開關電源的設計方法
1 開關電源基本原理與分類
1.1 簡介
在大多數人的印象中，直流電源用來提供持續的電流、恆定的電壓，那麼電能在電源（或電壓轉換器）的輸入端與輸出端一定是連續傳輸的，在電源內部的轉換過程也一定是連續流動的。對於線性穩壓電源來說是這樣，但是對於當今應用最廣泛的開關電源來說並不是這樣。在開關電源的內部，能量被分割成間斷的小份，系統將這些小份的能量依次從輸入端“搬運”到輸出端，再經過平滑濾波後以直流形式輸出。開關電源之所以有這樣看似“多此一舉”的特性，是與它所實現的功能密不可分的。
線性穩壓電源對能量的處理是連續的，但是它有兩個缺點：只能實現降壓轉換和轉換效率低。當我們需要升壓變換，或產生負電壓，或高效率（或大功率）電源時，線性電源就變得不可用了。開關電源巧妙地利用了電感和電容兩個無源元件的儲能特性，又使用了快速的開關器件使直流電的轉換更加自由、高效。
其結構圖如下：
脈衝方式的電壓變換電路可以分爲兩部分。一部分爲脈衝控制器，根據輸出電壓的變化產生對應的脈衝信號，控制調整管的導通與截止時間。控制方式可以分爲脈衝寬度調製（PWM）、脈衝頻率調製（PFM）和混合調製。另一部分則是對應的DC-DC電壓變換器，其功能即是在脈衝控制器的控制信號作用下，將不穩定的直流電壓變換爲穩定的直流電壓輸出。按照輸出是否由調整元件等構成的其他部分隔離，可分爲非隔離型和隔離型；按照開關元件的激勵方式，可分爲自激式和它激式；按照調整管在直流變換器中的位置不同可分爲串聯型（降壓斬波式）、並聯型（升壓式斬波型式）以及極性反轉式開關穩壓器。
1.2 脈寬調製技術（PWM）
脈衝寬度調製（PWM），是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調製。PWM的產生一般採用直流電壓與內部鋸齒波比較生成所需PWM波，如圖5.2所示。
關於STM32如何輸出PWM波可以看着一篇文章寫得很詳細：STM32第七章-脈衝寬度調製
1.3 基本組成以及設計選型
電容
電容是開關電源變換器的關鍵元件之一。電容爲無源器件根據介質可分爲電解電容、有機膜介質電容、無機膜介質電容、無機介質電容、獨石電容和空氣介質電容。
電解電容包括鋁電解、鉭電解、合金材料電解和其他材料電解電容等，帶極性。鋁電解電容的容值範圍通常爲μF～F，額定電壓爲5V～500V，大容量、高額定電壓的電容體積通常很大，漏電大，鋁電解電容的ESR在電源變換器中對電路的效率、穩定性都有一定影響，鋁電解電容一般用於直流或脈動電流中整流、濾波和作爲去耦電容。鉭電容體積小，漏電小，性能穩定，一般用於芯片去耦、電壓基準電路等其他精密電路中。
有機膜介質電容包括聚丙烯膜電容（CBB）、聚苯乙烯電容、滌綸電容、聚碳酸酯膜電容等，無極性。滌綸電容介電常數較高，體積小，容量較大，適用於低頻電路；CBB與聚苯乙烯電容性能相似，雖然介電常數較低，但由於介質損耗小，絕緣電阻大，耐壓值高，多用於高頻電路，CBB在電源變換器中對毛刺有很好的吸收作用。
無機介質電容包括雲母電容、陶瓷電容、獨石電容等。陶瓷電容耐熱性好，抗腐蝕，絕緣性好並且價格便宜，可與電解電容配合使用實現去耦和紋波抑制。獨石電容式一類特質的陶瓷電容，精度高穩定性好、Q值高，適用於中、高頻電路。
電感
電感的數學模型
當一個線圈中的電流發生變化時，它所激發的磁場穿過自身每匝線圈的磁通量也隨之改變，使線圈產生感應電動勢，這種現象稱爲自感。設線圈電流爲I，於是可令 ，比例係數L稱爲自感係數，簡稱自感，對應於電子學物理量中的電感。
實際電感
以上所講的是電感的數學模型，或理想電感。在現實生活中由於受其他物理定律的限制，我們實際製作出來的電子元件都是帶有各種元件參數的“電路系統”，只不過人爲地使某個參數更加顯著，從而使用起來更接近理想元件。從一個實際的電感兩端看進去，它一般具有顯著的電感特性，但是也有電阻、電容的特性，它的電感值甚至會隨電流變化（磁芯飽和時很明顯，磁飽和現象會在後續章節講解），而且在不同的溫度下也會呈現不同的特性。這些特性往往難以計算和仿真，但又會對系統的穩定性產生至關重要的影響，所以在實際應用中，電感的這些非電感特性反而是最需要設計者認真考慮的。
實際生產出來的電感有多種封閉形式，如貼片電感、色環電感、空心電感、杆形電感、貼片功率電感、環形電感和開氣隙電感等。後五者均爲線繞型電感。電源設計中最常用的兩類電感是層疊型貼片電感和線繞型電感。前者爲貼片封裝，具有體積小、磁屏蔽性好等優點，缺點爲功率小、感值小，往往用於信號濾波、電源去耦等。後者是開關電源設計中的關鍵元件，下面將着重介紹線繞型電感。
 貼片電感 |
 色環電感 |
 貼片功率電感 |
 空心電感 |
 空心電感 |
 貼片功率電感 |
顧名思義，線繞型電感是由導線（大多爲帶絕緣層的導線）繞成空心線圈或帶磁芯的線圈繞制而成。它的特點是電感量範圍廣（uH～mH），電感量精度高，損耗小（即Q值高），容許電流大、製作工藝繼承性強、簡單、成本低等，但不足之處是體積和重量都較大。設計師在電源設計中都想要使電源輕便、小巧，但是由於工藝限制，較大功率的電源在保證性能的情況下往往只能使用笨重的線繞型電感。所以對線繞型電感的特性、製作以及應用有深入的瞭解對設計師來說就顯得格外重要。
1.4 拓撲以及衍生拓撲
所謂“拓撲”就是各個關鍵器件之間的連接關係。開關電源中的關鍵器件是電感、電容和開關器件（一般爲MOS管、二極管），這三種器件之間的連接關係決定了電路所實現的功能。
最基本的開關電源拓撲有：
1．升壓拓撲（BOOST）：又叫升壓斬波器，輸出電壓大於輸入電壓，極性相同。
2．降壓拓撲（BUCK）：又叫降壓斬波器，輸出電壓小於輸入電壓，極性相同。
3．升/降壓拓撲（BUCK-BOOST）：又叫升/降壓斬波器，輸出電壓大於或者小於輸入電壓，極性相反。
由這三種基本拓撲可以派生出多種拓撲，如Flyback（反激），Forward（正激），CUK，半橋，全橋等等。在電子設計大賽的題目中曾出現過Flyback（反激）變換器的設計，另外全橋和半橋也是我們經常會用到的拓撲。
2 BOOST升壓型開關電源設計
2.1 BOOST電路原理
BOOST電路是開關電源拓撲的基本拓撲之一，是最能代表開關電源特性的拓撲。下面從BOOST電路入手分析開關電源的基本原理。
Boost電路的工作原理分爲充電和放電兩個部分來說明：
在充電過程中，開關閉合（三極管或者MOS管導通），這時輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。由於輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個比率跟電感大小有關。負載由電容C供電，隨着電感電流增加，電感裏儲存了一些能量。
在放電過程中，開關斷開（三極管或者MOS管）時，由於電感的電流保持特性，流經電感的電流不會馬上變爲0，而是緩慢的由充電完畢時的值變爲0。而原來的電路已斷開，於是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時電壓已經高於輸入電壓了。電感電勢與輸入電壓疊加，迫使二極管D導通，一起向負載供電，並同時向電容C充電，升壓完畢。
升壓過程就是一個電感的能量傳遞過程。充電時，電感吸收能量，放電時電感放出能量。如果電容量足夠大，那麼在輸出端就可以在放電過程中保持一個持續的電流。如果這個通斷的過程不斷重複，就可以在電容兩端得到高於輸入電壓的電壓。
2.2 功率器件選型
1、MOS管
MOS管是開關電源中唯一的有源元件，在對其選擇時需要首先考慮耐受程度的問題，即開通時的最大漏極電流ID和關斷時的最大漏源電壓VDS。在BOOST電路和BUCK電路中，MOS管上流經的最大平均電流就是電感平均電流IL；在BOOST電路中MOS管承受的最大電壓是輸出電壓VO與二極管導通壓降之和，BUCK電路中MOS管承受的最大電壓是輸入電壓VIN與二極管導通壓降之和。
其次需要考慮其開關速度問題。如果開關頻率較高或對效率要求較高，則應選擇開關速度快的MOS管。
BOOST電路和BUCK電路還可改進成同步整流型，即將原來電路中的二極管換成MOS管，在工作時使兩個MOS管交替導通，可以改善因二極管導通壓降較大帶來的效率低的問題。處理得當的同步整流電路可以達到98%以上的效率。如果使用同步整流方案，另一個MOS管也需要考慮耐受程度和開關速度等問題，控制電路還需適當加入死區，保證任何時刻兩個MOS管至多只能有一個導通。
2、電感
電感值的確定是電感選型的關鍵。在CCM模式下的開關電源電路中，電感值的確定都大同小異，可以由電感電流公式推導得出。
流經電感的電流一般都只兩種狀態，上升和下降。我們選擇的電感值應保證在穩態時電感電流的變化量 不超過電流平均值的0.3～0.5倍，即
實際應用中電感值可取得比上述值大，但不可過小。當然也不是越大越好，當電感值過大時不僅會使電體積和重量增加、消耗不必要的材料，還會使電流上升斜率過小，可能導致開啓時間過長，電路對電流調節反應變慢。
3、二極管
非同步整流型電路中需要使用二極管。在選型時也需要考慮兩方面：耐受能力和速度。包括二極管的反向耐壓、正向最大電流以及反向恢復時間等等。一般來說大功率肖特基二極管是比較好的選擇，它具有較低的導通壓降、較大的最大正向電流以及極短的反向恢復時間。它的反向擊穿電壓較低（100V左右），在某些電路中可能不適用。
4、電容
在BOOST電路中要求電容有較強的帶負載能力，故應儘量選擇大電容（一般來說輸出電壓在幾十伏左右的應用可選擇幾千uF至10000uF）。而BUCK電路中對電容的要求相對弱一些，只需要滿足濾波器的濾波效果即可。BOOST和BUCK電路中的電容也不亦選得過大，可能會造成電壓調節時電路反應慢的問題。
開關電源中電容都要作爲儲能元件，不允許有過多的電能損耗。故儲能電容要選擇低漏電、低ESR的電解電容。開關電源中一般會有比較大的紋波，所以電容的耐壓值還應留有30%-50%的裕量。
2.3 設計技巧
在電子設計大賽的過程中，我們所設計的BOOST電路一般都是基於萬用板或者是PCB，而且我們的關注點大多集中在指標和熱穩定性，電磁穩定性等。相當於是工業級電源系統的簡化版。今年來對於電源類題目，體積越來越成爲了主辦方一個青睞的點，如何在有限的體積或者重量下在單層或者雙層的板子上實現精準的輸出和及時的反饋，也成爲了難點之一。
經過前面的分析，我們知道對於BOOST電路需要在最惡劣的情況下（電感電流峯值）的條件下選擇器件，而電路佈局同樣要在略高於最惡劣的情況下進行設計。
對於電子設計競賽的電源系統電路設計，宏觀上我們主要考慮兩個迴路：大電流回路和信號迴路。大電流回路也就是你的電源系統會流過大電流的線，在BOOST電源中，BOOST主迴路都將是大電流回路（如下）：
在設計這個主迴路的時候，我們就需要考慮所用錫線的電阻率和發熱情況，一般來說對於2A以上的電流線，我們一般採用2個萬用板洞間距的寬度（200mil）就足以應對最惡劣情況，發熱也小。同時較粗也可以保證在板子上承載大重量器件如電感電容的時候，板子不容易斷裂。同時我們需要做好地線的設計，因爲對於BOOST電路，整個系統是共地的（不考慮反激等設計），這個地線也將是信號的參考地，短而直的地線可以減少引線電感，降低電磁干擾，對於信號是有益的。我們一定要避免地線形成一個環，實際上任何信號線，功率線都不能自主形成一個環，通過法拉第電磁感應定律我們很簡單知道這樣會造成很大的磁干擾。所以我們的功率走線要儘可能緊湊。
對於信號線來說，最重要的就是上面提到的地線噪聲，可以說，地線噪聲小，信號線噪聲就不會很大。爲了進一步提高系統性能，由這樣幾根線我們需要考慮：時鐘信號CLK，數據信號（取決於I2C或者SPI通信協議），PWM驅動信號，電壓反饋信號，環路補償信號。
時鐘和數據信號還有電壓反饋信號一般是對於AD,DA來說的，AD,DA的數據採集和輸出對於整個系統至關重要，它關乎着你的算法能否實際的起作用，試想一下，需要採集的電壓是2V，而你的時鐘會經常抖動，電壓反饋信號的噪聲紋波達到了100mv，採集回來的電壓就由100mv的上下波動這就導致了你的控制精度被無限的降低，PID算法無法進行，系統就會崩掉。所以我們一定要重視這些信號走線的安置。一個最基本的要求就是信號線要短，區別於高頻信號，電源系統裏面基本是低頻信號，因此我們不需要用到類似蛇形走線這種方式，但是屏蔽線還是可以起到很好的作用。我們還需要做的就是考慮任何將強電迴路和弱點回路隔離，我們可以採用隔離芯片（6N137）來實現PWM驅動信號和AD控制信號等的隔離，從輸出或者輸入經過分壓電阻回來的反饋信號我們可以通過一個運算放大器做一個跟隨器，利用他高輸入阻抗，低輸出阻抗的特性來做到隔離，當然用三極管做成跟隨器也是個可行的方案，對於單點接地還是多點接地，一般我們在低頻電路里面多點接地，單點接地理論上都可以，不過推薦還是單電接地，避免大電流的時候出現地線電平不均衡分佈導致控制信號的參考量不統一。具體的做法就是對於每一個信號模塊我們都引出一個地，然後將這個地匯聚到一點再接到強點地上，可以採用一個0歐的電阻做一個弱隔離。
在調試過程中，可能不熟練的操作會出現很多問題，大部分都集中在器件的外圍電路上面，這一部分一般以數據手冊爲準，不能只關注典型應用，需要了解參數的計算，對於器件的內部結構也要由一定的瞭解。在比賽的準備過程中，如果嘗試着做好了一個BOOST電路的完整迴路，我們就可以考慮是否可以將其設計成PCB,作爲以後的輔助電源系統，或者直接當作主迴路重複使用，這是一個很好的習慣。特別是在調試一款AD/DA芯片方面也十分的適用。
3 BUCK降壓型開關電源設計
3.1 BUCK電路原理
BUCK也是開關電源中常用的拓撲，它具有降壓功能。其工作過程介紹如下：
當三極管或者MOS管輸入的波形爲高電平時，三極管或者MOS管Q導通，二極管截止，儲能電感L1被充磁，流經電感的電流線性增加，同時給電容C充電，給負載提供能量。當三極管或者MOS管輸入的波形爲低電平時，三極管或者MOS管Q關閉，二極管導通，儲能電感L1通過續流二極管放電，電感電流線性減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C放電以及減小的電感電流維持，降壓完成。
3.2 器件選型
BUCK電路和BOOST電路的器件選型有相似之處，針對電子設計大賽的選型一般都是基於題目的要求，例如後面會分析到的歷年競賽題目，針對低電壓大電流可以選取LM5117，大電壓低電流可以選取直接型MOS驅動器等。
對於BUCK電路的具體電子器件選型可以參照第一章，和第二章所述。在選型的時候需要注意的是，對於不同的工作模式（DCM,CCM），電感峯值電流是不一樣的，我們一定要選取最惡劣情形來進行分析選取。而且對於BUCK電路，一般用於低壓大電流中小功率。所以需要考慮到元器件如續流二極管的壓降是不是很變大影響效率，採樣電路是才用霍爾傳感器還是康銅絲採樣電阻，二者對於效率的影響怎麼樣等。
3.3 設計技巧
如前一節所說，對於BUCK電路，過高的峯值電流是需要考慮的一個問題，他可能導致開關波形出現較大的振鈴而使得MOS管燒壞。所以在佈局設計的時候，首先還是確定主電路迴路，堅持短而粗的原則。一般做BUCK電路的題目，都會是比較高精度的，所以對於電路硬性噪聲的控制必須要把握好。這裏筆者總結如下 幾點需要考慮：
主電路是否需要對EMI加以控制：在合適的地方放置磁珠，MOS管應該平放在PCB上，單片機控制器儘可能和電感，MOS管等隔離。
採樣電路：對於BUCK電路，前面也有說到，一般會要求高精度，所以我們首先要選取高精度的AD，一般必須得14位以上，然後選用採樣電阻方案一般是可行的，採樣電阻要儘可能粗，體檢計算好他的損耗，確保在在效率要求範圍之內。粗的採樣電阻意味着採樣範圍就小，所以一般我們會用一個高精度運放放大器去信號放大，同時也可以起到一定的隔離作用。
單片機控制迴路：對於數字電路部分，一定要注意保證電流不會迴流，迴流可能會發生在調試的時候控制波形出現問題，這樣就可能燒壞單片機IO口，所以隔離器還是建議添加的。對於單片機接在主迴路上的5V或者3.3V電壓口，必須嚴格去耦，推薦10uf的鉭電容加上0.1uf的陶瓷電容，可以有效減小噪聲。
4 常見開關電源拓撲簡介
4.1 升壓-降壓型Boost-Buck電路
Buck-Boost電路的輸出電壓既可低於輸入電壓也可以高於輸入電壓，且其輸出電壓極性與輸入電壓的極性相反，其所使用的電路元件與Buck、Boost電路相同，但是電路的拓撲結構不同。
根據電感電流中的電流是否連續可以分爲電流斷續模式（DCM）和電流連續模式（CCM）。
4.2 隔離型DC-DC變換
與非隔離型電源相比，隔離型電路採用變壓器耦合具有如下優點：**輸出在電氣上與輸入隔離。非隔離型電路由於不存在電氣隔離所以電路的安全性和干擾抑制能力存在缺陷。**隔離型電路採用高頻隔離變壓器，通過改變原邊、副邊的匝數比，可以方便的設定輸入輸出電壓或者電流比，還可以實現多路輸出。並且以變壓器耦合後，電路不再受基本電路的極性和升降壓的限制。
但是由於高頻變壓器的引入帶來了電路成本和損耗的增加，並且變壓器的漏感還會導致較高的尖峯脈衝。
根據電路中高頻隔離變壓器的連接形式，可以分爲 正激、反激、推輓式、半橋式和全橋式電路幾種。
正激式變換器
正激變換器是在開關導通器件將輸入能量通過變壓器傳遞到輸出，其原理電路如圖所示，電路將直流電源Ui的正極與整流二極管D的正極分別接在隔離變壓器的同名端。開關T1導通時，輸入電壓直接加在變壓器的初級線圈上；次級線圈上的感應電壓使D1導通，將輸入的能量傳給電感L、電容C和負載；同時在變壓器中建立磁場，當開關T截止時，D1截至，L中儲存的能量通過續流二極管D2繼續向負載供能，輸出電壓的穩定通過改變作用在T上的脈衝波的佔空比來實現。
隔離變壓器在電路工作時主要起變壓的作用，所以在開關T週期性通斷的過程中，次級線圈邊的功率輸出也是脈衝形式，所以電路的輸出端除了接有濾波電容C外，還接入濾波電感L和續流二極管D2，保證電壓和電流的輸出平穩。
在電感電流連續時輸出電壓和輸入電壓的關係
（D爲調製波的佔空比，n爲隔離變壓器的原、副邊匝數比）
正激變換器的隔離變壓器直接傳輸能量，磁芯利用率較高，由於隔離變壓器不需要出能量，所以可以使用無氣隙型，其電感值較高可以使原、副邊的峯值電流較小，有利於電源變換效率的提高。由於濾波電感L使電路工作於電流連續模式，所以電壓輸出紋波較低。但是其閉環響應性能差，並且多路輸出每一路輸出都需要次級線圈、兩隻二極管、一個濾波電感和電容C。
反激式變換器
反激式變換器指的是在開關截至期間將變壓器儲存的能量傳遞給輸出的變換器，其原理電路如圖。電路中高頻隔離變壓器的原邊同名端接直流電源的正極時，繞組副邊非同名端接整流二極管D的正極。一般理想的變壓器只用於原邊和副邊的能量耦合，而不儲存能量；而在反激式電路中要求儲存能量，所以需要空氣氣隙。
在開關管導通期間，電路在初級電路中以線性方式上升，在電感中存儲能量，此時二極管D阻止電流通過次級線圈。開關管截至期間，電感中存儲的能量通過刺激和二極管加在負載上，並對電容充電。
在電流連續工作模式下輸出電壓和輸入電壓的關係
（D爲調製波的佔空比，n爲隔離變壓器的原、副邊匝數比）
在電流不連續工作模式下輸出電壓和輸入電壓的關係
（D爲調製波的佔空比，n爲隔離變壓器的原、副邊匝數比，Doff爲電感有電流時的佔空比）
正激變換器結構簡單，成本低適用於小功率開關電源，由於變壓器起到了電感的作用，所以在輸出端只需要接上電容器就可以保證輸出典電壓的平穩，但是隔離變壓器的磁芯需要氣隙，當電源功率過大時會導致變壓器的體積增大。
推輓式變換器
推輓電路使用雙功率開關控制隔離變壓器原邊繞組中的電流通斷及電流方向，以雙向正激的方式傳輸能量，其原理電路如圖錯誤!未找到引用源。。開關管交替導通，二極管對變化到次級的電壓進行整流，經過濾波後得到輸出要求的直流電壓。
在推輓電路中每個半周內都有能量從初級傳送到次級，故變壓器的利用率比正激式變換器高很多。必須注意的是要確保每隻開關管以相同的時間導通，否則電壓的直流分量會引起變壓器的飽和。一般爲防止飽和和採用有氣隙的磁芯或者在控制部分增加高速電流監測和截至電路。
推輓電路具有以下優點，效率高；輸入輸出隔離；變壓器的利用率高；兩隻開關管以同一電位爲基準能直接用控制電路驅動，不需要使用隔離變壓器。缺點是開關管的電壓額定值必須大於2倍的輸入電壓；開關管必須以精確相等的時間導通，否則會引起磁芯的飽和。
半橋式變換器
半橋式電路採用雙功率開關控制電路控制隔離變壓器的勵磁電流，以雙向正激的方式進行能量傳輸，其原理電路圖如圖。
電路中隔離變壓器圓邊只需要一個繞組，接在H橋的的輸出端上。兩個容量相等的電容構成H橋的兩個橋臂。兩個由晶體管以及保護二極管構成的功率開關形成H橋的另外兩個橋臂，兩開關採用PWM控制方式，從而使原邊繞組中產生方向交變的脈衝電流。
半橋式變換器的優點主要是電容器C1和C2阻止了進入變壓器初級的直流分量，避免了由於不相等開關管導通時間而引起的磁芯飽和風險。，通常驅動電路必須以變壓器耦合，從而增加了變換電路的複雜性。其經常使用在功率較大的場合。
全橋式變換器
全橋式電路使用4個功率開關構成的H橋電路控制隔離變壓器的勵磁電流，以雙向正激的方式進行能量傳輸。其原理電路圖如圖。
全橋式電路使用的隔離變壓器原邊只需一個繞組。開關管和保護二極管構成的功率開關形成H橋的4個橋臂，T1、T4爲一組，T2、T3爲一組，兩組開關交替導通，使隔離變壓器原邊繞組產生方向交變的脈衝電流。爲防止變壓器磁芯飽和，常在變壓器初級繞組支路中串聯一隻電容器C，用來阻止由於開關管正負半周導通時間不相等而引起的直流分量。
全橋電路通常使用在大功率場合，其功率開關中T1、T3是高端開關需要採用光耦隔離或者變壓器隔離進行驅動，同時在控制中要採取措施避免H橋的直通，所以控制電路比較複雜。
上一章 全國大學生電子設計競賽(四)–雙極性跟蹤可調精密直流電源的設計
下一章 全國大學生電子設計競賽(六)–常用整流技術
