【導(dǎo)讀】開關(guān)電源功率電路有五個(gè)基本元件：開關(guān)，二極管，電容，電感，變壓器。本文為大家詳細(xì)介紹電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)、開關(guān)電源的基本分析及其拓樸結(jié)構(gòu)。
概述
一. 理想直流變換器應(yīng)有的參數(shù)性能
1. 輸入輸出端的電壓均為平滑的直流電壓，無交流諧波的分量
2. 輸出阻抗為零
3. 快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，抑制能力強(qiáng)
4. 高效率，小型化
二. 常用的DC/DC電源方案
1. 線性電源。主要應(yīng)用于對(duì)發(fā)熱和效率要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合，線性電源的效率通常在35% to 50%之間
2. 脈寬調(diào)制（PWM）開關(guān)電源。在使用時(shí)具有比線性電源更高的效率和靈活性
3. 高效率的諧振開關(guān)電源。由基本的PWM開關(guān)電源演變而來，主要應(yīng)用于高效率和對(duì)電磁干擾有特別要求的場(chǎng)合
電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)
輸入電壓
Vin(nom)：產(chǎn)品的正常輸入電壓
Vin(max)：產(chǎn)品的最高輸入電壓
Vin(min)：產(chǎn)品的最低輸入電壓
頻率：直流，50，60，400Hz等
浪涌電壓：輸入電壓超出Vin(max)的時(shí)間段，電源必須能夠承受這個(gè)浪涌電壓，正常工作
瞬態(tài)電壓：具有很高的電壓尖峰（包括正與負(fù)尖峰），這是輸入電源系統(tǒng)的特征
輸入電流
Iin(max)：最大平均輸入電流。它的最大極限值可以由安全管理機(jī)構(gòu)來定義。
輸出電壓
Vout(rated)：額定輸出電壓（理想輸出電壓）
Vout(min)：保證負(fù)載不被切斷的最小輸出電壓。
Vout(max)：保證負(fù)載線路正常運(yùn)行的最大輸出電壓。
Vout(abs)：負(fù)載遭到破壞時(shí)的極限電壓。
電壓紋波：這是峰-峰值電壓，它的頻率和大小應(yīng)該能被負(fù)載所接受
輸出電流
Iout(retad)：額定輸出電流。
Iout(min)：在正常運(yùn)行情況下，最小的輸出電流。
Iout(max)：負(fù)載的瞬態(tài)承受的輸出電流。
Isc：負(fù)載短路時(shí)的最大極限電流。
動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)時(shí)間
當(dāng)加上階躍負(fù)載時(shí)，電源系統(tǒng)響應(yīng)需要的時(shí)間
電壓調(diào)整率
輸入電壓變化時(shí)，輸出電壓的變化率，即：
電壓調(diào)整率=（最高輸出電壓-最低輸出電壓）/額定輸出電壓X100%
負(fù)載調(diào)整率
負(fù)載電流從半載到額定負(fù)載時(shí)，輸出電壓的變化率，即：
負(fù)載調(diào)整率=（滿載時(shí)輸出電壓-半載時(shí)輸出電壓）/額定負(fù)載時(shí)輸出電壓X100%
總效率
這將決定系統(tǒng)有多少熱量產(chǎn)生，以及在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)是否應(yīng)考慮采用散熱片。
總效率=輸出功率/輸入功率X100%
開關(guān)電源的基本分析
開關(guān)電源的基本元件：
電容的基本方程
1. 當(dāng)一電流流經(jīng)電容, 電容兩端的電壓逐漸增加, 并且電容量越大電壓增加越慢。
2. 在穩(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中流經(jīng)電容的電流對(duì)時(shí)間的積分為零。
電感的基本方程
1. 當(dāng)一電感突然加上一個(gè)電壓時(shí), 其中的電流逐漸增加, 并且電感量越大電流增加越慢。
2. 當(dāng)一電感上的電流突然中斷, 在其兩端會(huì)產(chǎn)生一瞬時(shí)高壓, 并且電感量越大該電壓越高。
電感的伏秒平衡原則：
伏秒平衡原則：在穩(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中電感兩端的正伏秒值等于負(fù)伏秒值。
分析開關(guān)電源中電容和電感的幾條原則：
1. 電容兩端的電壓不能突變(當(dāng)電容足夠大時(shí),可認(rèn)為其電壓不變)。
2. 電感中的電流不能突變(當(dāng)電感足夠大時(shí),可認(rèn)為其電流恒定不變)。
3. 流經(jīng)電容的電流平均值在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)為零。
4. 電感兩端的伏秒積在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)必須平衡。
兩個(gè)有用的公式：
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開關(guān)電源的拓樸結(jié)構(gòu)
三種基本的非隔離開關(guān)電源
BUCK電路工作原理分析
根據(jù)L的伏秒平衡原則：
根據(jù)L在1-D時(shí)間的基本方程：
BUCK電路的工作可以看作是一個(gè)機(jī)械飛輪和單活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。電路的LC濾波器就是飛輪，存儲(chǔ)從驅(qū)動(dòng)器輸出的脈沖功率。LC濾波器（扼流輸入濾波器）的輸入就是經(jīng)過斬波以后的電壓。LC濾波器平均了占空比調(diào)制的脈沖電壓。LC濾波器的作用可用以下公式表示：
Vout=Vin*D
通過控制電路改變占空比，即可保持輸出電壓的恒定。BUCK變換器之所以被稱為降壓式變換器，是因?yàn)樗妮敵鲭妷罕囟ǖ陀谳斎腚妷骸?/p>
我們可以把BUCK電路的工作過程分成兩個(gè)階段，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加到LC濾波器的輸入端，電感上的電流以固定斜率線性上升。電感上的電流用下面公式描述：
IL(on)=((Vin-Vout)/Lo)*Ton + Imin
在這個(gè)階段，存儲(chǔ)在電感上的能量為：
輸入的能量就存儲(chǔ)在電感鐵心材料的磁通中。
當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，由于電感上的電流不能突變，電感電流就通過二極管D續(xù)流，該二極管稱為續(xù)流二極管，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)原先流過開關(guān)管電流的續(xù)流，同時(shí)電感中存儲(chǔ)的一部份能量向負(fù)載釋放。續(xù)流電流環(huán)包括：二極管，電感，負(fù)載。在這階段流過電感上的電流用下式描述：
IL(off)=Ipk-(VoutToff/Lo)
在這階段，電流波形是一條斜率為負(fù)的斜線，斜率為-Vout/Lo。當(dāng)開關(guān)再次導(dǎo)通時(shí)，二極管迅速關(guān)斷，電流從輸入電源和開關(guān)管流過。在開關(guān)導(dǎo)通前瞬間，電感上的電流Imin就是開關(guān)管通過的初始電流。
BUCK電路的輸入輸出關(guān)系
[page] BOOST電路的工作原理分析
升壓變換器與BUCK變換器有著相同的組成部份，只是它們的位置被重新布置了一下。新的布局使變換器與正激式變換器的工作過程完全不同。在這種情況下，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流環(huán)路僅在包括電感，開關(guān)管和輸入電壓源。在這段時(shí)間中，二極管是反向阻斷的。電感電流波形也是以固定斜率上升，可用下式描述：
iL(Ton)=Vin*Ton/L
在這個(gè)階段，能量存儲(chǔ)在電感鐵心的磁通中，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于電感中的電流不能突變，于是二極管立刻正向?qū)?。這時(shí)，電感與開關(guān)相連端的電壓被輸出電壓鉗位，這個(gè)電壓被稱作反激電壓，其幅值是輸出電壓加上二極管的正向壓降，在開關(guān)管關(guān)斷這段時(shí)間里，電感上的電流用下式表示：
iL(Toff)=Ipk-((Vout-Vin)*Toff/L)
如果在下個(gè)周期之前，鐵心中的磁通完全為零，就稱電路工作在電流斷續(xù)模式。如果鐵心中的磁通沒有完全降為零，還有一部分磁通，就稱電路工作在電流連續(xù)模式。通常升壓式變換器通常工作在電流斷續(xù)模式。
BOOST變換器工作在電流斷續(xù)模式下，存儲(chǔ)在電感中的能量為：
Estored=? LIpk^2
單位時(shí)間內(nèi)，傳輸?shù)哪芰勘仨殱M足負(fù)載連續(xù)功率消耗的需求，這就意味著開關(guān)管導(dǎo)通期間，存儲(chǔ)的能量要足夠大，即電流峰值Ipk要滿足以下要求：
Pload<Pout=Fop*? LIpk^2(Fop是變換器的開關(guān)頻率）
BOOST電路的輸入輸出關(guān)系
BUCK-BOOST電路的工作原理分析
BUCK-BOOST輸入輸出關(guān)系
功率半導(dǎo)體器件重要參數(shù)的最小值
開關(guān)電源小結(jié)
開關(guān)電源功率電路的五個(gè)基本元件：開關(guān)，二極管，電容，電感，變壓器
開關(guān)電源功率電路分析要點(diǎn)
1. 電容的電壓不能突變, 電感的電流不能突變
2. 流經(jīng)電容的電流平均值為零, 電感兩端電壓的平均值為零
3. 理想變壓器電壓與匝數(shù)成比且同名同極性, 電流與匝數(shù)成反比且點(diǎn)進(jìn)點(diǎn)出
4. 電容恒流充電的公式為C * ΔU = I *T, 電感恒壓儲(chǔ)能的公式為L(zhǎng) * ΔI = U *T
5. 變壓器與電感的伏秒積必須平衡
