【圖】DC-DC電源變換器(開關(guān)電源)基礎(chǔ)知識(shí)詳解
(2023/10/10 6:59:00)
DC-DC電源變換器(開關(guān)電源)基礎(chǔ)知識(shí)詳解
DC-DC電源變換器(開關(guān)電源)基礎(chǔ)知識(shí)詳解
概述
電子設(shè)備都需要供電，其電能來源于火力、水力、核子發(fā)電廠提供的交流電。這些交流電通過電源設(shè)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(guī)的變換器是串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源，其調(diào)整元件工作于線性放大區(qū)，通過的電流是連續(xù)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(yīng)用；隨著功率電子學(xué)領(lǐng)域中技術(shù)的日新月異的發(fā)展，理論研究不斷深
化，功率變換拓?fù)浼捌骷䦟ε祭碚摰娜遮呁晟�，開關(guān)電源以其強(qiáng)大的生命力適應(yīng)當(dāng)今高效率、小型輕量化的要求。
開關(guān)電源去除了工頻變壓器，代之以幾十KHz、幾百KHz甚至數(shù)MHz的高頻變壓器。由于調(diào)整管工作于開關(guān)狀態(tài),功耗小,效率高,可達(dá)80％-95％。因此開關(guān)穩(wěn)壓電源體積小，重量輕。但由于電路負(fù)載，高頻元器件價(jià)格高，因此成本較高，且輸出紋波噪聲電壓較高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)
較差。
線性穩(wěn)壓電源
在功率開關(guān)晶體管問世以前，串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器一直是最簡單的、最常用的穩(wěn)壓技術(shù)。基本的串聯(lián)穩(wěn)壓電路如圖11.1:
圖中，vl是調(diào)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(jìn)行比較，放大產(chǎn)生的電壓經(jīng)過直流
電平位移后，作為調(diào)整管的基極輸入，這樣構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋回路，負(fù)載RL變化時(shí)，通過反饋回路調(diào)整以使Vo保持穩(wěn)定。
這樣的集成穩(wěn)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(diào)節(jié)的LM117
、LM317，這也是我們經(jīng)常使用的。
線性穩(wěn)壓電源的功耗同輸入、輸出電壓之間的差有關(guān)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(jí)的調(diào)整管的飽和壓降有 關(guān)系。在低飽和方式中，輸出級(jí)采用PNP功率晶體管，此外還開發(fā)了用CMOS管作為輸出級(jí)的大功率電路，而BICMOS則結(jié)合了低壓降大電流
的優(yōu)點(diǎn)，這對于提高穩(wěn)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(jí)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
DC-DC電源變換器(開關(guān)電源)基礎(chǔ)知識(shí)詳解
概述
電子設(shè)備都需要供電，其電能來源于火力、水力、核子發(fā)電廠提供的交流電。這些交流電通過電源設(shè)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(guī)的變換器是串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源，其調(diào)整元件工作于線性放大區(qū)，通過的電流是連續(xù)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(yīng)用；隨著功率電子學(xué)領(lǐng)域中技術(shù)的日新月異的發(fā)展，理論研究不斷深
化，功率變換拓?fù)浼捌骷䦟ε祭碚摰娜遮呁晟�，開關(guān)電源以其強(qiáng)大的生命力適應(yīng)當(dāng)今高效率、小型輕量化的要求。
開關(guān)電源去除了工頻變壓器，代之以幾十KHz、幾百KHz甚至數(shù)MHz的高頻變壓器。由于調(diào)整管工作于開關(guān)狀態(tài),功耗小,效率高,可達(dá)80％-95％。因此開關(guān)穩(wěn)壓電源體積小，重量輕。但由于電路負(fù)載，高頻元器件價(jià)格高，因此成本較高，且輸出紋波噪聲電壓較高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)
較差。
線性穩(wěn)壓電源
在功率開關(guān)晶體管問世以前，串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器一直是最簡單的、最常用的穩(wěn)壓技術(shù)。基本的串聯(lián)穩(wěn)壓電路如圖11.1:
圖中，vl是調(diào)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(jìn)行比較，放大產(chǎn)生的電壓經(jīng)過直流
電平位移后，作為調(diào)整管的基極輸入，這樣構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋回路，負(fù)載RL變化時(shí)，通過反饋回路調(diào)整以使Vo保持穩(wěn)定。
這樣的集成穩(wěn)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(diào)節(jié)的LM117
、LM317，這也是我們經(jīng)常使用的。
線性穩(wěn)壓電源的功耗同輸入、輸出電壓之間的差有關(guān)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(jí)的調(diào)整管的飽和壓降有 關(guān)系。在低飽和方式中，輸出級(jí)采用PNP功率晶體管，此外還開發(fā)了用CMOS管作為輸出級(jí)的大功率電路，而BICMOS則結(jié)合了低壓降大電流
的優(yōu)點(diǎn)，這對于提高穩(wěn)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(jí)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(guān)穩(wěn)壓電源
在開關(guān)穩(wěn)壓電源中，直流變換器中的功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)。目前開關(guān)電源的工作頻率在幾百KHz,有些甚至已經(jīng)到了MHz量級(jí)。圖11.3是
DC/DC開關(guān)變換器的原理框圖：
開關(guān)電源的實(shí)現(xiàn)方式有很多種，如最傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，目前流行的為提高變換效率的零電壓（ZV）,零電流（ZC）技術(shù)、相移脈
寬調(diào)制零電壓諧振變換等。每一種技術(shù)之下，又有很多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。開關(guān)電源設(shè)計(jì)需要豐富的模擬電路知識(shí)，涉及到功率器件選取、電源濾波 、驅(qū)動(dòng)電路、控制環(huán)路、高頻磁芯變壓器、EMC等多個(gè)方面，具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)已經(jīng)超出了本文的范圍。
本文將從原理的角度介紹脈寬調(diào)制的幾種類型、全橋變換技術(shù)，最后將介紹最新的ZVZCSPwMDc/DC變換器。
11.3.1脈寬調(diào)制的幾種形式脈寬調(diào)制是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中最成熟的技術(shù)。脈寬調(diào)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(fù)載變化時(shí)，根據(jù)調(diào)整輸出脈沖的占空比達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。
脈寬調(diào)制易于實(shí)現(xiàn)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)脈沖具有固定的頻率，與負(fù)載特性無關(guān)，因而應(yīng)用最為廣泛。
buck變換器電路及原理
buck變換器由電壓源、串聯(lián)開關(guān)和電流負(fù)載組成，也稱它為串聯(lián)開關(guān)變換器。圖11.4是它的基本拓?fù)湫问健?br>
圖11.4buck變換器
圖11.5是晶體管開關(guān)變換器（buck）電路，其中晶體管Q為開關(guān)器件，L為濾波電感，C為濾波電容，D為續(xù)流二極管。
ton為晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，在此時(shí)間段，L內(nèi)的電流逐漸增加，當(dāng)導(dǎo)通結(jié)束后，進(jìn)入晶體管截止時(shí)間段toff，這時(shí)候由于L內(nèi)的電流到達(dá)
最大值ILmax，電感中的電流不能突變，所以，繼續(xù)有電流流過，二極管D充當(dāng)截止期間的續(xù)流元件。當(dāng)截止時(shí)間結(jié)束后，電感中的電流到
達(dá)最小值ILmin，重新開始新的周期。
在buck變換器開關(guān)與負(fù)載時(shí)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(guān)管關(guān)斷期間，通過續(xù)流二極管為負(fù)載提供電流。D3的作用是鉗位，其功能是完成磁心的復(fù)位。當(dāng)開關(guān)管關(guān)
斷時(shí)，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(jìn)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(lián)開關(guān)變換器。與buck變換器其不同的是，boost型電感在輸入端（開關(guān)）,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(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，二極管D關(guān)閉，電感L與開關(guān)管的節(jié)點(diǎn)電壓為O。當(dāng)開關(guān)管關(guān)
閉時(shí)，電感L兩端的電勢翻轉(zhuǎn)，所以電感L與開關(guān)管的節(jié)點(diǎn)電壓大于輸入電壓Vl，電感電流通過二極管D續(xù)流，使得Vo大于Vi�？梢�
證明，Vo=Vi*[T/(T-Ton)]，T是開關(guān)脈沖周期，Ton是導(dǎo)通時(shí)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(jié)合起來，產(chǎn)生一種新的變換器，叫做buck一boost變換器，其結(jié)構(gòu)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(gè)能量直接從電源流向負(fù)載的時(shí)間，而在buck一
boost變換器中，能量先存儲(chǔ)在電感中，然后再流向負(fù)載，這是它們的主要區(qū)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(guān)管的導(dǎo)通期間，變壓器儲(chǔ)存能量，當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，二極管導(dǎo)通，能量傳遞給負(fù)載。
cuk變換器
將buck-boost變換器進(jìn)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(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，電容C的能量通過L2,C2、R回路釋放，同時(shí)向C2、L2儲(chǔ)能，同時(shí)電源
向Ll儲(chǔ)存能量。在三極管關(guān)閉時(shí)，Ll上的電流通過二極管D續(xù)流，同時(shí)向C充電。當(dāng)要求不同極性不同電壓的輸出時(shí)，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(jí)繞組均無直流流過。磁心在兩個(gè)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(gè)三極管在交替開關(guān)，以達(dá)到比單管工作電路高的輸出功率。由于初級(jí)線圈的中心抽頭接在輸
入電源的正級(jí)，這樣當(dāng)一邊三極管導(dǎo)通時(shí)，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(jīng)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(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)的
開關(guān)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(gè)晶體管代替了兩個(gè)晶體管，但是可靠性彌補(bǔ)了這些缺點(diǎn)。
圖11.13是全橋變換器的原理電路：
這種設(shè)計(jì)降低了晶體管的電壓，所以提高可靠性。需要指出的是，串聯(lián)在一起的兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，晶體管將損壞。解決這個(gè)問題的技術(shù) 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(gè)橋臂的兩只晶體管用兩個(gè)電容代替，可以節(jié)省兩個(gè)晶體管，比較經(jīng)濟(jì)。但是通常兩個(gè)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(shè)計(jì)這些開關(guān)電源時(shí)候，經(jīng)常會(huì)碰到如下問題，如果解決不好，將嚴(yán)重影響開關(guān)電源的工作：
晶體管同時(shí)導(dǎo)通：在雙端變換器（如推挽、橋式），有可能產(chǎn)生晶體管同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，這將導(dǎo)致晶體管在瞬間損壞。容性負(fù)載：變換器的功 耗取決于電壓電流在時(shí)間軸上的重疊部分。在瞬間關(guān)斷和導(dǎo)通，晶體管將對容性負(fù)載充電，如果容性負(fù)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(lián)的一個(gè)小電感，當(dāng)晶體管電流關(guān)斷時(shí)，這個(gè)漏感將在集電極上產(chǎn)生尖峰電壓。如 果尖峰電壓不被抑制，會(huì)擊穿晶體管。
變壓器工作點(diǎn)沿磁滯回線垂直漂移：變壓器磁滯回線工作點(diǎn)應(yīng)該保持在中心，如果電路使之偏離中心點(diǎn)，磁芯將進(jìn)入飽和區(qū)。磁芯進(jìn)入飽和區(qū) 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(huì)瞬間急劇擴(kuò)大而導(dǎo)致器件損壞。
電源機(jī)殼上的開關(guān)噪聲電壓：通常在開關(guān)管集電極上出現(xiàn)高峰值的方波，或變壓器次級(jí)輸出接地端同機(jī)殼之間出現(xiàn)噪聲電壓。
(d）開關(guān)模態(tài)3對應(yīng)于［t2,t3]，電流流向如圖11.23，其中ip為初級(jí)線圈中的電流方向。
在這個(gè)開關(guān)模態(tài)中，原邊電流為ip=O;A電對應(yīng)電壓為Va=O,B點(diǎn)對應(yīng)電壓為Vb=-Vcbp。副變兩個(gè)整流管同時(shí)導(dǎo)通均分負(fù)載電流。
(e）開關(guān)模態(tài)3
對應(yīng)于［t3,t4]，電流流向如圖11.24，其中ip為初級(jí)線圈中的電流方向。
以上是zVzCS典型電路的各個(gè)開關(guān)過程的分析過程。實(shí)際設(shè)計(jì)中，還要確定若干技術(shù)參數(shù)，詳細(xì)細(xì)節(jié)請參見專業(yè)書籍。現(xiàn)在流行的集成式電容
開關(guān)轉(zhuǎn)換器，具有體積�。ㄒ话闶荢OP封裝），輸出功率小的特點(diǎn)，特別適合于低功耗應(yīng)用場合。
實(shí)際應(yīng)用舉例
在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)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(nèi)。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(guān)電源變換器就應(yīng)運(yùn)而生。這些變換器內(nèi)置控制電路和開關(guān)管，配合外圍電感、二極管，應(yīng)用方式比較靈活，根據(jù)需要，既可產(chǎn)生正電源，又可以產(chǎn)生負(fù)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(guān)于LT1173應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)請參考本站(www.dz3w.com)相關(guān)文章或LT1173 datasheet.
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