直流稳压器降压型

第三节 降压型开关电源
+ VT VD Uo
L
+
Ui
_
C Uo _
图5 降压型开关电源电路图
VT—高频晶体开关管，工作在： 高频晶体开关管，工作在： 高频晶体开关管 导通饱和状态 截止状态 起开关作用,可用 可用MOS管和 管和IGBT管代替 管代替; 起开关作用 可用 管和 管代替 开关管与负载R 侧电路相串联， 的反复 开关管与负载 L侧电路相串联，VT的反复 周期性导通和截止，控制了Ui是否加到负 周期性导通和截止，控制了 是否加到负 的时间比例，起到斩波作用。 载RL的时间比例，起到斩波作用。 VD—续流二极管，当开关管 VT截止时，VD 续流二极管， 截止时， 续流二极管 截止时 提供一个称为“续流”电流的通路， 提供一个称为“续流”电流的通路，使电感 电流不致迅变中断， 电流不致迅变中断，避免电感感应出高压而 将晶体管击穿损坏。 将晶体管击穿损坏。此续流通路也是电感能 量放出到负载的通路。 量放出到负载的通路。 L—储能电感，有两个作用：能量转换和滤 储能电感，有两个作用： 储能电感 波 C—滤波电容，减小负载电压的脉动成分和 滤波电容， 滤波电容 减小输出阻抗。 减小输出阻抗。 RL—等效负载电阻，用电设备。 等效负载电阻， 等效负载电阻 用电设备。
Ui
_
C Uo _
图5 降压型开关电源电路图
ube O uce Ton
饱和（通态）
T Toff
t
流过储能电感的电流iL刚刚不出现间断时所 需的储能电感量为最小电感量， 需的储能电感量为最小电感量，即临界状态 时的电感量。 时的电感量。
O iL φL iL φL iL φL O
t iLp l0 lLV l0 lLV l0 lLV
u0 =
u i t on + u VDs t off T
i
t on u i = Du = T
Q t on < T ∴ u 0 < u i
当电网电压变化时，可以通过闭合的反馈控制回路自动地调整占空比 来 当电网电压变化时，可以通过闭合的反馈控制回路自动地调整占空比D来 维持不变。 稳定不变， 使输出电压u0维持不变。为了维持输出电压u0稳定不变，反馈控制回路可以 采用以下三种调制方式： 采用以下三种调制方式：
ube O T t
uce
ton
饱和（通态）
toff
t
O
t1
+
VT VD Uo
L
+
Ui
_
C Uo _
图5 降压型开关电源电路图
Ui—输入直流电压，该电压大小不稳定或者有纹波 输入直流电压， 输入直流电压 U0—输出直流电压，纹波小，稳定。 输出直流电压， 输出直流电压 纹波小，稳定。 将一个直流电压U 转换成另一个直流电压U 将一个直流电压 i转换成另一个直流电压 0，且U0 <Ui 该电路工作在周期状态: 该电路工作在周期状态
ube O T t
T=ton+toff
uce
ton
饱和（通态）
toff
t
O
t1
一、工作原理
1.开关管的导通期ton 开关管的导通期 VT导通， VD而截止，电感 储能，流过电感 导通， 而截止， 储能， 导通 而截止 电感L储能 的电流增大，电感两端的感应电动势U 的电流增大，电感两端的感应电动势 L的方 向： UL左（＋） 右（－） 电源一方面让电感储能，一方面向负载供电。 电源一方面让电感储能，一方面向负载供电。
例：u0＝48v，则η＝48/49≈98% η 若考虑VT和VD的开关损耗及储能电感的损耗，效率要低些。
电感量的计算： 四、储能电感L电感量的计算： 储能电感 电感量的计算
+ VT VD Uo
L
+
该电路有三种工作状态： 该电路有三种工作状态： 电感电流连续状态（ 电感电流连续状态（CCM） ） 电感电流临界（ 电感电流临界（Critical)状态 状态 电感电流不连续状态（ 电感电流不连续状态（DCM） ）
+
VT VD Uo
L
+
三、开关稳压电路的效率： 开关稳压电路的效率： 忽略VT和 的开关损耗 忽略 和VD的开关损耗
Ui
_
C Uo _
VT导通饱和压降 导通饱和压降 VD导通饱和压降 导通饱和压降 Pi=P0+PVTS+PVDS
uVTS＝1v uVDS＝1v
PVTS晶体管VT的导通损耗 晶体管 的导通损耗 PVDS续流二极管的导通损耗 得
减少
+
VT VD Uo
L
+
二、输入输出电压的关系式 方法1： 方法 ：
Ui
_
C Uo _
∆I L
增加t on
＝ ∆I L
减少 t off
图5 降压型开关电源电路图
ui − uo uo t on = t off L L
设
u0
t on ui = T
D
=
t on T
占空比
u0＝Dui
方法2： 方法 ：输出电压u0等于其滤波前u0’的平均值
L
+
Ui
_
的选择： 六、续流二极管VD的选择： 续流二极管 的选择
C Uo _
图5 降压型开关电源电路图
ton期，VD截止，受反向电压ui，选择uRM>ui 截止， 截止 toff期，VD导通，流过的最大电流为： 导通， 导通 流过的最大电流为：
ui − u0 iVDp = i Lp = ton + I 0 2L
t on u i = Du u0 = T
i
1 f = T
1.脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）PWM 脉冲宽度调制（ 脉冲宽度调制 ） 方波的周期T保持不变 改变脉冲宽度ton来稳定输出电压。 保持不变， 来稳定输出电压。 方波的周期 保持不变，改变脉冲宽度 来稳定输出电压 2.脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation）PFM 脉冲频率调制（ 脉冲频率调制 ） 保持方波的宽度t 不变，改变脉冲频率（即周期T） 保持方波的宽度 on不变，改变脉冲频率（即周期 ）以稳定输出电 压。 3.混合调制方式 混合调制方式 靠同时改变方波的宽度ton和脉冲周期 （频率）来维持输出电压。 和脉冲周期T（频率）来维持输出电压。 靠同时改变方波的宽度 和脉冲周期
t1
IL = I0 =
1 1 1 ui − u0 i LP = t on ∆iL = 2 2 2 L min
ui − u0 t on = 2I0 u0( ui − 1) u0 t on 2I0
iVT iVT iVT
iVD iLp iVD iLp iVD
得
L min =
t
Q u0 =
t on u 0T u i , t on = T ui
u0’ ≈ ui uL ≈ ui－u0
di L uL = L dt
di L u L ui − uo = ≈ = 常量 dt L L
u i − uo iL直线上升 I t on ton期间 L的增量 ∆ L ≈ 期间i L
iVT = i L
电感L中磁场储能 电感 中磁场储能: 中磁场储能
ui − uo t on ∆IVT = ∆I L ≈ L 1 2 W = Li L 2
+
VT VD Uo
_ UL C
+
+
2、开关管截止期toff ： 、 VT截止， VD导通，电感上的电流iL不能发 截止， 导通， 截止 导通 生突变， 生突变， VD导通成为续流二极管 导通成为续流二极管
Ui
_
Uo _
图5 降压型开关电源截止期电路图
u0’=uVDS=1v
电感放电， 电感放电，电感电流iL下降 感应电动势U 的方向： 感应电动势 L的方向： UL左（－） 右（＋） 大小： 大小：
第一章
直流稳压电路
简介直流稳压电路
直流稳压电路包括：升压型开关电源电路、 直流稳压电路包括：升压型开关电源电路、 降压型开关电源电路、反相型开关电源电路、 降压型开关电源电路、反相型开关电源电路、 Cuk型电源电路和线性稳压电路 型电源电路和线性稳压电路。 Cuk型电源电路和线性稳压电路。 开关稳压电源的发展趋势有：1·工作频率高 开关稳压电源的发展趋势有：1·工作频率高 频化； 开关电源控制电路集成化 开关电源控制电路集成化； 提高 频化；2·开关电源控制电路集成化；3·提高 开关电源性能； 采用新的最佳变换拓扑 采用新的最佳变换拓扑； 开关电源性能；4·采用新的最佳变换拓扑； 5·主要元器件高频化；6·采用微型电子计算 主要元器件高频化； 采用微型电子计算 主要元器件高频化 机设计和控制稳压电源。 机设计和控制稳压电源。
+
VT VD Uo
L
+
得
Ui
_
C Uo _
u0 ( Lmin =
Q u0 =
ui u u0 (1 − 0 ) − 1) u0 u ui T • 0T= 2I 0 2I0 ui
t on u t u i , 0 = on T ui T
－－①
图5 降压型开关电源电路图
ube O uce Ton
饱和（通态）
T Toff
t
Lmin =
t iLp l0 lLV l0 lLV l0 lLV
u0 (1 −
t on ) T T = u0 (T − t on ) = u0 t off 2I0 2I0 2I0
O iL φL iL φL iL φL O
t1
t on T − t off QD = , t off = (1 − D )T = T T
得
iVT iVT iVT
iVD iLp iVD iLp iVD
Lmin =
u0 (1 − D )T －－－－－－－－② 2I0
在调频（PFM）式开关电源中，常按式②来选取
源自文库
Lmin ，D应取最小值，T应取最大值Tmax 。
t
在调宽（PWM）式开关电源中，按式①选取Lmin ， 式中toff应取最大值。
Ui
_
C Uo _
图5 降压型开关电源电路图
缺点： 缺点： 1.在这种电路中，功率晶体管和负载是直接与整流电源 在这种电路中， 在这种电路中 串联的，故万一晶体管被击穿短路时，负载两端电压 串联的，故万一晶体管被击穿短路时， 便升高到直流电源电压ui，这就会使负载因承受过电 压而损坏。 压而损坏。 2.这种电路和交流电网之间直接连接，没有电的隔离。 这种电路和交流电网之间直接连接，没有电的隔离。 这种电路和交流电网之间直接连接
总之： 总之：选最高反向工作电压uRM≥ui;
iVDP>iLp ，正向导通压降小和反向恢复时 间tm短的二极管作为续流二极管。 短的二极管作为续流二极管。
+
VT VD Uo
L
+
七、降压型开关电源的优缺点 优点： 优点： 1.电路简单，调整方便，可靠性高，效率高。 电路简单，调整方便，可靠性高，效率高。 电路简单 2.对功率晶体管及续流二极管耐压的要求低， 对功率晶体管及续流二极管耐压的要求低， 对功率晶体管及续流二极管耐压的要求低 即可。 只要求等于或大于输入电源电压ui即可。 3.储能电感在功率晶体管导通时能将电能变为 储能电感在功率晶体管导通时能将电能变为 磁能储存起来，而在晶体管截止时，又能将储 磁能储存起来，而在晶体管截止时， 存的磁能变为电能继续向负载供电， 存的磁能变为电能继续向负载供电，电源带负 载能力强，电压调整率好。 载能力强，电压调整率好。 4.储能电感和输出电容 o组成“Γ”型过滤器 储能电感和输出电容C 组成“ 型过滤器 储能电感和输出电容 能进一步降低输出电压中的纹波成分。 ，能进一步降低输出电压中的纹波成分
di L dt 电感L对负载供能 对负载供能。 电感 对负载供能。 uL = L
uL ≈ u0（忽略了二极管 导通饱和压降） 忽略了二极管VD导通饱和压降 导通饱和压降）
di L u L u0 = ≈ = 常量 dt L L
iL直线下降
toff期间iL的减小量 iVD＝iL
∆I L
＝ 减少
u0 t off ＝ ∆I VD L
电压ucep>ui
ucep=ui
3.开关频率 与电路的工作频率一样 开关频率
总之： 总之：选功率晶体管时应选集电极最大允许电 流icm>icp ；截止时，集一射极之间的最大耐 截止时， 压大于等于ucep；晶体管的饱和压降要小；开 压大于等于 ；晶体管的饱和压降要小； 关性能好。 关性能好。
+
VT VD Uo
图5 降压型开关电源电路图
p0 = u0 I 0
pVDS = I 0 uVDS t off T
pVTS = I 0 uVTS t on T
pi = u0 I 0 + I 0 ( t on + t off ) T = I 0 ( u0 + 1)
p0 u0I0 u0 η = = = pi I 0 (u0 + 1) u0 + 1
+
VT VD Uo
L
+
的选择： 五、功率晶体管T的选择： 功率晶体管 的选择 1.流过晶体管的最大集电极电流icp>iLp 流过晶体管的最大集电极电流 2.晶体管集一对极间所需承受的最大峰值 晶体管集一对极间所需承受的最大峰值
Ui
_
C Uo _
图5 降压型开关电源电路图
ui − u0 1 icp = iLp = I0 + ∆iL = I0 + ton 2 2L