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线性电压 IC 稳压器开关电源

关键词:开关电源 线性电压 IC 稳压器

时间:2024-05-16 09:40:34      来源:网络

对于专用开关模式电源,线性稳压器通常比由齐纳二极管和电阻器、晶体管甚至运算放大器等分立元件制成的等效稳压器电路更高效且更易于使用。

对于专用开关模式电源,线性稳压器通常比由齐纳二极管和电阻器、晶体管甚至运算放大器等分立元件制成的等效稳压器电路更高效且更易于使用。

迄今为止,的线性和固定输出电压调节器类型是 78… 正输出电压系列和 79… 负输出电压系列。这两种类型的互补电压调节器产生且稳定的电压输出,范围从大约 5 伏到大约 24 伏,用于许多电子电路。

有多种三端固定电压调节器可供选择,每种都有自己的内置电压调节和电流限制电路。这使我们能够创建一整套不同的电源轨和输出,无论是单电源还是双电源,适用于大多数电子电路和应用。

甚至还有可变电压线性稳压器,其输出电压可从略高于零到低于其电压输出几伏的范围内连续变化。

大多数直流电源都包含一个大而重的降压电源变压器、全波或半波二极管整流以及一个滤波器电路,用于消除整流直流中的任何纹波内容,以产生适当平滑的直流输出电压。

此外,某种形式的电压调节器或稳定器电路(线性或开关)可用于确保在变化的负载条件下正确调节电源输出电压。那么典型的直流电源将如下所示:

典型直流电源

直流电源

这些典型的电源设计包含一个大型电源变压器(还提供输入和输出之间的隔离)和一个串联稳压器电路。稳压器电路可由单个齐纳二极管或三端线性串联稳压器组成,以产生所需的输出电压。线性稳压器的优点是电源电路只需要一个输入电容、输出电容和一些反馈电阻来设置输出电压。

线性稳压器通过在输入和输出之间串联放置一个连续导通的晶体管来产生稳定的直流输出,该晶体管在其电流-电压 (iv) 特性的线性区域(因此得名)运行。

因此,晶体管的作用更像是一个可变电阻,它不断地将自身调整到维持正确输出电压所需的任何值。考虑下面这个简单的串联传输晶体管稳压器电路:

串联晶体管稳压电路

串联稳压电路

这里,这个简单的射极跟随器调节器电路由单个 NPN 晶体管和用于设置所需输出电压的直流偏置电压组成。由于射极跟随器电路具有单位电压增益,因此向晶体管基极施加合适的偏置电压,从发射极端子获得稳定的输出。

由于晶体管提供电流增益,因此输出负载电流将远高于基极电流,如果使用达林顿晶体管布置,则输出负载电流会更高。

此外,假设输入电压足够高以获得所需的输出电压,则输出电压由晶体管基极电压控制,在本例中为 5.7 伏,以向负载产生约 0.7 伏的 5 伏输出落在基极和发射极端子之间的晶体管上。然后根据基极电压的值,可以获得任意值的发射极输出电压。

虽然这个简单的串联稳压器电路可以工作,但其缺点是串联晶体管在其线性区域持续偏置,以热量的形式耗散功率。由于所有负载电流必须通过串联晶体管,这会导致效率低下、浪费 V*I 功率以及晶体管周围持续发热。

此外,串联稳压器的缺点之一是其连续输出电流额定值仅限于几安培左右,因此通常用于需要低功率输出的应用中。

当需要更高的输出电压或电流功率需求时,通常的做法是使用通常称为开关模式电源的开关调节器,将市电电压转换为所需的更高功率输出。

开关模式电源(SMPS)正在变得越来越普遍,并且在大多数情况下已经取代了传统的线性交流到直流电源,作为一种降低功耗、减少散热以及尺寸和重量的方法。

开关模式电源现在可以在大多数个人电脑、功率放大器、电视、直流电机驱动器等以及任何需要高效电源的设备中找到,因为开关模式电源正日益成为一种更加成熟的技术。

根据定义,开关模式电源 (SMPS) 是一种使用半导体开关技术而不是标准线性方法来提供所需输出电压的电源。基本开关转换器由功率开关级和控制电路组成。

功率开关级执行从电路输入电压V IN到输出电压V OUT的功率转换,其中包括输出滤波。

与标准线性稳压器相比,开关模式电源的主要优点是效率更高,这是通过在“ON”状态(饱和)和“OFF”状态(饱和)之间内部切换晶体管(或功率 MOSFET)来实现的。截止),两者都会产生较低的功耗。

这意味着当开关晶体管完全“导通”并传导电流时,其两端的电压降处于值,而当晶体管完全“关断”时,没有电流流过它。因此晶体管的作用就像一个理想的开/关开关。

与仅提供降压电压调节的线性稳压器不同,开关模式电源可以使用三种基本开关模式电路拓扑中的一种或多种来提供输入电压的降压、升压和负压:降压、升压和降压-促进。这些名称指的是晶体管开关、电感器和平滑电容器在基本 SMPS 电路中如何连接在一起。

降压开关模式电源

降压开关稳压器是一种开关模式电源电路,旨在有效地将直流电压从较高电压降低到较低电压,即减去或“降压”电源电压,从而降低输出端可用的电压端子无需改变极性。换句话说,降压开关调节器是降压调节器电路,因此例如降压转换器可以将+12伏转换为+5伏。

降压开关稳压器是一种直流-直流转换器,也是简单、的开关稳压器类型之一。当在开关模式电源配置中使用时,降压开关稳压器使用串联晶体管或功率 MOSFET(是绝缘栅双极晶体管或 IGBT)作为其主要开关器件,如下所示。


降压开关稳压器

我们可以看到,降压转换器的基本电路配置是串联晶体管开关TR 1以及相关的驱动电路(使输出电压尽可能接近所需水平)、二极管D 1、电感器L 1和平滑电容器C 1。降压转换器有两种工作模式,具体取决于开关晶体管TR 1是“导通”还是“截止”。

当晶体管偏置为“ON”(开关闭合)时,二极管D 1变为反向偏置,输入电压V IN导致电流通过电感器流至输出端连接的负载,为电容器C 1充电。

当变化的电流流过电感器线圈时,根据法拉第定律,它会产生反电动势,该反电动势与电流流动相反,直到达到稳定状态,在电感器周围产生磁场L 1。只要TR 1关闭,这种情况就会无限期地持续下去。

当晶体管TR 1通过控制电路“关闭”(开关打开)时,输入电压立即与发射极电路断开,导致电感器周围的磁场崩溃,从而在电感器上产生反向电压。

该反向电压导致二极管变得正向偏置,因此电感器磁场中存储的能量迫使电流继续以相同方向流过负载,并通过二极管返回。

然后,电感器L 1将其存储的能量返回到负载,充当电源并提供电流,直到所有电感器的能量返回到电路或直到晶体管开关再次闭合(以先到者为准)。同时电容器也放电,为负载提供电流。电感器和电容器的组合形成了 LC 滤波器,可以消除晶体管开关动作产生的任何纹波。

因此,当晶体管固态开关闭合时,电流由电源提供,而当晶体管开关打开时,电流由电感器提供。请注意,流经电感器的电流始终沿相同方向,直接来自电源或通过二极管,但显然在开关周期内的不同时间。

由于晶体管开关连续闭合和打开,因此平均输出电压值将与占空比 D 相关,D被定义为晶体管开关在一个完整开关周期期间的导通时间。

如果V IN是电源电压,并且晶体管开关的“ON”和“OFF”时间定义为:t ON和t OFF,则输出电压V OUT为:


降压转换器占空比

降压转换器的占空比也可以定义为:

降压开关稳压器占空比

因此,占空比越大,开关电源的平均直流输出电压就越高。由此我们还可以看出,由于占空比D永远无法达到 1(单位),因此输出电压将始终低于输入电压,从而导致降压稳压器。

通过改变占空比来实现电压调节,开关速度高达 200kHz,可以使用更小的元件,从而大大减小开关模式电源的尺寸和重量。

降压转换器的另一个优点是电感电容 (LC) 布置可以提供非常好的电感电流滤波。理想情况下,降压转换器应在连续开关模式下运行,以便电感器电流永远不会降至零。如果采用理想的元件,即“导通”状态下的压降和开关损耗为零,理想的降压转换器的效率可高达 100%。

除了用于开关模式电源基本设计的降压开关稳压器之外,基本开关稳压器还有另一种操作方式,即升压稳压器,称为升压转换器。

升压开关模式电源

升压开关稳压器是另一种类型的开关模式电源电路。它具有与之前的降压转换器相同类型的组件,但这次位于不同的位置。升压转换器旨在将直流电压从较低电压增加到较高电压,也就是说,它也添加或“升压”电源电压,从而在不改变极性的情况下增加输出端子处的可用电压。换句话说,升压开关调节器是升压调节器电路,因此例如升压转换器可以将+5伏转换为+12伏。

我们之前看到,降压开关稳压器在其基本设计中使用了串联开关晶体管。与升压开关稳压器设计的不同之处在于,它使用并联的开关晶体管来控制开关电源的输出电压。

由于晶体管开关有效地与输出并联连接,因此当晶体管偏置为“OFF”(开关打开)时,电能仅通过电感器到达负载,如图所示。


开关电源 开关稳压器

在升压转换器电路中,当晶体管开关完全导通时,来自电源V IN 的电能经过电感器和晶体管开关并返回电源。结果,由于饱和晶体管开关有效地对输出产生了短路,因此它们都不会传递到输出。

这增加了流过电感器的电流,因为它具有更短的返回电源的内部路径。同时,二极管D 1变得反向偏置,因为其阳极通过晶体管开关接地,并且当电容器开始通过负载放电时,输出上的电压电平保持相当恒定。

当晶体管完全关闭时,输入电源现在通过串联的电感器和二极管连接到输出。随着电感器磁场减小,存储在电感器中的感应能量通过V IN通过现在正向偏置的二极管推至输出。

所有这些的结果是,电感器L 1两端的感应电压反转并添加到输入电源的电压上,从而增加了总输出电压,现在变为V IN  + V L。

来自平滑电容器C 1 的电流(用于在晶体管开关闭合时为负载供电)现在由输入电源通过二极管返回至电容器。那么提供给电容器的电流就是二极管电流,由于晶体管的开关动作,二极管不断地在正向和反向状态之间切换,因此该电流将始终处于“ON”或“OFF”状态。那么平滑电容器必须足够大,以产生平滑稳定的输出。

由于电感器L 1两端的感应电压为负,因此它会增加源电压V IN ,迫使电感器电流流入负载。升压转换器的稳态输出电压由下式给出:

开关模式电源升压转换器电压输出

与之前的降压转换器一样,升压转换器的输出电压取决于输入电压和占空比。因此,通过控制占空比,实现输出调节。而且该方程与电感器、负载电流和输出电容器的值无关。

我们在上面已经看到,非隔离开关模式电源电路的基本操作可以使用降压转换器或升压转换器配置,具体取决于我们是否需要降压(降压)或升压(升压)输出电压。虽然降压转换器可能是更常见的 SMPS 开关配置,但升压转换器通常用于电容电路应用,例如电池充电器、闪光灯、闪光灯等,因为电容器在开关闭合时提供所有负载电流。

但我们也可以将这两种基本开关拓扑组合成一个非隔离开关稳压器电路,毫不奇怪地称为降压-升压转换器。

降压-升压开关稳压器

降压-升压开关稳压器是降压转换器和升压转换器的组合,可产生反相(负)输出电压,该电压可以根据占空比大于或小于输入电压。降压-升压转换器是升压转换器电路的一种变体,其中反相转换器仅将电感器L 1存储的能量传送到负载中。下面给出了基本的降压-升压开关模式电源电路。

当晶体管开关TR 1完全导通(闭合)时,电感器两端的电压等于电源电压,因此电感器存储来自输入电源的能量。由于二极管D 1反向偏置,因此没有电流传输至输出端连接的负载。当晶体管开关完全关断(开路)时,二极管变为正向偏置,之前存储在电感器中的能量将转移到负载。

换句话说,当开关处于“ON”状态时,能量由直流电源(通过开关)输送到电感器中,并且不会传递到输出,而当开关处于“OFF”状态时,电感器两端的电压反转为电感器现在成为能量源,因此先前存储在电感器中的能量被切换到输出(通过二极管),并且没有任何能量直接来自输入直流源。因此,当开关晶体管“关断”时,负载两端的电压降等于电感器电压。

结果是,基于占空比,反相输出电压的幅度可以大于或小于(或等于)输入电压的幅度。例如,正负降压-升压转换器可以将 5V 转换为 12V(升压)或 12V 转换为 5V(降压)。

降压-升压开关稳压器的稳态输出电压V OUT如下所示:

开关模式电源降压升压转换器电压输出

然后,降压-升压稳压器因其产生的输出电压而得名,该输出电压的幅度可以高于输入电压(如升压功率级)或低于输入电压(如降压功率级)。然而,输出电压的极性与输入电压相反。

开关模式电源总结

现代开关模式电源(SMPS)使用固态开关将未稳压的直流输入电压转换为不同电压电平的稳压且平滑的直流输出电压。输入电源可以是来自电池或太阳能电池板的真实直流电压,也可以是来自使用二极管电桥和一些附加电容滤波的交流电源的整流直流电压。

在许多功率控制应用中,功率晶体管(MOSFET 或 IGFET)在其开关模式下运行,即高速重复“导通”和“截止”。这样做的主要优点是,稳压器的电源效率可以相当高,因为晶体管要么完全导通(饱和),要么完全截止(截止)。

有多种类型的 DC-DC 转换器(与作为逆变器的 DC-AC 转换器相反)配置可用,此处介绍的三种基本开关电源拓扑是降压、升压和降压-升压开关稳压器。所有这三种拓扑都是非隔离的,即它们的输入和输出电压共享公共地线。

每种开关稳压器设计在稳态占空比、输入和输出电流之间的关系以及固态开关动作产生的输出电压纹波方面都有其独特的特性。这些开关模式电源拓扑的另一个重要特性是开关动作对输出电压的频率响应。

输出电压的调节是通过开关晶体管处于“ON”状态的时间与总 ON/OFF 时间相比的百分比控制来实现的。该比率称为占空比,通过改变占空比 ( D)可以控制输出电压V OUT的幅度。

在开关模式电源设计中,使用单个电感器和二极管以及能够在千赫兹范围内的开关频率下运行的快速开关固态开关,可以大大减小电源的尺寸和重量。

这是因为他们的设计中不会有又大又重的降压(或升压)电源变压器。然而,如果输入和输出端子之间需要电气隔离,则必须在转换器之前包括变压器。

两种的非隔离开关配置是降压(减法)和升压(加法)转换器。

降压转换器是一种开关模式电源,旨在将电能从一个电压转换为较低电压。降压转换器通过串联的开关晶体管运行。由于占空比D < 1,降压器的输出电压始终小于输入电压V IN。

升压转换器是一种开关模式电源,旨在将电能从一个电压转换为更高的电压。升压转换器与并联开关晶体管一起工作,从而通过电感器L 1和二极管D 1在V IN和V OUT之间形成直流路径。这意味着输出没有短路保护。

通过改变升压转换器的占空比 ( D ),可以控制输出电压,并且当D < 1时,由于电感器自感电压,升压转换器的 DC 输出大于输入电压V IN。

此外,开关电源中的输出平滑电容器被假定为非常大,这导致在晶体管开关动作期间开关电源具有恒定的输出电压。

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