标签: 开关电源

在现代电子设备中，开关电源因其高效能和稳定输出被广泛应用。然而，为了确保电源在不同负载和环境下的可靠性及安全性，光耦（光电耦合器）已成为开关电源中的关键组件。光耦不仅可以实现高效的隔离传输，还能提升电源的稳定性与抗干扰能力，保障整个系统的可靠运行。 开关电源对隔离和控制的需求 开关电源在将交流电转换为稳定的直流输出时，需要处理不同电压等级和频率的电流，同时隔离初级和次级电路，防止电气干扰影响电路性能。光耦在这里充当了隔离和信号传输的桥梁，确保低压控制电路和高压输出电路之间安全分离。 电气隔离，保障安全： 光耦能够通过光信号传递控制信息，避免了电气连接，有效防止高压侧对低压控制侧的冲击。 抗干扰能力： 开关电源工作频率高，电磁干扰严重，光耦对电磁噪声不敏感，能够保持信号传输的稳定。 延长电源寿命： 通过隔离高低压侧，光耦可以减少对元件的电气冲击，从而提升电源的整体寿命。 光耦在开关电源中的应用场景 光耦在开关电源中的应用主要体现在信号反馈和安全保护上，帮助系统实现精确的电压/电流控制，并提供过压、过流保护功能。 稳压反馈控制： 在开关电源中，光耦用于实现输出电压的反馈。光耦将输出端的电压信号隔离传输至控制电路，以调整输出电压，使其在不同负载下保持稳定。 过压过流保护： 在过载、短路等异常情况下，光耦可将异常信号传至控制芯片，启动保护机制，防止设备因过流过压损坏。 待机和省电模式： 现代开关电源常要求具备待机模式，光耦通过精确的信号传输实现低功耗模式的控制，有助于减少待机功耗，满足绿色环保要求。 光耦在开关电源中的核心优势 光耦在开关电源中凭借其出色的隔离性、低延迟和抗干扰特性，有效提高了电源的稳定性、安全性及性能。 高隔离电压： 光耦可以承受数千伏的隔离电压，保障控制和输出之间的绝缘性，防止电压突变对控制电路的损害。 高响应速度： 开关电源的快速响应要求信号在瞬间传递，光耦的低延迟特性确保电源输出的稳定调节。 抗干扰特性： 开关电源内部有高频电路，容易受到电磁干扰，光耦通过光信号传输，不受电磁干扰，保证了信号传输的准确性。 光耦凭借其高效隔离、低功耗、高响应和抗干扰等优势，已成为开关电源设计中不可或缺的组件。在开关电源应用中，光耦不仅能帮助电源实现精确控制和安全隔离，还能提升整体电源的稳定性和寿命。未来，随着开关电源向更高效、更安全、更环保方向的发展，光耦技术也将持续优化，助力实现更智能化、更高能效的电源解决方案。

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？”...