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开关稳压器的基础知识

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2021-11-27
发表于 2021-5-7 15:42:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 流水源 于 2021-5-7 15:47 编辑

      近年来,开关稳压器由于其功率转换效率高或转换可调性而被许多设备所利用,成为电源的主流。过去,一说到开关电源便想到购买模块或单元等成品,近年来,则可提供多种多样的开关电源用IC,使设计者得以致力于电路基板上编入开关电源的on-board设计。但同时,与线性稳压器不同的开关电源电路所拥有的各种探讨事项将成为设计者的一大课题也是不争的事实。


      开关稳压器有许多种类,分类方法也视其观点而各有不同。在这里,姑且从输入电源的种类开始,以电路方式进行主要分类。首先,输入电源可以利用DC(直流)或AC(交流)分成DC/DC转换器和AC/DC转换器(参考图27)。这里记载的“DC/DC转换器”表示以输入电源身分将DC电压转换成DC电压后输出,而“AC/DC转换器”则表示以AC输入转换成DC电压。

图 27:依据电路方式分类


        DC/DC转换器和AC/DC转换器各自都有非绝缘型和绝缘型。绝缘型为输入(一次)和输出(二次)可绝缘的类型,绝缘主要可利用变压器。在工业设备或医疗设备等要求发生故障时具有高安全性的设备中,标准上使用。非绝缘型在输出输入间有导通,尤其是同一电路基板内无须绝缘的电压转换等几乎都为非绝缘型。
架构非绝缘型及绝缘型的转换器由于各自有适合的电路方式,因此可依据电路方式分类。图27所记载的同步整流式或反激式相当于电路方式。除了构造零件或电路规模不同外,工作原理当然也不同。
其次,依据功能和操作方法的分类。图28为其概述,而且,从这里开始便进入DC/DC转换器的话题。AC/DC转换器由于会在初段将AC整流-平滑后基本上以DC/DC转换器工作,故以后请一视同仁思考。


图 28:依据功能和工作方式分类

DC/DC转换方面,可以对输入电压进行降压或升压。此外,应用上也可进行升降压、反转等转换。根据所需功能,例如需要选择降压转换器时,电路构造和所选的IC是不同的,
控制输出电压的工作模式有PWM(Pulse Width Modulation:脉冲宽度调制)和PFM(Pulse Frequency Modulation:脉冲频率调制)。PWM的开关周期(频率)恒定且为通过调整ON和OFF时间比进行稳定化的模式,而PFM则是ON或OFF时间恒定的频率变更方法。详细内容后述。
而且,为使输出稳定化的反馈控制方式有电流模式、电压模式、迟滞等,这几种详细内容也将后述。
开关稳压器由这些组合构成,可通过探讨用途、输出输入条件、设计规格或性能目标、以及成本或尺寸等限制事项来选择最佳产品,为此,必须事先了解各方式的特征和优缺点。


开始电源设计时,如果大概的规格已定,其次便是进入选择开关稳压器或线性稳压器的作业。为满足要求规格虽然有的情况必须选择其一,不过两者皆可的例子也不少。此时,须以各自的特征和优缺点为主进行探讨。图29为开关稳压器的优点和缺点,而图30则试着与线性稳压器做总比较。
最大的优点,是可以自由转换。虽然降压最常被利用,不过也可从电池等低电压升压、使其从正电压反转来制作负电压、或3.3V般输入跨越输出电压时也可从锂离子二次电池(例:4.2V~2.8V)升压。
其次,是效率高。虽然也视种类而定,不过最大效率可达95%左右。但是,开关稳压器的效率因负载电流的大小而变。基本上,负载电流变小时效率会大幅度下滑。对此,近年待机功耗降低要求日趋严格,成了开关稳压器的课题。

图 29
缺点在于加入电容器等能动零件、二极管或晶体管等半导体零件后需要磁性零件、零件数本身增加且设计复杂。近年来开关电源用IC由于必要电路的集成化升高,可简单调整的技巧进步,故比以前更能简单设计电源。尽管如此,比线性稳压器复杂是不争的事实。此外,由于进行开关工作,因此会出现相关噪声或纹波。噪声多的话应用上便难以使用也是事实之一。此外,是否合乎EMI(电磁干扰)限制等也须花工时评估。
最后,在成本方面,如果只单纯谈论IC单体或构造零件的话,无论如何都比线性稳压器来得高。但是,线性稳压器如果也伴随散热板的话也将考虑面积或体积,因此欲处理的功率变大时,开关的总成本有时就会比较便宜。在设计上,详细探讨各优缺点后选择符合目的的方式是一大关键要点。




图 30:与线性稳压器的比较






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