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【圖】DC-DC電源變換器(開關電源)基礎知識詳解
(2023/10/10 6:59:00)
DC-DC電源變換器(開關電源)基礎知識詳解
DC-DC電源變換器(開關電源)基礎知識詳解

概述

電子設備都需要供電,其電能來源于火力、水力、核子發電廠提供的交流電。這些交流電通過電源設備變換為直流電。但是,這種直流電源不 符合需要,仍需變換,這稱為DC/DC變換。常規的變換器是串聯線性穩壓電源,其調整元件工作于線性放大區,通過的電流是連續的,功耗

很大,需要非常大的體積,變換效率通常只有30%。

70年代,隨著功率晶體管的研制,隔離集成電路和磁性材料的研制、應用;隨著功率電子學領域中技術的日新月異的發展,理論研究不斷深

化,功率變換拓撲及器件對偶理論的日趨完善,開關電源以其強大的生命力適應當今高效率、小型輕量化的要求。

開關電源去除了工頻變壓器,代之以幾十KHz、幾百KHz甚至數MHz的高頻變壓器。由于調整管工作于開關狀態,功耗小,效率高,可達80%-95%。因此開關穩壓電源體積小,重量輕。但由于電路負載,高頻元器件價格高,因此成本較高,且輸出紋波噪聲電壓較高,動態響應

較差。

線性穩壓電源

在功率開關晶體管問世以前,串聯調整穩壓器一直是最簡單的、最常用的穩壓技術;镜拇摲壓電路如圖11.1:



圖中,vl是調整管,Vi是輸入電壓,Vo是輸出電壓。Rl,R2形成采樣電阻,采樣電壓Vf同參考電壓Vr進行比較,放大產生的電壓經過直流

電平位移后,作為調整管的基極輸入,這樣構成一個負反饋回路,負載RL變化時,通過反饋回路調整以使Vo保持穩定。

這樣的集成穩壓器有固定輸出的W78XX系列,其中XX的值即輸出電壓值,如7805,輸出電壓為SV。還有一些是輸出可以調節的LM117

LM317,這也是我們經常使用的。

線性穩壓電源的功耗同輸入、輸出電壓之間的差有關系,壓差越大,功耗越大。決定輸入、輸出電壓之間的差與輸出級的調整管的飽和壓降有 關系。在低飽和方式中,輸出級采用PNP功率晶體管,此外還開發了用CMOS管作為輸出級的大功率電路,而BICMOS則結合了低壓降大電流

的優點,這對于提高穩壓電源的效率起到了很好的作用。下圖是幾種不同方式的輸出級電路,其飽和壓降是不同的:



圖11.2三種輸出方式下的飽和壓降






開關穩壓電源

在開關穩壓電源中,直流變換器中的功率晶體管工作在開關狀態。目前開關電源的工作頻率在幾百KHz,有些甚至已經到了MHz量級。圖11.3是

DC/DC開關變換器的原理框圖:



開關電源的實現方式有很多種,如最傳統的脈寬調制(PWM)技術,目前流行的為提高變換效率的零電壓(ZV),零電流(ZC)技術、相移脈

寬調制零電壓諧振變換等。每一種技術之下,又有很多種拓撲結構。開關電源設計需要豐富的模擬電路知識,涉及到功率器件選取、電源濾波 、驅動電路、控制環路、高頻磁芯變壓器、EMC等多個方面,具體設計細節已經超出了本文的范圍。



本文將從原理的角度介紹脈寬調制的幾種類型、全橋變換技術,最后將介紹最新的ZVZCSPwMDc/DC變換器。

11.3.1脈寬調制的幾種形式脈寬調制是開關電源設計中最成熟的技術。脈寬調制是一種功率控制方式,不同占空比的脈沖具有不同的直流

分量,所以負載變化時,根據調整輸出脈沖的占空比達到穩定輸出電壓的目的。

脈寬調制易于實現,因為驅動脈沖具有固定的頻率,與負載特性無關,因而應用最為廣泛。



buck變換器電路及原理



buck變換器由電壓源、串聯開關和電流負載組成,也稱它為串聯開關變換器。圖11.4是它的基本拓撲形式。



圖11.4buck變換器



圖11.5是晶體管開關變換器(buck)電路,其中晶體管Q為開關器件,L為濾波電感,C為濾波電容,D為續流二極管。



ton為晶體管的導通時間,在此時間段,L內的電流逐漸增加,當導通結束后,進入晶體管截止時間段toff,這時候由于L內的電流到達

最大值ILmax,電感中的電流不能突變,所以,繼續有電流流過,二極管D充當截止期間的續流元件。當截止時間結束后,電感中的電流到

達最小值ILmin,重新開始新的周期。

在buck變換器開關與負載時間插入隔離變壓器,這種隔離型buck變換器叫做Forward單端正激變換器。如圖11.6:



圖11.6Forward單端正激變換器

簡單分析可知,濾波電感L在開關管關斷期間,通過續流二極管為負載提供電流。D3的作用是鉗位,其功能是完成磁心的復位。當開關管關

斷時,能量通過D3泄放到電源端,保證磁心的磁通回到零。






boost變換器基本電路及原理



boost變換器是從buck變換器進行對偶變換后得到的,其原理如圖11.7所示:



boost變換器稱為并聯開關變換器。與buck變換器其不同的是,boost型電感在輸入端(開關),buck型電感在輸出端。boost型變換

器的輸出電壓Vo總是大于輸入電壓Vi。解釋比較簡單,當開關管導通時,二極管D關閉,電感L與開關管的節點電壓為O。當開關管關

閉時,電感L兩端的電勢翻轉,所以電感L與開關管的節點電壓大于輸入電壓Vl,電感電流通過二極管D續流,使得Vo大于Vi。可以

證明,Vo=Vi*[T/(T-Ton)],T是開關脈沖周期,Ton是導通時間。



buck-boost變換器基本電路及原理



將buck、boost兩種形式的變換器結合起來,產生一種新的變換器,叫做buck一boost變換器,其結構如圖11.8

:



這種形式的變換器輸出電壓同輸入電壓是反相的。在buck型和boost型變換器中,存在一個能量直接從電源流向負載的時間,而在buck一

boost變換器中,能量先存儲在電感中,然后再流向負載,這是它們的主要區別。

如果將中間段的電感,改為隔離變壓器,就得到了常用的反激變換器(Flyback變換器)。圖11.9是單端反激式變換器的電路圖:



由變壓器的同名端可見,在開關管的導通期間,變壓器儲存能量,當晶體管關閉時,二極管導通,能量傳遞給負載。






cuk變換器

將buck-boost變換器進行對偶變換,可以得到cuk變換器。其電路形式如圖11.10:



其中C是傳遞能量的藕合電容。原理分析是這樣的:當三極管導通時,電容C的能量通過L2,C2、R回路釋放,同時向C2、L2儲能,同時電源

向Ll儲存能量。在三極管關閉時,Ll上的電流通過二極管D續流,同時向C充電。當要求不同極性不同電壓的輸出時,需要加入隔離變

壓器,這樣就形成了隔離Cuk變壓器,如圖11.lh



其工作原理同Cuk型變換器原理是一樣的。CO,Cl的作用是變壓器初、次級繞組均無直流流過。磁心在兩個方向磁化,不需要加氣隙,體積可

以做得很小。

推挽變換器電路及原理

圖11.12是推挽變換器原理圖。推挽變換器有兩個三極管在交替開關,以達到比單管工作電路高的輸出功率。由于初級線圈的中心抽頭接在輸

入電源的正級,這樣當一邊三極管導通時,另外一邊的三極管要承受的耐壓為兩倍的電源電壓,這對晶體管的要求較高。






全橋變換器電路及原理

前文已經說過,推挽變換器要求晶體管的耐壓比較高,從安全的角度看,實際應用中常常要考慮為電源電壓的3.3倍。如果輸入電源直接從

市電(我國是22OVAC)整流而得,那么晶體管的耐壓要求I000V。這樣的晶體管不是很多,所以在我國,一次電源中基本不采用推挽設計的

開關電源。解決晶體管耐壓的方法是采用橋式電路。這樣做增加了成本,用四個晶體管代替了兩個晶體管,但是可靠性彌補了這些缺點。

圖11.13是全橋變換器的原理電路:



這種設計降低了晶體管的電壓,所以提高可靠性。需要指出的是,串聯在一起的兩個晶體管同時導通時,晶體管將損壞。解決這個問題的技術 將在后面講述。




半橋變換器基本電路及原理



如果將全橋變換器的一個橋臂的兩只晶體管用兩個電容代替,可以節省兩個晶體管,比較經濟。但是通常兩個電容體積比晶體管還大。這樣的

電路稱為半橋變換器,如圖11.14所示:



以上是一些PWM形式變換器的種類。在設計這些開關電源時候,經常會碰到如下問題,如果解決不好,將嚴重影響開關電源的工作:



晶體管同時導通:在雙端變換器(如推挽、橋式),有可能產生晶體管同時導通的現象,這將導致晶體管在瞬間損壞。容性負載:變換器的功 耗取決于電壓電流在時間軸上的重疊部分。在瞬間關斷和導通,晶體管將對容性負載充電,如果容性負載很大,晶體管的功耗將變得很大,甚 至損壞。

集電極尖峰電壓:電源主變壓器的漏感,就象在集電極上串聯的一個小電感,當晶體管電流關斷時,這個漏感將在集電極上產生尖峰電壓。如 果尖峰電壓不被抑制,會擊穿晶體管。

變壓器工作點沿磁滯回線垂直漂移:變壓器磁滯回線工作點應該保持在中心,如果電路使之偏離中心點,磁芯將進入飽和區。磁芯進入飽和區 是,變壓器失去阻抗變換的作用,阻抗值急劇下降,這樣晶體管的電流將會瞬間急劇擴大而導致器件損壞。

電源機殼上的開關噪聲電壓:通常在開關管集電極上出現高峰值的方波,或變壓器次級輸出接地端同機殼之間出現噪聲電壓。




(d)開關模態3對應于[t2,t3],電流流向如圖11.23,其中ip為初級線圈中的電流方向。



在這個開關模態中,原邊電流為ip=O;A電對應電壓為Va=O,B點對應電壓為Vb=-Vcbp。副變兩個整流管同時導通均分負載電流。

(e)開關模態3

對應于[t3,t4],電流流向如圖11.24,其中ip為初級線圈中的電流方向。









以上是zVzCS典型電路的各個開關過程的分析過程。實際設計中,還要確定若干技術參數,詳細細節請參見專業書籍。現在流行的集成式電容

開關轉換器,具有體積小(一般是SOP封裝),輸出功率小的特點,特別適合于低功耗應用場合。

實際應用舉例

在實際應用中,經常需要多種供電電源,但是需要的電流通常在幾百毫安以內。這樣的電源采用體積龐大的DC/DC變換模塊是不合適的,一方

面成本較高,另外需要較大的PCB面積。

體積很小的集成化開關電源變換器就應運而生。這些變換器內置控制電路和開關管,配合外圍電感、二極管,應用方式比較靈活,根據需要,既可產生正電源,又可以產生負電源,電壓的幅度也可以通過外置的反饋電阻控制。這類器件輸出功率不大,可靠性很高。比較常用的芯片有LT1173,關于LT1173應用電路的設計請參考本站(www.dz3w.com)相關文章或LT1173 datasheet.



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