开关电源基本电路及原理介绍

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1、开关电源可分为直流开关电源和交流开关电源，是按输出来区分的，交流开关电源输出的是交流电，而直流开关电源输出的是直流电，这里介绍的是直流开关电源。随着相关元器件的发展，直流开关电源以其高效率在很多场合代替线性电源而获得广泛应用。直流开关电源与线性电源相比一般成本较高，但在有些特别场合却更简单和便宜，甚至几乎只能用开关电源，如升压和极性反转等。直流开关电源还可分为隔离的和不隔离的两种，隔离的是采用变压器来实现输入与输出间的电气隔离，变压器还便于实现多路不同电压或多路相同电压的输出。直流开关电源结构复杂，设计和分析都有较特别的一套理论和方法，这里主要介绍6种基本的不隔离

2、的直流开关电源结构形式和其特点，便于依据应用场合来选择使用。理想假定：为便于分析，常假定存在如下理想状态1.电子器件理想：电子开关管Q和D的导通和关断时间为零，通态电压为零，断态漏电流为零2.电感和电容均为无损耗的理想储能元件，且开关频率高于LC的谐振频率3.在一个开关周期内，输入电压Vin保持不变4.在一个开关周期内，输出电压有很小的纹波，但可认为基本保持不变，其值为Vo5.不计线路阻抗6.变换器效率为100%一、Buck变换器：也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。图中，Q为开关管，其驱动电压一般为PWM(Pulsewidthmo

3、dulation脉宽调制)信号，信号周期为Ts，则信号频率为f=1/Ts，导通时间为Ton，关断时间为Toff，则周期Ts=Ton+Toff，占空比Dy=Ton/Ts。Buck变换器有两种基本工作方式：CCM(Continuouscurrentmode)：电感电流连续模式，输出滤波电感Lf的电流总是大于零DCM(Discontinuouscurrentmode)：电感电流断续模式，在开关管关断期间有一段时间Lf的电流为零CCM时的基本关系：DCM时的基本关系：DCM可分为两种典型情况：输入电压Vin不变，输出电压Vo变化，常用作电动机速度控制或充电器对蓄电池的恒流

4、充电输入电压Vin变化，输出电压Vo恒定，即普通开关稳压电源电感电流临界连续的边界：输入电压恒定不变时：Vin=const理想情况下，在电流断续区输出电压仅由占空比Dy确定。实际电路中，因元器件的非理想化，在电感电流的连续区，Buck变换器的外特性也是下降的，即Io加大，Vo降低。为保持Vo不变，在Io增加时，要适当加大占空比Dy。输出电压恒定不变时：Vo=const可画出Buck变换器在Vo=const时的特性曲线：图中虚线为电感电流临界连续的边界，右上方为电流连续区，左下为电流断续区。在电感电流临界连续时，若加大负载，则进入电流连续工作区；减小负载，则进入电流

5、断续区。若负载不变，减小输入电压Vin，为使Vo不变，应加大Dy，也进入电流连续区。二、Boost变换器：也称升压式变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。开关管Q也为PWM控制方式，但最大占空比Dy必须限制，不允许在Dy=1的状态下工作。电感Lf在输入侧，称为升压电感。Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式。CCM时的基本关系：Q导通时为电感Lf储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容Cf的能量维持工作；Q关断时，电源和电感共同向负载供电，此时还给电容Cf充电。变换器必须接负载，不然会因能量不断送到负载端而使Vo不断升高而损坏

6、。DCM时的基本关系：在电流断续时，即使输入电压Vin不变，为了保持输出电压Vo恒定，也要随负载电流的不同来调整占空比Dy。电感电流临界连续的边界：输入电压恒定不变时：Vin=const输出电压恒定不变时：Vo=const电感电流临界连续的边界曲线：上方为电感电流连续区，下方为断续区电流断续时，开关管Q导通期间存储在电感Lf中的磁能在Q截至期间全部通过二极管D转移到输出端，如果变换器不接负载电阻，或电阻太大，必使Vo不断增加，因此没有电压闭环调节的Boost变换器不能在输出端开路情况下工作。三、Buck/Boost变换器：也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于

7、也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反。Buck/Boost变换器可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了开关管。Buck/Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式，开关管Q也为PWM控制方式。CCM时的基本关系：电感Lf用于储能和转换能量，Q导通时电感Lf储能，负载由电容Cf供电；Q关断时，电感向负载供电。DCM时的基本关系：电感电流临界连续的边界：输入电压恒定不变时：Vin=const输出电压恒定不变时：Vo=const电感电流临界连续的边界曲线：上方为电感电流连续区，下方为断续区由图可见，在Vo=con

8、st时，如