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PWM开关电源的基本原理

虽然脉宽调制(PWM)开关电源的出现已经有很长一段时间了,但是直到20世纪70年代中期才得到广泛的接受和应用。与线性电源相比,开关电源有许多优点。

在相同的功率容量下,开关电源比线性电源效率更高,体积更小,但设计比较复杂,电磁干扰(EMI)也更严重。

目前开关电源的设计有两种途径。板载DC/DC(直流输入,直流输出)开关电源的设计可以直接参照半导体制造商的数据手册,并可以从别的制造商那里得到标准的器件,但是如果有特殊要求时,就需要用户自行设计,而设计困难得多。

通过本书的精心组织,把普通开关电源庞大的设计过程划分为更加易于理解的若干部分。第一部分用“非电源工程师”术语进行解释对于已经被普遍接受的设计方法,这里用相应的设计公式进行说明。目的是让读者看了这部分后可以选择符合自己需要的最佳设计方法,使用自己特定的系统参数,制作出一个可以插入到更大的电源系统设计中去的子电路。设计的顺序是根据资深电源专家通常的设计步骤进行编排的。这些设计步骤被证明在问题出现之前就已经把它解决了。

开关电源的工作过程相当容易理解。在线性电源中,让功率晶体管工作在线性模式,与线性电源不同的是,PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和判断状态。在这两种状态中,加在功率晶体管上的伏-安乘积总是很小的(在导通时,电压低,电流大;关断时,电压高,电流小)。功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所有产生的损耗。

与线性电源相比,PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”,即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波,基幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

控制器的主要目的是保持输出电压稳定,其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器,可以设计成与线性调节器相同。它们的不同之处在于,误差放大器的输出(误差电压)在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。

开关电源有两种主要的工作方式:正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小,但是工作过程相差很大,在特定的应用场合下各有优点。

本文节选自《开关电源设计指南》,由镭之源激光电源整理。
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