線性電壓 IC 穩(wěn)壓器開關(guān)電源
對(duì)于專用開關(guān)模式電源,線性穩(wěn)壓器通常比由齊納二極管和電阻器、晶體管甚至運(yùn)算放大器等分立元件制成的等效穩(wěn)壓器電路更高效且更易于使用。
迄今為止,的線性和固定輸出電壓調(diào)節(jié)器類型是 78… 正輸出電壓系列和 79… 負(fù)輸出電壓系列。這兩種類型的互補(bǔ)電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生且穩(wěn)定的電壓輸出,范圍從大約 5 伏到大約 24 伏,用于許多電子電路。
有多種三端固定電壓調(diào)節(jié)器可供選擇,每種都有自己的內(nèi)置電壓調(diào)節(jié)和電流限制電路。這使我們能夠創(chuàng)建一整套不同的電源軌和輸出,無論是單電源還是雙電源,適用于大多數(shù)電子電路和應(yīng)用。
甚至還有可變電壓線性穩(wěn)壓器,其輸出電壓可從略高于零到低于其電壓輸出幾伏的范圍內(nèi)連續(xù)變化。
大多數(shù)直流電源都包含一個(gè)大而重的降壓電源變壓器、全波或半波二極管整流以及一個(gè)濾波器電路,用于消除整流直流中的任何紋波內(nèi)容,以產(chǎn)生適當(dāng)平滑的直流輸出電壓。
此外,某種形式的電壓調(diào)節(jié)器或穩(wěn)定器電路(線性或開關(guān))可用于確保在變化的負(fù)載條件下正確調(diào)節(jié)電源輸出電壓。那么典型的直流電源將如下所示:
典型直流電源
直流電源
這些典型的電源設(shè)計(jì)包含一個(gè)大型電源變壓器(還提供輸入和輸出之間的隔離)和一個(gè)串聯(lián)穩(wěn)壓器電路。穩(wěn)壓器電路可由單個(gè)齊納二極管或三端線性串聯(lián)穩(wěn)壓器組成,以產(chǎn)生所需的輸出電壓。線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)是電源電路只需要一個(gè)輸入電容、輸出電容和一些反饋電阻來設(shè)置輸出電壓。
線性穩(wěn)壓器通過在輸入和輸出之間串聯(lián)放置一個(gè)連續(xù)導(dǎo)通的晶體管來產(chǎn)生穩(wěn)定的直流輸出,該晶體管在其電流-電壓 (iv) 特性的線性區(qū)域(因此得名)運(yùn)行。
因此,晶體管的作用更像是一個(gè)可變電阻,它不斷地將自身調(diào)整到維持正確輸出電壓所需的任何值??紤]下面這個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)傳輸晶體管穩(wěn)壓器電路:
串聯(lián)晶體管穩(wěn)壓電路
串聯(lián)穩(wěn)壓電路
這里,這個(gè)簡(jiǎn)單的射極跟隨器調(diào)節(jié)器電路由單個(gè) NPN 晶體管和用于設(shè)置所需輸出電壓的直流偏置電壓組成。由于射極跟隨器電路具有單位電壓增益,因此向晶體管基極施加合適的偏置電壓,從發(fā)射極端子獲得穩(wěn)定的輸出。
由于晶體管提供電流增益,因此輸出負(fù)載電流將遠(yuǎn)高于基極電流,如果使用達(dá)林頓晶體管布置,則輸出負(fù)載電流會(huì)更高。
此外,假設(shè)輸入電壓足夠高以獲得所需的輸出電壓,則輸出電壓由晶體管基極電壓控制,在本例中為 5.7 伏,以向負(fù)載產(chǎn)生約 0.7 伏的 5 伏輸出落在基極和發(fā)射極端子之間的晶體管上。然后根據(jù)基極電壓的值,可以獲得任意值的發(fā)射極輸出電壓。
雖然這個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)穩(wěn)壓器電路可以工作,但其缺點(diǎn)是串聯(lián)晶體管在其線性區(qū)域持續(xù)偏置,以熱量的形式耗散功率。由于所有負(fù)載電流必須通過串聯(lián)晶體管,這會(huì)導(dǎo)致效率低下、浪費(fèi) V*I 功率以及晶體管周圍持續(xù)發(fā)熱。
此外,串聯(lián)穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)之一是其連續(xù)輸出電流額定值僅限于幾安培左右,因此通常用于需要低功率輸出的應(yīng)用中。
當(dāng)需要更高的輸出電壓或電流功率需求時(shí),通常的做法是使用通常稱為開關(guān)模式電源的開關(guān)調(diào)節(jié)器,將市電電壓轉(zhuǎn)換為所需的更高功率輸出。
開關(guān)模式電源(SMPS)正在變得越來越普遍,并且在大多數(shù)情況下已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的線性交流到直流電源,作為一種降低功耗、減少散熱以及尺寸和重量的方法。
開關(guān)模式電源現(xiàn)在可以在大多數(shù)個(gè)人電腦、功率放大器、電視、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等以及任何需要高效電源的設(shè)備中找到,因?yàn)殚_關(guān)模式電源正日益成為一種更加成熟的技術(shù)。
根據(jù)定義,開關(guān)模式電源 (SMPS) 是一種使用半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)而不是標(biāo)準(zhǔn)線性方法來提供所需輸出電壓的電源?;鹃_關(guān)轉(zhuǎn)換器由功率開關(guān)級(jí)和控制電路組成。
功率開關(guān)級(jí)執(zhí)行從電路輸入電壓V IN到輸出電壓V OUT的功率轉(zhuǎn)換,其中包括輸出濾波。
與標(biāo)準(zhǔn)線性穩(wěn)壓器相比,開關(guān)模式電源的主要優(yōu)點(diǎn)是效率更高,這是通過在“ON”狀態(tài)(飽和)和“OFF”狀態(tài)(飽和)之間內(nèi)部切換晶體管(或功率 MOSFET)來實(shí)現(xiàn)的。截止),兩者都會(huì)產(chǎn)生較低的功耗。
這意味著當(dāng)開關(guān)晶體管完全“導(dǎo)通”并傳導(dǎo)電流時(shí),其兩端的電壓降處于值,而當(dāng)晶體管完全“關(guān)斷”時(shí),沒有電流流過它。因此晶體管的作用就像一個(gè)理想的開/關(guān)開關(guān)。
與僅提供降壓電壓調(diào)節(jié)的線性穩(wěn)壓器不同,開關(guān)模式電源可以使用三種基本開關(guān)模式電路拓?fù)渲械囊环N或多種來提供輸入電壓的降壓、升壓和負(fù)壓:降壓、升壓和降壓-促進(jìn)。這些名稱指的是晶體管開關(guān)、電感器和平滑電容器在基本 SMPS 電路中如何連接在一起。
降壓開關(guān)模式電源
降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種開關(guān)模式電源電路,旨在有效地將直流電壓從較高電壓降低到較低電壓,即減去或“降壓”電源電壓,從而降低輸出端可用的電壓端子無需改變極性。換句話說,降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器是降壓調(diào)節(jié)器電路,因此例如降壓轉(zhuǎn)換器可以將+12伏轉(zhuǎn)換為+5伏。
降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種直流-直流轉(zhuǎn)換器,也是簡(jiǎn)單、的開關(guān)穩(wěn)壓器類型之一。當(dāng)在開關(guān)模式電源配置中使用時(shí),降壓開關(guān)穩(wěn)壓器使用串聯(lián)晶體管或功率 MOSFET(是絕緣柵雙極晶體管或 IGBT)作為其主要開關(guān)器件,如下所示。
降壓開關(guān)穩(wěn)壓器
我們可以看到,降壓轉(zhuǎn)換器的基本電路配置是串聯(lián)晶體管開關(guān)TR 1以及相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路(使輸出電壓盡可能接近所需水平)、二極管D 1、電感器L 1和平滑電容器C 1。降壓轉(zhuǎn)換器有兩種工作模式,具體取決于開關(guān)晶體管TR 1是“導(dǎo)通”還是“截止”。
當(dāng)晶體管偏置為“ON”(開關(guān)閉合)時(shí),二極管D 1變?yōu)榉聪蚱?,輸入電壓V IN導(dǎo)致電流通過電感器流至輸出端連接的負(fù)載,為電容器C 1充電。
當(dāng)變化的電流流過電感器線圈時(shí),根據(jù)法拉第定律,它會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),該反電動(dòng)勢(shì)與電流流動(dòng)相反,直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),在電感器周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)L 1。只要TR 1關(guān)閉,這種情況就會(huì)無限期地持續(xù)下去。
當(dāng)晶體管TR 1通過控制電路“關(guān)閉”(開關(guān)打開)時(shí),輸入電壓立即與發(fā)射極電路斷開,導(dǎo)致電感器周圍的磁場(chǎng)崩潰,從而在電感器上產(chǎn)生反向電壓。
該反向電壓導(dǎo)致二極管變得正向偏置,因此電感器磁場(chǎng)中存儲(chǔ)的能量迫使電流繼續(xù)以相同方向流過負(fù)載,并通過二極管返回。
然后,電感器L 1將其存儲(chǔ)的能量返回到負(fù)載,充當(dāng)電源并提供電流,直到所有電感器的能量返回到電路或直到晶體管開關(guān)再次閉合(以先到者為準(zhǔn))。同時(shí)電容器也放電,為負(fù)載提供電流。電感器和電容器的組合形成了 LC 濾波器,可以消除晶體管開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的任何紋波。
因此,當(dāng)晶體管固態(tài)開關(guān)閉合時(shí),電流由電源提供,而當(dāng)晶體管開關(guān)打開時(shí),電流由電感器提供。請(qǐng)注意,流經(jīng)電感器的電流始終沿相同方向,直接來自電源或通過二極管,但顯然在開關(guān)周期內(nèi)的不同時(shí)間。
由于晶體管開關(guān)連續(xù)閉合和打開,因此平均輸出電壓值將與占空比 D 相關(guān),D被定義為晶體管開關(guān)在一個(gè)完整開關(guān)周期期間的導(dǎo)通時(shí)間。
如果V IN是電源電壓,并且晶體管開關(guān)的“ON”和“OFF”時(shí)間定義為:t ON和t OFF,則輸出電壓V OUT為:
降壓轉(zhuǎn)換器占空比
降壓轉(zhuǎn)換器的占空比也可以定義為:
降壓開關(guān)穩(wěn)壓器占空比
因此,占空比越大,開關(guān)電源的平均直流輸出電壓就越高。由此我們還可以看出,由于占空比D永遠(yuǎn)無法達(dá)到 1(單位),因此輸出電壓將始終低于輸入電壓,從而導(dǎo)致降壓穩(wěn)壓器。
通過改變占空比來實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié),開關(guān)速度高達(dá) 200kHz,可以使用更小的元件,從而大大減小開關(guān)模式電源的尺寸和重量。
降壓轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電感電容 (LC) 布置可以提供非常好的電感電流濾波。理想情況下,降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)在連續(xù)開關(guān)模式下運(yùn)行,以便電感器電流永遠(yuǎn)不會(huì)降至零。如果采用理想的元件,即“導(dǎo)通”狀態(tài)下的壓降和開關(guān)損耗為零,理想的降壓轉(zhuǎn)換器的效率可高達(dá) 100%。
除了用于開關(guān)模式電源基本設(shè)計(jì)的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器之外,基本開關(guān)穩(wěn)壓器還有另一種操作方式,即升壓穩(wěn)壓器,稱為升壓轉(zhuǎn)換器。
升壓開關(guān)模式電源
升壓開關(guān)穩(wěn)壓器是另一種類型的開關(guān)模式電源電路。它具有與之前的降壓轉(zhuǎn)換器相同類型的組件,但這次位于不同的位置。升壓轉(zhuǎn)換器旨在將直流電壓從較低電壓增加到較高電壓,也就是說,它也添加或“升壓”電源電壓,從而在不改變極性的情況下增加輸出端子處的可用電壓。換句話說,升壓開關(guān)調(diào)節(jié)器是升壓調(diào)節(jié)器電路,因此例如升壓轉(zhuǎn)換器可以將+5伏轉(zhuǎn)換為+12伏。
我們之前看到,降壓開關(guān)穩(wěn)壓器在其基本設(shè)計(jì)中使用了串聯(lián)開關(guān)晶體管。與升壓開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的不同之處在于,它使用并聯(lián)的開關(guān)晶體管來控制開關(guān)電源的輸出電壓。
由于晶體管開關(guān)有效地與輸出并聯(lián)連接,因此當(dāng)晶體管偏置為“OFF”(開關(guān)打開)時(shí),電能僅通過電感器到達(dá)負(fù)載,如圖所示。
開關(guān)電源 開關(guān)穩(wěn)壓器
在升壓轉(zhuǎn)換器電路中,當(dāng)晶體管開關(guān)完全導(dǎo)通時(shí),來自電源V IN 的電能經(jīng)過電感器和晶體管開關(guān)并返回電源。結(jié)果,由于飽和晶體管開關(guān)有效地對(duì)輸出產(chǎn)生了短路,因此它們都不會(huì)傳遞到輸出。
這增加了流過電感器的電流,因?yàn)樗哂懈痰姆祷仉娫吹膬?nèi)部路徑。同時(shí),二極管D 1變得反向偏置,因?yàn)槠潢枠O通過晶體管開關(guān)接地,并且當(dāng)電容器開始通過負(fù)載放電時(shí),輸出上的電壓電平保持相當(dāng)恒定。
當(dāng)晶體管完全關(guān)閉時(shí),輸入電源現(xiàn)在通過串聯(lián)的電感器和二極管連接到輸出。隨著電感器磁場(chǎng)減小,存儲(chǔ)在電感器中的感應(yīng)能量通過V IN通過現(xiàn)在正向偏置的二極管推至輸出。
所有這些的結(jié)果是,電感器L 1兩端的感應(yīng)電壓反轉(zhuǎn)并添加到輸入電源的電壓上,從而增加了總輸出電壓,現(xiàn)在變?yōu)閂 IN + V L。
來自平滑電容器C 1 的電流(用于在晶體管開關(guān)閉合時(shí)為負(fù)載供電)現(xiàn)在由輸入電源通過二極管返回至電容器。那么提供給電容器的電流就是二極管電流,由于晶體管的開關(guān)動(dòng)作,二極管不斷地在正向和反向狀態(tài)之間切換,因此該電流將始終處于“ON”或“OFF”狀態(tài)。那么平滑電容器必須足夠大,以產(chǎn)生平滑穩(wěn)定的輸出。
由于電感器L 1兩端的感應(yīng)電壓為負(fù),因此它會(huì)增加源電壓V IN ,迫使電感器電流流入負(fù)載。升壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)態(tài)輸出電壓由下式給出:
開關(guān)模式電源升壓轉(zhuǎn)換器電壓輸出
與之前的降壓轉(zhuǎn)換器一樣,升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓取決于輸入電壓和占空比。因此,通過控制占空比,實(shí)現(xiàn)輸出調(diào)節(jié)。而且該方程與電感器、負(fù)載電流和輸出電容器的值無關(guān)。
我們?cè)谏厦嬉呀?jīng)看到,非隔離開關(guān)模式電源電路的基本操作可以使用降壓轉(zhuǎn)換器或升壓轉(zhuǎn)換器配置,具體取決于我們是否需要降壓(降壓)或升壓(升壓)輸出電壓。雖然降壓轉(zhuǎn)換器可能是更常見的 SMPS 開關(guān)配置,但升壓轉(zhuǎn)換器通常用于電容電路應(yīng)用,例如電池充電器、閃光燈、閃光燈等,因?yàn)殡娙萜髟陂_關(guān)閉合時(shí)提供所有負(fù)載電流。
但我們也可以將這兩種基本開關(guān)拓?fù)浣M合成一個(gè)非隔離開關(guān)穩(wěn)壓器電路,毫不奇怪地稱為降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。
降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器
降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器是降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器的組合,可產(chǎn)生反相(負(fù))輸出電壓,該電壓可以根據(jù)占空比大于或小于輸入電壓。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是升壓轉(zhuǎn)換器電路的一種變體,其中反相轉(zhuǎn)換器僅將電感器L 1存儲(chǔ)的能量傳送到負(fù)載中。下面給出了基本的降壓-升壓開關(guān)模式電源電路。
當(dāng)晶體管開關(guān)TR 1完全導(dǎo)通(閉合)時(shí),電感器兩端的電壓等于電源電壓,因此電感器存儲(chǔ)來自輸入電源的能量。由于二極管D 1反向偏置,因此沒有電流傳輸至輸出端連接的負(fù)載。當(dāng)晶體管開關(guān)完全關(guān)斷(開路)時(shí),二極管變?yōu)檎蚱茫按鎯?chǔ)在電感器中的能量將轉(zhuǎn)移到負(fù)載。
換句話說,當(dāng)開關(guān)處于“ON”狀態(tài)時(shí),能量由直流電源(通過開關(guān))輸送到電感器中,并且不會(huì)傳遞到輸出,而當(dāng)開關(guān)處于“OFF”狀態(tài)時(shí),電感器兩端的電壓反轉(zhuǎn)為電感器現(xiàn)在成為能量源,因此先前存儲(chǔ)在電感器中的能量被切換到輸出(通過二極管),并且沒有任何能量直接來自輸入直流源。因此,當(dāng)開關(guān)晶體管“關(guān)斷”時(shí),負(fù)載兩端的電壓降等于電感器電壓。
結(jié)果是,基于占空比,反相輸出電壓的幅度可以大于或小于(或等于)輸入電壓的幅度。例如,正負(fù)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以將 5V 轉(zhuǎn)換為 12V(升壓)或 12V 轉(zhuǎn)換為 5V(降壓)。
降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器的穩(wěn)態(tài)輸出電壓V OUT如下所示:
開關(guān)模式電源降壓升壓轉(zhuǎn)換器電壓輸出
然后,降壓-升壓穩(wěn)壓器因其產(chǎn)生的輸出電壓而得名,該輸出電壓的幅度可以高于輸入電壓(如升壓功率級(jí))或低于輸入電壓(如降壓功率級(jí))。然而,輸出電壓的極性與輸入電壓相反。
開關(guān)模式電源總結(jié)
現(xiàn)代開關(guān)模式電源(SMPS)使用固態(tài)開關(guān)將未穩(wěn)壓的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為不同電壓電平的穩(wěn)壓且平滑的直流輸出電壓。輸入電源可以是來自電池或太陽能電池板的真實(shí)直流電壓,也可以是來自使用二極管電橋和一些附加電容濾波的交流電源的整流直流電壓。
在許多功率控制應(yīng)用中,功率晶體管(MOSFET 或 IGFET)在其開關(guān)模式下運(yùn)行,即高速重復(fù)“導(dǎo)通”和“截止”。這樣做的主要優(yōu)點(diǎn)是,穩(wěn)壓器的電源效率可以相當(dāng)高,因?yàn)榫w管要么完全導(dǎo)通(飽和),要么完全截止(截止)。
有多種類型的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器(與作為逆變器的 DC-AC 轉(zhuǎn)換器相反)配置可用,此處介紹的三種基本開關(guān)電源拓?fù)涫墙祲?、升壓和降?升壓開關(guān)穩(wěn)壓器。所有這三種拓?fù)涠际欠歉綦x的,即它們的輸入和輸出電壓共享公共地線。
每種開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)在穩(wěn)態(tài)占空比、輸入和輸出電流之間的關(guān)系以及固態(tài)開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的輸出電壓紋波方面都有其獨(dú)特的特性。這些開關(guān)模式電源拓?fù)涞牧硪粋€(gè)重要特性是開關(guān)動(dòng)作對(duì)輸出電壓的頻率響應(yīng)。
輸出電壓的調(diào)節(jié)是通過開關(guān)晶體管處于“ON”狀態(tài)的時(shí)間與總 ON/OFF 時(shí)間相比的百分比控制來實(shí)現(xiàn)的。該比率稱為占空比,通過改變占空比 ( D)可以控制輸出電壓V OUT的幅度。
在開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)中,使用單個(gè)電感器和二極管以及能夠在千赫茲范圍內(nèi)的開關(guān)頻率下運(yùn)行的快速開關(guān)固態(tài)開關(guān),可以大大減小電源的尺寸和重量。
這是因?yàn)樗麄兊脑O(shè)計(jì)中不會(huì)有又大又重的降壓(或升壓)電源變壓器。然而,如果輸入和輸出端子之間需要電氣隔離,則必須在轉(zhuǎn)換器之前包括變壓器。
兩種的非隔離開關(guān)配置是降壓(減法)和升壓(加法)轉(zhuǎn)換器。
降壓轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)模式電源,旨在將電能從一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓。降壓轉(zhuǎn)換器通過串聯(lián)的開關(guān)晶體管運(yùn)行。由于占空比D < 1,降壓器的輸出電壓始終小于輸入電壓V IN。
升壓轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)模式電源,旨在將電能從一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換為更高的電壓。升壓轉(zhuǎn)換器與并聯(lián)開關(guān)晶體管一起工作,從而通過電感器L 1和二極管D 1在V IN和V OUT之間形成直流路徑。這意味著輸出沒有短路保護(hù)。
通過改變升壓轉(zhuǎn)換器的占空比 ( D ),可以控制輸出電壓,并且當(dāng)D < 1時(shí),由于電感器自感電壓,升壓轉(zhuǎn)換器的 DC 輸出大于輸入電壓V IN。
此外,開關(guān)電源中的輸出平滑電容器被假定為非常大,這導(dǎo)致在晶體管開關(guān)動(dòng)作期間開關(guān)電源具有恒定的輸出電壓。
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