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开关电源--高效节能电源

发布时间:2018-01-06

开关电源被誉为高效节能电源。它代表着稳压电源的发展方向,现已变成稳压电源的主流产品。

开关电源的根本构造通常由DC/DC功率变换主电路和操控电路两大有些所构成。其间DC/DC主电路进行功率变换,它是开关电源的中心有些,对电源设备的电功能、功率、温升、可靠性、体积和分量等目标有决定性的效果。

1 主电路中开关变换器的拓扑构造,是指能用于变换、操控和调理输入电压的功率开关元件和储能元件的不一样配置。开关变换器拓扑构造可分为两种根本类型:非阻隔式和阻隔式。这两品种型中又各自包含有不一样的电路拓扑品种。

2 非阻隔开关变换器

对于小功率DC/DC变换器(例如100W以下),实际上用开关晶体管、开关二极管、电感、电容各一个,就能够构成一台非阻隔式DC/DC变换器,是各种DC/DC变换器中最简略的拓扑。其主电路的中心是三端PWM开关,它表明DC/DC变换器PWM开关组合。开关晶体管、开关二极管和电感元件的不一样组合,能够构成降压(Buck)、升压(Boost)、降压-升压型(Buck-Boost)和升压-降压型(Boost -Buck)型4种DC/DC变换器的拓扑构造。

2.1降压型拓扑构造

降压型DC/DC变换器将输入电压变换成 0≤U0≤Ui 的安稳输出电压,所以又称降压开关电源。图1为降压型DC/DC变换器的典型电路。Ui 为输入电源,通常为电池或电池组。S是主开关管,二极管D是辅佐开关管,也称为整流管,通常运用具有较低正导游通电压的肖特基二极管。S是由来自操控电路的脉冲信号操控开关。RL表明负载电阻。

在一个开关周期中,首要,在操控电路效果下S导通,二极管因受反向偏压而截止,电流由电池流经S、电感L到电容C和负载。电感电流持续上升,电感储能在添加,能量由电池传送到电感并存储在电感中;第二期间,操控电路使S截止,堵截电池和电感元件的衔接,所以电感发生感生电动势使电流保持本来的流向,二极管D导通,为电感电流构成通路,电流由电感L流向电容C和负载,电感电流跟着时刻而降低,能量由电感流向负载。

经电感L、电容C滤波,在负载RL上可得到脉动很小的直流电压Uo。为推导降压型DC/DC变换器的输出电压与输入电压间的联系,在主开关管S导通、二极管D截止时,疏忽S管的正导游通压降;整流管导通、主开关管关断时,疏忽二极管的压降 ;疏忽电感、电容的寄生电阻。因为只要在开关管导通时期,储能电感L的电流添加量和开关管截止时期储能电感L中的电流减少数持平时,电路才到达平衡状况,即在稳态时,电感充放电伏秒积持平,因而:

开关电源配图01

D为占空比。改动D,输出电压Uo的平均值也就随之改动。因而,当负载及电网电压变化时,能够经过闭合的反应操控回路自动地调整占空比D来使输出电压Uo保持不变。

2.2升压型拓扑构造

升压型DC/DC变换器将输入电压变换成较高的安稳输出电压,又称升压开关电源。

如图2是升压型开关电源的典型电路。Ui 为输入电源,S是主开关管,D是整流管。该电路的每个开关周期相同可分为两个期间:第一期间,S导通,疏忽开关管的正导游通压降,D截止。此刻,电感电流线性上升,能量从输入电源变换成磁场能存储在电感L中,负载RL上得到的电压由电容C供给;第二期间:S截止,电感电流 开端线性降低,能量由电感元件流向负载。经电容C滤波,在负载RL上可得到脉动很小的直流电压Uo。使用相同的方法,根据稳态时电感L的充放电伏秒积持平的原理,能够推导出电压联系。

2.3降压-升压型拓扑构造

这个电路的开关管和负载构成并联。在S导通时,电流经过L平波,电源对L充电。当S断时,L向负载及电源放电,输出电压将是输入电压Ui加上UL,因而有升压效果。

图3是降压-升压型开关电源的典型电路。Ui 为输入电源,S是主开关管,D是整流管。S在操控信号效果下在导通、截止状况间变换。该电路的作业可简略剖析如下:第一期间,S导通,D截止,疏忽开关管的正导游通压降,此刻,电感电流线性上升,能量从输入电源变换成磁场能存储在电感L中,此刻负载得到的能量来自电容C;第二期间,D导通,S截止,电感电流开端线性降低,能量由电感元件流向电容和负载。经电容C滤波,在负载RL上可得到脉动很小的直流电压Uo ,核算其平均值,推出降压-升压型DC/DC变换器的输出电压与输入电压间的联系式:

开关电源配图02

式(3)中,若改动占空比D,则输出电压既可低于电源电压,也也许高于电源电压。

图3 降压-升压型DC/DC变换器电路

2.4升压-降压型DC/DC变换器

图4是升压-降压型开关电源典型电路。升压-降压型DC/DC变换器的根本作业原理如下:

第一期间:S导通,D截止。在输入回路,电流由电池流向电感L1和主开关管S,电感L1接收来自电池的能量,电感电流线性添加;在输出回路,电容C1经过S对滤波电容C2、负载RL及L2放电,因而D受反向偏压而截止,这时C1将能量转移给L2。

第二期间:S截止,D导通。当S截止时,在输出回路,L2要保持电流方向不变,发生感应电动势使D导通,所以能量由L2传送到C2和负载RL;在输入回路,电流由电池流经电感L1、电容C1和二极管D,曾经一期间的电感电流终值作为本期间的电流初值开端向藕合电容C1充电,跟着电容两端电压的添加,电感电流逐步减少,能量由L1转移到C1中。

升压-降压型DC/DC变换器的输出电压与输入电压间的联系式同降压-升压型联系。升压-降压型DC/DC变换器电路杂乱,但纹波功能得到改进。若将两电感绕在同一磁芯上,挑选适宜的匝比、耦合系数等,可得到零纹波输出。

开关电源配图03

3 阻隔开关变换器

阻隔式是指输入端与输出端电气不相通,经过脉冲变压器的磁耦合方法传递能量,输入输出完全电气阻隔。阻隔式又可分为以下几种拓扑构造。

3.1单端反激式DC/DC变换器

开关电源电路中所谓的单端是指变换器的磁芯仅作业在磁滞回线的一侧。所谓的反激是指当功率调整管T导通时,变压器N在初级绕组中贮存能量;当功率调整管T截止时,变压器N经过次级绕组向负载传递能量。即原/副边交织通断。这样能够防止变压器磁能被积累的疑问,可是因为变压器存在漏感,将在原边构成电压尖峰,也许击穿调整管T,因而需求设置RCD缓冲电路。单端反激式DC/DC变换电路如图5所示。反激电路不该作业于负载开路状况。

当作业于电流连续形式时,单端正激式DC/DC变换电路如图6所示。从电路原理图上看,正激式与反激式很相似,表面上仅仅变压器同名端的区别,但作业过程不一样。当T导通时,变压器N的初级和次级绕组一起导通,向负载传送能量,滤波电感L贮存能量;当T截止时,电感L经过二极管D1持续向负载开释能量。


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