标签: 开关电源

在现代电子设备中，开关电源（Switch Mode Power Supply，SMPS）以其高效能和紧凑性成为电源设计的主流选择。为了保障开关电源的高性能和可靠性，光耦的应用变得至关重要。本文将介绍光耦在开关电源中的应用实力，并推荐性能优异的光耦型号。 光耦在开关电源中的核心作用 光耦在开关电源中的作用不可替代，它不仅提供了电气隔离和信号传输的基本功能，更通过反馈控制和保护机制，确保了开关电源的高效能和安全性。通过合理选择光耦型号，可以优化开关电源的设计，提升其整体性能和可靠性。无论是在消费电子、服务器电源还是工业电源中，光耦的应用都彰显了其在现代电子技术中的重要地位。 光耦在开关电源中的具体应用实例 电源适配器： 电源适配器是光耦应用的典型场景，通过光耦实现高低压侧的隔离和反馈控制，保证适配器的稳定输出。 服务器电源： 在高性能服务器电源中，光耦用于精密的电压调节和监控，确保服务器在高负荷下的稳定运行。 工业电源： 工业环境中的电源系统需要应对恶劣的电磁环境，光耦的高抗干扰能力和可靠性使其成为工业电源设计的首选。 开关电源中使用的光耦选型推介——KL101X KL101X产品系列 是由苏州晶台光电有限公司开发的晶体管光耦，由一个红外发射二极管和一个光电晶体管构成，采用4引脚LSOP封装。 产品特点 Product Features • 电流转换率(Current transfer ratio)(CTR: 50~600% at IF = 5mA, VCE = 5V) • 输入与输出高隔离电压(Viso=5000 V rms) •8mm长爬电距离 • 紧凑型4引脚LSOP封装 • 符合ROHS、REACH、无卤素要求 • 通过CQC、UL、VDE等安规认证 特性曲线Characteristic Curves ​

电子设备中不可缺少的是开关电源。开关电源有各种电路方式。因为各种电路方式的成本和外形尺寸、转换效率不同，有必要根据用途区别使用。 反激式 开关元件开启时电感器充电，关闭时放电的电路方式。不适合放电容量大的机型，被使用在小容量的机型。优点是可以确保范围宽的输入电压，但缺点有比较大的峰值电流流过开关元件和电感器。RCC（Ringing Choke Converter）方式是反激式（开关电源）的一种。 正激式 开关元件开启时，使电从初级部分传导到次级部分的电路方式。因为电路结构简单、可以实现稳定的控制，被很多开关电源使用。当然即可用于放电容量小的机型，也可被（放电容量）比较大的机型使用。虽然可以得到高的电源转换效率，但是有在MHz频段产生大量噪音的缺点。 推挽式 使用两个开关元件，交互使用两个变压器的回路方式。因为能提升变压器的利用效率，所以可以应用在比较大的机型。但是，要注意变压器的偏磁。 半桥式 电路运行和推挽方式一样，但是由于加在变压器的电压是输入电压的一半，所以有可以使用在低耐压开关元件的优点。支持放电容量大的机型，可以被使用在上限1kW左右的机型上。 全桥式 半桥方式的的输入部分变更为全桥的电路方式。和半桥方式相同，有可以使用低耐压开关元件的优点，但是与半桥方式相比有电路结构和控制相对复杂的缺点。可得到较高的电源转换效率。可以应用于放电容量大的电源。 电源相关概念 来源：chip1stop官网

1.基于I值的“关键条件” 图 3.9 降压电路CCM、BCM和DCM模式下的电感电流波形 参考上图3.9，降压电路工作在BCM模式的条件是，负载电流等于纹波电流（峰峰值）的一半（即 Iout=∆iL/2 ），也被称为CCM与DCM的“关键条件”或“临界条件”。所以，我们将基于I（负载电流）值的“关键条件”重新表述如下： ∆iL/2 时，降压电路工作在CCM模式； 当 Iout=∆iL/2 时，降压电路工作在BCM模式； 当 Iout<∆iL/2 时，降压电路工作在DCM模式。 2.基于R值的“关键条件” 根据“3.2.7 电感的平均电流”章节的结论：降压电路中，电感电流平均值等于负载电流Iout。同时，再将负载电流 Iout使用输出电压 Vout 和负载电阻 R 表示如下： Iout=Vout/R (3.69) 基于TOFF期间的电感关系式∆iL=Vout*Toff/L以及Toff=(1-D)*Tsw，可得BCM模式下的纹波电流表达式如下： ∆iL=Vout*(1-D)*Tsw/L (3.70) 那么，将上述两式(3.69)和(3.70)代入CCM与DCM的“关键条件” Iout=∆iL/2 可得： Vout/R = Vout*(1-D)*Tsw/(2*L) (3.71) 从而，解出BCM模式下基于负载电阻R值的“关键条件”表达式如下： R = (2*L)/ =Kcrit(R) (3.72) 所以，实际负载电阻 R 值与 Kcrit (R) 的大小关系有如下三种： 当 R < Kcrit (R) 时，降压电路工作在CCM模式； 当 R = Kcrit (R) 时，降压电路工作在BCM模式； Kcrit (R) 时，降压电路工作在DCM模式。 3.基于K值的“关键条件” 这里，根据公式(3.71)解得CCM/BCM关断期间的占空比(1-D)的表达式如下： 1-D=(2*L)/(R*Tsw) (3.73) 然后，将上述公式重新表示如下： Kcrit(D)=K (3.74) 其中，Kcrit(D) = 1-D，K = (2*L) / (R*Tsw)。 无量纲参数K值，表示开关转换器电路趋向工作在DCM模式的程度。在降压电路的感值 L 、开关周期 Tsw和负载电阻值 R 都确定的情况下，实际K值是常数。对于固定占空比的降压电路，较大的K值可以使电路工作在CCM模式，较小的K值将导致电路工作在DCM模式。 Kcrit (D) 条件下降压电路工作在CCM模式 如图3.10所示，当降压电路的实际K值大于1时，也必然大于临界K值 Kcrit (D)=1-D （因为这个占空比函数是一条在 (0,1) 和(0,1) 之间的线段），这时降压电路工作在CCM模式。 图 3.11 0

在 BUCK电路的直流增益和直流传递函数(2) 、 BUCK电路的直流增益和直流传递函数(3) 文章中，我们利用“伏秒平衡”推导出了公式(3.51)，利用“安秒平衡”推导出了公式(3.57)。 将公式(3.51)代入公式(3.57)，稍加整理，可得： 继续整理，最终得到了关于(VIN/VOUT)的一元二次方程(3.62) 解上述方程，得到降压电路DCM模式下的直流传递函数为 基于公式(3.60)或者(3.68)，都可以解出BUCK电路在DCM模式下的占空比表达式为 其中，K=2L/(R*Tsw)=2*L*Fsw/R。 因为 K = 2L / (R*Tsw) = 2*L*Fsw / R = 2*L*Fsw*Iout / Vout，所以BUCK电路在DCM模式下的占空比又可以表示为 或者，有些资料里也表示为 推导完毕。 另外，我们知道，BUCK电路CCM模式下的占空比表达式为D = Vout / Vin；相比之下，BUCK电路DCM模式下的占空比表达式要复杂很多，控制策略也复杂很多。 更多内容，参考原文 “BUCK电路的DCM模式占空比，你会推导吗？”...

占空比（Duty Cycle），定义为开关电源电路中开关管导通时间 T_ON 占整个开关周期 T_SW 的比例，即 ——降压电路占空比的表达式1 这里需要注意的是，这里的“导通时间 T_ON ”特指非同步降压电路中“开关管”（而不是续流二极管）或同步降压电路中“高边开关管”（而不是低边开关管）的导通时间。 在连续导通模式(CCM)下开关周期 T_SW 等于导通时间 T_ON 和关断时间 T_OFF 之和，即 T_SW=T_ON+T_OFF (3.95) 从上述公式(3.94)和(3.95)，可以解得导通时间和关断时间的表达式分别为 T_ON=D×T_SW=D/F_SW (3.96) T_OFF=(1-D)×T_SW=((1-D))/F_SW (3.97) 四个公式(3.94)、(3.95)、(3.96)和(3.97)包含了四个参数，T_ON 是降压电路的导通时间，T_OFF 是关断时间，T_SW 是开关周期，D 是占空比。从这四个公式和四个参数中可以发现，只要确定了其中的任意两个参数，其他两个参数也就可以确定。 将公式(3.95)(3.96)代入公式(3.94)可以得到基于 T_ON 和 T_OFF 这两个参数的降压电路的占空比为 D=T_ON/(T_ON+T_OFF ) (3.98) ——降压电路占空比的表达式2 因为在开关电源电路中，开关频率是开关周期的倒数，即 F_SW=1/T_SW 。根据公式(3.96)，降压电路的占空比又可以表示为 D=T_ON×F_SW (3.99) ——降压电路占空比的表达式3 根据公式(3.97)，降压电路的占空比又可以表示为 D=1-T_OFF×F_SW (3.100) ——降压电路占空比的表达式4 参考“3.1.2 什么是电感伏秒平衡？”章节内容，由公式(3.26)（V_(L,ON)×T_ON=V_(L,OFF)×T_OFF）可知 T_OFF=V_(L,ON)/V_(L,OFF) ×T_ON ，将其代入公式(3.98)（D=T_ON/(T_ON+T_OFF )），可得基于电感电压的占空比表达式为 D=T_ON/(T_ON+V_(L,ON)/V_(L,OFF) ×T_ON )=1/(1+V_(L,ON)/V_(L,OFF) )=V_(L,OFF)/(V_(L,ON)+V_(L,OFF) ) (3.101) ——降压电路占空比的表达式5 参考“3.1.2 什么是电感伏秒平衡？”章节内容，将公式(3.15)（V_(L,ON)=V_IN-V_(DS(ON)-H)-V_DCR-V_OUT）和(3.21)（V_(L,OFF)=V_DCR+V_D+V_OUT）代入上述公式(3.101)，可得非同步降压电路的占空比为 D_(BUCK,NON-SYNC)=(V_OUT+V_D+V_DCR)/(V_IN+V_D-V_(DS(ON)-H) ) (3.102) ——降压电路占空比的表达式6 将上述公式中续流二极管压降 V_D 使用低边开关管压降 V_(DS(ON)-L) 代替，可得同步降压电路的占空比为 D_(BUCK,SYNC)=(V_OUT+V_(DS(ON)-L)+V_DCR)/(V_IN+V_(DS(ON)-L)-V_(DS(ON)-H) ) (3.103) ——降压电路占空比的表达式7 上述，公式(3.102)和(3.103)是考虑了“寄生参数”时降压电路(BUCK)占空比的表达式，是降压电路实际工作的占空比。 这里需要知道的是，“寄生参数 V_(DS(ON)-H) 、 V_(DS(ON)-L) 、 V_DCR 和 V_D”和“转换效率”的概念，可以认为是等同的；“忽略寄生参数 V_(DS(ON)-H) 、 V_(DS(ON)-L) 、 V_DCR 和 V_D”也就意味着“假设转换效率是100%”。 从后续“3.4 降压电路的功率、损耗和效率”章节内容可知，正是这些寄生参数包括 V_(DS(ON)-H) 和 V_(DS(ON)-L) 等影响了转换效率，寄生参数与转换效率成反比关系。 既然“寄生参数”和“转换效率”等同，公式(3.102)和(3.103)是基于“寄生参数”的BUCK电路占空比的表达式。那么，基于“转换效率”的BUCK电路占空比该如何表达呢？ 参考“3.3.12 输入端和输出端的平均电流”章节输入电流公式(3.320)（ I_IN=D×I_OUT ），“3.4.1 输入功率、输出功率、损耗功率和效率”章节输入功率、输出功率和效率公式(3.324)（ P_IN=V_IN×I_IN ）、(3.325)（ P_OUT=V_OUT×I_OUT ）和(3.326)（ 〖η=P〗_OUT/P_IN ），可得 V_OUT×I_OUT=η×V_IN×I_IN=η×V_IN×(D×I_OUT ) ，由此解出占空比如下所示： D_BUCK=V_OUT/〖η×V〗_IN (3.104) ——降压电路占空比的表达式8 这里，就是基于“转换效率”的BUCK电路占空比的表达式。 综上所述，在非同步和同步降压电路中，因为寄生参数 V_(DS(ON)-H) 、 V_(DS(ON)-L) 、 V_DCR 和 V_D 相对输入电压 V_IN 和输出电压 V_OUT 来说，是比较小的。所以，如果“忽略寄生参数 V_(DS(ON)-H) 、 V_(DS(ON)-L) 、 V_DCR 和 V_D”或“假设转换效率是100%”，在多数工程计算中，非同步和同步降压电路的占空比通常被简化为 D_BUCK=V_OUT/V_IN (3.105) ——降压电路占空比的表达式9 这里，公式(3.105)就是不考虑“寄生参数”（在公式(3.102)和(3.103)中直接忽略寄生参数）或“转换效率”（在公式(3.104)中 η=100% ）时降压电路(BUCK)的占空比表达式，也是被最广泛使用的BUCK电路的占空比表达式。 在工程计算中，如果考虑“转换效率”这个参数，BUCK电路占空比就使用“表达式8”，即公式(3.104)；如果不考虑“转换效率”（也就意味着“假设转换效率是100%”），BUCK电路占空比就使用“表达式9”，即公式(3.105)。