開關(guān)電源基礎(chǔ)教材

1、開關(guān)電源基礎(chǔ)引言電源發(fā)展是趨于輕小。而關(guān)鍵是既要小又要高效。近幾年的優(yōu)秀半導(dǎo)體、磁材和無源器 件，使得功率變換的選擇余地越來越大。線性和開關(guān)電壓線性電源和開關(guān)電壓都是把不穩(wěn)定的輸入變換成穩(wěn)定的輸出，但是卻是完全不同的技 術(shù)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。線性電源只能是降壓型的。它們是用雙極型晶體管或 MOSFET的線性工作，保持輸出電壓的穩(wěn)定。半導(dǎo)體調(diào)整器件上的電壓就是輸入輸出電壓差，半導(dǎo)體損耗就是調(diào)整器件上的電壓乘負(fù)載電流，即Vdrl。所以，變換效率只在 35-65%。例如，把12V輸入變換成5V輸出， 輸出電流100mA，輸出功率只有500mW，而損耗是700mW，效率是42%。所以，散熱片的 體積大成

2、本高。但是線性電源在輸入電壓變化范圍小的小功率應(yīng)用場(chǎng)合，也有它的優(yōu)點(diǎn)，比如電路簡單，沒有開關(guān)電壓的開關(guān)噪音。開關(guān)電壓的開關(guān)器件，只工作在截止和飽和導(dǎo)通狀態(tài)，損耗低，效率可到65-95%。開關(guān)電壓即可降壓也可升壓。 但是，開關(guān)電壓電路復(fù)雜， 輸出電壓包含著開關(guān)噪音，必須慮除。開關(guān)電源基礎(chǔ)PWM開關(guān)電壓有兩種基本結(jié)構(gòu)，即正激型和升壓型。正激型變換器正激變換器的輸出LC濾波器給出DC輸出電壓。輸出電壓為Vo VinD降壓變換器是最簡單的正激型變換器，如圖1所示。5TilMESJJlg 山也芒10A山口Q0TIMEcfldns圖1基本正激型（降壓）變換器及其波形它的工作可以分成兩個(gè)不同的方式，即開關(guān)導(dǎo)

3、通和關(guān)斷。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加到LC濾波器的輸入端。假設(shè)變換器工作在穩(wěn)態(tài)，濾波器輸出端的電壓就是輸出電壓。電感電 流開始由開關(guān)周期開始時(shí)的初始值線性上升。電感電流為i LonVinVoLt - iinitOton在這個(gè)時(shí)期里，電感磁芯里存儲(chǔ)能量。當(dāng)功率開關(guān)關(guān)斷時(shí)，磁芯存儲(chǔ)的能量傳輸?shù)截?fù)載。 當(dāng)功率開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電感輸入端的電壓被拉到地，被正向偏置的二極管D而箝位。電感磁芯儲(chǔ)能通過續(xù)流二極管 D傳向負(fù)載。電感電流由初始的峰值ipk而減小為i Loff 一 | pkOtoff關(guān)斷階段一直持續(xù)到開關(guān)在控制電路控制下開啟，下一個(gè)開關(guān)周期開始。 降壓變換器可輸出超過kW的功率，當(dāng)?shù)湫蛻?yīng)用是用作負(fù)載點(diǎn)變

4、換器，輸出功率小于 1OOW。與反激型變換 器相比，正激變換器輸出電壓紋波較低。 缺點(diǎn)是它不是隔離拓?fù)洌?出于安全考慮，這種降壓 變換器最好不用在輸入電壓大于 42.5V的應(yīng)用。反激型變換器但結(jié)構(gòu)是不同的，所以工基本的反激型變換器與基本的正激型變換器所用器件一樣多,作原理也是不一樣的。反激型變換器最基本的是升壓變換器，如圖2所示。亠 BTIOAlUJQnoAONSvrtWltime0MPtTWWSMbehOHON茁 dHV當(dāng)功率開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感直接聯(lián)到輸入電壓源，電感電流由零開始上升，為V in tI Lon0 ton電感磁芯存儲(chǔ)著能量，在開關(guān)關(guān)斷的瞬間，達(dá)到峰值電流Ipk,為Vmt L to

5、n當(dāng)功率開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電感的開關(guān)邊電壓上升，單被輸出電壓箝位。存儲(chǔ)在電感磁芯的能 量傳輸?shù)捷敵?。開關(guān)關(guān)斷期間電感電流減小，為Vin-Vo i LoffLton+Ts當(dāng)電感中的儲(chǔ)能完全放到輸出電容， 分布電感和電容，此時(shí)回產(chǎn)生振蕩。如果在開關(guān)開啟時(shí)，電感里還有能量，(t ton電感與開關(guān)連接端的電壓回到輸入電壓。但因存在這樣的工作就叫做連續(xù)工作模式，如圖3,著就要在開關(guān)開啟和關(guān)斷時(shí)電感中都有存儲(chǔ)能量。存儲(chǔ)能量為2EL = o.5Li pk為了保證輸出電壓的穩(wěn)定，在一個(gè)開關(guān)周期里，升壓電感必須存儲(chǔ)足夠的能量。所以， 升壓變換器占空比典型情況限制在50%。這種升壓變換器用于板級(jí)變換器使用，因?yàn)榉逯惦娏?/p>

6、問題，最大輸出功率限制在 100-150W。因?yàn)樗遣桓綦x變換器，輸入電壓限制在小于42.5V。如果用變壓器代替電感,就是反激變換器，這樣既可降壓也可升壓。圖3 連續(xù)導(dǎo)通型升壓變換器Power Switch ONsdws山0VL1OA Hofc弓 5電源拓?fù)渫負(fù)涫枪β势骷痛判云骷慕M成結(jié)構(gòu)。每種拓?fù)涠加凶约哼m用的應(yīng)用。 選擇拓?fù)湟?慮五個(gè)主要因素。1.有無輸入輸出電隔離要求；2 .有無多輸出要求；3. 相應(yīng)拓?fù)涞墓β侍幚砟芰Γ?. 相應(yīng)拓?fù)涞陌雽?dǎo)體開關(guān)電壓應(yīng)力；5. 變壓器主邊繞組或電感的輸入電壓。圖1電路的問題是安全問題，從這個(gè)角度考慮，輸入電壓最好不要超過42.5V。所以，在較高輸入電

7、壓情況下都要用變壓器隔離拓?fù)洹?如離線電源。多輸出電源都要用變壓器。如果 輸入電壓低于42.5V，輸入輸出地可接在一起，除非有完全電隔離要求。因素3、4和5直接影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。開關(guān)電源傳輸著穩(wěn)定的功率到輸出，所以如果 輸入電壓較低，輸入電流就較大。而對(duì)于較高的輸入電壓，輸入電流就較小。設(shè)計(jì)的目的是 要使輸入電流盡可能小。升壓型拓?fù)浞逯惦娏骷s是正激型變換器的兩倍。著使得輸出功率不要大于100-150W。成本是拓?fù)溥x擇的一個(gè)關(guān)鍵因素。 兩個(gè)拓?fù)渲g具有較大的重疊特性。 在綜合特性重疊 區(qū)，選擇什么拓?fù)涫侨我獾?。圖4是對(duì)于給定的DC輸入電壓和輸出功率情況下，可以通用的拓?fù)?。圖5到12是常用拓?fù)洹?/p>

8、還有其它拓?fù)?，?Sepic和Cuk變換器，不過不是常用的。1000 Haff-Biidge10 100OUTPUT POWER (W)10002 5 7 0CS-w1 42UJtsYTKM Jndhl-呂圖4 各種常用的開關(guān)電壓拓?fù)?0-s 6 屮mm箱聃T_MET_Mm0&+TIME圖7降升壓（反向）變換器FeedbackTIMETIME圖8 反激變換器圖9單管正激變換器30VswPFil圖10推挽變換器圖11半橋變換器TIMESW2OTIMEmin圖12全橋變換器多相重疊變換器增加輸出功率減小半導(dǎo)體應(yīng)力的一種方法是變換器重疊。任何拓?fù)涠伎芍丿B。對(duì)于一個(gè)n相重疊，兩相之間的相位差是 360

9、/n。所有相的輸出電流在輸出端合在一起，每一相的電流 疋1 o/n。輸入輸出電容是共用的。輸入電容的RMS紋波電流減小了，因?yàn)榉逯惦娏鳒p小了，有效占空比比單相大。輸出電容減小了，因?yàn)殡娏鞑ㄐ蔚膽?yīng)力增加了 n倍，有效占空比變大了。 半導(dǎo)體電流應(yīng)力也減小了。圖13是多相降壓變換器重疊框圖。這是一個(gè)兩相重疊拓?fù)洹D13兩相降壓變換器重疊控制方法開關(guān)電壓有三種這樣控制方法。這些控制方法還可以根據(jù)保護(hù)特性而變化。 表1列出了每種控制方法的特性小結(jié)。表1 通用控制方法控制方法過流保護(hù)響應(yīng)適用拓?fù)潆妷盒推骄吐ば?周波型慢正激型電流型立即型快升壓型混合型快升壓和正激混合型平均型慢升壓和正激電壓型控制（見

10、圖14）典型的適用拓?fù)涫钦ば屯負(fù)?。在電壓型控制中，只要檢測(cè)輸出電壓。 電壓誤差是實(shí)際輸出電壓與期望的輸出電壓之差。這個(gè)誤差信號(hào)與振蕩電路產(chǎn)生的斜坡信號(hào)比較，產(chǎn)生功率開關(guān)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。因?yàn)榭刂茀?shù)只是輸出電壓，因?yàn)楣β孰娐返墓逃醒訒r(shí)，所以電壓 型控制響應(yīng)慢。電壓型控制的過流保護(hù)，可用平均輸出電流，也可用周波電流。平均過流保護(hù)檢測(cè)DC輸出電流，如果超過閥值，就減小功率開關(guān)的脈沖寬度。周波過流保護(hù)檢測(cè)開關(guān)導(dǎo)通的峰值 電流，超過閥值就關(guān)斷開關(guān)。電流型控制（見圖佝典型的應(yīng)用拓?fù)涫巧龎和負(fù)洹?電流型控制不僅檢測(cè)輸出電壓， 還檢測(cè)輸出電流。 電壓誤 差用來控制功率開關(guān)導(dǎo)通期間磁性器件的峰值電流。 電流

11、型控制輸入輸出響應(yīng)非?？欤?具有 固有的過流保護(hù)。混合型控制這個(gè)控制方法試圖檢測(cè)一個(gè)參數(shù),限制兩個(gè)參數(shù)。有混合型電壓和電流方法， 但不通用。圖14電壓型控制圖15電流型控制開關(guān)的選擇開關(guān)選擇要考慮多方面的因素，如成本、峰值電壓電流、工作頻率和熱處理。功率開關(guān)主要有三種，即雙極型晶體管(BJT)、功率MOSFET和IGBT。BJT是第一種功率開關(guān)，至今仍屬于低成本器件。在低成本和大功率應(yīng)用場(chǎng)合仍然使用。BJT的最大開關(guān)頻率低于80-100kHz。IGBT用于大功率應(yīng)用，它們的開關(guān)頻率限制在30kHz左右，有些達(dá)到100kHz。在同樣的功率情況下，IGBT比MOSFET體積小，成本低。功率 MOS

12、FET主要用于 高頻應(yīng)用。BJTBJT是電流驅(qū)動(dòng)器件。驅(qū)動(dòng)電流正比于集電極電流。所以誹(8)功率晶體管電流較大，電流增益在5到 20之間。所以驅(qū)動(dòng)損耗較大。設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮驅(qū)動(dòng)電壓最好約為0.7V，這樣有利于減小驅(qū)動(dòng)損耗。第二要考慮關(guān)斷瞬變的集電極電流存儲(chǔ)時(shí)間。過驅(qū)動(dòng)情況下集電極電流會(huì)延遲0.3-2US，正比于過驅(qū)動(dòng)程度。 雖然存儲(chǔ)時(shí)間不是損耗的主要原因，但是限制開關(guān)頻率。 減小存儲(chǔ)時(shí)間的方法有兩種。第一種方法是與基極限流電阻并聯(lián)加速電容，典型值是100pF,如圖16a。第二種方法是比例驅(qū)動(dòng)，如圖16b。最后要考慮BJT的二次擊穿問題。WO pFControl IC4Power Ground

13、(a )固定偏置驅(qū)動(dòng)電路1-T33屛Power Ground F 100 pFWv(b )比例驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路圖16 BJT驅(qū)動(dòng)功率MOSFET開關(guān)電源的功率開關(guān)和同步整流器都可選用MOSFET。最簡單的MOSFET模型如圖17所示，圖中所示的電容都是數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的，但是它們都是非線性的， 隨著所加電壓變化。圖17 MOSFET模型與柵極相關(guān)的有兩個(gè)電容，即柵極輸入電容Ciss和漏極柵極反饋電容 Crss。輸入電容值是固定的，在800-3200pF，取決于MOSFET的物理結(jié)構(gòu)。反饋電容值在 60-150pF。雖然反饋電 容值較小，但對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)的影響非常大。典型柵極驅(qū)動(dòng)波形如圖18。匕期間只是輸

14、入電容充電，t2期間是漏極電壓變化的影響，這個(gè)期間的柵極電壓是MOSFET驅(qū)動(dòng)真正需要的電壓，t2期間是過驅(qū)動(dòng)時(shí)間，過驅(qū)動(dòng)電壓是驅(qū)動(dòng)電路提供的，它不是MOSFET驅(qū)動(dòng)真正需要的。圖18 典型的MOSFET驅(qū)動(dòng)波形MOSFET開啟和關(guān)斷的時(shí)間取決于柵極驅(qū)動(dòng)電路阻抗。非常重要的一點(diǎn)是在柵極驅(qū)動(dòng)電路上并聯(lián)一個(gè)電容，保證驅(qū)動(dòng)期間驅(qū)動(dòng)電壓的恒定，一般這個(gè)電容的值是約0.1uF。MOSFET驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)高頻MOSFET驅(qū)動(dòng)要求主要有三個(gè)， 要有圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路， 驅(qū)動(dòng)電壓要加以旁路, 器件要能提供瞬間大電流。圖 19是常用的驅(qū)動(dòng)電路。(b )(c)有時(shí)MOSFET需要隔離柵極驅(qū)動(dòng)。可用變壓器實(shí)現(xiàn)。由DC源驅(qū)動(dòng)變

15、壓器，必須加耦合電容。變壓器次級(jí)也要用電容耦合到MOSFET柵極。兩個(gè)串聯(lián)電容都要大于 MOSFET的Gss的10倍，電路圖如圖20。變壓器隔離柵極驅(qū)動(dòng)整流器整流器的損耗約占開關(guān)電源損耗的60%。它們的選擇對(duì)電源的效率影響非常大。整流器的主要參數(shù)是：正向壓降Vf：即整流二極管流有正向電流的導(dǎo)通電壓。反向恢復(fù)時(shí)間0：它的長短取決于清除結(jié)面積的少子時(shí)間。正向恢復(fù)時(shí)間tfrr:它的長短取決于正向電流。整流器選擇有四種。即標(biāo)準(zhǔn)整流器、快恢復(fù)整流器、超快恢復(fù)整流器和肖特基整流器。 標(biāo)準(zhǔn)整流器關(guān)斷緩慢，只適用于50-60周應(yīng)用?？旎謴?fù)二極管是早期用于開關(guān)電源的，但對(duì)大多數(shù)的現(xiàn)代應(yīng)用，它的關(guān)斷速度還是太慢。

16、超快恢復(fù)二極管正向壓降在 0.8-1.3V，反向電壓額定值可到 1000V。肖特基二極管關(guān)斷非常迅速，平均正向壓降在0.35-0.8V，但反向擊穿電壓低，反向漏電流大。輸出電壓低于12V時(shí)最好選用肖特基二極管。輸出整流電路的主要損耗是導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗是導(dǎo)通時(shí)間里正向壓降乘電流。開關(guān)損耗取決于二極管關(guān)斷速度。磁性器件開關(guān)電源中的磁性器件主要用作變壓和儲(chǔ)能。在正激型拓?fù)渲校儔浩饔脕韺?shí)現(xiàn)變壓, 濾波電感只用于儲(chǔ)能，在反激型拓?fù)渲?，變壓器既用于變壓又用于?chǔ)能。磁性器件的一般設(shè)計(jì)過程是：1.根據(jù)工作頻率選擇適當(dāng)?shù)拇判静牧希? .選擇適當(dāng)?shù)拇判鞠禂?shù)；3.根據(jù)功率確定磁芯的橫截面積；4 .確定

17、氣隙和繞組匝數(shù)；5 .采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)繞制繞組；6 .通過樣機(jī)驗(yàn)證和調(diào)整。PCB布局PCB布局對(duì)開關(guān)電源是三大重點(diǎn)之一，即電路設(shè)計(jì)、器件選擇和設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)。布局適當(dāng)會(huì)影響RFI、器件安全性、效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。雖然每個(gè)電源的布局不是不同 的，但如考慮好一些開關(guān)電源的共性，將會(huì)使設(shè)計(jì)簡化。所有的PCB印制線都存在電感和電阻。當(dāng)流過它的電流高速變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生高瞬變電 壓。運(yùn)算放大器接到這樣的功率線上，就會(huì)出現(xiàn)工作不穩(wěn)定。如果印制線太窄，電流流過時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較大的電壓降，以及 RFI。另外，印制線之間的容性耦合也會(huì)影響電路的工作。PCB設(shè)計(jì)的兩個(gè)原則是：功率線要寬短，系統(tǒng)地接一點(diǎn)。印制線寬短可減小印

18、制線的電 阻和電感，從而減小電路的損耗和噪音。單點(diǎn)接地可使噪音源與敏感的控制電路隔離。在所有的開關(guān)電源中，都有四個(gè)主要的電流環(huán)。兩個(gè)環(huán)傳導(dǎo)著幅度大的AC電流，即功率開關(guān)AC電流環(huán)和輸出整流器 AC電流環(huán)。典型情況下，這些電流都是脈沖電流，峰值高， di/dt非常高。另外兩個(gè)電流環(huán)是輸入源電流環(huán)和輸出負(fù)載電流環(huán)，載的是低頻電流。對(duì)于功率開關(guān)AC電流環(huán)，電流通過電感或變壓器繞組流過輸入濾波電容，。類似的， 輸出整流器電流環(huán)的電流流過電感或變壓器次邊繞組，到輸出濾波電容。 在開關(guān)電源里，濾波電容只是在需要時(shí)提供或吸收大的AC電流。PCB印制線應(yīng)盡可能的寬短，最大限度地減小印制線電阻和電感的影響。布線

19、時(shí)應(yīng)首先將這些線布出來。輸入電流環(huán)和輸出負(fù)載電流環(huán)都必須直接連到相應(yīng)的濾波電容上，否則開關(guān)噪音就會(huì)旁路電容的濾波作用。這些噪音就成為傳導(dǎo)干擾。圖21中示出了這些電流環(huán)。Guivt Loop(a ) 不隔離DC/DC變換器4| II 4：I I I IILJInfMii BourcSGirnrriInpul Cunwrl LdqpCkrnanl LdouuipixLMd CurTwntLoopOufutLcdC Pcww 吿 Hch GmifKlJfiifl0b|SAIl J RAT IONVOLTAGE IA ISE DYNAMICSTORAGETIME SATURATIONTIMECLEAR

20、INGLrSATURATION | f|TURN-ON CURRENTpjFlN-OFFCURRENTCURRENTCUHHENTTAILN 愷 HnoWHhl-QFF LOSSSWITCHING LOSS旳山 InoM MSO1HOH 山ZUJsno 山 hi-zL1JEJVL1OA控制電壓尖峰和/或RFI的通用萬法CLAMPORIGINALWAVEFORMt.圖28阻尼和箝位的影響無損阻尼器無損阻尼電路，由功率電路回收能量。無損阻尼電路由開關(guān)AC電壓節(jié)點(diǎn)吸收能量。這個(gè)能量存儲(chǔ)在電容里，一個(gè)典型的實(shí)現(xiàn)方法如圖29。設(shè)計(jì)無損阻尼電路的要點(diǎn)是：1. 阻尼電路必須具有初始條件，使得它工作于期望的瞬變。如果阻尼器復(fù)位到輸入電壓，因此它作為無源箝位，而且消除了任何尖峰。2. 無損阻尼電路復(fù)位時(shí)，能量應(yīng)返回輸入源或送到輸出級(jí)。送到輸入源就成了下一個(gè) 周期的輸入能量。3.復(fù)位電路要加串聯(lián)電感，防止附加的EMI?？捎?-3匝的PCB電感減小無損阻尼電路能量卸放的di/dt。圖29單管正激變換器無損阻尼器有源箝位圖30是有源箝位反激變換器。在圖30中，有源箝位復(fù)位調(diào)節(jié)了關(guān)斷瞬變。