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 线 性 电 源 线性稳压电源的简称 因其内部调整管工作在线性工作区得名 线性稳压器调整 管与负载相串联 电源的输入电流与输出电流基本相等 优点是稳压性能好 输 出的纹波电压和噪声电压小 缺点是调整管压降大 功耗高 效率低 一般为 35 45 脉宽调 制控制 器 PWM 开关周期为恒定值 通过调节脉冲宽度来改变占空比 实现稳压目的 脉频调 制控制 器 PFM 脉冲宽度为恒定值 通过调节开关频率来改变占空比 实现稳压目的 直流开关电源 一般为高压输入 隔离式 DC DC 变换器 采用 PWM 控 制器或单片开关电源 DC DC 变换器 开关稳压器 低压输入 非隔离式 DC DC 变换器 采用开关稳压器 集成电路 包括降压型 BUCK 电路 升压型 BOOST 电 路及混合电路等 集 成 稳 压 电 源 开 关 电 源 单片开 关电源 将开关电源的主要电路都集成在一个芯片中 一般属于 AC DC 电源变 换器 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 输入电压 12V 输出电压 5V 输出电流 2A 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 开关的周期 T 1 F 1 250KHZ 4us 占空比 D Uo UI 5V 12V 0 42 一个周期内处在 12V 电压的时间 Ton DT 0 42 4us 1 68us 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 在 Ton 时间内 储能电感 L 两端压降 VL 12V 5V 7V 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 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 F2 1 Uo Ui 0 13uf C 5 8 5 10 88 250 2 1 5 12 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 38KHZ 1 2 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 式 3 4 1 L C T 8 Uo 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 图 4 2 开关电源设置及波形 图 4 3 输出电压和输出电流的波形 图 4 3 中 绿色为输出电压的波形图 参考坐标系在左侧 可以看出输出 电压在 5V 左右 电压波动在 4 92V 5 14V 满足5 纹波电压 4 75V 5 25V 要 求 蓝色为流经负载电流的波形图 参考坐标系在右侧 输出电流在 2A 左右 电流波动在 1 97A 2 06A 满足5 纹波电流 1 9A 2 1A 要求 经思考验证 还可以得到以下几点信息 L 和 C 的取值越大 最后的纹波输出越小 即输出电压电流越平稳 但 达到平稳的时间也越长 如图 4 3 为 150us 左右达到平稳 而将电感值从 88uh 增大到 200uh 后 如下图 4 4 所示 要到 500us 左右才达到平稳 图 4 4 增大 L 的值后的仿真波形图 C 越大 起始噪声脉冲越大 如下图 4 5 所示 将电容从 0 2uf 增大到 20uf 如果继续增大 C 的值 会出现更多的逐渐衰减的噪声脉冲 如图 4 6 所 示 电容值增大到 200uf 注意时间轴的变化 达到平稳的时间也越来越长 纹波越来越小 符合 中所述 图 4 5 增大 C 值后的仿真波形图 图 4 6 继续增大 C 值后的仿真波形图 L 和 C 取值较小 满足不了截止频率远小于开关频率的要求时 出现谐 振 如图 4 7 所示 电感降低为 1uh 此时已经达不到滤波的要求了 L 和 C 的 相对取值不同 振荡幅度不同 参考文献 1 日 铃木雅臣著 彭军译 晶体管电路设计 M 北京 科学出版社 2004 227 243 2 沙占友 王彦朋 安国臣 孟志永 开关电源设计入门与实例解析 M 北京 中国电 力出版社 2009 3