电源学习总结(五) |
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前面讲了一些线性稳压的原理和设计的基本方法,事实上,除了一些功率较大或者对精度要求较高的电源设计,使用集成的线性稳压芯片很少出现“翻车”事故,一般只需关注输入输出范围即可。此外,需注意由于集成的开关电源芯片(尤其是贴片封装的,如SOT-223),由于体积较小,散热较差,一般工作电流在300mA时已经较烫,500mA以上应考虑加散热片辅助散热。 总的来说线性稳压电源设计较为简单,本文开始总结一些开关电源相关的原理和设计方法, 文章目录 开关电源的特点开关电源拓扑结构Buck拓扑结构Boost拓扑结构Buck&Boost拓扑结构 开关电源的特点开关电源正如其“名”,其利用半导体管的“开”和“关”实现对控制的输出,由于半导体工艺的进步,半导体管已经能承受较大的电流,并且内阻极小,一般可小于20mΩ,因此开关电源输出能力较强,且效率极高。但同时因其开关特性,其输出不可避免的引入了与工作频率同频率的纹波及其高次谐波,因此一般用于功率较高但对精度要求不高的电路,且若与对精度要求较高的模拟电路之间需要单点接地以消除干扰。 开关电源拓扑结构常见的DC-DC变换器拓扑结构有Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Zzeta、Sepic等几种,其中最为常用的是前三种,后面会以Buck电路为例重点介绍。 开关电源的分析计算一般是基于对电感的伏秒平衡关系分析,下面举例说明三种最常用的开关电源结构。需要注意的是,这里仅为了说明原理,实际应用中由于效率、成本等因素的影响结构会有所不同。 Buck拓扑结构
下面进行计算分析,假设上述控制Q1开关的PWM信号占空比为D,频率为f,则
T
o
n
=
D
f
(
1
)
T_{on}=\frac{D}{f}(1)
Ton=fD(1)
T
o
f
f
=
1
−
D
f
(
2
)
T_{off}=\frac{1-D}{f}(2)
Toff=f1−D(2) 根据伏秒平衡可得
∣
(
V
i
n
−
V
o
u
t
)
T
o
n
∣
=
∣
(
0
−
V
o
u
t
)
T
o
f
f
∣
(
3
)
|(V_{in}-V_{out})T_{on}|=|(0-V_{out})T_{off}|(3)
∣(Vin−Vout)Ton∣=∣(0−Vout)Toff∣(3) 化简得
V
o
u
t
V
i
n
=
D
(
4
)
\frac{V_{out}}{V_{in}}=D(4)
VinVout=D(4) 此时计算得到的即为指定输入和输出时候的占空比,当然上述计算都是有一个假设前提,即电路效率为100%,实际上有损耗占空比会略高于理论值,同时实际运用中很难有一个稳定输入的电源,比如使用电池供电,随着电能的消耗,电池实际输出电压会降低,因此实际使用中需利用实际输出电压反馈来调整占空比。 上图红色曲线为电流曲线,可以看到电流是连续的,也就是说每次开关电感都没有完全放电,这种开关模式被称为连续导通模式(CCM,Continuous Conduction Mode);与之相对的是断续导通模式(DCM,Discontinous Conduction Mode),其在每个周期电感完全放电,也就是说其在一个周期内存在输出电压为“0”的情况;另外还有一种介于两者之间的临界模式(Boundary Conduction Mode),但这是一种非标准的设计模式。 Boost拓扑结构
再进行计算分析,根据伏秒平衡可得 ∣ ( V i n − 0 ) T o n ∣ = ∣ ( V i n − V o u t ) T o f f ∣ ( 5 ) |(V_{in}-0)T_{on}|=|(V_{in}-V_{out})T_{off}|(5) ∣(Vin−0)Ton∣=∣(Vin−Vout)Toff∣(5) 化简得 V o u t V i n = 1 1 − D ( 6 ) \frac{V_{out}}{V_{in}}=\frac{1}{1-D}(6) VinVout=1−D1(6) Buck&Boost拓扑结构
以上说明了几种开关电源的基本原理,当然,多数时候我们都是直接使用集成的开关电源芯片,如TI的TPS系列。常用的DC-DC芯片有MP2359、TPS565208等。后续的文章会说明如何选用集成的开关电源芯片设计电源。 Multisim仿真文件下载地址: 开关电源拓扑结构 链接:https://pan.baidu.com/s/1-XPdC3d-otRIFWQUSUTsHA 提取码:bkit |
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