【圖】開關型穩壓電源基礎知識
(2016/12/25 0:05:00)
開關型穩壓電源基礎知識
開關型穩壓電源基礎知識
7.6.1 開關型穩壓電源的概述
前面所討論的串聯型反饋式穩壓電源具有結構簡單、調整方便、紋波小及輸出電壓穩定等優點，所以目前應用非常廣泛。但也存在兩個主要問題，第一個是：調整管總是工作在線性放大狀態，管壓降大，流過管子的電流也大，尤其當負載電流較大而輸出電壓較低時，調整管本身的功率損耗很大，因而效率僅為40%～60%，而且需要龐大的散熱裝置；第二個是電源變壓器的工作頻率為50Hz，頻率低從而使得變壓器體積和重量都很大。這兩個個問題綜合起來也就是要求降低功耗，提高效率，減小體積，減輕重量。
開型關穩壓電源，其調整管工作在截止和飽和的交替的開關狀態，當管子飽和導通時，雖然流過管子的電流較大，但管子的壓降很小；當管子截止時，雖然管子的壓降較大，但流過的電流很小，近似為零。所以管子本身的功耗很小。穩壓管的功率損耗主要產生于開關狀態轉換的過程中，因而使其效率大大提高，達到70%～90%。由于調整管的功率損耗較小，導致散熱器隨之減小，甚至不用，同時，通常開關電源的工作頻率為幾十千赫茲至幾百千赫茲，所使用的高頻變壓器比低頻變壓器體積大為減小。綜上所述，我們發現開關型穩壓電源很好地解決了前面所提到的兩個問題。
開關型穩壓電源因其具有效率高、體積小、重量輕和允許環境溫度高等優點
7.6.2 開關穩壓電源的基本結構
開關穩壓電源主要由四大部分組成：輸入回路、高頻變換器、輸出整流濾波器和控制電路組成，其具體結構框圖如圖7.21所示。圖中輸入信號一般是50Hz市電，由輸入回路中的濾波器消除高頻開關電源對電網的影響，經整流濾波電路轉換成直流電壓輸入高頻變換器。高頻變換器把輸入的直流電壓轉變為高頻脈沖方波電壓，該脈沖方波電壓通過輸出回路中的高頻整流器和濾波器變成直流電壓供給負載。控制電路的主要任務是穩定輸出電壓。該電路的具體工作原理將結合串聯開關型穩壓電源進行闡述。
7.6.3 串聯開關型穩壓電路工作原理
圖7.22是三極管串聯開關型穩壓電路的原理圖。在圖中功率開關管串接于輸入與輸出端之間，輸入電壓、功率開關管和輸出電壓三者串聯，故稱串聯型。
圖中Ui是市電經輸入回路的整流濾波電路的輸出電壓，它作為此開關穩壓電路的輸入電壓，三角波發生器產生固定頻率的三角波信號，控制調整管通斷的信號來自比較器的輸出電壓uB，它是一個與三角電壓波頻率相同，占空比可變的脈沖電壓信號，稱之為脈沖調寬信號，用PWM表示。利用uB控制調整管將Ui變成斷續的矩形波電壓uE(UD)。當uB為高電壓時，調整管T飽和導通，Ui經T加到二極管D的兩端，電壓uE近似等于Ui(忽略T的飽和壓降)，此時，二極管承受反向電壓而截止，負載中有電流Io流過，電感L儲存能量，電容C充電，輸出Uo逐漸升高；當uB為低電平時，T由導通變為截止，電感L產生自感電勢，使二極管D導通，于是電感中儲存的能量通過肖特基結構的高速開關二極管D向負載釋放，RL中繼續有電流通過，負載上有電壓輸出。因此，二極管D又稱為續流二極管，此時uE等于－UD，UD為二極管的正向壓降。隨著電感儲能的釋放，iL逐漸減小，電容C開始放電，Uo也逐漸下降。
由此可見，雖然調整管處于開關工作狀態，但由于二極管D的續流作用和LC的濾波作用，輸出電壓是比較平穩的，其波形如圖7.23所示。圖中ton是調整管的導通時間，toff是調整管的截止時間，T=ton+toff是開關轉換周期。
開關型穩壓電源基礎知識
7.6.1 開關型穩壓電源的概述
前面所討論的串聯型反饋式穩壓電源具有結構簡單、調整方便、紋波小及輸出電壓穩定等優點，所以目前應用非常廣泛。但也存在兩個主要問題，第一個是：調整管總是工作在線性放大狀態，管壓降大，流過管子的電流也大，尤其當負載電流較大而輸出電壓較低時，調整管本身的功率損耗很大，因而效率僅為40%～60%，而且需要龐大的散熱裝置；第二個是電源變壓器的工作頻率為50Hz，頻率低從而使得變壓器體積和重量都很大。這兩個個問題綜合起來也就是要求降低功耗，提高效率，減小體積，減輕重量。
開型關穩壓電源，其調整管工作在截止和飽和的交替的開關狀態，當管子飽和導通時，雖然流過管子的電流較大，但管子的壓降很小；當管子截止時，雖然管子的壓降較大，但流過的電流很小，近似為零。所以管子本身的功耗很小。穩壓管的功率損耗主要產生于開關狀態轉換的過程中，因而使其效率大大提高，達到70%～90%。由于調整管的功率損耗較小，導致散熱器隨之減小，甚至不用，同時，通常開關電源的工作頻率為幾十千赫茲至幾百千赫茲，所使用的高頻變壓器比低頻變壓器體積大為減小。綜上所述，我們發現開關型穩壓電源很好地解決了前面所提到的兩個問題。
開關型穩壓電源因其具有效率高、體積小、重量輕和允許環境溫度高等優點
7.6.2 開關穩壓電源的基本結構
開關穩壓電源主要由四大部分組成：輸入回路、高頻變換器、輸出整流濾波器和控制電路組成，其具體結構框圖如圖7.21所示。圖中輸入信號一般是50Hz市電，由輸入回路中的濾波器消除高頻開關電源對電網的影響，經整流濾波電路轉換成直流電壓輸入高頻變換器。高頻變換器把輸入的直流電壓轉變為高頻脈沖方波電壓，該脈沖方波電壓通過輸出回路中的高頻整流器和濾波器變成直流電壓供給負載。控制電路的主要任務是穩定輸出電壓。該電路的具體工作原理將結合串聯開關型穩壓電源進行闡述。
7.6.3 串聯開關型穩壓電路工作原理
圖7.22是三極管串聯開關型穩壓電路的原理圖。在圖中功率開關管串接于輸入與輸出端之間，輸入電壓、功率開關管和輸出電壓三者串聯，故稱串聯型。
圖中Ui是市電經輸入回路的整流濾波電路的輸出電壓，它作為此開關穩壓電路的輸入電壓，三角波發生器產生固定頻率的三角波信號，控制調整管通斷的信號來自比較器的輸出電壓uB，它是一個與三角電壓波頻率相同，占空比可變的脈沖電壓信號，稱之為脈沖調寬信號，用PWM表示。利用uB控制調整管將Ui變成斷續的矩形波電壓uE(UD)。當uB為高電壓時，調整管T飽和導通，Ui經T加到二極管D的兩端，電壓uE近似等于Ui(忽略T的飽和壓降)，此時，二極管承受反向電壓而截止，負載中有電流Io流過，電感L儲存能量，電容C充電，輸出Uo逐漸升高；當uB為低電平時，T由導通變為截止，電感L產生自感電勢，使二極管D導通，于是電感中儲存的能量通過肖特基結構的高速開關二極管D向負載釋放，RL中繼續有電流通過，負載上有電壓輸出。因此，二極管D又稱為續流二極管，此時uE等于－UD，UD為二極管的正向壓降。隨著電感儲能的釋放，iL逐漸減小，電容C開始放電，Uo也逐漸下降。
由此可見，雖然調整管處于開關工作狀態，但由于二極管D的續流作用和LC的濾波作用，輸出電壓是比較平穩的，其波形如圖7.23所示。圖中ton是調整管的導通時間，toff是調整管的截止時間，T=ton+toff是開關轉換周期。
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