DC/DC電源係統設計全麵解析
發布時間:2014-12-19 責任編輯:xueqi
【導讀】開關電源功率電路有五個基本元件:開關,二極管,電容,電感,變壓器。本文為大家詳細介紹電源係統設計指標、開關電源的基本分析及其拓樸結構。
概述
一. 理想直流變換器應有的參數性能
1. 輸入輸出端的電壓均為平滑的直流電壓,無交流諧波的分量
2. 輸出阻抗為零
3. 快速動態響應,抑製能力強
4. 高效率,小型化
二. 常用的DC/DC電源方案
1. 線性電源。主要應用於對發熱和效率要求不高的應用場合,線性電源的效率通常在35% to 50%之間
2. 脈寬調製(PWM)開關電源。在使用時具有比線性電源更高的效率和靈活性
3. 高效率的諧振開關電源。由基本的PWM開關電源演變而來,主要應用於高效率和對電磁幹擾有特別要求的場合
電源係統設計指標
輸入電壓
Vin(nom):產品的正常輸入電壓
Vin(max):產品的最高輸入電壓
Vin(min):產品的最低輸入電壓
頻率:直流,50,60,400Hz等
浪湧電壓:輸入電壓超出Vin(max)的時間段,電源必須能夠承受這個浪湧電壓,正常工作
瞬態電壓:具有很高的電壓尖峰(包括正與負尖峰),這是輸入電源係統的特征
輸入電流
Iin(max):最大平均輸入電流。它的最大極限值可以由安全管理機構來定義。
輸出電壓
Vout(rated):額定輸出電壓(理想輸出電壓)
Vout(min):保證負載不被切斷的最小輸出電壓。
Vout(max):保證負載線路正常運行的最大輸出電壓。
Vout(abs):負載遭到破壞時的極限電壓。
電壓紋波:這是峰-峰值電壓,它的頻率和大小應該能被負載所接受
輸出電流
Iout(retad):額定輸出電流。
Iout(min):在正常運行情況下,最小的輸出電流。
Iout(max):負載的瞬態承受的輸出電流。
Isc:負載短路時的最大極限電流。
動態負載響應時間
當加上階躍負載時,電源係統響應需要的時間
電壓調整率
輸入電壓變化時,輸出電壓的變化率,即:
電壓調整率=(最高輸出電壓-最低輸出電壓)/額定輸出電壓X100%
負載調整率
負載電流從半載到額定負載時,輸出電壓的變化率,即:
負載調整率=(滿載時輸出電壓-半載時輸出電壓)/額定負載時輸出電壓X100%
總效率
這將決定係統有多少熱量產生,以及在結構設計時是否應考慮采用散熱片。
總效率=輸出功率/輸入功率X100%
開關電源的基本分析
開關電源的基本元件:

電容的基本方程

1. 當一電流流經電容, 電容兩端的電壓逐漸增加, 並且電容量越大電壓增加越慢。

2. 在穩態工作的開關電源中流經電容的電流對時間的積分為零。

電感的基本方程

1. 當一電感突然加上一個電壓時, 其中的電流逐漸增加, 並且電感量越大電流增加越慢。

2. 當一電感上的電流突然中斷, 在其兩端會產生一瞬時高壓, 並且電感量越大該電壓越高。

電感的伏秒平衡原則:

伏秒平衡原則:在穩態工作的開關電源中電感兩端的正伏秒值等於負伏秒值。

分析開關電源中電容和電感的幾條原則:
1. 電容兩端的電壓不能突變(當電容足夠大時,可認為其電壓不變)。
2. 電感中的電流不能突變(當電感足夠大時,可認為其電流恒定不變)。
3. 流經電容的電流平均值在一個開關周期內為零。
4. 電感兩端的伏秒積在一個開關周期內必須平衡。
兩個有用的公式:

開關電源的拓樸結構
三種基本的非隔離開關電源

BUCK電路工作原理分析

根據L的伏秒平衡原則:

根據L在1-D時間的基本方程:



BUCK電路的工作可以看作是一個機械飛輪和單活塞發動機。電路的LC濾波器就是飛輪,存儲從驅動器輸出的脈衝功率。LC濾波器(扼流輸入濾波器)的輸入就是經過斬波以後的電壓。LC濾波器平均了占空比調製的脈衝電壓。LC濾波器的作用可用以下公式表示:
Vout=Vin*D
通過控製電路改變占空比,即可保持輸出電壓的恒定。BUCK變換器之所以被稱為降壓式變換器,是因為它的輸出電壓必定低於輸入電壓。
我們可以把BUCK電路的工作過程分成兩個階段,當開關導通時,輸入電壓加到LC濾波器的輸入端,電感上的電流以固定斜率線性上升。電感上的電流用下麵公式描述:
IL(on)=((Vin-Vout)/Lo)*Ton + Imin
在這個階段,存儲在電感上的能量為:

輸入的能量就存儲在電感鐵心材料的磁通中。

當開關斷開時,由於電感上的電流不能突變,電感電流就通過二極管D續(xu)流(liu),該(gai)二(er)極(ji)管(guan)稱(cheng)為(wei)續(xu)流(liu)二(er)極(ji)管(guan),這(zhe)樣(yang)就(jiu)實(shi)現(xian)了(le)對(dui)原(yuan)先(xian)流(liu)過(guo)開(kai)關(guan)管(guan)電(dian)流(liu)的(de)續(xu)流(liu),同(tong)時(shi)電(dian)感(gan)中(zhong)存(cun)儲(chu)的(de)一(yi)部(bu)份(fen)能(neng)量(liang)向(xiang)負(fu)載(zai)釋(shi)放(fang)。續(xu)流(liu)電(dian)流(liu)環(huan)包(bao)括(kuo):二極管,電感,負載。在這階段流過電感上的電流用下式描述:
IL(off)=Ipk-(VoutToff/Lo)
在這階段,電流波形是一條斜率為負的斜線,斜率為-Vout/Lo。當開關再次導通時,二極管迅速關斷,電流從輸入電源和開關管流過。在開關導通前瞬間,電感上的電流Imin就是開關管通過的初始電流。
BUCK電路的輸入輸出關係



升壓變換器與BUCK變bian換huan器qi有you著zhe相xiang同tong的de組zu成cheng部bu份fen,隻zhi是shi它ta們men的de位wei置zhi被bei重zhong新xin布bu置zhi了le一yi下xia。新xin的de布bu局ju使shi變bian換huan器qi與yu正zheng激ji式shi變bian換huan器qi的de工gong作zuo過guo程cheng完wan全quan不bu同tong。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia,開kai關guan管guan導dao通tong時shi,電dian流liu環huan路lu僅jin在zai包bao括kuo電dian感gan,開kai關guan管guan和he輸shu入ru電dian壓ya源yuan。在zai這zhe段duan時shi間jian中zhong,二er極ji管guan是shi反fan向xiang阻zu斷duan的de。電dian感gan電dian流liu波bo形xing也ye是shi以yi固gu定ding斜xie率lv上shang升sheng,可ke用yong下xia式shi描miao述shu:
iL(Ton)=Vin*Ton/L
在(zai)這(zhe)個(ge)階(jie)段(duan),能(neng)量(liang)存(cun)儲(chu)在(zai)電(dian)感(gan)鐵(鐵)心(xin)的(de)磁(ci)通(tong)中(zhong),開(kai)關(guan)管(guan)關(guan)斷(duan)時(shi),由(you)於(yu)電(dian)感(gan)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)不(bu)能(neng)突(tu)變(bian),於(yu)是(shi)二(er)極(ji)管(guan)立(li)刻(ke)正(zheng)向(xiang)導(dao)通(tong)。這(zhe)時(shi),電(dian)感(gan)與(yu)開(kai)關(guan)相(xiang)連(lian)端(duan)的(de)電(dian)壓(ya)被(bei)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)鉗(qian)位(wei),這(zhe)個(ge)電(dian)壓(ya)被(bei)稱(cheng)作(zuo)反(fan)激(ji)電(dian)壓(ya),其(qi)幅(fu)值(zhi)是(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)加(jia)上(shang)二(er)極(ji)管(guan)的(de)正(zheng)向(xiang)壓(ya)降(jiang),在(zai)開(kai)關(guan)管(guan)關(guan)斷(duan)這(zhe)段(duan)時(shi)間(jian)裏(li),電(dian)感(gan)上(shang)的(de)電(dian)流(liu)用(yong)下(xia)式(shi)表(biao)示(shi):
iL(Toff)=Ipk-((Vout-Vin)*Toff/L)
ruguozaixiagezhouqizhiqian,tiexinzhongdecitongwanquanweiling,jiuchengdianlugongzuozaidianliuduanxumoshi。ruguotiexinzhongdecitongmeiyouwanquanjiangweiling,haiyouyibufencitong,jiuchengdianlugongzuozaidianliulianxumoshi。tongchangshengyashibianhuanqitongchanggongzuozaidianliuduanxumoshi。

BOOST變換器工作在電流斷續模式下,存儲在電感中的能量為:
Estored=½ LIpk^2
單位時間內,傳輸的能量必須滿足負載連續功率消耗的需求,這就意味著開關管導通期間,存儲的能量要足夠大,即電流峰值Ipk要滿足以下要求:
Pload<Pout=Fop*½ LIpk^2(Fop是變換器的開關頻率)
BOOST電路的輸入輸出關係

BUCK-BOOST電路的工作原理分析

BUCK-BOOST輸入輸出關係

功率半導體器件重要參數的最小值

開關電源小結
開關電源功率電路的五個基本元件:開關,二極管,電容,電感,變壓器
開關電源功率電路分析要點
1. 電容的電壓不能突變, 電感的電流不能突變
2. 流經電容的電流平均值為零, 電感兩端電壓的平均值為零
3. 理想變壓器電壓與匝數成比且同名同極性, 電流與匝數成反比且點進點出
4. 電容恒流充電的公式為C * ΔU = I *T, 電感恒壓儲能的公式為L * ΔI = U *T
5. 變壓器與電感的伏秒積必須平衡
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