探索拓扑:直流电源设计基础

关键的外卖

• 对比交流和直流以及SMPS和线性dropout。

• 一些基本的非隔离电源拓扑。

• 对隔离电源拓扑结构的简要研究。

值得庆幸的是，实现直流电源设计基础并不包括我们都知道和喜爱的桌面版本。

设计电路板的配电网络涉及到如何最大限度地提供足够的电力避免电气和热瓶颈这可能会对性能产生负面影响。必须仔细考虑制造能力和由此产生的设计特征约束，以确保可生产性。此外，设计人员必须意识到平面和信号层的堆叠和分布对电能质量和信号完整性的作用;动力与电路板布局的几乎每一个方面都密切相关。

然而，再深入一点，设计师们可能会想，为什么要选择一种特定的电源。当然，可用性、成本和其他不可避免的外围因素也发挥着作用，但当仅权衡电子贡献时，设计人员可以了解哪些因素会排除或支持特定的电源拓扑。直流电源设计基础知识是一个有用的起点:常见的直流拓扑结构在整个设计过程中经常遇到，因为它们易于实现和更普遍的直流电路扩散。

直流电源设计基础简介

电子设备没有电源就不能工作。通常，在设备的消费端，DC(直流电)是首选的原因有很多，最重要的是它的相对安全性和易于操作。从制造商的角度来看，直流电路总体上比交流电(交流电)电路更简单。交流电路是围绕一个目标频率或带宽设计的，而直流电路技术上有一个目标频率，它是微不足道的，不会引起设计师必须考虑的频率响应。

值得注意的是，在电路板外部，设计人员更有可能遇到交流电而不是直流电;由于其在高电压/低电流下的低损耗，它是理想的传输和降压，然后整流到许多常见家用电子产品的直流电源到达目的地。DC/DC转换也是一种调整直接电源电压水平的选择，例如车载电池。最终，由工程团队决定应将哪种电源解决方案(更现实地说，解决方案)纳入设计，以最适合电路板的需求，同时优化性能。

一般来说，直流电源可以分为两类:开关模式和线性。在效率方面，各种形式的开关模式都是明显的胜利者，线性掉差调节激励了少数损失绝对意义上较低的情况。此外，由于欧姆加热的影响，效率低下导致了热点，如果不加以缓解，会导致局部部件或板材料的早期老化和失效。设计人员只可能在低噪声是要求的情况下看到线性电源，或者如果包含更强大的电源是没有成本效益的。

从非孤立设计开始…

线性电源已经得到认可，现在是时候转向更有用和可定制的电源设计家族了。开关模式电源(通常缩写为SMPS)的名称来自开关在其操作中的作用:通常，由电源提供的电源存储在一个或多个电路元件(电感和电容器)中，然后将其存储的电磁场转换为能量以维持电流或电压水平。注意，附加的电容器可用于信号调理目的。开关的切换动作移除或恢复对整个电路的不同部分的访问，根据特定的配置，存储元件可以增加负载的电压或电流，或者在电源不直接为负载供电时作为储备，以及其他功能。与开关和存储元件一起，二极管根据其方向提供必要的阻塞或电流通道。

电源拓扑通常是根据如何最好地达到电源提供的输出电压或电流来选择的。虽然电源设计将取决于与电气性能无关的多种因素，如成本、可用性或封装尺寸，但本分析的核心将集中于最适合一些常见布局的情况和使用。首先，我们来看看一些非隔离电源的布局:

• 巴克-在输出端提供连续电流的降压转换器。能量以磁场的形式积累起来电感器内部在开关的开相期间，一旦开关关闭，它就转换为电流并供应给负载。
• 提高-连续电流在输入端提供，并给电感器充电，它与电源结合以提高输出端接收到的电压，与输入端相比。
• 〇PFC (Power factor correction) -一种高频变型，过滤掉高阶谐波以获得更清晰的正弦输入。经过滤波的输入有助于确定用于调制目的的开关电流的脉宽。

以及孤立构型的结束

继续，隔离电源比非隔离电源提供更多的功能;通过调整变压器上的匝数比，可以在不改变底层电路的情况下增加或降低输出电压。此外，变压器本身可以作为一个存储元件，但一些设计将避免这一标准电感。

• 回程,一种相对简单的拓扑结构，仅利用单个耦合变压器在电路的输入和输出“一半”之间进行能量存储和隔离。在关闭设置期间，变压器将能量转移到负载，直到能量耗尽或开关位置发生变化。由于元件数量少，反激二极管易于实现，在低功率设置下，由于电感的容量存储限制，以及大纹波电流在输出上表达的趋势，无需额外滤波，反激二极管看到最佳性能。功能上与组合降压升压变换器这可以增加或降低从输入到负载的电压。
• 转发- - - - - -与反激式几乎相同，但在变压器的输出侧负载之前有一个电感器，作为能量存储。由于输出电感可以更好地调节纹波电流，正激变换器可以在中等功率水平下工作。
• 〇TTF (Two-transistor forward) -你猜对了，它利用了两个变压器来降低任何单个开关上的电压负载，允许变压器具有更强的电流下沉能力以满足更高的功率需求。
• 桥(一半和全部)-与TTF使用两个开关作为分压器功能不同，半桥配置智能地将输出在正负之间切换，以更有效地将功率驱动到输出上的电感。如果需要，设计人员可以减小存储设备的大小。由于从输入到输出的功率传输效率更高，可以使用更高的功率输入。全桥的输出功率是半桥的两倍，但需要额外的组件，增加了成本和设计的复杂性。
• 〇推拉式类似于半桥，但设计使开关元件的功能作为电流分压器。

Cadence power设计与行业领先的工具

直流电源的设计基础主要集中在SMPS上，以便在各种结构中提高效率/减少损耗。这些不同模式之间的决定性选择还包括电气考虑之外的因素。拥有如何从特定电压的AC/DC电源移动到目标输出的工作知识将是开发电源电路的第一步。电力系统的模拟和测试是开发可靠的pcb生产的一个不可或缺的元素。节奏的综合PCB设计和分析软件在前期制作的任何阶段为设计师提供有价值的、可操作的信息。结合了快速强大的布局能力OrCAD PCB Designer，设计团队可以快速评估和集成电源，以及其中的任何变化，而不会中断紧张的生产计划。

领先的电子产品供应商依靠Cadence产品来优化各种市场应用的电源、空间和能源需求。要了解更多我们的创新解决方案，和我们的专家团队谈谈吧或请订阅我们的YouTube频道．