开关电源设计(一)



  • 本文基本介绍

    开关电源是硬件最基础的入门内容之一,从这个硬件设计的小技术点出发,几乎可以遍及模电的所有知识点,独立完成开关电源的设计可以当作硬件学习中的一个小目标。模拟电子技术中曾为我们初步介绍了电源技术,但是内容比较少,介绍的芯片也非常陈旧,不适用于目前的应用环境。电源技术博大精深,直流交流稳压稳流等等,知识点实在是太多了,本系列选择从目前最为通用的几种开关稳压电源出发,介绍电源技术以及对应的应用,参考书目包含《精通开关电源设计》、《电力电子学》和《德州仪器高性能模拟器件高校应用指南》。
    本文主要介绍开关电源中buck电路的基础知识。

    buck电路说明

    传统开关稳压电源一般分为buck、boost、buck-boost三种,分别是降压电路、升压电路、降压-升压电路。非常好理解。接下来我们来介绍buck电路拓扑结构及原理。buck电路的拓扑如下图:
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    通过控制开关管T的导通时间可以控制最终电压输出的大小。
    电路由开关K(实际电路中为三极管或者场效应管),续流二极管D,储能电感L,滤波电容C等构成。当开关闭合时,电源通过开关K、电感L给负载供电,并将部分电能储存在电感L以及电容C中。由于电感L的自感,在开关接通后,电流增大得比较缓慢,即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后,开关断开,由于电感L的自感作用(可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用),将保持电路中的电流不变,即从左往右继续流。这电流流过负载,从地线返回,流到续流二极管D的正极,经过二极管D,返回电感L的左端,从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间(即PWM——脉冲宽度调制),就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间,以保持输出电压不变,这就实现了稳压的目的。
    输出电压:0_1579340645618_9c07afe9-21ee-4f18-9a68-14fe68598e33-image.png 其中D为占空比。
    可以看到电源的主要受影响因素为开关管的开关频率以及占空比,需要考虑开关频率的是续流二极管能否经得起高频率的开关,开关频率越高,电源纹波越小,输出的电压越稳定,且经过LC滤波,我们可以得到一个恒压输出的电压源,对很多外设,这样一个恒压的电压源非常适用;另一方面,输出电压的大小几乎只取决于输入电压和占空比,占空比在目前比较通用的电源都是通过反馈电阻来达到的。
    buck电源的输出电流也是我们经常需要考虑的因素,输出电流与电感L的选型相关,且因为电感中会产生涡流(自感电流)他会有比较严重的发热现象,必须做好散热,且从拓扑图中我们可以看到电感输入端会有非常大的电压波动,但是经过电感滤波作用后会得到比较稳定的输出,电感既要耐大电流,又要散热快,所以电感选型和电路板布局很重要。
    拓扑中还有一个电容,这个电容的作用是储能,意味着我们要在这个电容上消耗尽可能少的能量,换言之,这个电容的ESR必须非常小。另一方面电容还必须有较高的耐压以及良好的滤波功能。



  • 经典的buck开关稳压电源设计案例:
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    见MP2482芯片。可以看到所有的重要元素,电感、肖特基二极管、输出电容等等的选值都具有参考性。


 

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