降压型开关稳压电源设计

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1、1 开关电源概述开关电源是开关稳压电源的简称，一般指输入为交流电压、输出为直流电压的AC/DC变换器。开关电源内部的功率开关管工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达75%-90%，比普通线性稳压电源提高近一倍。集成稳压电源线性电源线性稳压电源的简称，因其内部调整管工作在线性工作区得名。线性稳压器调整管与负载相串联，电源的输入电流与输出电流根本相等。优点是稳压性能好，输出的纹波电压和噪声电压小。缺点是调整管压降大，功耗高，效率低，一般为35%-45%。开关电源脉宽调制控制器PWM开关周期为恒定值，通过调节脉冲宽度来改变占空比，实现稳压目的。脉频调制控制器PFM脉冲宽度为恒定值，通过

2、调节开关频率来改变占空比，实现稳压目的。DC/DC变换器直流开关电源一般为高压输入、隔离式DC/DC变换器，采用PWM控制器或单片开关电源。开关稳压器低压输入、非隔离式DC/DC变换器，采用开关稳压器集成电路。包括降压型BUCK电路，升压型BOOST电路及混合电路等。单片开关电源将开关电源的主要电路都集成在一个芯片中，一般属于AC/DC电源变换器。表1.1电源分类2 降压式开关稳压器原理2.1 给低通滤波器输入方波图2.1.1表示给低通滤波器输入方波时的情况。如果一个低通滤波器的截止频率比输入信号频率低很多，当给它输入方波信号时，由于方波被低通滤波器平滑，所以输出信号变成了直流只有微小的脉流。

3、为什么？方波信号相当于一个直流分量加一个交流分量的和，经过低通滤波器后，直流分量通过，交流分量被滤掉，所以只剩下直流分量了，即输出平滑了。如果低通滤波器的截止频率比输入信号频率高，那么交流分量就全部通过了，起不到滤波的作用，所以低通滤波器的截止频率要比输入信号的频率低很多才行。降压型开关电源是把输入的直流信号转换成方波，再把这个方波经低通滤波器平滑，又得到直流信号的电路。之所以通过这样复杂的过程来降低电压是为了减少电压变换时的损失。线性稳压电源只所以效率低就因为直接进行电压变换的时候功耗大。图2.1.1 给低通滤波器输入方波2.2 开关电路+滤波器=降压型开关电源降压式开关稳压器的原理如图2.

4、2.1所示，图2.2.2和2.2.3分别是当开关闭合、断开时的电流路径。在实际的电路中，还需要实施反应使输出电压稳定。一般反应都集成到电源芯片中。图2.2.1 简化电路图2.2.2 开关闭合时的电流路径图2.2.3 开关断开时的电流路径1当开关闭合时续流二极管VD截至，由于输入电压UI与储能电感L接通，因此输入-输出压差UI-Uo就加在L上，使通过L的电流IL线性地增加。为什么？由公式L*di/dt=U可以看出，U、L不变，那么di/dt为常数，即I线性增加。在此期间除向负载供电外，还有一局部电能储存在L和C中，流过负载RL的电流为Io，参见图2.2.2。2当开关断开时，L与UI断开，但由于电

5、感电流不能在瞬间发生突变，因此在L上就产生反向电动势以维持通过电感的电流不变。此时续流二极管VD导通，储存在L中的电能就经过由VD构成的回路向负载供电，维持输出电压不变。开关断开时，C对负载放电，这有利于维持Uo和Io不变，参加图2.2.3。为什么？请看以以下图例比拟图2.2.4 去掉电容的电路图图2.2.5 去掉电容的仿真波形图图2.2.6 有电容的情况下的仿真波形图图中，绿色为输入的开关电压UI，开关频率为250KHZ，周期为4US。蓝色为输出的直流电压Uo。红色为输出电流Io。比照图2.2.5和图2.2.6，可以看出有电容的情况下纹波电压和纹波电流要很多。3 降压型开关电源的设计3.1

6、电源电路的设计指标现在进行降压型开关电源的具体设计。设计指标如下：输入电压+12V输出电压+5V输出电流2A表降压型开关电源的指标3.2 续流二极管VD的选择由降压型开关稳压电源工作原理分析可知，当功率开关VT截止时，储能电感L中所存储的磁能是通过续流二极管VD传输给负载电阻RL的；当功率开关VT导通时，集-射极之间的电压几乎等于零，这时的输入电压UI就全部加到续流二极管VD的两端。因此，续流二极管VD的选择一定要符合以下条件：1续流二极管VD的正向额定电流必须等于或大于功率开关VT的最大集电极电流，即应该大于负载电阻RL上的电流。由表3.1知输出电流为2A，纹波电流控制在5%以内，即二极管正

7、向额定电流Id2.1A。2续流二极管VD的反向耐压值必须大于输入电压UI值这里是12V。3为了减小由于开关转换所引起的输出纹波电压，续流二极管VD应选择反向恢复速度和导通速度都非常快的肖特基二极管或快恢复二极管。4为了提高整机的转换效率，减小内部损耗，一定要选择正向导通管压降低的肖特基二极管。综上选择MBRS340LTspice软件的仿真元件库内。图3.2.1 MBRS340属性3.3 储能电感L的选择这里我们假定选择的开关频率为F=250KHZ。 开关的周期T=1/F=1/250KHZ=4us。 占空比D=Uo/UI=5V/12V0.42。一个周期内处在12V电压的时间Ton=DT=0.42

8、*4us=1.68us。在Ton时间内，纹波电流di=10%*Io=0.1*2A=0.2A。纹波电流控制在5%以内。 在Ton时间内，储能电感L两端压降VL=12V-5V=7V。 根据电感计算公式L=V*dt/di可以得到：在Ton时间内，L=VL*Ton/di=7V*1.68us/0.2A=58.8uh。 在实际应用中，往往取理论值的1.5倍，所以估算电感：L=58.8uh*1.5=88uh。选材的时候考虑在这个电感量左右的电感。3.4 输出滤波电容C的选择从降压型开关稳压电源的工作原理分析可见，输出滤波电容C的选择直接关系着开关稳压电源输出电压中纹波电压分量Uo的大小。在设计降压型开关稳压

9、电源时，输出滤波电容C的容量主要根据对稳压电源输出纹波电压Uo的要求来定。根据电路分析可以推导出C的计算公式推导过程略：C=Uo8UoLF2（1-UoUi）C=5V8*5V*10%*88uh*（250KHZ）2（1-5V12V）=0.13uf实际应用中取理论值1.5倍，估算电容C=0.13uf*1.5=0.2uf储能电感L和输出滤波电容C组成的滤波器的截止频率为Fc=12LC=38KHZ可以看出Fc远小于开关频率F=250KHZ。对于储能电感L和输出滤波电容C的选择，必须在满足电感选择原那么的根底上，再选择电容，如果电感值小于临界值，电感缺乏以吸收开关的能量，会引起工作状态急剧恶化。因此，储能

10、电感L除了起储能和滤波的作用外，还有限制功率开关最大电流的作用。电感和电容之间满足关系式：LC=TToff8UoUo 式3.4.1也可以用式估算C的值。4降压型开关电源的设计仿真图4.1 仿真电路图图4.2 开关电源设置及波形图4.3 输出电压和输出电流的波形图4.3中，绿色为输出电压的波形图，参考坐标系在左侧，可以看出输出电压在5V4V，满足5%纹波电压要求。蓝色为流经负载电流的波形图，参考坐标系在右侧，输出电流在2A满足5%纹波电流1.9A-2.1A要求。经思考验证，还可以得到以下几点信息：L和C的取值越大，最后的纹波输出越小，即输出电压电流越平稳，但到达平稳的时间也越长，如图4.3为15

11、0us左右到达平稳。而将电感值从88uh增大到200uh后，如以下图4.4所示，要到500us左右才到达平稳。图4.4 增大L的值后的仿真波形图C越大，起始噪声脉冲越大。如以下图4.5所示。将电容从0.2uf增大到20uf。如果继续增大C的值，会出现更多的逐渐衰减的噪声脉冲。如图4.6所示，电容值增大到200uf。注意时间轴的变化，到达平稳的时间也越来越长，纹波越来越小，符合中所述。图4.5 增大C值后的仿真波形图图4.6 继续增大C值后的仿真波形图L和C取值较小，满足不了截止频率远小于开关频率的要求时，出现谐振。如图4.7所示，电感降低为1uh。此时已经达不到滤波的要求了。L和C的相对取值不

12、同，振荡幅度不同。参考文献1 日铃木雅臣著，彭军译. 晶体管电路设计M. 北京：科学出版社，2004：227-243.2 沙占友，王彦朋，安国臣，孟志永. 开关电源设计入门与实例解析M. 北京：中国电力出版社，2023.3 王水平，史俊杰，田庆安. 开关稳压电源-原理、设计及实施电路M. 西安：西安电子科技大学出版社，2005：1-22.4 沙占友，庞志锋，等. 开关电源外围元器件选择与检测M. 北京：中国电力出版社，2023：1-141.5日长谷川彰著，何希才译. 开关稳压电源的设计与应用M. 北京：科学出版社，2006：1-115.6 日福田务著，牛连强，张胜男译. 电子电路入门M. 北京：科学出版社，2003.