降压型开关稳压电源设计

1 开关电源概述

开关电源是开关稳压电源的简称，一般指输入为交流电压、输出为直流电压的AC/DC变换器。开关电源内部的功率开关管工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达75%-90%，比普通线性稳压电源提高近一倍。

表1.1电源分类

2 降压式开关稳压器原理

2.1 给低通滤波器输入方波

图2.1.1表示给低通滤波器输入方波时的情况。如果一个低通滤波器的截止频率比输入信号频率低很多，当给它输入方波信号时，由于方波被低通滤波器平滑，所以输出信号变成了直流（只有微小的脉流）。（为什么？方波信号相当于一个直流分量加一个交流分量的和，经过低通滤波器后，直流分量通过，交流分量被滤掉，所以只剩下直流分量了，即输出平滑了。如果低通滤波器的截止频率比输入信号频率高，那么交流分量就全部通过了，起不到滤波的作用，所以低通滤波器的截止频率要比输入信号的频率低很多才行。）

降压型开关电源是把输入的直流信号转换成方波，再把这个方波经低通滤波器平滑，又得到直流信号的电路。之所以通过这样复杂的过程来降低电压是为了减少电压变换时的损失。线性稳压电源只所以效率低就因为直接进行电压变换的时候功耗大。

图2.1.1 给低通滤波器输入方波

2.2 开关电路+滤波器=降压型开关电源

降压式开关稳压器的原理如图2.2.1所示，图2.2.2和2.2.3分别是当开关闭合、断开时的电流路径。在实际的电路中，还需要实施反馈使输出电压稳定。一般反馈都集成到电源芯片中。

图2.2.1 简化电路

图2.2.2 开关闭合时的电流路径

图2.2.3 开关断开时的电流路径

（1）当开关闭合时续流二极管VD截至，由于输入电压UI与储能电感L接通，因此输入-输出压差（UI-Uo）就加在L上，使通过L的电流IL线性地增加。（为什么？由公式L*di/dt=U可以看出，U、L不变，则di/dt为常数，即I线性增加。）在此期间除向负载供电外，还有一部分电能储存在L和C中，流过负载RL的电流为Io，参见图2.2.2。

（2）当开关断开时，L与UI断开，但由于电感电流不能在瞬间发生突变，因此在L上就产生反向电动势以维持通过电感的电流不变。此时续流二极管VD 导通，储存在L中的电能就经过由VD构成的回路向负载供电，维持输出电压不变。开关断开时，C对负载放电，这有利于维持Uo和Io不变，参加图2.2.3。（为什么？请看以下图例比较）

图2.2.4 去掉电容的电路图

图2.2.5 去掉电容的仿真波形图

图2.2.6 有电容的情况下的仿真波形图

图中，绿色为输入的开关电压UI，开关频率为250KHZ，周期为4US。蓝色为输出的直流电压Uo。红色为输出电流Io。对比图2.2.5和图2.2.6，可以看出有电容的情况下纹波电压和纹波电流要很多。

3 降压型开关电源的设计

3.1 电源电路的设计指标

现在进行降压型开关电源的具体设计。设计指标如下：

表3.1.1降压型开关电源的指标

3.2 续流二极管VD的选择

由降压型开关稳压电源工作原理分析可知，当功率开关VT截止时，储能电感L中所存储的磁能是通过续流二极管VD传输给负载电阻RL的；当功率开关VT导通时，集-射极之间的电压几乎等于零，这时的输入电压UI就全部加到续

流二极管VD的两端。因此，续流二极管VD的选择一定要符合下列条件：（1）续流二极管VD的正向额定电流必须等于或大于功率开关VT的最大集电极电流，即应该大于负载电阻RL上的电流。由表3.1知输出电流为2A，纹波电流控制在±5%以内，即二极管正向额定电流Id>2.1A。

（2）续流二极管VD的反向耐压值必须大于输入电压UI值（这里是12V）。

（3）为了减小由于开关转换所引起的输出纹波电压，续流二极管VD应选择反向恢复速度和导通速度都非常快的肖特基二极管或快恢复二极管。

（4）为了提高整机的转换效率，减小内部损耗，一定要选择正向导通管压降低的肖特基二极管。

综上选择MBRS340（LTspice软件的仿真元件库内）。

图3.2.1 MBRS340属性

3.3 储能电感L的选择

这里我们假定选择的开关频率为F=250KHZ。

①开关的周期T=1/F=1/250KHZ=4us。

②占空比D=Uo/UI=5V/12V≈0.42。

③一个周期内处在12V电压的时间Ton=DT=0.42*4us=1.68us。

④在Ton时间内，纹波电流di=10%*Io=0.1*2A=0.2A。纹波电流控制在±5%以内。

⑤在Ton时间内，储能电感L两端压降VL=12V-5V=7V。

⑥根据电感计算公式L=V*dt/di可以得到：

在Ton时间内，L=VL*Ton/di=7V*1.68us/0.2A=58.8uh。

⑦在实际应用中，往往取理论值的1.5倍，所以估算电感：

L=58.8uh*1.5=88uh。

选材的时候考虑在这个电感量左右的电感。

3.4 输出滤波电容C的选择

从降压型开关稳压电源的工作原理分析可见，输出滤波电容C的选择直接关系着开关稳压电源输出电压中纹波电压分量△Uo的大小。在设计降压型开关稳

压电源时，输出滤波电容C的容量主要根据对稳压电源输出纹波电压△Uo的要求来定。根据电路分析可以推导出C的计算公式（推导过程略）：

C=

Uo

8·△Uo·L·F

（1−

Uo

Ui

）

C=5V

8∗5V∗10%∗88uh∗（250KHZ）（1−5V

12V

）=0.13uf

实际应用中取理论值1.5倍，估算电容C=0.13uf*1.5=0.2uf

储能电感L和输出滤波电容C组成的滤波器的截止频率为

Fc=

2πLC

=38KHZ

可以看出Fc远小于开关频率F=250KHZ。

对于储能电感L和输出滤波电容C的选择，必须在满足电感选择原则的基础上，再选择电容，（如果电感值小于临界值，电感不足以吸收开关的能量，会引起工作状态急剧恶化。因此，储能电感L除了起储能和滤波的作用外，还有限制功率开关最大电流的作用。）电感和电容之间满足关系式：

L·C=T·Toff

8△Uo

Uo

（式3.4.1）也可以用式估算C的值。

4降压型开关电源的设计仿真

图4.1 仿真电路图