【模电】0017 开关电源的原理及分析

2023-11-19

开关电源一般简称为DCDC,比我们前两节分析的线性电源复杂一些,它与线性电源最大的不同在于其调整管的工作状态。开关电源中的调整管工作在开关状态,即只工作在饱和区和截止区

1)典型开关电源的原理

一个典型的降压型开关电源原理如下图:

首先,我们来看输出部分,即调整管T之后的部分。我们之前分析的线性电源,在调整管之后是直接输出到了负载,而开关电源的调整管之后,接了一个反向的二极管D到地,然后经过了一个LC滤波才输出到负载RL上。

由于开关电源的调整管T工作在开关状态,T导通时,输入电压Vi直接通过调整管进入,电流iL向电感L和C充电储存能量,并向负载输出;所以调整管T导通时电流通路如下图所示:

 而T截止时,调整管T不向外输出电流,由于电感L中的电流不能突变,所以有电流从地流经二极管D,通过L流向负载,这样形成了电流回路,此时L和C向负载释放能量;所以调整管T截止时电流通路如下图所示:

 以此保证整个周期内都能向负载输出能量。

接下来,我们分析控制电路,当取样电路取得的电压Vf输入到比较放大器A时,如果大于基准电压,也即Vf>Vref时,比较放大器的输出Va会是一个较低的电压,和三角波电压Vt比较时,在一个周期内会有较长的时间小于Vt,所以,在一个周期内比较器的输出Vb会有较长时间输出低电压,这会使得调整管T的截止时间增加,也即减少了能量的输出。

反之,当取样电路的电压Vf较小时,经过一系列比较后,会增加T的导通时间,增大能量的输出。以此实现输出电压的稳定。

以上是一种典型的降压型开关电源原理,工程实现时,一般会选择集成开关电源芯片,比如LM2596,就将上述控制电路和调整管集成到了一个芯片中,外围搭配D、L、C等器件就可以组成完整的开关电源电路。

电路中的二极管D保证了在T截止时电路中仍有电流输出,所以称为续流二极管。这个二级管要通过较大的电流,所以选择高速、低压降的开关管,一般选用肖特基二极管

电感需要选功率电感,不能使用色环电感,因为这里需要电感储能,需要通过较大的电流。

电容和电感的选择要合适,一般可以参见集成开关电源的手册推荐值,因为从调整管直接输出的电压是开关状态,变化剧烈,所以需要后端的LC滤波电路实现电压的稳定。

2)开关电源电路的仿真

如下图是一个降压电路的仿真图:

这个电路将直流12V降压。

这里仅仿真调整管及其后端的的电路,开关管设置了30%的占空比。可以看到在LC滤波之前的波形(黄色)有很大的波动,但LC滤波之后的电压已经比较稳定了。

下图是一个升压电路的仿真图:

此图中的各元件参数和上图一样,只是电路形式不同,实现了升压的功能。升压电路也是在调整管导通时给电感充电,电流直接流过电感和调整管到地,此时续流二极管防止了输出端的电流倒灌;截止时,电感上的电压和电源电压叠加后,通过二极管向输出端放电,所以有升压的效果。

3)开关电源与线性电源的特性比较

由于开关电源的调整管工作在开关状态,在导通和截止时,调整管自身消耗的功率都很小,所以,一般情况下,开关电源的效率比线性电源高

开关电源的输出,是通过将开关电压滤波后输出的,纹波较大

开关电源相对于线性电源结构复杂,而且需要搭配较多的外围器件

开关电源的静态功耗较大,由于自身内部有多个比较电路、振荡电路、波形产生电路等等,它自身有一定的功耗,在空载时会有一定的功耗;而线性电源,一般空载时也只会消耗极少的功耗。在某些低功耗应用场合,负载消耗的电流较低时,线性电源反而会有更高的效率。

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