TI DC-DC直流基础知识
直流系统知识PPT课件
传感器故障
传感器损坏或信号传输受干扰，可能 导致系统误动作或无法动作。
故障诊断方法和步骤
观察法
测量法
通过观察系统运行状态、指示灯、显示屏等 信息，初步判断故障类型和位置。
使用万用表、示波器等工具测量关键点的电 压、电流、波形等参数，进一步确定故障位 置。
替换法
逐步排查法
将疑似故障的元器件或模块替换为正常件， 观察系统是否恢复正常运行，以验证故障点。
优化设计建议及案例分析
采用模块化设计
提高系统的可维护性和可扩展性，方便后期升级和改造。
智能化监控与管理
引入先进的监控和管理系统，实现远程监控、故障诊断和预警等功能。
高效能源利用
采用高效的电源设备和节能技术，降低系统能耗和运行成本。
案例分析
结合具体案例，分析直流系统设计的优缺点及改进方向，提供实际参考。
欠压保护原理
通过检测电压大小，当电压低于设备正常工作所需的最小电压时，触 发欠压保护动作，切断或提高电压以保证设备正常运行。
实现方法
采用电子式或机械式保护装置，通过设定合理的阈值和延时时间，实 现过流、过压和欠压保护的自动或手动控制。
控制策略类型及其优缺点比较
开环控制策略
根据系统输入和预设模型进行控 制，优点是实现简单、成本低， 缺点是精度低、抗干扰能力差。
THANKS
感谢观看
可靠性
选择经过验证的、可靠性高的品 牌和型号。
维护便捷性
考虑设备的维护、更换和升级等 方面的便捷性。
04
直流系统保护与控制策略
过流、过压和欠压保护原理和实现方法
过流保护原理
通过检测电流大小，当电流超过设定阈值时，触发过流保护动作，切 断或降低电流以防止设备损坏。
TI DC-DC直流基础知识
是
是
是
高 PSRR（在 20Hz 至 200kHz 频率范围内）
9
总结
• • • • 线性稳压器介绍 线性稳压器的类型 LDO 的压降 LDO 选择过程中的考虑因素
10
DC-DC 基础知识
1.3 开关稳压器
什么是开关稳压器？
• 开关稳压器是一种采用开关组件输送功率的 DCDC 转换器。 • 它可提供高电源转换效率和设计灵活性
2
优缺点
优点 缺点
• • • • •
高效率 优良的热性能 高功率密度 允许宽输入电压范围 Vout 可以低于或高于 Vin
• 开关操作会产生较高的输出纹波和噪 声 • 缓慢的瞬态响应 • 高复杂性（因为涉及更多的外部组件和 设计变量）
• 可利用变压器提供隔离 • 可利用变压器提供多个输出
3
开关稳压器的工作原理是什么？
优点
• 由于稳压是通过将能量转入电感器或从电感器转出 来完成的（而不是通过稳压器来消耗功率），因此：
– – – – 可获得较高的效率 通过稳压器耗散的功率较低，故只需一个较小的散热器即可。 开关电源拓扑允许 VOUT 高于、低于或等于 VIN 高功率/cm2 – 产生电磁干扰 (EMI)
缺点
• 需要将电流接入电感器及从电感器接出，因此会：
Q 1 CF Q 3 Q 4 Co
+
VIN
Q 2
VCF +
Io +
LOA D
Vo 2
Pros and Cons
Advantages Disadvantages
• No inductor is needed, smaller size • Moderate Efficiency, higher than linear regulators • Vout can be higher or lower than Vin • Fewer components needed make the charge pump easier to design and lower cost
DC-DC3 TI德州仪器DC-DC直流电源课程
7
控制器与稳压器
• 控制器
– 分立式 MOSFET – 负责提供控制功率级所需的“智能” – 设计更加精细复杂 – 可全面控制 FET 选择、开关频率、过流、补偿、软起动 – 可通过调整使电源满足您的特殊需求
• 全集成型稳压器
– 集成型开关 – “即插即用型” 设计 – 输出滤波器组件的选择范围受限 – 对于功能性的控制受限
• 部分集成型稳压器
– 可提供全部或部分特性集，内部或外部补偿 – 内部功率 FET、外部同步 FET 或箝位二极管 – 对于频率、过流、软起动等功能的控制受限 – 可提供较宽的输出滤波器组件选择范围
8
总结
• 开关稳压器介绍 • 开关稳压器的工作原理 • 开关稳压器的类型
– 基本拓扑 – 同步与非同步 – 隔离式与非隔离式
DC-DC 基础知识
1.3 开关稳压器
什么是开关稳压器？
• 开关稳压器是一种采用开关组件输送功率的 DCDC 转换器。
• 它可提供高电源转换效率和设计灵活性
+
Vin
C
Vout
L
-
L-C Components
Switchers
2
优缺点
优点
• 高效率 • 优良的热性能 • 高功率密度 • 允许宽输入电压范围 • Vout 可以低于或高于 Vin • 可利用变压器提供隔离 • 可利用变压器提供多个输出
9
2. 更高效
C0
3. 需要额外的控制电路
4. 成本较高
6
隔离式与非隔离式
• 隔离式转换器在输入和输出之间没有 DC 电流流动。 • 变压器通过磁场将能量从初级耦合至次级 • 隔离式转换器通常在需要提供初级至次级隔离的医疗及离线应用中使
直流电路的基本参数知识
直流电路的基本参数知识直流电路是指电流流向不变的电路，是由直流电源、控制器件及负载（电阻、灯泡、电动机等）构成的闭合导电回路。
该电路是将一个控制器件（开关）、一个电池和一个灯泡（负载）通过导线进行首尾相连来构成的一个简单的直流电路。
当开关闭合时，直流电流可以流通，灯泡点亮，此时灯泡处的电压与电池电压值相等；当开关断开时，电流被切断，灯泡熄灭。
在生活和生产中釆用电池或直流电源供电的电器，都是直流供电方式，如低压小功率照明灯、直流电动机等，而在许多家用电器中都是釆用交流220V, 50Hz的电源进行供电的，但在电器内部的各单元电路或元件往往需要多种直流电压，因而需要一些电路将交流220V电压变为直流电压，供电路各部分使用。
交直流电路中的基本参数包括：电流、电压、电能和电功率，下面具体介绍一下各个基本参数。
1、直流电流是指电流和方向不随时间变化的电流，简称“直流”，用符号“DC”表示。
电流是指在一个导体的两端加上电压，导体中的电子在电场的作用下做定向的运动，而形成的电子流。
在直流电路中电流的方向被定义为正电荷的移动方向为电流的正方向，即电流从正端流向负端，但应指岀金属导体中的“电子"是由负端向正端运动的，因而规定的电流的方向与电子运动的方向相反。
在电路中电流的大小用“电流强度”来表示，常常简称为“电流”，用大写字母或小写字母“I”来表示，指的是单位时间内通过导体横截面积的电荷量。
电流强度的单位为“安培"，简称''安"，用大写字母A表示。
根据不同的需要，还可以用''千安，(kA)、“毫安”(mA) 和“微安'(uA)来表示。
其换算关系为：1kA=1000A, 1mA=1/1000A, 1uA=1/1000000A2、直流电压电压是电源的重要指标，将电池、负载、控制器件通过导线连接起来，在电场的作用下，电池的正电荷就要从正极经负载流向负极，这说明电场对电荷做了功。
DC-DC开关电源基础知识
开关电源基础知识介绍1、输出纹波噪声的测量及输出电路的处理PWM 开关电源的输出的纹波噪声与开产频率有关。
其纹波噪声分为两大部分：纹波（包括 开关频率的纹波和周期及随机性漂移）和噪声（开关过程中产生）。
周期及随机性漂移在纹波与噪声的测量过程中，如果不使用正确的测量方法将无法正确地测量出真出的输出 纹波噪声。
下面是推荐的测量方法：平行线测量法:输出管脚接平行线 后接电容,在电容两端使用20MHz 示波器探头测量。
具体要求见右图， 负载C 为瓷片电容，负载与模块之间的 距离在51mm 和76mm(2in.和3in) 之间。
在大多数电路中,本公司模块的输出纹波噪声都能满足要求。
对于输出纹波有较为严格要求的 电源系统可以在输出增加差模滤波器来进一步降低纹波，但在设计过程中应注意尽量选择较小的 电感和较大的电容。
如果需要消除进一步喊小噪声，需要加共模滤波器。
输入与输出及外壳之间加高压隔离电容（一般为1~2.2nF ）也可以减小共模噪声。
2、多路输出的交互调节及其应用对于多路输出的电源模块，用户比较关心输出 负载发生变化时不同输出路的相互间的影响。
例如，当主路输出空载时，辅助输出路的负载能力，一般电源100% 由于主路负载太轻，而使辅助路输出的能力极低。
本 公司产品采用了集成磁路的概念，或采取双路同步控制96% 使输出电压之间的交互调节特性大大改善。
下图显示了 交互调节的优点。
图中lo1为主路负载电流、lo2为辅助 0路负载电流、Vo2为辅助路输出电压。
由图可见， 20%100% Io2在主路负载从20%～100%变化时，辅助路输出电压随辅助路负载电流的变化曲线中，辅助路输出电压始终在±4%范围之内。
即使在最坏的情况，即主路 空载、辅助路江载，主路满载、辅助路空载时其输出电压也能保证在标称电压的±10%范围之内。
由此，对于输出稳压精度要求不太高的情况下，这种不稳压的辅助输出不仅能够满足供电的条件， 而且相对成本低、器件少、可靠性高。
TI开关电源基础知识
TI开关电源基础知识目录1. 内容概览 (3)1.1 电源的重要性 (4)1.2 开关电源的概述 (5)2. 开关电源的工作原理 (6)2.1 开关型转换器的基本结构 (7)2.2 电流连续和电压连续型转换器 (8)2.3 开关频率的选择 (10)3. 开关电源的类型 (11)3.1 反激式转换器 (12)3.2 正激式转换器 (14)3.3 桥式转换器 (14)3.4 半桥转换器 (16)3.5 推挽转换器 (17)4. 开关电源的设计流程 (18)4.1 系统级设计 (19)4.2 输入和输出电压的选择 (20)4.3 开关频率和占空比的确定 (21)4.4 主开关和滤波器的选择 (22)5. 关键组件和工作原理 (24)5.1 主开关 (26)5.2 次级侧整流二极管 (27)5.3 输入和输出滤波电感 (28)5.4 输出滤波电容器 (29)5.5 反馈网络 (31)6. 设计举例与案例分析 (31)6.1 反激式转换器设计实例 (33)6.2 正激式转换器设计实例 (34)6.3 桥式转换器设计实例 (35)6.4 半桥转换器设计实例 (37)6.5 推挽转换器设计实例 (39)7. 电源效率与负载调整率 (40)7.1 效率计算 (42)7.2 负载调整率 (43)8. 开关电源的设计注意事项 (43)8.1 EMI抑制措施 (45)8.2 热管理 (46)8.3 电磁兼容性与安全 (47)8.4 封装与稳定 (49)9. 现代开关电源技术 (50)9.1 软开关技术 (52)9.2 多相电源 (53)9.3 高频转换器技术 (54)9.4 变频技术 (55)9.5 数字控制技术 (56)10. 测试与调试 (58)10.1 工作频率和占空比的测试 (59)10.2 输出电压和波形的测试 (60)10.3 效率和负载调整率的测试 (61)10.4 EMI和噪声测试 (63)11. 结论与展望 (64)11.1 开关电源的发展趋势 (65)11.2 未来研究方向 (66)1. 内容概览开关电源作为现代电子设备中不可或缺的组成部分，以其高效、节能、小巧等特点赢得了广泛的应用。
DC-DC培训
三、DC-DC的纹波和噪音
2. 平行线测量装置
平行线测量装置如图下所示。图 中，C1 是多层陶瓷电容（MLCC）， 容量为1μF，C2 是钽电解电容，容量是10μF。两条平行铜箔带的电压 降之和小于输出电压值的2%。该测量方法的优点是与实际工作环境比较 接近，缺点是较容易捡拾EMI 干扰。
三、DC-DC的纹波和噪音
三dcdc的纹波和噪音纹波和噪声的测量方法在测量纹波和噪声这一性能指标时经常有这样的情况发生发现与产品技术规格上的指标不符大大地超过技术规格上的性能指标要求这往往是用户的测量装置不合适测量的方法测量点的选择不合适或采用通用的测量探头所致双绞线测量装置双绞线测量装置如图3所示
一、直流—直流变换电路概述
考虑到稳态工作时电感伏秒平衡的特点，电感充放电过程电流 波动值相等，依据前面的分析，晶体管导通时有：
(U d U o ) U d (1 D) (1 D) DU d I L t1 DT L L fL 考虑到输出电压脉动很小，有 iL iC，且有一周期内电容充 放电平衡，根据图4-2中ic波形，Q的时间为T/2，则电容纹波峰峰
二、降压式变换电路（Buck电路）
（2）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，相对于电容上 输出的直流电压Uo有： uripple
max
U o 电容
上电压宏观上可以看作恒定。
电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大 的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关 电路稳态分析中的小纹波近似原理。
从等效电路模型的分析可以知道，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) ，且 uripple max U 0 ，晶体管导
DC-DC5 TI德州仪器DC-DC直流电源课程
2
控制系统的工作原理是什么？
3
如何获得博德图
• 转换器的转移函数可利用其电路模型来推导，然后就能 从转移函数获得博德图
• 或者，也可以将一个小的 AC 信号注入反馈环路，扫描 其频率并探测和比较信号，由此在网络分析仪上测量博 德图
功率级：
VIN
变压器 /电感器
VOUT
VOUT
G(s)
环路增益
ZF ZI
VFB
VC
-
+
VREF
RFB2
补偿器的增益
=>G(s)H(s)
H(s)
有效地推高了环路带宽
8
总结
• 转换器控制介绍 • 博德图基础知识 • 控制稳定性和补偿
9
– 交叉频率 fc 是环路增益大小 = 1 时的频率 – 相位裕量 φm 是交叉频率下环路增益的相位与 -180 ° 的差值
7
补偿器
• 闭环系统中包括一个用于调整环路增益的补偿器， 可确保系统的稳定性及优良的瞬态响应性能
• 补偿通常是通过改变误差放大器周围的 R-C 组件 来调节的未采用补偿器时的增益电源开关调制器
A
负载
补偿
C 误差放大器
REF
测试 B 信号
探测 A、B、C 上的电 压信号
环路增益为 VA/VB 误差放大器增益为 VC/VB 功率级增益为 VC/VA
6
控制稳定性
• 在增益仍然为正值的情况下，当环路增益的相位接近 180° 时，闭环系统将变得不稳定。
• 为了确保稳定性，在交叉频率下相位裕量必须为正
DC-DC 基础知识
1.5 转换器控制
什么是转换器控制？
• 由于在电路中实现了闭环控制系统，因此转换器能 够在各种不同的条件下提供一个恒定的电压输出
dcdc电源电路基础知识
dcdc电源电路基础知识DC/DC基本知识DC/DC是开关电源芯片。
开关电源，指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关（MOSFET等）进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容（感）里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。
其输出的功率或电压的能力与占空比（由开关导通时间与整个开关的周期的比值）有关。
开关电源可以用于升压和降压。
我们常用的DC-DC产品有两种。
一种为电荷泵（Charge Pump），一种为电感储能DC-DC转换器。
本文详细讲解了这两种DC/DC产品的相关知识。
目录一. 电荷泵1. 工作原理2. 倍压模式如何产生3. 电荷泵的效率4. 电荷泵的应用5. 电荷泵选用要点二. 电感式DC/DC1. 工作原理（BUCK）2. 整流二极管的选择3. 同步整流技术4. 电感器的选择5. 输入电容的选择6. 输出电容的选择7. BOOST 与BUCK的拓扑结构一. 电荷泵电荷泵为容性储能DC-DC产品，可以进行升压，也可以作为降压使用，还可以进行反压输出。
电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。
1. 工作原理电荷泵是通过外部一个快速充电电容（Flying Capacitor），内部以一定的频率进行开关，对电容进行充电，并且和输入电压一起，进行升压（或者降压）转换。
最后以恒压输出。
在芯片内部有负反馈电路，以保证输出电压的稳定，如上图Vout ，经R1,R2分压得到电压V2，与基准电压VREF做比较，经过误差放大器A，来控制充电电容的充电时间和充电电压，从而达到稳定值。
电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。
例如，它在1.5X或1X的模式下都可以运行。
当电池的输入电压较低时，电荷泵可以产生一个相当于输入电压的1.5倍的输出电压。
而当电池的电压较高时，电荷泵则在1X模式下运行，此时负载电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。
这样就在输入电压较高的时候降低了输入电流和功率损耗。
2. 倍压模式如何产生以1.5x mode为例讲解：电压转换分两个阶段完成。
DC-DC直流变换器
DC-DC直流变换器第⼀章绪论本章介绍了双向DC/DC变换器（Bi-directional DC/DC Converter，BDC)的基本原理概述、研究背景和应⽤前景，并指出了⽬前双向直流变换器在应⽤中遇到的主要问题。
1.1 双向DC/DC变换器概述所谓双向DC/DC变换器就是在保持输⼊、输出电压极性不变的情况下，根据具体需要改变电流的⽅向，实现双象限运⾏的双向直流/直流变换器。
相⽐于我们所熟悉的单向DC/DC 变换器实现了能量的双向传输。
实际上，要实现能量的双向传输，也可以通过将两台单向DC/DC变换器反并联连接，由于单向变换器主功率传输通路上⼀般都需要⼆极管，因此单个变换器能量的流通⽅向仍是单向的，且这样的连接⽅式会使系统体积和重量庞⼤，效率低下，且成本⾼。
所以，最好的⽅式就是通过⼀台变换器来实现能量的双向流动，BDC就是通过将单向开关和⼆极管改为双向开关，再加上合理的控制来实现能量的双向流动。
1.2 双向直流变换器的研究背景在20世纪80年代初期，由于⼈造卫星太阳能电源系统的体积和重量很⼤，美国学者提出了⽤双向Buck/Boost直流变换器来代替原有的充、放电器，从⽽实现汇流条电压的稳定。
之后，发表了⼤量⽂章对⼈造卫星应⽤蓄电池调节器进⾏了系统的研究，并应⽤到了实体中。
1994年，⾹港⼤学陈清泉教授将双向直流变换器应⽤到了电动车上，同年，F.Caricchi 等教授研制成功了⽤20kW⽔冷式双向直流变换器应⽤到电动车驱动，由于双向直流变换器的输⼊输出电压极性相反，不适合于电动车，所以他提出了⼀种Buck-Boost级联型双向直流变换器，其输⼊输出的负端共⽤。
1998年，美国弗吉尼亚⼤学李泽元教授开始研究双向直流变换器在燃料电池上的配套应⽤。
可见，航天电源和电动车辆的技术更新对双向直流变换器的发展应⽤具有很⼤的推动⼒，⽽开关直流变换器技术为双向DC/DC变换器的发展奠定了基础。
1994年，澳⼤利亚Felix A.Himmelstoss发表论⽂，总结出了不隔离双向直流变换器的拓扑结构。
DC-DC4 TI德州仪器DC-DC直流电源课程
9
3
More Gain Combinations
• Include two capacitors in the charge pump, and many different gain can be generated by varying the connection combinations
• The following figure shows some configuration of two capacitor connection and the resulting gain that can be achieved:
Same common phase connection for all gains
– Advantages: low voltage ripple, fixed frequency
– Disadvantage: high quiescent current
8
Summary
• Introduction to charge pump regulator • The operation and configuration of switching
DC-DC Fundamentals
1.4 Charge Pump Regulator
What is a Charge Pump Regulator?
• The charge pump regulator is a kind of switching regulator that delivers power by only alternatively charging and discharging capacitors.
DC-DC_基本知识
DC-DC_基本知识1第⼀节：概述定义DC-DC ：只对直流参数进⾏变换的电路⼀般结构：直流电源DC-DC 主电路负载控制电路du ou ⼀.直流变换电路的分类1.换流过程分为:电压换流电流换流2.降压电路升压电路升降压电路或d o u u do u u >do u u <2单向限电路双向限电路四象限电路3.均为⼀个⽅向和其中之⼀改变⽅向均改变⽅向--00,I U -0U -0I --00,I U 4.单相电路:只有⼀个电路m 相电路:有m 个基本电路,采⽤时分复⽤的⽅法⼆.理想直流变换应具备的性能1.输⼊输出端的电压均为平滑直流,⽆交流谐波分量2.输出阻抗为零3.快速动态响应,抑制能⼒强4.⾼效率⼩型化三.Application3.1.Driving:电车,地铁,电动汽车,⽕车3.2.直流电机调速系统,3.3.照明,氙灯ballast3.4.switching power supply,Eg.Adapter,VRM四.Typical topologies:Buck,Boost,Buck-Boost, Cuk34第⼆节:单象限降压型电路⼀.电路T 是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT),当时,T 导通],0[DT t ?D:续流⼆极管L0和C0组成LPF56⼆.⼯作原理当时,控制信号使得T 导通,D 截⽌,向L0充磁,向C0充电],0[DT t ?当时,T 截⽌,D 续流,U0靠C0放电和L0中电流下降维持],[T DT t ?三.假设:1.T,D 均为理想器件2.L0较⼤,使得在⼀个周期内电流连续且⽆内阻3.直流输出电压U0为恒定4.整个电路⽆功耗5.电路已达稳态四.电路各点的波形7115.输出电压纹波分析当但为有限值,,00const U C =￥?o C 0I i i C L +=电感电流电容电流负载电流I i i L C -=,0,0>>C L i I i 情况1:C 充电情况2:,0,0<212式可知七、Typical ApplicationsBuck Three PhasesInvertersAC motor交流调速系统Buck Signal PhasesInvertersHid LampilluminingsystemBuck Low v/high ILoadSwitching power supplesystem ⼆次电源Buck High V/Low ILoadSwitching power supplesystem⼀次电源17作业1，⽐较CCM和DCM⼯作时，电压增益和电流增益公式，电感上电压的差别。
电力电子技术：第四章 直流-直流(DC-DC)变换
-L2
I 2 U0
U C1
U0 a
U0 I a E I0 1 a
15
4.3 晶闸管斩波器
1. 降压斩波器
t1~t2
t2~t3
t3~t’3
T’3→t4
16
4.3 晶闸管斩波器
(1)VT1，VT2均不通 , E经L1、VD1 ,L1,R对C ug1
充电，如图（a）。
(2)触通VT1，负载上有电压，VD1截至，C 无放电回路，如图（b） 。
2.触发脉冲可较宽，不存在输出电压很小时 不能可靠实现上下桥“换流”的影响。
3.相较于单极性调制，开关损耗约大一倍。
24
双极性脉宽调制
特点：“H”桥中一同相桥臂上阀与另一同 相桥臂下阀“两两成对，交替导通”。
1.只要改变交替触发的时刻（t1）就可改变 输出电压极性，控制相对简单。如
1）0～t1期间，V1、V4导通，V2、V3关断，输出 电压B“+”A“-”（触发信号如右图）；
2）t1～T期间，V1、V4关断，V2、V3导通，输出 电压B“-”A“+”。
uC下降； (2)VT关断时，iL方向不变，则其感应电势和E叠加后向负载供电，同时
向C充电， uC上升，且有： 储存在L中的能量=转储到C中的能量+负载消耗的能量
18
4.3 晶闸管斩波器
电感中的能量∶
VT通：Win E IL ton
VT断 :Wout (Ud E) IL toff
输入-输出电压关系∶
o ug2
t
(3)
触通VT2，C经VT2与L1形成谐振，C放 电并反向充电,上(-)下(+),负载仍有电压 ，
o uLR
t1
关于直流电路的知识点总结
关于直流电路的知识点总结一、直流电路的基本元件1. 直流电源直流电路的能量来源主要是直流电源，其特点是电压和电流的方向都是恒定的。
直流电源通常使用电池或者直流发电机提供，它们能够提供稳定的电压和电流，是直流电路中不可缺少的元素。
2. 电阻电阻是直流电路中常见的元件，它是用来限制电流流经的元件。
电阻的大小是根据欧姆定律来计算的，电阻的单位是欧姆（Ω）。
在电路中，电阻可以用来控制电流的大小，也可以被用来分压和分流。
3. 电容电容是直流电路中的另一种重要元件，它是用来存储电荷的元件。
当电容器中存在电压时，它会存储电荷；而当电容器上有电荷时，它会产生电压。
电容的单位是法拉（F），电容器通常用来实现直流电路中的滤波和耦合功能。
4. 电感电感是直流电路中的另一个重要元件，它是由线圈组成的元件，用来存储磁场能量。
当电流通过电感时，它会产生磁场，这个磁场的能量会存储在电感中。
电感的单位是亨利（H），电感可以用来实现直流电路中的滤波、隔直和产生交变电压等功能。
5. 开关开关是直流电路中常见的一种控制元件，它可以控制电路的开关状态，使电路的工作状态由通断转换。
在直流电路中，开关通常用来实现电路的控制和保护功能。
二、直流电路的基本定律1. 欧姆定律欧姆定律是直流电路中常见的电压、电流和电阻之间的关系定律。
它的表达式为：U=IR，其中U表示电压，I表示电流，R表示电阻。
欧姆定律告诉我们，在电阻恒定的情况下，电压和电流成正比；而在电压恒定的情况下，电流和电阻成反比。
2. 基尔霍夫定律基尔霍夫定律是直流电路中常见的关于电流和电压的定律。
它包括基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律两个原理。
基尔霍夫电压定律告诉我们，闭合电路中所有的电压之和等于零；而基尔霍夫电流定律告诉我们，所有分支电路的电流之和等于零。
3. 马克士韦定律马克士韦定律是直流电路中的电流守恒原理。
它告诉我们，电路中分支节点的电流之和等于零，即电荷在电路中是守恒的。
直流电机的基础知识-第一部分
直流电机的基础知识/第一部分——直流电机的结构和控制原理4.1 直流电机的结构和控制原理1、直流电机的工作原理概述：在电力拖动领域，随着变频器的出现形成交流调速技术的日渐成熟和低成本化，在不断侵蚀着直流调速的“地盘”，但直到今天，直流调速仍固守着日渐缩小的“阵地”。
直流电机具有调速性能好、调速方便平滑，调速装置简单、调范围广等特点，能承受频繁冲击负载、过载能力强（由变频器和交流电机构成的交流调速系统，还有一定差距），能实现频繁速启、制动及逆向旋转，能满足各种机械负载的特性要求。
直流电机的最大缺点，是因碳刷换向器的滑动电接触方式和整体结构交流电动机更为复杂等原因造成的维护工作量较大，需定期更换碳刷等。
图4-1 直流电动机的实物图直流电机的结构比交流电动机复杂得多，主要由：1）主磁极。
由主磁极铁芯及套装在铁芯上的励磁线圈构成，作用是建立主磁场；2）机座。
为主磁路的一部分，同时构成电机的结构框架，由厚钢板或铸钢件构成；3）电枢铁芯。
为电枢绕组的支撑部件，也为主磁路的一部分，由硅钢片叠压而成；4）电枢绕组。
直流电机的电路部分，由绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成；5）换向器。
由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒、片间用V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而构成。
用作直流发电机时，称整流子，起整流作用；用于直流电动机时，用于（逆变）换向；6）电刷装置。
由电刷、刷盒、刷杆和连线等构成，是电枢电路的引出（或引入）装置。
7）换向极。
由铁芯和绕组构成，起改善换向，气隙磁场匀称等作用。
直流电机是将电源电能转变为轴上输出的机械能的电磁转换装置。
由定子绕组通入直流励磁电流，产生励磁磁场，主电路引入直流电源，经碳刷（电刷）传给换向器，再经换向器将此直流电转化为交流电，引入电枢绕组，产生电枢电流（电枢磁场），电枢磁场与励磁磁场合成气隙磁场，电枢绕组切割合成气隙磁场，产生电磁转矩。
这是直流电机的基本工作原理。
图4-2 直流电机的（物理）结构模型上图为简单的两极直流电机模型，由主磁极（励磁线圈）、电枢（电枢线圈）、电刷和换向片等组成。
非隔离开关DC-DC稳压器--TI 电源管理选择指南
DC/DCDC/DC控制器（外置开关）
TPS40200是灵活的非同步控制器，内置了200mA驱动器以用于P道沟FET。其电路工作电压高达52V，并带有特色的功耗节省功能，可在外部FET完全开启状态下关闭驱动电流。此电路工作是带有电压模式的反馈，并前馈至输入电压输入电压补偿以实现对输入电压变化的即时响应。
DC/DC控制器（集成开关）
TI的低功耗DC/DC转换器系列（TPS6XXXX）以及SWIFTTM（TPS54XXX）负载点步降DC/DC转换器可实现97%的峰值效率。同步整流不仅取代了所需的外部肖特基整流二极管，同时还使转换器效率的提升高达10% 。更高的效率意味着电池驱动应用中延长的运转时间，并降低了大电流应用中的功率损耗，也放宽了对散热设计的要求。因外部仅需电阻、电容及单个电感支持工作，集成的高侧及低侧开关FET就稳压器--TI 电源管理电源管理选择指南.pdf
DC-DC电源基础知识
• Vo=Vin/(1-D) • D<1，Vo>Vin
DC-DC电源分类及工作原理 （1）开关连接
1 DT 当开关处于连接D状T态时，通过电感的电流为：
I Lon
L
0
Vidt
L Vi
当开关闭合时，输入电压加在电感上，此时电感由电压（Vi）励磁，电感增 加的磁通为：（Vi）*Ton。
DC-DC电源分类及工作原理 （2）开关断开
I Loff
(V (1D )T
i
0
V )dt o L
(V i
V )(1 D)T o L
当开关处于断开状态时，通过电感的电流为：
当开关断开时，由于输出电流的连续，二极管VD变为导通，电感削磁，电感
DC-DC电源分类及工作原理
当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（Vi）*Ton=（Vo- Vi）*Toff， 由于占空比D<1，所以Vi<Vo，实现升压功能。
电流控制PWM的优点：
（1）暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快； （2）瞬时峰值电流限流功能； （3）输出电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相媲美。
缺点：
（1）占空比大于50%的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差； （2）容易发生次谐波振荡。
大容值的电容通常具有较大的等效电感，因而其自谐振频率较小，所以比较 适合用于滤除低频干扰噪声；小容值的电容通常等效电感也较小，因此自谐 振频率较大，所以适合用于滤除高频干扰噪声。利用不同电容组合并联的形 式，可以起到很好的滤波效果。
输入电容的作用
输入电容的作用是保持输入电压稳定在一定的范围内，并且滤除输入直流电 压中的交流成分。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 电源抑制比 (PSRR) – 已调输出电压纹波与输入电 压纹波之比。
– 该规格指标对于具有高噪声限制要求的应用（如低噪声放 大器、音频、RF 和无线等）很重要
• 基带噪声 – 某个特定频率范围内的总噪声能量
– 该规格指标对于具有高噪声限制要求的应用（如 PLL、 TCXO、RF 和无线等）很重要
8
LDO 的选择
应用 低 Iq 低压降 高 PSRR 低噪声 高电流 注释
LNA、PLL 基带 – 数字 基带 – 模拟 TCXO 实时时钟 音频 是 是 是 是
是
是
定义了系统噪声底层值。需 要低噪声的 LDO 始终保持接通
是 是 是
始终保持接通。需要抑制输 入纹波和低压降 在中频 (IF) 部分使用，用于 在系统中实现低噪声 始终保持接通
同步降压
同步
1. 2. 3. 4. MOSFET 具有较低的压降 更高效 需要额外的控制电路 成本较高
6
隔离式与非隔离式
• 隔离式转换器在输入和输出之间没有 DC 电流流动。 • 变压器通过磁场将能量从初级耦合至次级 • 隔离式转换器通常在需要提供初级至次级隔离的医疗及离线应用中使 用 • 并非标准负载点解决方案所常用
3
线性稳压器的工作原理是什么？
• 线性稳压器和输出阻抗一起形成了一个分压器网络。 • 线性稳压器的作用就像受控的可变电阻器，其可根 据输出负载自我调节以保持一个稳定的输出。
+
4
压降电压
• 压降电压 – 为使线性稳压器处在稳压器的指定工作 范围之内，VIN 与 VOUT 之间可接受的最小压差。
5
线性稳压器的类型
+
VIN
VCF+
Io
LOA D
+
V o
缺点
• 将电容器接入电路及从电路接出会产生电磁干扰 (EMI) • 由于充电泵的输出取决于电容器的充电和放电，因 此其电流供应能力受到限制
优点
• 中等效率 • 由于充电泵将电容器两端的电压接入输出端及从输 出端接出，因此：
– 无需电感器 – VOUT 可高于、低于和等于 VIN
• 线性稳压器中的传输元件可以是双极型晶体管或 MOSFET。 不同的配置将产生不同的压降电压 • 双极型线性稳压器具有较高的压降电压，并能支持较高的输 入电压且拥有更好的瞬态响应。 • MOSFET LDO 能支持非常低的压降、低静态电流、改善的 噪声性能和低电源抑制。
6
有关 LDO 压降的更多信息
2
优缺点
优点 缺点
• 低输出纹波和噪声，无 EMI 问题（因为 没有开关切换操作） • 低成本（至少由于低功耗的原因） • 简单 – 所需的外部组件极少，易于配 置和设计 • 面对大的负载阶跃，可在 Vout 上实现 快速瞬态响应 • 易于实现短路保护
• 低效率，特别是当 Vin - Vout 电压差很 大时 • 热问题 – 面对高功率和/或大压差电 压，将会由于此类稳压器的固有损失而 产生大量的热量 • Vout 必须低于 Vin
– 导致输出对负载瞬变的响应速度减慢 – 产生较高的输出纹波和噪声
• 更多的外部组件和设计变量使开关电源难于设计
– 可允许较宽的输入电压范围
• 可提供隔离（利用变压器） • 可提供多个输出（利用变压器）
6
充电泵
应用 Q 1 Q 2 C F Q 3 Q 4 Co
• 需要一个低输出电流的应用 • 具有中等的输入-输出电压差的应用 • 存在空间限制的应用
缺点
• 在 VIN>>VOUT 的情况下效率偏低，因而需要使用 一个较大的供电电源 • 利用稳压器产生功率 (VIN – VOUT) * IOUT 通过稳压器耗散，通常需要一个散热器 • VOUT 将始终低于 VIN
5
电感性开关电源
应用
反激式 (降压/升压)
VIN VOUT
• • • • •
要求高效率（输入功率与输出功率之差极小） 的应用 具有极高环境温度的应用（例如：工业和汽车） VIN 远远高于 VOUT 的应用 电源可用空间受限（小面积）的应用 要求高输出功率的应用
– 从电源向负载连续输送功率 – 传输元件（其负责调节从电源至负载的电流流动）工作于线性区
• 开关电源型
– 以脉冲串的形式从电源向负载输送功率 – 传输器件按周期接通和关断
3
转换器特性
• • • • • 系统要求：输出电压、额定电流、输入电压范围 效率 稳态操作 瞬态响应 尺寸、成本 …
4
线性稳压器
• 全集成型稳压器
• 部分集成型稳压器
8
总结
• 开关稳压器介绍 • 开关稳压器的工作原理 • 开关稳压器的类型
– 基本拓扑 – 同步与非同步 – 隔离式与非隔离式
9
DC-DC Fundamentals
1.4 Charge Pump Regulator
What is a Charge Pump Regulator?
2
优缺点
优点 缺点
• • • • •
高效率 优良的热性能 高功率密度 允许宽输入电压范围 Vout 可以低于或高于 Vin
• 开关操作会产生较高的输出纹波和噪 声 • 缓慢的瞬态响应 • 高复杂性（因为涉及更多的外部组件和 设计变量）
• 可利用变压器提供隔离 • 可利用变压器提供多个输出
3
开关稳压器的工作原理是什么？
DC-DC 基础知识
1.1 介绍
什么是 DC-DC 转换器？
电源无处不需 几乎所有的电子系统都需要恒定电压电源
DC-DC 转换器是用于提供 DC 电源的电路 数据转换器 DC-DC 电源转换器
工业电源 太阳能电池 电源 另一个转换器 电池
放大器 微处理器 电阻器
负载
另一个转换器
2
转换器的类型
• 线性型
• Switching produces higher output ripple & noise • The output current capacity is limited by the capacitors
3
How Does a Charge Pump Work?
• The capacitors connection is altered by the switches so that the charge and discharge is controlled • Switches S1, S3 and S2, S4 are switching in complementary:
• 较少的组件使充电泵更易于设计
7
转换器比较
• 转换器类型的选择取决于电源设计的优先考虑因素。
线性 稳压器 效率 纹波 EMI 噪声 PCB 面积 成本 20 至 60% 非常低 非常低 非常小 最低
开关稳压器 电感性 90 至 95% 低 中等 最大 最高 充电泵 75 至 90% 中等 低 中等 中等
AC 输入
变压器耦合
横跨隔离边界的反馈 通常是一个光耦合器
具有功率因数校正 (PFC) 功能的初级侧开关模式电源
7
控制器与稳压器
• 控制器
– – – – – – – – – – – – – 分立式 MOSFET 负责提供控制功率级所需的“智能” 设计更加精细复杂 可全面控制 FET 选择、开关频率、过流、补偿、软起动 可通过调整使电源满足您的特殊需求 集成型开关 “即插即用型” 设计 输出滤波器组件的选择范围受限 对于功能性的控制受限 可提供全部或部分特性集，内部或外部补偿 内部功率 FET、外部同步 FET 或箝位二极管 对于频率、过流、软起动等功能的控制受限 可提供较宽的输出滤波器组件选择范围
是
是
是
高 PSRR（在 20Hz 至 200kHz 频率范围内）
9
总结
• • • • 线性稳压器介绍 线性稳压器的类型 LDO 的压降 LDO 选择过程中的考虑因素
10
DC-DC 基础知识
1.3 开关稳压器
什么是开关稳压器？
• 开关稳压器是一种采用开关组件输送功率的 DCDC 转换器。 • 它可提供高电源转换效率和设计灵活性
• The charge pump regulator is a kind of switching regulator that delivers power by only alternatively charging and discharging capacitors. • It’s suitable applications with low load current and moderate input to output voltage difference
Q 1 CF Q 3 Q 4 Co
+
VIN
Q 2
VCF +
Io +
LOA D
Vo 2
Pros and Cons
Advantages Disadvantages
• No inductor is needed, smaller size • Moderate Efficiency, higher than linear regulators • Vout can be higher or lower than Vin • Fewer components needed make the charge pump easier to design and lower cost
4
基本拓扑
• 三种基本的开关转换器拓扑：降压、升压和降压-升 压
降压
VIN
升压
VOUT
VIN
VOUT
Vout = D*Vin 降压-升压
VIN