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开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维
持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。
随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新。
目前,开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,进入80年代计算机电源全面实现了
开关电源化,率先完成计算机的电源换代,进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源,更促进了开关电源技术的迅速发展。
开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。
线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源。
随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广泛的发展空间。
开关电源基础知识(Switcher-Fundamentals)培训课程共计五个章节:
本拓扑类型、效率与输入输出及占空比的关系、同步与非同步的定义、隔离与非隔离、脉宽调制与变频各类控制方式特点。
其深入浅出的说明了基础概念,建立电源设计沟通的平台。
学习开关电源基础知识课程更多TI培训课程
第一章开关电源基础知识
1.1开关电源的类型…………………………………………………………………1
1.2什么是开关稳压器………………………………………………………………3
1.3脉宽调试方式(PWM)……………………………………………………………3
1.4实例:
简化的降压开关电源………………………………………………………4
1.5开关电源的类型(非隔离式)……………………………………………………5
1.6降压转换器(降压型开关稳压器)的工作模型…………………………………5
1.7降压转换器基础(电流和电压波形)……………………………………………5
1.8降压转换器拓扑…………………………………………………………………6
1.9升压转换器(升压型开关稳压器)………………………………………………6
1.10升压转换器(电流和电压波形)………………………………………………7
1.11升压转换器拓扑和电路示例……………………………………………………7
1.12降压-升压转换器(电流和电压波形)…………………………………………8
1.13降压-升压转换器拓扑…………………………………………………………8
1.14控制器与稳压器…………………………………………………………………9
1.15开关稳压器总结………………………………………………………………10
第二章效率与Vout的关系
效率与Vout的关系…………………………………………………………………11
第三章同步于非同步
3.1什么是同步与非同步……………………………………………………………13
3.2区分同步、非同步………………………………………………………………13
3.3同步,非同步的优缺点…………………………………………………………14
3.4同步于非同步的选择……………………………………………………………15
第四章隔离式与非隔离式
4.1非隔离式拓扑结构………………………………………………………………17
4.2隔离式拓扑结构…………………………………………………………………18
第五章脉宽调制与脉冲频率调制
5.1概述………………………………………………………………………………25
5.2典型便携式电源应用实例………………………………………………………25
5.3定义–PWM和PFM………………………………………………………………25
5.4PWM控制架构……………………………………………………………………26
5.5滞环模式控制……………………………………………………………………26
5.6脉冲跳跃/省电模式BurstMode……………………………………………27
5.7PWM模式和跳跃模式波形图……………………………………………………27
5.8转换器效率和损耗………………………………………………………………27
5.9双模式降压转换器………………………………………………………………28
5.10输出纹波差异…………………………………………………………………29
5.11省电模式与强制PWM模式的对比……………………………………………29
5.12多种省电模式…………………………………………………………………30
5.13概要/结论(可变频率转换器)……………………………………………31
附录一:
编委信息与后记附录二:
版权说明
1.1开关电源的类型
1.1.1线性稳压器,所谓线性稳压器,也就是我们俗话说的LDO,一般有这么两种特点:
●传输元件工作在线性区,它没有开关的跳变;
●仅限于降压转换,很少会看到升压的应用。
1.1.2开关稳压器
●传输器件开关(场效应管),在每个周期完全接通和完全切断的状态;
●里面至少包括一个电能储能的元件,如:
电感器或者电容器;
●多种拓扑(降压、升压、降压-升压等)1.1.3充电泵,一般在一些小电流的应用
●传输器件开关(如:
场效应管、三极管),有些完全导通,而有些则工作在线性区;
●在电能转换或者储能的过程中,仅限使用了电容器,如一些倍压电路。
答疑:
有些情况为什么要使用开关稳压器?
为什么不用LDO和充电泵?
我们知道,所有的能量都不会凭空消失,损耗的能量最终会以热的形式传递出去,这样,工程师在设计中就会产生很大的挑战,比如说,损耗最终以热的形式传递,那么电路中就需要增加更大的散热片,结果电源的体积就变大了,而且整机的效率也很低。
如果在开关模式的开关电源,不仅可以提高效率,还可以降低了热管理的设计难度。
我们可以举一个例子来对比线性电源和开关电源的效率和体积:
线性稳压器:
根据上图我们可以算出它的最大输出效率为:
η=Pout⨯100%
Pin
它的功率损耗为:
Pd=(Vin-Vout)⨯I
开关稳压器:
根据上图我们可算出它的最大输出效率为:
Pd=Pin⨯(1-η)
从它们的效率来看,一个12V输入,3.3V/2A输出的电源,如果用线性稳压器来实现的
话,它输出效率只有28%,而用开关电源来做的话,它的输出效率能达到90%以上。
所以线性电源在高输入电压,低输出电压的情况下的效率是非常的低,它只适用于一些输入和输出的压差比较低的场合。
像这些情况下使用开关电源的优势是显而易见的。
线性稳压器的损耗为17.4W,开关稳压器的损耗只有0.73W,这些损耗最终会以热量的形式传递出去,器件的工作温度=器件温升+环境温度,温升=热阻×
损耗的情况下:
假如器件的热阻θ=35℃/W来计算,LDO的温升=35℃×
17.4W=609℃,开关稳压器温升=35℃×
0.73W=25.55℃。
可见,开关稳压器可以工作在60~70℃的环境温度也是没问题的,而LDO在这种情况下,发热非常严重,必须得降低它的热阻,而热阻的大小就取决于散热面积,散热面积越大,热阻就越小,所以LDO需要很大的散热面积(如下图),来减少它的热阻以获得较低的温升。
1.1.4下图为线性电源和开关电源体积的比较
上图红色标注地方分别是一个2.5W的LDO和一个6W的开关电源,两者功率相差2.4
倍,但开关电源的面积仅是LDO的1/4不到,也就是说开关电源的损耗大大减少了,能够承受更高的热阻,减少散热的面积。
再次强调一遍,如果说输入与输出之间压差较低的情况下,可以使用LDO,但压差较大的情况下,建议使用开关电源。
当然,开关电源也有它的劣势,它的输出会有噪声、振铃、跳变,而LDO则不会。
某些场合的负载对电源的电压是很敏感的话,可以在开关电源后面载加一级LDO。
例如我们要把5V转为1.2V,如果直接有LDO的话,效率可能只有20%,但我们可以把5V用开关电源变为1.5V,再用LDO把1.5V转为1.2V,这样,效率就会高,是一个比较优化的设计。
1.1.5总结:
开关电源VS线性稳压器
(1)开关电源
①能够提升电压(升压)
②以及使电压减低(降压)甚至反相
③具有较高的效率和功率密度
(2)线性稳压器
①只能实现降压
②输出电压相对更稳定
③
1.2什么是开关稳压器?
开关稳压器,英文(regulatior),有人叫它调节器、稳压源。
实现稳压,就是需要控制系统(负反馈),从自动控制理论中我们知道,当电压上升的时候通过负反馈把它降低,当电压下降的时候就把它升上去,这样形成了一个控制的环路。
如图中的方框图是PWM(脉宽控制方式),当然还有其他如:
PFM(频率控制方式)、移相控制方式等。
1.3脉宽调试方式(PWM)
1.3.1周期性的改变开关的导通与关断时间的简单方法
占空比:
开通的时间Ton与开关周期T的比值,ton(开通时间)+toff(关断时间)=T(开
关周期),占空比D=ton/T。
但是,我们不能采用一个脉冲输出!
需要一种实现能量流动平稳化的方法。
通过很多的脉冲,高频地切换,将在开关接通期间存储能量而在开关切断时提供此能量的
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