电子电路:开关电源讲解

    1 常用的开关电源的原理——单端自激boost升压电路
   
    开关电源利用电感电流不能瞬间改变的原理,用ctrl信号打开三极管,使得Vin通过电感和三极管向地流动。由于电感电流不能突变,因此,这个回路不能理解成短路,应理解成给电感充能。充能是通过电感流过的电流不断增大体现的,电流越大,电感的储能越多。
    当电感电流增加到一定程度,用ctrl关闭三极管。则电感电流的回地的路就被切断。同样由于电感电流不能突变,因此,电流就会通过二极管流向电容。这样就完成一次电感通过二极管给电容充电的过程。Ctrl信号周期性不停止的复现,宏观上就形成从vin不断流向电容的电流。这个过程与vout和vin电压孰高孰低无关。意味着可升压,也可降压。
    上面说的切断电感电流,迫使电流流向改变,一般叫做“反激”,反激点只有一个,叫做单端。有的电路用2个电感,交替进行电流流动。做直流逆变交流时,一般用2个电感,形成推挽效果。
 
    2 如何实现稳压
  
    由于vout的负载不确定,因此,vout不可能稳定在我们期望的电压上,可能是升压,也可能是降压。解决这个问题的办法是利用vout的电压进行反馈。当vout电压低于期望值时,反馈信号就会调整ctrl,使它打开三极管的时间相对延长。则电感充能更多,从而使vout上升。反过来也一样。
    这样ctrl信号就有了个名字,叫pwm。一般是改变它的占空比。当vout电压不够时,增加pwm信号占空比,使得更多的电能流向vout。
   
    3 占空比
 
    从原理容易理解,pwm信号不能达到100%占空比,那样就真的短路了。当pwm信号占空比大到一定程度时,也就是刚好有时间让三极管能开关时,电感的充能达到极大值。这个电能必须能满足后续电路的消耗。这样就能使vout稳定在我们需要的电压上。
  
    4 实用电路
 
    有许多成熟芯片提供Pwm信号的产生,并提供反馈电压调整pwm的占空比,这类芯片叫开关电源芯片,是专门用来设计开关电源的。
    这个芯片把三极管集成到芯片内部,因此应用比较简单。因为它能提供的电流很小,是给lcd供电的。+12V后面还有一个10uF/25V的电容。

    5 设计开关电源要注意的几个问题

    A:注意电感的选择,应参照芯片资料,切忌理解成输出电流多大就用多大的电感,例如,输出电流是0.5A,电感可不要选0.5A的哦,要按资料来选,一般是1A左右。如果电感的电流参数选小了 ,会很热。二极管也一样,电流参数不能按最终输出电流选。电感值的大小涉及到饱和电流的问题,即电流大到一定程度后呈现饱和状态,电流则会瞬间增大,不再受电流不能突变的约束。因此选择电感时,可以比资料的推荐值稍大一些。因为电感的误差比较大,市场常见的电感是±20%,所以宁大勿小的原则。

    B:从原理易得:其导通电阻越小越好,开关响应越快越好。这2个因素是决定效率的最主要的2个方面。一般选择mos管,要注意mos管的导通电阻和栅极寄生电容。芯片的输出能否驱动得了栅极,如果驱动栅极的能力不够,应使用LM5111等驱动芯片。

    C:开关电源的噪声比较大,尤其它是给后续电路提供电源的,这使得后续电路的电源从骨子里就带噪声。这种噪声的消除,需要使用滤波电路,必要时用π型滤波。滤波要消耗电能,这与要达到的稳压效果成为一对矛盾,需要工程师权衡为达到某效果需要付出多大的滤波消耗。在开关电源后面串联线性电源不能显著消除噪声。一味加大电容也不是办法,噪声仍然能够通过。不要期望既不付出电能消耗,又能消除噪声。但是串联电感器件的滤波电路确实更加节省一些。

    D:开关电源两端隔离的做法是用3个线圈共轭,一个用于自激充能,一个用于输出,一个用于电压反馈。值得一提的是,这种隔离不能消除开关引起的各种噪声。噪声会沿着共轭电感传递,而且噪声的损耗很小。由于电压反馈变成非直接的反馈,这种电源一般具有较大的误差,但精度受影响很小,一般都带输出电压调整。市场常见的模块电源一般都带电压微调。
 
    E:开关电源的地的布线。为了减少噪声,需给噪声尽量短的回地路线。需要注意的是,vout后端有个电容,在这个电容的负端把2个地接在一起。这样,开关芯片的噪声能最大程度的消耗在自己那边,能大大改善vout的噪声。

    F:设计开关电源时,功率设计要至少保留1倍的余地,例如设计5V1A的开关电源,最大功率输出要能达到2A。不要按需求设计成1A的,那样会使pwm占空比接近最大值,电感、mos管等都会发热。一般掌握在稳定输出时,pwm在50%或稍小为宜。这样整个电路工作在一个“比较舒服”的情况下,噪声、发热等各方面综合性能都比较好。

    G:开关电源的保护。当某种原因造成ctrl电平为常高时,会导致电感和三极管烧毁。Ctrl常低还好些,但是vin会串到vout上,对后续电路造成欠压供电。常用的保护是在vin前端串联一个过流保护器件,它一般是热保护,电流过大会断开。过一会儿又导通


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