電路設計具有EMC性能的開關電源設計原理

2020-09-03

基本的SMPS拓撲

降壓SMPS的主要功能目標是將直流信號V IN降壓至較低的直流值V OUT，如圖1 所示。

圖1：降壓型SMPS的目標

此過程的第一步包括創建DC輸入信號的脈寬調制（PWM）版本，如圖2 所示。

圖2：PWM信號

圖2中所示的輸出信號與我們的目標中描述的所需輸出信號相差甚遠。即：1）僅當晶體管導通時為恒定信號； 2）當晶體管導通時其電平不低于輸入信號； 3）在過渡時間內其諧波含量高，[1 ]。

讓我們通過在電路的輸出側放置一個低通LC濾波器來解決第三方面的問題，如圖3 所示。

圖3：具有低通濾波器的SMPS電路

為了減少電路中的不必要功耗，避免了RC和RL濾波器，并且基本設計采用了簡單的LC濾波器。

假設晶體管截止，LC濾波器中沒有存儲能量，并且輸出電壓為零。當晶體管導通時，我們得到如圖4（a）所示的電路（假設沒有電壓降的理想晶體管）。

輸出電壓逐漸增加。假設導通時間足夠長，則該電壓最終達到穩態值V OUT = V IN。在穩態下，電感兩端的電壓v L為零，直流電流I L流過電感，如圖4（b）所示。磁能存儲在電感器中。

圖4：晶體管第一次導通：a）瞬態行為，b）穩態

當開關斷開時，電感器和隨后的開關兩端會產生很大的負電壓。如圖5（a）所示，存儲在電感器中的磁能通過開關觸點在電弧中消散或輻射[2] 。

這種行為通常會對開關造成破壞，因此需要某種保護電路。最簡單的解決方案是在開關事件期間通過在電路中插入二極管為電感器電流提供路徑，如圖5（b）所示。我們已經找到了最簡單的降壓（降壓）SMPS之一。

圖5：晶體管開關關閉：a）不良行為b）保護二極管

此SMPS的基本設計包括對組件L和C的正確選擇，以滿足所施加的設計要求。當晶體管導通（開關閉合）和晶體管關斷（開關斷開）時，通過電路分析確定組件值。各個電路和選定的電路變量如圖6 所示。

圖6：降壓SMPS電路：a）晶體管導通b）晶體管截止

請注意，在兩種情況下，當開關閉合和斷開時，電感器電流為正，并且流向相同方向。如果開關保持斷開狀態足夠長的時間，電感器電流將衰減為零，隨后輸出電壓將變為零。

如果在開關周期中電感器電流（和輸出電壓）變為零之前開關閉合，則SMPS將以所謂的連續導通模式工作。這是EMC中的首選模式–導致較小的輸出紋波，較小的負載電流變化和較低的EMC輻射。

當開關隨后斷開時，輸出電壓上升。當達到所需值V OUT  <  V IN時，開關再次打開。在連續模式和穩態操作下，電感器電流和輸出電壓始終保持為正，并且永遠不會為零。

SMPS設計

以下SMPS設計假定組件是理想的-晶體管和二極管的壓降為零，電感器和電容器為理想（無寄生）。電路中沒有損耗–電源提供的功率等于傳遞給負載的功率。這里討論的方法基于[1]中介紹的材料。

SMPS在連續導通模式下以穩定狀態工作，PWM信號的占空比D等于

 （1）

其中開關頻率f SW是恒定的。開關關閉一段時間

 （2a）

并且有時間

 （2b）

當開關閉合時，二極管反向偏置，電路如圖7 所示。

圖7：開關閉合的電路

電感兩端的電壓為

 （3）

二極管兩端的電壓等于輸入電壓v D = V IN。從等式 （3）我們得到

 （4）

由于該導數為正，因此在開關閉合期間電感器電流線性增加。為了確定在此期間電感器電流的（近似）變化，我們對方程中的導數進行近似。（4）通過

 （5）

因此，電感器電流的變化為

 （6）

當開關斷開時，二極管被正向偏置（v D = 0），我們得到了圖8 所示的電路。

圖8：開關斷開的電路

電感兩端的電壓為

 （7）

從等式 （7）我們得到

 （8）

由于此導數為負，因此在開關斷開期間，電感器電流線性減小。在此期間，電感器電流的（大約）變化可從

 （9）

因此，電感器電流的變化為

 （10）

電感器電壓和電流的變化如圖9所示。

圖9：電感器電壓和電流的變化

顯然，（? i L）關閉 = ? i L）打開。從等式 （6）和（10）我們得到

 （11）

要么

 （12）

導致降壓轉換器的輸入輸出關系

 （13）

由于占空比小于1，因此輸出電壓低于輸入電壓。我們可以通過簡單地改變占空比來控制輸出電壓的水平。

接下來，讓我們計算平均，最大和最小電感器電流。在穩態操作中，平均電容器電流I C = 0，[3]。因此，平均電感器電流I L必須與平均負載電流I R相同。那是，

 （14）

根據圖9，電感器電流的最小值和最大值分別為

 （15a）

 （15b）

使用等式。等式中的（10）和（14）。（15）我們得到

 （16a）

 （16b）

要么

 （17a）

 （17b）

其中?F SW = 1 / ?。

現在，我們可以計算連續工作模式下電感的最小值 L MIN。在連續模式和不連續模式之間的邊界處，I MIN = 0。（17a）我們得到

 （18）

要么

 （19a）

或利用等式 （13），

 （19b）

當然，電感的實際值應大于方程式給出的最小值。（19）。合理的選擇是

 （20）

最后，可通過分析圖10 獲得輸出電壓紋波? V OUT，圖10 顯示了電容器電流和輸出電壓曲線[1]。

電容器充電時，電容器電荷的變化ΔQ等于電容器電流曲線下的三角形面積。那是，

 （21）

以來

 （22a）

它遵循

 （22b）

和

 （22分）

從等式 （10），

 （23）

利用等式。等式中的（22c）和（23）。（21）我們得到

 （24）

導致輸出電壓紋波為

 （25）

相對輸出電壓紋波為

 （26）

可以根據指定的電壓紋波獲取所需的電容

 （27）

在SMPS的設計中，通常指定輸入和輸出電壓。負載和輸出電壓紋波也是如此。一旦選擇了開關頻率，就可以根據公式計算出最小電感值。（19b），電容值由式 （27）。

本文介紹了最簡單的（可能是嘈雜的）SMPS設計的基本知識。它應作為入門級教程和朝著更高級的SMPS邁進的一步。設計的下一步應該包括非理想的二極管和晶體管模型，組件的寄生效應及其物理限制。為了減輕EMC輻射，除其他許多因素外，還應實現輸入濾波器[2]和緩沖電路[3,4]。