1.開關(guān)電源:是一種高頻電能轉(zhuǎn)換器件，主要采用電力電子開關(guān)器件(如晶體管、MOS晶體管、可控晶閘管等。)通過控制電路周期性地“導(dǎo)通”和“關(guān)斷”電力電子開關(guān)器件，使電力電子開關(guān)器件對(duì)輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換、輸出電壓可調(diào)和自動(dòng)穩(wěn)壓的功能。
開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn):①功耗低，效率高。②體積小，重量輕。③穩(wěn)壓范圍寬。
電源損耗來源:①開關(guān)管損耗。②電感和電容的損耗。③二極管損耗。
開關(guān)電源的損耗分析:開關(guān)電源的效率可以達(dá)到90%以上，如果精心優(yōu)化設(shè)計(jì)，甚至可以達(dá)到95%以上，這在手機(jī)、小型無人機(jī)等以電池為電源的場(chǎng)合非常重要。因此，開關(guān)電源的設(shè)計(jì)將直接影響設(shè)備的續(xù)航能力。
(1)開關(guān)管損耗:這是開關(guān)電源的主要損耗，主要包括開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。因此，我們應(yīng)該盡量選擇導(dǎo)通電阻相對(duì)較小的開關(guān)管作為開關(guān)電源的核心元件。
(2)電感和電容損耗:電感損耗主要包括DC電阻損耗，電容損耗主要包括漏電流損耗。所以要盡量選擇DC電阻較小的電感和漏電流較小的容性元件。
(3)二極管損耗:主要包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。因此，應(yīng)盡量選擇導(dǎo)通壓降小、反向恢復(fù)時(shí)間短的二極管，如肖特基二極管或快恢復(fù)二極管。
二、開關(guān)電源的分類:
根據(jù)調(diào)制方式的不同，可以分為脈沖寬度調(diào)制(PWM)和脈沖頻率調(diào)制(PFM)。目前，脈寬調(diào)制(PWM)在開關(guān)電源中占主導(dǎo)地位。
根據(jù)管道的連接方式，可分為串聯(lián)開關(guān)電源、并聯(lián)開關(guān)電源和變壓器開關(guān)電源三大類。
根據(jù)輸出電壓的不同，可分為降壓開關(guān)電源和升壓開關(guān)電源。
根據(jù)輸入和輸出的類型，可分為交流-交流、DC-交流、交流-DC和DC-DC四種類型。這里，主要介紹DC-DC。
根據(jù)是否有電氣隔離，分為隔離式開關(guān)電源和非隔離式開關(guān)電源。
開關(guān)電源的三種基本拓?fù)?主要是非隔離的):
通常，DC/DC變換器包括兩種基本工作模式:電感電流連續(xù)模式(CCM)和電感電流不連續(xù)模式(DCM)。
(1)降壓降壓型:
對(duì)于CCM工作模式:
當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，續(xù)流二極管關(guān)斷，忽略NMOS晶體管的壓降，電感電流線性增加。此時(shí)電感正向伏秒為(Vin-Vo)×Ton。
當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，電感電流不會(huì)突然變化，它通過續(xù)流二極管(忽略二極管的導(dǎo)通壓降)形成回路，為輸出負(fù)載供電。此時(shí)電感電流減小，電感反向伏秒為Vo×(T-Ton)。
根據(jù)感應(yīng)電壓的伏秒平衡定律，可以得到:(Vin-Vo)×Ton = Vo×(T-Ton)，即Vo = Vin×( Ton/T) = Vin×D (D為空之比)。
對(duì)于DCM操作模式:
當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，續(xù)流二極管關(guān)斷，忽略NMOS晶體管的壓降，電感電流線性增加。此時(shí)電感正向伏秒為(Vin-Vo)×Ton。
當(dāng)Q1關(guān)斷且滿足Td時(shí)，電感電流不能突變，通過續(xù)流二極管(忽略二極管的導(dǎo)通壓降)形成回路，為輸出負(fù)載供電。此時(shí)電感電流降至零，電感反向伏秒為Vo×Td。
當(dāng)Q1關(guān)斷并達(dá)到Tc時(shí)，電感電壓和電流都為零。
根據(jù)感應(yīng)電壓的伏秒平衡定律，可以得到:(Vin-Vo)×Ton = Vo×Td，即Vo = Vin×( Ton/(Ton Td))。
(2)升壓升壓型:
對(duì)于CCM工作模式:
當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，NMOS管的壓降忽略不計(jì)，電感的電流線性增加。在這個(gè)過程中，由于整流二極管D1的反向偏置被截止，負(fù)載由電容器C1供電，以保持負(fù)載工作。因此，電感的正向伏秒為Vin×Ton。
Q1關(guān)斷時(shí)，由于電感的反電動(dòng)勢(shì)，電感的電流不會(huì)突然變化，電感通過D1、C1、RL電路給電容充電，使負(fù)載持續(xù)工作。這里忽略二極管的導(dǎo)通壓降，所以電感的反向伏秒為(Vo-Vin)×(T-Ton)。
根據(jù)電感和電壓的伏秒平衡定律，可以得到:Vin×Ton = (Vo-Vin)×(T-Ton)，即Vo = Vin×( T/(T-Ton)) = Vin/(1-D)。
對(duì)于DCM操作模式:
當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，NMOS管的壓降忽略不計(jì)，電感的電流線性增加。在這個(gè)過程中，因?yàn)檎鞫O管D1的反向偏置被關(guān)斷，所以負(fù)載由電容器C1供電以保持負(fù)載工作。因此，電感的正向伏秒為Vin×Ton。
Q1關(guān)斷時(shí)，由于電感的反電動(dòng)勢(shì)，電感的電流不會(huì)突然變化，電感通過D1、C1、RL電路給電容充電，使負(fù)載持續(xù)工作。這里忽略二極管的導(dǎo)通壓降，所以在Td時(shí)間內(nèi)電感的反向伏秒為(VO-VIN) × Td。
當(dāng)Q1關(guān)斷并達(dá)到Tc時(shí)，電感電壓為零。
根據(jù)感應(yīng)電壓的伏秒平衡定律，可以得到:Vin×Ton = (Vo-Vin)×Td，即Vo = Vin×( (Ton Td)/Td)。
(3)升降壓型:
對(duì)于CCM工作模式:
當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，NMOS管的壓降忽略不計(jì)，電感的電流線性增加。在這個(gè)過程中，二極管D的反向偏置被關(guān)斷，因此負(fù)載由電容器Cf供電，以保持負(fù)載工作。因此，電感的正向伏秒為Vin×Ton。
當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，由于電感的反電動(dòng)勢(shì)，電感的電流不會(huì)突然變化。電感通過D、CF和RL電路給電容充電，保持負(fù)載工作。這里忽略二極管的導(dǎo)通壓降，所以電感的反向伏秒為:-Vo×(T-Ton)
根據(jù)電感電壓的伏秒平衡定律，我們可以得到:Vin×Ton = -Vo×(T-Ton)，即VO = vin×(Ton/(Ton-T))=-vin×(d/(1-d))。
對(duì)于DCM操作模式:
當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，NMOS管的壓降忽略不計(jì)，電感的電流線性增加。在這個(gè)過程中，二極管D的反向偏置被關(guān)斷，因此負(fù)載由電容器Cf供電，以保持負(fù)載工作。因此，電感的正向伏秒為Vin×Ton。
當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，由于電感的反電動(dòng)勢(shì)，電感的電流不會(huì)突然變化。電感通過D、CF和RL電路給電容充電，保持負(fù)載工作。這里忽略二極管的導(dǎo)通壓降，所以電感的反向伏秒為:-Vo×Td。
根據(jù)電感和電壓的伏秒平衡定律，可以得到Vin×Ton = -Vo×Td，即Vo = -Vin×(Ton/Td)。
四。開關(guān)電源的同步整流技術(shù):由于二極管導(dǎo)通至少存在0.3V的導(dǎo)通壓降，續(xù)流二極管消耗的功率將成為DC/DC開關(guān)電源的主要功耗，從而嚴(yán)重限制效率的提高。為了解決這個(gè)問題，續(xù)流二極管被導(dǎo)通電阻極低(一般幾十毫歐左右)的MOS管取代。然后，控制器同時(shí)控制開關(guān)管和同步整流管，保證兩個(gè)MOS管不能同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)發(fā)生短路，燒壞電路。
動(dòng)詞 （verb的縮寫）開關(guān)電源負(fù)反饋技術(shù):和LDO一樣，開關(guān)電源通過電壓負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定。所以完整的開關(guān)電源系統(tǒng)還必須包括分壓采樣電路、基準(zhǔn)電壓、誤差比較電路、占空比空控制電路和晶體管(MOS管)調(diào)整電路五個(gè)部分。
(1)電感和電容組成低通濾波電路(盡量使低通濾波器的截止頻率小于開關(guān)頻率為好)，用來濾除開關(guān)電源輸出的紋波。以下是開關(guān)電源中電感值的計(jì)算公式(一般電源的紋波要求小于5%)。
(2)提高開關(guān)電源的開關(guān)頻率會(huì)降低輸出紋波。在同等條件下，開關(guān)頻率越高的芯片，輸出紋波越小，電感電容越小。但需要注意的是，開關(guān)頻率的提高也會(huì)增加開關(guān)管的開關(guān)損耗，導(dǎo)致開關(guān)電源的效率下降。所以如何在性能上妥協(xié)是需要考慮的問題，這也是大自然的奇妙之處。
關(guān)閉電源的開關(guān)頻率將降低輸出紋波。在同等條件下，開關(guān)頻率越高的芯片，輸出紋波越小，電感電容越小。但需要注意的是，開關(guān)頻率的提高也會(huì)增加開關(guān)管的開關(guān)損耗，導(dǎo)致開關(guān)電源的效率下降。所以如何在性能上妥協(xié)是需要考慮的問題，這也是大自然的奇妙之處。
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