直流开关电源技术及应用

文章目录

  • 1. 开关电源概论
    • 1.1 开关电源稳压原理
      • 1.1.1 开关电源稳压原理
      • 核心组成部分及其作用
      • 工作过程
      • 稳压原理

1. 开关电源概论

1.1 开关电源稳压原理

为了提高效率,必须使功率调整器件处于开关工作状态。
作为开关而言,导通时压降很小,几乎不消耗能量,关断时漏电流很小,也几乎不消耗能量,所以开关稳压电源的功率转换效率可达80%以上。

1.1.1 开关电源稳压原理

在这里插入图片描述
在开关S导通期间,输入电源 U i U_{i} Ui通过开关S和电感L滤波电路提供给负载 R L R_L RL

  • 在整个开通卡紧,电源 U i U_{i} Ui向负载提供能量,同时电感L储存能量。

当开关S断开时,储存在电感L中的能量通过二极管VD释放给负载,使负载得到连续而稳定的能量。

在滤波电路AB间得到的电压平均值 U A B U_{AB} UAB可用以下式表示:
U A B = t O N T U i U_{AB} = \frac{t_{ON}}{T}U_i UAB=TtONUi
式中, t O N t_{ON} tON为开关每次接通的时间,T为开关通断的工作周期。

开关稳压电源的基本原理是通过控制开关管的导通与截止时间,将输入电压转换为高频脉冲电压,再经过变换、整流、滤波等环节,得到稳定的直流输出电压,其具体原理如下:

核心组成部分及其作用

  • 开关管:是开关稳压电源的核心控制元件,通常采用晶体管、功率场效应管、绝缘栅双极型晶体管等半导体器件。它的主要作用是在控制电路的作用下,快速地导通和截止,从而控制输入电压的通断,以实现将输入电压转换为脉冲信号的功能.
  • 储能电感:在开关管导通期间,输入电压向储能电感充电,电感储存能量;在开关管截止期间,储能电感释放能量,为负载提供持续的电流,起到平滑电流、稳定输出电压的作用.
  • 滤波电容:主要用于滤除输出电压中的高频纹波成分,使输出电压更加平滑稳定,为负载提供纯净的直流电压.
  • 续流二极管:在开关管截止时,为储能电感提供电流通路,使电感中的电流能够继续流动,维持负载电流的连续性,防止电感产生过高的反向电动势损坏其他元件.
  • 控制电路:负责监测输出电压,并与基准电压进行比较,根据比较结果产生控制信号,调节开关管的导通与截止时间,从而实现对输出电压的稳定控制。常见的控制方式有脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)以及 PWM 与 PFM 混合式等.

工作过程

  • 开关管导通期间:开关管饱和导通,输入电压加在储能电感两端,电流通过开关管流入电感,电感中的电流线性增加,储存磁场能,此时续流二极管截止,储能电容向负载提供能量,维持负载电压的稳定.
  • 开关管截止期间:开关管迅速截止,电感中的电流不能突变,根据楞次定律,电感会产生一个上负下正的自感电动势,该电动势使续流二极管导通,电感中的电流通过续流二极管流向负载,同时也对储能电容进行充电,为负载提供持续的电流,使负载两端的电压保持稳定.

稳压原理

通过控制电路不断地监测输出电压,并与设定的基准电压进行比较,根据两者的差值来调整开关管的导通时间或截止时间,从而改变输出脉冲的占空比,以达到稳定输出电压的目的.

  • 脉冲宽度调制(PWM):在 PWM 控制方式中,保持开关频率不变,通过改变脉冲宽度来调整占空比。当输出电压低于基准电压时,控制电路增加开关管的导通时间,即增大脉冲宽度,使电感储存更多的能量,从而提高输出电压;反之,当输出电压高于基准电压时,减小开关管的导通时间,即减小脉冲宽度,使电感释放的能量减少,降低输出电压,以此实现输出电压的稳定.
  • 脉冲频率调制(PFM):PFM 则是保持脉冲宽度不变,通过改变开关频率来调整占空比。当输出电压下降时,控制电路降低开关频率,使开关管在单位时间内的导通次数增加,从而增加电感的充电时间,提高输出电压;当输出电压上升时,提高开关频率,减少开关管的导通次数,降低输出电压.

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