电源技术基础 (3) - 各类电源转换器

大家好，我们继续进行 电源技术基础第三部分的讲座 关于电源的拓扑架构 我们在进行电源设计中 有很多种拓扑架构可以供我们选择 但是总体来讲电源变换 就是通过不同的拓扑架构 实现功率的变换 那第一种和最常见一大类 就是 DC/DC 的变换 在这里边有常规的像我们叫做 LDO 那它是线性稳压器的一种 那另外还有 Buck 变换器 我们会叫做降压变换器 还有就是 Boost 变换器，即升压变换器 还有升降压变换器 我们叫 Buck/Boost 变换器 那另外还有就是 AC/DC Converter 就是 AC 到 DC 的变换 比如有 Boost 用升压变换 我们这个常用于在 PFC 电路中比较常见 另外就是 Flyback 就是我们常见的反激变换器 用于实现 AC 到 DC 的变换 我们各种适配器大多数都是 基于 Flyback 拓扑结构来实现的 那还有一种叫做 DC 到 AC 我们称之为逆变 就是从直流到交流的一种变换 那还有 AC 到 AC 的变换 就是从 60Hz 变换 或者 60Hz 变换到 60Hz 简单的这种变压器 我们叫做工频变压器 还有就是满足马达控制的这种 交流到交流的变换 叫 AC to AC 的变换器 那我们有这么多种变换器 那变换器的类型 最常见我们把它可以归为两大类 一个是线性变换器 还有就是开关变换器 那线性变换器最大的特点是 它是连续的 从输入源到负载的变换 它通过调节功率器件上面的消耗 来实现稳压的输出 那另外就是开关元件 那开关变换器的设计 是通过 Burst 模式这种触发模式 通过触发功率开关器件的开通和关断 在一定周期内以一定的频率 控制它开通和关断 来实现功率的变换 那这个是典型的线性变换器的框图 那从输入 Vin 到输出 Vout 通过一个反馈回路 控制一个连续可调的功率器件 来实现线性的变换 那还有一种叫做开关变换 那就是从 Vin 到输出 它实际上通过开关管 加上电阻、电容包括电感 来实现不同拓扑架构 来实现开关变换的一个过程 那在 TI 来讲 我们把电源变换分成两大类 第一个就是 Linear，就是线性变换 常见的线性变换包含 LDO 还有我们可以用的各种电源参考的 Reference 那线性变换的特点是比较低噪声 比较小的 size 的需求 常用的线性变换 但它最大的缺点就是 它的效率会比较低 那还有就是开关变换 开关变换我们基于两种基础来做 一个是有电感 一种是无电感 那有电感我们又把它进一步细分 分成需要外置元器件的 我们把这种变换叫做需要外置 MOSFET 叫 Controller 器件 或者叫 PWM Controller 那还有就是集成 MOSFET 我们叫 Switcher 把 MOSFET 的集成在芯片内部的 我们叫 Simple Switcher 器件 或者叫 Switcher 器件等等 那还有是一种没有电感的 我们叫开关电容式 像我们常见的 Charge pump 元器件 都是没有电感的开关器件 来实现功率变换 那开关器件的特点是说 它可以实现较高的电流输出 同时具有较高的效率 那我们进一步来解释线性稳压器 这是简单的线性稳压器 Vin、Vout 然后负载电阻 通过分压取得反馈 通过反馈回路控制功率器件的可调电阻 来实现 Vout 的稳定和输出 那线性稳压器的特点 包含它的优点和缺点是什么 比如说优点包含 比较低的输出纹波和低的输出噪声 有较快的瞬态响应能力 成本也比较低 尤其在电源设计中比较容易设计 它只有三个引脚 通常来讲就是 Vin、Vout 和地 所以比较容易设计 另外就是它的 EMI 基本上是非常小的 所以在我们一些 CPU 的电路 或者说小的单片机的电路中 通常用 LDO 直接用于供电 这样它有较低的开关噪声和纹波 但是缺点就是效率比较低 尤其当 Vin 远远大于 Vout 的时候 它的效率是非常低的 那另外因为它是通过功率消耗来实现降压 所以它需要具有较好的散热 就是产生热消耗 那另外它只能用于 输出电压小于输入电压的场合 那这是它的典型应用 在一些对于非常低的纹波和噪声的应用条件 非常常用 另外当输入和输出的压差比较小 我们常选择这种线性稳压器 那另外就是快速的线性变换 我们可以选用线性稳压器 来进行电源设计 那这里把 Switcher 就是开关变换 和线性变换做了一个对比 那这一块是典型的 LDO 的一个应用场景 那这是一个开关电源的应用场景 那这是只有 2.5W 的 LDO 实现的功率变换 那这里是一个 6W 的 Switcher 的开关电源的变换 我们可以从面积上的角度来讲 LDO 由于散热的需求 它需要较大的面积 尤其有很大的一块敷铜层 来保证线性稳压器的一个热耗散 所以它的功率密度相比于 这是开关器件 相比于它们所用的 PCB 的 size 来讲 那 Switcher 具有较高的一个功率密度 相比 LDO 来讲 那从设计的角度大家可以看到 LDO 实现功率变换 很少的外部的元器件 但是开关器件有非常多的外部元器件 需要我们进行选择和设计 这是关于在真实世界 在一块 PCB 上我们看到的 线性稳压器和开关电源的 一个简单的变换和对比 那我们进一步来解释降压变换器 就是 Buck 变换 那 Buck 实际上可以实现 从较高输入电压到输出电压的一个变换 也就是一个降压变换的过程 那我们常见的 比如说像车载充电器 就是我们汽车上常用的 12V 可以满足到我们得到一个 5V 进行 USB 充电的一个车载充电器 那 DDR Memory 等等 还有各种图形卡 常见的都需要 Buck 电路 那实际上在这里我想说 TI 有十几万颗料 那么电源可能也有几万颗 在电源种类中 40% 以上的电源 基本上都是 Buck 变换 那也就是说在我们日常应用场合 大部分电路都实现 从较高电压到较低电压的输出 实现了一个 Buck 变换的过程 那这是 Buck 变换的一个工作过程 我们从这个图上可以看到 一个简单的 Buck 拓扑的话 就是一个功率开关器件、二极管还有电感 那在后面我们会对比三个器件的位置的不同 就可以变换成 Boost 变换 在这里我们介绍一下简单的工作过程 当 MOSFET 导通的时候 那实际上由于二极管特性 电流是不能流过的 那形成了这样一个电流的过程 也就是输入电压、输入电源 对电感进行充电的过程 当我们的开关断开 前面在开通过程中电感上的电压 可以通过二极管进行续流 这样就形成了 整个 Buck 工作的一个简单的过程 就是 Buck 工作的机理就是这样的 那在这里边的话 我们这个电容就常常用作 滤波和保证输出负载的稳定 就是输出负载上电压的稳定性来实现的 那这是 Buck 变换关于占空比的角度 来进行推导的一个过程 这是前面讲的两种等效电路的稳态过程 开关导通的过程对电感进行充电 开关断开电感电流通过二极管 进行续流的过程 这是两种简化等效电路 在这两个过程中有一个重要的参数就是 D 在一定的周期内 D 就是我们的占空比 就是 Duty Cycle 那在这个过程 也就是对电感进行充电的过程 那电感上的电压 V-L diL/dt 等于 vL/L 等于 (Vin-Vout)/L 那电感进行放电的过程 diL/dt 等于 vL/L 等于 -Vout/L 那前面提到过 这是放电过程 前面提到过的稳态电感平均电压为零 我们可以得到这样一个公式 当我们把这个公式进行简化和推导 最终我们可以得到 Vout=Vin·D Vout 就是我们的输出电压 Vin 就是我们的输入电压 D 就是占空比 那我们怎么来理解这个式 我们这样来理解 当我们有一个方波电路 占空比为 50% 的时候进行滤波 也就是说当输入 5V 进行一个 2.5V 的方波 乘以 0.5 的占空比 就可以得到一个平均 2.5V 的电压 这就是简单来理解一个 Buck 占空比 在操作过程中的一个推导过程 那另外为了让这个 Buck 变换 有更高的效率 我们会采用同步 Buck 变换 那这个是简单的同步变换波形 开关上的波形 同步整流开关管的电压波形 开关输出波形 和电感电流变化的波形 那在这里边我们要特别强调 在 Buck 变换过程中有两种模式 叫 CCM 模式和 DCM 就是电感电流连续模式 和电感电流不连续模式 那我们现在所有的这种假设 都是在电感电流连续的模式 来进行推导和计算的 那 Buck 变换器有哪些类型 第一个就是非同步整流 最常规的 Buck 变换的设计 那这是我们在 Buck 变换设计中最常见的 它用一个整流二极管和续流二极管 来实现整个 Buck 变换 比较低的成本 但是相比于我们第二种介绍 同步整流 Buck 变换来讲 它的效率是比较低的 而同步整流变换的话效率会更高 它的特点是用一个 MOSFET 开关 来代替了续流二极管 来实现同步整流 那效率提升但是会有相对高的成本的增加 那第三种 Buck 变换就是 Multi-phase 就是多相 或者叫交错 Interleaved 的 这种 Buck 变换 那它主要用于一些功率密度较高 以及较低纹波 来实现这种 Buck 变换的这种交错的实现 那讲完了降压变换 我们来谈一下升压变换 那升压变换实际是满足 从较低输入电压 较高的输出电压的这种变换 举例来讲，我们常用的 CPU 都是 3.3V 来供电的 但是我们一节干电池只有 0.9V 到 1.5V 如果我们选择一个单节电池 给一个单片机供电 通常来讲我们就需要升压变换 那在日常生活中我们常见的一些应用 比如说 LED 背光就是通过升压变换 来通过组串来实现 LED 的背光 另外就是功率放大器、能源的存储 还有 Haptics 就是触觉振动传感 另外就是我们 PC 端口的火电口等等 这些地方常用于升压的变换 那这是 Boost 的变换 大家还记得前面的 Buck 变换 这里是开关管 这里是续流二极管 这是电感 把三个的位置进行了不同的摆放 就实现了 Boost 变换 那它的工作原理是 当我的开关管断开的过程当中 输入电压对电感进行充电 那这时候电感上进行了储能 当开关管导通的过程 电感上已经储存了能量 从而就形成了整个电感上的电压 加上输入电压 形成了整个升压的一个过程 这就是常规的 Boost 变换器的一个工作过程 它通过开关管的开通和关断 实现升压的一个过程 那这个是 Boost 从 Duty 占空比的角度 来实现推导 那过程非常地类似 就是当开关管断开的时候 它是对电感进行充电 电感电压加上电源电压 对电压进行提升 得到两个不同的电压公式 那根据稳态电压的电感的原则 我们得到 Vout=Vin/(1-D) 这是一个升压过程 那这是常规的 Boost 一个升压过程的波形 开关节点的电压 开关电流 整流电流 还有就是电感上的电流 这也是工作在 连续导通模式条件下的电流波形 那 Boost 变换器的类型也分成了 像 Buck 变换一样 非同步的 Boost、同步 Boost 还有多相 Boost 那同样就是用 MOSFET 来代替续流二极管 来实现更高的效率 同时为了实现更高的功率 我们可以通过 Interleaved 来同时进一步降低这个纹波 来实现交错式的 Boost 的变换电路 这个是我讲的关于电源拓扑架构 谢谢大家的观看