎo)到穩(wěn)壓器輸出，滾降頻率在如下所示的基本降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電路圖中定義。請注意，如果您可以在開關(guān)穩(wěn)壓器中使用較小的組件，則可以使用較大的PWM開關(guān)頻率。

隔離和PDN阻抗

我們尚未明確討論的一點是開關(guān)電源設(shè)計中的隔離，電源隔離是為您的電源系統(tǒng)添加安全措施的好方法。

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審核編輯：符乾江