降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

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1、專業(yè)資料1開(kāi)關(guān)電源概述開(kāi)關(guān)電源是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的簡(jiǎn)稱，一般指輸入為交流電壓、輸出為直流電壓的AC/DC變換器。開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的功率開(kāi)關(guān)管工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達(dá)75%-90%，比普通線性穩(wěn)壓電源提高近一倍。集成穩(wěn)壓電源線性電源線性穩(wěn)壓電源的簡(jiǎn)稱，因其內(nèi)部調(diào)整管工作在線性工作區(qū)得名。線性穩(wěn)壓器調(diào)整管與負(fù)載相串聯(lián)，電源的輸入電流與輸出電流基本相等。優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)壓性能好，輸出的紋波電壓和噪聲電壓小。缺點(diǎn)是調(diào)整管壓降大，功耗高，效率低，一般為35%-45%。開(kāi)關(guān)電源脈寬調(diào)制控制器（PWM）開(kāi)關(guān)周期為恒定值，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬

2、度來(lái)改變占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。脈頻調(diào)制控制器（PFM）脈沖寬度為恒定值，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)改變占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。DC/DC變換器直流開(kāi)關(guān)電源一般為高壓輸入、隔離式DC/DC變換器，采用PWM控制器或單片開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器低壓輸入、非隔離式DC/DC變換器，采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器集成電路。包括降壓型BUCK電路，升壓型BOOST電路及混合電路等。單片開(kāi)關(guān)電源將開(kāi)關(guān)電源的主要電路都集成在一個(gè)芯片中，一般屬于AC/DC電源變換器。表1.1電源分類2降壓式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器原理2.1給低通濾波器輸入方波圖2.1.1表示給低通濾波器輸入方波時(shí)的情況。如

3、果一個(gè)低通濾波器的截止頻率比輸入信號(hào)頻率低很多，當(dāng)給它輸入方波信號(hào)時(shí)，由于方波被低通濾波器平滑，所以輸出信號(hào)變成了直流（只有微小的脈流）。（為什么？方波信號(hào)相當(dāng)于一個(gè)直流分量加一個(gè)交流分量的和，經(jīng)過(guò)低通濾波器后，直流分量通過(guò)，交流分量被濾掉，所以只剩下直流分量了，即輸出平滑了。如果低通濾波器的截止頻率比輸入信號(hào)頻率高，那么交流分量就全部通過(guò)了，起不到濾波的作用，所以低通濾波器的截止頻率要比輸入信號(hào)的頻率低很多才行。）降壓型開(kāi)關(guān)電源是把輸入的直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波，再把這個(gè)方波經(jīng)低通濾波word完美格式專業(yè)資料器平滑，又得到直流信號(hào)的電路

4、。之所以通過(guò)這樣復(fù)雜的過(guò)程來(lái)降低電壓是為了減少電壓變換時(shí)的損失。線性穩(wěn)壓電源只所以效率低就因?yàn)橹苯舆M(jìn)行電壓變換的時(shí)候功耗大。圖2.1.1給低通濾波器輸入方波2.2開(kāi)關(guān)電路+濾波器=降壓型開(kāi)關(guān)電源降壓式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的原理如圖2.2.1所示，圖2.2.2和2.2.3分別是當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合、斷開(kāi)時(shí)的電流路徑。在實(shí)際的電路中，還需要實(shí)施反饋使輸出電壓穩(wěn)定。一般反饋都集成到電源芯片中。圖2.2.1簡(jiǎn)化電路圖2.2.2開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的電流路徑word完美格式專業(yè)資料圖2.2.3開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的電流路徑（1）當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)續(xù)流二極管VD截至，由于輸入電壓UI與儲(chǔ)能

5、電感L接通，因此輸入-輸出壓差（UI-Uo）就加在L上，使通過(guò)L的電流IL線性地增加。（為什么？由公式L*di/dt=U可以看出，U、L不變，則di/dt為常數(shù)，即I線性增加。）在此期間除向負(fù)載供電外，還有一部分電能儲(chǔ)存在L和C中，流過(guò)負(fù)載RL的電流為Io，參見(jiàn)圖2.2.2。（2）當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，L與UI斷開(kāi)，但由于電感電流不能在瞬間發(fā)生突變，因此在L上就產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)以維持通過(guò)電感的電流不變。此時(shí)續(xù)流二極管VD導(dǎo)通，儲(chǔ)存在L中的電能就經(jīng)過(guò)由VD構(gòu)成的回路向負(fù)載供電，維持輸出電壓不變。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，C對(duì)負(fù)載放電，這有利于維持Uo和Io不

6、變，參加圖2.2.3。（為什么？請(qǐng)看以下圖例比較）圖2.2.4去掉電容的電路圖word完美格式專業(yè)資料圖2.2.5去掉電容的仿真波形圖圖2.2.6有電容的情況下的仿真波形圖word完美格式專業(yè)資料圖中，綠色為輸入的開(kāi)關(guān)電壓UI，開(kāi)關(guān)頻率為250KHZ，周期為4US。藍(lán)色為輸出的直流電壓Uo。紅色為輸出電流Io。對(duì)比圖2.2.5和圖2.2.6，可以看出有電容的情況下紋波電壓和紋波電流要很多。3降壓型開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)3.1電源電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)現(xiàn)在進(jìn)行降壓型開(kāi)關(guān)電源的具體設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：輸入電壓+12V輸出電壓+5V輸出電流2A表3.1.

7、1降壓型開(kāi)關(guān)電源的指標(biāo)3.2續(xù)流二極管VD的選擇由降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理分析可知，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)VT截止時(shí)，儲(chǔ)能電感L中所存儲(chǔ)的磁能是通過(guò)續(xù)流二極管VD傳輸給負(fù)載電阻RL的；當(dāng)功率開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通時(shí)，集-射極之間的電壓幾乎等于零，這時(shí)的輸入電壓UI就全部加到續(xù)流二極管VD的兩端。因此，續(xù)流二極管VD的選擇一定要符合下列條件：（1）續(xù)流二極管VD的正向額定電流必須等于或大于功率開(kāi)關(guān)VT的最大集電極電流，即應(yīng)該大于負(fù)載電阻RL上的電流。由表3.1知輸出電流為2A，紋波電流控制在±5%以內(nèi)，即二極管正向額定電流Id>2.1A。（2）續(xù)流二極管

8、VD的反向耐壓值必須大于輸入電壓UI值（這里是12V）。（3）為了減小由于開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換所引起的輸出紋波電壓，續(xù)流二極管VD應(yīng)選擇反向恢復(fù)速度和導(dǎo)通速度都非?？斓男ぬ鼗O管或快恢復(fù)二極管。（4）為了提高整機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，減小內(nèi)部損耗，一定要