使用隔離返馳式拓撲設計切換式電源供應器

由於所有的電子系統都需要某種形式的電力，因此電源供應器經過完善的研究及瞭解。然而，電源供應器的設計和選擇對工程師來說仍是一大挑戰，因為從行動裝置到線路供電式硬體的趨勢都是：體積更小、效率更高、可靠性更高以及電源完整性更高。

隨著 5G 等高速數據通訊系統的興起，時序和雜訊容限的要求也變得相當嚴格。

為了解決問題以便在小型尺寸中達到高效可靠的供電，電源供應器設計人員陸續在切換式電源供應器 (SMPS) 中採用返馳式拓撲。這種拓撲可用於高達 150 W 的功率位準，可達到低元件數量的設計，不僅尺寸小且成本低。此外也具有輸入／輸出隔離能力以及良好的效率。

本文探討切換式電源供應器的操作，並概略研究電源供應器自造與購買之間的決策流程差異。此外也會探討運用返馳式拓撲的單輸出電源設計，並提供使用現成零件與零組件的設計範例。

切換式電源供應器

SMPS (又稱切換器) 電源使用切換式穩壓器讓 AC 或 DC 電源保持穩定的輸出電壓。切換式穩壓器使用一或多個半導體元件 (如雙極性接面電晶體、MOSFET 或 IGBT) 在「開」和「關」狀態之間切換，以保持輸出電壓穩壓。這些元件能以固定「開啟」時間和可變頻率操作，或者更常見的是，以固定頻率和可變工作週期操作。無論切換元件處於「開」或「關」狀態時，低功率耗散都可成就高效率。元件僅在狀態轉換期間才會耗散功率。另外，由於切換頻率一般落在數十 kHz 範圍內，因此變壓器、電感和電容可以更小，進而提供高容積效率。

可能發生的電磁干擾 (EMI) 會減損 SMPS 的優點。這是因為切換暫態所致，不過可以透過仔細選擇元件、佈局和屏蔽來改善。因此，SMPS 的利遠大於弊，是最常用的電源供應器，而線性供應器退居其次，僅限用於最敏感的電子應用。

SMPS 拓撲

SMPS 可以在多種電路設計或拓撲中實現。常用拓撲超過數十種 (表 1)。

表 1：10 種最常用的切換式電源供應器拓撲 (資料來源：DigiKey)

返馳式拓撲

返馳式轉換器是最常用的 SMPS 電路 (圖 1)。

圖 1：使用單一 MOSFET 開關和返馳式變壓器的返馳式轉換器功能圖。(圖片來源：DigiKey)

返馳式拓撲的主要優勢在於簡易性。在任何指定功率位準下，這是 SMPS 拓撲中元件數量最少的拓撲。可由 DC 或 AC 電源供電。當配置成以 AC 線路 (主電源) 運作時，線路通常會經過全波整流。輸入源 (V_i) 為 DC。

電路的核心為返馳式變壓器。與傳統變壓器繞組不同的是，返馳式變壓器的一次和二次繞組不會同時承載電流。這是因為繞組的相位逆轉，如繞組上的點符號和二次側的串聯二極體所示。

使用返馳式變壓器有幾項好處。首先是電源供應器的一次側和二次側可達到電氣隔離。此隔離可減少一次側的暫態耦合、省去接地迴圈，並且提供絕佳的電源供應器輸出極性彈性。

使用此變壓器可在電源中產生多種輸出電壓。每多一種電壓就會在變壓器上增添額外繞組。穩壓僅以單輸出為基礎，而第二個輸出通常是局部穩壓。

電路的操作是從開關 (例如 MOSFET) 啟動時開始算起 (圖 2)。

圖 2：返馳式電源的操作展現兩種操作模式的個別主要波形。(圖片來源：DigiKey)

開關開啟時，V_DRAIN 接近 0 V，電流 I_P 流經變壓器的一次繞組。能量儲存在變壓器的磁化電感中。此電流會隨時間呈線性上升。二次側的串聯二極體會逆向偏壓，且無電流流經二次側。儲存在輸出電容中的能量會將電流供應至輸出。

當 MOSFET 開關關閉時，儲存在變壓器中的能量會透過二極體輸出到輸出電容和輸出負載。二次電流一開始處於高值，隨後線性下降。若二次電流在開關再次開啟之前下降到零，電源供應器則被會視為非連續電流模式 (DCM) 電源。若二次電流不會降至零，電源供應器則稱為連續電流模式 (CCM) 電源。由於儲存在電感中的能量在每個切換週期都會完全放電，因此 DCM 電源供應器可使用較小的變壓器。此外，此電源供應器通常更為穩定且產生的 EMI 較低。

當關閉開關時，儲存在變壓器漏電感中的能量會在一次側中流動，然後被輸入夾鉗或「緩衝器」電路所吸收，緩衝器電路的功能是保護半導體開關不受高電感電壓破壞。功率僅在開關位於 ON 和 OFF 狀態之間轉換時才會消耗 (圖 3)。

圖 3：返馳式電源供應器的測量圖，顯示出 MOSFET 開關的電壓和電流波形，以及即時的功率耗散。(圖片來源：DigiKey)

圖 3 頂端的軌跡是返馳式電源供應器中流經 MOSFET 開關的電壓。顏色重疊部分顯示出 MOSFET 的狀態。藍色重疊部分表示元件正在導電，而紅色區域表示元件已關閉。中心軌跡是流經元件的電流。底部軌跡顯示即時功率 (即施加電壓與產生之電流的乘積)。可以觀察到功率耗散在切換期間最為明顯。軌跡底下顯示的讀數含意 (從左至右)：開啟、傳導、關閉、斷態期間的功率損耗，以及所有區域的功率損耗總合。

控制器／穩壓器

切換元件 (如圖中的 MOSFET，見圖 2) 是由控制器或切換模式穩壓器所驅動。大多數情況下，控制器將脈寬調變 (PWM) 波形施加於開關的控制元件，對於 MOSFET 來說就是閘極。電源供應器的輸出會回授到控制器，而控制器會改變閘極驅動訊號的工作週期，以保持恆定的輸出電壓。因此，控制器能在返馳式轉換器上形成封閉迴路控制系統。

控制器亦可以處理數種輔助功能，例如保護電源供應器避免發生過載、過壓或線路條件低落。另外，控制器也可以管理電源供應器的啟動，確保「軟」啟動受到良好管控，將初始電流和電壓暫態降至最低。

SMPS 設計

有多家半導體元件供應商皆有提供設計工具，如 Texas Instruments 的 WEBENCH Power Designer (圖 4) 等，有助於設計切換式電源供應器。

圖 4：Texas Instruments 的 WEBENCH Power Design Center 開始頁面顯示了 25 W、5 V 返馳式電源供應器的 SMPS 設計基本規格。(圖片來源：DigiKey)

設計一開始，使用者必須輸入電源供應器的電壓範圍、需要的輸出電壓和電流等規格。在此案例中，需要的設計是用於採用隔離式拓撲、以 AC 運作的 5 V、5 A 電源供應器。若是需要更複雜的多重輸出電源供應器，還有一種先進的電源架構設計工具。

軟體會依據這點開始一系列設計，並提示使用者選擇控制器。使用者可以檢查各個設計，以查看線路圖、物料清單 (BOM) 成本、效率以及十多種相關的電路規格。

在此範例中採用 Texas Instruments 的 UCC28740 返馳式轉換器，並顯示設計線路圖 (圖 5)。

圖 5：WEBENCH 所建議之使用光學隔離回授的 25 W AC SMPS 的線路圖。(圖片來源：DigiKey)

在線路圖上指著任何元件即可顯示詳細的零件說明，並且顯示選擇替代元件的機會。控制器 (U1) 透過 CEL PS2811-1-F3-A 光隔離器接收來自輸出的回授。這種回授方法可維持電路一次和二次部分之間的電氣隔離。控制器會將 PWM 驅動訊號提供至電源開關 M1，即 STMicroelectronics 的 STB21N90K5 900 V、18.5 A MOSFET。此設計工具亦有助於選擇或設計返馳式變壓器。

提供設計摘要頁面，能概述重要設計元素 (圖 6)。

圖 6：設計摘要整合了建議之設計的所有要素。(圖片來源：DigiKey)

使用者可以使用最佳化工具的「微調」部分將設計最佳化，以達到最低 BOM 成本、最小覆蓋區或最高效率。經驗不足的設計人員也可使用此工具，透過查看多個設計以及組件變更所產生的效果來獲得經驗。

自造或購買？

毫無疑問的，除非工程師具有 SMPS 相關經驗，否則都需要一段學習時期。如果上市時間是很重要的考量因素，那麼最好購買標準電源供應器，或委託製作客製化電源供應器設計。如有時間和技術人員，特別是如果有多個專案需要電源，那麼就值得設計電源供應器。也就是說，持續接觸 SMPS 設計，設計人員就會累積必要的經驗。

結論

切換式電源供應器可提供高效率和小型尺寸的優點。針對功率位準低於 150 W 的情況，返馳式拓撲電源供應器具有多重輸出、元件數量少和線路隔離的優點。