大多數電子系統需要在電源電壓和要供電的電路電壓之間進行某種轉換。 當電池失去電量時，電壓會下降。 一些DC-DC轉換可以確保電池中儲存的更多能量用於為電路供電。 另外，如果我們使用110V交流線，就無法直接為微控制器等半導體供電。 由於幾乎每個電子系統都使用電壓轉換器（也稱為電源），因此多年來它們已針對不同用途進行了最佳化。 當然，最佳化目標通常是解決方案尺寸、轉換效率、EMI 和成本。

簡單電源：LDO

一種簡單的電源形式是低壓差（LDO）穩壓器。 LDO 是一種線性調節器，與開關調節器相對。 線性穩壓器在輸入電壓和輸出電壓之間放置可調電阻，這意味著無論輸入電壓如何變化，無論設備通過哪個負載電流，輸出電壓都是固定的。 圖 1 顯示了這個簡單電壓轉換器的基本原理。

圖 1. 線性穩壓器將一種電壓轉換為另一種電壓。

多年來，典型的電源變換器由50Hz或60Hz的變壓器組成，連接到電網上，產生一定匝數比的不穩定輸出電壓，比電網所需的電源電壓高幾伏特。 然後，使用線性穩壓器將該電壓轉換為電子產品所需的穩定穩壓電壓。 圖 2 顯示了該概念的框圖。

2. 線路變壓器後接線性穩壓器。

圖 2 中的基本設置的問題是 50 Hz/60 Hz 變壓器相對笨重且昂貴。 此外，線性穩壓器也會散發大量的熱量，因此系統的整體效率較低，而且由於系統功率較高，產生的熱量也很難消除。

為了避免如圖所示電源的缺點。 2、開關電源發明。 它們不依賴50 Hz或60 Hz交流電壓，而是使用直流電壓，有時對交流電壓進行整流，產生更高頻率的交流電壓以使用較小的變壓器，或在非隔離系統中使用LC濾波器對電壓進行整流以產生直流輸出電壓。 此方案的優點是體積小、成本相對較低。 產生的交流電壓不需要是正弦電壓波形。 簡單的 PWM 訊號波形可以很好地工作，並且可以使用 PWM 產生器和開關輕鬆產生。

直到 2000 年，雙極電晶體都是常用的開關。 它們具有良好的性能，但切換速度相對較低。 效率不高，開關頻率僅限於50kHz或100kHz。 現在我們用開關MOSFET代替雙極型電晶體，開關速度要快得多。 另一方面，開關損耗較低，開關頻率高達5 MHz。 如此高的開關頻率使功率級能夠使用非常小的電感和電容。

開關穩壓器帶來許多優點。 它們通常提供高效率的電壓轉換，允許升壓和降壓，並提供相對緊湊和低成本的設計。 缺點是設計和最佳化過程複雜，開關轉換和開關頻率也會產生EMI。 開關模式電源穩壓器與 LTpowerCAD® 和 LTspice® 電源設計工具的出現大大簡化了這個困難的設計過程。 借助這些工具，開關電源的電路設計過程可以實現半自動化。

電源隔離

在設計電源時，首先要回答的問題是是否需要電氣隔離。 使用電氣隔離有多種原因。 它可以提高電路的安全性，允許浮動系統運行，並防止雜訊接地電流通過電路中的不同電子設備傳播。 兩種常見的隔離拓樸是反激式轉換器和正激式轉換器。 然而，對於更高功率，可以使用其他隔離拓撲，例如推挽式、半橋式和全橋式。

如果不需要電氣隔離，大多數情況下會使用非隔離拓撲。 拓撲總是需要變壓器，這種設備通常價格昂貴且體積龐大，通常很難獲得滿足定制電源確切要求的現成設備。

不需要隔離時最常見的拓撲

常見的非隔離開關模式電源拓撲是降壓轉換器，也稱為降壓轉換器，它接收正輸入電壓並產生低於輸入電壓的輸出電壓。 它是三種基本開關模式電源拓撲之一，只需要兩個開關、一個電感和兩個電容器。 圖 3 顯示了這種拓撲的基本原理。 高階開關從輸入端發送脈衝電流，並產生開關模式電壓，在輸入電壓和接地電壓之間交替。 LC濾波器獲取開關節點的脈衝電壓並產生直流輸出電壓。 根據高階開關的PWM訊號的佔空比，產生不同電平的直流輸出電壓。 此 DC-DC 降壓轉換器效率高，相對容易構建，並且需要很少的組件。

圖 3. 簡單降壓轉換器的概念。

降壓轉換器在輸入端發出脈衝電流，而輸出端則具有來自電感器的連續電流。 這就是為什麼降壓轉換器的雜訊在輸入端很大，但在輸出端卻不那麼大。 在設計低噪音系統時了解這一點很重要。

除了降壓拓樸之外，第二種基本拓樸是升壓拓樸。 升壓拓撲使用與降壓拓撲相同的五個基本功率元件，但經過重新排列後，電感器放置在輸入處，高側開關放置在輸出處。 升壓拓撲用於將輸入電壓升壓至高於輸入電壓的輸出電壓。

圖 4. 簡單升壓轉換器的概念。

選擇升壓轉換器時，需要注意的是，升壓轉換器的資料表中始終指定最大額定開關電流，而不是最大輸出電流。 在降壓轉換器中，最大開關電流與最大可實現輸出電流直接相關，與輸入電壓和輸出電壓之間的電壓比無關。 在升壓調節器中，電壓比直接影響基於固定最大開關電流的可能的最大輸出電流。 選擇合適的升壓穩壓器IC時，不僅要了解所需的輸出電流，還要了解開發時設計的輸入和輸出電壓。

升壓轉換器在輸入端的雜訊非常低，因為與輸入連接一致的電感可以防止電流快速變化。 但在輸出端，這種拓樸的雜訊非常大。 我們只看到流過外部開關的脈衝電流，因此我們比降壓拓撲更關注輸出漣波。

第三種基本拓樸是反相降壓-升壓轉換器，它僅由五個基本元件組成。 此轉換器採用正輸入電壓並將其轉換為負輸出電壓，因此得名。 另外，輸入電壓可以高於或低於反相輸出電壓的絕對值。 例如，–-12 V 輸出電壓可以由輸入處的 5 V 或 24 V 產生。 無需任何特殊的電路修改就可以發生這種情況。 圖 5 顯示了反相降壓-升壓轉換器的電路概念。

圖 5. 簡單反相降壓-升壓轉換器的概念。

在反向降壓-升壓拓撲中，電感從開關節點接地。 轉換器的輸入和輸出處存在脈衝電流，因此此拓樸的輸入和輸出處的雜訊較高。 在低雜訊應用中，可以透過添加額外的輸入和輸出濾波來補償此特性。

反向降壓-升壓拓撲的一個優點是任何降壓開關穩壓器 IC 都可以用於該轉換器。 只要將降壓電路的輸出電壓連接到系統接地即可。 IC降壓電路的接地端將成為調整後的負電壓。 這項特點使得開關穩壓器IC在市場上的選擇範圍很廣。

特殊拓撲

除了前面討論的三種基本非隔離開關模式電源拓撲之外，還有許多可用的拓撲。 但是，它們都需要額外的電源組件。 這通常會增加成本並降低電源轉換效率。 儘管有一些例外，但在電源路徑中添加額外的元件通常會增加損耗。 一些常見的拓撲包括 SEPIC、Zeta、UK 和 4 開關降壓-升壓。 它們都具有三種基本拓樸所不具備的功能。 以下是每個拓撲的重要功能清單：

01

SEPIC：SEPIC可以從高於或低於輸出電壓的正輸入電壓產生正輸出電壓。 升壓穩壓器IC可用於設計SEPIC電源。 這種拓樸的缺點是需要第二個電感器或耦合電感器和 SEPIC 電容器。

02

Zeta：此 Zeta 轉換器與 SEPIC 類似，但可以產生正或負輸出電壓。 此外，它沒有右半平面零點（RHPZ），從而簡化了調節迴路。 降壓轉換器 IC 可用於此拓撲。

03

UK：UK轉換器可以將正輸入電壓轉換為負輸出電壓。 它使用兩個電感，一個在輸入，一個在輸出，因此輸入和輸出的雜訊非常低。 缺點是支援這種拓撲的開關模式電源轉換 IC 並不多，因為調節迴路需要負電壓回授引腳。

04

 4開關降壓-升壓：這種類型的轉換器近年來變得非常流行。 它從正輸入電壓提供正輸出電壓。 輸入電壓可能高於或低於調節的輸出電壓。 此轉換器具有更高的功率轉換效率，並且只需要一個電感器，因此它取代了許多 SEPIC 設計。常見隔離拓撲

除了非隔離拓撲之外，有些應用還需要電隔離電源轉換器。 原因可能是出於安全考慮，在不同電路相互連接的大型系統中需要浮動接地，或在雜訊敏感應用中需要防止接地電流迴路。 常見的隔離轉換器拓樸有反激式轉換器和正激式轉換器。

反激式轉換器通常用於高達 60 W 的功率等級。 此電路的工作方式是在導通時間內將電能儲存在變壓器中。 斷開時，電能釋放到轉換器的次級側，為輸出供電。 這種轉換器很容易建造，但需要一個相對較大的變壓器來儲存正常運作所需的所有電力。 一方面，這種拓撲結構僅限於較低的功率等級。 圖 6 顯示了頂部的反激式轉換器和底部的正激式轉換器。

6. 反激式轉換器（上）和正向轉換器（下）。

除了反激式轉換器外，正激式轉換器也很受歡迎。 它使用變壓器的方式與反激式轉換器不同。 在導通期間，雖然初級繞組有電流流過，但次級繞組也有電流流過。 電能不應儲存在變壓器線圈中。 在每個開關週期後，我們必須確保線圈的所有磁化強度都釋放為零，這樣變壓器在經過幾個開關週期後才不會飽和。 可以使用幾種不同的技術從線圈釋放電能。 一種常見的方法是使用帶有小型額外開關和電容器的有源箝位。

圖 7 顯示了使用 ADP1074 進行主動箝位正向設計的 LTspice 模擬環境的示意圖。 在正激轉換器中，輸出路徑中存在反激轉換器中沒有的額外電感，如圖 6 所示。 儘管這個附加元件具有相關的空間和成本影響，但與反激式轉換器相比，它有助於產生更低的雜訊輸出電壓。 此外，在與反激式轉換器相同的功率等級下，正激式轉換器所需的變壓器尺寸可能要小得多。

圖 7. 使用 ADP1074 產生隔離輸出電壓的主動箝位正激電路，如 LTspice 中的模擬所示。

先進的隔離拓撲

除了反激式和正激式拓樸之外，基於不同變壓器的電氣隔離轉換器還有許多概念。 下面的列表給出了常見轉換器的一些基本解釋：

• 推挽式：推挽式拓樸類似正激轉換器拓樸。 然而，這種拓撲需要兩個主動低側開關而不是一個低側開關。 還需要具有中心抽頭的初級變壓器。 與正激變換器相比，推挽變換器具有雜訊更低、變壓器更小的優點。 變壓器BH曲線的磁滯是用在兩個像限而不是一個像限。
  

• 半橋/全橋：這兩種拓樸通常用於更高功率的設計，從幾百瓦一直到幾千瓦。 除了低邊開關外，它們還需要高邊開關，但它們可以透過相對較小的變壓器實現高功率傳輸。
  

• ZVS：在討論高功率隔離轉換器時通常會提到這個術語。 它代表零電壓開關。 此類轉換器的另一個術語是 LLC（電感-電感-電容）轉換器。 這些架構的目的是實現高效率的轉換。 當開關上的電壓或電流接近零時，它們將產生諧振電路並切換電源開關。 透過這種方式，開關損耗被最小化。 但這種設計實現起來比較困難，而且開關頻率不固定，有時會造成EMI問題。

  
  

開關電容變換器

除了線性穩壓器和開關模式電源之外，還有第三組電源轉換器：開關電容器轉換器。 也稱為電荷泵。 他們使用開關和電容器來倍增或反轉電壓。 一個很大的優點是它不需要任何電感。 這種類型的轉換器通常用於 5 W 以下的低功率等級。 然而，最近的重大進展允許使用更強大的開關電容器轉換器。 圖 8 顯示了具有 7820% 效率和 98.5 W 設計的 LTC120，它將 48 V 轉換為 24 V。

圖 8. LTC7820 固定比率高功率充電幫浦 DC-DC 控制器。

數字電源

本文討論的所有電源都可以作為類比或數位電源實現。 到底什麼是數位電源？ 電源必須隨時經過開關、電感器、變壓器和電容器的類比功率等級。 數字方面由兩個數位構建塊引入：

• 第一個是數位接口，電子系統可以透過該接口與電源進行通訊。 可即時設定不同參數，優化不同工況的供電。 此外，電源還可以與主處理器通訊並引起警告或故障訊號。 例如，系統可以輕鬆監控負載電流、超過預設閾值或電池溫度過高。
  

• 第二個數位建構模組使用數位環路代替類比調節迴路。 這效果很好，但對於大多數應用來說，最好採用對某些參數有一定數字影響的標準類比回授環路，例如立即調整誤差放大器的增益或動態設定環路補償參數以實現穩定但快速的回饋環路。

ADI 的 ADP1046A 就是具有純數位控制迴路的裝置的一個範例。 LTC3883 是透過數位影響和類比控制迴路進行最佳化的數位介面降壓穩壓器的範例。

EMI注意事項

電磁幹擾（EMI）一直是開關電源設計時需要注意的問題。 原因是開關電源會在短時間內切換大電流。 切換速度越快，系統的整體效率就越好。 更快的開關速度可以減少開關部分導通的時間。 在這部分導通時間內，將發生大部分開關損耗。 圖9顯示了開關模式電源在開關節點處的波形。 以降壓調節器為例。 高電壓由通過高側開關的電流定義，而低電壓則由沒有電流流過高側開關定義。

圖 9. 開關模式電源的開關速度和開關頻率。

如圖所示。 9.開關電源產生的雜訊不僅來自調整後的開關頻率，也來自遠高於頻率的開關速度。 儘管開關頻率通常在 500 kHz 至 3 MHz 之間運行，但開關時間可能長達幾納秒。 在 1 ns 切換時間內，頻譜中對應的頻率將為 1 GHz。 至少這兩個頻率將被視為電磁輻射干擾和傳導輻射。 調節迴路的振盪或電源與濾波器的相互作用也可能帶來其他頻率。

降低 EMI 有兩個原因。 第一個原因是保護由特定電源供電的電子系統的功能。 例如，系統訊號路徑中使用的 16 位元 ADC 不應拾取來自電源的開關雜訊； 第二個原因是為了滿足世界各國政府制定的一些EMI法規，以同時保護不同電子系統的可靠功能。

EMI 有兩種形式：輻射 EMI 和傳導 EMI。 降低輻射EMI的有效方法是優化PCB佈局，並採用ADI公司的Silent Switcher®等技術。 這樣的技術。 當然，將電路放在屏蔽金屬盒中也是有效的。 然而，這可能不切實際，而且在大多數情況下成本高昂。

傳導 EMI 通常會透過附加濾波來衰減。 接下來，將討論減少傳導輻射的額外過濾。

濾波

RC濾波器是一種基本的低通濾波器。 但在電源設計中，每個濾波器都是LC濾波器。 一般情況下，串聯一些電感就足夠了，因為它會與開關電源的輸入或輸出電容一起構成LC或CLC濾波器。 有時僅使用電容器作為濾波器，但考慮到電源線或走線的寄生電感，我們將電容器組合起來形成LC濾波器。 電感l可以是帶有線圈的電感或鐵氧體磁珠的電感。 LC濾波器的目的實際上是一種低通效應，允許直流電通過，很大程度上衰減高頻幹擾。 LC濾波器具有雙極點，因此可以實現40dB/倍頻程的高頻衰減。 此濾波器可以實現相對急劇的頻率下降。 設計濾波器並不容易； 然而，由於電路的寄生元件（例如走線電感）會產生影響，因此對濾波器進行建模也需要對主要寄生效應進行建模。 這使得模擬濾波器相當耗時。 許多具有濾波器設計經驗的設計人員都知道哪些濾波器效果很好，並且可能會迭代優化濾波器以獲得新的設計。

在設計所有濾波器時，不僅需要考慮小訊號行為，例如波特圖中濾波器的傳遞函數，還需要考慮大訊號效應。 在任何 LC 濾波器中，電源都會通過電感器。 如果輸出端不再需要電源，則由於突然的負載瞬變，儲存在電感器中的電能需要在某處釋放。 它將給濾波器的電容器充電。 如果濾波器不是針對這種最壞情況而設計的，則儲存的電能可能會導致電壓過衝，從而損壞電路。

最後，濾波器具有一定的阻抗。 此阻抗與連接到濾波器的電源轉換器的阻抗相互作用。 這種相互作用可能導致不穩定和振盪。 Analog devices 的模擬工具（例如 LTspice 和 LTpowerCAD）有助於回答所有這些問題並設計出色的濾波器。 圖 10 顯示了 LTpowerCAD 設計環境中濾波器設計人員的圖形使用者介面。 使用此工具設計濾波器非常簡單。

圖 10. 使用 LTpowerCAD 設計降壓穩壓器的輸入濾波器。

靜音切換器

電磁幹擾很難阻止。 需要某種金屬材料製成的特殊屏蔽罩。 這樣做的成本是非常高的。 長期以來，工程師一直在尋找減少開關模式電源引起的電磁輻射干擾的方法。 幾年前，Silent Switcher 技術取得了重大突破。 透過降低開關電源熱路中的寄生電感，並將熱路分成兩個高度對稱佈置的電路，電磁輻射干擾大部分相互抵消。 如今，許多 Silent Switcher 設備的電磁輻射干擾比傳統產品低得多。 減少電磁輻射干擾可以提高開關速度，而不會產生嚴重的 EMI。 提高開關速度可以降低開關損耗，進而提高開關頻率。 LTC3310S 就是這項創新的一個例子，它的開關頻率為 5 MHz，並使用低成本外部元件來實現非常緊湊的設計。

電源管理是必要的，但它也可以很有趣。

在本文中，我們討論了電源設計的許多方面，包括不同的電源拓撲及其優缺點。 這些資訊對於電源工程師來說非常基礎，但對於專家和非專業人士來說，在設計過程中使用 LTpowerCAD 和 LTspice 等軟體工具很有幫助。 利用這些工具，可以在短時間內設計和優化電源轉換器。

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