DCDC變換器的基本手段和分類

1、開關(guān)變換器和開關(guān)電源電源有如人體的心臟，是所有電設(shè)備的動力。標志電源特性的參數(shù)有功率、電壓、頻率、噪聲及帶負載時參數(shù)的變化等；在同一參數(shù)要求下，又有體積、重量、形態(tài)、效率、可靠性等指標。在有些情況下，一般電力要經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能符合使用的需要。例如，交流轉(zhuǎn)換成直流，高電壓變成低電壓等。按電力電子的習(xí)慣稱謂，AC-DC（理解成AC轉(zhuǎn)換成DC，其中AC表示交流電，DC表示直流電）稱為整流（包括整流及離線式變換），DC-AC稱為逆變，AC-AC稱為交流-交流直接變頻（同時也可以是變壓），DC-DC稱為直流-直流變換。為達到轉(zhuǎn)換目的，手段是多樣的。20世紀60年代前，研發(fā)了半導(dǎo)體器件，并以次器件為主實現(xiàn)這些

2、轉(zhuǎn)換。電力電子學(xué)科從此形成并有了近30年的迅速發(fā)展。所以，廣義地說，凡半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變成為另一形態(tài)的主電路都叫做開關(guān)變換器電路；轉(zhuǎn)變時用自動控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護環(huán)節(jié)則稱開關(guān)電源（Switching Power Supply）。開關(guān)電源主要組成部分是DC-DC變換器，因為它是轉(zhuǎn)換的核心，涉及頻率變換。目前DC-DC變換中所用的頻率提高最快，它在提高頻率中碰到的開關(guān)過程、損失機制，為提高效率而采用的方法，也可作為其他轉(zhuǎn)換方法參考。常見到離線式開關(guān)變換器（Off-line Switching Converter）名稱，即AC-DC變換，也常稱開關(guān)整流器；它不僅包含整流，

3、而且整流后又做了DC-DC變換。所謂離線并不是變換器與市電線路無關(guān)的意思，只是變換器中因有高頻變壓器隔離，使輸出的直流與市電隔離，所以稱離線式開關(guān)變換器。穩(wěn)壓電源的分類及基本知識開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源 它應(yīng)用于高頻脈寬調(diào)制技術(shù)，與一般開關(guān)電源的區(qū)別是它的輸出量必須是與輸入側(cè)同上頻、同相的交流電壓。它的輸出電壓波型有準方波、梯型波、正弦波等，市場上的不間斷電源（UPS）抽掉其中的蓄電源和充電器，就是一臺開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓性好，控制功能強，易于實現(xiàn)智能化，是非常具有前途的交流穩(wěn)壓電源。但因其電路復(fù)雜，價格較高，所以推廣較慢。 二、直流穩(wěn)定電源的種類及選用： 直流穩(wěn)定電源按習(xí)慣可分為化學(xué)電源，線性

4、穩(wěn)定電源和開關(guān)型穩(wěn)定電源，它們又分別具有各種不同類型： 化學(xué)電源 我們平常所用的干電池、鉛酸蓄電池、鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池均屬于這一類，各有其優(yōu)缺點。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，又產(chǎn)生了智能化電池；在充電電池材料方面，美國研制 員發(fā)現(xiàn)錳的一種碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放電時間 ，多次充電后仍保持性能良好的環(huán)保型充電電池。 線性穩(wěn)定電源 線性穩(wěn)定電源有一個共同的特點就是它的功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū)，靠調(diào)整管之間的電壓降來穩(wěn)定輸出。由于調(diào)整管靜態(tài)損耗大，需要安裝一個很大的散熱器給它散熱。而且由于變壓器工作在工頻（50Hz)上,所以重量較大。 該類電源優(yōu)點是穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路，

5、輸出連續(xù)可調(diào)的成品。缺點是體積大、較笨重、效率相對較低。這類穩(wěn)定電源又有很多種，從輸出性質(zhì)可分為穩(wěn)壓電源和穩(wěn)流電源及集穩(wěn)壓、穩(wěn)流于一身的穩(wěn)壓穩(wěn)流（雙穩(wěn)）電源。從輸出值來看可分定點輸出電源、波段開關(guān)調(diào)整式和電位器連續(xù)可調(diào)式幾種。從輸出指示上可分指針指示型和數(shù)字顯示式型等等。 開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源 與線性穩(wěn)壓電源不同的一類穩(wěn)電源就是開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，它的電路型式主要有單端反激式，單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式。它和線性電源的根本區(qū)別在于它變壓器不工作在工頻而是工作在幾十千赫茲到幾兆赫茲。功能管不是工作在飽和及截止區(qū)即開關(guān)狀態(tài)；開關(guān)電源因此而得名。 開關(guān)電源的優(yōu)點是體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠；缺點

6、相對于線性電源來說紋波較大（一般1%VO(P-P),好的可做到十幾mV(P-P)或更小)。它的功率可自幾瓦幾千瓦均有產(chǎn)品。價位為3元十幾萬元/瓦，下面就一般習(xí)慣分類介紹幾種開關(guān)電源： AC/DC電源 該類電源也稱一次電源，它自電網(wǎng)取得能量，經(jīng)過高壓整流濾波得到一個直流高壓，供DC/DC變換器在輸出端獲得一個或幾個穩(wěn)定的直流電壓，功率從幾瓦幾千瓦均有產(chǎn)品，用于不同場合。屬此類產(chǎn)品的規(guī)格型號繁多，據(jù)用戶需要而定通信電源中的一次電源（AC220輸入，DC48V或24V輸出)也屬此類.   DC/DC電源 在通信系統(tǒng)中也稱二次電源，它是由一次電源或直流電池組提供一個直流輸入電壓，經(jīng)

7、DC/DC變換以后在輸出端獲一個或幾個直流電壓。   通信電源 通信電源其實質(zhì)上就是DC/DC變換器式電源，只是它一般以直流48V或24V供電，并用后備電池作DC供電的備份，將DC的供電電壓變換成電路的工作電壓，一般它又分中央供電、分層供電和單板供電三種，以后者可靠性最高。   電臺電源 電臺電源輸入AC220V/110V，輸出DC13.8V,功率由所供電臺功率而定,幾安幾百安均有產(chǎn)品.為防止AC電網(wǎng)斷電影響電臺工作,而需要有電池組作為備份,所以此類電源除輸出一個13.8V直流電壓外,還具有對電池充電自動轉(zhuǎn)換功能。   模塊電源 隨著

8、科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，對電源可靠性、容量/體積比要求越來越高，模塊電源越來越顯示其優(yōu)越性，它工作頻率高、體積小、可靠性高，便于安裝和組合擴容，所以越來越被廣泛采用。目前，目前國內(nèi)雖有相應(yīng)模塊生產(chǎn)，但因生產(chǎn)工藝未能趕上國際水平，故障率較高。 DC/DC模塊電源目前雖然成本較高，但從產(chǎn)品的漫長的應(yīng)用周期的整體成本來看，特別是因系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的高昂的維修成本及商譽損失來看，選用該電源模塊還是合算合算的，在此還值得一提的是羅氏變換器電路，它的突出優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，效率高和輸出電壓、電流的紋波值接近于零。   特種電源 高電壓小電流電源、大電流電源、400Hz輸入的AC/DC電源等，可

9、歸于此類，可根據(jù)特殊需要選用。開關(guān)電源的價位一般在2-8元/瓦特殊小功率和大功率電源價格稍高，可達11-13元/瓦。DC-DC變換器的基本手段和分類把直流電壓變換為另一數(shù)值的直流電壓最簡單方法是串聯(lián)一個電阻，這樣不涉及變頻的問題，顯得很簡單，但是效率低。用一個半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，使帶有濾波器（L或/和C）的負載線路與直流電壓一會兒接通，一會兒斷開，則負載上也得到另一個直流電壓，這就是DC-DC的基本手段，類似于“斬波”（Chop）作用。一個周期Ts內(nèi)，電子開關(guān)接通時間ton所占整個周期Ts的比例，稱接通占空比D，D=ton/Ts；斷開時間toff所占Ts比例，稱斷開占空比D，D= toff

10、/Ts。很明顯，接通占空比越大，負載上電壓越高；1/Ts=fs稱開關(guān)頻率，fs越高，負載上電壓也越高。這種DC-DC變換器中的開關(guān)都在某一固定頻率下（如幾百千赫茲）工作，這種保持開關(guān)頻率恒定，但改變接通時間長短（即脈沖的寬度），使負載變化時，負載上電壓變化不大的方法，稱脈寬調(diào)制法（Pulse Width Modulation,簡稱為PWM）。由于電子開關(guān)按外加控制脈沖而通斷，控制與本身流過的電流、二端所加的電壓無關(guān)，因此電子開關(guān)稱為“硬開關(guān)”。很明顯，由于硬開關(guān)關(guān)斷和開通時，開關(guān)上同時存在電壓、電流，損耗是比較大的，但無論如何比串聯(lián)電阻變換方法損耗小得多。這就是開關(guān)電源的優(yōu)點之一。凡用脈寬調(diào)制

11、方式控制電子開關(guān)的開關(guān)變換器，稱為PWM開關(guān)變換器。它是以使用“硬開關(guān)”為主要特征的。另一類稱之為軟開關(guān)。凡用控制方法使電子開關(guān)在其兩端電壓為零時導(dǎo)通電流，或使流過電子開關(guān)電流為零時關(guān)斷，此開關(guān)稱為軟開關(guān)。軟開關(guān)的開通、關(guān)斷損耗理想值為零。由于損耗小，開關(guān)頻率可提高到兆赫級，開關(guān)電源體積、重量顯著減少?？捎弥C振（Resonance）的方法使電子開關(guān)上電壓或電流為零，諧振分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。在開關(guān)電源電路中加的電壓是直流電壓，直流電壓加在串聯(lián)的LC時，電路中電流按正弦規(guī)律無阻尼振蕩，其頻率即電路的諧振頻率，或稱振蕩頻率。利用諧振現(xiàn)象，電子開關(guān)器件兩端電壓按正弦規(guī)律振蕩，當振蕩到零時，使電子開

12、關(guān)導(dǎo)通，流過電流，此法稱零電壓開通（Zero Voltage Switching 簡稱ZVS）。同理，當流過電子開關(guān)器件的電流振蕩到零時，使電子開關(guān)斷開，此法稱為零電流關(guān)斷（Zero Current Switching 簡稱ZCS）。利用諧振現(xiàn)象，使電子開關(guān)器件上電壓或電流按正弦規(guī)律變化，以創(chuàng)造零電壓開通或零電流關(guān)斷的條件，以這種技術(shù)為主導(dǎo)的變換器稱諧振變換器，它有串聯(lián)和并聯(lián)諧振變換器兩種。如果在橋式變換器（用諧振式方法控制）橋的輸出端為串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)，再接變壓器原邊繞組（包括帶副邊整流電路），稱為串聯(lián)諧振變換器。在橋式變換器串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)的電容兩端并聯(lián)變壓器原邊繞組（包括帶副邊整流電路），稱為并

13、聯(lián)諧振變換器。由于正向和反向LC回路值不一樣，即振蕩頻率不同，電流幅值也不同，所以振蕩不對稱。一般正向正弦半波大于負向正弦半波，所以常稱為準諧振。無論是串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)，或并聯(lián)的LC網(wǎng)絡(luò)都會產(chǎn)生準諧振。利用準諧振現(xiàn)象，使電子開關(guān)器件上的電壓或電流按正弦規(guī)律變化，從而創(chuàng)造了零電壓或零電流的條件，以這種技術(shù)為主導(dǎo)的變換器稱為準諧振變換器。在單端、半橋或全橋變換器中，利用寄生電感和電容（如變壓器漏感，半導(dǎo)體功率管或整流管的結(jié)電容）或外加諧振電感和電容，可得到相應(yīng)的準諧振變換器。諧振回路、參數(shù)可以超過兩個，例如三個或更多，稱為多諧振變換器。為保持輸出電壓不隨輸入電壓變化而變化，不隨負載變化而變化（或基本不

14、變），諧振、準諧振和多諧振變換器主要靠調(diào)整開關(guān)頻率，所以是調(diào)頻系統(tǒng)。調(diào)頻系統(tǒng)不如PWM開關(guān)那樣易控，加上諧振、準諧振、多諧振電路諧振電壓（或電流）峰值高，開關(guān)受的應(yīng)力大，因此這幾年熱門的研究課題是零開關(guān)-PWM變換器和零轉(zhuǎn)換-PWM變換器。零開關(guān)-PWM變換器是指在準諧振變換器中，增加一個輔助開關(guān)控制的電路，使變換器一周期內(nèi)，一部分時間按ZCS或ZVS準諧振變換器工作，另一部分時間按PWM變換器工作。前者稱ZCS-PWM變換器，后者稱為ZVS-PWM變換器。這樣，變換器既有電壓過零（或電流過零）控制的軟開關(guān)特點，又有PWM恒頻調(diào)寬的特點。這時諧振網(wǎng)絡(luò)中的電感是與主開關(guān)串聯(lián)的。零轉(zhuǎn)換-PWM變換

15、器與零開關(guān)-PWM變換器并無本質(zhì)上的差別，也是軟開關(guān)與PWM的結(jié)合，只不過諧振網(wǎng)絡(luò)是與主開關(guān)并聯(lián)的。從上面所述，DC-DC可分成PWM式、諧振式和它們的結(jié)合式。每一種方式中從輸入與輸出之間是否有變壓器隔離，可以分成有隔離、無隔離兩類。每一類中又有六種拓撲：Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta。由此可見DC-DC基本電路就不勝其數(shù)了。多數(shù)電路都具有個性，有典型應(yīng)用價值，也有的電路并無實用價值。以上是從電路拓撲來分類，還有從其他角度、特征來分類的。例如，若按激勵形式不同，可分為自激式和他激式兩種。自激式包括單管式變換器和推挽式變換器兩種。他激式包括調(diào)頻、調(diào)寬、調(diào)

16、幅、諧振等幾種。目前應(yīng)用較廣的是調(diào)寬型（PWM），它包括正激式、反激式、半橋式和全橋式。諧振式中有串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振、串并聯(lián)諧振等線路；按諧振式的開關(guān)什么時候接通來分，又可分為零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)等。若按控制信號的隔離方法，則可分為直流式、光電耦合式、變壓器式、磁放大器式等。有些線路通過電子器件完成電壓-頻率，或者頻率-電壓的轉(zhuǎn)換工作之后，用變壓器與控制信號隔離。 根據(jù)電感電流是否連續(xù)，DC-DC變換器有兩種工作模式。一種是連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM，Continuous Conduction Mode），DC-DC在重載下通常工作于這種模式；另一種是不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM，Discontinuo

17、us Conduction Mode），DC-DC變換器在輕載下工作于這種模式。單端隔離式DC-DC變換器在高頻PWM變換器中加變壓器，稱為隔離式（Isolated）變換器。一般PWM變換器中加變壓器的目的有兩個。一個是引入隔離，使電源和負載兩個直流系統(tǒng)之間有絕緣，另一個是改變輸出-輸入電壓比。隔離式DC-DC變換器有兩類：單端（Single-ended）和雙端（Double-ended）。單端隔離式DC-DC變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)，直流輸入功率只從變壓器一次繞組的一端流入，故稱單端。單端隔離式變換器的主要缺點是：功率只在開關(guān)管導(dǎo)通時間DT內(nèi)輸入變壓器，變壓器磁心只在B-H平面第一象限運行，因

18、此磁心不能得到充分利用。圖單端DC-DC PWM變換器a)非隔離式b)隔離式圖1給出五種單端隔離式DC-DC變換器，包括：正激（Forward），反激(Flyback)，隔離式Cuk、SEPIC和Zeta，如圖1(b)所示。單端隔離式DC-DC變換器特點如下：(1)圖1(a)四個非隔離式變換器與四個隔離式變換器對應(yīng)：Buck-Boost變換器（和反激變換器對應(yīng)），其余三個分別為Cuk、SEPIC、Zeta變換器。(2)反激變換器、隔離式SEPIC和Zeta變換器，都是用變壓器分別代替Buck-Boost、非隔離式SEPIC和Zeta變換器中的并聯(lián)電感構(gòu)成的。(3)Buck變換器和Boost變換

19、器沒有有實用意義的單端隔離式變換器與之對應(yīng)。(4)就變壓器一次側(cè)電路而言，隔離式SEPIC變換器和Cuk變換器相同；對二次側(cè)電路說，隔離式SEPIC變換器與反激變換器相同。隔離式Zeta變換器則相反，對變壓器一次側(cè)電路說，隔離式Zeta變換器和反激變換器相同，對二次側(cè)電路來說，隔離式Zeta變換器則與Cuk變換器相同。(5)隔離式Cuk變換器的構(gòu)造方法：將非隔離式Cuk變換器耦合電容分成兩個，在其間加入一個高頻變壓器。開關(guān)導(dǎo)通時，耦合電容釋放儲能，變壓器則釋放勵磁能量，反向磁化；當開關(guān)關(guān)斷時，正向勵磁。變壓器磁心可在第一和第三象限工作，磁心可得到充分利用，這是隔離式Cuk變換器磁心和正激、反激

20、變換器磁心不同之處。雖然隔離式Cuk變換器仍屬于單端變換器，它也無需另加復(fù)位措施。(6)單端隔離式DC-DC變換器的直流輸出電壓，其紋波頻率等于開關(guān)頻率。DC-DC推挽變換器Buck型DC-DC推挽變換器主電路如圖1所示，它有兩個一次繞組，二次繞組輸出經(jīng)橋式全波整流，或用中點抽頭全波整流。推挽變換器可以看作是兩個正激變換器的組合，一個開關(guān)周期內(nèi)，這兩個正激變換器輪流交替工作。因此可認為：一個處于Push狀態(tài)時，另一個處于Pull狀態(tài)。原則上，兩個正激變換器應(yīng)當是完全對稱、平衡的。在這個條件下，高頻變壓器所承受的交流方波電壓是正負對稱的。當一臺正激變換器不工作時，濾波電感能量可以通過另一臺正激變

21、換器的二次側(cè)回路向負載釋放。所以這里續(xù)流二極管實際上可接可不接。每個開關(guān)管承受的最大電壓和正激變換器一樣，為2Vi。圖Buck型DC-DC推挽PWM變換器CCM條件下，推挽PWM變換器的輸出-輸入電壓變換比為：但當兩個正激變換器不完全對稱、平衡時，高頻交流方波電壓正負不對稱，相當于高頻交流方波上疊加一個直流偏壓（雖然很?。?，造成每個開關(guān)周期內(nèi)，磁心正向和反向磁化不相同，使磁心磁狀態(tài)向一個方向偏磁，這種現(xiàn)象稱為直流偏磁。幾個開關(guān)周期積累的偏磁，會使磁心進入飽和狀態(tài)。導(dǎo)致高頻變壓器勵磁電流太大，甚至損壞開關(guān)器件。全橋變換器原理橋式變換器由四個功率晶體管組成。相對于半橋而言，功率晶體管及驅(qū)動裝置個數(shù)

22、要增加1倍，成本較高，但可用在要求功率較大的場合。線路的優(yōu)點：主變壓器只需要一個原邊繞組，通過正、反向的電壓得到正、反向磁通，副邊有一個中心抽頭繞組采用全波整流輸出。因此，變壓器鐵心和繞組的最佳利用，使效率、功率密度得到提高。功率開關(guān)在非常安全的情況下運作。在一般情況下，最大的反向電壓不會超過電源電壓Vs，四個能量恢復(fù)（再生）二極管能消除一部分由漏感產(chǎn)生的瞬間電壓。這樣無須設(shè)置能量恢復(fù)繞組，反激能量便得到恢復(fù)利用。線路的缺點：需要功率元件較多。在導(dǎo)通的回路上，至少有兩個管壓降，因此功率損耗也比雙晶體管推挽式變換器1倍。但是在高壓離線開關(guān)電源系統(tǒng)中，這些損耗還是可接受的。另外，能量恢復(fù)（再生）方

23、式，由于有四個二極管，損耗略有增加。圖示出一個DC-DC橋式變換器的主回路。橋?qū)堑膬蓚€功率晶體管作為一組，每組同時接通或斷開（也可其他方式），兩組開關(guān)輪流工作，在一周期中的短時間內(nèi)，四個開關(guān)管將均處于斷開狀態(tài)。四個開關(guān)導(dǎo)通（或關(guān)斷）占空比值均相等。圖橋式變換器的主電路圖圖中用到一個與發(fā)射極電流成比例的基極驅(qū)動電路，特點是使得基極驅(qū)動電流總是與集電極電流成比例。這種技術(shù)特別適合大功率的變換器。在穩(wěn)態(tài)條件下，功率管斷開期間，濾波電感L1上有一確定的電流量，并經(jīng)過續(xù)流二極管D5、D6繼續(xù)流動。二管的電流基本相等，二管電流之和折算到原邊繞組T1p，就是Tr1、Tr3（或Tr2、Tr4）關(guān)斷前T1p上

24、流過的電流值（扣除一小部分的磁化電流）。由于二極管D5、D6同時導(dǎo)通，副邊繞組兩端的電壓為零。典型的集電極電壓波形VTr4C、副邊電壓波形VT1S等如圖所示。圖橋式變換器原邊、副邊電壓及原邊電流波形其工作過程如下：給Tr1、Tr3觸發(fā)脈沖，這兩個晶體管都導(dǎo)通，集電極電流流過原邊繞組T1p和相應(yīng)的驅(qū)動變壓器的原邊繞組T2A、T2B。通過正反饋，這兩個晶體管的觸發(fā)性能得到改善，使開關(guān)快速進入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。隨著Tr1和Tr3的導(dǎo)通，受原邊繞組漏感影響，原邊繞組T1p上的電流Ip以額定速率逐漸上升，這個電流由負載電流折算值和一小部分磁化電流所組成。同時，副邊的整流二極管D5的電流增加，D6的電流會減少

25、。其速率由副邊繞組的漏感和經(jīng)過D5和D6的環(huán)路電感所確定。對于低電壓、大電流的輸出，外環(huán)路電感的影響尤為顯著。當副邊電流增加到在Tr1和Tr3導(dǎo)通前折算流過L1的電流數(shù)值時，D6反向偏置。這時L1的輸入電壓上升到副邊線圈的電壓值Vs(=VT1s)減去D5的壓降。L1兩端的電壓為（Vs-Vo）作為正向。在此期間，L1電流線性變化。這個電流折算到原邊，如圖所示。經(jīng)過驅(qū)動電路決定的導(dǎo)通占空比后，基極驅(qū)動變壓器使基極驅(qū)動電流為零，使Tr1和Tr3截止。然而，在變壓器原邊磁化電流和安匝數(shù)具有保持不變特性，這個電流會轉(zhuǎn)換到副邊。接著，由于T1p極性反向，所有繞組的電壓反向。如果漏感非常小，緩沖電容器C5、

26、R5和輸出整流二極管D5、D6會起到鉗位作用。D5和D6會把大部分的反激電勢傳送給輸出，因為原邊二極管D1到D4和副邊二極管D5、D6的強制鉗位，很多時候靠這幾個二極管使開關(guān)晶體管兩端的電壓任何時候都不會超過電壓Vs。每個Tr晶體管旁均并有阻容元件（如R5、C5）作為緩沖器。在Tr2瞬間斷開時，緩沖器元件R5、C5通過提供交流通道，減少功率晶體管斷開時的集電極電壓應(yīng)力。由輸出二極管提供反激續(xù)流作用是線路的一個重要特色。在圖中，D5和D6均導(dǎo)通時，副邊繞組兩端電壓為零，原邊繞組兩端電壓也為零。因此，在四個晶體管都關(guān)斷期間鐵心磁感應(yīng)強度不會恢復(fù)到Br，而會保持在磁感應(yīng)強度峰值+Bopt或-Bopt

27、。因此，當另一對開關(guān)管從關(guān)斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時，磁密增加范圍可以是2Bopt。這種情況不會引起什么問題，而且變壓器原邊匝數(shù)可以比較少。當負載很小并且小到低于磁化電流時，副邊二極管的鉗位作用就會消失。然而沒什么問題，因為在這種情況下，觸發(fā)脈沖非常窄，而磁感應(yīng)強度增量也很小。啟動或當負載很小，占空比很小，脈沖很窄時，對應(yīng)的工作磁感應(yīng)強度Bw很小，如果負載突然增加，激勵使導(dǎo)通占空比最大，滿脈寬工作，即有雙倍磁通效應(yīng)，如超過飽和磁感應(yīng)強度Bs，這種情況與半橋式相似，應(yīng)采用防止措施。DC-DC變換器主回路元件及其特性1  功率開關(guān)任何一種DC-DC變換器，主回路使用的元件只是功率開關(guān)、電感和電容。功率

28、開關(guān)只有快速地開通、快速地關(guān)斷這兩種狀態(tài)，并且快速地進行轉(zhuǎn)換。只有快速，狀態(tài)轉(zhuǎn)換引起的損耗才小。目前使用的功率開關(guān)多是雙極型晶體管、功率場效應(yīng)管，逐步普及的有IGBT管，還有各種特性較好的新式的大功率開關(guān)元件。除了220V整流用的二極管是普通整流管外，其他二極管是開關(guān)二極管，要求能快速地開關(guān)。主回路也不是絕對不能有電阻元件。但前提是極有利于控制性能而又不引起多大的損耗，而且限于在幾十瓦以下的小功率變換器中應(yīng)用。一般其阻值在毫歐級，其所得到的毫歐級電壓可作為當前工作周期進行電流控制或保護的信號。2  電感電感是開關(guān)電源中常用的元件，由于它的電流、電壓相位不同，因此理論上損耗為零。電感常

29、用作儲能元件，也常與電容一起用在輸入濾波器和輸出濾波器上，用于平滑電流，也稱它為扼流圈。其特點是流過其上的電流有“很大的慣性”。換句話說，由于“磁通連續(xù)”性，電感上的電流必須是連續(xù)的，否則將會產(chǎn)生很大的電壓尖峰波。電感為磁性元件，有磁飽和的問題。應(yīng)用中有允許其飽和的，有允許其從一定電流值起開始進入飽和的，也有不允許其出現(xiàn)飽和的，在具體線路中要注意區(qū)分。在多數(shù)情況下，電感工作在“線性區(qū)”，此時電感值為一常數(shù)，不隨端電壓與流過電流而變化。但是，在開關(guān)電源中有一個不可忽視的問題，就是電感的繞線所引起兩個分布參數(shù)（或稱寄生參數(shù)）的現(xiàn)象。其一是繞線電阻，這是不可避免的；其二是分布式雜散電容，隨繞制工藝、

30、材料而定。雜散電容在低頻時影響不大，隨著頻率的提高而漸顯出來，到某一頻率以上時，電感也許變成電容的特性了。如果將雜散電容“集成”為一個，則從電感的等效電路可以明白地看出在某一角頻率后的電容性。在分析電感在線路中工作或繪波形圖時，可以考慮下面幾個特點：（1） 在電感L中有電流I流過時，儲存有的能量；（2） 當電感L兩端的電壓V不變時，依公式可知，忽略內(nèi)阻R時，電感電流變化率，表明電感電流線性增加；（3） 正在儲能的電感器，因為能量不能瞬時突變，若切斷電感在變壓器原邊回路時，能量絕大部分經(jīng)變壓器副邊出現(xiàn)的電流輸送至負載，原、副邊耦合中保持相同的安匝數(shù)，維持磁場不變，或每匝伏·秒值不變。（

31、4） 像電容器有充、放電一樣，電感器也有充、放電電壓。電容上的電壓與電流的積分（稱為安·秒值）成正比，電感上的電流與電壓的積分（稱為伏·秒值）成正比，如圖1所示。只要電感器電壓變化，其電流斜率也變化；正向電壓使電流從零線性上升；反向電壓使電流線性下降。根據(jù)能量守恒原理，在電感器正負伏·秒值相等的某一時間點上，線性變化的電流重新降到零。圖1 電感特性與電容特性的比較3  電容電容是開關(guān)電源中常用的元件，它與電感一樣也是儲存電能和傳遞電能的元件，但對頻率的特性卻剛好相反。應(yīng)用上，主要是“吸收”紋波，具有平滑電壓波形的作用。實際的電容并不是理想元件。電容器由于

32、有介質(zhì)、接點與引出線，形成一個等效串聯(lián)內(nèi)電阻ESR。這種等效串聯(lián)內(nèi)電阻在開關(guān)電源中小信號反饋控制上，以及輸出紋波抑制的設(shè)計上，起著不可忽略的作用。另外電容等效電路上有一個串聯(lián)的電感，它在分析電容器濾波效果時，非常重要。有時加大電容量并不能使電壓波形平直，就是因為這個串聯(lián)寄生電感起著副作用。電容的串聯(lián)電阻與接點和引出線有關(guān)，也與電解液有關(guān)。常見鋁電解電容電解質(zhì)的成分為AL2O3,導(dǎo)電率比空氣的約大七倍，為了能繼續(xù)提高電容量，把鋁箔表面做成有規(guī)律的凸凹不平狀，使氧化膜表面積加大（因為電容量與表面積成正比），加入的電解液可在凹凸面上流動。普通的鋁電解電容，在高頻脈動電流大幅度增加下，高頻阻抗溫度上升

33、較大，成了開關(guān)電源長壽命的瓶頸。所謂好電容耐紋波電流，耐溫升，ESR值小。如果電容電解液受溫度影響，溫度升高，電阻減少，即電容串聯(lián)電阻減小，則是理想的。KX16VB和KM16VB高溫長壽命電容的阻抗隨溫度增加而下降的情況示于圖2中。圖2 電容阻抗與頻率的關(guān)系（溫度為參變量）溫度升高，等效串聯(lián)電阻(ESR)加大，導(dǎo)致電容壽命減短，這是普通鋁電解電容的缺點。為了改善這一缺點，將電解液覆蓋在氧化膜表面后將其干燥，形成固體式電解質(zhì)電容，即“鉭電容”。目前又用有機半導(dǎo)體代替電解液，也是固體式電解質(zhì)電容，稱為“OS電容”，OS電容的串聯(lián)電阻小了許多。圖3中出示常用幾種電容的等效串聯(lián)電阻值，它們工作溫度從原

34、來的+85ºC提高到105ºC或ºC。圖3 各種電容ESR的比較在開關(guān)電源中的電容器，工作時平均電流為零，但因充、放電電流波形不同，電流有效值是很大的。例如，市電整流輸入到開關(guān)電源的濾波電路電容，其充電只在市電正弦半波瞬時值高于電容上直流電壓的瞬間才發(fā)生，而且是低頻的（50Hz），由電容放電供電給開關(guān)電源，放電頻率是高頻的（與開關(guān)頻率相同）。有效值電流ic(rms)比負載電流Io大，其計算式為 (1)電容器的選擇，除考慮有效值外還要考慮紋波電壓和耐壓的要求。反激變換器反激變換器原理如圖1所示，實際上就是隔離式（有雙繞組的）Buck-Boost變換器。反激變換器的電

35、路簡單，所用元件最少，常用于小功率（例如100W）和多路輸出的場合。圖反激變換器反激變換器工作原理是：主開關(guān)管導(dǎo)通時，二次側(cè)二極管關(guān)斷，變壓器儲能；主開關(guān)管關(guān)斷時，二次側(cè)二極管導(dǎo)通，變壓器儲能向負載釋放。它和正激變換器不同，正激變換器的變壓器勵磁電感儲能一般很小，各繞組瞬時功率的代數(shù)和為零，變壓器只起隔離、變壓作用。而反激變換器的變壓器比較特殊，它兼起儲能電感的作用，稱為儲能變壓器（或電感-變壓器）。為防止負載電流較大時磁心飽和，反激變換器的變壓器磁心要加氣隙，降低了磁心的導(dǎo)磁率，這種變壓器的設(shè)計是比較復(fù)雜的。在開關(guān)管關(guān)斷時，反激變換器的變壓器儲能向負載釋放，磁心自然復(fù)位，因此反激變換器無需另

36、加磁復(fù)位措施。磁心自然復(fù)位的條件是：開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時間期間，變壓器一次繞組所承受電壓的伏秒乘積相等。CCM條件下，反激變換器的輸出-輸入電壓變換比為Vo/Vi=nD/(1-D)式中 n=N2/N1。反激變換器主開關(guān)管承受的最大電壓為Vi+Vo/n?？梢宰C明，反激變換器和隔離式Cuk變換器互為對偶。反激的英文為Flyback，也有回掃的意思。在電視接受器中，有一個產(chǎn)生很高直流電壓的DC-DC變換器，驅(qū)使顯像管電子束回掃，屏幕上的光點Flies back(回掃)到另一行水平線的起始點，因此這類隔離式DC-DC變換器稱為Flyback變換器，譯為反激變換器。兩個晶體開關(guān)管與一次繞組串聯(lián)，也可組成雙管

37、反激變換器。半橋變換器半橋變換器原理如圖1(a)所示，圖1(b)為變壓器T原邊繞組的電壓VB-A和電流Ip的波形圖。電容器C1、C2與開關(guān)晶體管Tr1、Tr2組成橋，橋的對角線接變壓器T的原邊繞組，故稱半橋變換器。如果C1= C2，某一開關(guān)晶體管導(dǎo)通時，繞組上電壓只有電源電壓一半。圖半橋變換器電路及波形圖穩(wěn)態(tài)條件下，在C1=C2，Tr1導(dǎo)通時，C1上的0.5Vs加在原邊線圈上，Tr1流過負載電流Io折算至原邊電流加上磁化電流。經(jīng)占空比所定時間后，Tr1關(guān)斷。此時，由于原邊繞組和漏電感的作用，電流繼續(xù)流入原邊繞組黑點標示端。但B接點擺動到負電位（A為0電位）。如果原邊繞組漏電感儲存的能量足夠大時

38、，二極管D6將導(dǎo)通，鉗位電壓進一步變負。D6導(dǎo)通的過程，把反激能量再生，對C2進行充電。B連接點的電壓在阻尼電阻作用下以振蕩形式最后回復(fù)到原來的中心值。這時Tr1、Tr2的緩沖器電容和電阻也參與振蕩作用。如果這時Tr2加有導(dǎo)通脈沖，Tr2導(dǎo)通，原邊繞組黑點端變負。Io折算電流加上磁化電流，流經(jīng)原邊繞組和Tr2，然后重復(fù)以前的過程。不同的是，Ip反了方向，Tr2關(guān)斷時接點B擺動到正，D5導(dǎo)通鉗位，反激能量再生對C1進行充電。副邊電路的工作如下：當Tr1導(dǎo)通時，副邊繞組Vs電壓使D7導(dǎo)通，與正激變換器工作相似。當Tr1關(guān)斷，兩個繞組電壓均朝零變化。副邊回路電感L反激，儲能繼續(xù)向負載RL供能。當副邊

39、線圈電壓降到零時，二極管D7、D8都起著續(xù)流作用，D7、D8分得的電流近似相等。在D7、D8都導(dǎo)通時，副邊電壓Vs鉗位到零。在穩(wěn)態(tài)條件下，在晶體管導(dǎo)通期間通過L的電流增加，關(guān)斷期間L的電流減小，其平均值等于輸出電流Io。忽略損耗，輸出電壓Vo按下式計算。Vo=式中 Vs原邊繞組電壓（V）； Np原邊繞組匝數(shù)（匝）； Ns副邊繞組匝數(shù)（匝）； D其中一管導(dǎo)通的占空比=； Ts工作原理（S）。因此，通過使用合適的控制線路調(diào)整占空比，在電源電壓Vs和負載Io變化時，可以保持輸出電壓Vo不變。UPS輔助電源 在UPS電源中，它除了向外提供交流電源外，還向內(nèi)部提供直流電源，以保證各控制電路的正

40、常工作。這種向外部提供直流電源的電路或裝置就稱為輔助電源。根據(jù)UPS的容量不同，其電路形式也不同。目前UPS中的輔助電源主體電路多采用變換器，所謂變換器，廣義地講就是將直流變成交流、交流變成直流或進行幅度轉(zhuǎn)換及頻率轉(zhuǎn)換的電路。這里主要介紹的是直流變換器，是將一個值的直流電壓變換成另一個值的直流電壓。變換器就其控制來說又分自激和它激兩種，下面就先將常用它激電路做一簡單討論。單端變換器是UPS輔助電源的常用電路，也是PWM電源最基本的電路，所謂單端就是單向的意思，它分為正激和反激兩種結(jié)構(gòu)，根據(jù)其要求和用途不同而采用不同的結(jié)構(gòu)方案。1.     &#

41、160; 正激變換器圖1 單端正激變換器的主體電路原理圖圖1所示是單端正激變換器的主體電路原理圖。這是一個直流變換器，它是將直流電壓UDC變換成另一個或另一些直流電壓，如U1、U2等。因為UPS的控制電路需要各種不同值的直流工作電壓，如±5V、±12V、±24V等。在這里作為例子只畫出兩個電壓U1、U2。下面就結(jié)合電路中主要器件的功能介紹它的工作原理。由圖1(a)可以看出，電路主要由控制電路IC、功率管V、高頻變壓器Tr、回授二極管VD1、高頻整流管VD2、VD3和濾波電容等。電路的工作原理是：當功率管V在控制電路IC的控制下，在t=t0開啟時，電流I由直流電源U

42、DC的正極流出，經(jīng)變壓器Tr的初級流入功率管V，再經(jīng)電阻流回直流電源UDC的負極。在電流I流經(jīng)變壓器Tr的初級時，就在初級繞組上產(chǎn)生幅度與UDC相等的電壓，如圖1(b)所示。由于圖中初、次極繞組的同名端相同，所以二極管VD2和VD3導(dǎo)通，整流電壓如圖1(c)所示。在t=t1時功率管V截止，由于功率管開啟時在變壓器繞組 儲存的能量這時會形成反電勢，如圖1(b)所示，如不及時釋放掉就會影響下一次的功率管工作，因此一般都繞有第三個繞組，其同名端與其他幾個繞組正好相反，在t=t1由于V的截止而出現(xiàn)反電勢時，該第三繞組的電勢正端正好是二極管VD1的導(dǎo)通方向，通過VD1將變壓器中儲存的能量回授給輸入電源U

43、DC，因此將VD1稱作回授二極管。這不是普通的高頻二極管，因為它應(yīng)具有開啟快、關(guān)斷快和耐沖擊的能力，故通常多采用阻尼二極管。有的電路為了更保險起見，給整流器VD2、VD3后面的濾波電容再并一只反向二極管，目的是將由于VD1未泄放完的變壓器儲能所產(chǎn)生的反電勢在次級提供泄放通路，如圖1(a)所示。一般稱這只反向二極管為續(xù)流二極管。續(xù)流二極管的加入也改善了輸出整流濾波波形，這是因為當整流正壓脈沖結(jié)束后，反電勢脈沖又通過續(xù)流二極管繼續(xù)向負載和電容提供電流，提高了電流的連續(xù)性，減小了脈動。這只二極管也應(yīng)具有回授二極管的功能。圖中R的作用是向電路提供一個電流負反饋信號，一方面在需要時保持電流穩(wěn)定，另一方面

44、也可在一定程度上保護功率管因電流過大而燒毀。單端正激變換器可以給出較大的功率，甚至在100kVA以上的UPS輔助電源中，還大都采用這個電路。其不足之處是當輸出整流器導(dǎo)通時正好有高頻脈沖干擾疊加在輸入直流電壓上來，這個干擾就很可能通過整流器而直接去干擾控制電路，盡管整流后有很大的電容濾波，但由于它在頻率很高及前沿很陡的干擾信號面前已不是純?nèi)菪裕荒軐⑺鼈兺耆铡?.       反激變換器圖2 反激變換器主體結(jié)構(gòu)原理圖如前所述單端正激變換器可以給出較大的功率，但由于在一定程度上的不足，對于靈敏度很高的電路來說，供電電源的微小變化，尤其

45、是干擾的影響可能會導(dǎo)致機器的數(shù)據(jù)錯誤、丟失及其他控制故障。對這些靈敏電路來說，隔離干擾就成了首要任務(wù)。于是反激變換器的優(yōu)點就顯露出來了，圖2所示就是反激變換器主體結(jié)構(gòu)原理圖。由圖2所示的反激變換器主體結(jié)構(gòu)原理圖可以看出，它和正激變換器有兩點不同：第一個不同是變壓器次極繞組的同名端被移到了另一端，再就是回授二極管支路被省掉了。通過下面對電路工作原理的討論來說明這兩點不同的原因。在IC2組件正脈沖信號的控制下，功率管V導(dǎo)通，電流I由輸入電壓UDC的正極流出，經(jīng)變壓器Tr的初級繞組N1功率管VR2后回到UDC的負極。繞組N1上的電壓極性是上“+”下“-”，而次級繞組上的電壓極性由于同名端的關(guān)系則是下

46、“+”上“-”，正好是使二極管VD1和VD2截止的情況，也就是說當功率管V導(dǎo)通時二極管VD1和VD2截止。當IC2組件正脈沖信號結(jié)束，而給功率管門極施加0或負信號時，功率管截止，此時由于變壓器的儲能而產(chǎn)生反電勢，次極繞組N2和N3的電壓極性換向，即變成了上“+”下“-”，滿足了二極管的導(dǎo)通條件，于是就將反電勢電壓整流后提供給負載。由此就可以看出，次極繞組N2和N3上二極管VD1和VD2的工作狀態(tài)正好與功率管相反。因此就導(dǎo)致了這樣一種工作情況：當功率管V送來電壓時，二極管VD1和VD2不讓其送到負載，而是將該電壓能量連同干擾信號一起，被以無功功率的形式儲存在變壓器中。當功率管V截止，即隔斷輸入電

47、壓后，二極管VD1和VD2被打開而將儲存在變壓器內(nèi)的能量送往負載，不過這時的電壓已是無任何干擾的平滑的波形。這樣一來，反激變換器就有效地隔斷了輸入和輸出之間的影響。由于反激變換器就是利用變壓器的儲能向負載提供電源的，換句話說是利用反電勢進行正常工作的，所以就不能采用以泄放變壓器儲能為目的回授電路了。盡管反激變換器具有這么良好的隔離干擾的優(yōu)點，但由于其功率做不大，限制了它的應(yīng)用范圍，一般也就是做到幾百瓦。由圖2中還可以看到，次級電路和圖1有些不同。實際上整流管后面的部分是可以公用的，在這里給出的目的是為了介紹一下變換器輸出電壓的穩(wěn)壓措施。這種措施適用于所有變換器系列。因為幾乎所有的電源都要求具有

48、穩(wěn)壓功能。在UPS中，大多數(shù)的變換器電源不止輸出一個穩(wěn)定電壓，而實際上變換器只能保證其中一個電壓是穩(wěn)定的，如圖2的N3電路，在這個電路中，其輸出電壓有一個反饋信號，該信號由R2和R3電阻分壓網(wǎng)絡(luò)取出，送往控制電路組件IC2的測量端。于是控制功率管V工作狀況的觸發(fā)脈沖就是U2的函數(shù)，換言之，功率管V的全部工作狀態(tài)都是以穩(wěn)定U2為目的的。其他輸出電壓如U1就得不到這種保證。通常的做法是在整流器后面接一只三端穩(wěn)壓組件，如圖2中VD1后面的三端穩(wěn)壓組件IC1所示。有的變換器可以輸出多路電壓，而三端電源組件的品種和規(guī)格也有很多，完全可以滿足不同的要求。 為DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇正確的電感器與電容器隨著便攜

49、式電子產(chǎn)品的體積在不斷縮小，其復(fù)雜性同時也在相應(yīng)的提高。這使得設(shè)計工程師面臨的問題越來越多，如電池使用壽命、占板空間、散熱或功耗等。本文以德州儀器TPS6220x系列降壓穩(wěn)壓器為例，向設(shè)計工程師介紹在權(quán)衡解決方案的占用空間、性能以及成本時，如何為DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇正確的電感器與電容器。 隨著手機、PDA以及其它便攜式電子產(chǎn)品在不斷小型化，其復(fù)雜性同時也在相應(yīng)提高，這使設(shè)計工程師面臨的問題越來越多，如電池使用壽命、占板空間、散熱或功耗等。 使用DC/DC轉(zhuǎn)換器主要是為了提高效率。很多設(shè)計都要求將電池電壓轉(zhuǎn)換成較低的供電電壓，盡管采用線性穩(wěn)壓器即可實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，但它并不能達到基于開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計的

50、高效率。本文將介紹設(shè)計工程師在權(quán)衡解決方案的占用空間、性能以及成本時必須要面對的常見問題。 大信號與小信號響應(yīng) 開關(guān)轉(zhuǎn)換器采用非常復(fù)雜的穩(wěn)壓方法保持重/輕負載時的高效率?，F(xiàn)在的CPU內(nèi)核電源要求穩(wěn)壓器提供快速而通暢的大信號響應(yīng)。例如，當處理器從空閑模式切換至全速工作模式時，內(nèi)核吸收的電流會從幾十微安很快地上升到數(shù)百毫安。 隨著負載條件變化，環(huán)路會迅速響應(yīng)新的要求，以便將電壓控制在穩(wěn)壓限制范圍之內(nèi)。負載變化幅度和速率決定環(huán)路響應(yīng)是大信號響應(yīng)還是小信號響應(yīng)。我們可根據(jù)穩(wěn)態(tài)工作點定義小信號參數(shù)。因此，我們一般將低于穩(wěn)態(tài)工作點10的變化稱為小信號變化。 實際上，誤差放大器處于壓擺范圍(slew limit)內(nèi)，由于負載瞬態(tài)發(fā)生速度超過誤差放大器的響應(yīng)速度，放大器并不控制環(huán)路，所以，在電感器電流達到要求之前，由輸出電容器滿足瞬態(tài)電流要求。 大信號響應(yīng)會暫時使環(huán)路停止工作。不過，在進入和退出大信號響應(yīng)之前，環(huán)路必須提供良好的響應(yīng)。環(huán)路帶寬越高，負載瞬態(tài)響應(yīng)速度就越快。 從小信號角度來看，盡管穩(wěn)壓環(huán)路可以提供足夠的增益和相位裕度，但是開關(guān)轉(zhuǎn)換器在線路或負載瞬態(tài)期間仍然可能出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)和振鈴現(xiàn)象。在選擇外部元