电源的分类

根据调整管的工作状态,我们常把稳压电源分成两类:线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源,是指调整管工作在线性状态下的稳压电源。而在开关电源中则不一样,开关管 ( 在开关电源中,我们一般把调整管叫做开关管是工作在开、关两种状态下的:开 —— 电阻很小 ; —— 电阻很大。

电感电压伏秒平衡定律

一个功率变换器,当输入、负载和控制均为固定值时的工作状态,在开关电源中,被称为稳态。稳态下,功率变换器中的电感满足电感电压伏秒平衡定律:对于已工作在稳态的 DC/DC 功率变换器,有源开关导通时加在滤波电感上的正向伏秒一定等于有源开关截止时加在该电感上的反向伏秒。

伏秒平衡方程推算过程:

电感的基本方程为:Vt=L*dIt/dt,即电感两端的电压等于电感感值乘以通过电感的电流随时间的变化率。

根据上述方程,可得dIt=1/L∫Vtdt,对于稳态的一个功率变换器,其应保证在一个周期内电感中的能量充放相等,反映在V-t图中即表示在一个周期内其面积之和为0,所以得出电感电压伏秒平衡定律。

小贴士:

1、当一个电感突然加上一个电压时,其中的电流逐渐增加,并且电感量越大,其电流增加越慢;2、当一个电感上的电流突然中断,会在电感两端产生一个瞬间高压,并且电感量越大该电压越高;3、电容的基本方程为:It=dVt/C*dt),当一电流流经电容时,电容两端电压逐渐增加,并且电容量越大电压增加越慢;DC/DC电源芯片主要是通过反馈电压与内部基准电压的的比较,从而调节MOS管的驱动波形的占空比,来保证输出电压的稳定。

BUCK电路

电感的V-t特性曲线:

分析

PWM 驱动 MOS Q1 导通时,忽略 MOS 管的导通压降,此时电感两端电压保持不变为 Vin-Vo ,根据电感的基本方程: V t =L* dI t /dt 电感电流将呈线性上升,此时电感正向伏秒为: V*Ton= Vin-Vo )* Ton
当PWM 驱动 MOS Q1 截至时,电感电流经过续流 二极管 D1 形成回路(忽略二极管压降)且电感电流不发生突变,同样电感两端电压也保持不变为 Vo,方向与(Vin-Vo )相反,电感电流呈线性下降,此时电感反向伏秒为: V*Toff=Vo* Ts-Ton ), Ts PWM 波形周期。
根据电感电压伏秒平衡定律可得:( Vin-Vo )* Ton =Vo* Ts-Ton

      Vo=D*Vin D为占空比)

buck环路分析

BOOST电路

如上图为BOOST电路的基本拓扑结构

下面来分析输入与输出电压的关系

PWM驱动MOS管导通时,此时电感的正向伏秒为:Vin*Ton;

PWM驱动MOS管截至时,此时电感的反向伏秒为:(Vo- Vin)*(Ts-Ton)。

根据电感电压伏秒平衡定律可得:Vin*Ton =Vo- Vin)*(Ts-Ton

Vo=Vin/1-D

BOOST线路

图中输入电压 Vi=16~20V ,既供给芯片,又供给升压变换。

开关管以UC3842设定的频率周期开闭,使电感L储存能量并释放能量。

   当开关管导通时,电感以Vi/L的速度充电,把能量储存在L中。当开关截止时,L产生反向感应电压,通过二极管D把储存的电能以(Vo-Vi/L的速度释放到输出电容器C2中。输出电压由传递的能量多少来控制,而传递能量的多少通过电感电流的峰值来控制。

整个稳压过程由二个闭环来控制,即:                                                                                      闭环1输出电压通过取样后反馈给误差放大器,用于同放大器内部的2.5V基准电压比较后产生误差电压,误差放大器控制由于负载变化造成的输出电压的变化。                                              闭环2Rs为开关管源极到公共端间的电流检测电阻,开关管导通期间流经电感L的电流在Rs上产生的电压送至PwM比较器同相输入端,与误差电压进行比较后控制调制脉冲的脉宽,从而保持稳定的输出电压。误差信号实际控制着峰值电感电流。

Boost电路的工作原理分为充电和放电两个部分来说明

充电过程

在充电过程中,开关闭合(三极管导通),等效电路图入下图所示,开关(三极管)处用导线代替。

这时,输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。

由于输入是直流电,所以电感上的电流以一定的比率线性增加,这个比率跟电感大小有关。

随着电感电流增加,电感里储存了一些能量。

放电过程

如图,这是当开关断开(三极管截止)时的等效电路。

当开关断开(三极管截止)时,由于电感的电流保持特性,流经电感的电流不会马上变为0,而是缓慢的由充电完毕时的值变为0

而原来的电路已断开,于是电感只能通过新电路放电,即电感开始给电容充电,电容两端电压升高,此时电压已经高于输入电压了。升压完毕。

说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时,电感吸收能量,放电时电感放出能量。

如果电容量足够大,那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。

如果这个通断的过程不断重复,就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。

同步整流技术

由于二极管导通时多少会存在管压降,因此续流二极管所消耗的功率将会成为 DC/DC 电源主要功耗,从而严重限制了 DC/DC 电源芯片效率的提高。为解决该问题,以导通电阻极小的 MOS 管取代续流二极管,然后通过控制器同时控制开关管和同步整流管,要保证两个 MOS 管不能同时导通,负责将会发生短路。

DC/DC电源芯片内部构图

DCDC内部主要有以下几个部分组成

1 、误差放大器:误差放大器的作用就是将反馈电压 FB 引脚电压)与基准电压的差值进行放大,然后再用该信号去控制 PWM 输出信号的占空比。
2 、温度保护:当温度高于限定值,芯片停止工作。
3 、限流保护:如果电流比较器的电阻上的电流过大,输出就会降低,直到超过下限阈值,电源芯片就会出现打嗝现象。这个模式可以在输出发生短路的情况下很好地保护芯片,保护稳压管,一旦过流现象消除,打嗝也会消除。
4 、软启动电路:用于电源启动时,减小浪涌电流,使输出电压缓慢上升,减小对输入电源的影响。

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