开关电源的拓扑及设计介绍

对于每个电路设计者来说，电源基本上是百分之百会遇到的问题，在以嵌入式设计为主的设计中，更是如此。对于很多的弱电设计者来说，功率电子方面的知识就很欠缺了，当然在设计硬件时，就会遇到这样那样的问题。电源的问题也是博大精深，本文就电源的基础知识做一简单的总结，有不正确的地方，还请读者不吝赐教，共同学习交流。

电源设计中，常用的变换形式有DC-DC、AC-DC，有线性电源，也有开关电源。开关电源以其高效率，低成本等优势在大功率（一般大于10W）和多电压输出要求的设计中应用越来越多。一般来说，线性电源的效率为30%-50%左右，而开关电源则高达70%-90%，所以在手持设备，低功耗要求的设计中，几乎都是开关电源的天下。

常用的开关电源有以下几种拓扑结构：

1）Buck；

2）boost；

3）buck/boost；

4）flyback；

5）full-bridge；

6）half-bridge；

7）half-forward；

8）push-pull。

在电源设计中需考虑以下几个方面：

1）输入输出是否隔离。未有隔离的电源，当开关出现问题时（短路或是断路），输入电压就会直接连接到输 上，给后级电路造成伤害。比如buck、boost、buck/boost等；

2）电感或是变压器上电压大小；

3）电感、二极管和开关上流经的电流峰值大小；

4）是否要求多电压值输出；

5）电容上电压峰值多少。

常用的电源设计中，开关、反馈等控制部分被集成到一个IC中，设计者仅需根据实际情况选择合适的电容、二极管、电感即可。这三者也是构成开关电源的基本器件。下面以一个典型的buck电路为例，讨论下电源外围此三者的选型要求。分别讨论Cin、D1、L1和Cout的选择。

1、Cin

Cin电容在电路中起到的是bypass的作用，一般选择低ESR的铝电解电容或是钽电容，若是选择铝电解电容则其耐压值至少是输入最大电压的1.5倍，如选择钽电容则其耐压值必须是输入最大电压的2倍。同时电容的RMS电流应该至少大于负载电流的1/2。

2、D1

该二极管应选择快恢复二极管，同时反向击穿电压至少应该大于最大输入电压的1.25倍。额定电流至少是负载电流的2.3倍。肖特基二极管是best choice，这主要是因为他们的fast switch speed和low forward voltage drop。

3、L1

电感一般选择绕线型电感，耐流值一般应大于最大负载电流的1.5倍。电感的大小有输入电压，最大负载电流决定。

4、Cout

在大多数应用中，推荐使用低ESR的电解电容（比如铝电解电容）或是钽电容。电容的大小范围一般也是有限制的。其电解电容需在82uF和820uF之间，钽电容一般在10uF-470uF之间。电容的耐压值应该比输出电压大1.5倍。