開關(guān)電源--高效節(jié)能電源

開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源。它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已變成穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。

開關(guān)電源的根本構(gòu)造通常由DC/DC功率變換主電路和操控電路兩大有些所構(gòu)成。其間DC/DC主電路進(jìn)行功率變換，它是開關(guān)電源的中心有些，對(duì)電源設(shè)備的電功能、功率、溫升、可靠性、體積和分量等目標(biāo)有決定性的效果。

1 主電路中開關(guān)變換器的拓?fù)錁?gòu)造，是指能用于變換、操控和調(diào)理輸入電壓的功率開關(guān)元件和儲(chǔ)能元件的不一樣配置。開關(guān)變換器拓?fù)錁?gòu)造可分為兩種根本類型：非阻隔式和阻隔式。這兩品種型中又各自包含有不一樣的電路拓?fù)淦贩N。

2 非阻隔開關(guān)變換器

對(duì)于小功率DC/DC變換器(例如100W以下)，實(shí)際上用開關(guān)晶體管、開關(guān)二極管、電感、電容各一個(gè)，就能夠構(gòu)成一臺(tái)非阻隔式DC/DC變換器，是各種DC/DC變換器中最簡(jiǎn)略的拓?fù)洹Ｆ渲麟娐返闹行氖侨薖WM開關(guān)，它表明DC/DC變換器PWM開關(guān)組合。開關(guān)晶體管、開關(guān)二極管和電感元件的不一樣組合，能夠構(gòu)成降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓型(Buck-Boost)和升壓-降壓型(Boost -Buck)型4種DC/DC變換器的拓?fù)錁?gòu)造。

2.1降壓型拓?fù)錁?gòu)造

降壓型DC/DC變換器將輸入電壓變換成 0≤U0≤Ui 的安穩(wěn)輸出電壓，所以又稱降壓開關(guān)電源。圖1為降壓型DC/DC變換器的典型電路。Ui 為輸入電源，通常為電池或電池組。S是主開關(guān)管，二極管D是輔佐開關(guān)管，也稱為整流管，通常運(yùn)用具有較低正導(dǎo)游通電壓的肖特基二極管。S是由來自操控電路的脈沖信號(hào)操控開關(guān)。RL表明負(fù)載電阻。

在一個(gè)開關(guān)周期中，首要，在操控電路效果下S導(dǎo)通，二極管因受反向偏壓而截止，電流由電池流經(jīng)S、電感L到電容C和負(fù)載。電感電流持續(xù)上升，電感儲(chǔ)能在添加，能量由電池傳送到電感并存儲(chǔ)在電感中;第二期間，操控電路使S截止，堵截電池和電感元件的銜接，所以電感發(fā)生感生電動(dòng)勢(shì)使電流保持本來的流向，二極管D導(dǎo)通，為電感電流構(gòu)成通路，電流由電感L流向電容C和負(fù)載，電感電流跟著時(shí)刻而降低，能量由電感流向負(fù)載。

經(jīng)電感L、電容C濾波，在負(fù)載RL上可得到脈動(dòng)很小的直流電壓Uo。為推導(dǎo)降壓型DC/DC變換器的輸出電壓與輸入電壓間的聯(lián)系，在主開關(guān)管S導(dǎo)通、二極管D截止時(shí)，疏忽S管的正導(dǎo)游通壓降;整流管導(dǎo)通、主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，疏忽二極管的壓降 ;疏忽電感、電容的寄生電阻。因?yàn)橹灰陂_關(guān)管導(dǎo)通時(shí)期，儲(chǔ)能電感L的電流添加量和開關(guān)管截止時(shí)期儲(chǔ)能電感L中的電流減少數(shù)持平時(shí)，電路才到達(dá)平衡狀況，即在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感充放電伏秒積持平，因而：

D為占空比。改動(dòng)D，輸出電壓Uo的平均值也就隨之改動(dòng)。因而，當(dāng)負(fù)載及電網(wǎng)電壓變化時(shí)，能夠經(jīng)過閉合的反應(yīng)操控回路自動(dòng)地調(diào)整占空比D來使輸出電壓Uo保持不變。

2.2升壓型拓?fù)錁?gòu)造

升壓型DC/DC變換器將輸入電壓變換成較高的安穩(wěn)輸出電壓，又稱升壓開關(guān)電源。

如圖2是升壓型開關(guān)電源的典型電路。Ui 為輸入電源，S是主開關(guān)管，D是整流管。該電路的每個(gè)開關(guān)周期相同可分為兩個(gè)期間：第一期間，S導(dǎo)通，疏忽開關(guān)管的正導(dǎo)游通壓降，D截止。此刻，電感電流線性上升，能量從輸入電源變換成磁場(chǎng)能存儲(chǔ)在電感L中，負(fù)載RL上得到的電壓由電容C供給;第二期間：S截止，電感電流 開端線性降低，能量由電感元件流向負(fù)載。經(jīng)電容C濾波，在負(fù)載RL上可得到脈動(dòng)很小的直流電壓Uo。使用相同的方法，根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)電感L的充放電伏秒積持平的原理，能夠推導(dǎo)出電壓聯(lián)系。

2.3降壓-升壓型拓?fù)錁?gòu)造

這個(gè)電路的開關(guān)管和負(fù)載構(gòu)成并聯(lián)。在S導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)過L平波，電源對(duì)L充電。當(dāng)S斷時(shí)，L向負(fù)載及電源放電，輸出電壓將是輸入電壓Ui加上UL，因而有升壓效果。

圖3是降壓-升壓型開關(guān)電源的典型電路。Ui 為輸入電源，S是主開關(guān)管，D是整流管。S在操控信號(hào)效果下在導(dǎo)通、截止?fàn)顩r間變換。該電路的作業(yè)可簡(jiǎn)略剖析如下：第一期間，S導(dǎo)通，D截止，疏忽開關(guān)管的正導(dǎo)游通壓降，此刻，電感電流線性上升，能量從輸入電源變換成磁場(chǎng)能存儲(chǔ)在電感L中，此刻負(fù)載得到的能量來自電容C;第二期間，D導(dǎo)通，S截止，電感電流開端線性降低，能量由電感元件流向電容和負(fù)載。經(jīng)電容C濾波，在負(fù)載RL上可得到脈動(dòng)很小的直流電壓Uo ，核算其平均值，推出降壓-升壓型DC/DC變換器的輸出電壓與輸入電壓間的聯(lián)系式：

式(3)中，若改動(dòng)占空比D，則輸出電壓既可低于電源電壓，也也許高于電源電壓。

圖3 降壓-升壓型DC/DC變換器電路

2.4升壓-降壓型DC/DC變換器

圖4是升壓-降壓型開關(guān)電源典型電路。升壓-降壓型DC/DC變換器的根本作業(yè)原理如下：

第一期間：S導(dǎo)通，D截止。在輸入回路，電流由電池流向電感L1和主開關(guān)管S，電感L1接收來自電池的能量，電感電流線性添加;在輸出回路，電容C1經(jīng)過S對(duì)濾波電容C2、負(fù)載RL及L2放電，因而D受反向偏壓而截止，這時(shí)C1將能量轉(zhuǎn)移給L2。

第二期間：S截止，D導(dǎo)通。當(dāng)S截止時(shí)，在輸出回路，L2要保持電流方向不變，發(fā)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使D導(dǎo)通，所以能量由L2傳送到C2和負(fù)載RL;在輸入回路，電流由電池流經(jīng)電感L1、電容C1和二極管D，曾經(jīng)一期間的電感電流終值作為本期間的電流初值開端向藕合電容C1充電，跟著電容兩端電壓的添加，電感電流逐步減少，能量由L1轉(zhuǎn)移到C1中。

升壓-降壓型DC/DC變換器的輸出電壓與輸入電壓間的聯(lián)系式同降壓-升壓型聯(lián)系。升壓-降壓型DC/DC變換器電路雜亂，但紋波功能得到改進(jìn)。若將兩電感繞在同一磁芯上，挑選適宜的匝比、耦合系數(shù)等，可得到零紋波輸出。

3 阻隔開關(guān)變換器

阻隔式是指輸入端與輸出端電氣不相通，經(jīng)過脈沖變壓器的磁耦合方法傳遞能量，輸入輸出完全電氣阻隔。阻隔式又可分為以下幾種拓?fù)錁?gòu)造。

3.1單端反激式DC/DC變換器

開關(guān)電源電路中所謂的單端是指變換器的磁芯僅作業(yè)在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激是指當(dāng)功率調(diào)整管T導(dǎo)通時(shí)，變壓器N在初級(jí)繞組中貯存能量;當(dāng)功率調(diào)整管T截止時(shí)，變壓器N經(jīng)過次級(jí)繞組向負(fù)載傳遞能量。即原/副邊交織通斷。這樣能夠防止變壓器磁能被積累的疑問，可是因?yàn)樽儔浩鞔嬖诼└校瑢⒃谠厴?gòu)成電壓尖峰，也許擊穿調(diào)整管T，因而需求設(shè)置RCD緩沖電路。單端反激式DC/DC變換電路如圖5所示。反激電路不該作業(yè)于負(fù)載開路狀況。

當(dāng)作業(yè)于電流連續(xù)形式時(shí)，單端正激式DC/DC變換電路如圖6所示。從電路原理圖上看，正激式與反激式很相似，表面上僅僅變壓器同名端的區(qū)別，但作業(yè)過程不一樣。當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，變壓器N的初級(jí)和次級(jí)繞組一起導(dǎo)通，向負(fù)載傳送能量，濾波電感L貯存能量;當(dāng)T截止時(shí)，電感L經(jīng)過二極管D1持續(xù)向負(fù)載開釋能量。

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