電源設(shè)計(jì)說明：開關(guān)模式基礎(chǔ)

在電源中，線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器執(zhí)行相同的功能，從未穩(wěn)壓的輸入電壓開始生成穩(wěn)壓輸出電壓。然而，他們通過使用不同的技術(shù)來完成這項(xiàng)任務(wù)，每種技術(shù)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

線性電源只能降低（降壓）輸入電壓，獲得較低的輸出電壓。這通常是通過強(qiáng)制 BJT 或 MOSFET 晶體管在其線性區(qū)工作來實(shí)現(xiàn)的。后果有兩個(gè)：

輸出電壓和輸入電壓之間始終存在差異 ( V DROP )。

由于線性區(qū)中的晶體管的連續(xù)操作中，調(diào)節(jié)器消耗相當(dāng)大的功率的，由下式給出V DROP乘以予LOAD，其中我LOAD是電流吸收由負(fù)荷。

因此，線性穩(wěn)壓器的效率非常低，通常在 35% 到 65% 之間，輸出電壓和輸入電壓之間的差異越大 ( V DROP = V IN – V OUT )，效率越低。以V IN = 9 V、V OUT = 5 V 和I LOAD = 150 mA的線性穩(wěn)壓器為例。該調(diào)節(jié)器應(yīng)能耗散600毫瓦（的功率（V IN - V OUT）×I LOAD），相比750毫瓦（的可用輸出功率V OUT ×I LOAD）。因此，該穩(wěn)壓器的效率約為 55%。隨著輸出功率的增加，對(duì)有效散熱的需求也隨之增加，這可以通過散熱器獲得。然而，超過幾瓦時(shí)，從經(jīng)濟(jì)角度來看，線性穩(wěn)壓器不再方便，因此代表了低功率應(yīng)用的理想解決方案。一類特殊的線性穩(wěn)壓器是低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)，它集成了一個(gè)能夠包含 V DROP值（通常為幾百或幾十毫伏）的特殊電路，從而提高了整體效率。線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)在于電路簡單（需要很少的外部元件）、低成本和無開關(guān)噪聲（晶體管始終工作在線性區(qū)）。

開關(guān)電源通過在 CUTOFF 狀態(tài)（無電流但開關(guān)上有高電壓）和 SATURATION 狀態(tài)（有高電流但開關(guān)上的電壓非常高）之間快速切換晶體管來工作小的）。如此獲得的脈沖電壓隨后可以通過變壓器增加或減少，最后過濾以獲得直流輸出電壓。開關(guān)電源可實(shí)現(xiàn)高效率值，通常在 65% 到 95% 之間。主要缺點(diǎn)在于設(shè)計(jì)復(fù)雜性和開關(guān)噪聲的存在，在一些應(yīng)用中必須消除這些噪聲。開關(guān)電源由外部脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)控制，該信號(hào)決定“開關(guān)”晶體管的開關(guān)頻率和占空比。

正向模式轉(zhuǎn)換器

通過 LC 輸出濾波器的存在可識(shí)別的正向轉(zhuǎn)換器使用變壓器來升高或降低輸入電壓，并為負(fù)載提供與交流電源電壓的電流隔離。圖 1顯示了正向轉(zhuǎn)換器的基本方案。當(dāng)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài) (on) 時(shí)，能量被傳輸?shù)捷敵龆?。LC 濾波器產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓V OUT ，其值可以計(jì)算如下（D是 PWM 信號(hào)的占空比，而N S和N P是變壓器各自繞組的匝數(shù)）：

V OUT = V IN × D × (N S ÷ N P )

通過改變占空比，因此可以修改輸出電壓值。

圖 1：正向轉(zhuǎn)換器的基本圖

反激式轉(zhuǎn)換器

即使它基于與正向轉(zhuǎn)換器相同的組件，反激轉(zhuǎn)換器也以完全不同的方式運(yùn)行。反激式穩(wěn)壓器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為具有較高或較低值和正極性或負(fù)極性的輸出電壓。反激式轉(zhuǎn)換器的基本框圖如圖 2所示。圖 2 中的開關(guān)實(shí)際上被一個(gè)由 PWM 信號(hào)控制的開關(guān)晶體管（通常是 FET）代替。

圖 2：反激式轉(zhuǎn)換器的基本圖

當(dāng)開關(guān)閉合（晶體管導(dǎo)通）時(shí)，輸入電流穿過變壓器的初級(jí)繞組，在次級(jí)繞組上感應(yīng)出負(fù)電壓。二極管因此被反向偏置，并且負(fù)載由存儲(chǔ)在輸出電容器中的能量供電（圖 3 的上部）。另一方面，當(dāng)開關(guān)打開（晶體管關(guān)斷）時(shí)，變壓器初級(jí)繞組上的電流為零，而次級(jí)繞組上的電壓變?yōu)檎怠＿@導(dǎo)致二極管導(dǎo)通，進(jìn)而可以為負(fù)載供電并為電容器充電。

圖 3：反激式轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)工作階段


審核編輯：劉清