開關(guān)電源電路

1、BUCK電路下面分析開關(guān)管導(dǎo)通與截至的情況與輸出電壓的關(guān)系，以及電感電流連續(xù)狀態(tài)下器件的選擇。設(shè)為輸入電壓，為輸出電壓，為負(fù)載電流，電感量為L，開關(guān)頻率為48KHz ，開關(guān)周期為，導(dǎo)通時間為=,斷開時間為，開關(guān)管導(dǎo)通時間為，開關(guān)管截止時間;<1，稱為導(dǎo)通時間占空比，為截止時間占空比，很明顯+=1。在輸入輸出不變的前提下，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，電感電流平均值,電感電流線性上升增量為 式（4.1）當(dāng)開關(guān)管截止時，電感電流增量為 式（4.2）由于穩(wěn)態(tài)時這兩個電流變化量相等，即，所以 式（4.3）又因?yàn)?=1整理得 式（4.4）這表明，輸出電壓隨占空比而變化，由于<1，故<，是電壓增益，表

2、示為M，所以BUCK電路的增益 M= 式（4.5）電壓增益M由開關(guān)管導(dǎo)通時間占空比決定，即BUCK變換器有很好的控制特性。電感的選擇當(dāng)電感L大于臨界電感時，電路工作于電感電流連續(xù)狀態(tài)，臨界電感為 式（4.6）電容的參數(shù)計(jì)算流經(jīng)電容的電流對電容充電產(chǎn)生的電壓稱為紋波電壓 = 式（4.11）其中=1在指定紋波電壓限值下，需要電容值C移項(xiàng)得 C= 式（4.12）二極管的參數(shù)計(jì)算及器件選擇有=可計(jì)算得，然后計(jì)算出峰值電流 =+=+ 反激變換器的緩沖器設(shè)計(jì)在反激變換器中，引起開關(guān)應(yīng)力高（可導(dǎo)致開關(guān)損壞）的原因有兩個：一是開關(guān)關(guān)斷時，漏電感引起開關(guān)管集電極電壓突然升高；二是負(fù)載線不夠合理。兩個原因均是由于

3、負(fù)載是電感性引起的，前者影響較大，后者次之。抑制開關(guān)應(yīng)力有兩個辦法。一是減小漏電感；二是耗散過電壓的能量，或者使能量反饋回電源中。減小漏電感主要靠工藝；耗散過電壓的能量依靠與電感線圈并聯(lián)的RC緩沖器，或與開關(guān)關(guān)聯(lián)的RC緩沖器；能量反饋回電源中依靠附加的線圈和定向二極管。在反激變換器中，儲存在變壓器原邊電感的主要能量在反激時期中將傳輸?shù)礁边?。副邊回路寄生電感、電容的寄生電感，還有輸出線路漏感折算到原邊電感用表示，它與串聯(lián)接在晶體開關(guān)管集電極上，如圖4.8所示。（+）上的能量在關(guān)斷時產(chǎn)生過電壓，重新按集-射極間。因此過電壓是構(gòu)成損壞管子的開關(guān)應(yīng)力，必須加緩沖網(wǎng)絡(luò)予以限制。圖中為在原邊電感旁加電路、

4、。圖4.8緩沖電路導(dǎo)通時，電壓加在（+）上，由于反偏阻止的充電，所以0。當(dāng)關(guān)斷時，由于反激作用，集電極電壓快速上升，但由于此時有正偏壓而導(dǎo)通，使電流被、分流，電壓逐漸上升，即電壓也是逐漸上升，而且鉗位在2數(shù)值上。從而把上升的尖峰電壓的頂部削去。在周期的剩下時間里，隨著放電電流減小，的電壓將會返回到原來值。多余的反激電能消耗在上。此鉗位電壓是自跟蹤的，在穩(wěn)態(tài)工作時，因?yàn)榈碾妷簳詣拥恼{(diào)整，直到所有多余的反激電能消耗在上。如果在所有其他情況下，都要維持某一恒定鉗位電壓，則可通過減小值或漏電感的值，來抑制鉗位電壓的升高趨勢。保護(hù)環(huán)節(jié)RC緩沖器晶體管關(guān)斷過程是開關(guān)管最易損壞的時間。在使用時保護(hù)晶體管需

5、加上RC緩沖器，場效應(yīng)管理論上與晶體管做相似處理與計(jì)算。基極驅(qū)動方法分析中提到，基極反向電流要大，以便使存儲時間減少。遺憾的是基極反向電流過大情況會使基-射結(jié)擊穿，晶體管損壞。有兩個方法可防止這種情況的發(fā)生：一是在集電極-發(fā)射極電壓處于低值時,關(guān)斷晶體管；二是管子關(guān)斷時，集電極電壓上升的同時，較快地減少集電極電流。如圖4.9所示，使用RC緩沖器接在晶體管C、E兩端，在關(guān)斷晶體管時以減少集電極電流。其工作原理是：當(dāng)晶體管關(guān)斷時，電容C通過二極管被充電到（）。這樣集電極電流有了分路，集電極電流能較快地減小。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時，C通過電阻R和放電。圖4.9 RC緩沖器參數(shù)的選擇可按經(jīng)驗(yàn)公式求得。在關(guān)斷時

6、，能量轉(zhuǎn)移關(guān)系可寫成 = 式（4.15）式中-最大的集電極電流（A）最大的集電極-發(fā)射極電壓（V）最大的集電極電壓上升時間（）最大的集電極電壓下降時間（）解得電容C的表示式為 式（4.16）據(jù)上述，關(guān)斷時C充電，開通時，已充電的C經(jīng)R和放電，電容器兩端的電壓為： 式（4.17）為了承擔(dān)關(guān)斷時全部的充電電壓，選RC值使，從而=。 同樣，我們選擇RC，使電容在每次導(dǎo)通時間中，可放完電。假設(shè)三倍時間常數(shù)可以放完電，則 3RC= 式（4.18） R= 式（4.19）本設(shè)計(jì)中，最大漏源電壓為50V，最大漏極電流10A，上升時間是120ns，下降時間是95ns。工作頻率為48KHz。則C=43取電容型號為

7、473。工作頻率為48KHz，取=10.4則R=74取阻值為100的電阻。Boost 電路電壓增益M=推證臨界電感=電感電流連續(xù)模式下，考慮濾波電容器有內(nèi)部寄生的電阻，考慮二極管電流之紋波電流會全都流進(jìn)電容器，以保證負(fù)載上得到平直直流。因此二極管充電和放電能量相同，由形成紋波電壓可表示為=紋波電壓=×100%其中，C為電容容量，R為負(fù)載電阻，為紋波電壓值。在指定紋波電壓限值下，需要電容值C為C=二極管流過的平均電流=+TOP247Y芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，共有6個引出端，它們分別是控制端C、線路檢測端L、極限電流設(shè)定端X、源極S、開關(guān)頻率選擇端F和漏極D。利用線路檢測端(L)可實(shí)現(xiàn)4種功能：

8、過壓(OV)保護(hù)；欠壓(UV)保護(hù)；電壓前饋(當(dāng)電網(wǎng)電壓過低時用來降低最大占空比)；遠(yuǎn)程通斷(ONOFF)和同步。而利用極限電流設(shè)定端，可從外部設(shè)定芯片的極限電流。在每個開關(guān)周期內(nèi)都要檢測功率MOSFET漏源極導(dǎo)通電阻Ros(on)上的漏極峰值電流ID(PK)，當(dāng)ID(PK)>ILIMIT時，過電流比較器就輸出高電平，依次經(jīng)過觸發(fā)器、主控門和驅(qū)動級，將MOSFET關(guān)斷，起到過電流保護(hù)作用。- 電源啟動時，連接在漏極和源極之間的內(nèi)部高壓電流源向控制極充電，在RE兩端產(chǎn)生壓降，經(jīng)RC濾波后，輸入到PWM比較器的同相端，與振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波電壓相比。較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號并驅(qū)動MOSFET管，因

9、而可通過控制極外接的電容充電過程來實(shí)現(xiàn)電路的軟啟動。當(dāng)控制極電壓Uc達(dá)到5.8V時，內(nèi)部高壓電流源關(guān)閉，此時由反饋控制電流向Uc供電。在正常工作階段，由外界電路構(gòu)成電壓負(fù)反饋控制環(huán)，調(diào)節(jié)輸出級MOSFET的占空比以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。當(dāng)輸出電壓升高時，Uc升高，采樣電阻RE上的誤差電壓亦升高。而在與鋸齒波比較后，將使輸出電壓的占空比減小，從而使開關(guān)電源的電壓減小。當(dāng)控制極電壓低于4.8V時，MOSFET管關(guān)閉，控制電路處于小電流等待狀態(tài)，內(nèi)部高壓電流源重新接通并向Uc充電，其關(guān)斷/自動復(fù)位滯回比較器可使Uc保持在4.85.8V之間。當(dāng)開關(guān)電源的負(fù)載很輕時，能自動將開關(guān)頻率從132kHz降低到30kHz(

10、半頻模式下則由66kHz降至15kHz)，可降低開關(guān)損耗，進(jìn)一步提高電源效率。當(dāng)電源輸入交流85265V時，交流電壓U依次經(jīng)過電磁干擾(EMI)濾波器(C1，L1)、輸入整流濾波器(KBL406G，C2)獲得直流高壓UI。UI經(jīng)過R1接L端，能使極限電流隨UI升高而降低。它使用C3，VD型漏極鉗位二極管P6KE200A和阻斷二極管D1，以替代價格較高的TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)，用于吸收在TOP247Y關(guān)斷時由高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，對漏極起到保護(hù)作用。次級電壓經(jīng)過整流、濾波后獲得多路輸出。其中15V電源輸出所用的是快速恢復(fù)二極管，其他輸出用的二極管是肖特基二極管，其目的是減少整流管的損耗

11、。- 該電源采用3枚芯片，包括TOP247Y(U1)、光耦合器LTV817。A， 以及可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓管LM431。為減小高頻變壓器體積和增強(qiáng)磁場耦合程度，次級繞組采用了堆疊式繞法。其穩(wěn)壓原理為，U=UR4+UZ+ULM431。當(dāng)U發(fā)生變化時，如U增加時，流過光耦的電流增大，光耦輸出的電流隨著增大，流經(jīng)TOP247Y控制端的電流增加，而占空比則減小，從而U下降，這樣達(dá)到穩(wěn)壓的目的，反之U減小時也有相同的原理。- 可調(diào)精密穩(wěn)壓管LM431的內(nèi)部參考電壓為2.495V，輸出電壓經(jīng)電位器和R7分壓，可調(diào)電壓在2.5V(基準(zhǔn)值)至37V(最大值)之間。R6和C18構(gòu)成LM431的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。C19

12、為軟啟動電容。除5V電壓外，其余各路輸出未加反饋，輸出電壓均由高頻變壓器的匝數(shù)比來確定。R9R12是15V輸出的假負(fù)載，它能降低該路的空載及輕載電壓。- 另外，為了盡可能減少電磁干擾，在開關(guān)電源的輸入側(cè)接入共模扼流圈，可以明顯改善電磁噪聲。而安全電容C6能濾除一次、二次繞組耦合電容產(chǎn)生的共模干擾，電容C1可濾除電網(wǎng)線之間的串模干擾。開關(guān)二極管: 1N4148     1N4150     1N4448快恢復(fù)二極管: FR101FR107     50V1000/1.0A可調(diào)電壓基準(zhǔn)電路: LM431高效光電耦合器: PC817     PC827      PC837     PC847脈寬調(diào)制PWM控制電路: TL494PWM Switch: TOP100TOP104      TOP200TOP204 TOP214      TO