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开关模式电源_降压转换器电源IC

降压转换器

降压转换器用于直流输出电压需要低于直流输入电压的SMPS电路。直流输入可由整流交流电源或任何直流电源获得。当开关电路和输出之间不需要电气隔离,但输入来自整流交流电源时,交流电源和整流器之间的隔离可以由电源隔离变压器提供,这是很有用的。

降压转换器输入和输出之间的开关晶体管以高频连续打开和关闭。为了保持连续输出,电路利用在开关晶体管导通期间存储在电感L中的能量,在关断期间继续为负载供电。电路操作取决于有时也称为飞轮电路。这是因为电路的作用更像是一个机械飞轮,给定规则间隔的能量脉冲,它以稳定的速率保持平稳旋转(输出能量)。

 

交流或直流输入

降压转换器是DC-DC转换器的一种形式,可以直接从DC源(如电池)获取输入。输入也可以是来自交流电源(线路)的直流,如图1所示,通过整流器/储能电容电路。整流器电路的交流输入可以是直接从交流电源获得高电压的交流电,也可以通过降压变压器在较低电压下交流。然而,施加到降压转换器的直流电是获得的,然后使用开关或“斩波”晶体管将其转换为高频交流电,由(通常脉宽调制)方波驱动。这会产生高频交流波,然后可以比电源模块1中描述的电路更有效的方式将其重新转换为直流波。

降压转换器

图1降压转换器

 

降压转换器操作

如图1所示,降压转换器电路由开关晶体管和飞轮电路(Dl、L1和C1)组成。当晶体管导通时,电流通过电感L1流过负载。任何电感器的作用都反对电流的变化,并且还充当能量的储存。在这种情况下,开关晶体管输出被阻止立即增加到其峰值,因为电感器存储从增加的输出中获取的能量;这种储存的能量随后作为反向e.m f.f.释放回电路中,因为来自开关晶体管的电流被迅速关闭。

 

晶体管开关“接通”周期

因此,在图2中,当开关晶体管接通时,它为负载提供电流。最初,流向负载的电流受到限制,因为能量也存储在L1中,因此负载中的电流和C1上的电荷在“开启”期间逐渐积聚。请注意,在整个导通期间,D1阴极上将有一个大的正电压,因此二极管将反向偏置,因此在动作中不起作用。

开关晶体管“开启”周期

图2开关晶体管“开启”周期

 

晶体管开关“关闭”周期

当晶体管如图3所示关闭时,存储在L1周围磁场中的能量被释放回电路中。在“导通”期间,电感器两端的电压(背面e.m.f.)现在与L1两端的电压相反,并且在坍缩磁场中有足够的存储能量,以保持电流至少在晶体管开关打开的时间内流动。

来自L1的背面e.m.f.现在使电流通过负载和D1在电路周围流动,D1现在是正向偏置的。一旦电感器将其存储的大部分能量返回到电路并且负载电压开始下降,存储在C1中的电荷就成为电流的主要来源,使电流流过负载,直到下一个“导通”周期开始。

开关晶体管“关断”周期

图3开关晶体管“关断”周期

 

这样做的总体效果是,不是在负载上出现大方波,而是只保留纹波波形,即小幅度,高频三角形波,直流电平为:

VOUT = VIN x (开关波形导通时间 (tON) / 周期性开关波形时间 ( T))或:

降压转换器计算公式

 

 

因此,如果开关波形的标记空间比为1:1,则降压转换器电路的输出VOUT将为VIN x(0.5/1)或VIN的一半。但是,如果开关波形的标记空间比发生变化,则可以使用大约0V至VIN之间的任何输出电压。

 


降压转换器操作

查看开关晶体管导通和关断期间的电流路径。

观察电感器周围的磁场增长和坍缩,并观察L两端电压的极性变化。

观察开关晶体管导通和关断状态期间纹波的影响。

请注意,图4中所示的操作速度大大降低;传输器通常以20KHz或更快的速度打开和关闭。

降压转换器工作原理

图4降压转换器工作原理

 

用于负电源的降压转换器

在许多复杂电路中,主直流电源可能处于过高的电压,用于电路的某些部分。例如,对于驱动输出级的逻辑电路,可能需要将输出级的24Vdc电源重新降低至5V或3.3V。在某些电路中,可能还需要满足负电源。对于这种情况,可以使用图3.1.5所示的电路。这涉及L1和D1位置的变化,以及与图3.1.2中的电路相比,反转C的极性。基本降压转换器的这种变化现在使正直流输入反相,以产生0V至−VIN范围内的负电源

图5的工作原理

当晶体管开关导通时,正电源电压施加到L1。此时二极管D1是反向偏置的,因此电源电流无法到达输出,而是对L1充电,从而在其周围产生磁场。请注意,此时L1两端的电压导致电感器的顶部相对于0V线为正。

然而,当输入晶体管关闭时,L1周围的磁场开始坍塌,从而引起L1两端电压的反转,现在L1的顶部相对于0V为负。此时,D1变得正向偏置并导电,导致电容C1在负载上产生负输出电压。负输出电压的实际值将是输入电压的某个部分的反比,并且取决于施加输入开关的方波信号的标记空间比,这将是脉冲宽度调制信号,通常在数十KHz的恒定频率下工作。

用于负电源的降压转换器

图5用于负电源的降压转换器

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-06-10 14:30