开关电源根底引言电源开展是趋于轻小.而关键是既要小又要高效.近几年的优秀半导体、使得功率变换的选择余地慢慢的变大.线性和开关电压线性电源和开关电压都是把不稳定的输入变换成稳定的输出,但是却是完全不同的技术,它们各有优缺点.线性电源只能是降压型的.它们是用双极型晶体管或MOSFET的线性工作,保持输出电压的稳定.半导体调整器件上的电压就是输入输出电压差,半导体损耗就是调整器件上的电压乘负载电流,即VI.所以,变换效率只在35-65%.例如,把12V输入变换成5V输出,odr输出电流100mA,输出功率只有500mW,而损耗是700mW,效率是42％.所以,散热片的体积大本钱高.但是线性电源在输入电压变化范围小的小功率应用场合,也有它的优点,比方电路简单,没开关电压的开关噪音.开关电压的开关器件,只工作在截止和饱和导通状态,损耗低,效率可到65-95％.开关电压即可降压也可升压.但是,开关电压电路复杂,输出电压包含着开关噪音,必须虑除.开关电源根底PWM开关电压有两种根本结构,即正激型和升压型.正激型变换器正激变换器的输出LC滤波器给出DC输出电压.输出电压为VVD?ino降压变换器是最简单的正激型变换器,如图所示.SW)变换器及其波形根本正激型(降压图1输入电压加到即开关导通和关断.当开关导通时,它的工作可以分成两个不同的方式,滤波器的输入端.假设变换器工作在稳态,滤波器输出端的电压就是输出电压.电感电LC流开始由开关周期开始时的初始值线性上升.电感电流为vv?iioin?t?nitLonL(2)t?02on磁芯存储的能量传输到负载.在这一段时期里,电感磁芯里存储能量.当功率开关关断时,而箝位.电感D当功率开关关断时,电感输入端的电压被拉到地,被正向偏置的二极管而减小为磁芯储能通过续流二极管DpkViiot?offpkL(3)t?t?00f降压变换器可下一个开关周期开始.关断阶段一直持续到开关在限制电路限制下开启,与反激型变换100W.输出超过kW的功率,当典型应用是用作负载点变换器,输出功率小于这种降压出于平安考虑,器相比,正激变换器输出电压纹波较低.缺点是它不是隔离拓扑,用.变换器最好不用在输入电压大于42.5VViinZ反激型变换器所以工但结构是不同的,根本的反激型变换器与根本的正激型变换器所用器件一样多,理也是不一样的.反激型变换器最根本的是升压变换器,如下图.根本升压变换器及其波形当功率开关导通时,电感直接联到输入电压源,电感电流由零开始上升,为LonL(4)t20.,为I电感磁芯存储着能量,在开关关断的瞬间,到达峰值电流PkVtiin75)存储在电感磁芯的能单被输出电压箝位.当功率开关关断时,电感的开关边电压上升,量传输到输出.开关关断期间电感电流减小,为VV?oin---------------onLoffL(6)tT?son但因存在电感与开关连接端的电压回到输入电压.当电感中的储能完全放到输出电容,分布电感和电容,此时回产生振荡.如果在开关开启时,电感里还有能量,这样的工作就叫做连续工作模式,如图要在开关开启和关断时电感中都有存储能量.存储能量为2iEL.5?0(7)Lpk为了能够更好的保证输出电压的稳定,在一个开关周期里,升压电感必须存储足够的能量.所以,50%.升压变换器占空比典型情况限制在这种升压变换器用于板级变换器使用,由于峰值电流问题,最大输出功率限制在.如果用变压器代替电感,由于它是不隔离变换器,输入电压限制在小于100-150W42.5V就是反激变换器,这样既可降压也可升压.3连续导通型升压变换器电源拓扑选择拓扑要考每种拓扑都有自己适用的应用.拓扑是功率器件和磁性器件的组成结构.,输入输出地可接在一起,各种常用的开关电压拓扑4.相应拓扑的半导体开关电压应力；5.变压器主边绕组或电感的输入电压..所以,在电路的问题是平安问题,从这个方面考虑,输入电压建议还是不要超过42.5V图1如果如离线电源.多输出电源都要用变压器.较高输入电压情况下都要用变压器隔离拓扑.除非有完全电隔离要求.42.5V输入电压低于直接影响着系统的稳定性.开关电源传输着稳定的功率到输出,所以如果5、4和因素3输入电流就较大.而对于较高的输入电压,输入电流就较小.设计的目的是输入电压较低,要使输入电流尽可能小..升压型拓扑峰值电流约是正激型变换器的两倍.着使得输出功率不要大于因素.两个拓扑之间具有较大的重叠特性.和输出功率情况下,可以通用的拓扑.图的.扑.还有其它拓扑,如Sepic100-150W在综合特性重叠本钱是拓扑选择的一个关键区,选择什么拓扑是任意的.是常用拓12输入电压图是对于给定的DCCuk变换器,不过不是常用1940UJ-FUITIMETIME升压变^^器6〕变换器降升压〔反向图7ControlVinFeedbackSWTGnGoutVowControlutcoFeedback反激变换器图8GnControlFeedback单管正激变换器图9推挽变换器10Feedback全桥变换器12多相重叠变换器对于一个任何拓扑都可重叠.增加输出功率减小半导体应力的一种方法是变换器重叠.的输出电流在输出端合在一起,每一相的电流360/nn相重叠,两相之间的相位差是波电流减小了,由于峰值电流减小了,有输入输出电容是共用的.输入电容的RMS变大了.由于电流波形的应力增加了倍,效占空比比单相大.输出电容减小了,半桥变换器11TIMETIMEO所有相有效占空比半导体电流应力也减小了.13是多相降压变换器重叠框图.这是一个两相重叠拓扑.图两相降压变换器重叠图13限制方法开关电压有三种这样限制方法.这些限制方法还能够准确的通过保护特性而变化.列出了每种限制方法的特性小结.表1通用限制方法表1过流保护响应适用拓扑限制方法周波型升压型电流型立即型快升压和正激混合型快升压和正激慢混合型平均型电压型限制〔见图14〕典型的适用拓扑是正激型拓扑.在电压型限制中,只要检测输出电压.电压误差是实际输出电压与期望的输出电压之差.这个误差信号与振荡电路产生的斜坡信号比拟,产生功率开关的PWM驱动信号.由于限制参数只是输出电压,由于功率电路的固有延时,所以电压型限制响应慢.电压型限制的过流保护,可用平均输出电流,也可用周波电流.平均过流保护检测DC输出电流,如果超过阀值,就减小功率开关的脉冲宽度.周波过流保护检测开关导通的峰值电流,超过阀值就关断开关.电流型限制〔见图15〕典型的应用拓扑是升压拓扑.电流型限制不仅检测输出电压,还检测输出电流.电压误差用来控制功率开关导通期间磁性器件的峰值电流.电流型限制输入输出响应非常快,具有固有的过流保护.混合型限制这个限制方法试图检测一个参数,限制两个参数.有混合型电压和电流方法,但不通用口uhPuisc-oy-Pui^^Oy^rrurrpnlProtectionLuiIAVOC)f. 产-POQ Charge CIMRamp Output Gating LO9C VJt Gar* Steering CunentAT. CompirotjrAverage Owci.ipenf PioieetiOh 图14 电压型限制 图15 电流型限制 Power Ground 开关的选择开关选择要考虑多方面的因素,如本钱、峰值电压电流、工作频率和热处理. 功率开关主要有三种, 即双极型晶体管(BJT)、功率MOSFET 和IGBT.BJT 是第一种功率开关, 至今仍属于低本钱器件.在低本钱和大功率应用场合仍然使用. BJT 的最大开关频率低于 80-100kHz.IGBT用于大功率应用,它们的开关频率限制在 30kHz 左右,有些到达100kHz.在 同样的功率情况下,IGBT比MOSFET 体积小,本钱低.功率MOSFET 大多数都用在高频应用. BJT BJT 是电流驱动器件.驱动电流正比于集电极电流.所以 hBFE功率晶体管电流比较大,电流增益在 至IJ20之间.所以驱动损耗较大. 设计时,首先考虑驱动电压最好约为 0.7V,这样有助于减小驱动损耗. 第二要考虑关断瞬变的集电极电流存储时间.过驱动情况下集电极电流会延迟 0.3-2us,正比于 过驱动程度.虽然存储时间不是损耗的根本原因, 但是限制开关频率.减小存储时间的方法有两 种.第一种方法是与基极限流电阻并联加速电容,典型值是 100pF,如图16a.第二种方法是比 例驱动,如图16b.最后要考虑BJT 的二次击穿问题. 固定偏置驱动电路II 比例驱动驱动电路图16BJT 驱动 10 功率MOSFET 开关电源的功率开关和同步整流器都可选用 MOSFET.最简单的MOSFET 模型如图17 所示, 图中所示的电容都是数据手册中给出的,但是它们都是非线性的,随着所加电压变化. 图17MOSFET 模型 与栅极相关的有两个电容, 即栅极输入电容C 和漏极栅极反应电容C.输入电容值是rssiss 固定的, 在800-3200pF,取决于MOSFET 的物理结构.反应电容值在 60-150pF.虽然反应电容值较小, 但对栅极驱动的影响非常大. 典型栅极驱动波形如图 18.t 期间只是输入电容充1 期间是漏极电压变化的影响,这个期间的栅极电压是 MOSFET 驱动线t 期间是过驱动时 间,过驱动电压是驱动电路提供的,它不是MOSFET 驱动线典型的MOSFET 驱动波形 MOSFET 开启和关断的时间取决于栅极驱动电路阻抗.很重要的一点是在栅极驱动电路上并联一个电容,保 证驱动期间驱动电压的1 定,一般这个电容的值是约 0.1uF. 11 MOSFET驱动 高频MOSFET驱动要求主要有三个,要有图腾柱驱动电路,驱动电压要加以旁路,驱动器件要能提供瞬间大电流.