常见开关电源的应用电路

常见开关电源的应用电路

开关是通过开关法控制的直接压缩电源。它以小型、重量轻和效率高等特点,被广泛应用于电子计算机、家用电器、通信设备等电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式,已成为稳压电源的主流产品。近20年来,集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个方向是对开关电源的核心单元——控制电路实现集成化。1977年国外研制成PWM(脉宽调制)控制器集成电路,典型代表产品为SG3524、MC3520、UC3842等;20世纪90年代以来,国外又研制出开关频率达1MHz的高效PWM、PFM(频率调制)芯片,典型代表产品为UC1852、UC1864等。第二个方向是对中、小功率开关电源实现单片集成化。主要以意–法半导体公司L296、L4970等系列、美国动力公司TOPSwitch系列隔离式单片开关电源等为代表。它们集成了脉宽调制器、功率输出级、保护电路等,使开关电源频率更高,外接元件更少、体积更小,现已成为中、小功率开关电源、精密电源模块的优选集成电路。1开关电路的基本组成图1为开关电源电路的基本组成。它包括整流滤波电路、DC-DC控制器、开关占空比控制器及取样比较电路等模块。2变压器电路引导电路作为电源设计的核心组件、可靠性升级的基础、轻薄小型化的关键、电磁兼容性的保障的DC-DC直流变换电路引导着开关电源设计的方向。但从本质上来说,绝大部分开关控制器都具有常规的几种拓扑结构。2.1lm2659电路设计降压型又称Buck、Step-down控制器,图2为其典型电路结构。基本工作原理:当开关管Q1导通(TON),电感L将能量以磁场的形式储存起来,随着电源电压VIN对电感L的充电,L电流IL对输出电容CO充电,并提供负载电流IO,VD被反向偏置而截止。当Q1截止(TOFF)时,L中消失的磁场使其极性颠倒,VD加正向偏压而导通,L和CO在TOFF提供负载电流IO。占空比D=(VO+VD)/(VIN-VSAT+VD)输出电压OV≈VIN⋅TON/T式中:fOSC为开关频率(Hz);∆IL为电感输出纹波电流,常取最小输出电流IO(min)的2倍;∆VO为输出电压峰峰值;T为开关周期;VD为二极管正向压降;VSAT为Q1饱和电压降;VO为输出电压。转换电路最大效率ηmax=PO/PINVO/(VO+1)(当VD=VSAT=1V时)典型的降压型控制器有MAX724、LT1074、LM3485、LM2679、TPS5210等,图3是LM2679典型应用电路。控制器是260kHz固定频率、集成一个5A、耐压值高达65V,导通电阻低至120mÙ的DMOS开关管,限流、软启动、过热保护等功能极容易搭建成小型、高效的单电压供电电路。2.2辅助压电型控制器升压型又称Boost、Step-up控制器,图4为其典型电路结构。基本工作原理:当Q1导通时,能量储存在L中,由于VD截止,所以TON期间负载的电压和电流由CO供给。在Q1截止时,储存在L中的能量通过正向偏置的VD传送到负载和CO,L放电电压的极性与VIN相同,且与VIN相串联,因而提供了一种升压作用。当VSAT=DV=1V时,ηmax≈VIN/(VIN+)1典型的升压型控制器有MAX742、LT1370、LM2586、TPS6101×等,图5为LM2586典型应用电路。控制器是100~200kHz频率可调整、集成一个3A,耐压值高达65VNPN开关管,限流、软启动、过热保护、频率调整、逻辑关断控制等功能使其在升压电路中应用很广。2.3ton期间负载和co极性反转型又称Inverting、Buck-Boost控制器,图6为其典型电路结构。基本工作原理:当Q1导通时,接在VIN两端的L被充电,由于VD截止,所以TON期间,负载的电压和电流由CO供给。当Q1截止时,储存在L中的能量通过VD传送到负载和CO。因为L上消失的磁场颠倒了电感器电压的极性,因而提供了一种极性转换的作用。控制器的输入–输出关系为:典型的极性反转型控制器有MAX765、LT1370、LM2579、TPS6735等,图7为LM2579典型应用电路。控制器具有独特的比较器输入级,输入电压为3.5~40V,输出电流可达3A,并具有逐个周期电流限制,通过外接电容可设定1Hz到100kHz之间的振荡频率。2.4变压器能量释放机理回扫式又称flyback、ON—OFF型,它能产生在输入电压范围内的输出电压,不同于降压、升压控制器,这是回扫式控制器所独有的特点。图8为其典型电路结构。基本工作原理:当Q1导通时,电流流过变压器T1的初次线圈N1,变压器将能量以磁场的形式储存起来,由于初、次级圈不同相位,所以当电流流过初次线圈时,次次线圈N2中没有电流流过。当Q1截止时,消失的磁场使初、次次线圈中电压极性反转,整流二极管VD导通,电流通过VD流向负载,变压器的能量释放,提供负载电压、电流。电流临界连续时,初级绕组电感量:连续状态和不连续状态下,VO分别为:典型的回扫式控制器有MAX630、LT1171、LM2588、UC3842等,图9为LM2588典型应用电路。控制器是100~200kHz频率可调整、集成一个5A,耐压值高达65V的NPN开关管,限流、软启动、过热保护、频率调整、逻辑关断控制等功能使其在中小功率、保护电路完整的多路供电系统有着广泛的应用。2.5基于低场放电的l2/l2cCUK型又称SEPIC、Boost-Buck串联控制器,图10为其典型电路结构。基本工作原理:当Q1导通,藕合电容C1被充电,VD截止,电感L1通过Q1接收来自Q1的能量,而C1通过L2,并通过滤波电容C2放电,这时C1将能量转移给L2。当Q1截止时,L2中消失的磁通使L2极性相反,并使VD导通,然后L2将能量转送给C2和负载,在Q1截止期间,C1通过VD向VIN和电感L1放电。控制器输入–输出关系为:典型的CUK型控制器有LT1617、MAX1771、LM2611、LM3488等,图11为LM2611典型应用电路。它是1.4MHz固定频率、电流模式PWM控制器。2.7~14V广阔的工作电压;关断模式下小于1ìA输出电流;低于5mV输出电压纹波峰峰值,小体积电容、电感元件,比充电泵更好的调整能力。2.6tl带轴推厚式变压器的工作原理推挽式又称Push-Pull控制器,图12为其典型电路结构。基本工作原理:Q1和Q2交替导通和截止,且导通和截止时间必须严格错开。当Q1导通,Q2截止时,由于次级绕组两线圈匝数相等、绕向相反,能量通过变压器T1以磁通方式耦合过来的正电压使VD1正向导通,负电压使VD1导通,次级电压整流、滤波后加到输出端。当Q2导通,Q1截止时,这个过程重复进行。T1的次级绕组开关工作频率为加在Q1、Q2上PWM频率的两倍。典型的推挽式控制器有TL494、SG3525、LM3524、TDA4918等,图13为LM3524典型应用电路。LM3524采用图腾柱式输出结构,确定输出为高、低电平,特别适合驱动功率MOS器件。控制器集成的限流、软启动、过热保护、逻辑关断控制等功能,极易搭建完整、中小型的电源系统。3传统cd-cd控制器的技术性能表1所示是上述各种常规DC