作为电源行业的技术编辑,每天编写及整理出一篇篇技术文章便是我们工作
的乐趣与重心。在常人眼里,编辑工作似乎既繁琐又枯燥无味。但是身为编辑的
我却可以深刻地体会到:虽然工作非常辛苦,但却异常幸福。
因为这是一个可以不停地思考、不停地接触新知识、不停地读书、不停地将
灵感转化为现实的工作;同时,把自己编辑过程中的点滴努力都体现在文章中,
留下一个个实实在在的印记。而今天我有幸将这些我所了解的知识变成一本小小
的电子书,这一份强烈的欣喜感油然而生。
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人力物力,而作为行业门户网站的我们也不停在思考,以何种方式给网友提供更
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够让大家不受地域、时间的限制的了解自己需要的知识。
《开关电源基础知识》是电源网的第一本电子书,之后我们联合 TI 还会继
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值的东西以电子书的形式呈现给大家。所以,也恳请广大读者以及工程师批评指
正,以便在以后的版本中及时修正。在此也想对部分已经观看过培训视频、并给
出很多积极反馈的工程师朋友表示感谢。希望更多工程师朋友加入到与我们互动
的行列中,分享你的学习经验。
Jealy 兔子
电源网技术编辑
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开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维
持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制 IC 和
MOSFET 构成。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地
创新。目前,开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子
设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日
益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,进入 80 年代计算机电源全面实现了
开关电源化,率先完成计算机的电源换代,进入 90 年代开关电源相继进入各种
电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子
设备电源、控制设备电源等
都已广泛地使用了开关电源,更促进了开关电源技术的迅速发展。
开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二
者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源。随着
电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点
日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广泛的发展空间。
开关电源基础知识( Switcher-Fundamentals)培训课程共计五个章节:本拓
扑类型、效率与输入输出及占空比的关系 、同步与非同步的定义、隔离与非隔
离、脉宽调制与变频各类控制方式特点。其深入浅出的说明了基础概念,建立电
源设计沟通的平台。
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第一章 开关电源基础知识
1.1开关电源的类型 …………………………………………………………………1
1.2什么是开关稳压器 ………………………………………………………………3
1.3脉宽调试方式(PWM) ……………………………………………………………3
1.4实例:简化的降压开关电源………………………………………………………4
1.5 开关电源的类型(非隔离式)……………………………………………………5
1.6 降压转换器(降压型开关稳压器)的工作模型…………………………………5
1.7 降压转换器基础(电流和电压波形)……………………………………………5
1.8降压转换器拓扑 …………………………………………………………………6
1.9 升压转换器(升压型开关稳压器)………………………………………………6
1.10 升压转换器(电流和电压波形)………………………………………………7
1.11升压转换器拓扑和电路示例……………………………………………………7
1.12 降压-升压转换器(电流和电压波形)…………………………………………8
1.13降压-升压转换器拓扑 …………………………………………………………8
1.14控制器与稳压器…………………………………………………………………9
1.15开关稳压器总结 ………………………………………………………………10
第二章 效率与 Vout 的关系
效率与 Vout 的关系…………………………………………………………………11
第三章 同步于非同步
3.1什么是同步与非同步……………………………………………………………13
3.2 区分同步、非同步………………………………………………………………13
3.3 同步,非同步的优缺点…………………………………………………………14
3.4同步于非同步的选择……………………………………………………………15
第四章 隔离式与非隔离式
4.1非隔离式拓扑结构………………………………………………………………17
4.2隔离式拓扑结构…………………………………………………………………18
第五章 脉宽调制与脉冲频率调制
5.1概述………………………………………………………………………………25
5.2典型便携式电源应用实例………………………………………………………25
5.3定义–PWM 和 PFM ………………………………………………………………25
5.4PWM控制架构 ……………………………………………………………………26
5.5滞环模式控制……………………………………………………………………26
5.6 脉冲跳跃/ 省电模式 Burst Mode ……………………………………………27
5.7PWM模式和跳跃模式波形图 ……………………………………………………27
5.8转换器效率和损耗………………………………………………………………27
5.9双模式降压转换器………………………………………………………………28
5.10输出纹波差异 …………………………………………………………………29
5.11 省电模式与强制 PWM 模式的对比……………………………………………29
5.12多种省电模式 …………………………………………………………………30
5.13 概要/ 结论(可变频率转换器) ……………………………………………31
附录一: 编委信息与后记
附录二: 版权说明
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第一章 开关电源基础知识
1.1 开关电源的类型
1.1.1线性稳压器,所谓线性稳压器,也就是我们俗话说的 LDO,一般有这么两种特点:
传输元件工作在线性区,它没有开关的跳变;
仅限于降压转换,很少会看到升压的应用。
1.1.2开关稳压器
传输器件开关(场效应管),在每个周期完全接通和完全切断的状态;
里面至少包括一个电能储能的元件,如:电感器或者电容器;
多种拓扑(降压、升压、降压-升压等)
1.1.3充电泵,一般在一些小电流的应用
传输器件开关(如:场效应管、三极管),有些完全导通,而有些则工作在线性区;
在电能转换或者储能的过程中,仅限使用了电容器,如一些倍压电路。
答疑:有些情况为什么要使用开关稳压器?为什么不用 LDO和充电泵?
我们知道,所有的能量都不会凭空消失,损耗的能量最终会以热的形式传递出去,
这样,工程师在设计中就会产生很大的挑战,比如说,损耗最终以热的形式传递,那么
电路中就需要增加更大的散热片,结果电源的体积就变大了,而且整机的效率也很低。
如果在开关模式的开关电源,不仅可以提高效率,还可以降低了热管理的设计难度。
我们可以举一个例子来对比线性电源和开关电源的效率和体积:
线性稳压器:
根据上图我们可以算出它的最大输出效率为:
%100
Pin
Pout
它的功率损耗为:
IVoutVinPd )(
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开关稳压器:
根据上图我们可算出它的最大输出效率为:
%100
Pin
Pout
它的功率损耗为:
)1( PinPd
从它们的效率来看,一个 12V 输入,3.3V/2A 输出的电源,如果用线性稳压器来实现的
话,它输出效率只有 28%,而用开关电源来做的话,它的输出效率能达到 90%以上。所以
线性电源在高输入电压,低输出电压的情况下的效率是非常的低,它只适用于一些输入和输
出的压差比较低的场合。像这些情况下使用开关电源的优势是显而易见的。线性稳压器的损
耗为 17.4W,开关稳压器的损耗只有 0.73W,这些损耗最终会以热量的形式传递出去,器件
的工作温度=器件温升+环境温度,温升=热阻 × 损耗的情况下:假如器件的热阻 θ=35℃/W
来计算,LDO 的温升=35℃ × 17.4W=609℃,开关稳压器温升=35℃ × 0.73W=25.55℃。
可见,开关稳压器可以工作在 60~70℃的环境温度也是没问题的,而 LDO 在这种情况下,
发热非常严重,必须得降低它的热阻,而热阻的大小就取决于散热面积,散热面积越大,热
阻就越小,所以 LDO 需要很大的散热面积(如下图),来减少它的热阻以获得较低的温升。
1.1.4 下图为线性电源和开关电源体积的比较
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上图红色标注地方分别是一个 2.5W 的 LDO 和一个 6W 的开关电源,两者功率相差 2.4
倍,但开关电源的面积仅是 LDO 的 1/4 不到,也就是说开关电源的损耗大大减少了,能够
承受更高的热阻,减少散热的面积。
再次强调一遍,如果说输入与输出之间压差较低的情况下,可以使用 LDO,但压差较
大的情况下,建议使用开关电源。当然,开关电源也有它的劣势,它的输出会有噪声、振铃、
跳变,而 LDO 则不会。某些场合的负载对电源的电压是很敏感的话,可以在开关电源后面
载加一级 LDO。例如我们要把 5V 转为 1.2V , 如果直接有 LDO 的话,效率可能只有 20%,
但我们可以把 5V 用开关电源变为 1.5V,再用 LDO 把 1.5V 转为 1.2V,这样,效率就会高,
是一个比较优化的设计。
1.1.5 总结:开关电源 VS 线性稳压器
(1)开关电源
① 能够提升电压(升压)
② 以及使电压减低(降压)甚至反相
③ 具有较高的效率和功率密度
(2)线性稳压器
① 只能实现降压
② 输出电压相对更稳定
③
1.2 什么是开关稳压器?
开关稳压器,英文(regulatior),有人叫它调节器、稳压源。实现稳压,就是需要控制系
统(负反馈),从自动控制理论中我们知道,当电压上升的时候通过负反馈把它降低,当电压
下降的时候就把它升上去,这样形成了一个控制的环路。如图中的方框图是 PWM(脉宽控制
方式),当然还有其他如:PFM(频率控制方式)、移相控制方式等。
1.3 脉宽调试方式(PWM)
1.3.1 周期性的改变开关的导通与关断时间的简单方法
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占空比:开通的时间 Ton 与开关周期 T 的比值,ton(开通时间) + toff(关断时间) = T(开
关周期),占空比 D=ton / T。但是,我们不能采用一个脉冲输出!需要一种实现能量流动平
稳化的方法。通过很多的脉冲,高频地切换,将在开关接通期间存储能量而在开关切断时提
供此能量的手段,从而实现平稳的电压。
1.3.2 在电子行业中有两种主要储能器件
左图:电容器 右图:电感器
1.4 实例:简化的降压开关电源
如图是一个简化的降压的开关电源,为了方便电路的分析,先不加入反馈控制部分。
状态一:当 S1 闭合时,输入的能量从电容 C1,通过 S1→电感器 L1→电容器 C2→负载 RL
供电,此时电感器 L1 同时也在储存能量,可以得到加在 L1 上的电压为:Vin-Vo=L*di/dton。
状态二:当 S2 关断时,能量不再是从输入端获得,而是通过续流回路,从电感器 L1 存储
的能量→电容 C2→负载 RL→二极管 D1,此时可得式子:L*di/dtoff= Vo,最后我们可以得
出 Vo/Vin=D,而 Vo 永远是小于 Vin 的,因为占空比 D≤1。
各个器件的作用:
1、输入电容器(C1) 用于使输入电压平稳;
2、输出电容器(C2) 负责使输出电压平稳;
3、箝位二极管(D1) 在开关开路时为电感器提供一条电流通路;
4、电感器(L1) 用于存储即将传送至负载的能量。
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1.5 开关电源的类型(非隔离式)
1.按输出电压分:
减低: 降压;
提升: 升压;
提升/减低:降压/升压
2.按拓扑结构分:
Buck、Boost、Cuk、SEPIC、
Zeta、Buck-Boost、其他…
1.6 降压转换器(降压型开关稳压器)的工作模型
开关电源是一个闭环的控制系统,我们可以把开关电源的电流比喻为水流,输入电容就
是一个高的蓄水池、输出电容是一个小的蓄水池,把一小杯一小杯的水从大水池传送到小水
池,通过控制传送的间隔时间和水杯的水量从而实现小水池固定的水量,当输出的水量低了,
就增加杯子的水量,当输出的水量高了,就减少杯子的水量。
1.7 降压转换器基础(电流和电压波形)
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当开关开通的时候,能量从输入向输出传递,电流是斜线上升的,好比模型里杯子的水
往小水池传送;当小水池的水偏高了,开关就关断,这时电感、负载、二极管形成自然的续
流回路,电流开始线性减少;当小水池的水低到一定程度后,重新开始开通开关;通过这样
高频率的开通和关断,就形成一个稳定的输出电压。
1.8 降压转换器拓扑
上图就是一个电路结构,我们可以通过两个电阻的分压采样输出的电压,再经过一个比
较器和基准比较,如果输出小于基准,MOS 管就开通;如果输出大于基准,就关断 MOS
管。
下图是用 LM22670 芯片做的电路示例,这就是一个典型的非同步降压转换器,因为他
下管是用了一个快恢复或者肖特基二极管。为什么要用肖特基呢?因二极管的寄生参数和漏
感会导致在 MOS 管在开通时产生一个高压的震荡,这个震荡最终会导致芯片的 SW 引脚高
压损坏和开关损耗非常大,导致效率很低,所以一般会使用快恢复或者肖特基二极管。
1.9 升压转换器(升压型开关稳压器)
升压转换器也可以用水流的模型来比喻,和降压转换器不同的只是把低处的水流往高处
传送。我们可以用拓扑结构图和波形图来分析。
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1.10 升压转换器(电流和电压波形)
左图就是升压转换器(Boost)的拓扑结构,我们前面讲过,电感 L 是一个储能元件,当
开关管导通的时候,输入的电压对电感充电,形成的回路是:输入 Vi→电感 L→开关管 Q;
当开关管关断时,输入的能量和电感能量一起向输出提供能量,形成的回路是:输入 Vi→
电感 L→二极管 D→电容 C→负载 RL,因此这时候输出的电压肯定就比输入的电压高,从
而实现升压。
1.11 升压转换器拓扑和电路示例
上图所示升压转换器的控制回路是通过分压电阻的采样,然后经过误差比较器和基准源
比较,最后输出 PWM。需要注意的是这种电路在芯片不工作的时候,它的输入到输出就已
自然经形成了回路,从输入→电感→二极管→电容→负载,所以如果不是在同步的升压拓扑
结构里面,在输入电路部分应该增加一个切换电路,否则在电池供电的时候,电池的电量就
白白用完了。
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1.12 降压-升压转换器(电流和电压波形)
状态一:开关管开通,二极管 D 反向截止,电感器储能,电流回路为:输入 Vin →开关管 Q→
电感器 L;
状态二:开关管关断,二极管 D 正向导通续流,电流回路为:电感器 L→电容 C→负载 RL→
二极管 D;
输出什么时候是升压,什么时候是降压呢? 我们可以根据公式 Vo=Vin×D/(1-D) 中知
道,当 D=0.5 时,Vo=Vin;当 D<0.5 时,Vo<Vin;当 D>0.5 时,Vo>Vin。而且我们可
以看到,这种拓扑结构我们很容易得到了负向的电压,当某些场合不想用隔离变压器拉抽头
的方式的时候我们可以用这种方式来实现负电压。
1.13 降压-升压转换器拓扑
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上图是用 TPS5430DA 实现的一个负电压输出的电路,TPS5430DA 和 LM22670 的引脚相同,
两者可以互换。
1.14 控制器与稳压器
控制器(Controler)和稳压器(Regularlator),上图是一个控制器和稳压器的区分参考,集
成开关管的 IC 我们一般称之为稳压器,需要外置开关管的 IC 我们称之为控制器,而图中的
描述我们只能作为一个参考,现在很多的稳压器已经可以做到大于 3A,而且热阻低到 10℃
/W 也有很多,但很多大功率的开关电源还是需要控制器,外置 MOS 管。
控制器与稳压器实例对比
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1.15 开关稳压器总结
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第二章 效率与 VOUT 的关系
在开关稳压电源中,输入电源的范围是知道的,输出稳压点的设置也是知道的,但是输
出 Vout 和效率的关系是什么呢?
我们经常的说的是占空比越大,效率越高,损耗越小,那么它是怎么得到的呢?有经验
的工程师就会根据公式去推导出来。占空比最大的时候为什么效率最高?下面举个
来更
大家解释一下。
电源的效率η:
上式中 Pout 为输出功率,Pd 为耗散功率
下面用一个简化的功耗计算公式来计算一下,为什么说是简化呢,我们的开关损耗有开
通损耗、关断损耗、导通损耗、驱动损耗,为了演示更加明显下面的计算只是写了一个导通
损耗。假设没有电感器电流纹波,输入 Vin=5V,输出 Io=1A,那么在输出为 3.3V 和 1V 的
情况下的损耗好如下表:
其实上面计算 mos 管的电流有效值的计算是错误的,正确的式子是 ,上面的
只是一个简化后的计算公式,只是为了更加容易计算而已。
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由上面的计算可以知道在 3.3V 输出的时候,效率为:
在输出为 1V 的时候,效率为:
由此可见 3.3V 输入的效率比较高,根据这个特性我们也描出了同等条件下输出与功率
的关系,有下图我们可以看出输出越大,也就是占空比越大,效率就越高。
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第三章 同步于非同步
3.1 什么是同步与非同步
(1)非同步
如果说我们的 high mosfes 和 LOW mosfes 同步的时候,会发现有些应用它就叫
开关管,并没有叫 high mosfes 和 LOW mosfes ,也就是高端 mos 管和低端 mos 管;
那么这种情况的肯定就是非同步的,因为他只有一个 mos 管(或者说开关管)所以他
不用去强调同步于非同步了。
(2)同步
同步是采用通态电阻极低的专用功率 MOSFET,来取代整流二极管以降低整流损
耗的一项新技术。它能大大提高 DC/DC 变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压
而造成的死区电压。功率 MOSFET 属于电压控制型器件,它在导通时的伏安特性呈
线性关系。用功率 MOSFET 做整流器时,要求栅极电压必须与被整流电压的相位保
持同步才能完成整流功能,故称之为同步整流。
3.2 区分同步、非同步
在应用中上下管都有场效应管的都有场效应管的就同步的,只有一个上管的开关的就是
非同步的,或者说如下图两个的 buck 电路,在主功率那一级中的功率开关管是我们常见的
如图 1,而下的续流二极管变成了开关管,那么这个开关管就叫同步场效应管如图 2。那么
图 1 就是非同步的,而图 2 就是同步的。
图 1 图 2
如下图:
一个控制器,外围加上上下两个 MOS 管,那么上管就可以当功率管,下管当做同步的
场效应管,如此就可以看出他是一个同步结构的 Buck 电路。
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3.3 同步,非同步的优缺点
(1)非同步的优缺点
在输出电流变化的情况下,二极管的电压降相当恒定
当续流二极管正向导通时,输出电流变化,二极管的正向压降是恒定不变的,锗管的压
降为 0.2-0.3V,硅管的压降为 0.7V。
效率低
因为二极管的电压降恒定,所以当流过二极管的电流很大的时候,原本在二极管上很
小的电压再乘以电流之后,输出的电压很低的时候,这时候的二极管的小电压降就占了很
大的比重,它的消耗功率就很可观了,所以在大电流的时候效率就会减低了。
比较便宜
大家都知道的二极管的价格肯定是比 MOS 的价格便宜的,这里说是可以是同等条件
下的,大家都是用同一个衬底的情况下。如果说一个是普通衬底的 mos 管,而另外一个是
碳化硅衬底的二极管,或者说一个是低压的 mos 管和一个高压的二极管,那么他们的价格
就不一定是二极管的比 mos 管的便宜了。
可采用较高的输出电压
在输入电压比较高的时候使用是比较好的,因为在输出电压高时,二极管的正向导通
压价所占的比重就很小,对效率的影响就比较低,而且它的电路结构比较简单,不需要外
加控制电路,生产的工艺
也会比较简单。
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(2)同步的优缺点
MOSFET 具有较低的电压降
在 MOSFES 的参数中有一个很重要的参数那就是 MOSFES 的导通电阻 Rds on ,一般
情况 MOSFES 的导通电阻 Rds on 是非常小的,一般都为毫欧级别,所以 MOSFES 在导通
之后的压降非常比较低的。
效率较高
在相同的条件下,一般的 MOS 管的导通电压降远远小于普通肖特基二极管的正向导
通压降的,所以在电流不变的情况下,MOS 管的损耗功率是远远比二极管小的,所以说使
用 MOS 管的效率会比使用二极管的效率会高
需要额外的控制电路
Mos 管需要驱动电路的,所以说同步的需要为 MOS 管额外添加一个控制电路,使得
上下两个 MOS 管能够同步,而非同步的二极管是自然整流的,所以不需要额外添加驱动
控制电路,所以所先对非同步,同步的电路也会比较复杂。
成本比较高
由于一般相同 mos 管的价格比二极管高,而且 mos 管还需要驱动电路,驱动 ic,所以
在成本上同步的比非同步的制造成本相对会贵一些,生产的流程工艺也会复杂一些。
3.4 同步于非同步的选择
效率
在看完各自的优缺点之后,在制作时到底该如何选择同步于非同步呢?如果要求效率
比较高,而成本高一点无所谓的话,那么必定是要选择的同步的。上面也提到了,mos 管
损耗小,可以提高效率,但它也比较贵,成本也高。
成本
同步也非同步之间,非同步的续流是二极管,它的的价格比 mos 管便宜,而且不需要
额外的控制电路,电路简单的多,所以它无论是材料成本还是制作成本都要比同步的低,
所以在要求效率不是很高的时候也可以选择非同步。
可靠性
还有一个就是可靠性,非同步的可靠性肯定是比同步的更加可靠的,为什么呢,因为
mos 管不可能是理想的开关,它也是有开通时间和关断时间的,所以如果上下两个管子的
死区时间没有控制好,使上管的关断时间和下管的开通时间有重叠,造成有直通现象,那
么 mos 管就会因电流过大而损坏。
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所以在选择同步的时候时序的选择也是一个很重要的问题。因此同步的时候控制 IC
的选择也是个比较重要的问题图 4,IC 只是个集成功率 FET 的控制器,如果要把它的整流
二极管换成 mos 管做同步的时候,那么它的死区就要严格的控制了,但是如果像图 5 中的
IC,它集成了上下管,这些就不需要担心的太多了。
图 4
图 5
为了更加凸显同步于非同步的效率问题,下面举个例子来说明一下:
输入电压:Vin=5V 同步 mos 管内阻 Rds on _sync=0.12ohm
输出电压:Vout=1V 功率 mos 管内阻:Rds on_PWR=0.2 ohm
输出电流:Iout=1A 非同步续流二极管正向导通压降 VF_DIONDE=0.5V
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η=88% η=69.4%
从上面的比教可以看出影响效率的主要就是续流二极管的损耗,对于低输出电压的来说
采用同步的效果是非常明显的,而对于较高的 VOUT,采用同步还是非同步并不太成问题,
较高的占空比,同步 FET 或箝位至二极管中的功耗较少。
第四章 隔离式与非隔离式
4.1 非隔离式拓扑结构
在电源中电源的拓扑结构有着不同的形式,这里图 1 所给出的图形示出了三种基础的
DC-DC 电源转换拓扑它们分别是,Buck、Boost、Buck-Boost 。
优点:结构简单、体积小、成本较低;输出电压调节范
围宽。
缺点:前后不隔离,如果用市电供电,人接触电源的输
出端或地端可能有触电危险,还有就是在下雨天打雷的
时候,由于没有隔离很有可能就会把整个电路的都会烧
坏:只能升压或降压或极性转换,输出电压不能与输入
电压相等。
图 1
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4.2 隔离式拓扑结构
由于许多应用中都需要输入/输出隔离,所以基于 Buck、Boost、Buck-Boost 这三种拓扑,
推导出了其他的常用拓扑:反激式,正激式, 推挽式,半桥式, 全桥式
优点:
保护人员、设备免遭感应在隔离另一端的危险瞬态电压损害
去除隔离电路之间的接地环路以改善抗噪声能力。
在系统中轻松完成输出接线,而不与主接地发生冲突。
缺点:
体积较大,或同等体积的功率较小
4.2.1 正激变换器
单端正激变换器是由 BUCK 变换器派生而来的。图 2 上图为 BUCK 变换器的原理图,
将开关管右边插入一个隔离变压器,就可以得到图 2 下图的单端正激变换器
图 2 上图
4.2.2 反激变换器
反激变换器是由 BUCK-BOOST 变换器推演而来的。图 2 上图为 BUCK-BOOST 变换器
的原理图,将电感变换一个隔离变压器,就可以得到图 2 下图的反激变换器。
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图 2 下图
4.2.3 正激式/ 反激式拓扑比较
原理图上的区别,在上图的比较中可以看到黄色部分,正激变换器在加入隔离变压器器
的同时也加入了一个辅助电感 Nr,它是一个磁复位的电感。但是由 Buck-boost 改造出来的
反激变换器去没有这个复位绕组,为什么呢,因为反激变换器的变压器它既是电感又是变压
器,所以电感的特性来讲,它是不需要复位绕组的,电感就是一个储能的器件,它在 MOS
开通时储存能量,MOS 关断时释放能量,所以一直在平衡的状态,它是不会到达饱和。
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正激变换器,它的 VIN 一直都是加在上面的,当 mos 不断的开通,它的能量也不停的
加在原边,所以它的磁芯就会容易饱和,所以这个时候我们就需要加一个复位的电感,释放
它原边电感的能量。
下面再对比一下正激和反激的其他特性:
4.2.4 反激式转换器特性
优点:
采用一个耦合电感器来充当隔离变压器并
用于储能。
输入和输出地是隔离的。
利用占空比和匝数比来实现电压的降低或
提升。
易于实现多个输出。
不需要采用一个单独的输出电感器。
最适合较低的功率级别。
缺点:
高输出纹波电流。
高输入纹波电流。
环路带宽可能受限于右半平面(RHP) 零点。
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4.2.5 反激式的优点及应用
采用最简单的隔离式拓扑,因而具有最低的成本
使用了数量最少的功率组件:4 个
最为人们所了解、实现的数量最多而且得到最广泛支持的拓扑之一
由于上述原因,对于功率范围<150W 的应用而言反激式转换器是一种上佳的选择。
4.2.6 反激的重要波形
当开关管开通,电感的电流上升,可以看出它的电流的图形和 BUCK-BOOST 的图形是
非常的相似的,它的区别就是在一个原副边的匝比上面而已,这里也可以看出其变压器的就
是一个电感的作用。
4.2.7 反激的稳态分析
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上图是开关管的开通电流波形和续流二极管导通的波形,由波形我们也可以看出,开关
管的波形加上续流二极管的电流波形就是电感的电流波形。
4.2.8 反激变换器的设计问题
必须选择合适的反激式转换器组件,以便能够处理必要的电流和电压应力。这些应力
由前一章节里给出的公式确定。所有这些应力均与变压器有关:匝数比、电感。
占空比、匝比这些都是要工程师来设计的,在输入的有最小电压,最大电压,它都有对
应的占空比,中间还有一个稳态的工作电压,你要优化在这个点上的效率,当然很少有工程
师想的那么多,因为一般反激的应用都是在小功率的场合,对应效率的要求也不是那么苛刻。
而且对于尺寸大小要求很高,所以频率要做得很高,应用的功率也不是很大,效率低一点,
这个做出来的损耗也不是很大。
下图所示说明了针对反激式变压器的基本要求:
请注意,由于集肤效应的原因,在高开关频率变压器中需要采用多股细导线。
为使操作在较宽的负载范围内保持于连续导通模式,需要高电感。
由于使用了较高的电感,初级和次级电路中的纹波电流都将较低。
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4.2.9 实例–设计
一项设计总是从制定设计规范开始的,包括输入电压范围、功率级别、输出电压等等。
占空比和开关频率一般都是预先确定的。通常而言,采用一个介于 200 kHz 和 300 kHz 之
间的开关频率可以很好地兼顾开关损耗与滤波器要求。事实上在 65kHz-300 kHz 都有人用,
要知道我们的频率和开关损耗是成正比的,和体积是成反比的,当你的设计体积不是很严格
的时候,可以用 65 kHz 来做,那样它的效率可以达到更好的效果。如果用 200 kHz 和 300
kHz 之间那么磁芯就可以做小,电源的体积就可以做得更小,纹波也可以做得更好。
4.2.10 反激式电路实例
(1)隔离型
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上图是国半 LM5020 的做的反激变换器,这是一个隔离型的反激变换器,大家可以看到
它上面有个光耦,光耦一定要把 CTR(电流传输比)设置在线性区域,如果不在线性区域
当控制环路在调整的时候,CTR 就会变,那么它就会影响到反馈的环路,影响到整个电路
的稳定性。这里大家可以参考一下啊,这个电路无论是光耦的供电还是型号的传输都是隔离
的,它真正的起到了电气隔离和型号的隔离。
(2)非隔离型
对于这种非隔离的反激变换器我们可以认为它是优化DC-DC里面BUCK-BOOST效率的
时候,加入了变压器的匝比那么它可以更加优化占空比工作范围。对于这个电路信号不是隔
离的,所以对于 EMI 的优化起到了一定的难度。
4.2.11 结论
反激式拓扑是适合隔离式电源的最简单拓扑。大多数应用是在通信和以太网供电(PoE)
领域,这里的功率级别低于 50W, 现在,802.11 AF, AT 之外的 POE 电源标准还未发布。
讨论了反激式工作原理并介绍了稳态分析,旨在提供设计指引。
主要的设计问题是反激式电源变压器。
采用一个实例来演示设计。
环路补偿简单,比例积分即可。
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第五章 脉宽调制与脉冲频率调制
5.1 概述
PWM 和 PFM 是两大类 DC-DC 转换器架构
每种类型的性能特征是不一样的
重负载和轻负载时的效率
负载调节
设计复杂性
EMI / 噪声考虑
集成型转换器解决
可整合这两种操作模式以利用它们各自的优势
5.2 典型便携式电源应用实例
降压转换器– 电源处理器或“数字负载”
(1) 负载水平有可能发生显著的变化: 在“睡眠”时为 1~2 mA,而在“主动”操作
期间则可达几百 mA
(2) 期盼 / 需要在整个负载范围内实现高效率
(3) 需要上佳(足够的)负载调节以处理瞬态状况
(4) 升压转换器–LED 背光灯、音频偏置电源轨或其他的“模拟”负载
(5) 对于噪声 / 纹波的敏感度在很大程度上取决于应用
(6) 对于 LED 应用,可以采用不同类型的亮度控制方法
5.3 定义–PWM 和 PFM
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5.4PWM 控制架构
如图是教科书上经典设计的架构图,输出的两个分压电阻出来做采样信号,然后通过一
个补偿器和精准源的比较,再把输出的误差信号和一个 Ramp(三角波比较),得到固定周期
的脉冲。
PWM 控制的优缺点:
优点:
1、中等和重负载条件下可实现良好的效率
2、开关频率由 PWM 斜坡信号频率设定
缺点:
3、效率在轻负载条件下显著下降,因为开关频率固定导致了开关损耗在轻载时效率不高
4、快速瞬态响应和高稳定性需要仰仗上佳的补偿网络设计
5.5 滞环模式控制
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开关式(Bang-Bang) 控制,也称滞环模式控制,其实就是一个窗口比较器的概念,
MOSFET 的接通和关断基于输出电压的检测,所以它的响应速度是最快,输出电压始终恰
好高于或低于理想设定点,比较器迟滞用于保持可预测的操作并避免开关“跳动”。
5.6 脉冲跳跃/ 省电模式 Burst Mode
在轻负载时,PWM 转换器能自动切换至一种“低功耗”模式以最大限度地减少电池电
流消耗,该模式有时被称为“PFM”– 但实际上是一个间歇式地接通和关断的固定频率
(PWM) 转换器。
5.7PWM 模式和跳跃模式波形图
根据左边和右边的波形我们可以看到,左边的是经典的 PWM 模式,右边的图是在轻载
或者时的 PWM 跳跃模式的波形,跳跃模式中的 PWM 的频率降低,所以开关损耗减少了。
如果我们从输出电压纹波来看的话,纹波是变大了,因为它这种模式下已经不是每个周期都
调整 PWM,而是反馈信号到了窗口比较器的上限或者下限的时候才做出调整。
5.8 转换器效率和损耗
“损耗”= 任何从输入吸收而未传送至输出的能量
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损耗的组成部分:
MOSFET:开关损耗、栅极驱动器损耗、传导损耗。
无源组件:电感上的绕组和磁芯损耗、阻性损耗、电容器 ESR 损耗。
转换器 IC:内部基准、振荡器电路、栅极驱动电路损耗。
转换器 IC 损耗:
在轻负载时,无源组件和 FET 损耗显著下降,IC 内部电流受振荡器的支配,某个固定
频率上,IC 工作电流不会随负载而减小。IC 的工作电流会影响轻负载效率,假如负载电流
约为 1 mA,则 IC 的内部电流在 4 mA 左右,这时“最好情况”也只有效率< 20%。如果负
载电流约为 200 mA,则 IC 的内部电流为 4 mA 左右,这时“最好情况”效率> 90%。
5.9 双模式降压转换器
假如转换器是在双模式下工作,IC 运行在 PWM 模式的时候的工作电流为 3.5mA,在
轻载或空载的情况下 IC 进入省电模式,这时 IC 的工作电流约为 23μA,这样,效率就提高
了。
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5.10 输出纹波差异
采用省电模式时的一项折衷:在某一给定的负载电流条件下输出纹波较高,在本例中达
到了 15 mVPP,而 PWM 模式则仅为< 5 mVPP,如下图:
脉冲跳跃间隔取决于负载,随着负载的增加,开关脉冲出现的频度增高(在 40mA 时
每 6.5µs 出现一次,而在 1mA 时则是每 100 µs 出现一次),如果负载充分增加,则转换器
将恢复恒定频率操作。如下图波形所示:
5.11 省电模式与强制 PWM 模式的对比
下图为在 10 至 30 mA 负载瞬变条件下的测试结果。
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为了提高全范围负载的效率,轻载时,芯片进入 PFM 控制模式;重载时,芯片强制进
入 PWM 模式。
5.12 多种省电模式
所谓的快速 PFM 和轻 PFM,它们是根据输出的负载电流而定的,当我们设定好电流的
阀值门槛的话,电路就可以自然地切换。快速 PFM 的效率高于 PWM,但低于轻 PFM
(LPFM) ,需要权衡折衷,如下图:为两种模式的输出电流和效率之间的关系图。
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如果需要在非常轻负载时实现最高的效率,则采用“轻 PFM”模式;如需在轻负载和
重负载之间频繁切换,且具有上佳的瞬态响应,则可使用“快速 PFM”模式。省电模式的
选择由用户通过向转换器发送 I2C 命令来完成。
5.13 概要/ 结论(可变频率转换器)
优势
在轻负载条件下可实现更好的效率
无需补偿器
易于实现:允许使用多种电感器
可变频率架构可能存在一些问题
EMI 频谱散布在所有的频率上,可能很难滤除
可听噪声(对于 f < 20 kHz )
与 EMI 有关的问题有时可以得到缓解:
EMI 由快速 dv/dt 和 di/dt 引起
在高功率条件下采用固定频率 PWM
在省电模式中采用可变频率,总输出功率级别非常低。
EMI 可能不是问题
需要时可将转换器设定至“强制 PWM” 模式
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附录一:编委信息与后记
《开关电源基础知识》通过对 TI 培训班视频课程的整理,以帮助
更多工程师能够更好的学习 TI 的课程知识。
在此特别感谢:TI 公司的大力支持
希望《开关电源基础知识》,能够为工程师朋友们带来更加详细全
面的讲解!
电源网
2013.4.10
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附录二:版权说明
1、《开关电源基础知识》著作权属 TI和电源网共同所拥有;
2、本着开源思想,我们授权任何对《开关电源基础知识》有兴趣的
工程师免费下载、复制、传播该书;
3、用于商业用途须经 TI 和电源网的书面同意。
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