文档介绍：高频开关电源
High- frequency Switching Mode Power Supply
(电源技术讲座四)
1:高频开关电源的组成与分类
开关电源具有体积小、效率高等一系列优点,在各类电子产品中得到广泛的应用。但由于开关电源的控制电路比较复杂、输出纹波电压较高,所以开关电源的应用也受到一定的限制。
电子装置小型轻量化的关键是供电电源的小型化,因此需要尽可能地降低电源电路中的损耗。开关电源中的调整管工作于开关状态,必然存在开关损耗,而且损耗的大小随开关频率的提高而增加。另一方面,开关电源中的变压器、电抗器等磁性元件及电容元件的损耗,也随频率的提高而增加。
目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管,开关频率可达几十kHz;采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百kHz。为提高开关频率必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路,这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度,原理上开关损耗为零,噪声也很小,这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。
开关电源的集成化与小型化已成为现实。然而,把功率开关管与控制电路都集成在同一芯片上,必须解决电隔离和热绝缘的问题。
开关电源采用功率半导体器件作为开关器件,通过周期性间断工作,控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图1所示,其中DC/DC变换器进行功率转换,它是开关电源的核心部分,此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路(R1、R2)检测输出电压变化,与基准电压Ur比较,误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路,再经过驱动电路控制功率器件的占空比,从而达到调整输出电压大小的目的。图2是一种电路实现形式。
DC/DC变换器有多种电路形式,常用的有工作波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器。
图1开关电源的基本构成
图2开关型稳压电源的原理电路
对于串联线性稳压电源,输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特性决定。但对于开关型稳压电源,输入的瞬态变化比较多地表现在输出端。提高开关频率的同时,由于反馈放大器的频率特性得到改善,开关电源的瞬态响应问题也能得到改善。负载变化瞬态响应主要由输出端LC滤波器特性决定,所以可以利用提高开关频率、降低输出滤波器LC乘积的方法来改善瞬态响应特性。
开关型稳压电源的电路结构有多种:
(1)按驱动方式分,有自励式和他励式。
(2)按DC/DC变换器的工作方式分:①单端正励式和反励式、推挽式、半桥式、全桥式等;②降压型、升压型和升降压型等。
(3)按电路组成分,有谐振型和非谐振型。
(4)按控制方式分:①脉冲宽度调制(PWM)式;②脉冲频率调制(PFM)式;③PWM与PFM混合式。
(5)按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分,有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光电耦合式等。
以上这些方式的组合可构成多种方式的开关型稳压电源。因此设计者需根据各种方式的特征进行有效地组合,制作出满足需要的高质量开关型稳压电源。
2开关电源常用的电路类型
脉冲宽度调制(PWM)变换器就是通过重复通/断开关工作方式把一种直流电压(电流)变换为高频方波电压(电流),再经过整流平波后变为另一种直流电压输出。PWM变换器有功率开关管、整流二极管及滤波电路等元器件组成。输入输出间需要进行电气隔离时,可采用变压器进行隔离和升降压。PWM变换器的工作原理如图3所示。由于开关工作频率的提高,滤波电感L,变压器T等磁性元件以及滤波电容C等都可以小型化。
对于PWM变换器,加在开关管S两端的电压us及通过S的电流is的波形近似为方波,如图4所示。占空比D定义为式中:Ts——开关工作周期;
ton——一个开关周期内导通时间;
toff——一个开关周期内断开时间;
对于这种变换器,有两种工作方式。一种是保持开关工作周期Ts不变,控制开关导通时间ton的脉冲宽度调制(PWM)方式,另一种是保持导通时间ton不变,改变开关工作周期Ts的脉冲频率调制(PFM)方式。
图3PWM变换器的基本工作原理
图4变换器开关工作的波形
DC/DC变换器用于开关电源时,很多情况下要求输入与输出间进行电隔离。这时必须采用变压器进行隔离,称为隔离变换器。这类变换器把直流电压或电流变换为高频方波电压或电流,经变压器升压或降压后,再经整流平滑滤波变为直流电压或电流。因此,这类变换器又称为逆变整流型变换器。
(1)推挽型变换器与半桥型变换器
推挽型变换器与半桥型变换器是典型的逆变整流型变换器