降压式开关电源

..开关电源主电路第1节开关电源概述一、开关电源的构成开关电源采用功率半导体器件（GTR、MOSFET、IGBT等）作为调整管，通过控制电路控制调整管的导通时间，使输出电压保持稳定。开关电源的电路构成如图4-1所示。图4-1开关电源的电路构成（一）一次整流/滤波电路将交流输入电压（通常是市电电网的交流电压220V或380V）进行整流滤波，转化成为直流电压（300V或500V），然后将直流电压供给DC/AC变换器。相比与线性直流稳压电源，开关电源在这一环节可以省去工频变压器，消除了工频变压器带来的损耗。（二）DC/AC变换器DC/AC变换器的主要作用是将一次整流/滤波电路提供的直流电压变换成高频交流电压（一般频率可达到几十KHZ到几百KHZ甚至更高）。（三）二次整流/滤波电路将DC/AC变换器变换输出的高频交流电压进行整流滤波，转化成平滑的直流输出电压。DC/AC变换器二次整流/滤波采样电路基准电压比较电路控制电路一次整流/滤波ＡＣ输入ＤＣ输出..（四）反馈网络反馈网络包括基准电压、采样电路和比较电路。采样电路把输出电压的一部分或者全部采样回来，采样到的电压和基准电压送入比较电路进行比较，比较的结果送给控制电路。（五）控制电路控制电路根据反馈网络的结果输出占空比可调的控制脉冲去控制调整管的通断时间，这是所谓的“时间控制法”。（六）辅助电路开关电源中常见的其它电路主要有软启动电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路、驱动电路等等。二、开关电源的分类开关电源的分类方式有很多，可以按激励方式、调制方式、调整管类型、输入电压/输出电压大小、调整管的连接方式和储能电感的连接方式等分类方式进行分类。（一）按激励方式划分开关电源按激励方式划分可分为自激式开关电源和它激式开关电源。在自激式开关电源中功率开关管既作为调整管，又兼作控制脉冲信号产生的振荡管。在它激式开关电源中则专门设置有产生控制脉冲信号的控制电路。（二）按调制方式划分开关电源按调制方式划分可分为脉宽调制型开关电源、脉频调制型开关电源和混合调制型开关电源。脉宽调制（PWM）指的是控制脉冲周期不变，导通时间改变，进而改变占空比的调制方式。脉频调制（PFM）指的是控制脉冲导通时间不变，周期（频率）改变，进而改变占空比的调制方式。混合调制指的是控制脉冲导通时间和周期都改变，进而改变占空比的调制方式。（三）按调整管的类型划分开关电源根据调整管的类型不同可分为晶体管（GTR）开关电源、场效应管（MOSFET）开关电源和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）开关电源。..（四）按输入/输出电压大小划分开关电源按输入电压和输出电压的大小划分可分为降压式开关电源、升压式开关电源和极性反转式开关电源。降压式开关电源的输出电压小于输入电压，升压式开关电源的输出电压大于输入电压，极性反转式开关电源的输出电压和输入电压极性相反。降压式、升压式和极性反转式开关电源都没有实现电气隔离的变压器。（五）按连接方式划分开关电源按连接方式可分为单端反激式开关电源、单端正激式开关电源、推挽式开关电源、半桥式开关电源和全桥式开关电源。其中单端反激式开关电源适用于电气隔离的输出小功率场合，单端正激式开关电源适用于电气隔离的输出较大功率场合，半桥式和全桥式开关电源适用于电气隔离的大功率输出场合（全桥式开关电源的输出功率要比半桥式开关电源的输出功率更大），推挽式开关电源适用于电气隔离的低电压输入场合。三、开关电源的设计（一）确定开关电源的主回路开关电源的主回路也叫做开关电源拓扑结构，常见的开关电源的拓扑结构主要有以下七种：（1）降压式变换器（2）升压式变换器（3）单端反激式变换器（4）单端正激式变换器（5）推挽式变换器（6）半桥式变换器（7）全桥式变换器确定开关电源的拓扑结构的依据主要有两个方面：首先考虑电路是否需要电气隔离，如果电路需要电气隔离，则选择单端反激式变换器、单端正激式变换器、推挽式变换器、半桥式变换器、全桥式变换器中的某一种拓扑结构。如果电路不需要电气隔离，则可选择升压式变换器和降压式变换器。其次考虑电源的输出功率，输出小功率选择单端反激式变换器，输出较大功率选择单端正激式变换器，大功率输出选择半桥式和全桥式变换器，输出功率较大输入电压比较低选择推挽..式变换器。（二）选择控制电路控制电路按激励方式有自激式和它激式控制电路，其中自激式控制电路通过启动电阻，利用高频变压器的正反馈实现开关管的饱和导通，利用功率管的退饱和特性实现开关管的截止断开。它激式控制电路一般使用的是集成控制电路IC，其中比较常用的集成控制电路有电压型脉宽调制控制电路TL494，电流型脉宽调制控制电路UC3845。（三）确定辅助电路开关电源通常由一次整流/滤波电路，功率变换器，控制电路，二次整流/滤波电路，电压反馈网络等组成，其中电路主回路也就是功率变换器是整个开关电源的核心。开关电源除了功率变换器和控制电路以外，还需要一些辅助电路才能保证正常工作。开关电源中常见的辅助电路有：（1）输入EMI滤波电路（2）整流/滤波电路（3）驱动电路（4）软启动电路（5）保护电路（6）电压反馈电路其中输入EMI滤波电路的主要作用是防止电网的干扰传入设备，干扰设备的正常工作，同样也可防止设备产生的干扰传到电网上，干扰其他设备的正常工作。整流/滤波电路分为一次整流/滤波电路和二次整流/滤波电路，这两种电路的主要区别是工作频率的差异，一次整流/滤波电路工作的频率为电网交流电频率50/60HZ，二次整流/滤波电路工作的频率为开关电源的频率，其频率通常为几十KHZ到几百KHZ甚至更高。驱动电路的主要作用是保证调整管能够有效可靠的工作，使调整管在该关断的时候迅速关断，并在整个关断期间维持关断；在该开通的时候迅速开通，并在整个导通期间维持导通。软启动电路主要防止开关电源开机时的冲击电流，保证开关电源能够正常工作。开关电源的保护电路有很多，比如过压保护电路、欠压保护电路、过流保护电路、过热保护电路等等。电压反馈电路是各类开关电源都必须具有的辅助电路，它通常由采样电路，基准电压和比较电路组成。..（四）PCB设计开关电源的主回路、控制电路和辅助电路确定以后，就可以开始绘制电路原理图，然后根据电路原理图创建网络表。在创建网络表的时候需要注意元器件的封装形式，因为在开关电源中很多元器件的封装形式不是标准封装形式，需要自己定义封装。在定义封装时，根据元器件实际的外形尺寸和引脚位置进行确定。在确定了所有的元器件封装以后，导入网络表，开始进行元器件的布局。在进行元器件布局时要尽量符合以下原则：（1）按照电路的流向和各个功能电路单元的位置，使布局适合于信号流通，并使信号尽量保持方向一致；（2）以每个功能电路的核心元件为中心，围绕这个中心来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量使各元器件之间的引线和连接简单化；（3）在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且安装、焊接容易，易于批量生产；（4）位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm；（5）应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。另外在布局特殊元件时，还应注意以下问题：（1）尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入、输出元件应尽量远离；（2）某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽可能布置在调试时手不易触及的地方；（3）重量超过15g的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。那些又重又大、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，应安装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题；（4）热敏元件应远离发热元件；（5）对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。元器件的布局完成以后，进行印制电路板的布线。合理的布线可使印制电路板获得最佳性能，布线的一般原则有：（1）信号线与其回路构成的环的面积要尽可能小，环面积越小，对外的辐射越少，接收外界的干扰也越小；..（2）串扰是指PCB上不同网络之间因较长的平行布线引起的相互干扰，主要是由于平行线间的分布电容和分布电感的引起的。克服串扰的主要措施是：加大平行布线的间距，遵循3W规则。3W规则是指：当线和线的中心间距不少于3倍线宽时，可保持70%的电场不互相干扰。另外还可以在平行线间插入接地的隔离线或减小布线层与地平面的距离来减少串扰；（3）对一些特别重要或频率特别高的信号，应该考虑采用铜轴电缆屏蔽结构设计，即将所布的线上下左右用地线隔离，而且还要考虑好如何有效的让屏蔽地与实际地平面有效结合；（4）避免将不同的信号线在相邻层走成同一方向，以减少不必要的层间窜扰；当由于板结构限制（如某些背板）难以避免出现该情况，特别是信号速率较高时，应考虑用地平面隔离各布线层，用地信号线隔离各信号线；（5）一般不允许出现一端浮空的布线,主要是为了避免产生天线效应，减少不必要干扰的辐射和接收；（6）为了减小高频信号对外的辐射与耦合，布线时拐角应尽量使用45°或圆弧形，切忌采用90°拐角。（五）安装调试第2节降压式变换器一、电路组成降压式变换器也叫做buck变换器，其拓扑结构如图4-2所示。图中VT为功率调整管（功率开关管），为输入的直流电压，为输出的直流电压，VD为续流二极管，L为储能电感，C为滤波电容。该电路完成把输入的直流电压转换成输出的直流电压的功能。图4-2降压式变换器的拓扑结构IUOUIUOUVTVDLCRL+__+UＩUo↓ＩoＩc→ＩLＩd↑Ub↓..二、工作原理控制脉冲导通时，开关管VT导通，续流二极管VD截止，输入直流电压经过开关管VT和储能电感L加载到负载上。在电感线圈没有饱和之前，流过电感L的电流逐渐增加，由于电感的时间常数要比控制脉冲的导通时间大的多，电流的增加近似是一个线性增加过程。在电感电流线性增加的过程中，电感储存能量。控制脉冲截止时，开关管VT截止，流过电感线圈的电流减小，为了阻碍电流的减小，电感线圈L产生感应电动势，感应电动势方向“右正左负”，此时续流二极管VD导通，电感线圈L经过续流二极管VD给负载供电。在供电的过程中，电感线圈L释放能量，流过电感线圈的电流线性减小。在降压式变换器整个工作过程中滤波电容C通过不断的充放电使流过负载的电流连续稳定。当流过电感线圈的电流大于负载电流时，电容充电（），当流过电感线圈的电流小于负载电流时，电容放电（）。三、电路中各点波形降压式变换器在控制脉冲导通时电感线圈储存能量，流过电感线圈的电流线性增加，在控制脉冲截止时电感线圈释放能量，流过电感线圈的电流线性减小。按电感线圈在控制脉冲导通期间储存的总能量是否足够在控制脉冲截止期间释放，可把降压式变换器的工作模式分为连续工作模式和不连续工作模式。如果电感线圈在控制脉冲导通期间储存的总能量足够在控制脉冲截止期间释放，这种工作模式称为连续工作模式。如果电感线圈在控制脉冲导通期间储存的总能量不够在控制脉冲截止期间释放，这种工作模式称为不连续工作模式。连续工作模式和不连续工作模式的波形如图4-3所示。(a)连续工作模式(b)不连续工作模式IULRLILILILILRLILRoILIoICLoIIILIoICLoIIILILI..图4-3降压式变换器连续工作模式和不连续工作模式在连续工作模式，电感线圈在控制脉冲导通期间储存的总能量足够在控制脉冲截止期间释放，也就是控制脉冲截止的最后时刻流过电感的电流的值大于或等于零。在不连续工作模式，电感线圈在控制脉冲导通期间储存的总能量不够在控制脉冲截止期间释放，也就是电感线圈中能量释放完时（流过电感的电流降为零时），控制脉冲截止时间还没结束，也就是控制脉冲还没有重新导通，因而能量得不到及时的补充，这样就出现了电流不连续的工作状态，这就是所谓的不连续工作模式。在降压式变换器设计过程中，一般要求变换器工作在连续工作模式，接下来