拓扑,即电路的组成结构,如buck,boost,正激,反激,全桥,半桥等。其他电源电路都是以此发展而来。而最基本的电源拓扑只有3种:buck、boost和buck-boost电路。
电源电路的输入是输入电压Vin或网压,输出则分输出电压和输出电流。
传统的电压调整电路如线性调整器,是通过串联一个晶体管来实现分压的功能,使晶体管工作在线性区,以输出电压为反馈,改变晶体管的阻值,起可变电阻的作用,承受部分电压。承受的电压只能以热能形式消耗,因此效率非常低。(好处是没有噪声,没有电磁干扰(EMI))
用改变开关时间来提高效率要提高效率,就不能用等效电阻耗能的方式(在工作条件不变的情况下,提高效率能够减小输入电流。这是采用开关方式的重要优点之一。)采用开关方式(半导体部件工作在开关区)可以提高效率,且配合电容*电感可更有效地利用能量。
常用的三种半导体元件BJT(双极型晶体管):电流控制型器件,适用于大电流工作。
MOSFET(场效应晶体管):电压控制型器件,速度快,适用于高频,单负载大时,导通损耗就大(导通压降与电流成正比)
IGBT:适用于较低频率,大电流装置
PS:电路中的开关元件不停地开/关,当开关断开时,电感很容易造成很高的电压,若此时没有回路能够释放电能,在开关处很容易产生高压电弧(开关触点距离越大,电压越高),最终,电感储能以热能和电火花形式消耗。因此,采用二极管续流的方式,产生一个电流回路。
开关频率与性能的关系降低开关频率:提高效率(其他损耗减小),减小EMI
升高开关频率:减小电源体积,减小噪声
-连续导通模式:CCM
-临界导通模式:BCM(临界模式属于CCM和DCM的极限情况)
-断续导通模式:DCM
稳定状态下:ΔIon=ΔIoff
即:Von*Ton=Voff*Toff [Von、Voff为电感两端电压]
在这种情况下,电感能够成功复位。输出稳定。
ps:Toff不一定等于T-Ton,仅指电压下降那段时间。
由公式:V=L*dI/dt得,电流的斜率由V/L决定。
开关导通期间电感和开关电流上升率为Von/L,开关关断期间电感和二极管电流下降斜率为Voff/L.
若等待足够长时间,电感电流会降为零(电感复位)。但若未等足够长时间就很快再次导通开关,则电流还会上升(爬高)
方法之一是等待足够大的Toff,再导通开关,但这样仍无法得到有效输出。
正确的方法是,与二极管串接一个电容,开关关断时,串联回路为电容充电,使电容电压达到Vo,以此增大Voff,同时电流下降速率Voff/L也增加,使Von与Voff相当,从而实现伏秒平衡。
一开始电流递增,数周期后达到稳定状态。电容每个周期都被充电,电流下降速率不断增大,直到到达平衡。
基本拓扑有三种buck.boost和buck-boost。为什么基本拓扑仅有三种?这取决于电感的连接方式,设置合适的参考地后,可以得到三个不同端子输入端、输出端和地端,若电感一端与地相连,则得到buck-boost电路若与输人端相连,则得到boost电路若与输出端楣连,则得到buck电路。
buck-boost电路既可降压输出也可升压输出,但极性会改变。
如输入电压为正,输出电压为负,或输入为负 输出为正。
可得占空比方程为:
注意:稳定状态下,电容的输入输出平均电流为0,故平均二极管电流为平均负载电流。
极性不变
占空比方程为:
极性不变
占空比方程为:
PS:占空比方程中的Vd和Vsw,若他们的值足够小,则可忽略。
以上内容均总结于《精通开关电源设计》第一章