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敲重点!选择合适的开关稳压器真的很重要

2020-9-21 10:05:40  472 开关稳压器 电源设计 开关电源
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线性稳压器通常比由分立元件(例如齐纳二极管电阻器晶体管甚至运算放大器)制成的等效稳压器电路效率更高,更易于使用。
迄今为止,最流行的线性和固定输出电压调节器类型为78…正输出电压系列和79…负输出电压系列。这两种类型的互补电压调节器可产生精确稳定的电压输出,范围从大约5伏到大约24伏,可用于许多电子电路。
这些三端固定电压调节器种类繁多,每个都有自己的内置电压调节和限流电路。这使我们能够创建适用于大多数电子电路和应用的整个不同电源轨和输出主机,无论是单电源还是双电源。甚至还有可变电压线性稳压器,也可提供输出电压,该电压可连续不断地从刚好高于零到低于其最大电压输出几伏的范围内变化。

大多数直流电源包括大型笨重的降压主变压器,二极管整流器(全波或半波),滤波电路,用于去除整流后的直流电中的任何纹波成分,从而产生合适的平滑直流电压,以及某些形式稳压器或稳定器电路的线性或开关电路,以确保在变化的负载条件下正确调节电源输出电压。然后,典型的直流电源将如下所示:
典型直流电源

这些典型的电源设计包含一个大型电源变压器(也可在输入和输出之间提供隔离)和耗散串联调节器电路。稳压器电路可以由单个齐纳二极管或三端线性串联稳压器组成,以产生所需的输出电压。线性稳压器的优点是电源电路仅需要一个输入电容器,一个输出电容器和一些反馈电阻来设置输出电压。
线性稳压器通过在输入和输出之间串联放置一个连续导通的晶体管,在其电流-电压(iv)特性的线性区域(因此命名)中产生稳定的DC输出。因此,晶体管的作用更像是可变电阻,可不断地将其自身调整为保持正确输出电压所需的任何值。考虑以下这种简单的串联调整晶体管稳压器电路:
串联晶体管稳压器电路
在这里,这种简单的发射极跟随器稳压器电路由单个NPN晶体管和直流偏置电压组成,以设置所需的输出电压。由于发射极跟随器电路具有统一的电压增益,因此在晶体管基极上施加适当的偏置电压,因此可以从发射极端子获得稳定的输出。
由于晶体管提供电流增益,因此如果使用达林顿晶体管装置,则输出负载电流将远高于基极电流,并且仍将更高。
另外,假设输入电压足够高到足以获得所需的输出电压,则输出电压由晶体管的基极电压控制,在此示例中为5.7伏,以向负载产生约5伏的5伏输出。在基极和发射极端子之间的晶体管两端下降。然后,根据基极电压的值,可以获得发射极输出电压的任何值。
尽管此简单的串联稳压器电路可以工作,但其缺点是,由于所有负载电流都必须流过,因此串联晶体管会一直在其线性区域内不断偏置,以其V * I乘积的形式耗散以热量形式的功率。串联晶体管会导致效率低下,功率浪费和持续发热。
另外,串联稳压器的缺点之一是,它们的最大连续输出电流额定值被限制在几安培左右,因此通常用于需要低功率输出的应用中。当需要更高的输出电压或电流电源时,通常的做法是使用通常称为开关模式电源的开关稳压器将市电电压转换为所需的更高功率输出。
开关模式电源SMPS)变得司空见惯,并且在大多数情况下已取代传统的线性AC-DC电源,以降低功耗,减少散热以及尺寸和重量。现在,在大多数PC,功率放大器,电视,直流电动机驱动器等中都可以找到开关模式电源,并且几乎所有需要高效电源的东西都随着开关模式电源变得越来越成熟。
根据定义,开关电源(SMPS)是一种使用半导体开关技术而非标准线性方法提供所需输出电压的电源。基本的开关转换器由电源开关级和控制电路组成。功率开关级执行从电路输入电压V IN到包括输出滤波在内的输出电压V OUT的功率转换。
与标准线性稳压器相比,开关电源的主要优点是效率更高,这是通过在“导通”状态(饱和)和“关断”状态(内部)之间对晶体管(或功率MOSFET)进行内部切换来实现的(截止),两者均产生较低的功耗。这意味着,当开关晶体管完全“导通”并传导电流时,其两端的压降处于最小值,而当晶体管完全“截止”时,则没有电流流过。因此,晶体管的作用就像一个理想的开关。
因此,与仅提供降压稳压的线性稳压器不同,开关模式电源可以使用以下三种基本开关模式电路拓扑中的一种或多种来提供输入电压的降压,升压和负反馈:降压升压降压-升压。这是指基本电路中晶体管开关,电感器和平滑电容器的连接方式。
降压开关模式电源所述降压开关稳压器是一种类型的开关模式电源电路的被设计成有效地从一个更高的电压降低的直流电压到一个较低的一个,那就是它减去或“雄鹿”的电源电压,由此降低可用电压的输出端子而不改变极性。换句话说,降压开关调节器是降压调节器电路,因此,例如,降压转换器可以将+12伏转换为+5伏。
降压开关稳压器是DC-DC转换器,是最简单和最受欢迎的开关稳压器之一。当在开关模式电源配置中使用时,降压开关稳压器使用串联晶体管或功率MOSFET(理想情况下为绝缘栅双极晶体管或IGBT)作为其主要开关器件,如下所示。
降压开关稳压器

我们可以看到,降压转换器的基本电路配置是串联晶体管开关TR 1,具有相关的驱动电路,该驱动电路将输出电压保持在尽可能接近所需的水平,二极管D 1,电感L 1。平滑电容器C 1。降压转换器具有两种工作模式,具体取决于开关晶体管TR 1是“导通”还是“截止”。
当晶体管偏置为“ ON”(开关闭合)时,二极管D 1变为反向偏置,输入电压V IN导致电流流经电感器到达输出端的连接负载,从而为电容器C 1充电。当变化的电流流过电感器线圈时,根据法拉第定律,它会产生一个反电动势,该反电动势与电流相反,直到其达到稳定状态,在电感器L 1周围产生磁场。只要TR 1关闭,这种情况就会无限期地持续。
当通过控制电路将晶体管TR 1转到“ OFF”(开关断开)时,输入电压立即与发射极电路断开,导致电感器周围的磁场崩溃,从而在电感器两端产生反向电压。这种反向电压导致二极管正向偏置,因此电感器磁场中存储的能量迫使电流继续以相同方向流过负载,并通过二极管返回。
然后,电感器L 1将其存储的能量返回给负载,就像源极一样,并提供电流,直到所有电感器的能量返回到电路或直到晶体管开关再次闭合为止(以先到者为准)。同时,电容器还向负载放电供应电流。电感器和电容器的组合形成一个LC滤波器,可消除晶体管开关动作所产生的任何纹波。
因此,当晶体管固态开关闭合时,从电源供应电流,而当晶体管开关断开时,电感器提供电流。请注意,流经电感器的电流始终沿相同方向,直接来自电源或通过二极管,但显然在开关周期内的不同时间。
由于晶体管开关不断闭合和断开,因此平均输出电压值将与占空比D有关,占空比D被定义为一个完整开关周期内晶体管开关的导通时间。如果V IN是电源电压,并且晶体管开关的“ ON”和“ OFF”时间定义为:t ON和t OFF,则输出电压V OUT给出为:
降压转换器占空比

降压转换器的占空比也可以定义为:

因此,占空比越大,开关模式电源的平均DC输出电压越高。从中我们还可以看到,由于占空比D永远不会达到一个(单位),因此降压稳压器将使输出电压始终低于输入电压。电压调节是通过改变占空比来实现的,并具有高达200kHz的高开关速度,可以使用更小的元件,从而大大减小了开关电源的尺寸和重量。
降压转换器的另一个优点是电感电容(LC)的设置可很好地过滤电感电流。理想情况下,降压转换器应以连续开关模式工作,以使电感器电流永远不会降至零。对于理想的组件,即零压降和“开”状态下的开关损耗,理想的降压转换器可以具有高达100%的效率。
除了用于开关电源的基本设计的降压型降压型开关稳压器之外,基本型开关稳压器还有另一种功能,即称为升压转换器的升压型稳压器。
升压开关模式电源升压型开关稳压是另一种类型的开关模式电源电路的。它具有与先前的降压转换器相同的组件类型,但是这次位于不同的位置。升压转换器旨在将直流电压从较低的电压增加到较高的电压,也就是说,它也会增加或“增强”电源电压,从而在不改变极性的情况下增加输出端子上的可用电压。换句话说,升压开关调节器是升压调节器电路,因此,例如,升压转换器可以将+5伏转换为+12伏。
先前我们已经看到,降压开关稳压器在其基本设计中使用了串联开关晶体管。与升压型开关稳压器的设计不同之处在于,它使用并联的开关晶体管来控制开关模式电源的输出电压。如图所示,由于晶体管开关有效地与输出并联,当晶体管偏置到“ OFF”(开关断开)时,电能仅通过电感器到达负载。
升压开关稳压器

升压转换器电路中,当晶体管开关完全导通时,来自电源的电能V IN穿过电感器和晶体管开关并回到电源。结果,由于饱和晶体管开关有效地导致了输出短路,因此没有任何一个传递到输出。这会增加流经电感器的电流,因为电感器的内部路径较短,可以返回电源。同时,当二极管D 1的阳极通过晶体管开关接地时,二极管D 1变为反向偏置,随着电容器开始通过负载放电,输出端的电压电平保持相当恒定。
当晶体管完全关闭时,输入电源现在通过串联的电感器和二极管连接到输出。随着电感器场的减小,存储在电感器中的感应能量被V IN通过现在正向偏置的二极管推到输出端。的所有这样的结果是,跨越所述电感器的感应电压大号1点反转,并且增加了输入电源的增加总的输出电压的电压,因为它现在变成,V IN  + V 大号。
来自平滑电容器C 1的电流(该电流用于在晶体管开关闭合时为负载供电)现在通过二极管的输入电源返回到电容器。然后,提供给电容器的电流就是二极管电流,由于二极管通过晶体管的开关动作在正向和反向状态之间连续切换,二极管电流将始终为ON或OFF。然后,平滑电容器必须足够大以产生平稳的稳定输出。
由于电感器L 1两端的感应电压为负,它会增加电源电压V IN,迫使电感器电流进入负载。升压转换器的稳态输出电压由下式给出:

与先前的降压转换器一样,升压转换器的输出电压取决于输入电压和占空比。因此,通过控制占空比,可以实现输出调节。同样,该方程式与电感器,负载电流和输出电容器的值无关。
上面我们已经看到,非隔离开关模式电源电路的基本操作可以使用降压转换器或升压转换器配置,具体取决于我们需要降压(buck)还是升压(boost)输出电压。降压转换器可能是更常见的SMPS开关配置,而升压转换器则通常用于电容电路应用中,例如电池充电器,闪光灯,闪光灯等,因为在开关闭合时电容器会提供所有负载电流。
但是我们也可以将这两种基本的开关拓扑结构组合成一个不出所料的单个非隔离式开关稳压器电路,即降压-升压转换器
降压-升压型开关稳压器降压-升压开关稳压器是降压转换器和产生其可以是比基于占空比的输入电压更大或更小的反转(负)输出电压的升压转换器的组合。降压-升压转换器是升压转换器电路的一种变型,其中,反相转换器仅将电感器L 1存储的能量传递到负载中。基本降压-升压开关模式电源电路如下所示。
降压-升压型开关稳压器

当晶体管开关TR 1完全接通(闭合)时,电感器两端的电压等于电源电压,因此电感器存储来自输入电源的能量。由于二极管D 1反向偏置,因此没有电流在输出端传递到连接的负载。当晶体管开关完全断开(断开)时,二极管将变为正向偏置,先前存储在电感器中的能量将转移到负载。
换句话说,当开关为“ ON”时,能量通过直流电源(通过开关)传递到电感器中,而没有能量输出到输出中;当开关为“ OFF”时,电感器两端的电压反向现在,电感器变成了一种能源,因此先前存储在电感器中的能量被切换到输出(通过二极管),而没有直接来自输入直流电源的能量。因此,当开关晶体管为“ OFF”时,负载两端的压降等于电感电压。
结果是,基于占空比,反相输出电压的大小可以更大或更小(或等于)输入电压的大小。例如,正负降压-升压转换器可以将5伏转换为12伏(升压)或将12伏转换为5伏(降压)。
降压-升压型开关稳压器的稳态输出电压V OUT为:

然后,降压-升压调节器因产生的输出电压的幅度可以比输入电压高(如升压功率级)或低(如降压功率级)而得名。但是,输出电压的极性与输入电压的极性相反。
开关电源摘要现代开关模式电源或SMPS使用固态开关将处于不同电压水平的未稳压DC输入电压转换为稳定且平滑的DC输出电压。输入电源可以是来自电池或太阳能电池板的真实DC电压,也可以是使用二极管电桥以及一些其他电容性滤波的来自AC电源的整流DC电压。
在许多功率控制应用中,功率晶体管,MOSFET或IGFET均以其开关模式高速运行,因此需要反复将其导通和关断。这样做的主要优点是调节器的功率效率可以很高,因为晶体管是完全导通的(饱和的)或完全截止的(截止)的晶体管。
有几种类型的DC-DC转换器(与作为逆变器的DC-AC转换器相反)配置,这里介绍了三种基本的开关电源拓扑:BuckBoostBuck。 -升压型开关稳压器。所有这三种拓扑都是非隔离的,即它们的输入和输出电压共享一条公共接地线。
每个开关稳压器设计在稳态占空比,输入和输出电流之间的关系以及固态开关动作产生的输出电压纹波方面都有其独特的特性。这些开关电源拓扑的另一个重要特性是开关动作对输出电压的频率响应。
输出电压的调节是通过控制开关晶体管处于“ ON”状态的时间相对于总ON / OFF时间的百分比来实现的。该比率称为占空比,通过改变占空比,可以控制输出电压的大小(D,V OUT)。
在开关模式电源设计中,使用单个电感器和二极管以及能够在千赫兹范围内的开关频率下运行的快速开关固态开关,可大大减小电源的尺寸和重量。这是因为在它们的设计中不会有大型笨重的降压(或升压)电源变压器。但是,如果在输入和输出端子之间需要隔离,则在转换器之前必须包括一个变压器。
两种最受欢迎​​的非隔离式开关配置是降压(减法)和升压(加法)转换器。
降压转换器是一种开关电源,旨在将电能从一个电压转换为一个较低的电压。降压转换器与串联的开关晶体管一起工作。由于占空比D <1,降压器的输出电压始终小于输入电压V IN。
升压转换器是一种开关电源,旨在将电能从一个电压转换为一个更高的电压。升压转换器与并联连接的开关晶体管一起工作,该开关晶体管通过电感器L 1和二极管D 1在V IN和V OUT之间形成直流路径。这意味着没有针对输出短路的保护措施。
通过改变升压转换器的占空比(D),可以控制输出电压,并且D <1时,由于电感器的自感电压,升压转换器的直流输出大于输入电压V IN。。
同样,开关模式电源中的输出平滑电容器被假定为非常大,这会导致在晶体管开关动作期间开关模式电源产生恒定的输出电压。

K13534175187 2020-11-10 11:37:28
学到了,很详细
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