原创 开关电源简介（翻译二）

上接开关电源简介（一）

SMPS的拓扑和转换理论：

　　正如在前面所提到的，依据电路拓扑的不同，SMPS可以把一个直流输入电压转换成不同的直流输出电压。现在工程应用中有多种SMPS的拓扑，其中最基本也是最常见的有三种。根据功能，可以把这些拓扑（见图二）分类为：降压型，升压型，反号型。图二中所示的电感的充电/放电路径将在后面的部分讨论。

　　图二　三种基本的拓扑结构

　　三种基本的拓扑结构都包括一个MOSFET开关，一个二极管，一个输出电容和一个电感。MOSFET，作为这个电路中有源受控元件，充当着控制器（未标出）的输出接口。这里的控制器运用一个PWM方波信号来控制MOSFET的栅，因此来控制器件的开或关。为了来维持一个稳定的输出电压。控制器要检测SMPS的输出电压，调整方波信号的占空比D，决定MOSFET在每个开关周期中的导通时间，进而来直接影响到在SMPS输出端所得到的电压。这个关系将在等式4和等式5中得到体现。

　　这个MOSFET的开关把SMPS电路分成充电和放电两个阶段，来描述电感中能量的传递（参见图2中路径）。在充电阶段，电感储存能量，并且在放电阶段把这些储存的能量传递给负载和电容。在电感充电阶段，电容对负载供电并且维持输出电压的恒定。对应着不同拓扑，这个循环的能量传递都可使电路中的输出电压保持在适当值

　　在每个开关周期中，电感是实现把能量从电源传到负载的关键元件。如果没有电感，SMPS在MOSFET开关切换的时候，将无法工作。储存在电感中的能量E依赖于通过它的电流I：

    因此，在一个具体的时间周期内，如施加在电感上的电压一定，电感中能量的改变是通过电感电流的改变来计量的。

　　如图三，在开关的导通阶段，因为作用在电感两端的电压恒定，因此，ΔI_L是一个线性的斜坡。在开关管打开阶段，注意到极性和输入输出关系，可以通过运用Kirhoff电压定律来计算电感上的电压。如，在升压转换中，放电阶段，电感电压为－（V_OUT－V_IN）。因为V_OUT大于V_IN，所以，电感上的电压是负的。

　　在充电阶段，MOSFET是导通的，二极管反偏，能量从电源传到电感（图2）。因为V_L是正的，电感电流上升。输出端的电容也要把在前一周期贮存起来的能量传给负载，来保持输出电压的恒定。

　　在放电阶段，MOSFET关掉，二极管正偏并导通。因为电源不再对电感充电，电感两端的极性改变，释放能量到负载并补充给输出端电容（图2）。电感通过前面给定的传输关系传出能量，电感电流以一定斜率下降。

　　图三　稳态下，电感上的电压电流特性

　　重复这样的充放电过程，并维持稳定的开关状态。在电路建立一个稳定状态的过程，电感电流建立到一个最终值，这个最终值是一个直流和斜波交流（电感上的纹波电流）叠加而成（如图三）。后者是在电路的两个阶段中切换时产生的。这个直流电流与输出电流有关，并且依赖于电感在SMPS电路拓扑中的位置。

　　SMPS中，为了输出一个真正的直流电流，纹波电流必须被过滤掉。这个过滤的方法就是通过输出电容对高频交流电流有较小的阻抗作用来实现。这些不期望的输出纹波电流通过输出电容旁路，并且当电流对地放电时保持电容电荷恒定，也能稳定这个输出电压。但是，在非理想的应用中，输出电容的等效的串联电阻ESR　引起输出电压纹波与流过它的纹波电流成比例。

　　总结一下：能量传递于电源、电感和输出电容间，来维持一个稳定的输出电压并且供给负载。但，SMPS的能量传输是如何决定了输出电压及转换比例呢？当应用周期波形来理解稳态时的状态，这个比例是容易计算的。

　　对于一个稳态，一个以周期Ts重复的变量必须在每个周期的开始和结束时相等。如在前面所描述的充电和放电过程，电感电流是周期变化的，也就是一个周期开始时的电感电流要等于一个周期结束时的电感电流。这意味着，电感电流在充电阶段的改变量要等于电感电流在放电阶段的改变量。使电感电流在充电和放电阶段变化相等，并要把volt-second rule,会得到一个有意思的结果:

　　简单讲(Simply put)，电感上的voltage-time　的积在不同阶段是相等的。这意味着，通过观察图2的电路，稍稍留意就会发现理想的稳态电压/电流转换比例。对降压电路，在充电阶段运用基尔霍夫电压环路定律，可以得出电感电压是输入和输出间的电压差。同样，在放电阶段，电感电压是－V_OUT　,对等式3，应用Volt-second法则，可以确定下面的电压轮换比例：

　　Further同时，在理想电路中，输入功率等于输出功率，因此可得到电流转换效率：

　　从上述结果来看，降压的转换中，输入电压是输出电压的D倍，则输出电流是输入电流的D倍。表1列出了图2中所画拓扑的转换比例。通常，通过解决等式3和等式5的方法，所有的SMPS转换比例能被找出，只是复杂的拓扑可能分析起来更困难一些

Table 1. 开关转换比例

缺点和折衷

　　当然，SMPS所得到的高效是有代价的。最最经常的问题就是开关模式转换中电磁干扰的引入和传导噪声。电磁辐射是存在于开关电路中的开关电流和开关电压的快速转变引起的。在电感节点处快速地改变电压引起辐射电场，而在充电/放电环路中，快速的开关电流产生磁场辐射。但是，当SMPS的输入/输出电容和PCB寄生对开关电流存在很大的阻抗，那么在输入和输出电路中，传导噪声会被增强。好在讲究的元件布局和好的PCB版图设计能大大降低EMI和减小噪声。

　　SMPS也可相当复杂，并要求额外的外部元件，进而增加了功率电源的总成本。好在大多数SMPS　IC生产商提供了详细的关于器件操作和选择外部元件的文档。此外，现代SMPS　IC高的集成度可以减小所要求的外部元件数量。

　　尽管存在这些问题，SMPSs还是被广泛应用着。它的缺点可以被控制，但使用开关电源所获得的效率和多样性却正是人们想要的，甚至经常是必须的。