电源设计:拓扑和理论

关键的外卖

• 不同的转换器家族可用于电源设计以及它们的一些应用。
• 一些介绍性电源设计拓扑的概述。
• 不能归类为非隔离或感应式的常用电源设计。

从发电到最终产品，电网上的每个点都需要考虑电源设计。

对于pcb来说，功率有多种形式，反映了不同应用中电路的不同需求。在不同电流(类型和值)、电压、频率和其他基本波形特征之间转换是所有电子产品的必要步骤。电源使电路充满活力，但任何在开发过程中被电路板灼伤或电击过的设计师都非常清楚，在设计电源系统时犯的错误会产生严重后果。当电流和电压随着电路板功率需求的增加而上升时，这可能是一种痛苦的不便，很快就会演变成严重或致命的伤害。即使不考虑最坏的情况，电源也会影响电路板上的每个电路和组件，在设计过程中忽视这一影响可能会导致电路板在后期需要进行重大修改。

虽然电源设计是一个非常广泛的话题，但如果形式遵循功能，逻辑起点将是电路本身。通过了解影响电源电路的不同方法，设计人员可以在各种不同的限制条件下从他们的设计中获得最佳性能。

电流流动和相互转换

可以说，电源设计最重要的方面是围绕源电源或板载电源需要什么样类型的转换器。转换器可以接受和输出提供交流或直流。这三种风格的不同功能围绕着转换器如何在输入和输出之间转换:

• 直流-直流转换器这些转换器不涉及电流的任何转换，而是将输入电压调整到必要的输出电平。在当今的电子世界中，可能会有一些升压或降压的实例，以将源电压(电池，充电器等)改变为不同电网所需的各种电压水平，例如3.3V, 5V等。电压的增加(称为升压)和降低(称为降压)分别利用电感或电容器储存磁场或电场，以达到所需的输出电压和任意附加过滤特性．
• 农用转换器-通常，属于这一领域的电源类型用于大型电子系统，如三相感应电机和工业设置。由于其专用应用，拓扑比DC-DC更受限制。AC-AC转换器通过作用于波形本身而不是通常与数字逻辑电平相关的DC-DC电压电平来工作。除了改变波形的幅度外，AC-AC还可以改变信号的频率，效果类似于数字线的脉宽调制。
• 混合动力交流和直流之间的切换是与大规模电子电路集成的关键功能，尤其是电网。电网级传输需要交流电(高压直流电在新技术下取得了重大进展)，以最大限度地减少电力在电缆上长距离传输时的能量损失，而许多消费电子产品主要使用直流电。交流-直流转换需要整流和集成，反之亦然。
• 整流器-从交流转换为直流。通常通过半波整流、全波整流和三相整流(按效率递增顺序)完成。由此产生的直流信号需要大量滤波来平滑信号并消除谐波。根据特定电路的功率、电流和电压要求，可以使用从电阻和电容器到复杂的滤波网络和有源设备(如电压调节器)的任何器件来完成。
• 逆变器从直流电转换到交流电。虽然直流电可以产生几乎无限数量的周期信号，但设计师通常致力于方波(最直接的直流电信号模拟，因此最适合二进制开关模式的设备)或更敏感的组件的某种形式的正弦波。

基本系统:线性稳压器和开关电源设计

最简单的电源设计是线性稳压器。线性稳压器有一个操作，是立即直观的任何人与基本的电子理论的理解:通过作为一个电阻负载的功能，线性稳压器稳压器可提供较低的输出电压从较高的输入功率通过热量的形式消散。实际上，一些功率被用来加热元件，以在负载下达到所需的电压。

线性稳压器根据负载电压和电源电压的变化，提供简单且极其稳定的电压波形，作为快速开关电源中可能出现的EMI问题最小的最终产品。如果板没有任何担心在调节器附近的热量产生，无论是因为整体产生的少量热量(如在线性dropout调节器)或因为板的设计可以有效地吸收热量，调节器是一个有效的实现。然而，线性稳压器在能源效率方面很差，只能将电压从输入电平降下来，因此需要足够高的电源才能运行。由于这些原因，稳压器的使用仅限于对效率、热量和非标准电压水平的优先级最低的电路板。

设计师如何提高设计效率?由于其灵活性和电源效率，开关模式电源包括电源设计的一个重要部分。虽然有更多的排列可以满足特定电路板的确切电流、电压和效率要求，但基本的非隔离拓扑结构概述如下:

• 巴克-也称为降压转换器，用于将高电源电压降低到较低的值，用于降低电压要求的电力网络。由电源、开关、电感、电容等组成回程二极管(有时用第二个晶体管作为开关来代替，以减少损耗)。当开关在开启稳态后首次闭合时，晶体管开始以磁场的形式储存能量，在电路闭合的初始时刻(理想为源电压)电压降很大，并逐渐减小至零。充电一段时间后，开关打开，感应器从其存储的磁场中获取电流，继续为电路供电。至于其他组件，当开关在稳态关闭条件下打开时，反激二极管防止感应负载上的大电压尖峰，输出电容减少纹波，以获得更稳定的直流电压信号。Buck变换器可以在同步设置中与第二个晶体管一起工作，从而最大限度地减少电路“开”期间的电阻损失，这在低占空比/慢开关应用中特别有益。
• 提高升压变换器，也称为升压变换器，由与降压变换器相同的元素构成。然而，这些元件的布置方式使得稳态开启开关条件下的电感具有最大强度的磁场，而不是降压设计中的零磁场。在稳态条件下，整个电感的偏置完全发展，当开关被打开时，电流回路的总阻抗增加。为了补偿，电感器将一些磁能转换为电流，以尽量减少回路中电流的变化。在这样做的时候，在电感器上产生的一些偏置将有效地转移到负载上。电容器用于存储组合电源-电感串联组合所产生的电荷，并在开关关闭时提供负载，而二极管则防止通过开关在打开状态下的触点放电。
• Buck-boost-降压-升压变换器是各自单独电路的升压和降压功能的组合。标准设计为反向极性变换器，即在源处提供的负电压转换为负载处的正电压，反之亦然。替代设计允许在四开关配置中不反转源电压，或在Ćuk或split-pi设置中在源和负载之间进行双向功率传输。Buck-boost变换器可用于更复杂的功率电路，如单端初级电感变换器(SEPIC)。分别在降压和升压变换器中，关闭开关状态为电感充电，并允许电容器为负载提供电压源，而打开开关状态则将电感源电流直接提供给负载。

开关模式电源的一个重要工作参数是电流从电感源提供给负载的周期。据说电力电路也可以运行连续或不连续当在整个电感源周期内提供的电流大于零或在此状态下任何一点通过电感的电流为零时，分别为。

一般来说，理想的功率传递方程在不连续模式下比在连续模式下更复杂，在不连续模式下也可能发生更大的损失。例如，在连续模式下工作的功率传递函数可以是输入和输出电压的简单比值，而不连续模式可以引入电感值、占空比和其他参数。虽然从效率和设计简单的角度来看，设计为连续工作模式可能更可取，但这在一定程度上受到负载本身的限制，因为较低强度的负载可能不需要为电感源电源的整个时间框架消耗功率。

一个视觉参考的buck, boost，和buck-boost转换器理论。

特殊开关模式参数:隔离和电容

由于变压器绕组之间存在电隔离，使用变压器的开关电源被指定为隔离电源。对于安全性和信号完整性，这些电源设计提供了特殊的好处。通过打破不同子电路之间的传导路径，设计人员可以在不同电压水平下工作的独立电源之间进行通信。除了提供隔离，这些开关模式电源还可以根据变压器绕组中的匝数比提高或降低电压水平。就像上面概述的非隔离开关模式电源一样，有一些基本的拓扑结构可以无休止地调整:

• 向前-由开关、变压器、二极管、电感器和电容器组成，通过各自的场来创造和存储能量。在开关“开”状态下，能量通过变压器间隙传输，为负载提供电力。
• 回扫-在功能上设计类似于buck-boost变换器，在通断阶段之间划分整个电路。能量存储在变压器的磁通中，这就像一个比电感器效率低的磁存储单元。开态有电感构建能量和负载源电压的电容器为负载供电，而关态将磁能通过变压器传输，为负载供电并在输出电容器中存储电场。如前所述，变压器作为存储单元，与正向拓扑结构相比，显著降低了电路的效率。
• 推拉/网格状的推挽式变换器相对独特，因为两种可接受的开关位置配置都为负载提供电力，而不是更常见的为某些存储设备供电的电源风格，然后在原始电路路径中断期间为负载供电。时间在电路设计中是极其重要的，因为两个开关(通常是变压器，由于它们的响应性)关闭会导致短路，两个开关的打开会产生显著的反电动势。
• h桥——一般在机器人领域或者任何需要提供动力以允许电机向前和向后运行的设备(例如在汽车上转动车轮)。h桥允许电力通过两个不同的终端，只要该配置不会导致短路电机的直通条件。

到目前为止，讨论已经忽略了纯电容式的电源设计方法。通常称为电荷泵，该模型中的电路可以使用类似于磁充电开关模式电源的两级过程产生输入电压的整数和小数倍。一个特定的打开或关闭开关配置首先对电容器充电，而备用条件允许电源和电容器串联供电，结合负载时电源的值。电容式开关电源设计的应用领域更狭窄，主要是在低功耗电子领域，效率比绝对吞吐量更有价值。

隔离和变压器构成任何电力设计基础设施的重要组成部分。

提高电源效率的最佳实践

电源拓扑的选择与制定最佳实践以获得特定配置的最佳性能同样重要。幸运的是，这些设计标准广泛适用于任何功率设计的选择:

• 限制高电压/电流峰值-与开关模式电源相关的信号尖峰可能对电源电路构成危险，并通过电感耦合影响附近的信号。需要明确的是，不仅需要考虑高电压或电流水平，还需要考虑高变化率，即dv/dt和di/dt。连续操作模式比非连续操作更能限制峰值，但设计师也可以通过保持电流循环和返回路径直接而短来限制这些峰值。某些节点，如mosfet上的开关和门，需要减少表面积以降低电容;虽然这增加了电感，但整体效果远不如减小环路尺寸那么明显。
• 寄生-电路制造的现实意味着离散的、理想化的组件已经过时了。虽然它们发生的个别实例很小，很容易被忽视，但如果无法解释，这些影响综合起来可能是有害的。寄生表现为三个基本电路特性:
• 电阻—导体在垂直于单板平面方向上的厚度与电阻成线性和反比。过孔也提供一个标称电阻，一个更大的环形和桶长度增加电阻。
• 电容-只要铜的特征存在于平面的同一位置，但在不同的层上，就会发生电容耦合。这个电容是微不足道的，除了层之间的距离很短，但这个电容通过网络的所有区域相乘。因此，对于电力这样的人口众多的网络来说，这种耦合可能会特别令人烦恼。减少导体的重叠面积或增加层间的距离将降低该值。
• 电感-减少导线中电感的最佳方法是接地布线，导体和接地面之间的距离较短，从而减小电流回路的尺寸。
• 热-电源在运行过程中可能会产生大量的热量，但设计师可以投资许多缓解技术，以适当地布置电路板。对于被动方案，大的铜浇铸和面向空气的表面面积将是消散的主要选择。流的量越大，平面上的中断越少，热量就能更有效地穿过板并远离它的产生点。更大更复杂的包裹可能需要某种类型的热垫;始终使用最大规格的热垫设计，以最大限度地增加垫和引脚之间的接触，并为热通孔提供额外的空间。散热器也可以用来增加空气表面接触面积，通过对流进行额外冷却。记住，欧姆加热是电流的结果——改善电流路径和通道的方法也将改善热流。

一般来说，布局过程(布局和路由)应该遵循大小和优先级的逻辑流。大型组件或需要在电路板上有一定位置的组件(例如，边缘，垂直连接器远离高组件等)应该放置/布线在那些可以更灵活布置的组件之前。以这种方式划分优先级不仅可以提高性能，而且可能会节省更正布局的时间。一如既往，保持简短和直接的跟踪，并参考制造商的数据表。

电源设计是一个广泛的主题，除了本身是一个主题外，还包括许多配套的设计概念。在设计电源时，最佳实践的必要性不容忽视:电力输送不良、接地或其他问题的系统很可能在运行期间经历不合格的性能和中断。如果没有一个工具集来评估电路板设计中可能影响功率性能的各个方面，设计人员可能对电路的性能一无所知。幸运的是,抑扬顿挫的PCB设计和分析软件对在制品进行全面评估，以减少花在原型和修改上的时间。再加上OrCAD PCB Designer，用户可以实现即使是最复杂和最苛刻的电路板，具有易于使用和强大的全部功能。