原创 信号链基础知识之开关型稳压器

2010-11-15 15:36 3140 17 23 分类: 消费电子

信号链基础知识之开关型稳压器

上一篇文章中探究了一下线性稳压器的原理与应用,其中印象最深刻的莫过于这类器件的efficiency问题了,Poor Efficiency几乎是人尽皆知!而且由于芯片内部是串联结构的缘故,导致Regulated Output Voltage必定是小于其Input Voltage。这些使得电路设计者是“欲弃之而又不舍”啊——可是它产生的噪声那是相当的Ultra Low,设计电路时基本不需要考虑EMI问题,且电路设计很简单、输出纹波电压小。继续信号链基础知识系列的探讨,本文将解析开关型稳压器的拓扑电路原理、应用以及几个需要注意的方面。

开关型稳压器和线性稳压器的拓扑电路是大体一致的,最主要的差别是以前的“Pass Element”现在变成了“Switching Element”,如下图所示: 

Analysis:此时,调整管不是工作在放大状态,而是开关状态,电路通过引入负反馈,控制开关的“断开时间”和“导通时间”——即控制占空比,得到矩形波,再经LC滤波,得到直流电压,以此达到自动调节输出电压的目的。正是由于这样的一个工作机理,使得其输出电压的纹波系数要大于线性稳压器的!

开关型稳压器中最核心的组成部分当属DC-DC变换器,它有很多类型,如BoostBuckBuck-BoostCukCharge-Pump等,本文将着重分析介绍前面三种。

1Boost Converter

a)当MOS管饱和导通时,

流经电感的电流表达式为

由于此时电感上的压降为uL=Ui,所以iL近似随时间线性增长,在ton时间段内,有

b)当MOS管截止断开时,

 

流经电感的电流表达式为

由于此时电感上的压降uL=Uo-Ui,所以iL近似随时间线性递减,在toff时间段内,有

为了保持流经电感上的电流能够连续,则要求

可见,调节调整管的开关时间ton即可调节Uo的值,且由于ton/T恒小于1soUo必定大于Ui,此即升压(Boost)型DC-DC变换器。

2Buck Converter

a)当MOS管饱和导通时,

流经电感的电流表达式为

由于此时电感上的压降uL=Ui-Uo,所以iL近似随时间线性增长,在ton时间段内,有

b)当MOS管截止断开时,

流经电感的电流表达式为

由于此时电感上的压降uL=Uo(暂且忽略二极管的压降),所以iL近似随时间线性递减,在toff时间段内,有

为了保持流经电感上的电流能够连续,则要求

可见,调节调整管的开关时间ton即可调节Uo的值,且由于ton/T恒小于1soUo必定小于Ui,此即降压(Buck)型DC-DC变换器。

3Buck/Boost Converter

a)当MOS管饱和导通时,

流经电感的电流表达式为

由于此时电感上的压降uL=Ui-Uo,所以iL近似随时间线性增长,在ton时间段内,有

b)当MOS管截止断开时,

流经电感的电流表达式为

由于此时电感上的压降uL=Uo,所以iL近似随时间线性减小,在toff时间段内,有

为了保持流经电感上的电流能够连续,则要求

从上面表达式可以看出,

(Ⅰ)当ton/T=0.5时,Uo=-Ui,即Inverter

(Ⅱ)当ton/T>0.5时,Uo>UiBoost Converter

(Ⅲ)当ton/T<0.5时,UoBuck Converter

有些应用于输出、输入高压差的情况下,为了保护开关管,需要采取电气隔离的措施,则可以在开关管和二极管之间跨接一个变压器解决这个问题,

给它一个名字叫“Flyback Converter”。

DC-DC拓扑电路基础上加上PWM控制环路后,便可得到一个比较简单的开关型稳压电路了。举个例子如下:

到此为止,开关型稳压器拓扑电路的工作原理我已经作了比较清晰、直白的分析,然后再来看看几个需要注意的问题,为电路设计的实际操作做好坚实的理论基础。

 

1)关于开关管的问题:

 

在实际应用电路中,调整管的“开关”都是由能够承受高反峰电压的双极型功率晶体管或MOS管实现的。其开关特性主要由极间电容体现的,极间电容越小,开关速度就可以越快。

 

2)关于续流二极管的问题:

 

选用这种器件时,若电路工作电流比较大,则应选用面接触型二极管;反之,若电路工作电流不大,则可选用点接触型二极管。

 

特别需要注意的一点就是:二极管在开关型稳压器中带来的应力问题。在开关频率非常高的情况下,二极管进入工作状态需要一定的时间,且在开始工作的初始几个纳秒内,二极管的压降会高于标称二极管的箝位电压。二极管的这个鲜为人知的“属性”在低压、高速开关应用中对于输出电压的纹波“贡献”尤为大。而且二极管的反向恢复时间一般要大于正向导通时间,这也会造成输出纹波一定程度的恶化。所以关于二极管的选取,需要事先做一下它的特性分析和现场调试。

 

3)关于电感、电容的问题:

 

这里电感主要是起到储存能量—释放能量的作用,而且储能量一般较大。当电感值过小时,会造成电感上的电流纹波过大,所以最好是选择功率电感器。更加给力的是:大电感便于电路在更低的输入电压下启动。

 

为了使输出电压的纹波尽量减小,电容C的取值应该足够大,而且建议使用ESD低的但电容。最好不要选电解类电容器,因为这种电容器那是“出了名”地高泄漏!不利于输出纹波的减小。

 

 

本文小结:总上所述,尽管开关型稳压器有这么多的“好处”,但是不可否认的是,它确实有一些“瑕疵”——噪声大、输出纹波大、不易检修等。开关电源的设计需要丰富的模拟电路知识和经验,涉及到元器件选取、控制环路、EMC等很多方面,这也是模拟电路工作者需要努力的方向,毕竟国内开关电源的设计水平和国外相比还是有比较大的差距的。


不过,所谓凡事不可“沙滩建高楼”,倘若把基础知识打扎实了,再加上好的机遇,那么相信在不远的将来“后来者居上”也并非难事!

 

 

 

 


文章评论6条评论)

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用户1107709 2010-12-10 09:44

学习了,很不错的文章

wen715591069_844196294 2010-12-4 19:02

恩,学习了

用户1528479 2010-11-16 10:04

(1)是啊,电源的重要性那是毋庸置疑的。(2)光有理论上的基础知识定是不足以做出性能良好的电源,只可惜目前太多的模拟电路工作者似乎“很乐意”忽略那些最基础、原理性的东西,不能沉下心来去亲力亲为罢了!

用户1470025 2010-11-16 09:49

电源是一切设备的基础。但电源的原理好理解,而做起来不容易。只有做过以后,才有体会。

用户1416067 2010-11-16 08:59

不错,学习了,谢谢

用户1277994 2010-11-16 08:23

多谢楼主的文章,很经典。
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