全国大学生电子设计竞赛(五)--开关电源的设计
开关电源的设计方法
5.1 开关电源基本原理与分类
5.1.1 简介
在大多数人的印象中，直流电源用来提供持续的电流、恒定的电压，那么电能在电源（或电压转换器）的输入端与输出端一定是连续传输的，在电源内部的转换过程也一定是连续流动的。对于线性稳压电源来说是这样，但是对于当今应用最广泛的开关电源来说并不是这样。在开关电源的内部，能量被分割成间断的小份，系统将这些小份的能量依次从输入端“搬运”到输出端，再经过平滑滤波后以直流形式输出。开关电源之所以有这样看似“多此一举”的特性，是与它所实现的功能密不可分的。
线性稳压电源对能量的处理是连续的，但是它有两个缺点：只能实现降压转换和转换效率低。当我们需要升压变换，或产生负电压，或高效率（或大功率）电源时，线性电源就变得不可用了。开关电源巧妙地利用了电感和电容两个无源元件的储能特性，又使用了快速的开关器件使直流电的转换更加自由、高效。
其结构图如下：
脉冲方式的电压变换电路可以分为两部分。一部分为脉冲控制器，根据输出电压的变化产生对应的脉冲信号，控制调整管的导通与截止时间。控制方式可以分为脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和混合调制。另一部分则是对应的DC-DC电压变换器，其功能即是在脉冲控制器的控制信号作用下，将不稳定的直流电压变换为稳定的直流电压输出。按照输出是否由调整元件等构成的其他部分隔离，可分为非隔离型和隔离型；按照开关元件的激励方式，可分为自激式和它激式；按照调整管在直流变换器中的位置不同可分为串联型（降压斩波式）、并联型（升压式斩波型式）以及极性反转式开关稳压器。
5.1.2 脉宽调制技术（PWM）
脉冲宽度调制（PWM），是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。PWM的产生一般采用直流电压与内部锯齿波比较生成所需PWM波，如图5.2所示。
关于STM32如何输出PWM波可以看着一篇文章写得很详细：STM32第七章-脉冲宽度调制
5.1.3 基本组成以及设计选型
电容
电容是开关电源变换器的关键元件之一。电容为无源器件根据介质可分为电解电容、有机膜介质电容、无机膜介质电容、无机介质电容、独石电容和空气介质电容。
电解电容包括铝电解、钽电解、合金材料电解和其他材料电解电容等，带极性。铝电解电容的容值范围通常为μF～F，额定电压为5V～500V，大容量、高额定电压的电容体积通常很大，漏电大，铝电解电容的ESR在电源变换器中对电路的效率、稳定性都有一定影响，铝电解电容一般用于直流或脉动电流中整流、滤波和作为去耦电容。钽电容体积小，漏电小，性能稳定，一般用于芯片去耦、电压基准电路等其他精密电路中。
有机膜介质电容包括聚丙烯膜电容（CBB）、聚苯乙烯电容、涤纶电容、聚碳酸酯膜电容等，无极性。涤纶电容介电常数较高，体积小，容量较大，适用于低频电路；CBB与聚苯乙烯电容性能相似，虽然介电常数较低，但由于介质损耗小，绝缘电阻大，耐压值高，多用于高频电路，CBB在电源变换器中对毛刺有很好的吸收作用。
无机介质电容包括云母电容、陶瓷电容、独石电容等。陶瓷电容耐热性好，抗腐蚀，绝缘性好并且价格便宜，可与电解电容配合使用实现去耦和纹波抑制。独石电容式一类特质的陶瓷电容，精度高稳定性好、Q值高，适用于中、高频电路。
电感
电感的数学模型
当一个线圈中的电流发生变化时，它所激发的磁场穿过自身每匝线圈的磁通量也随之改变，使线圈产生感应电动势，这种现象称为自感。设线圈电流为I，于是可令 ，比例系数L称为自感系数，简称自感，对应于电子学物理量中的电感。
实际电感
以上所讲的是电感的数学模型，或理想电感。在现实生活中由于受其他物理定律的限制，我们实际制作出来的电子元件都是带有各种元件参数的“电路系统”，只不过人为地使某个参数更加显著，从而使用起来更接近理想元件。从一个实际的电感两端看进去，它一般具有显著的电感特性，但是也有电阻、电容的特性，它的电感值甚至会随电流变化（磁芯饱和时很明显，磁饱和现象会在后续章节讲解），而且在不同的温度下也会呈现不同的特性。这些特性往往难以计算和仿真，但又会对系统的稳定性产生至关重要的影响，所以在实际应用中，电感的这些非电感特性反而是最需要设计者认真考虑的。
实际生产出来的电感有多种封闭形式，如贴片电感、色环电感、空心电感、杆形电感、贴片功率电感、环形电感和开气隙电感等。后五者均为线绕型电感。电源设计中最常用的两类电感是层叠型贴片电感和线绕型电感。前者为贴片封装，具有体积小、磁屏蔽性好等优点，缺点为功率小、感值小，往往用于信号滤波、电源去耦等。后者是开关电源设计中的关键元件，下面将着重介绍线绕型电感。
|
贴片电感
|
色环电感
|
贴片功率电感
|
|
空心电感
|
空心电感
|
贴片功率电感
|
顾名思义，线绕型电感是由导线（大多为带绝缘层的导线）绕成空心线圈或带磁芯的线圈绕制而成。它的特点是电感量范围广（uH～mH），电感量精度高，损耗小（即Q值高），容许电流大、制作工艺继承性强、简单、成本低等，但不足之处是体积和重量都较大。设计师在电源设计中都想要使电源轻便、小巧，但是由于工艺限制，较大功率的电源在保证性能的情况下往往只能使用笨重的线绕型电感。所以对线绕型电感的特性、制作以及应用有深入的了解对设计师来说就显得格外重要。
5.1.4 拓扑以及衍生拓扑
所谓“拓扑”就是各个关键器件之间的连接关系。开关电源中的关键器件是电感、电容和开关器件（一般为MOS管、二极管），这三种器件之间的连接关系决定了电路所实现的功能。
最基本的开关电源拓扑有：
1．升压拓扑（BOOST）：又叫升压斩波器，输出电压大于输入电压，极性相同。
2．降压拓扑（BUCK）：又叫降压斩波器，输出电压小于输入电压，极性相同。
3．升/降压拓扑（BUCK-BOOST）：又叫升/降压斩波器，输出电压大于或者小于输入电压，极性相反。
由这三种基本拓扑可以派生出多种拓扑，如Flyback（反激），Forward（正激），CUK，半桥，全桥等等。在电子设计大赛的题目中曾出现过Flyback（反激）变换器的设计，另外全桥和半桥也是我们经常会用到的拓扑。
5.2 BOOST升压型开关电源设计
5.2.1 BOOST电路原理
BOOST电路是开关电源拓扑的基本拓扑之一，是最能代表开关电源特性的拓扑。下面从BOOST电路入手分析开关电源的基本原理。
Boost电路的工作原理分为充电和放电两个部分来说明：
在充电过程中，开关闭合（三极管或者MOS管导通），这时输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。负载由电容C供电，随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。
在放电过程中，开关断开（三极管或者MOS管）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。电感电势与输入电压叠加，迫使二极管D导通，一起向负载供电，并同时向电容C充电，升压完毕。
升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。
5.2.2 功率器件选型
1、MOS管
MOS管是开关电源中唯一的有源元件，在对其选择时需要首先考虑耐受程度的问题，即开通时的最大漏极电流ID和关断时的最大漏源电压VDS。在BOOST电路和BUCK电路中，MOS管上流经的最大平均电流就是电感平均电流IL；在BOOST电路中MOS管承受的最大电压是输出电压VO与二极管导通压降之和，BUCK电路中MOS管承受的最大电压是输入电压VIN与二极管导通压降之和。
其次需要考虑其开关速度问题。如果开关频率较高或对效率要求较高，则应选择开关速度快的MOS管。
BOOST电路和BUCK电路还可改进成同步整流型，即将原来电路中的二极管换成MOS管，在工作时使两个MOS管交替导通，可以改善因二极管导通压降较大带来的效率低的问题。处理得当的同步整流电路可以达到98%以上的效率。如果使用同步整流方案，另一个MOS管也需要考虑耐受程度和开关速度等问题，控制电路还需适当加入死区，保证任何时刻两个MOS管至多只能有一个导通。
2、电感
电感值的确定是电感选型的关键。在CCM模式下的开关电源电路中，电感值的确定都大同小异，可以由电感电流公式推导得出。
流经电感的电流一般都只两种状态，上升和下降。我们选择的电感值应保证在稳态时电感电流的变化量 不超过电流平均值的0.3～0.5倍，即
实际应用中电感值可取得比上述值大，但不可过小。当然也不是越大越好，当电感值过大时不仅会使电体积和重量增加、消耗不必要的材料，还会使电流上升斜率过小，可能导致开启时间过长，电路对电流调节反应变慢。
3、二极管
非同步整流型电路中需要使用二极管。在选型时也需要考虑两方面：耐受能力和速度。包括二极管的反向耐压、正向最大电流以及反向恢复时间等等。一般来说大功率肖特基二极管是比较好的选择，它具有较低的导通压降、较大的最大正向电流以及极短的反向恢复时间。它的反向击穿电压较低（100V左右），在某些电路中可能不适用。
4、电容
在BOOST电路中要求电容有较强的带负载能力，故应尽量选择大电容（一般来说输出电压在几十伏左右的应用可选择几千uF至10000uF）。而BUCK电路中对电容的要求相对弱一些，只需要满足滤波器的滤波效果即可。BOOST和BUCK电路中的电容也不亦选得过大，可能会造成电压调节时电路反应慢的问题。
开关电源中电容都要作为储能元件，不允许有过多的电能损耗。故储能电容要选择低漏电、低ESR的电解电容。开关电源中一般会有比较大的纹波，所以电容的耐压值还应留有30%-50%的裕量。
5.2.3 设计技巧
在电子设计大赛的过程中，我们所设计的BOOST电路一般都是基于万用板或者是PCB，而且我们的关注点大多集中在指标和热稳定性，电磁稳定性等。相当于是工业级电源系统的简化版。今年来对于电源类题目，体积越来越成为了主办方一个青睐的点，如何在有限的体积或者重量下在单层或者双层的板子上实现精准的输出和及时的反馈，也成为了难点之一。
经过前面的分析，我们知道对于BOOST电路需要在最恶劣的情况下（电感电流峰值）的条件下选择器件，而电路布局同样要在略高于最恶劣的情况下进行设计。
对于电子设计竞赛的电源系统电路设计，宏观上我们主要考虑两个回路：大电流回路和信号回路。大电流回路也就是你的电源系统会流过大电流的线，在BOOST电源中，BOOST主回路都将是大电流回路（如下）：
在设计这个主回路的时候，我们就需要考虑所用锡线的电阻率和发热情况，一般来说对于2A以上的电流线，我们一般采用2个万用板洞间距的宽度（200mil）就足以应对最恶劣情况，发热也小。同时较粗也可以保证在板子上承载大重量器件如电感电容的时候，板子不容易断裂。同时我们需要做好地线的设计，因为对于BOOST电路，整个系统是共地的（不考虑反激等设计），这个地线也将是信号的参考地，短而直的地线可以减少引线电感，降低电磁干扰，对于信号是有益的。我们一定要避免地线形成一个环，实际上任何信号线，功率线都不能自主形成一个环，通过法拉第电磁感应定律我们很简单知道这样会造成很大的磁干扰。所以我们的功率走线要尽可能紧凑。
对于信号线来说，最重要的就是上面提到的地线噪声，可以说，地线噪声小，信号线噪声就不会很大。为了进一步提高系统性能，由这样几根线我们需要考虑：时钟信号CLK，数据信号（取决于I2C或者SPI通信协议），PWM驱动信号，电压反馈信号，环路补偿信号。
时钟和数据信号还有电压反馈信号一般是对于AD,DA来说的，AD,DA的数据采集和输出对于整个系统至关重要，它关乎着你的算法能否实际的起作用，试想一下，需要采集的电压是2V，而你的时钟会经常抖动，电压反馈信号的噪声纹波达到了100mv，采集回来的电压就由100mv的上下波动这就导致了你的控制精度被无限的降低，PID算法无法进行，系统就会崩掉。所以我们一定要重视这些信号走线的安置。一个最基本的要求就是信号线要短，区别于高频信号，电源系统里面基本是低频信号，因此我们不需要用到类似蛇形走线这种方式，但是屏蔽线还是可以起到很好的作用。我们还需要做的就是考虑任何将强电回路和弱点回路隔离，我们可以采用隔离芯片（6N137）来实现PWM驱动信号和AD控制信号等的隔离，从输出或者输入经过分压电阻回来的反馈信号我们可以通过一个运算放大器做一个跟随器，利用他高输入阻抗，低输出阻抗的特性来做到隔离，当然用三极管做成跟随器也是个可行的方案，对于单点接地还是多点接地，一般我们在低频电路里面多点接地，单点接地理论上都可以，不过推荐还是单电接地，避免大电流的时候出现地线电平不均衡分布导致控制信号的参考量不统一。具体的做法就是对于每一个信号模块我们都引出一个地，然后将这个地汇聚到一点再接到强点地上，可以采用一个0欧的电阻做一个弱隔离。
在调试过程中，可能不熟练的操作会出现很多问题，大部分都集中在器件的外围电路上面，这一部分一般以数据手册为准，不能只关注典型应用，需要了解参数的计算，对于器件的内部结构也要由一定的了解。在比赛的准备过程中，如果尝试着做好了一个BOOST电路的完整回路，我们就可以考虑是否可以将其设计成PCB,作为以后的辅助电源系统，或者直接当作主回路重复使用，这是一个很好的习惯。特别是在调试一款AD/DA芯片方面也十分的适用。
5.3 BUCK降压型开关电源设计
5.3.1 BUCK电路原理
BUCK也是开关电源中常用的拓扑，它具有降压功能。其工作过程介绍如下：
当三极管或者MOS管输入的波形为高电平时，三极管或者MOS管Q导通，二极管截止，储能电感L1被充磁，流经电感的电流线性增加，同时给电容C充电，给负载提供能量。当三极管或者MOS管输入的波形为低电平时，三极管或者MOS管Q关闭，二极管导通，储能电感L1通过续流二极管放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C放电以及减小的电感电流维持，降压完成。
5.3.2 器件选型
BUCK电路和BOOST电路的器件选型有相似之处，针对电子设计大赛的选型一般都是基于题目的要求，例如后面会分析到的历年竞赛题目，针对低电压大电流可以选取LM5117，大电压低电流可以选取直接型MOS驱动器等。
对于BUCK电路的具体电子器件选型可以参照第一章，和第二章所述。在选型的时候需要注意的是，对于不同的工作模式（DCM,CCM），电感峰值电流是不一样的，我们一定要选取最恶劣情形来进行分析选取。而且对于BUCK电路，一般用于低压大电流中小功率。所以需要考虑到元器件如续流二极管的压降是不是很变大影响效率，采样电路是才用霍尔传感器还是康铜丝采样电阻，二者对于效率的影响怎么样等。
5.3.3 设计技巧
如前一节所说，对于BUCK电路，过高的峰值电流是需要考虑的一个问题，他可能导致开关波形出现较大的振铃而使得MOS管烧坏。所以在布局设计的时候，首先还是确定主电路回路，坚持短而粗的原则。一般做BUCK电路的题目，都会是比较高精度的，所以对于电路硬性噪声的控制必须要把握好。这里笔者总结如下 几点需要考虑：
主电路是否需要对EMI加以控制：在合适的地方放置磁珠，MOS管应该平放在PCB上，单片机控制器尽可能和电感，MOS管等隔离。
采样电路：对于BUCK电路，前面也有说到，一般会要求高精度，所以我们首先要选取高精度的AD，一般必须得14位以上，然后选用采样电阻方案一般是可行的，采样电阻要尽可能粗，体检计算好他的损耗，确保在在效率要求范围之内。粗的采样电阻意味着采样范围就小，所以一般我们会用一个高精度运放放大器去信号放大，同时也可以起到一定的隔离作用。
单片机控制回路：对于数字电路部分，一定要注意保证电流不会回流，回流可能会发生在调试的时候控制波形出现问题，这样就可能烧坏单片机IO口，所以隔离器还是建议添加的。对于单片机接在主回路上的5V或者3.3V电压口，必须严格去耦，推荐10uf的钽电容加上0.1uf的陶瓷电容，可以有效减小噪声。
5.4 常见开关电源拓扑简介
5.4.1 升压-降压型Boost-Buck电路
Buck-Boost电路的输出电压既可低于输入电压也可以高于输入电压，且其输出电压极性与输入电压的极性相反，其所使用的电路元件与Buck、Boost电路相同，但是电路的拓扑结构不同。
根据电感电流中的电流是否连续可以分为电流断续模式（DCM）和电流连续模式（CCM）。
5.4.2 隔离型DC-DC变换
与非隔离型电源相比，隔离型电路采用变压器耦合具有如下优点：**输出在电气上与输入隔离。非隔离型电路由于不存在电气隔离所以电路的安全性和干扰抑制能力存在缺陷。**隔离型电路采用高频隔离变压器，通过改变原边、副边的匝数比，可以方便的设定输入输出电压或者电流比，还可以实现多路输出。并且以变压器耦合后，电路不再受基本电路的极性和升降压的限制。
但是由于高频变压器的引入带来了电路成本和损耗的增加，并且变压器的漏感还会导致较高的尖峰脉冲。
根据电路中高频隔离变压器的连接形式，可以分为 正激、反激、推挽式、半桥式和全桥式电路几种。
正激式变换器
正激变换器是在开关导通器件将输入能量通过变压器传递到输出，其原理电路如图所示，电路将直流电源Ui的正极与整流二极管D的正极分别接在隔离变压器的同名端。开关T1导通时，输入电压直接加在变压器的初级线圈上；次级线圈上的感应电压使D1导通，将输入的能量传给电感L、电容C和负载；同时在变压器中建立磁场，当开关T截止时，D1截至，L中储存的能量通过续流二极管D2继续向负载供能，输出电压的稳定通过改变作用在T上的脉冲波的占空比来实现。
隔离变压器在电路工作时主要起变压的作用，所以在开关T周期性通断的过程中，次级线圈边的功率输出也是脉冲形式，所以电路的输出端除了接有滤波电容C外，还接入滤波电感L和续流二极管D2，保证电压和电流的输出平稳。
在电感电流连续时输出电压和输入电压的关系
（D为调制波的占空比，n为隔离变压器的原、副边匝数比）
正激变换器的隔离变压器直接传输能量，磁芯利用率较高，由于隔离变压器不需要出能量，所以可以使用无气隙型，其电感值较高可以使原、副边的峰值电流较小，有利于电源变换效率的提高。由于滤波电感L使电路工作于电流连续模式，所以电压输出纹波较低。但是其闭环响应性能差，并且多路输出每一路输出都需要次级线圈、两只二极管、一个滤波电感和电容C。
反激式变换器
反激式变换器指的是在开关截至期间将变压器储存的能量传递给输出的变换器，其原理电路如图。电路中高频隔离变压器的原边同名端接直流电源的正极时，绕组副边非同名端接整流二极管D的正极。一般理想的变压器只用于原边和副边的能量耦合，而不储存能量；而在反激式电路中要求储存能量，所以需要空气气隙。
在开关管导通期间，电路在初级电路中以线性方式上升，在电感中存储能量，此时二极管D阻止电流通过次级线圈。开关管截至期间，电感中存储的能量通过刺激和二极管加在负载上，并对电容充电。
在电流连续工作模式下输出电压和输入电压的关系
（D为调制波的占空比，n为隔离变压器的原、副边匝数比）
在电流不连续工作模式下输出电压和输入电压的关系
（D为调制波的占空比，n为隔离变压器的原、副边匝数比，Doff为电感有电流时的占空比）
正激变换器结构简单，成本低适用于小功率开关电源，由于变压器起到了电感的作用，所以在输出端只需要接上电容器就可以保证输出典电压的平稳，但是隔离变压器的磁芯需要气隙，当电源功率过大时会导致变压器的体积增大。
推挽式变换器
推挽电路使用双功率开关控制隔离变压器原边绕组中的电流通断及电流方向，以双向正激的方式传输能量，其原理电路如图错误!未找到引用源。。开关管交替导通，二极管对变化到次级的电压进行整流，经过滤波后得到输出要求的直流电压。
在推挽电路中每个半周内都有能量从初级传送到次级，故变压器的利用率比正激式变换器高很多。必须注意的是要确保每只开关管以相同的时间导通，否则电压的直流分量会引起变压器的饱和。一般为防止饱和和采用有气隙的磁芯或者在控制部分增加高速电流监测和截至电路。
推挽电路具有以下优点，效率高；输入输出隔离；变压器的利用率高；两只开关管以同一电位为基准能直接用控制电路驱动，不需要使用隔离变压器。缺点是开关管的电压额定值必须大于2倍的输入电压；开关管必须以精确相等的时间导通，否则会引起磁芯的饱和。
半桥式变换器
半桥式电路采用双功率开关控制电路控制隔离变压器的励磁电流，以双向正激的方式进行能量传输，其原理电路图如图。
电路中隔离变压器圆边只需要一个绕组，接在H桥的的输出端上。两个容量相等的电容构成H桥的两个桥臂。两个由晶体管以及保护二极管构成的功率开关形成H桥的另外两个桥臂，两开关采用PWM控制方式，从而使原边绕组中产生方向交变的脉冲电流。
半桥式变换器的优点主要是电容器C1和C2阻止了进入变压器初级的直流分量，避免了由于不相等开关管导通时间而引起的磁芯饱和风险。，通常驱动电路必须以变压器耦合，从而增加了变换电路的复杂性。其经常使用在功率较大的场合。
全桥式变换器
全桥式电路使用4个功率开关构成的H桥电路控制隔离变压器的励磁电流，以双向正激的方式进行能量传输。其原理电路图如图。
全桥式电路使用的隔离变压器原边只需一个绕组。开关管和保护二极管构成的功率开关形成H桥的4个桥臂，T1、T4为一组，T2、T3为一组，两组开关交替导通，使隔离变压器原边绕组产生方向交变的脉冲电流。为防止变压器磁芯饱和，常在变压器初级绕组支路中串联一只电容器C，用来阻止由于开关管正负半周导通时间不相等而引起的直流分量。
全桥电路通常使用在大功率场合，其功率开关中T1、T3是高端开关需要采用光耦隔离或者变压器隔离进行驱动，同时在控制中要采取措施避免H桥的直通，所以控制电路比较复杂。