從集成電路到分立元件的大型電源，您的下一個 PCB 將需要某種電源調節方案才能正常運行。我們喜歡認為電源始終提供平滑的AC或DC輸出，但事實并非如此。精密模擬系統和數字系統需要穩定、可預測的高效率電壓輸出。

考慮到這一點，是什么決定了開關電源設計中的效率、穩定性和功率輸出?我們可以將其歸結為五個方面：

開關轉換器拓撲

配套電路

元件選擇

開關頻率

PDN阻抗

上述最后兩點通常是開關電源設計的事后考慮，但它們對于低級系統最重要，例如低功耗物聯網設備和精密模擬系統。以下是您需要了解的有關開關電源設計的信息。

開關電源設計技巧

低電平直流系統

用于低功率/低電平數字系統的典型開關電源可能在小型 IC 封裝中包含控制電路。在這種情況下，您主要關心的是確保未調節的輸入保持在正確的范圍內。對于電池供電的系統，電池電壓會隨著電池放電而下降，因此您需要確保輸出保持在所需的電壓/電流以保持系統運行。典型的拓撲結構是在輸出級放置一個LDO 穩壓器，只要其輸入電壓高于所需的裕量，就可以確保一致的輸出電壓和電流。一般需要放置輸入輸出EMI濾波電路，以及調節輸出功率所需的電感和電容。

高功率系統

對于高電壓/低電流，或低電壓/高電流，您可以購買開關穩壓器IC，其中包含您需要的穩壓器電路。在這種情況下，您需要遵循與低功耗工作時相同的布局和組件選擇策略。開關穩壓器IC可提供各種輸出功率并可接受各種輸入。

對于大功率系統(高電壓和大電流)，情況就大不相同了，您需要從頭開始對開關電源設計中的每個功能塊進行布局。您通常需要考慮以下設計方面以使系統產生所需的功率輸出：

脈寬調制發生器。這將降壓、升壓、降壓-升壓或其他轉換器拓撲的輸出設置為特定水平，具體取決于占空比。在現代穩壓器IC中，PWM發生器可能是可編程的并集成到轉換器中。在其他情況下，您可以使用MCU或單獨的發生器IC提供PWM信號。

帶反饋的控制電路?？刂齐娐芬话阋揽糠答佭M行精確控制，開關電源設計也不例外。高功率系統通常使用電流檢測放大器來檢查電流輸出是否處于所需水平。然后，PWM發生器或MCU使用輸出放大器通過調整PWM信號的占空比來調整輸出電壓。

堅固的組件。您需要做的最后一件事是您的電源系統出現故障，因為您的組件無法處理它們需要提供的電流/電壓。如果過度驅動到極端水平(熱故障)，半導體(特別是用于開關電源的FET)可能會發生故障。

熱管理。如果系統不散發熱量，即使是 99% 效率的電源調節器也會達到高溫。保持系統冷卻通常需要散熱器、風扇或兩者兼而有之。

如果您正在設計帶有交流電源的直流電源轉換，最好包括一個用于交流電源的功率因數校正 (PFC) 電路。這將確保電源中的開關穩壓器級汲取接近正弦波的電流源，而不是在短時間內汲取電流。這增加了整個穩壓器的總功率因數，進而減少了作為熱量損失的功率量(即更高的效率)。

選擇PWM開關頻率

開關電源中PWM信號的開關頻率將決定損耗水平，因為該信號負責調制驅動 MOSFET 中的柵極電壓。使用更高的頻率會導致 MOSFET 更頻繁地開啟和關閉，從而減少在 MOSFET 中的累積。然而，邊沿速率也很關鍵，因為它決定了 MOSFET 通道是否被充分調制到關閉狀態。在邊緣速率較慢的情況下，即使 PWM 信號可能已降至 0 V，MOSFET 仍可保持導通。

通過使用更快的邊沿速率，您可以將MOSFET推入更深的關斷狀態，從而降低開關穩壓器部分的熱損耗。結合更高的PWM頻率和更快的PWM邊沿速率允許在穩壓器電路中使用物理上更小的組件。然而，權衡更大的傳導和輻射 EMI，因為 PWM 信號將以更高的頻率發射。~100 kHz PWM 頻率在大多數電源中是典型的，但是當 PWM 頻率以 ~1 ns 邊緣速率達到 1 MHz 時，高效開關電源設計可以變得更高效并使用更小的組件。

將 PWM 開關設置為高于開關穩壓器的滾降頻率將防止開關噪聲傳導到穩壓器輸出，滾降頻率在如下所示的基本降壓-升壓轉換器的電路圖中定義。請注意，如果您可以在開關穩壓器中使用較小的組件，則可以使用較大的PWM開關頻率。

隔離和PDN阻抗

我們尚未明確討論的一點是開關電源設計中的隔離，電源隔離是為您的電源系統添加安全措施的好方法。

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審核編輯：符乾江