高压高电流开关电源如何设计

从集成电路到分立元件的大型电源，您的下一个 PCB 将需要某种电源调节方案才能正常运行。我们喜欢认为电源始终提供平滑的AC或DC输出，但事实并非如此。精密模拟系统和数字系统需要稳定、可预测的高效率电压输出。

考虑到这一点，是什么决定了开关电源设计中的效率、稳定性和功率输出?我们可以将其归结为五个方面：

开关转换器拓扑

配套电路

元件选择

开关频率

PDN阻抗

上述最后两点通常是开关电源设计的事后考虑，但它们对于低级系统最重要，例如低功耗物联网设备和精密模拟系统。以下是您需要了解的有关开关电源设计的信息。

开关电源设计技巧

低电平直流系统

用于低功率/低电平数字系统的典型开关电源可能在小型 IC 封装中包含控制电路。在这种情况下，您主要关心的是确保未调节的输入保持在正确的范围内。对于电池供电的系统，电池电压会随着电池放电而下降，因此您需要确保输出保持在所需的电压/电流以保持系统运行。典型的拓扑结构是在输出级放置一个LDO 稳压器，只要其输入电压高于所需的裕量，就可以确保一致的输出电压和电流。一般需要放置输入输出EMI滤波电路，以及调节输出功率所需的电感和电容。

高功率系统

对于高电压/低电流，或低电压/高电流，您可以购买开关稳压器IC，其中包含您需要的稳压器电路。在这种情况下，您需要遵循与低功耗工作时相同的布局和组件选择策略。开关稳压器IC可提供各种输出功率并可接受各种输入。

对于大功率系统(高电压和大电流)，情况就大不相同了，您需要从头开始对开关电源设计中的每个功能块进行布局。您通常需要考虑以下设计方面以使系统产生所需的功率输出：

脉宽调制发生器。这将降压、升压、降压-升压或其他转换器拓扑的输出设置为特定水平，具体取决于占空比。在现代稳压器IC中，PWM发生器可能是可编程的并集成到转换器中。在其他情况下，您可以使用MCU或单独的发生器IC提供PWM信号。

带反馈的控制电路。控制电路一般依靠反馈进行精确控制，开关电源设计也不例外。高功率系统通常使用电流检测放大器来检查电流输出是否处于所需水平。然后，PWM发生器或MCU使用输出放大器通过调整PWM信号的占空比来调整输出电压。

坚固的组件。您需要做的最后一件事是您的电源系统出现故障，因为您的组件无法处理它们需要提供的电流/电压。如果过度驱动到极端水平(热故障)，半导体(特别是用于开关电源的FET)可能会发生故障。

热管理。如果系统不散发热量，即使是 99% 效率的电源调节器也会达到高温。保持系统冷却通常需要散热器、风扇或两者兼而有之。

如果您正在设计带有交流电源的直流电源转换，最好包括一个用于交流电源的功率因数校正 (PFC) 电路。这将确保电源中的开关稳压器级汲取接近正弦波的电流源，而不是在短时间内汲取电流。这增加了整个稳压器的总功率因数，进而减少了作为热量损失的功率量(即更高的效率)。

选择PWM开关频率

开关电源中PWM信号的开关频率将决定损耗水平，因为该信号负责调制驱动 MOSFET 中的栅极电压。使用更高的频率会导致 MOSFET 更频繁地开启和关闭，从而减少在 MOSFET 中的累积。然而，边沿速率也很关键，因为它决定了 MOSFET 通道是否被充分调制到关闭状态。在边缘速率较慢的情况下，即使 PWM 信号可能已降至 0 V，MOSFET 仍可保持导通。

通过使用更快的边沿速率，您可以将MOSFET推入更深的关断状态，从而降低开关稳压器部分的热损耗。结合更高的PWM频率和更快的PWM边沿速率允许在稳压器电路中使用物理上更小的组件。然而，权衡更大的传导和辐射 EMI，因为 PWM 信号将以更高的频率发射。~100 kHz PWM 频率在大多数电源中是典型的，但是当 PWM 频率以 ~1 ns 边缘速率达到 1 MHz 时，高效开关电源设计可以变得更高效并使用更小的组件。

将 PWM 开关设置为高于开关稳压器的滚降频率将防止开关噪声传导到稳压器输出，滚降频率在如下所示的基本降压-升压转换器的电路图中定义。请注意，如果您可以在开关稳压器中使用较小的组件，则可以使用较大的PWM开关频率。

隔离和PDN阻抗

我们尚未明确讨论的一点是开关电源设计中的隔离，电源隔离是为您的电源系统添加安全措施的好方法。

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