一文詳解開關(guān)穩(wěn)壓電源

開關(guān)穩(wěn)壓電源的組成

開關(guān)穩(wěn)壓電源通常由電磁干擾(EMI)濾波器、整流電路、濾波電路和DC/DC變換器電路組成。其典型結(jié)構(gòu)如圖1-2-1所示。

圖1-2-1　開關(guān)穩(wěn)壓電源的組成框圖

交流輸入電壓(通常是220V，50Hz)經(jīng)過EMI濾波器進(jìn)入整流電路。EMI濾波器用于減小開關(guān)電源的噪聲干擾，阻止開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲傳輸?shù)诫娋W(wǎng)中，避免干擾電網(wǎng)中的其他電器設(shè)備(例如通信設(shè)備)。

整流電路直接將交流輸入電壓整流，然后通過濾波電路產(chǎn)生較高的直流電壓(通常是300V左右)，稱為直流高壓。該直流電壓為DC/DC變換器的DC輸入電壓。

DC/DC變換器也稱功率變換電路，是開關(guān)電源的核心部分，通常由功率開關(guān)管、高頻變壓器和PWM控制器等組成。DC/DC變換器先將DC輸入電壓變?yōu)楦哳l交流電壓，施加到高頻變壓器的初級繞組。高頻變壓器次級繞組感應(yīng)出的交流電壓再經(jīng)過高頻整流與濾波電路，最終轉(zhuǎn)換為DC電壓輸出。因?yàn)樽儔浩鞯某跫壚@組和次級繞組相互絕緣，所以通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)了AC輸入和DC輸出之間的電氣隔離。

小貼示

DC/DC變換器是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心電路。

開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理

開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心電路是DC/DC變換器，為了和線性穩(wěn)壓電源對比，下面以降壓式DC/DC變換器為例，介紹開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理。降壓式DC/DC變換器的電路結(jié)構(gòu)與等效電路如圖1-2-2所示。其中圖(a)為電路結(jié)構(gòu)，圖(b)為等效電路。

圖1-2-2

圖中，VT被稱為功率開關(guān)管，其作用可等效為能夠高速動(dòng)作的開關(guān)S。VD Z 為穩(wěn)壓二極管，用于產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓(也稱參考電壓)U REF 。R 2 和R 3 被稱為取樣電阻，它們用來檢測輸出電壓U O ，并分壓產(chǎn)生反饋電壓U F 。EA為誤差放大器，它可將反饋電壓U F 與基準(zhǔn)電壓U REF 進(jìn)行比較放大，從而產(chǎn)生控制電壓U C 。其中，誤差放大器的工作原理與線性穩(wěn)壓電源完全相同。VD為續(xù)流二極管，用于延續(xù)電感L中的電流。L為濾波電感，因?yàn)榱鬟^較大的負(fù)載電流，也稱功率電感。C為輸出濾波電容。R L 為負(fù)載電阻。

與線性穩(wěn)壓電源不同的是，開關(guān)穩(wěn)壓電源具有PWM控制器。PWM控制器將控制電壓U C 的變化轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)占空比D的變化，使功率開關(guān)管VT按照不同的占空比導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的改變。

DC/DC變換器的工作原理可以結(jié)合圖1-2-2(b)中的等效電路和圖1-2-3中波形的占空比變化來解釋。當(dāng)PWM控制器使功率開關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)S閉合。此時(shí)，輸入電壓U I 加到了濾波電感L左端，電壓U L =U I ;經(jīng)過一段時(shí)間t ON (t ON 稱為導(dǎo)通時(shí)間)以后，PWM控制器使功率開關(guān)管VT關(guān)斷，相當(dāng)于開關(guān)S斷開。此時(shí)，續(xù)流二極管VD導(dǎo)通，使濾波電感L左端電壓為0V，即U L =0V。經(jīng)過一段時(shí)間t OFF (t OFF 稱為關(guān)斷時(shí)間)以后，PWM控制器再次使VT導(dǎo)通，進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期，并一直重復(fù)下去。

導(dǎo)通時(shí)間t ON 與關(guān)斷時(shí)間t OFF 之和為開關(guān)周期T，即T=t ON +t OFF 。通常開關(guān)周期T是固定不變的，當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間t ON 變長的時(shí)候，關(guān)斷時(shí)間t OFF 就相應(yīng)的變短。導(dǎo)通時(shí)間t ON 與開關(guān)周期T的比值叫做占空比，用D來表示，即D=t ON /T。

圖1-2-3中給出了3種不同占空比時(shí)U L 點(diǎn)的電壓波形，其中圖(a)是D=0.25時(shí)的電壓波形，圖(b)和圖(c)分別是D=0.5和D=0.75時(shí)的電壓波形。由于電感L和電容C的濾波作用，U L 點(diǎn)的電壓波形經(jīng)過LC濾波之后，將變?yōu)槠交闹绷鬏敵鲭妷篣 O 。

圖1-2-3

輸出電壓U O 為輸入電壓U I 與占空比D的乘積，即U O =U I ×D。改變占空比D，就能改變導(dǎo)通時(shí)間t ON ，進(jìn)而改變輸出電壓U O 。在相同的輸入電壓下，占空比越大，對應(yīng)的輸出電壓就越高。在DC/DC變換器中，PWM控制器就是用來改變占空比D的。

在圖1-2-2所示的開關(guān)電源中，當(dāng)電路檢測到U O 升高時(shí)，誤差放大器EA輸出電壓U C 將降低，通過PWM控制器使占空比D下降，從而使輸出電壓U O 保持不變。

小貼示

PWM控制器是開關(guān)穩(wěn)壓電源的控制核心。

與線性穩(wěn)壓電源相比，開關(guān)電源的功率開關(guān)管VT等效為開關(guān)S而不是可變電阻R，當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，其壓降通常僅為1V左右，VT的導(dǎo)通損耗比線性穩(wěn)壓電源小得多。線性電源調(diào)整管VT的功率損耗為輸入/輸出壓差與負(fù)載電流的乘積，即P D =(U I -U O )×I L ，通常(U I -U O )需要3V以上。開關(guān)電源功率開關(guān)管VT的導(dǎo)通損耗為P D =1×I L ，而與(U I -U O )的大小幾乎無關(guān)。

例如在12V輸入，5V輸出的線性電源中，如果負(fù)載電流為1A，則電源調(diào)整管VT的功率損耗為P D =(12-5)×1=7W;如果是相同參數(shù)的開關(guān)電源，功率開關(guān)管VT的功率損耗僅為P D =1×1=1W，比線性電源損耗小得多，這就是開關(guān)電源能夠獲得高效率的根本原因。

當(dāng)然，開關(guān)電源除了功率開關(guān)管VT的導(dǎo)通損耗以外，還有VT的開關(guān)損耗以及續(xù)流二極管VD的損耗等。盡管如此，開關(guān)電源的總體損耗也比線性電源小很多。