電源基礎(chǔ)知識

1、會計學1電源基礎(chǔ)知識電源基礎(chǔ)知識 DC-DCDC-DC電源是一類直流轉(zhuǎn)換為直流的電源。電源是一類直流轉(zhuǎn)換為直流的電源。應(yīng)用應(yīng)用： 數(shù)字電路、電子通信設(shè)備、衛(wèi)星導航、遙感遙測、地面雷達、消防、設(shè)備和醫(yī)療器械教學設(shè)備等諸多領(lǐng)域。優(yōu)點優(yōu)點： 功耗小、效率高、體積小、重量輕、可靠性高、自身抗干 擾性強、輸出電壓范圍寬、模塊化。 DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類及工作原理理 DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類及工作原理理3.3V-1.5V12V-3.3V3.3V-1.1V DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類及工作原理理 DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類

2、及工作原理理 降壓變換器原理降壓變換器原理圖圖LC輸出濾波續(xù)流二極管LtVVdtLVIonoitLLonon)(0 DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類及工作原理理LtVdtLVIoffotLLoffoff0 DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類及工作原理理 DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類及工作原理理 當開關(guān)閉合與開關(guān)斷開的狀態(tài)達到平衡時，（Vi-Vo）*Ton=（Vo）*Toff，由于占空比DVo，實現(xiàn)降壓功能。 DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類及工作原理理 升壓變換器原理圖升壓變換器原理圖 Vo=Vin/(1-D) DVin升壓電感濾波電容

3、iDTiLVLDTdtVLIon01 DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類及工作原理理n當開關(guān)斷開時，由于輸出電流的連續(xù)，二極管VD變?yōu)閷?，電感削磁，電感減少的磁通為：（Vo- Vi）*Toff。n當開關(guān)處于斷開期間，存儲在電感的能量釋放到輸出端，同時電源端的電壓也加到輸出端，即為Vo=Vi+VLLTDVVLdtVVIoiTDoiLoff)1)()()1(0 DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類及工作原理理 DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類及工作原理理 當開關(guān)閉合與開關(guān)斷開的狀態(tài)達到平衡時，（Vi）*Ton=（Vo- Vi）*Toff，由于占空比D1，所以V

4、iVo，實現(xiàn)升壓功能。onLI DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類及工作原理理升降壓變換器原理圖升降壓變換器原理圖LTVLdtVdIIiDTiDTLonL00 DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類及工作原理理LTDVLdtVdIIoTDoTDLoff)1 ()1(0)1(0 DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類及工作原理理 DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類及工作原理理 當開關(guān)閉合與開關(guān)斷開的狀態(tài)達到平衡時，增加的磁通等于減少的磁通，（Vi）*Ton=（Vo）*Toff，根據(jù)Ton比Toff值不同，可能ViVo。非非MOSMOS開關(guān)管集開關(guān)管集成的成

5、的RT8105RT8105TITI公司公司TPS54627TPS54627TITI公司公司TPS54329TPS54329SY8032E設(shè)計時常用的電源芯片G9661G9661芯片內(nèi)部原理框圖芯片內(nèi)部原理框圖4.5V至18V輸入, 3A同步降壓；輸出電壓范圍：0.76V-7.0V；可調(diào)節(jié)軟啟動時間、過電流保護、低電壓鎖定保護、熱關(guān)斷保護；8管腳封裝，底部中間有地；軟啟動控制軟啟動時間通過分壓電阻獲取反饋電壓欠壓鎖欠壓鎖定保護定保護確保高側(cè)確保高側(cè)FETFET良好良好導通導通芯片運用的原理圖芯片運用的原理圖 直流增益是由輸出電壓決定，所需的電感值將隨著輸直流增益是由輸出電壓決定，所需的電感值將隨

6、著輸出電壓的增加而增加。對于等于或高于出電壓的增加而增加。對于等于或高于1.8 V1.8 V的輸出電壓，的輸出電壓，通過增加一個前饋電容（通過增加一個前饋電容（C4C4）與）與R1R1并聯(lián)可將相位提高。并聯(lián)可將相位提高。 開關(guān)電源利用對輸入電壓進行脈沖調(diào)制可實現(xiàn)自動穩(wěn)壓。脈沖調(diào)制方式主要分為：PFM（Pulse Frequency Modulation）：脈沖頻率調(diào)制 【特點：對于外圍電路相同，在峰值效率以前，其效率遠比PWM的高，且響應(yīng)速度較快；但不易實現(xiàn)，通常被應(yīng)用于DC-DC轉(zhuǎn)換器來提高輕負載效率】；PWM（Pulse Width Modulation）：脈沖寬度調(diào)制【特點：在重載時效率

7、高、噪音低且較于PFM易于實現(xiàn)，成為目前主流技術(shù)】；工作在節(jié)電模式下的轉(zhuǎn)換器在輕負載電流條件下使用PFM模式， 在較重負載電流條件下使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式。 PWM開關(guān)穩(wěn)壓器基本工作原理就是在輸入電壓變化、內(nèi)部參數(shù)變化、外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件的導通脈沖寬度，使得開關(guān)電源的輸出電壓或電流等被控制信號穩(wěn)定。 PWM控制方式：電壓控制模式、電流控制模式（1）電壓控制模式：利用輸出電壓作為反饋控制信號，占空比正比于實際輸出電壓與理想輸出電壓之間的誤差差值。（2）電流控制模式：同時采用電流和負載電壓作為控制信號，占空比正比于額

8、定輸出電壓與變換器控制電流函數(shù)之間的誤差差值。3.1 3.1 典型的電壓控制模式典型的電壓控制模式 控制回路包括由控制回路包括由R R1 1和和R RB B組成的電阻分壓器、電壓誤差放大器、組成的電阻分壓器、電壓誤差放大器、PWMPWM比較器比較器( (又又稱稱 PWM PWM調(diào)制器調(diào)制器) )以及功率管驅(qū)動電路等模塊。圖中以及功率管驅(qū)動電路等模塊。圖中V Vrefref是由帶隙基準源提供的基準電是由帶隙基準源提供的基準電 壓，斜坡振蕩器提供斜坡輸入信號壓，斜坡振蕩器提供斜坡輸入信號V Vrampramp，它的頻率等于開關(guān)頻率。，它的頻率等于開關(guān)頻率。u uG GVc（t）V Vrampram

9、p 穩(wěn)壓過程（1）當輸出電壓U0增大時，取樣電壓UNI會同時增大，可簡述為：（2）當輸出電壓U0減小時，取樣電壓UNI會同時減小，可簡述為： Uo UNI Uc（t） UG的 d（t） Uo Uo UNI Uc（t） UG的 d（t） Uo優(yōu)點優(yōu)點：（1）PWM三角波幅值較大，脈沖寬度調(diào)節(jié)時具有較好的抗噪聲裕量； （2）占空比調(diào)節(jié)不受限制； （3）對輸出負載的變化有較好的響應(yīng)調(diào)節(jié)；缺點缺點：（1）對輸入電壓與負載電流負載電流的變化動態(tài)響應(yīng)比較慢：因為系統(tǒng)為響應(yīng)負因為系統(tǒng)為響應(yīng)負載電流或輸入電源的變化，必須載電流或輸入電源的變化，必須“等待等待”負載電壓的相應(yīng)變化，由此引起控制負載電壓的相應(yīng)變化

10、，由此引起控制信號信號V Verrerr的變化后，才能實現(xiàn)對占空比的變化后，才能實現(xiàn)對占空比d d的調(diào)節(jié)。通常這種等待或延遲會影響系的調(diào)節(jié)。通常這種等待或延遲會影響系統(tǒng)的穩(wěn)壓特性。統(tǒng)的穩(wěn)壓特性。 （2）輸出LC濾波器給控制環(huán)增加了雙極點，在補償設(shè)計誤差放大器時，需要將主極點低頻衰減，或者增加一個零點進行補償。3.2 3.2 典型的電流控制模式典型的電流控制模式采用電流模式控制可以消除電壓控制模式的采用電流模式控制可以消除電壓控制模式的“等待等待”問題問題。峰值電流控制模式峰值電流控制模式PWMPWM開關(guān)電源系統(tǒng)開關(guān)電源系統(tǒng) 電路中的振蕩器產(chǎn)生頻率為電路中的振蕩器產(chǎn)生頻率為f fs s的線性斜坡

11、信號和頻率的線性斜坡信號和頻率f fs s同步送出正窄脈沖信同步送出正窄脈沖信號；此外，電路中還增設(shè)了檢測電感電流信號的電流檢測電阻號；此外，電路中還增設(shè)了檢測電感電流信號的電流檢測電阻R RS S、電流檢測放大器、電流檢測放大器和和RSRS觸發(fā)器。觸發(fā)器。R RS S和電流檢測放大器用于產(chǎn)生正比于電感電流瞬時值的電壓和電流檢測放大器用于產(chǎn)生正比于電感電流瞬時值的電壓V Vsenssens，RSRS觸觸發(fā)器用于實現(xiàn)依據(jù)電感電流瞬時值的大小控制功率管截止的時刻。由誤差放大器對發(fā)器用于實現(xiàn)依據(jù)電感電流瞬時值的大小控制功率管截止的時刻。由誤差放大器對基準電壓基準電壓V Vrefref和負載電壓分量和

12、負載電壓分量V Vo o(R(Rb b/(R/(Ri i+R+Rb b)之間的差值進行放大，得到控制信號之間的差值進行放大，得到控制信號V VC C。由于在一個開關(guān)周期時間內(nèi)，負載電壓的變化量很小，可近似認為在同一個開關(guān)周由于在一個開關(guān)周期時間內(nèi)，負載電壓的變化量很小，可近似認為在同一個開關(guān)周期時間內(nèi)期時間內(nèi)V Vc c值不變，以值不變，以V Vc c表示。表示。V Vc c被送到被送到PWMPWM比較器的反相輸入端比較器的反相輸入端: :而送至而送至PWMPWM比較器比較器的同相輸入端的，則是由的同相輸入端的，則是由V Vsenssens和斜坡補償信號和斜坡補償信號V Vrampramp相加

13、后得到合成信號相加后得到合成信號(V(Vsenssens+V+Vrampramp) )。電流控制電流控制PWMPWM的優(yōu)點的優(yōu)點：（1）暫態(tài)閉環(huán)響應(yīng)較快，對輸入電壓的變化和輸出負載的變化的瞬態(tài)響應(yīng)均快；（2）瞬時峰值電流限流功能；（3）輸出電壓的調(diào)整可與電壓模式控制的輸入電壓前饋技術(shù)相媲美。缺點缺點：（1）占空比大于50%的開環(huán)不穩(wěn)定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差；（2）容易發(fā)生次諧波振蕩。 電感Q值：也叫電感的品質(zhì)因素，是衡量電感器件的主要參數(shù)。是指電感器在某一頻率的交流電壓下工作時，所呈現(xiàn)的感抗與其等效損耗電阻之比。電感器的Q值越高，其損耗越小，效率越高。Q值過大，引起電感燒毀

14、，電容擊穿，電路振蕩。4.1 4.1 輸出電感輸出電感 作用作用 能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為磁能而存儲起來。由于電感電流不可突變從而維持整個開關(guān)周期電流的持續(xù)輸出。電流,那么電感量就會變小，達不到濾波效果。LSINOUTOUTINIfVVVVL2/IIILOUTPEAK關(guān)鍵器件選擇關(guān)鍵器件選擇)211 (RRVVREFOUTCjLjRZC1輸出紋波：SfOUTCOUTC8IVIRVESRESRESRCOUTVVVIVROUTESRSfOUTOUTV8ICDC-DCDC-DC電源電源PCBPCB布局布局 輸入開關(guān)電流環(huán)路盡可能小、保持模擬和非開關(guān)器件遠離開關(guān)器件、輸出電容輸入開關(guān)電流環(huán)路盡可能小、保持模擬

15、和非開關(guān)器件遠離開關(guān)器件、輸出電容必須連接到必須連接到PGNDPGND、電壓反饋環(huán)路應(yīng)盡可能的短，并最好有接地屏蔽、連接到電壓反饋環(huán)路應(yīng)盡可能的短，并最好有接地屏蔽、連接到VFBVFB引引腳腳上的電壓分壓器的低電阻應(yīng)該與模擬地共地、提供足夠的通孔給上的電壓分壓器的低電阻應(yīng)該與模擬地共地、提供足夠的通孔給VIN,SWVIN,SW和和PGNDPGND連接、連接、VINVIN輸入旁路電容和輸入旁路電容和VINVIN高頻旁路電容應(yīng)盡可能靠近設(shè)備放置。高頻旁路電容應(yīng)盡可能靠近設(shè)備放置。PCBPCB布局圖布局圖TPS54329TPS54329應(yīng)用應(yīng)用圖圖 DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類及工作原理理 當開關(guān)閉合與開關(guān)斷開的狀態(tài)達到平衡時，（Vi-Vo）*Ton=（Vo）*Toff，由于占空比DVo，實現(xiàn)降壓功能。LTDVLdtVdIIoTDoTDLoff)1 ()1(0)1(0 DC-DC DC-DC電源分類及工作原電源分類及工作原理理 PWM開關(guān)穩(wěn)壓器基本工作原理就是在輸入電壓變化、內(nèi)部參數(shù)變化、外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件的導通脈沖寬度，使得開關(guān)電源的輸出電壓或電流等被