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开关稳压电源设计及性能分析
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胡玉叶
摘要:分析了开关电源基本电路工作时VT1基极输入正脉冲、负脉冲与电压波形的关系,得到电压反馈控制开关管相应的占空比可以实现稳压。二极管的选择,电感计算与选择,设计DC-DC电路。
关键词:DC-DC电路;电压波形;电源输出电压
1.稳压控制分析
开关电源的基本电路如图所示。在该电路中,VT1为开关管,VD1为续流二极管,L为储能电感,C为滤波电容,RL为负载电阻。
1.1开关电源基本电路的工作原理:
1.1.1VT1基极输入正脉冲
开关管VT1正偏饱和导通,如下图昨所示输出的电压ui一路加到续流二极管VD1的负极上,使其反偏截止;另一路经L、C、RL形成回路,电流经L对电容C进行充电,也对RL负载供电。线圈自感电压为左“+”右“-”,以阻碍电流的增大。
1.2.2VT1基极输入负脉冲
开关管VT1反偏截止如上图右所示,从而切断了输入电压ui向负载供电的通路。但由于电感中的电流不会突变,在电感中会感应出右“+”正、左“-”负的电压。该电压就会使续流二极管正偏导通,储存在电感L中的能量就会通过VD1导通的二极管继续向电容C充电,同时也为负载提供工作电流,以维持负载电流的连续性。电路要求电容耐压值高,一般不小与输入电源2倍。
下图是电路图中几个关键点的电压和电流波形。
1.2电压波形
占空比大电源输出电压Uo大,但电压波动也大;相反,占空比小电源输出电压Uo就小。当占空比等于0.5时,电源输出电压为脉冲电压的平均值,且电压较稳定。通过电压反馈控制开关管相应的占空比可以实现稳压的目的。
开关电源有三种拓扑:BUCK(降压变换器)、BOOST(升压变换器)、BUCK-BOOST(逆向变换器)。
2.DC-DC电路设计
2.1BUCK电路基本结构
从电路可以看出,电感L和电容C组成低通滤波器,此滤波器设计的原则是使us(t)的直流分量可以通过,而抑制us(t)的谐波分量通过;电容上输出电压uo(t)就是us(t)的直流分量再附加微小纹波uripple(t)。电路工作频率很高,一个开关周期内电容充放电引起的纹波uripple(t)很小,相對于电容上输出的直流电压Uo有|uripple(t)|p
一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时,电容电压升高,导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加,使电容电压上升速度减慢,这种过程的延续直至达到充放电平衡,此时电压维持不变;反之,如果一个周期内放电电荷高于充电电荷,将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小,使电容电压下降速度减慢,这种过程的延续直至达到充放电平衡,最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程,在电路稳态工作时,电路达到稳定平衡,电容上充放电也达到平衡,这是电路稳态工作时的一个普遍规律。
2.2BUCK元件选择
2.2.1二极管的选择
频率在几百赫兹范围内,选择肖特基二极管。在Tom阶段,二极管承受最大的反向电压,其值为V1。考虑到设计冗余,二极管耐压至少选择V1max的1.2倍。如果二级管两端有尖峰,则需要根据实际情况进行调整。二极管的平均电流I=Io*(1-D)。二极管额定电流至少选择I的2倍以上,电流较大的需要注意散热处理,可以适当选择较大的封装体积。
2.2.2电感计算与选择
电感是开关电源中常用的元件,由于它的电流、电压相位不同,所以理论上损耗为零。电感常为储能元件,也常与电容一起用在输入滤波和输出滤波电路上,用来平滑电流。电感也被称为扼流圈,特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。换句话说,由于磁通连续特性,电感上的电流必须是连续的,否则将会产生很大的电压尖峰。
降压型开关电源的电感选择:
为降压型开关电源选择电感器时,需要确定最大输入电压、输出电压、电源开关频率、最大纹波电流、占空比。
下面以本设计为例说明降压型开关电源电感值的计算,首先假设开关频率为200kHz、输入电压范围16V±10%、输出电流为3A、最大纹波电流30mA。
最大输入电压值为17.6V,对应的占空比为:D=Vo/Vi=5/17.6=0.284
其中,Vo为输出电压、Vi为输出电压。当开关管导通时,电感器上的电压为:V=Vi-Vo=12.6V
计算电感为:L=(V*D)/(K*I)=(12.6*0.284)/(200000*30)=39.64uH
计算考虑误差的感应系数,考虑到与标准之间20%的偏差和在额定电流下会有10-35%降幅:L=39.64μH/(0.8×0.65)=45μH,再考虑到工作在连续电流模式下,因此感应系数调高到47μH。
参考文献:
[1]《从零开启大学生电子设计之路--基于MSP430LaunchPad口袋实验平台》,傅强,杨艳主编.北京航空航天大学出版社,
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