方軍濤，羅龍剛

（1.中央軍委裝備發(fā)展部軍事代表局駐武漢地區(qū)軍事代表室，湖北 武漢 430074；2. 武漢中原電子集團有限公司，湖北 武漢 430205）

0 引 言

電子設(shè)備常用的直流穩(wěn)壓電源分為線性電源和開關(guān)電源兩大類。開關(guān)電源相比于線性穩(wěn)壓電源，具有功耗低、效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于精密化和集成化程度越來越高的電子設(shè)備，并且取得了快速發(fā)展，代表了直流供電電源的發(fā)展方向。

1 開關(guān)電源基本原理及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

開關(guān)電源的核心組成部分是DC/DC變換電路。利用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，將一種形式的電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的電路都可以稱為開關(guān)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換后的輸出電壓通過閉環(huán)負(fù)反饋加以穩(wěn)定，且?guī)в斜Ｗo電路的稱為開關(guān)電源。開關(guān)電源DC/DC變換主要有兩大類，即基本的不帶變壓隔離器的和帶變壓隔離器的。這里對非隔離的轉(zhuǎn)換電路的Buck變換電路選型進行詳細(xì)介紹。非隔離DC/DC變換電路有4種基本形式，即Buck變換、Boost變換、Buck-Boost變換和Boost-Buck 變換[1]。

2 非隔離電路拓?fù)渲瓸uck變換

2.1 Buck變換電路形式

Buck變換也稱為降壓變換，輸出電壓Vo小于輸入電壓Vin。圖1為受脈沖波形控制的晶體管Q1、二極管D1、電感L和電容C組成的Buck變化電路圖。

圖1 Buck變換電路

開關(guān)管Q1導(dǎo)通時，電感上的電流IL為輸入電流，此時二極管D1上所加電壓的極性為上正下負(fù)，D1不導(dǎo)通，負(fù)載R上流過的電流為Io，加在負(fù)載上的電壓為Vo，極性與輸入電壓極性相同。只要電感線圈未飽和，IL就是線性增加的。當(dāng)IL＞Io時，電容C充電；當(dāng)IL=Io時，C充電完畢，電路穩(wěn)定。

開關(guān)管Q1關(guān)斷時，為了使IL不變，在磁場的作用下L兩端的電壓極性改變。當(dāng)IL＜Io時，電容C放電，使負(fù)載電壓Vo不變，此時二極管D1導(dǎo)通，與電感和負(fù)載構(gòu)成回路，負(fù)載R兩端的電壓Vo的極性一直不變。二極管D1稱為續(xù)流二極管，不僅可以與電感和負(fù)載一起構(gòu)成導(dǎo)通回路，還可以避免反向電壓擊穿開關(guān)管。

PWM脈沖輸入到電流放大器并以負(fù)反饋方式控制開關(guān)管Q1的通斷。若輸入電壓Vin稍微升高，則EA輸出電壓Vea將降低使鋸齒波與Vea的交點提前，Q1導(dǎo)通時間Ton縮短使輸出電壓Vo=VinTon/T保持不變。同理，若Vin下降，則導(dǎo)通時間Ton正比的延長使Vo保持不變。Q1導(dǎo)通時間的改變使采樣電壓總是等于參考電壓，即VoR2/(R2+R1)=Vref。

2.2 +6 V輸出電路的設(shè)計

設(shè)計的+6 V輸出電路采用峰值電流模式控制實現(xiàn)簡單控制環(huán)路補償和逐周期電流限制的同步降壓直流轉(zhuǎn)換器。選擇TI公司的電源轉(zhuǎn)換芯片LM43603，實現(xiàn)較寬輸入電壓（3.5～36 V）轉(zhuǎn)換為可調(diào)輸出電壓（1.0～28 V），最大可達(dá)3 A的負(fù)載驅(qū)動電流。圖2為LM43603為滿足需求的原理圖設(shè)計。

2.3 設(shè)計實現(xiàn)

根據(jù)項目需求，要達(dá)到的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

通過查詢該器件的數(shù)據(jù)手冊，輸出電壓大于等于3.3 V時，選擇把芯片BIAS引腳連接至Vout，如圖2所示。

該器件的輸出電壓可通過外部串聯(lián)電阻構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)動態(tài)可調(diào)。圖2中，分壓網(wǎng)絡(luò)由RFBT和RFBB組成。根據(jù)式（1）可以由轉(zhuǎn)換器的輸出電壓確定反饋網(wǎng)絡(luò)：

根據(jù)推薦值選取RFBT為1 MΩ，期望得到6 V的輸出電壓。由器件電子特性可知反饋引腳電壓VFB=1.011 V（0.994～1.026 V）。反饋電阻RFBB的值由式（1）可得為202.65 kΩ，這里取最接近的值205 kΩ。

表1 設(shè)計參數(shù)需求

2.3.1 關(guān)于開關(guān)頻率的選擇

當(dāng)RT引腳開路時，該芯片缺省的開關(guān)頻率為500 kHz。如果要選擇其他工作頻率（200 kHz～2.2 MHz），可以通過式（2）來計算：

除了通過RT設(shè)置開關(guān)頻率，該芯片還提供sync引腳以通過外部時鐘同步開關(guān)頻率。

一般來說，選擇較高的開關(guān)頻率可以減小濾波器件Lo和Co的體積，但同時會增加開關(guān)損耗，且需要更大的散熱器，所以通常要按實際情況折中選取。

2.3.2 關(guān)于輸入電容的選擇

圖2 LM43603輸出+6 V原理圖設(shè)計

輸入端高頻去耦電容典型的推薦大小為4.7～10 μF。為留夠充足的電壓余量，陶瓷電容耐壓值為2倍的最大輸入電壓是必要的，所以這里選擇歐中公司4.7 μF/50 V的多層陶瓷貼片電容2個并聯(lián)使用。在輸入端還可以選擇一個0.1 μF/50 V的陶瓷電容做高頻濾波，在PCB布局時盡可能地靠近芯片的輸入腳Vin放置該電容。

2.3.3 關(guān)于輸出電感的選擇

在Buck轉(zhuǎn)換電路中，輸出電感選擇的首要標(biāo)準(zhǔn)是自感系數(shù)。峰峰值紋波電流通常取ΔiL=(1/5～2/5)×Iout，電感峰值電流由式（3）得到：

電感的取值范圍可以由式（4）給出：

其次，選擇標(biāo)準(zhǔn)是電感飽和電流比[2]。功率電感所過電流為最大負(fù)載電流與紋波電流之和IL-peak=ILoad-max+ΔiL。電感電流在IL-MAX的±10%范圍內(nèi)波動，電感的設(shè)計應(yīng)保證它在直流電流為1.1/IL-MAX時仍不明顯飽和。

這里選擇8.2 μH的電感，此電感額定電流3.25 A，飽和電流7.5 A。

2.3.4 輸出電容的選擇

輸出電容并非理想電容，可等效為寄生電阻R和電感L與理想純電容C的串聯(lián)。通常選擇會影響輸出電壓紋波，總希望紋波電流的大部分分量流入輸出電容。輸出電壓的紋波由輸出濾波電容、等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感共同作用。

ESR最大值由式（8）取得：

3 非隔離電路拓?fù)渲瓸oost變換

Boost變換器又稱為升壓變換器、并聯(lián)開關(guān)電路、三端開關(guān)型升壓穩(wěn)壓器，線路由開關(guān)管Q2、電感L2、電容C組成，如圖3所示。

圖3 Boost變換電路

開關(guān)管Q2導(dǎo)通時，二極管D2關(guān)斷，電感線圈L中的電流線性增加，同時儲存能量。當(dāng)Q2關(guān)斷時，L兩端的電壓極性改變。為使流過電感的電流IL維持不變，L中儲存的能量與輸入電源疊加在一起向負(fù)載R供電，同時電容C充電。L放電結(jié)束后，電容的充電過程也結(jié)束。當(dāng)Vo下降時，電容會向R放電，使Vo增大。

輸出電壓的調(diào)整是通過負(fù)反饋環(huán)控制Q2的導(dǎo)通時間實現(xiàn)的。若直流負(fù)載電流上升，則導(dǎo)通時間Ton會自動增加，為負(fù)載提供更多能量。若Vin下降而Ton不變，則峰值電流即L的儲能會下降，導(dǎo)致輸出電壓下降。但是，負(fù)反饋環(huán)會檢測到電壓的下降，并通過增大Ton來維持輸出電壓恒定。

Boost變換器有兩種不同的工作模式：一個周期結(jié)束時電感電流已降為零，則工作于不連續(xù)模式，同時說明電感中儲存的能量在開關(guān)管關(guān)斷時全部傳遞給輸出端；若一個周期結(jié)束時電感電流沒有降為零，則工作于連續(xù)模式。

4 非隔離電路拓?fù)渲瓸uck-Boost變換

Buck-Boost也稱升降壓式變換器，即輸出電壓可以大于也可以小于輸入電壓，但是它的極性與輸入電壓相反，電路如圖4所示。

開關(guān)管Q3導(dǎo)通時，D3截止，電感L3儲存能量，濾波電容處于放電狀態(tài)，以維持負(fù)載R上的電壓Vo基本不變；開關(guān)管Q3截止時，電感兩端電壓發(fā)生改變，極性為下正上負(fù)，二極管承受正向電壓而導(dǎo)通，此時電感L3將儲存的能量釋放給負(fù)載R和電容C3，一方面為電容C3充電，另一方面維持負(fù)載電壓Vo不變。由此可見，開關(guān)管導(dǎo)通時間的長短決定了電源輸送給負(fù)載的能量的多少，導(dǎo)通時間長輸送的能量就多，輸出電壓就高，Buck-Boost變換的電壓變比就大。

圖4 Buck-Boost變換電路

5 開關(guān)電源保護電路的設(shè)計

開關(guān)電源在由它與負(fù)載所組成的整個電子系統(tǒng)中，不但要承受來自電路與外界的（如電壓跌落、浪涌與中斷、頻率變化、波形失真、持續(xù)噪聲、電磁干擾、瞬變等）不良影響的考驗，還要經(jīng)受來自負(fù)載的（如過流、短路、瞬變、過電壓等）嚴(yán)格考驗。因此，設(shè)計開關(guān)電源時，僅考慮電源的常規(guī)輸入、輸出性能是不夠的，還要對電源進行保護電路的設(shè)計。

開關(guān)電源中一般設(shè)有完善的保護電路，如過壓保護、過流保護和防反接保護等。它的保護方式主要是當(dāng)電路出現(xiàn)過流或過壓時使電路停振以及輸入正負(fù)極反接時達(dá)到保護的目的。在本設(shè)計方案中，輸入級的保護電路原理設(shè)計如圖5所示。

圖5 輸入級保護電路

5.1 過壓保護電路

輸入級的過電壓又分浪涌過電壓和電源電壓過高兩種情況[3]。對浪涌過電壓選擇在電源的進線端并聯(lián)TVS管和壓敏電阻UR進行保護，兩個同時在保護電路中使用具有互相補充的作用，都可以對瞬變電壓起到很好的抑制作用。TVS管有響應(yīng)速度快、可靠性高、不易老化、最大箝位電壓偏離擊穿電壓小、壓敏電阻過流能力相對較大、尺寸小、成本低等優(yōu)勢。對電源電壓過高的保護一般是在輸入濾波后加入電壓檢測電路，這里選取凌特公司LT4356過壓檢測芯片。

通過檢測由R1和R2構(gòu)成的反饋電壓網(wǎng)絡(luò)的電壓，直流輸出電壓Vout超過設(shè)定的電壓最大值+30 V時，控制芯片可以通過輸出一個低電平使開關(guān)管Q4截止來中斷輸入電壓，以保護后級轉(zhuǎn)換器中的功率開關(guān)管不會因過高電壓而損壞。

現(xiàn)在有些單片開關(guān)電源本身具有過壓保護功能，輸出過電壓會直接造成負(fù)載電路的損壞。所以，過壓保護的取樣點一般在穩(wěn)壓電源的輸出端上，當(dāng)輸出電壓過高時觸發(fā)控制電路使開關(guān)電路停振，從而起到保護電路的作用。

5.2 過流保護電路

6 開關(guān)電源的電磁兼容性EMC設(shè)計

EMC（Electromagnetic Compatibility）即電磁兼容性，包括電磁干擾與電磁忍受兩方面[4]。電磁干擾泛指電子裝置產(chǎn)生的電磁波對周圍電子裝置的干擾能力，而電磁忍受則是指電子裝置所能夠忍受周圍環(huán)境電磁波干擾的程度。

6.1 開關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生機理

開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾按噪聲干擾源種類來分，可以分為尖峰干擾和諧波干擾兩種。若按耦合通路來分，可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。功率開關(guān)管在導(dǎo)通時流過較大的脈沖電流，輸入電流波形在阻性負(fù)載時近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。功率開關(guān)管在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起電流突變也會產(chǎn)生尖峰干擾。開關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量，通過開關(guān)電源的輸入輸出導(dǎo)線傳播出去而形成的干擾稱為傳導(dǎo)干擾；而諧波和寄生振蕩的能量，通過傳輸線傳播時會在空間產(chǎn)生電場和磁場，這種通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。還有元器件的寄生參數(shù)、PCB的近場干擾，且器件的安裝、放置以及方位的不合理都會造成電磁干擾。

6.2 電磁干擾的抑制

輸出端使用電容濾波可以使輸出的直流電壓更加平滑。大容量的電容可以用來穩(wěn)定輸出。由于電容兩端電壓不能突變，因此使輸出平滑。但是，在選擇濾波電容時，容量太大浪費成本，太小會深度放電導(dǎo)致欠壓，所以要根據(jù)設(shè)計的開關(guān)電源的參數(shù)選擇合適的容量。

合理的布局布線也可抑制電磁干擾。通常，布局布線時遵循以下基本原則[5-7]。

（1）低電平信號線不能靠近高電平信號線，包括能產(chǎn)生瞬變的信號；

（2）將模擬電路和數(shù)字電路分開，避免模擬電路、數(shù)字電路和電源公共回線產(chǎn)生公共阻抗耦合；

（3）布線時要使信號線長度盡量??；

（4）保證相鄰板之間、同一板相鄰層面之間、同一層面相鄰布線之間不能有過長的平行信號線；

（5）在每個IC的電源和地之間都應(yīng)當(dāng)有去耦電容，而且盡可能地接近IC引腳，有助于濾除IC的開關(guān)噪聲；

（6）電磁干擾濾波器要盡可能靠近干擾源；

（7）對噪聲敏感的布線不要與大電流、高速開關(guān)線平行，如開關(guān)器件的驅(qū)動信號、反饋回路等；

（8）在電源或高壓電路中走線之間留有足夠的爬電距離是安全的重要因素；

（9）正確選擇單點接地。通常，濾波電容公共端應(yīng)是其他接地點耦合到大電流的交流地的唯一連接點，同一級電路的接地點應(yīng)盡量靠近，且本級電路的電源濾波電容也應(yīng)接在該級接地點上。因為電路各部分回流到地的電流是變化的，因此實際電流通過回路的阻抗不同會導(dǎo)致電路各部分地電位的變化而引入干擾；

（10）盡量加粗接地線。若接地線很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，造成電子設(shè)備的信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此，要確保每一個大電流的接地端采用盡量短而寬的印制線，盡量加寬電源、地線寬度。它們的關(guān)系是“地線＞電源線＞信號線”。如有可能，接地線的寬度應(yīng)大于3 mm[7]。也可用大面積銅層作地線用，在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。

7 結(jié) 論

本文介紹了開關(guān)電源的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并詳細(xì)分析了Buck降壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計中參數(shù)選取的步驟，研究了開關(guān)電源保護電路的設(shè)計，最后對開關(guān)電源電磁兼容性方面進行了設(shè)計考慮。