[翻译-完成] DC/DC变换器(开关电源)设计

DC to DC Converter (Switched Mode Power Supply) Design

授权翻译自SIMONBRAMBLE.CO.UK的教程,原发表于2011年-2012年

[17.10.10 全部更新完成,正在修正以前的翻译错误]

“一般来说,很多产品的应用指南或数据手册都假设读者明白开关电源是怎么工作的,仅仅给读者提供一个“能用”的电路,但读者可能根本不明白这之中发生了些什么。
这篇文章由浅入深,讲解了DC/DC变换器设计中所需要的各个方程。读者仅需要最基本的数学知识就可以进行开关式电源的设计。文中的每一个例子都可以使用LTspice®进行仿真。”

为什么要使用DC/DC变换器:
在很多电子设计中我们需要对电压的大小进行变换。线性变压技术给出了一个简单又便宜的解决方案,但是它们在工作时会发出大量的热,一方面意味着转换效率不高,另一方面意味着可能需要额外使用体积庞大的散热片来散掉热量,防止过热。使用DC/DC变换器(开关电源)是一个非常优雅的解决方案。
后文提到的所有设计都使用了能对电感两侧的电压进行控制,从而产生所需的各种电压的IC。为了理解这些IC的工作原理,我们首先需要明白电感是如何工作的。

电感(Inductors):
当电感两侧存在电压时,流经电感的电流遵循以下方程:

\( \frac{V}{L}=\frac{di}{dt} \)

在这里,V是电感两侧的电压(单位为V),L是电感的值(单位为H),di是电流的微分(单位为A),dt是时间的微分(单位为s)。当电感两侧电压恒定时,通过电感的电流随时间线性上升。
当电感两侧的电压消失后,电感自身会产生一个电压,试图保持当前的电流大小。DC-DC就是通过利用这个电压来产生比输入电压更高或更低的电压的。
后文中会对电感进行更加详细的介绍。

总共有4种非隔离式DC/DC变换器:

1.■ Buck变换器设计
将电压降低,通常是将正的高电压降为正的低电压

2.■ Boost变换器设计
将电压升高,通常是将正的低电压升为正的高电压

3.■ Buck-Boost变换器设计
将比所需电压高或低的电压转换为恒定的输出电压

4.■ 负压变换器设计 (单电感负压器 & Ćuk型变换器)
产生一个负压,不少书中将这种变换器也称作buck-boost变压器,但实际上按规范来讲应该加以区分。大多数工程师会按照前文提到的方式定义buck-boost变换器

另外还有几种隔离式DC/DC变换器,在这里我们着重讲flyback型变换器

5.  flyback变换器设计
这种变换器需要使用变压器,对于外部电路而言该变压器的行为类似于两个分离的电感。处于这种原因flyback变换器在结构上非常类似Boost变换器

电流模式DC/DC变换器工作原理
解释了电流型DC/DC变换器的工作原理,包括误差放大器,反馈网络,电流检测电阻以及软起动引脚的解析

反馈电阻计算器
可以使用这份电子表格来计算反馈电阻的值

LTspice 是 Linear Technology Corporation 的注册商标

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