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DC/DC電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)全面解析

發(fā)布時(shí)間:2014-12-19 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】開關(guān)電源功率電路有五個(gè)基本元件:開關(guān),二極管,電容,電感,變壓器。本文為大家詳細(xì)介紹電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)、開關(guān)電源的基本分析及其拓樸結(jié)構(gòu)。
 
概述
 
一. 理想直流變換器應(yīng)有的參數(shù)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(tài)響應(yīng),抑制能力強(qiáng)
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(yīng)用于對發(fā)熱和效率要求不高的應(yīng)用場合,線性電源的效率通常在35% to 50%之間
2. 脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)電源。在使用時(shí)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(guān)電源。由基本的PWM開關(guān)電源演變而來,主要應(yīng)用于高效率和對電磁干擾有特別要求的場合
 
電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)
 
輸入電壓
 
Vin(nom):產(chǎn)品的正常輸入電壓
Vin(max):產(chǎn)品的最高輸入電壓
Vin(min):產(chǎn)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(shí)間段,電源必須能夠承受這個(gè)浪涌電壓,正常工作
瞬態(tài)電壓:具有很高的電壓尖峰(包括正與負(fù)尖峰),這是輸入電源系統(tǒng)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(jī)構(gòu)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(fù)載不被切斷的最小輸出電壓。
Vout(max):保證負(fù)載線路正常運(yùn)行的最大輸出電壓。
Vout(abs):負(fù)載遭到破壞時(shí)的極限電壓。
電壓紋波:這是峰-峰值電壓,它的頻率和大小應(yīng)該能被負(fù)載所接受
 
輸出電流
 
Iout(retad):額定輸出電流。
Iout(min):在正常運(yùn)行情況下,最小的輸出電流。
Iout(max):負(fù)載的瞬態(tài)承受的輸出電流。
Isc:負(fù)載短路時(shí)的最大極限電流。
 
動態(tài)負(fù)載響應(yīng)時(shí)間
 
當(dāng)加上階躍負(fù)載時(shí),電源系統(tǒng)響應(yīng)需要的時(shí)間
 
電壓調(diào)整率
 
輸入電壓變化時(shí),輸出電壓的變化率,即:
電壓調(diào)整率=(最高輸出電壓-最低輸出電壓)/額定輸出電壓X100%
 
負(fù)載調(diào)整率
 
負(fù)載電流從半載到額定負(fù)載時(shí),輸出電壓的變化率,即:
負(fù)載調(diào)整率=(滿載時(shí)輸出電壓-半載時(shí)輸出電壓)/額定負(fù)載時(shí)輸出電壓X100%
 
總效率
 
這將決定系統(tǒng)有多少熱量產(chǎn)生,以及在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)是否應(yīng)考慮采用散熱片。
總效率=輸出功率/輸入功率X100%
 
開關(guān)電源的基本分析
 
開關(guān)電源的基本元件:
 
 
電容的基本方程
 
 
1. 當(dāng)一電流流經(jīng)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(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中流經(jīng)電容的電流對時(shí)間的積分為零。
 
 
電感的基本方程
 
 
1. 當(dāng)一電感突然加上一個(gè)電壓時(shí), 其中的電流逐漸增加, 并且電感量越大電流增加越慢。
 
 
2. 當(dāng)一電感上的電流突然中斷, 在其兩端會產(chǎn)生一瞬時(shí)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(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中電感兩端的正伏秒值等于負(fù)伏秒值。
 
 
分析開關(guān)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(dāng)電容足夠大時(shí),可認(rèn)為其電壓不變)。
2. 電感中的電流不能突變(當(dāng)電感足夠大時(shí),可認(rèn)為其電流恒定不變)。
3. 流經(jīng)電容的電流平均值在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)為零。
4. 電感兩端的伏秒積在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)必須平衡。
 
兩個(gè)有用的公式:
 
[page]
 
開關(guān)電源的拓樸結(jié)構(gòu)
 
三種基本的非隔離開關(guān)電源
 
 
BUCK電路工作原理分析
 
 
根據(jù)L的伏秒平衡原則:
 
 
根據(jù)L在1-D時(shí)間的基本方程:
 
 
 
 
BUCK電路的工作可以看作是一個(gè)機(jī)械飛輪和單活塞發(fā)動機(jī)。電路的LC濾波器就是飛輪,存儲從驅(qū)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(jīng)過斬波以后的電壓。LC濾波器平均了占空比調(diào)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?yàn)樗妮敵鲭妷罕囟ǖ陀谳斎腚妷骸?/div>
 
我們可以把BUCK電路的工作過程分成兩個(gè)階段,當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí),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(gè)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(dāng)開關(guān)斷開時(shí),由于電感上的電流不能突變,電感電流就通過二極管D續(xù)流,該二極管稱為續(xù)流二極管,這樣就實(shí)現(xiàn)了對原先流過開關(guān)管電流的續(xù)流,同時(shí)電感中存儲的一部份能量向負(fù)載釋放。續(xù)流電流環(huán)包括:二極管,電感,負(fù)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(fù)的斜線,斜率為-Vout/Lo。當(dāng)開關(guān)再次導(dǎo)通時(shí),二極管迅速關(guān)斷,電流從輸入電源和開關(guān)管流過。在開關(guān)導(dǎo)通前瞬間,電感上的電流Imin就是開關(guān)管通過的初始電流。
 
BUCK電路的輸入輸出關(guān)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(guān)管導(dǎo)通時(shí),電流環(huán)路僅在包括電感,開關(guān)管和輸入電壓源。在這段時(shí)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(gè)階段,能量存儲在電感鐵心的磁通中,開關(guān)管關(guān)斷時(shí),由于電感中的電流不能突變,于是二極管立刻正向?qū)?。這時(shí),電感與開關(guān)相連端的電壓被輸出電壓鉗位,這個(gè)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(guān)管關(guān)斷這段時(shí)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(gè)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(xù)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(xù)模式。通常升壓式變換器通常工作在電流斷續(xù)模式。
 

BOOST變換器工作在電流斷續(xù)模式下,存儲在電感中的能量為:
Estored=½ LIpk^2
 
單位時(shí)間內(nèi),傳輸?shù)哪芰勘仨殱M足負(fù)載連續(xù)功率消耗的需求,這就意味著開關(guān)管導(dǎo)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*½ LIpk^2(Fop是變換器的開關(guān)頻率)

BOOST電路的輸入輸出關(guān)系
 
BUCK-BOOST電路的工作原理分析
 
 
BUCK-BOOST輸入輸出關(guān)系
 
 
功率半導(dǎo)體器件重要參數(shù)的最小值
 
 
開關(guān)電源小結(jié)
 
開關(guān)電源功率電路的五個(gè)基本元件:開關(guān),二極管,電容,電感,變壓器
 
開關(guān)電源功率電路分析要點(diǎn)
 
1. 電容的電壓不能突變, 電感的電流不能突變
2. 流經(jīng)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(shù)成比且同名同極性, 電流與匝數(shù)成反比且點(diǎn)進(jìn)點(diǎn)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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