开关电源顾名思义就是通过控制晶体管的导通截止来转换电压,由于部分时间工作在截止状态,功耗比较小,发热也比较小。所以相较与线性电源模块而言,效率比较高,发热也没有那么厉害。
根据驱动电压可以分为自激式和他激式。
自激式:利用调整管,开关变压器辅助绕组构成正反馈,实现自激振荡,实现稳压
他激式:使用专设振荡器产生脉冲控制调整管。
根据转换器电路结构方式分为非隔离型和隔离型。
非隔离型:输入和输出共地,适合低压直流转换的场合,包括降压式,升压式,升降压式。
隔离型:输入输出隔离,包括反激式,正激式,推挽式,半桥式,全桥式。
根据开关管的脉冲调制方式分为脉宽调制型,频率调制型,混合调制型。
脉宽调制型:通过改变开关管的导通时间来控制占空比,从而调节和稳定输出电压。
频率调制型:开关管的导通时间不变,通过改变开关管的脉冲频率来调节和稳定输出电压。
混合调制型:开关管的导通时间和脉冲频率都改变,从而来调节和稳定输出电压。
开关电源的效率:
功率的损耗:
由此可见开关电源具有低功耗,高效率的特点。
BUCK(降压转换器):
在开关管导通时,二极管D负极电压高于正极反偏截止,此时电流经过电感L向电容和负载供电,同时电感L中储存了能量。在开关管关断时,电感L中储存的能量不能立即释放,产生的感应电流通过负载、二极管D形成续流通路,继续给负载供电。该二极管也因此称为续流二极管。同时,由于负载和晶体管串联,输出电压小于输入电压,所以达到降压目的。
1.4 BUCK工作模型
目的:降压
输入电容的水桶大于输出电容的水桶,通过控制传送的时间间隔t和水杯里的水量从而实现控制输出电容里水量的稳定,开关稳压器起反馈作用,当输出的水量少了,就增加水杯里的水,或者更加频繁的送水,反则反之。
1.5 BOOST拓扑结构
BOOST(升压转换器):
当开关管导通时,二极管正极电压低于负极电压反偏关断,电源和电感形成通路,电感L流过电流储存能量,此时负载由电容提供能量。当开关管断开时,此时二极管正向导通,电源和电感L储存的能量同时向电容、负载供电。由于开关管并联,电感产生的感应电动势与电压相叠加后作用于负载,所以输出电压会高于输入电压。
1.6 BOOST工作模型
目的:升压
输入电容的水桶小于输出电容的水桶,通过控制传送的时间间隔t和水杯里的水量从而实现控制输出电容里水量的稳定,开关稳压器起反馈作用,当输出的水量少了,就增加水杯里的水,或者更加频繁的送水,反则反之。
1.7 BUCK-BOOST拓扑结构
其中的器件和Buck电路完全一致,只是二极管和电感的位置发生了改变。Buck-Boost变换器输出的是相对地的负压。
在接通后,电流从Vin流经开关,再过电感L到地(实际上就是L的充能过程),由于二极管右边的输出是伏电压,左边是正电压,二极管被反相截止(此时的右端输出电压由电容C放电维持)
在断开后,电流从地流经滤波电容C和负载RL,经过二极管D,再到电感L到地(实际上就是电感L的放能过程和C的充能过程)
正确的拓扑结构必须满足ΔION = ΔIOFF = ΔI
电流在一个周期内的的变化共有三种情况:
连续导通模式(CCM):
开关断开后,电感电流尚未下降到零的时候,开关又被接通,CCM是最常见的。
断续道统模式(DCM):
开关断开后,电感电流下降到零之后,过了一段时间,开关才被接通
临界连续模式(BCM):
开关断开后,电感电流刚好下降到零的时候,开关又被接通
1.8 控制器与稳压器
稳压器是使输出电压稳定的设备。稳压器由调压电路、控制电路、及伺服电机等组成。当输入电压或负载变化时,控制电路进行取样、比较、放大,然后驱动伺服电机转动,使调压器碳刷的位置改变,通过自动调整线圈匝数比,从而保持输出电压的稳定。
集成开关管的 IC我们一般称之为稳压器,需要外置开关管的 IC 我们称之为控制器。
占空比越高,效率越高。
1.10 隔离式拓扑结构
1)正激式变换器
正激时变换器因电路设计简单、经济便捷,在50W~400W的场合应用很广。但是由于变压器上所有线圈电流在开关管关断的时候,全部断开,为了保证变压器的磁芯不发生磁饱和现象,附加绕组的加入起到磁芯复位的功能。
在Buck-Boost型变换器中将高频变压器放在电感的位置就有了反激式的电路。反激式变换器设计非常容易,价格低廉,常常用在多路输出的小功率开关电源场合。
正激式和反激式对比:
1.11 相关知识点
开关电源保护:
在产生以上四种情况时会自动断开,保护电路,在排查时考虑这几种情况。
工频变压器的工作频率一般是指50HZ或60HZ;
高频变压器的工作频率一般都在1KHZ以上,甚至上百KHZ)
整个开关电源模块的逻辑:
IC模块通过负载反馈的信息产生对应的PWM波,控制MOSFET管导通母线,初级线圈进行充能,次级线圈产生感应电动势,次级模块有反馈回路反馈给IC模块,构成闭环系统,IC模块根据负载上的电压调节PWM,从而达到控制次级模块上产生稳电压的目的。
注意:次级线圈的电感会对初级线圈的电感有一个反馈,会产生叠加,所以MOSFET两端的电压有可能会比母线的大,在选型时要注意考虑加上这个增益。
电感的瞬时电流和刺心中的磁场强度成比例。所以当电感电流达到最大值时,磁场强度也达到了最大值。当磁场强度超过一定值时,电感就会饱和(电感量开始下降)。一旦饱和,电感的限流能力随之下降,会有很大的电流通过开关管。所以不能让电感有瞬时的饱和。