串联与并联型开关稳压电源设计

串联与并联型开关稳压电源设计内容摘要：

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 开关稳压电源。 式 （ 38） 中的占空系数  与开关管 V的导通时间 ton有关。 若保持开关的周期 T不变，则通过改变开关管 V的导通时间 ton，就可以改变和调节输出电压 Uo 的大小。 因此，由此而设计出的开关稳压电源通常 称为调宽型开关稳压电源。 占空系数  不但与开关管 V 的导通时间 ton有关，而且也与开关管 V 开与关的周期时间 T有关，也就是与工作频率 f 有关。 所以，保持其他条件不变，只改变开关 V的周期时间 T，同样也可以使输出电压 Uo 发生变化，这就是频率调制型（或称调频型）开关稳压电源的基本原理。 同时改变开关管 V 的导通时间 ton和开与关的周期时间 T（或者工作频率 f），同样也可以起到调节和改变占空系数  或者输出电压 Uo。 根据这样的原理而得到的开 关稳压电源，通常称为混合型开关稳压电源。 串联型开关稳压电源的设计 开关晶体管 V的选择 选择作为开关器件使用的晶体管，除了要具有放大特性以外，更重要的是应具有快速的开关作用和输出功率大的特点，因而必须满足下列要求： 晶体管 V 的导通饱和压降 Uces要小； 晶体管 V 截止时的反向漏电流 Ico要尽可能地小； 晶体管 V 的频率特性要好； 晶体管 V 的开关时间要短，即转换速度要快； 晶体管 V 的基极驱动电流要小； 由于晶体管 V 的输出端一般都是感性负载，所以要求晶体管的反向击穿电压要高。 续流二极 管 VD的选择 由串联型开关稳压电源工作原理的分析中已知：当开关晶体管 V 截止时，储能电感 L 中所存储的磁场能量是通过续流二极管 VD传输给负载电阻 RL的；当开关晶体管 V导通时，集电极和发射极之间的电压近似等于零，这时的输入电压 Ui就全部加到了续流二极管 VD的两端。 可见续流二极管 VD 的选择一定要符合以下条件： 续流二极管 VD的正向额定电流必须要等于晶体管 V 的最大集电极电流，即应大于负载电阻 RL 上的电流； 续流二极管 VD的反向耐压值必须大于输入电压值 Ui； 为了减小开关转换所引起的输出波纹电压，续流二极管 VD 应选择 反向恢复速度和导通速 毕业设计（论文）报告纸 共 28 页 第 12 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 度都较快的肖特基二极管，即快恢复二极管。 为了提高整机的效率，减小内部功耗，一定要选择正向导通电压降低的续流二极管。 储能电感 L的选择 储能电感 L 的临界值 L0 流过储能电感 L 的电流不能发生突变，只能近似线性地上升或线性地下降。 而且电感量较大则电流的变化越平滑；电感量越小，电流变化越陡峭。 图 13 是不同的 L 值对应的 iL 的关系曲线。 当电感量小到一定值时就会发生这样一种情况：在开关管截止瞬间，电感 L 中储存的能量也刚刚释放完毕，这时的 ILmin=0。 此时的电感量就称为临界电感量 L0。 那么当储能电感L 的电感量小于这个临界值 L0 时会发生什么情况呢。 从图 23 中可以看出 ,此时 (t=tA)开关管尚处于截止状态，但电感 L 中的电流已变为零，于是电感 L 上的电压也为零，开关管 V 及储能电感 L 上的电压波形就会发生台阶式的突变。 此突变在示波器上极易观察到。 稳压电源在有负载时是不允许出现这种情况的，因为，它将引起电源稳压特性的明显恶化，甚至产生附加的振荡，而使电源无法正常工作。 所以，在设计开关稳压电源电路时，应选择电感量 L大于临界电感量 L0。 下面就来计算一下储能电感 L 的临界电感量 L0。 图 32 L 值对 应不同的 iL 的关系曲线 毕业设计（论文）报告纸 共 28 页 第 13 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 图 33 LL0 时，开关管及电感 L 的电压波形图 由定义，只要求出开关管截止瞬间能使 ILmin=0 时的储能电感值即为电感 L 的临界电感量L0。 把 ILmin=0 代入式 （ 25） 得到 ILmax=of fooco tLUttLU  )( 12 （ t2t1=toff） （ 39） 由于流过储能电感 L 中的平均电流值就等于负载电阻 RL 上的流过的电流值 Io，因而有 2 m inm ax LLo III  (310) 把 ILmin=0 代入式 （ 310） 得到 ILmax=2Io （ 311） 将式 （ 39） 和式 （ 311） 组成二元一次方程组消去 ILmax后，便可求得 L0 为 offoo tIUL 20  (312) 式中， Uo/Io=RL， toff=T(1 )=f )1( ，因而 L0=fRL2 )1(  (313) 储能电感 L 的计算 在串联型开关稳压电源的原理框图 31 中，在忽略了开关管导通饱和管压降 Uces 后，可以得到 UL=UiUo=Uo(1 )/ （ 314） 在开关管 V导通期间，可近似认为流过储能电感 L 上的电流为平均电流，即为负载电阻 RL 上的电流 Io，因而就可以求得在导通期间 ton内存储电感 L 上电压降为 UL=LonLtI max （ 315） 式中 ， △ ILmax=ILmaxILmin，由此可以得到 )(m ax oiLon UUItL  ( oi U ) max )1(Lono ItU  ( Tton ) 毕业设计（论文）报告纸 共 28 页 第 14 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ max)1(Lo ITU   ( Tton ) max)1(Lo IfU   ( fT 1 ) (316) 式中， △ ILmax为储能电感 L 中流过电流 iL 变化量的最大值，它就是负载电流 Io 变化量的最大值。 因为当开关管 V 截止期间，储能电感 L 上的电流具有最小值，结合储能电感 L 的有关电流不能突变的特性，可以有 △ ILmax2Iomin 取 △ ILmax= 代入式（ 316）得到如下的储能电感 L 的计算公式： )1()1(m a xm in   fRfIUL Loo (317) 式中， RLmax为负载电阻的最大值 RLmax=Uo/Iomin。 根据式 （ 317） 所选择的储能电感 L 满足大于临界电感值 L0，是符合要求的。 此外，根据临界电感 L0 的计算公式 （ 313） 和实际电源电路中所选择的储能电感 L 必须大于临界电感 L0 的设计原则，我们还可采用下面的简单方法来得到储能电感的计算公式： 已知临界电感 L0=RL(1 )/2f，应使储能电感 LL0。 若令 RL=RLmax，将数 2 取为 ，即可得到 fRL L )1(max  此式与式 （ 317） 完全相同，是符合设计原则的。 滤波电容 C的选择 由开关稳压电源的原理框图 21 可见，滤波电容 C 两端的电压实际上就等于开关稳压电源的输出电压 Uo。 那么电容两端电压的变化量实际上也就是我们所要计算的开关稳压电源的电压波纹值 △ Uo。 从图 21电容两端电压 Uc（即输出电压 Uo）的波形图中可以看到，在开关管V导通期间（ t=t0～ t1）的 ton/2 到 ton 的时间内，电容 C 开始充电，充至与 Ui相等的值时，开关管 V截止，电容 C 上这段时间内电压的输出 变化量为 △ Uo1；从 ton 时刻开关管 V开始截止直到时间 toff/2 这段时间内开关管 V一直处于截止状态，并且在这段时间内，滤波电容 C 不断被充电， C 两端的电压不断上升，最后达到电压最大值。 设这段时间内电容 C 两端电压的变化量为 △ Uo2。 那么就有： △ Uo=△ Uo1+△ Uo2 = ]84[1]483[1 22 LtULtUcL ttUL ttUc of foof foof fonoof fono  毕业设计（论文）报告纸 共 28 页 第 15 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ =CLTtU offo8 (318) = )1(82ioo UUCLTU  (319) 由串联型开关稳压电源的工作原理分析可见，滤波电容 C 的选择直接关系着电源输出电压中波纹电压分量 △ Uo 的大小。 因而，在设计串联型开关稳压电源时，滤波电容 C 的容量主要应根据对电源输出波纹电压 △ Uo 的要求来决定。 若给定了输出电压的波纹电压分量 △ Uo 和其它的数据条件，就可以由 (319)计算出滤波电容 C 的值： C= )1(8 2 iooo UUULfU  (320) 此外，在实际应用中，为了消除输出电压中的开关转换波纹分量，除了给电源的输出端并接一个符合式（ 320）计算出来的滤波电容 C 以外，在这个电容的两端再并接一个容量范围在～ 的小电容，用以滤除频率较高的开关转换波纹电压分量。 也可以通过式 （ 318），计算出储能电感 L 与滤波电容 C 的乘积 LC 的大小如下式： LC=oooffUUTt8 (321) 不过，根据式（ 321）选择出来的 LC 数值中的储能电感 L 必须满足大于由式 （ 313）计算出的临界电感量 L0。 如果储能电感 L 小于临界电感值 L0， L。