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[分享] 降压开关稳压器如何使用串联晶体管

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发表于 2024-7-5 10:08:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
降压开关稳压器是一种开关模式电源电路,旨在有效地将直流电压从较高电压降低到较低电压,即减去或“降压”电源电压,从而降低输出端可用的电压端子无需改变极性。换句话说,降压开关调节器是降压调节器电路,因此例如降压转换器可以将+12伏转换为+5伏。

    降压开关稳压器是一种直流-直流转换器,也是简单、的开关稳压器类型之一。当在开关模式电源配置中使用时,降压开关稳压器使用串联晶体管或功率 MOSFET(是绝缘栅双极晶体管或 IGBT)作为其主要开关器件,如下所示。
    降压开关稳压器
    降压开关稳压器
    我们可以看到,降压转换器的基本电路配置是串联晶体管开关TR 1以及相关的驱动电路(使输出电压尽可能接近所需水平)、二极管D 1、电感器L 1和平滑电容器C 1。降压转换器有两种工作模式,具体取决于开关晶体管TR 1是“导通”还是“截止”。
    当晶体管偏置为“ON”(开关闭合)时,二极管D 1变为反向偏置,输入电压V IN导致电流通过电感器流至输出端连接的负载,为电容器C 1充电。
    当变化的电流流过电感器线圈时,根据法拉第定律,它会产生反电动势,该反电动势与电流流动相反,直到达到稳定状态,在电感器周围产生磁场L 1。只要TR 1关闭,这种情况就会无限期地持续下去。
    当晶体管TR 1通过控制电路“关闭”(开关打开)时,输入电压立即与发射极电路断开,导致电感器周围的磁场崩溃,从而在电感器上产生反向电压。
    该反向电压导致二极管变得正向偏置,因此电感器磁场中存储的能量迫使电流继续以相同方向流过负载,并通过二极管返回。
    然后,电感器L 1将其存储的能量返回到负载,充当电源并提供电流,直到所有电感器的能量返回到电路或直到晶体管开关再次闭合(以先到者为准)。同时电容器也放电,为负载提供电流。电感器和电容器的组合形成了 LC 滤波器,可以消除晶体管开关动作产生的任何纹波。
    因此,当晶体管固态开关闭合时,电流由电源提供,而当晶体管开关打开时,电流由电感器提供。请注意,流经电感器的电流始终沿相同方向,直接来自电源或通过二极管,但显然在开关周期内的不同时间。
    由于晶体管开关连续闭合和打开,因此平均输出电压值将与占空比D相关,D被定义为晶体管开关在一个完整开关周期期间的导通时间。

    如果V IN是电源电压,并且晶体管开关的“ON”和“OFF”时间定义为:t ON和t OFF,则输出电压V OUT为:


    降压转换器的占空比也可以定义为:


    降压开关稳压器占空比
    因此,占空比越大,开关电源的平均直流输出电压就越高。由此我们还可以看出,由于占空比D永远无法达到 1(单位) ,因此输出电压将始终低于输入电压,从而导致降压稳压器。
    通过改变占空比来实现电压调节,开关速度高达 200kHz,可以使用更小的原件,从而大大减小开关模式电源的尺寸和重量。
    降压转换器的另一个优点是电感电容 (LC) 布置可以提供非常好的电感电流滤波。理想情况下,降压转换器应在连续开关模式下运行,以便电感器电流永远不会降至零。如果使用理想的组件,即“导通”状态下的压降和开关损耗为零,理想的降压转换器的效率可高达 100%。
    除了用于开关模式电源基本设计的降压开关稳压器之外,基本开关稳压器还有另一种操作方式,即升压稳压器,称为升压转换器。

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