开关稳压器精品课件

1、开关稳压器第1页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三斩波方式在输入输出端之间几乎没有电气绝缘，所以不能用于采用商用电源的线性可调电源。斩波方式不适宜称为开关稳压器，多用于构成DC-DC转换器，即由一种直流电源得到另一种所需的直流电源。真正的开关稳压器是由变频方式构成的，主要有小型（小容量）RCC方式、中容量的正向变换器方式、大容量的多晶体管变换器方式。第2页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三开关稳压器是通过控制晶体管在ON状态、OFF状态之间切换（开关动作）使输出电压保持稳定。晶体管完全处于ON状态时，Vce（sat）=1V，晶体管的集电极-发射极电压

2、Vce很小。此时，纵然有集电极电流Io流过晶体管，也不会引起过大的功率损耗。另外 ，开关稳压器处于OFF状态时无集电极电流，当然也就不存在功率损耗。这就是开关稳压器功率损耗小的主要原因。第3页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三开关稳压器处于按需供应，非串联稳压器的一直供应。开关电路输出的电流不是直流，它的后面还需要连接整流平滑电流，把脉动电流转换成直流电流。第4页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三开关稳压器的整流、平滑电路开关稳压器的整流、平滑电路有电容器输入型和扼流线圈输入型两类，需要根据开关稳压器的电路方式加以灵活运用。降压型斩波开关稳压器中采用

3、扼流线圈输入型，而升压型斩波和反极性斩波开关稳压器则采用电容输入型。按需供应（调节晶体管的ON和OFF比例），可以得到任意值的直流、稳定输出电压。第5页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三通常把不经过电源变压器，而是将AC直接输入电源的开关稳压器称为线性可调型电源或离线变换器。线性可调型开关稳压器结构，a.为自励型b.为他励型。自励型，由开关晶体管和输出变压器产生持续振荡。电路的构成简单，只适用于小功率输出的设备。他励型，控制电路中有振荡器，电路结构复杂但特性好，适用于大功率设备。第6页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三第7页，共68页，2022年，5

4、月20日，22点45分，星期三线性可调型开关稳压器包含输出变压器，输入和输出之间必须进行隔离，以避免产生感应电压。通常开关晶体管的开关频率都设定在人的听觉频率之外，超过20KHz以上。第8页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三开关稳压器的基本形式第9页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三斩波方式适用于局部稳压第10页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三RCC方式适用于50W以下第11页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三正向变换器适用于高频场合第12页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三第13页

5、，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三推挽方式适用于小于300W的场合第14页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三半桥方式适用于AC100V/AC200V输入该方式与推挽方式相同，也采用两个晶体管。半桥式开关晶体管的Vce为推挽式晶体管的1/2，集电极电流为推挽式的2倍。基于这些特点，半桥式适用于输入电压为100V/200V的共用型电源。即输入为AC100V时，它起到倍压整流的作用，而输入200V时起到普通桥式整流的作用。取晶体管的耐压Vce为400V即可。第15页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三变压器磁芯的选择开关稳压器的工作频率

6、一般为高频，超过数十千赫以上，所以作用工频电源变压器的硅钢片不合适做扼流线圈的磁芯。因为硅钢片铁心线圈的铁损和所谓的磁芯损耗都非常大，大的损耗将使线圈产生很高的温升。可采用主要成分为钼的粉末压制磁芯。铁氧体磁芯在设计时需要设计成带气隙的，从气隙泄放出去的漏磁是引起噪声的主要原因。目前非晶态材质的环型磁芯具有最好的性能。第16页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三晶体管开关特性晶体管实际上的导通时间为Tr，基极电流为零之后返回到晶体管OFF状态的存储时间为Tstg，而晶体管关断所需的时间为Tf，在存储时间Tstg内晶体管仍然处于ON状态，因而该时间越长，晶体管的开关动作越不理

7、想。Tstg是影响晶体管开关时间的一个重要因素。产生了理想状态与实际状态的差距。Hfe越大则Tstg越长，Tstg还随温度的升高而延长。第17页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三减小Tstg的措施第18页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三通过基极-发射极间的连接电阻Rbe释放蓄积的电荷，将大大改善晶体管的开关特性。当晶体管从ON向OFF切换的瞬间，在发射极到基极方向给晶体管加上一个反向偏置电压。第19页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三选择晶体管的要点开关稳压器多数用于低电压的斩波稳压器，在设计晶体管时应尤其注意Tstg，如果选

8、择所谓的高速开关功率晶体管，一般都不会产生问题。在耐压设计上，输入AC100V，需要耐压Vceo=400V的晶体管，而输入AC200V，则需耐压Vceo=800V的晶体管。晶体管的集电极电流的合理取值应为最大额定值的1/21/3。第20页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三二极管大部分选用SBD（肖特基二极管）。二极管上的标示和普通二极管一样。测试方式也一样。体积稍大，引脚也粗。也有允许的额定电流和耐压范围，根据电路的最大电流，选取器件。画PCB时需要拿到实物再画，SBD的尺寸厂家不一样，大小有差别。第21页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三斩波稳压器

9、的设计方法图2.2给出了由晶体管直接对输入电源进行开关控制的电路所构成的斩波稳压器。直流输入电压Vin首先经过晶体管转换称为高频的电源。然后经扼流线圈L和电容器C后重新变成直流。第22页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三如果晶体管ON，输入电压Vin就会给扼流线圈L、电容器C以及负载提供能量。当电流流过L时，扼流线圈存储能量。由于此时二极管D处于OFF状态，所以就如同它不存在一样。接下去如果晶体管OFF，情况将如何呢？此时，扼流线圈L通过二极管D释放存储的能量，并将之提供给负载，二极管构成了扼流线圈能量释放的通路。（该二极管称为续流二极管）。第23页，共68页，2022年

10、，5月20日，22点45分，星期三改变D（占空比）就可以改变输出电压，即使输入电压Vin由于某种原因缓慢低落，但只要接入一个电路来控制Ton的宽度，就能保证输出电压稳定不变。斩波稳压器中，由于输入和输出之间的变压器等没有绝缘，使用中特别注意。无法作为隔离用的电源。第24页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三开关振荡电路1、在斩波控制电路中内置振荡器，该方式以固定开关频率工作，称之为他激型斩波。专用IC通常大部采用这种方式。通过外接电阻或电容器可以任意设定振荡频率。2、在控制电路中没有振荡器，通过把开关晶体管的输出波形正反馈给控制电路实现振荡，称之为自激型斩波。特别，把输出电

11、压中叠加的纹波电压反馈给误差放大器实现晶体管ON/OFF转换的方式称为纹波检测型斩波。第25页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三1、输出电压比输入电压低的电路(Buck电路）。称之为降压型斩波电路。2、输出电压比输入电压高的电路（Boost电路）称之为升压型斩波或升压变换器。工作过程为：晶体管ON期间，线圈L存储能量，晶体管OFF的瞬间，L上产生反向电动势，向输出侧传递功率。3、输入输出极性相反的电路第26页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三第27页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三自激振荡斩波稳压器设外加输入电压为Vin，于是

12、稳压二极管D2产生基准电压Vref，经电阻R3和R2分压，晶体管Tr2的基极电压Vb2为：第28页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三维持稳定振荡的难度该方式中差动放大电路的晶体管ON/OFF转换是通过输出纹波电压实现的，如果输出一侧的平滑电路扼流线圈或者电容器的容量值发生变化，那么转换频率也将发生变化。需要通过图2.5中所带*标的元器件来确定转换频率。为了获得较大的输出电流，开关晶体管可用达林顿管取而代之。纹波检测型斩波的转换效率较低，只能用于小功率。有兴趣的可以看如何使用TL431来使电路工作稳定可靠。第29页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三开关

13、晶体管和二极管的功耗通常以正向电压降Vf较小的肖特基势垒二极管。第30页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三RCC方式稳压器的设计方法（反激式）RCC是Ringing Choke Convertor的缩写，字面上翻译为自激回扫变换器。国内大部分称为反激式稳压器或者反激式开关电源。第31页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三基础知识只要有正向偏压加在开关晶体管Tr1的基极上，Tr1就ON，于是集电极-发射极间的电压达到饱和电压Vce（sat），输入电压加在变压器的初级绕组上。与此同时，在变压器的次级绕组中感应出反极性的电压，次级的二极管D1中没有电流流过，

14、次级绕组处于开路状态。在此状态下，变压器内部并没有能量传递，电源提供给初级绕组的能量全部存储在变压器中。（存储能量过程）第32页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三从Tr1OFF的瞬间开始，电源便停止向初级绕组提供电能，同时变压器绕组产生反向电动势。因此，次级电路的二极管D1导通，变压器内存储的能量向输出一侧释放出来。由式子可知，如果输入电压或输出电流发生变化，改变ON时间或频率f的时间参数，即可使输出电压Vo保持稳定。第33页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三这是三种动作模式，RCC方式通常工作在b这种模式下。第34页，共68页，2022年，5月20

15、日，22点45分，星期三B2如果大于Bm则造成磁滞饱和，这种情况相当于空心的线圈，此时晶体管中将有过大的电流流过。第35页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三上图说明在磁芯中有剩磁，则要求由于使用电容，故在输出电压中存在纹波电压第36页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三电路的起动过程接通输入电源Vin后，电流Ig通过电阻Rg流向开关晶体管Tr1的基极，Tr1导通，Ig称为起动电流。晶体管Tr1的集电极电流Ic必然由零开始逐渐增加。故Ig尽量小点。电阻Rg称为起动电阻。第37页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三一旦Tr1进入ON状态

16、，输入电压Vin将加在初级绕组上，则基极线圈产生电压Vb。该电压Vb与Tr1导通极性相同，因此Vb将维持Tr1的导通状态，此时基极电流Ib是连续的稳定电流。经过某一时间Ton后达到Ic，集电极电流与直流电流放大倍数hfe之间将呈现如下关系:只有上述公式成立的条件下Tr1才能维持ON状态。在基极电流不足的区域，集电极电压由不饱和区域向不饱和区域的转移。于是Np线圈（通过Ic电流的线圈）的电压下降，导致Nb（基极线圈）的感应电压也随之降低，基极电流Ib进一步减小。Tr1的基极电流不足状态不断加深，Tr1迅速转移至OFF状态。第38页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三如果晶体管

17、处于OFF状态，变压器各个绕组将产生反向电动势，次级Ns绕组使D4导通，电流I2流过负载，经过某一时间toff后，变压器能量释放完毕，电流I2变为0。但是，此时在Ns绕组中还有极少量的残留能量，这部分能量再一次返回。使基极绕组Nb产生电压，Tr1再次ON，晶体管继续重复前面的开关动作。第39页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三稳压二极管Dz的目的为，分流Tr1的基极电流。达到关断晶体管的目的。在Tr1OFF期间，Nb线圈通过导通的D3为C2充电，C2的电压变为负电压，C2的电压Vc当Vc满足上式时，齐纳二极管Dz导通，驱动电流从它所形成的旁路流过，进而是Tr1OFF。第4

18、0页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三在开始电路起动时，在开关晶体管中将有很大的集电极电流流过，如果该电流超过额定值，则有可能损坏晶体管。因此，需要防止在起动时晶体管内发生过大的集电极电流。最简单的办法如3.22。实际如图3.23，若开关晶体管Tr1的集电极电流使Rsc上的电压降Vs超过Tr2的Vbe，则Tr2ON，从而构成Tr1的基极电流分支，并起到限制Tr1的集电极电流过高的稳流作用。第41页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三为了提高RCC的输出功率，方法是增加一只电流放大晶体管。可以将二极管的电压变化和损耗这两个问题同时解决。第42页，共68页

19、，2022年，5月20日，22点45分，星期三输出电压Vo与负偏压Vc成正比。改变输出电压，就需要改变Vc。如图3.38由此可见，改变R1和R2的比值就可以改变输出电压第43页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三在该电路中，由于Ib与Vin无关，故Ib是恒定的，可以保证电路的正常工作，而且还可以减小电阻Rb的损耗。第44页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三图3.40所示，当输出近似为空载状态时，仍会引起间歇振荡。采用3.41图的方法，在直流的输出端连接一个泄放电阻，此时的功率全部为无用功率。采用泄放电阻的电路使得输出近似空载状态时，电路仍能正常工作。第

20、45页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三浪涌电压Vsg与集电极电流Ic的切断速度成正比，如图3.42所示，该电压与Vce叠加，其大小与OFF时的开关速度成正比。最大Vsg不仅可使Vce超过晶体管Vceo，同时它也是产生噪声的主要原因。第46页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三必须在晶体管的集电极和发射极之间连接电容器和电阻。以抑制Vsg。电容必须与电阻串联连接。否则会造成开关损耗增大。第47页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三浪涌缓冲电路不是最佳设计的话，这会成为晶体管关断过程中产生振动波形的主要原因，有时甚至引发异常振荡。异常

21、振荡的症状是使本来数十千赫的开关频率跃升十几倍，甚至达到数百千赫的频率。把整个系统来看，就是一个不稳定的系统，无法正常使用。为了使系统稳定通常是加入负反馈来使系统稳定。电源设计系统也采用这种方法来保证系统稳定。可以通过直接监视输出电压，并利用某种机制对开关晶体管的振荡频率及ON时间进行控制来实现稳压输出。第48页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三如果输出电压Vo超过额定值。那么流过光耦Pc1的电流增加。于是，与光耦相连的晶体管基极电流也增加，与之对应的集电极电流增大，从而使Tr2导通，构成了开关晶体管Tr1的基极电流的另一条支路。即使Ib1减小。Ib1减小则集电极电流也减

22、小，从而缩短ON的时间，Tr1提前OFF，其结果是流入变压器的能量减小，是输出电压Vo减小。第49页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三这里设计时需要注意的保证光耦工作在线性区域，即放大区。这样可以将输出Vo的变化反馈到输入。根据所选用的光耦来确定光耦端所串联的电阻大小。在利用光耦进行反馈控制的稳压控制中，光耦的响应滞后会引起相位的延迟。由于稳压控制本身属于负反馈控制（180度的相位差），从而进一步加重了光耦的相位延迟，如果相位达到360度，即（负反馈变成正反馈）。系统会产生振荡，无法稳定。这种由于响应滞后造成的振荡在开关稳压器中称为寄生振荡，需要绝对避免。第50页，共68

23、页，2022年，5月20日，22点45分，星期三解决的方法为：人为的对相位进行补偿。为减小输出纹波电压，在次级平滑电路中添加了型LC滤波电路，但是线圈的电感将引起很大的相位延迟。为补偿相位延迟，必须在L的前端连接CR电路。第51页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三该电路中，Ra和Rb为两个要点，首先C3的电压为正的直流电压，它与输出电压成正比，若输入电压Vin上升，Ra的电流也增加，使Tr2导通，能快速地实现限流作用。限流起作用后，输出电压Vo和C2的电压值均下降，流过Rb的负电流减小，Tr2基极电压上升，使Tr2进一步导通，起到减小输出电流的作用。第52页，共68页，2

24、022年，5月20日，22点45分，星期三正向变换器的设计方法（正激式）正向变换器由于功率较大，一般采用MOSFET来作为高频开关器件。（过大电流，耐压高，电压型驱动器件）。正向变换器的特点是输出变压器初级和次级的极性相同，开关晶体管ON期间，向输出一侧传输能量。第53页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三若Tr1导通，输入电压Vin加在变压器的初级绕组Np上，那么次级绕组Ns会产生感应电压。由于二极管D1处于正向偏压，电压方向即电流i2方向。在Tr1ON期间i2为连续电流，通过路径D1-L1-C1对平滑电容器充电。一旦开关晶体管Tr1截止，来自初级的能量传输就截止，扼流线

25、圈L1产生反向电动势。I3的路径为L1-C1-D2。第54页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三如果将图4.2中的频率固定不变，输入电压Vin降低，则调宽ton，反之Vin升高，则调窄toff，就可以始终保持Vo不变。在一个周期内通过改变ON时间ton的比例（占空比）能够起到控制输出电压稳定性的作用，我们称为脉宽调制（PWM）。如果保持ton不变，通过改变周期或频率来控制占空比的方法称为脉频调制（PFM）。第55页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三从上式看出。输出电压只和占空比，初级次级线圈的匝数比以及输入电压有关。这只是理想状态下的公式，在实际中，由

26、于二极管以及导线阻抗的存在，输出电压实际为。可以看出，随着电流的变化，输出电压仍会产生脉动。在正向变换器中，初级电流和次级电流都包含励磁电流。励磁电流最终转变为无用功率。第56页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三在正向变换器的设计中，也需要注意不能使变压器出现磁饱和。磁饱和后，输出变压器相当于空心线圈，电感变得很小，流过变压器的励磁电流非常大，甚至会导致晶体管烧坏。因此在晶体管OFF期间，必须让磁通返回原来的位置。即变压器的复位。第57页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三如图4.10所示，若开关晶体管Tr1截止，则变压器的Np绕组产生反向电动势，二极

27、管D1导通，同时对电容器Cr充电。此时电阻Rr和Cr并联连接，Cr的电荷被Rr消耗。变压器实现复位的条件为Rr所消耗的功率等于变压器所存储的能量。并且要求复位动作结束必须在晶体管Tr1的OFF期间完成，否则仍留有剩磁，没有完成复位的作用。复位电阻Rr过大，复位电压Vr将迅速上升，复位很快能完成，但是由于Vr是加在晶体管上的反向电压，不宜太高，易造成晶体管的损坏。故一般在设计时使Vr等于Vin。这种情况下晶体管Tr1的占空比上限为0.5。第58页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三理想状态下复位变压器使磁通降为0。实际使用过程中，由于B-H曲线存在磁滞，故用复位变压器的方法不

28、能使磁通返回到零点。故在实际设计中需要考虑到残余剩磁（Br）的问题。第59页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三图4.10采用电阻实现变压器复位的电路中，由于变压器存储的能量全部被电阻Rr所消耗。结果成为无用功率。图4.15将该部分能量再生为输入功率，再加以有效利用的方法。若开关Tr1截止，初级绕组产生反向电动势，复位电流ir流过图中虚线路径，电流ir的方向与输入侧电容器Cin的充电方向相同，这样实现了功率再生，使其成为能够再利用的有效功率。由于开关晶体管及次级整流二极管的耐压条件所限，一般情况下，取Vr=Vin。在考虑晶体管和二极管的外加电压的时候除了考虑输入电压通过变压

29、器在次级产生的电压之外还需要考虑过渡状态的浪涌电压。因此耐压值要选定时应留有足够的裕量。第60页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三在次级整流电路中，二极管采用肖特基二极管。在正向变换器方式的稳压控制最好采用PWM控制。可以采用TI的TL494。该芯片采用软起动的方式。输入电压接通时，正向变换器方式需要通过软起动电路使输出电压平缓地上升。因为电源处于起动状态时输出电压为零。如果没有软起动电路，开关晶体管的控制信号在最大ON宽度时开始动作。由于输出侧的平滑电容器两端的电压也为0V，因此会产生极强的充电电流，结果将导致开关晶体管的集电极电流超出额定值，甚至造成元器件的损坏。第6

30、1页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三理想情况是，电路起动时刻，控制信号的导通时间先是很窄，然后再慢慢变宽。为了防止在开通时间过长，一般PWM变换器都加入死区控制时间，PWM控制芯片有专用管脚来设置电压以决定PWM输出的最大ON时间。利用在直流输出侧的负端处接一个检流电阻（低电阻大功率）来达到控制输出电流的功能，当电流过大电阻一端电压升高，电压升高此信号经过芯片后去控制PWM的开通时间。使PWM的ON时间变短，输出电压降低，从而实现过流保护。在实际中需要考虑，电压输入过低时的保护电路。第62页，共68页，2022年，5月20日，22点45分，星期三开关晶体管的驱动电路设计与双极型晶体管相比，MOSFET通常更容易实现高速开关动作。MOSFET属于电压控制元件，不需要门极驱动电流。因此，在很低的电压下就能实现开关动作。MOSFET的门极-源极之间存在