【導讀】由于所有電子系統都需要某種類型的電源，因此電源的研究已比較透徹，人們對它也比較了解。但是，由于從移動設備到線路供電硬件等應用中的電源持續呈現出體積減小，能效、可靠性和電源完整性要求提高的趨勢，電源的設計和選擇仍舊對工程師們構成了嚴峻的挑戰。
隨著 5G 等高速數據通信系統的興起，定時和噪聲容限要求也變得極高。
為了解決以小巧的外形實現高效、可靠供電的難題，電源設計人員正在將反激式拓撲用于開關模式電源 (SMPS)。此拓撲適用于高達 150 瓦的功率水平，可提供元器件數少、尺寸小且成本低的設計，還提供輸入/輸出隔離以及卓越能效等優點。
本文將討論開關模式電源的工作原理，并簡要了解電源的自制與外購決策過程。此外還將研究采用反激式拓撲的單輸出電源設計，并提供使用現成零件和元器件的設計示例。
開關模式電源
SMPS（即轉換開關）作為一種電源，使用開關穩壓器維持來自交流或直流電源的穩定輸出電壓。開關穩壓器使用一個或多個半導體器件（例如雙極結式晶體管、MOSFET 或 IGBT）在通斷狀態之間切換，以維持輸出電壓調節。這些器件可采用固定“導通”時間和可變頻率工作，或是更常見的是，以固定頻率和可變占空比工作。開關器件處于“導通”或“關斷”狀態時的功率耗散較低，因而能效較高。器件僅在狀態轉換期間才會耗散功率。此外，由于開關頻率通常為數十千赫，因此可以大幅縮小變壓器、電感器和電容器的尺寸，實現高容積效率。
潛在的電磁干擾 (EMI) 會抵消 SMPS 的優勢。這要歸因于開關瞬態，但通過細致的元器件選擇、布局和屏蔽可以加以改善。因此，SMPS 的優勢遠遠超過了它的缺點，這讓 SMPS 成為最常用的電源，而線性電源則退居至僅用于最靈敏的電子應用。
SMPS 拓撲
SMPS 可以在多種不同的電路設計或拓撲中實現。常用的拓撲有數十種（表 1）。
表 1：10 種最常用的開關模式電源拓撲（數據來源：Digi-Key Electronics）
反激式拓撲
反激式轉換器是最常用的 SMPS 電路（圖 1）。
圖 1：使用單個 MOSFET 開關和反激式變壓器的反激式轉換器功能示意圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
反激式拓撲的主要優勢是它的簡單性。在任意給定的功率水平下，該拓撲是元器件數最少的 SMPS 拓撲。電源可使用直流或交流電源供電。當配置為從交流線路（市電）工作時，線路通常采用全波整流。輸入源 (Vi) 為直流。
該電路的核心是反激式變壓器。與傳統的變壓器繞組不同，反激式變壓器的初級和次級繞組不會同時承載電流。這是因為繞組相為反相，繞組上的圓點記號和次級側的串聯二極管指示了這一點。
使用反激式變壓器帶來了幾個好處。首先，電源的初級側和次級側可以電氣隔離。隔離減少了初級側的瞬態耦合、消除了接地環路，并在電源的輸出極性方面提供了更大的靈活性。
利用該變壓器可以在電源中生成多個輸出電壓。變壓器針對每個電壓增加額外的繞組。調壓僅基于單一輸出，而次級輸出通常在局部進行調壓。
電路從開啟開關（例如 MOSFET）開始工作（圖 2）。
圖 2：分別顯示兩種工作模式的原理波形的反激式電源工作情況。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
當開關處于接通狀態時，VDRAIN 近乎零伏，電流 IP 流經變壓器的初級繞組。能量儲存在變壓器的磁化電感中。此電流隨時間呈線性增長。次級側的串聯二極管被反向偏壓，并且次級側沒有電流流動。儲存在輸出電容器的能量向輸出供應電流。
當 MOSFET 開關被關斷時，變壓器中儲存的能量通過二極管輸出到輸出電容器和輸出負載。次級電流值開始時較高，之后以線性方式遞降。如果次級電流在開關重新接通之前降至零，則電源被稱為斷續電流模式 (DCM) 電源。反之，如果次級電流沒有降至零，則電源被稱為連續電流模式 (CCM) 電源。由于電感器中儲存的能量在每個開關周期都會完全釋放，因此 DCM 電源可以使用較小的變壓器。此外，該電源通常更穩定，產生的 EMI 也更低。
儲存在變壓器漏泄電感中的能量在開關關斷時流入初級側，并由輸入箝位或“吸收”電路吸收，該電路的作用是保護半導體開關不會被高感應電壓損壞。只有當開關在通斷狀態之間轉換時才會耗散功率（圖 3）。
圖 3：顯示 MOSFET 開關的電壓和電流波形以及瞬時功率耗散的反激式電源測量。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
圖 3 中最上面的跡線是反激式電源中 MOSFET 開關的電壓。彩色覆蓋部分指示 MOSFET 的狀態。藍色覆蓋部分指示器件處于導通狀態，而紅色區域則指示器件處于關斷狀態。中間的跡線是流經器件的電流。最下面的跡線顯示瞬時功率，其計算方法為所施加電壓與所產生電流的乘積。可以觀察到，開關轉換期間的功率耗散最明顯。而跡線下面的讀數自左至右依次顯示：開啟、導通、關閉和關斷狀態期間的功率損耗，以及所有區域的功率損耗總和。
控制器/穩壓器
開關器件（如圖 2 所示示意圖中的 MOSFET）由控制器或開關模式穩壓器驅動。多數情況下，控制器會將脈沖寬度調制 (PWM) 波形應用于開關的控制元件，對 MOSFET 而言即為柵極。電源輸出被反饋到控制器，控制器則通過改變柵極驅動信號的占空比來保持恒定的輸出電壓。這樣，控制器就圍繞反激式轉換器構成了一個閉環控制系統。
控制器還可以處理數種輔助功能，例如防止電源出現過載、過壓或低功率線路狀態，還能管理電源的啟動，確保實現有效控制的（“軟”）啟動，最大限度減小初始電流和電壓瞬態。
SMPS 設計
有多家半導體元器件供應商提供有設計工具，可幫助設計開關模式電源，例如 Texas Instruments 的 WEBENCH Power Designer（圖 4）。
圖 4：Texas Instruments WEBENCH 電源設計中心的開啟頁面顯示了 25 瓦 5 伏反激式電源 SMPS 設計的基本規格。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
該設計從用戶輸入供電電壓范圍、目標輸出電壓和電流等電源規格開始。本案例中，目標設計為采用隔離式拓撲、從交流電源工作的 5 伏、5 安電源。而對于更復雜的多輸出電源，還提供有高級電源架構設計工具。
該軟件從這一點開始一系列的設計并提示用戶選擇控制器。用戶可以查看每項設計的原理圖、物料清單 (BOM) 成本、能效和一些相關的電路規格。
此示例選擇的是 Texas Instruments UCC28740 反激式轉換器，并且顯示了設計原理圖（圖 5）。
圖 5：使用 WEBENCH 建議的光隔離反饋的 25 瓦交流 SMPS 原理圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
將指針指向原理圖上的任意元器件都會顯示詳細的零件描述，并且還有機會選擇替代元器件。控制器 (U1) 通過 CEL PS2811-1-F3-A 光隔離器接收輸出反饋。此反饋方法會在電路的初級部分與次級部分之間保持電氣隔離。控制器則將 PWM 驅動信號提供給電源開關 M1，即 STMicroelectronics 的 STB21N90K5 900 伏、18.5 安 MOSFET。此外，該設計工具還能幫助選擇或設計反激式變壓器。
設計摘要頁概述了關鍵設計元素（圖 6）。
圖 6：設計摘要整合了所建議設計的全部元素。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
用戶可以利用優化器的調整部分來優化設計，實現最低 BOM 成本、最小封裝或最高能效。經驗不足的設計人員也可以利用此工具，通過查看多項設計以及元器件變化所產生的影響來獲取經驗。
自制還是外購？
毫無疑問，工程師除非有 SMPS 方面的相關經驗，否則都會有一個學習過程。如果上市時間非常重要，那么最好購買標準電源，或訂立合同獲得自定義電源設計。但如果有時間和技術人員，尤其當多個項目都需要電源時，設計電源也是值得的。換言之，反復接觸 SMPS 設計將會增進設計人員所需的專業知識。
總結
開關模式電源可提供較高的能效和較小的尺寸。針對低于 150 瓦的功率水平，采用反激式拓撲的電源具有多路輸出、元器件數少和線性隔離等優勢。
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