發布日期：2022-04-17 點擊率：74
【導讀】開關電源功率電路有五個基本元件：開關，二極管，電容，電感，變壓器。本文為大家詳細介紹電源系統設計指標、開關電源的基本分析及其拓樸結構。
概述
一. 理想直流變換器應有的參數性能
1. 輸入輸出端的電壓均為平滑的直流電壓，無交流諧波的分量
2. 輸出阻抗為零
3. 快速動態響應，抑制能力強
4. 高效率，小型化
二. 常用的DC/DC電源方案
1. 線性電源。主要應用于對發熱和效率要求不高的應用場合，線性電源的效率通常在35% to 50%之間
2. 脈寬調制（PWM）開關電源。在使用時具有比線性電源更高的效率和靈活性
3. 高效率的諧振開關電源。由基本的PWM開關電源演變而來，主要應用于高效率和對電磁干擾有特別要求的場合
電源系統設計指標
輸入電壓
Vin(nom)：產品的正常輸入電壓
Vin(max)：產品的最高輸入電壓
Vin(min)：產品的最低輸入電壓
頻率：直流，50，60，400Hz等
浪涌電壓：輸入電壓超出Vin(max)的時間段，電源必須能夠承受這個浪涌電壓，正常工作
瞬態電壓：具有很高的電壓尖峰（包括正與負尖峰），這是輸入電源系統的特征
輸入電流
Iin(max)：最大平均輸入電流。它的最大極限值可以由安全管理機構來定義。
輸出電壓
Vout(rated)：額定輸出電壓（理想輸出電壓）
Vout(min)：保證負載不被切斷的最小輸出電壓。
Vout(max)：保證負載線路正常運行的最大輸出電壓。
Vout(abs)：負載遭到破壞時的極限電壓。
電壓紋波：這是峰-峰值電壓，它的頻率和大小應該能被負載所接受
輸出電流
Iout(retad)：額定輸出電流。
Iout(min)：在正常運行情況下，最小的輸出電流。
Iout(max)：負載的瞬態承受的輸出電流。
Isc：負載短路時的最大極限電流。
動態負載響應時間
當加上階躍負載時，電源系統響應需要的時間
電壓調整率
輸入電壓變化時，輸出電壓的變化率，即：
電壓調整率=（最高輸出電壓-最低輸出電壓）/額定輸出電壓X100%
負載調整率
負載電流從半載到額定負載時，輸出電壓的變化率，即：
負載調整率=（滿載時輸出電壓-半載時輸出電壓）/額定負載時輸出電壓X100%
總效率
這將決定系統有多少熱量產生，以及在結構設計時是否應考慮采用散熱片。
總效率=輸出功率/輸入功率X100%
開關電源的基本分析
開關電源的基本元件：
電容的基本方程
1. 當一電流流經電容, 電容兩端的電壓逐漸增加, 并且電容量越大電壓增加越慢。
2. 在穩態工作的開關電源中流經電容的電流對時間的積分為零。
電感的基本方程
1. 當一電感突然加上一個電壓時, 其中的電流逐漸增加, 并且電感量越大電流增加越慢。
2. 當一電感上的電流突然中斷, 在其兩端會產生一瞬時高壓, 并且電感量越大該電壓越高。
電感的伏秒平衡原則：
伏秒平衡原則：在穩態工作的開關電源中電感兩端的正伏秒值等于負伏秒值。
分析開關電源中電容和電感的幾條原則：
1. 電容兩端的電壓不能突變(當電容足夠大時,可認為其電壓不變)。
2. 電感中的電流不能突變(當電感足夠大時,可認為其電流恒定不變)。
3. 流經電容的電流平均值在一個開關周期內為零。
4. 電感兩端的伏秒積在一個開關周期內必須平衡。
兩個有用的公式：
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開關電源的拓樸結構
三種基本的非隔離開關電源
BUCK電路工作原理分析
根據L的伏秒平衡原則：
根據L在1-D時間的基本方程：
BUCK電路的工作可以看作是一個機械飛輪和單活塞發動機。電路的LC濾波器就是飛輪，存儲從驅動器輸出的脈沖功率。LC濾波器（扼流輸入濾波器）的輸入就是經過斬波以后的電壓。LC濾波器平均了占空比調制的脈沖電壓。LC濾波器的作用可用以下公式表示：
Vout=Vin*D
通過控制電路改變占空比，即可保持輸出電壓的恒定。BUCK變換器之所以被稱為降壓式變換器，是因為它的輸出電壓必定低于輸入電壓。
我們可以把BUCK電路的工作過程分成兩個階段，當開關導通時，輸入電壓加到LC濾波器的輸入端，電感上的電流以固定斜率線性上升。電感上的電流用下面公式描述：
IL(on)=((Vin-Vout)/Lo)*Ton + Imin
在這個階段，存儲在電感上的能量為：
輸入的能量就存儲在電感鐵心材料的磁通中。
當開關斷開時，由于電感上的電流不能突變，電感電流就通過二極管D續流，該二極管稱為續流二極管，這樣就實現了對原先流過開關管電流的續流，同時電感中存儲的一部份能量向負載釋放。續流電流環包括：二極管，電感，負載。在這階段流過電感上的電流用下式描述：
IL(off)=Ipk-(VoutToff/Lo)
在這階段，電流波形是一條斜率為負的斜線，斜率為-Vout/Lo。當開關再次導通時，二極管迅速關斷，電流從輸入電源和開關管流過。在開關導通前瞬間，電感上的電流Imin就是開關管通過的初始電流。
BUCK電路的輸入輸出關系
[page] BOOST電路的工作原理分析
升壓變換器與BUCK變換器有著相同的組成部份，只是它們的位置被重新布置了一下。新的布局使變換器與正激式變換器的工作過程完全不同。在這種情況下，開關管導通時，電流環路僅在包括電感，開關管和輸入電壓源。在這段時間中，二極管是反向阻斷的。電感電流波形也是以固定斜率上升，可用下式描述：
iL(Ton)=Vin*Ton/L
在這個階段，能量存儲在電感鐵心的磁通中，開關管關斷時，由于電感中的電流不能突變，于是二極管立刻正向導通。這時，電感與開關相連端的電壓被輸出電壓鉗位，這個電壓被稱作反激電壓，其幅值是輸出電壓加上二極管的正向壓降，在開關管關斷這段時間里，電感上的電流用下式表示：
iL(Toff)=Ipk-((Vout-Vin)*Toff/L)
如果在下個周期之前，鐵心中的磁通完全為零，就稱電路工作在電流斷續模式。如果鐵心中的磁通沒有完全降為零，還有一部分磁通，就稱電路工作在電流連續模式。通常升壓式變換器通常工作在電流斷續模式。
BOOST變換器工作在電流斷續模式下，存儲在電感中的能量為：
Estored=? LIpk^2
單位時間內，傳輸的能量必須滿足負載連續功率消耗的需求，這就意味著開關管導通期間，存儲的能量要足夠大，即電流峰值Ipk要滿足以下要求：
Pload<Pout=Fop*? LIpk^2(Fop是變換器的開關頻率）
BOOST電路的輸入輸出關系
BUCK-BOOST電路的工作原理分析
BUCK-BOOST輸入輸出關系
功率半導體器件重要參數的最小值
開關電源小結
開關電源功率電路的五個基本元件：開關，二極管，電容，電感，變壓器
開關電源功率電路分析要點
1. 電容的電壓不能突變, 電感的電流不能突變
2. 流經電容的電流平均值為零, 電感兩端電壓的平均值為零
3. 理想變壓器電壓與匝數成比且同名同極性, 電流與匝數成反比且點進點出
4. 電容恒流充電的公式為C * ΔU = I *T, 電感恒壓儲能的公式為L * ΔI = U *T
5. 變壓器與電感的伏秒積必須平衡
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