1.摘要
決定拓?fù)溥x擇的一個(gè)重要因素是輸入電壓和輸出/輸入比。圖1示出了常用隔離的拓?fù)湎鄬?duì)適用的電壓范圍。拓?fù)溥x擇還與輸出功率，輸出電壓路數(shù)，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等有關(guān)。一般情況下，對(duì)于給定場合你可以應(yīng)用多種拓?fù)?，不可能說某種拓?fù)鋵?duì)某種應(yīng)用是地適用，因?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)還有設(shè)計(jì)者對(duì)某種拓?fù)涞慕?jīng)驗(yàn)、元器件是否容易得到、成本要求、對(duì)技術(shù)人員要求、調(diào)試設(shè)備和人員素質(zhì)、生產(chǎn)工藝設(shè)備、批量、還是民品等等因素有關(guān)。因此要選擇拓?fù)?，必須熟悉每種拓?fù)涞拈L處和短處以及拓?fù)涞膽?yīng)用領(lǐng)域。如果隨便選擇一個(gè)拓?fù)?，可能一開始就宣布新電源設(shè)計(jì)的失敗。
2.輸入和輸出
如果輸出與輸入共地，則可以采用非隔離的Buck，Boost共地變換器。這些電路結(jié)構(gòu)簡單，元器件少。如果輸入電壓很高，從安全考慮，一般輸出需要與輸入隔離。
在選擇拓?fù)渲?，你首先?yīng)當(dāng)知道輸入電壓變化范圍內(nèi)，輸出電壓是高于還是低于輸入電壓？例如，Buck變換器僅可用于輸出電壓低于輸入電壓的場合，所以，輸出電壓應(yīng)當(dāng)在任何時(shí)候都應(yīng)當(dāng)?shù)陀谳斎腚妷?。如果你要求輸?4V，輸出15V，就可以采用Buck拓?fù)?；但是輸?4V是從8V～80V，你就不能使用Buck變換器，因?yàn)锽uck變換器不能將8V變換成15V。如果輸出電壓始終高于輸入電壓，就得采用Boost拓?fù)洹?br />
如果輸出電壓與輸入電壓比太大（或太?。┦怯邢拗频?，例如輸入400V，要求輸出48V還是采用Buck變換器，則電壓比太大，雖然輸出電壓始終低于輸入電壓，但這樣大的電壓比，盡管沒有超出控制芯片的最小占空比范圍，但是，限制了開關(guān)頻率。而且功率器件峰值電流大，功率器件選擇困難。如果采用具有隔離的拓?fù)?，可以通過匝比調(diào)節(jié)合適的占空比。達(dá)到較好的性能價(jià)格比。
3開關(guān)頻率和占空比的實(shí)際限制
3.1開關(guān)頻率
在設(shè)計(jì)變換器時(shí)，首先要選擇開關(guān)頻率。提高頻率的主要目的是減少電源的體積和重量。而占電源體積和重量的是磁性元件。現(xiàn)代開關(guān)電源中磁性元器件占開關(guān)電源的體積（20%～30%），重量（30%～40%），損耗20%～30%。根據(jù)電磁感應(yīng)定律有
式中U－變壓器施加的電壓；N－線圈匝數(shù)；A－磁芯截面積；ΔB－磁通密度變化量；f－變壓器工作頻率。
在頻率較低時(shí)，ΔB受磁性材料飽和限制。由上式可見，當(dāng)U一定時(shí)，要使得磁芯體積減少，匝數(shù)和磁芯截面積乘積與頻率成反比，提高頻率是減少電源體積的主要措施。這是開關(guān)電源出現(xiàn)以來無數(shù)科技工作者主要研究課題。
但是能否無限制提高開關(guān)電源頻率？非也。主要有兩個(gè)限制因素：是磁性材料的損耗。高頻時(shí)一般采用鐵氧體，其單位體積損耗表示為
式中η－不同材料的系數(shù)；f－工作頻率；Bm－工作磁感應(yīng)幅值。α和β分別為大于1的頻率和磁感應(yīng)損耗指數(shù)。一般α＝1.2～1.7;β=2～2.7。頻率提高損耗加大，為減少損耗，高頻時(shí)，降低磁感應(yīng)Bm使得損耗不太大，違背了減少體積的目的。否則損耗太大，效率降低。再者，磁芯處理功率越大，體積越大散熱條件越差，大功率磁芯也限制開關(guān)頻率。
圖2Buck變換器功率管電流、電壓波形
其次，功率器件開關(guān)損耗限制。以Buck變換器為例來說明開關(guān)損耗。圖2是典型的電流連續(xù)Buck變換器功率管電流電壓波形圖?？梢钥吹剑w管開通時(shí)，集電極電流上升到值時(shí)集電極電壓才開始下降。關(guān)斷時(shí)，集電極電壓首先上升到值集電極電流才開始下降。假定電壓、電流上升和下降都是線性的。可以得到開關(guān)損耗為
式中tr=tri+trv—開通時(shí)電流上升時(shí)間與電壓下降時(shí)間之和；td=tdi+tdv—關(guān)斷時(shí)電壓上升時(shí)間與電流下降時(shí)間之和。一般tr+td<T/20。假定tr＝td＝ts—開關(guān)時(shí)間。則
如果電流斷續(xù)，只有關(guān)斷損耗，開關(guān)損耗為
可見，開關(guān)損耗與頻率、開關(guān)時(shí)間成正比。斷續(xù)似乎比連續(xù)開關(guān)損耗少一半，但應(yīng)當(dāng)注意，在同樣輸出功率時(shí)，功率管電流至少是電流連續(xù)時(shí)的一倍，除了器件電流定額加大，成本增加外，導(dǎo)通壓降損耗也增加。濾波電感磁芯工作在正激變壓器狀態(tài)，磁芯和線圈高頻損耗也將大大增加。
雖然，通過軟開關(guān)技術(shù)可以減少開關(guān)損耗，但請(qǐng)注意，軟開關(guān)總是利用LC諧振，諧振電流（或電壓）很大，諧振電流通過晶體管、電感L和電容C，這些元器件也是有損耗的。有時(shí)只提高效率1～2％，但電路復(fù)雜，元件數(shù)增多，成本增加，有時(shí)甚至得不償失。目前用MOSFET開關(guān)的電源，功率在5kW以下，工作頻率一般在200kHz以下。BJT達(dá)50kHz。3kW以上采用IGBT的30kHz。用MOSFET與IGBT（BJT）組合管也不超過100kHz。變換功率幾十瓦，當(dāng)然工作頻率可以提高。
此外，變換功率越大，電流電壓越大，如果大功率管與小功率管相同的電流上升和下降速率，大功率管需要更長的開關(guān)時(shí)間。何況大功率器件芯片面積大，為避免電流集中降低開關(guān)時(shí)電流升降速率也增加了開關(guān)時(shí)間?？梢?，變換功率越大，允許開關(guān)頻率越低。
如果你聽說他的開關(guān)電源工作頻率可達(dá)幾個(gè)MHz，你得問問他的變換功率有多大？
3.2占空度
開關(guān)變換器的變換比（輸出電壓與輸入電壓比）太大或太小是有限制的。首先，變換器占空比（開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間與開關(guān)周期之比）受控制芯片和最小值的限制。在有些拓?fù)渲校伎毡炔荒艽笥?.5。總之，通用PWM控制IC芯片通常不保證占空比能大于0.85；有些芯片在合理的工作頻率下，也不保證占空比在0.05以下能以較小的損耗快速驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極。
例如，開關(guān)頻率為250kHz，周期為4µs，如果占空比是0.1，MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間僅為0.4µs，要是MOSFET的開通時(shí)間為0.1µs，關(guān)斷時(shí)間也為0.1µs，幾乎大部分導(dǎo)通時(shí)間被過渡時(shí)間“吃"掉了，損耗加大。這就為什么變換功率越高，工作頻率越低的原因之一。
不管控制IC和高電流柵極驅(qū)動(dòng)等等，只要不將占空比設(shè)計(jì)在最小0.1和0.8（對(duì)于0.5限制度變換器為0.45）之外，那就不必?fù)?dān)心。
如果采用的拓?fù)溆凶儔浩?，變比可以調(diào)節(jié)占空度。但變比也有限制。如果變比太大或太小，初級(jí)與次級(jí)導(dǎo)線尺寸相差太大，線圈繞制發(fā)生困難。一般初級(jí)與次級(jí)匝比為10:1,最小為1:10。要是你需要由很低的電壓獲得高壓，你是否考慮采用兩級(jí)變換器或次級(jí)采取倍壓電路提升電壓。
4.幾個(gè)輸出？
緊接占空比的問題是多少輸出。例如，如果不是1個(gè)輸出，Buck是不適合的。在有些情況下，可以加后續(xù)調(diào)節(jié)器得到另一個(gè)電壓，實(shí)際的例子是用Buck變換器產(chǎn)生5V輸出，再由線性調(diào)節(jié)器（或另一個(gè)開關(guān)）從5V輸入產(chǎn)生一個(gè)3.3V輸出。但相關(guān)的瞬態(tài)、噪聲、損耗應(yīng)滿足要求。
最壞的情況下，設(shè)計(jì)多個(gè)獨(dú)立的變換器，而不是采用復(fù)雜的許多線圈的磁元件。在開始設(shè)計(jì)之前，你得考慮考慮，要是采用多輸出變換器，或許節(jié)省了幾塊錢的控制IC，但可能花幾十塊錢做那個(gè)復(fù)雜的多線圈磁元件。在設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)權(quán)衡磁元件、電路元件及附加成本，不要就事論事。
5.隔離
在設(shè)計(jì)前預(yù)先要知道次級(jí)與初級(jí)是否需要隔離。如輸入由電網(wǎng)或高壓供電，作為商品有安全規(guī)范（以及EMI問題）需要隔離的要求。典型的例子是輸入與輸出有500V交流耐壓要求。你知道安全要求后，有些拓?fù)洌駴]有隔離的Buck,Boost等等將排除在外。
6.EMI
在設(shè)計(jì)開始時(shí)就要想到EMI問題，不要等到設(shè)計(jì)好了再考慮EMI。有些拓?fù)淇赡苡性S多成功地避免EMI問題。如果是不隔離的系統(tǒng)，因?yàn)樵谙到y(tǒng)中不涉及到第三根導(dǎo)線，如單獨(dú)用電池供電，就沒有共模噪聲，這使你濾波變得容易。
此外，某些拓?fù)渚褪潜绕渌負(fù)渚哂懈嗟脑肼?。區(qū)別在于某些拓?fù)湓诿總€(gè)周期的部分時(shí)間與輸入斷開，引起輸入電流的中斷。如果輸入電流連續(xù)，就沒有陡峭的上升和下降沿，電流不會(huì)為零，就容易濾波。
Buck變換器就是輸入電流斷續(xù)的一個(gè)例子，因?yàn)楫?dāng)開關(guān)打開時(shí)，輸入電流為零。Boost變換器的電感始終接在輸入回路中，但輸入電流是否連續(xù)取決于Boost是否工作在斷續(xù)還是連續(xù)。
筆者建議大功率電源不要采用輸入電流斷續(xù)的拓?fù)?，因?yàn)槟切┩負(fù)渫ǔＰ枰芑ㄥX的磁元件。
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