原创 开关电源基础知识(一)

2019-7-18 15:19 882 6 6 分类: 电源/新能源 文集: 综合文档

1.1 开关电源的类型

1.1.1 线性稳压器,所谓线性稳压器,也就是我们俗话说的LDO,一般有这么两种特点:

 传输元件工作在线性区,它没有开关的跳变;

 仅限于降压转换,很少会看到升压的应用。

1.1.2 开关稳压器

 传输器件开关(场效应管),在每个周期完全接通和完全切断的状态;

 里面至少包括一个电能储能的元件,如:电感器或者电容器;

 多种拓扑(降压、升压、降压-升压等)

1.1.3 充电泵,一般在一些小电流的应用

 传输器件开关(如:场效应管、三极管),有些完全导通,而有些则工作在线性区;

 在电能转换或者储能的过程中,仅限使用了电容器,如一些倍压电路。

答疑:有些情况为什么要使用开关稳压器?为什么不用LDO 和充电泵?

我们知道,所有的能量都不会凭空消失,损耗的能量最终会以热的形式传递出去,

这样,工程师在设计中就会产生很大的挑战,比如说,损耗最终以热的形式传递,那么

电路中就需要增加更大的散热片,结果电源的体积就变大了,而且整机的效率也很低。

如果在开关模式的开关电源,不仅可以提高效率,还可以降低了热管理的设计难度。

我们可以举一个例子来对比线性电源和开关电源的效率和体积:

从它们的效率来看,一个12V 输入,3.3V/2A 输出的电源,如果用线性稳压器来实现的

话,它输出效率只有28%,而用开关电源来做的话,它的输出效率能达到90%以上。所以

线性电源在高输入电压,低输出电压的情况下的效率是非常的低,它只适用于一些输入和输

出的压差比较低的场合。像这些情况下使用开关电源的优势是显而易见的。线性稳压器的损

耗为17.4W,开关稳压器的损耗只有0.73W,这些损耗最终会以热量的形式传递出去,器件

的工作温度=器件温升+环境温度,温升=热阻 × 损耗的情况下:假如器件的热阻θ=35℃/W

来计算,LDO 的温升=35℃ × 17.4W=609℃,开关稳压器温升=35℃ × 0.73W=25.55℃。

可见,开关稳压器可以工作在60~70℃的环境温度也是没问题的,而LDO 在这种情况下,

发热非常严重,必须得降低它的热阻,而热阻的大小就取决于散热面积,散热面积越大,热

阻就越小,所以LDO 需要很大的散热面积(如下图),来减少它的热阻以获得较低的温升。

上图红色标注地方分别是一个2.5W的LDO 和一个6W 的开关电源,两者功率相差2.4

倍,但开关电源的面积仅是LDO 的1/4 不到,也就是说开关电源的损耗大大减少了,能够

承受更高的热阻,减少散热的面积。

再次强调一遍,如果说输入与输出之间压差较低的情况下,可以使用LDO,但压差较

大的情况下,建议使用开关电源。当然,开关电源也有它的劣势,它的输出会有噪声、振铃、

跳变,而LDO 则不会。某些场合的负载对电源的电压是很敏感的话,可以在开关电源后面

载加一级LDO。例如我们要把5V 转为1.2V , 如果直接有LDO 的话,效率可能只有20%,

但我们可以把5V 用开关电源变为1.5V,再用LDO 把1.5V 转为1.2V,这样,效率就会高,

是一个比较优化的设计。

1.1.5 总结:开关电源VS 线性稳压器

(1)开关电源

① 能够提升电压(升压)

② 以及使电压减低(降压)甚至反相

③ 具有较高的效率和功率密度

(2)线性稳压器

① 只能实现降压

② 输出电压相对更稳定

 

如图是一个简化的降压的开关电源,为了方便电路的分析,先不加入反馈控制部分。

状态一:当S1 闭合时,输入的能量从电容C1,通过S1→电感器L1→电容器C2→负载RL

供电,此时电感器L1 同时也在储存能量,可以得到加在L1 上的电压为:Vin-Vo=L*di/dton。

状态二:当S2 关断时,能量不再是从输入端获得,而是通过续流回路,从电感器L1 存储

的能量→电容C2→负载RL→二极管D1,此时可得式子:L*di/dtoff= Vo,最后我们可以得

出Vo/Vin=D,而Vo 永远是小于Vin 的,因为占空比D≤1。

各个器件的作用:

1、输入电容器(C1) 用于使输入电压平稳;

2、输出电容器(C2) 负责使输出电压平稳;

3、箝位二极管(D1) 在开关开路时为电感器提供一条电流通路;

4、电感器(L1) 用于存储即将传送至负载的能量。

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