01

摘要

決定拓?fù)溥x擇的一個(gè)重要因素是輸入電壓和輸出/輸入比。圖1示出了常用隔離的拓?fù)湎鄬?duì)適用的電壓范圍。拓?fù)溥x擇還與輸出功率，輸出電壓路數(shù)，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等有關(guān)。一般情況下，對(duì)于給定場(chǎng)合你可以應(yīng)用多種拓?fù)?，不可能說某種拓?fù)鋵?duì)某種應(yīng)用是絕對(duì)地適用，因?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)還有設(shè)計(jì) 者對(duì)某種拓?fù)涞慕?jīng)驗(yàn)、元器件是否容易得到、成本要求、對(duì)技術(shù)人員要求、調(diào)試設(shè)備和人員素質(zhì)、生產(chǎn)工藝設(shè)備、批量、軍品還是民品等等因素有關(guān)。因此要選擇最好的拓?fù)?，必須熟悉每種拓?fù)涞拈L(zhǎng)處和短處以及拓?fù)涞膽?yīng)用領(lǐng)域。如果隨便選擇一個(gè)拓?fù)?，可能一開始就宣布新電源設(shè)計(jì)的失敗。

02

輸入和輸出

如果輸出與輸入共地，則可以采用非隔離的Buck，Boost共地變換器。這些電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元器件少。如果輸入電壓很高，從安全考慮，一般輸出需要與輸入隔離。

在選擇拓?fù)渲?，你首先?yīng)當(dāng)知道輸入電壓變化范圍內(nèi)，輸出電壓是高于還是低于輸入電壓？例如，Buck變換器僅可用于輸出電壓低于輸入電壓的場(chǎng)合，所以，輸出電壓應(yīng)當(dāng)在任何時(shí)候都應(yīng)當(dāng)?shù)陀谳斎腚妷?。如果你要求輸?4V，輸出15V，就可以采用Buck拓?fù)?；但是輸?4V是從8V～80V，你就不能使用Buck變換器，因?yàn)锽uck變換器不能將8V變換成15V。如果輸出電壓始終高于輸入電壓，就得采用Boost拓?fù)洹?/p>

如果輸出電壓與輸入電壓比太大（或太小）是有限制的，例如輸入400V，要求輸出48V還是采用Buck變換器，則電壓比太大，雖然輸出電壓始終低于輸入電壓，但這樣大的電壓比，盡管沒有超出控制芯片的最小占空比范圍，但是，限制了開關(guān)頻率。而且功率器件峰值電流大，功率器件選擇困難。如果采用具有隔離的拓?fù)?，可以通過匝比調(diào)節(jié)合適的占空比。達(dá)到較好的性能價(jià)格比。

03

開關(guān)頻率和占空比的實(shí)際限制

1、開關(guān)頻率

在設(shè)計(jì)變換器時(shí)，首先要選擇開關(guān)頻率。提高頻率的主要目的是減少電源的體積和重量。而占電源體積和重量最大的是磁性元件?，F(xiàn)代開關(guān)電源中磁性元器件占開關(guān)電源的體積（20%～30%），重量（30%～40%），損耗20%～30%。根據(jù)電磁感應(yīng)定律有：

式中U－變壓器施加的電壓；N－線圈匝數(shù)；A－磁芯截面積；ΔB－磁通密度變化量；f－變壓器工作頻率。

在頻率較低時(shí)，ΔB受磁性材料飽和限制。由上式可見，當(dāng)U一定時(shí)，要使得磁芯體積減少，匝數(shù)和磁芯截面積乘積與頻率成反比，提高頻率是減少電源體積的主要措施。這是開關(guān)電源出現(xiàn)以來無數(shù)科技工作者主要研究課題。

但是能否無限制提高開關(guān)電源頻率？非也。主要有兩個(gè)限制因素：第一是磁性材料的損耗。高頻時(shí)一般采用鐵氧體，其單位體積損耗表示為：

式中η－不同材料的系數(shù)；f－工作頻率；Bm－工作磁感應(yīng)幅值。α和β分別為大于1的頻率和磁感應(yīng)損耗指數(shù)。一般α＝1.2～1.7；β=2～2.7。頻率提高損耗加大，為減少損耗，高頻時(shí)，降低磁感應(yīng)Bm使得損耗不太大，違背了減少體積的目的。否則損耗太大，效率降低。再者，磁芯處理功率越大，體積越大散熱條件越差，大功率磁芯也限制開關(guān)頻率。

其次，功率器件開關(guān)損耗限制。以Buck變換器為例來 說明開關(guān)損耗。圖2是典型的電流連續(xù)Buck變換器功率管電流電壓波形圖?？梢钥吹?，晶體管開通時(shí)，集電極電流上升到最大值時(shí)集電極電壓才開始下降。關(guān)斷時(shí)，集電極電 壓首先上升到最大值集電極電流才開始下降。假定電壓、電流上升和下降都是線性的?？梢缘玫介_關(guān)損耗為

式中tr=tri?trv—開通時(shí)電流上升時(shí)間與電壓下降時(shí)間之和；td=tdi?tdv—關(guān)斷時(shí)電壓上升時(shí)間與電流下降時(shí)間之和。一般tr?td<T/20。假定tr＝td＝ts—開關(guān)時(shí)間。則：

如果電流斷續(xù)，只有關(guān)斷損耗，開關(guān)損耗為：

可見，開關(guān)損耗與頻率、開關(guān)時(shí)間成正比。斷續(xù)似乎比連續(xù)開關(guān)損耗少一半，但應(yīng)當(dāng)注意，在同樣輸出功率時(shí)，功率管電流至少是電流連續(xù)時(shí)的一倍，除了器件電流定額加大，成本增加外，導(dǎo)通壓降損耗也增加。濾波電感磁芯工作在正激變壓器狀態(tài)，磁芯和線圈高頻損耗也將大大增加。雖然，通過軟開關(guān)技術(shù)可以減少開關(guān)損耗，但請(qǐng)注意，軟開關(guān)總是利用LC諧振，諧振電流（或電壓）很大，諧振電流通過晶體管、電感L和電容C，這些元器件也是有損耗的。有時(shí)只提高效率1～2％，但電路復(fù)雜，元件數(shù)增多，成本增加，有時(shí)甚至得不償失。

目前用MOSFET開關(guān)的電源，功率在5kW以下，工作頻率一般在200kHz以下。BJT最高達(dá)50kHz。3kW以上采用IGBT的最高30kHz。用MOSFET與IGBT（BJT）組合管最高也不超過100kHz。變換功率幾十瓦，當(dāng)然工作頻率可以提高。

此外，變換功率越大，電流電壓越大，如果大功率管與小功率管相同的電流上升和下降速率，大功率管需要更長(zhǎng)的開關(guān)時(shí)間。何況大功率器件芯片面積大，為避免電流集中降低開關(guān)時(shí)電流升降速率也增加了開關(guān)時(shí)間。可見，變換功率越大，允許開關(guān)頻率越低。

如果你聽說他的開關(guān)電源工作頻率可達(dá)幾個(gè)MHz，你得問問他的變換功率有多大？

2、占空度

開關(guān)變換器的變換比（輸出電壓與輸入電壓比）太大或太小是有限制的。首先，變換器占空比（開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間與開關(guān)周期之比）受控制芯片最大和最小值的限制。在有些拓?fù)渲校伎毡炔荒艽笥?.5?？傊ㄓ肞WM控制IC芯片通常不保證占空比能大于0.85；有些芯片在合理的工作頻率下，也不保證占空比在0.05以下能以較小的損耗快速驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極。

例如，開關(guān)頻率為250kHz，周期為4μs，如果占空比是0.1，MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間僅為0.4μs，要是MOSFET的開通時(shí)間為0.1μs，關(guān)斷時(shí)間也為0.1μs，幾乎大部分導(dǎo)通時(shí)間被過渡時(shí)間“吃”掉了，損耗加大。這就為什么變換功率越高，工作頻率越低的原因之一。

不管控制IC和高電流柵極驅(qū)動(dòng)等等，只要不將占空比設(shè)計(jì)在最小0.1和最大0.8（對(duì)于0.5限制度變換器為0.45）之外，那就不必?fù)?dān)心。

如果采用的拓?fù)溆凶儔浩鳎儽瓤梢哉{(diào)節(jié)占空度。但變比也有限制。如果變比太大或太小，初級(jí)與次級(jí)導(dǎo)線尺寸相差太大，線圈繞制發(fā)生困難。一般初級(jí)與次級(jí)匝比最大為10:1,最小為1:10。要是你需要由很低的電壓獲得高壓，你是否考慮采用兩級(jí)變換器或次級(jí)采取倍壓電路提升電壓。

04

幾個(gè)輸出？

緊接占空比的問題是多少輸出。例如，如果不是1個(gè)輸出，Buck是不適合的。在有些情況下，可以加后續(xù)調(diào)節(jié)器得到另一個(gè)電壓，實(shí)際的例子是用Buck變換器產(chǎn)生5V輸出，再由線性調(diào)節(jié)器（或另一個(gè)開關(guān)）從5V輸入產(chǎn)生一個(gè)3.3V輸出。但相關(guān)的瞬態(tài)、噪聲、損耗應(yīng)滿足要求。

最壞的情況下，設(shè)計(jì)多個(gè)獨(dú)立的變換器，而不是采用復(fù)雜的許多線圈的磁元件。在開始設(shè)計(jì)之前，你得考慮考慮，要是采用多輸出變換器，或許節(jié)省了幾塊錢的控制IC，但可能花幾十塊錢做那個(gè)復(fù)雜的多線圈磁元件。在設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)權(quán)衡磁元件、電路元件及附加成本，不要就事論事。

05

隔離

在設(shè)計(jì)前預(yù)先要知道次級(jí)與初級(jí)是否需要隔離。如輸入由電網(wǎng)或高壓供電，作為商品有安全規(guī)范（以及EMI問題）需要隔離的要求。典型的例子是輸入與輸出有500V交流耐壓要求。你知道安全要求后，有些拓?fù)?，像沒有隔離的Buck,Boost等等將排除在外。

06

EMI

在設(shè)計(jì)開始時(shí)就要想到EMI問題，不要等到設(shè)計(jì)好了再考慮EMI。有些拓?fù)淇赡苡性S多成功地避免EMI問題。如果是不隔離的系統(tǒng)，因?yàn)樵谙到y(tǒng)中不涉及到第三根導(dǎo)線，如單獨(dú)用電池供電，就沒有共模噪聲，這使你濾波變得容易。

此外，某些拓?fù)渚褪潜绕渌負(fù)渚哂懈嗟脑肼暋^(qū)別在于某些拓?fù)湓诿總€(gè)周期的部分時(shí)間與輸入斷開，引起輸入電流的中斷。如果輸入電流連續(xù)，就沒有陡峭的上升和下降沿，電流不會(huì)為零，就容易濾波。

Buck變換器就是輸入電流斷續(xù)的一個(gè)例子，因?yàn)楫?dāng)開關(guān)打開時(shí)，輸入電流為零。Boost變換器的電感始終接在輸入回路中，但輸入電流是否連續(xù)取決于Boost是否工作在斷續(xù)還是連續(xù)。

筆者建議大功率電源最好不要采用輸入電流斷續(xù)的拓?fù)?，因?yàn)槟切┩負(fù)渫ǔＰ枰芑ㄥX的磁元件。

07

BJT，MOSFET還是IGBT？

拓?fù)溥x擇與所能用的功率器件有關(guān)。就目前可以買到的功率器件有雙極型（BJT）功率管，MOSFET和IGBT。雙極型管的電壓定額可超過1.5kV，常用1kV以下，電流從幾mA到數(shù)百A；MOSFET在1kV以下，常用500V以下,電流數(shù)A到數(shù)百A；IGBT電壓定額在500V以上，可達(dá)數(shù)kV，電流數(shù)十A到數(shù)kA。

不同的器件具有不同的驅(qū)動(dòng)要求：雙極型晶體管是電流驅(qū)動(dòng)，大功率高壓管的電流增益低，常用于單開關(guān)拓?fù)?。在低功率到中等功率范圍，除了特別的理由以外，90%選擇MOSFET。

理由之一是成本。如果產(chǎn)品產(chǎn)量大，雙極性管仍然比MOSFET便宜。但是使用雙極型功率管就意味著開關(guān)頻率比MOSFET低，因此磁元件體積比較大。這樣是否還合算？你得仔細(xì)研究研究成本。

高輸入電壓（380V）時(shí)，或推挽拓?fù)浼由纤矐B(tài)電壓要求雙倍以上電壓，選擇功率管你可能感到為難，如果采用雙極型管，你可以買到1500V雙極型管，而目前能買到MOSFET最大電壓為1000V，導(dǎo)通電阻比BJT大。當(dāng)然，你可能考慮用IGBT，遺憾的是IGBT驅(qū)動(dòng)雖然像MOSFET，而它的開關(guān)速度與雙極型管相似，有嚴(yán)重的拖尾問題。

可見，低壓（500V）以下，基本上是MOSFET天下，小功率（數(shù)百瓦）開關(guān)頻率數(shù)百kHz。IGBT定額一般在500V以上，電流數(shù)十A以上，主要應(yīng)用于調(diào)速，基本上代替高壓達(dá)林頓雙極型管。工作頻率最高可達(dá)30kHz，通常在20kHz左右。因?yàn)閷?dǎo)通壓降大，不用于100V以下。

為了提高IGBT或BJT的開關(guān)速度，也可將MOSFET與BJT或IGBT組合成復(fù)合管。圖3（b）中U（BR）CBO/70A的BJT與50V/60A的MOSFET串聯(lián)，用于三相380V整流電感濾波輸入（510V）雙端正激3kW通信電源中。導(dǎo)通時(shí)首先驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，這時(shí)BJT工作在共基極組態(tài)，發(fā)射極輸入電流，或因MOSFET導(dǎo)通漏極電壓下降，BJT發(fā)射結(jié)正偏，產(chǎn)生基極電流，導(dǎo)致集電極電流，通過比例驅(qū)動(dòng)電路形成正反饋，使得BJT飽和導(dǎo)通。當(dāng)關(guān)斷時(shí)，首先關(guān)斷MOSFET，發(fā)射結(jié)反偏，使得BJT迅速關(guān)斷。共基極頻率特性是共射極的β倍。提高了關(guān)斷速度。低壓MOSFET導(dǎo)通電阻只有mΩ數(shù)量級(jí)，導(dǎo)通損耗很小。實(shí)際電路工作頻率為50kHz。

MOSFET與IGBT并聯(lián)也是利用MOSFET的開關(guān)特性。要達(dá)到這一目的，應(yīng)當(dāng)這樣設(shè)計(jì)MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)：開通時(shí)，PWM信號(hào)可同時(shí)或首先驅(qū)動(dòng)MOSFET導(dǎo)通，后導(dǎo)通IGBT。IGBT零電壓導(dǎo)通。關(guān)斷時(shí)，先關(guān)斷IGBT，IGBT是零電壓關(guān)斷；在經(jīng)過一定延遲關(guān)斷MOSFET。MOSFET承擔(dān)開關(guān)損耗；在導(dǎo)通期間，高壓MOSFET導(dǎo)通壓降大于IGBT，大部分電流流過IGBT，讓IGBT承擔(dān)導(dǎo)通損耗。這種組合實(shí)際例子工作頻率50kHz，3kW半橋拓?fù)洹?/p>

08

連續(xù)還是斷續(xù)

電感（包括反激變壓器）和電流（安匝）連續(xù)還是斷續(xù)：在斷續(xù)模式的變換器中，電感電流在周期的某些時(shí)刻電流為零。電流（安匝）連續(xù)是要有足夠的電感量維持最小負(fù)載電流ILmin（包括假負(fù)載），在周期的任何時(shí)刻電感都應(yīng)當(dāng)有電流流通。即

其中T－開關(guān)周期；D＝Ton/T－占空比；Ton－晶體管導(dǎo)通時(shí)間。我們假定整流器的正向壓降與輸出電壓相比很小。要是最小負(fù)載電流為零，你必須進(jìn)入斷續(xù)模式。

在實(shí)際電源設(shè)計(jì)時(shí)，一般電源有空載要求，又不允許電感體積太大，在輕載時(shí)肯定斷續(xù)，在這種情況下，有時(shí)設(shè)置假負(fù)載，并當(dāng)負(fù)載電流超過使假負(fù)載斷開，否則可能引起閉環(huán)控制的穩(wěn)定性問題，應(yīng)當(dāng)仔細(xì)設(shè)計(jì)反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

同步整流是一個(gè)例外。變換器應(yīng)用同步整流總是連續(xù)模式，沒有最小電感要求。

09

同步整流

在現(xiàn)今許多低輸出電壓應(yīng)用場(chǎng)合，變換器效率比成本更（幾乎）重要。從用戶觀點(diǎn)來說，比較貴的但高效率的變換器實(shí)際上是便宜的。如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)電源效率低，真正計(jì)算時(shí)間常常很少，而待機(jī)時(shí)間很長(zhǎng)，將花費(fèi)更多的電費(fèi)。

如果效率很重要，就要考慮采用同步整流技術(shù)。即輸出整流采用MOSFET。當(dāng)今可買到許多IC驅(qū)動(dòng)芯片既能驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管，也能很好驅(qū)動(dòng)同步整流器。

采用同步整流的另一個(gè)理由是它將電流斷續(xù)模式工作的變換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鬟B續(xù)工作模式。這是因?yàn)榧词箾]有負(fù)載，電流可以在兩個(gè)方向流通（因?yàn)镸OSFET可以在兩個(gè)方向?qū)ǎ?。運(yùn)用同步整流，解除了你對(duì)模式改變的擔(dān)心（模式改變可能引起變換器的不穩(wěn)定）和保證連續(xù)的最小電感要求。

同步整流一個(gè)問題這里值得提一下。主開關(guān)管在同步整流導(dǎo)通前關(guān)斷，反之亦然。如果忽略了這樣處理，將產(chǎn)生穿通現(xiàn)象，即輸入（或輸出）電壓將直接對(duì)地短路，而造成很高的損耗和可能導(dǎo)致失效。在兩個(gè)MOSFET關(guān)斷時(shí)間，電感電流還在流。通常，MOSFET體二極管不應(yīng)當(dāng)流過電流，因?yàn)檫@個(gè)二極管恢復(fù)時(shí)間很長(zhǎng)。如假定MOSFET截止時(shí)體二極管流過電流，當(dāng)體二極管恢復(fù)時(shí)，它在反向恢復(fù)起短路作用，所以一旦輸入（或輸出）到地通路，發(fā)生穿通，就可能導(dǎo)致變換器失效，如圖4（b）所示。

解決這個(gè)問題可用一個(gè)肖特基二極管與MOSFET的體二極管并聯(lián)，讓它在場(chǎng)效應(yīng)管截止時(shí)流過電流。（因?yàn)樾ぬ鼗恼驂航当润w二極管低，肖特基幾乎流過全部電流，體二極管的反向恢復(fù)時(shí)間與關(guān)斷前正向電流有關(guān)，所以這時(shí)可以忽略）

10

電壓型與電流型控制

開關(guān)電源設(shè)計(jì)要預(yù)先考慮是采用電壓型還是電流型控制，這是一個(gè)控制問題。幾乎每個(gè)拓?fù)涠伎梢圆捎脙烧咧?。電流型控制可以逐個(gè)周期限制電流，過流保護(hù)也變得容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)對(duì)推挽或全橋變換器可以克服輸出變壓器的磁偏。但如果電流很大，電流型需要檢測(cè)電阻（損耗很大功率）或互感器（花費(fèi)很多錢）檢測(cè)電流，就可能影響你的選擇。不過這樣過流保護(hù)檢測(cè)倒是順?biāo)浦哿恕５?，如果你把電流控制型用于半橋變換器，有可能造成分壓電容電壓不平衡。所以對(duì)于大功率輸出，應(yīng)當(dāng)考慮選擇那一種更好。

11

結(jié)論

最好你在設(shè)計(jì)一個(gè)電源之前，應(yīng)當(dāng)預(yù)先知道你的電源工作的系統(tǒng)。詳細(xì)了解此系統(tǒng)對(duì)電源的要求和限制。對(duì)系統(tǒng)透徹地了解，可大大降低成本和減少設(shè)計(jì)時(shí)間。

實(shí)際操作時(shí)，你可以從變換器要求的規(guī)范列一個(gè)表，并逐條考慮。你將發(fā)現(xiàn)根據(jù)這些規(guī)范限制你可以選擇的拓?fù)鋬H是一個(gè)到兩個(gè)，而且根據(jù)成本和尺寸拓?fù)溥x擇很容易。一般情況下，可根據(jù)以上各種考慮選擇拓?fù)洌?/p>

① 升壓還是降壓：輸出電壓總是高于還是低于輸入電壓？如果不是，你就不能采用Buck或Buck/Boost。

② 占空度：輸出電壓與輸入電壓比大于5嗎？如果是，你可能需要一個(gè)變壓器。計(jì)算占空度保證它不要太大和太小。

③ 需要多少組輸出電壓？如果大于1,除非增加后續(xù)調(diào)節(jié)器，一般需要一個(gè)變壓器。如果輸出組別太多，建議最好采用幾個(gè)變換器。

④ 是否需要隔離？多少電壓？隔離需要變壓器。

⑤ EMI要求是什么？如果要求嚴(yán)格，建議不要采用像Buck一類輸入電流斷續(xù)的拓?fù)洌x擇電流連續(xù)工作模式。

⑥ 成本是極其重要嗎？小功率高壓可以選擇BJT。如果輸入電壓高于500V，可考慮選擇IGBT。反之，采用MOSFET。

⑦ 是否要求電源空載？如果要求，選擇斷續(xù)模式，除非采用問題8。也可加假負(fù)載。

⑧ 能采用同步整流？這可使得變換器電流連續(xù)，而與負(fù)載無關(guān)。

⑨ 輸出電流是否很大？如果是，應(yīng)采用電壓型，而不是電流型。

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