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1、1 开关电源概述开关电源是开关稳压电源的简称，一般指输入为交流电压、输出为直流电压的AC/DC变换器。开关电源内部的功率开关管工作在高频开关状态，自身消耗的能量很低，电源效率可达75%-90，比一般线性稳压电源提高近一倍。集成稳压电源线性电源线性稳压电源的简称,因其内部调节管工作在线性工作区得名。线性稳压器调节管与负载相串联，电源的输入电流与输出电流基本相等。长处是稳压性能好,输出的纹波电压和噪声电压小。缺陷是调节管压降大，功耗高,效率低，一般为3%-45%。开关电源脉宽调制控制器(PW)开关周期为恒定值,通过调节脉冲宽度来变化占空比,实现稳压目的。脉频调制控制器（PFM)脉冲宽度为恒定值,通
2、过调节开关频率来变化占空比,实现稳压目的。DC/DC变换器直流开关电源一般为高压输入、隔离式DC/DC变换器，采用PW控制器或单片开关电源。开关稳压器低压输入、非隔离式C/DC变换器，采用开关稳压器集成电路。涉及降压型BUCK电路,升压型OOST电路及混合电路等。单片开关电源将开关电源的重要电路都集成在一种芯片中，一般属于C/DC电源变换器。表1.1电源分类 降压式开关稳压器原理2.1 给低通滤波器输入方波图2.1.1表达给低通滤波器输入方波时的状况。如果一种低通滤波器的截止频率比输入信号频率低诸多，当给它输入方波信号时，由于方波被低通滤波器平滑，因此输出信号变成了直流(只有微小的脉流)。（为
3、什么?方波信号相称于一种直流分量加一种交流分量的和，通过低通滤波器后,直流分量通过,交流分量被滤掉，因此只剩余直流分量了,即输出平滑了。如果低通滤波器的截止频率比输入信号频率高,那么交流分量就所有通过了，起不到滤波的作用，因此低通滤波器的截止频率要比输入信号的频率低诸多才行。)降压型开关电源是把输入的直流信号转换成方波，再把这个方波经低通滤波器平滑，又得到直流信号的电路。之因此通过这样复杂的过程来减少电压是为了减少电压变换时的损失。线性稳压电源只因此效率低就由于直接进行电压变换的时候功耗大。图21.1给低通滤波器输入方波2.2 开关电路+滤波器=降压型开关电源降压式开关稳压器的原理如图2.1所
4、示,图22和2.2.3分别是当开关闭合、断开时的电流途径。在实际的电路中,还需要实行反馈使输出电压稳定。一般反馈都集成到电源芯片中。图1 简化电路图22. 开关闭合时的电流途径图2.3 开关断开时的电流途径(1)当开关闭合时续流二极管V截至，由于输入电压UI与储能电感L接通,因此输入输出压差（UI-Uo)就加在L上，使通过L的电流I线性地增长。(为什么?由公式L*di/t=可以看出，U、L不变,则di/dt为常数,即I线性增长。)在此期间除向负载供电外,尚有一部分电能储存在L和C中，流过负载RL的电流为Io,参见图22.。()当开关断开时，L与I断开，但由于电感电流不能在瞬间发生突变，因此在L
5、上就产生反向电动势以维持通过电感的电流不变。此时续流二极管VD导通，储存在中的电能就通过由D构成的回路向负载供电，维持输出电压不变。开关断开时,C对负载放电，这有助于维持Uo和Io不变，参与图22.3。(为什么?请看如下图例比较)图22.4 去掉电容的电路图图.2.5 去掉电容的仿真波形图图22. 有电容的状况下的仿真波形图图中,绿色为输入的开关电压U,开关频率为250KZ，周期为4US。蓝色为输出的直流电压Uo。红色为输出电流Io。对比图22.和图2.2.6，可以看出有电容的状况下纹波电压和纹波电流要诸多。3 降压型开关电源的设计31 电源电路的设计指标目迈进行降压型开关电源的具体设计。设计
6、指标如下：输入电压12V输出电压+5V输出电流2A表.降压型开关电源的指标3.2 续流二极管D的选择由降压型开关稳压电源工作原理分析可知，当功率开关T截止时，储能电感中所存储的磁能是通过续流二极管VD传播给负载电阻RL的;当功率开关VT导通时,集-射极之间的电压几乎等于零,这时的输入电压UI就所有加到续流二极管D的两端。因此，续流二极管的选择一定要符合下列条件：(1)续流二极管VD的正向额定电流必须等于或不小于功率开关T的最大集电极电流，即应当不小于负载电阻R上的电流。由表知输出电流为2,纹波电流控制在5以内,即二极管正向额定电流Id2A。()续流二极管D的反向耐压值必须不小于输入电压UI值（
7、这里是1V)。(3)为了减小由于开关转换所引起的输出纹波电压，续流二极管V应选择反向恢复速度和导通速度都非常快的肖特基二极管或快恢复二极管。()为了提高整机的转换效率,减小内部损耗，一定要选择正向导通管压减少的肖特基二极管。综上选择MRS340(Tspi软件的仿真元件库内）。图32. MBRS30属性3.3 储能电感L的选择这里我们假定选择的开关频率为F0KHZ。 开关的周期T=1/F=/50KHZu。占空比DUoUI=5V/2V.42。 一种周期内处在12V电压的时间on=DT=0.42*4us=68us。 在on时间内,纹波电流di=10*o=0.1*2=02。纹波电流控制在5%以内。 在
8、Ton时间内，储能电感L两端压降VL=12V-5=V。根据电感计算公式L=V*dtdi可以得到:在To时间内,LTon/di=7V1.68s.2A=58.8uh。 在实际应用中，往往取理论值的1.5倍，因此估算电感:L=8.uh*.58uh。选材的时候考虑在这个电感量左右的电感。3.4 输出滤波电容C的选择从降压型开关稳压电源的工作原理分析可见，输出滤波电容C的选择直接关系着开关稳压电源输出电压中纹波电压分量Uo的大小。在设计降压型开关稳压电源时,输出滤波电容的容量重要根据对稳压电源输出纹波电压Uo的规定来定。根据电路分析可以推导出C的计算公式（推导过程略）:C=Uo8UoLF2（1-UoUi
9、）C=5V8*5V*10%*88uh*（250KHZ）2（1-5V12V）=.13uf实际应用中取理论值1.5倍，估算电容=0.13uf*1.5=.2uf储能电感L和输出滤波电容C构成的滤波器的截止频率为Fc=12LC=38HZ可以看出F远不不小于开关频率F=250H。对于储能电感和输出滤波电容的选择，必须在满足电感选择原则的基本上，再选择电容，(如果电感值不不小于临界值,电感局限性以吸取开关的能量，会引起工作状态急剧恶化。因此,储能电感L除了起储能和滤波的作用外,尚有限制功率开关最大电流的作用。）电感和电容之间满足关系式: LC=TToff8UoUo (式3.4.1）也可以用式估算C的值。降
10、压型开关电源的设计仿真图4.1 仿真电路图图4.2 开关电源设立及波形图4.3 输出电压和输出电流的波形图4.3中，绿色为输出电压的波形图,参照坐标系在左侧,可以看出输出电压在5V左右，电压波动在92V-.1V,满足5%纹波电压4.75-5.25规定。蓝色为流经负载电流的波形图，参照坐标系在右侧，输出电流在2A左右,电流波动在1.9720A满足5纹波电流.9A2.1A规定。经思考验证,还可以得到如下几点信息:L和C的取值越大,最后的纹波输出越小，即输出电压电流越平稳，但达到平稳的时间也越长，如图4.为10s左右达到平稳。而将电感值从8u增大到20h后，如下图4.4所示，要到500us左右才达到
11、平稳。）图.4 增大L的值后的仿真波形图C越大，起始噪声脉冲越大。如下图.所示。将电容从2uf增大到20u。如果继续增大的值,会浮现更多的逐渐衰减的噪声脉冲。如图46所示,电容值增大到200u。注意时间轴的变化，达到平稳的时间也越来越长,纹波越来越小，符合中所述。图45 增大C值后的仿真波形图图4. 继续增大值后的仿真波形图L和取值较小，满足不了截止频率远不不小于开关频率的规定期，浮现谐振。如图所示,电感减少为uh。此时已经达不到滤波的规定了。L和C的相对取值不同,振荡幅度不同。参照文献1日铃木雅臣著,彭军译 晶体管电路设计M.北京：科学出版社，:227-243.2沙占友，王彦朋，安国臣,孟志永. 开关电源设计入门与实例解析M.北京:中国电力出版社，.3王水平，史俊杰，田庆安 开关稳压电源-原理、设计及实行电路M.西安：西安电子科技大学出版社，：12 沙占友，庞志锋,等. 开关电源外围元器件选择与检测M 北京：中国电力出版社，：-1.5 日长谷川彰著，何希才译.开关稳压电源的设计与应用M. 北京:科学出版社,:1-11.6 日福田务著，牛连强,张胜男译. 电子电路入门. 北京：科学出版社,.
