tag 标签: 开关电源

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    2024-8-30 13:58
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    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
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    2024-7-9 21:57
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    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
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    2024-7-9 21:53
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    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?”...
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    2024-7-9 21:46
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    BUCK电路的CCM模式占空比,你知道哪几种?
    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)。
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    2024-7-9 21:18
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    BUCK电路的直流增益和直流传递函数(1)
    ------------------------------------------------ 3.1.5 降压电路的直流增益和直流传递函数 3.1.5.1 CCM模式的直流增益和直流传递函数 1、基于 ∆I_(L,ON)=∆I_(L,OFF) 方法推导 2、基于〈V_L 〉=0 方法推导 ------------------------------------------------ 3.1.5 降压电路的直流增益和直流传递函数 降压电路的电压转换比(Voltage Conversion Ratio)或直流电压增益(Voltage Gain),定义为输出电压 V_OUT 与输入电压 V_IN 的比值,公式如下: 3.1.5.1 CCM模式的直流增益和直流传递函数 图 3.3 降压电路CCM模式的电感电压和电流波形 1、基于 ∆I_(L,ON)=∆I_(L,OFF) 方法推导出降压电路CCM模式下的直流增益和直流传递函数 我们已经在 什么是电感伏秒平衡?如何推导? 章节推导出了公式(3.28),如下所示: 这里,提前引用 “3.1.6.1 CCM模式下的占空比” 章节的公式3.83( T_ON = D×T_SW )和3.84( T_OFF = (1-D)×T_SW ),将这两个公式代入公式 (3.28) 消去开关周期 T_SW 可得: 由此,解得降压电路增益的表达式为(同时,将CCM模式下的占空比使用 D1 表示): 这就是降压电路工作在CCM模式下的增益;可见,与占空比是相等的。完整的表述是,降压电路工作在CCM模式下的增益 M_CCM 等于占空比 D1 。 注意,“降压电路的增益等于占空比”这个表述,仅限于在“降压电路工作在CCM模式”这个条件下,降压电路工作在DCM模式下的增益与占空比是不相等的。 参考“问题3.1.1-3:降压电路的占空比最小值和最大值的限制因素是什么?”内容,因为降压电路占空比的取值范围是0至1之间,所以降压电路的增益也必然小于1,也就意味着降压电路的输出电压必然小于输入电压(即 V_OUT
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