開關穩(wěn)壓電源設計及性能分析

胡玉葉

摘要：分析了開關電源基本電路工作時VT1基極輸入正脈沖、負脈沖與電壓波形的關系，得到電壓反饋控制開關管相應的占空比可以實現(xiàn)穩(wěn)壓。二極管的選擇，電感計算與選擇，設計DC-DC電路。

關鍵詞：DC-DC電路；電壓波形；電源輸出電壓

1.穩(wěn)壓控制分析

開關電源的基本電路如圖所示。在該電路中，VT1為開關管，VD1為續(xù)流二極管，L為儲能電感，C為濾波電容，RL為負載電阻。

1.1 開關電源基本電路的工作原理：

1.1.1 VT1基極輸入正脈沖

開關管VT1正偏飽和導通，如下圖昨所示輸出的電壓ui一路加到續(xù)流二極管VD1的負極上，使其反偏截止；另一路經L、C、RL形成回路，電流經L對電容C進行充電，也對RL負載供電。線圈自感電壓為左“+”右“-”，以阻礙電流的增大。

1.2.2 VT1基極輸入負脈沖

開關管VT1反偏截止如上圖右所示，從而切斷了輸入電壓 ui向負載供電的通路。但由于電感中的電流不會突變，在電感中會感應出右“+”正、左“-”負的電壓。該電壓就會使續(xù)流二極管正偏導通，儲存在電感L中的能量就會通過VD1導通的二極管繼續(xù)向電容C充電，同時也為負載提供工作電流，以維持負載電流的連續(xù)性。電路要求電容耐壓值高，一般不小與輸入電源2倍。

下圖是電路圖中幾個關鍵點的電壓和電流波形。

1.2 電壓波形

占空比大電源輸出電壓Uo大，但電壓波動也大；相反，占空比小電源輸出電壓Uo就小。當占空比等于0.5時，電源輸出電壓為脈沖電壓的平均值，且電壓較穩(wěn)定。通過電壓反饋控制開關管相應的占空比可以實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。

開關電源有三種拓撲：BUCK（降壓變換器）、BOOST（升壓變換器）、BUCK-BOOST（逆向變換器）。

2. DC-DC電路設計

2.1 BUCK電路基本結構

從電路可以看出，電感L和電容C組成低通濾波器，此濾 波器設計 的原則是使 us（t）的直流分量可以通過，而抑制 us（t） 的諧波分量通過；電容上輸出電壓 uo（t）就是 us（t） 的直流分量再附加微小紋波uripple（t）。電路工作頻率很高，一個開關周期內電容充放電引起的紋波uripple（t） 很小，相對于電容上輸出的直流電壓Uo有|uripple（t）|<

一個周期內電容充電電荷高于放電電荷時，電容電壓升高，導致后面周期內充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達到充放電平衡，此時電壓維持不變；反之，如果一個周期內放 電電荷高于充電電荷，將導致后面周期內充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達到充放電平衡，最終維持電壓不變。這種過程是電容上電壓調整的過渡過程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時，電路達到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達到平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作時的一個普遍規(guī)律。

2.2 BUCK元件選擇

2.2.1 二極管的選擇

頻率在幾百赫茲范圍內，選擇肖特基二極管。在Tom階段，二極管承受最大的反向電壓，其值為V1?？紤]到設計冗余，二極管耐壓至少選擇V1max的1.2倍。如果二級管兩端有尖峰，則需要根據(jù)實際情況進行調整。二極管的平均電流I=Io*（1-D）。二極管額定電流至少選擇I的2倍以上，電流較大的需要注意散熱處理，可以適當選擇較大的封裝體積。

2.2.2 電感計算與選擇

電感是開關電源中常用的元件，由于它的電流、電壓相位不同，所以理論上損耗為零。電感常為儲能元件，也常與電容一起用在輸入濾波和輸出濾波電路上，用來平滑電流。電感也被稱為扼流圈，特點是流過其上的電流有“很大的慣性”。換句話說，由于磁通連續(xù)特性，電感上的電流必須是連續(xù)的，否則將會產生很大的電壓尖峰。

降壓型開關電源的電感選擇：

為降壓型開關電源選擇電感器時，需要確定最大輸入電壓、輸出電壓、電源開關頻率、最大紋波電流、占空比。

下面以本設計為例說明降壓型開關電源電感值的計算，首先假設開關頻率為200kHz、輸入電壓范圍16V±10%、輸出電流為3A、最大紋波電流30mA。

最大輸入電壓值為17.6V，對應的占空比為：D=Vo/Vi=5/17.6=0.284

其中，Vo為輸出電壓、Vi為輸出電壓。當開關管導通時，電感器上的電壓為： V=Vi-Vo=12.6V

計算電感為：L= （V* D）/（K*I）=（12.6*0.284）/（200000*30）= 39.64uH

計算考慮誤差的感應系數(shù)，考慮到與標準之間20%的偏差和在額定電流下會有10-35%降幅：L=39.64μH/（0.8×0.65）=45μH， 再考慮到工作在連續(xù)電流模式下，因此感應系數(shù)調高到47μH。

參考文獻：

[1]《從零開啟大學生電子設計之路--基于MSP430 Launch Pad口袋實驗平臺》，傅強，楊艷主編. 北京航空航天大學出版社，2014.8。

[2]《模擬電子技術及應用》，刁修睦，杜保強，宋偉毅主編.北京大學出版社，2008.6。

[3]《C程序設計（第四版）》，譚浩強著，北京：清華大學出版社，2010.6。

[4]《MSP430單片機自學筆記》，張福才主編，北京航空航天大學出版社，2011.2。