DCDC电源设计3.docx

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DCDC电源设计3

开关电源（电感型）的原理

利用电感存储能量性质来进行电压变换

1、降压变换电路

2012-7-1022:

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在电感充电之后，开关切换电流会保持流动惯性，持续流动。

开关电源分为：

斩波方式和变换器方式

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业电源的线性可调电源。

多用于DC-DC转换器。

通常用作单板稳压器。

真正的开关电源是变频方式构成的。

由于DC-DC变换器也使用了开关晶体管和变压器，因此，与开关电源具有类似的工作原理和功能。

2、升压变换电路

电感进行充电之后，电感上保持电流的流动惯性，形成升压电路。

假设①里面的L1两端电压为V1 

则，在第二个图里面Vout=V1+Vin 

3、反压电路设计

电感充电，利用电感电流的惯性特性，实现电压反压的功能。

4、实际开关电路的构成模型

实际中，不能使用机械性的开关，那么怎样进行开关的运作呢？

三极管呗。

那么怎么样来选择三极管呢？

像这样的电路，可以使用各种各样的三极管。

双极性晶体管PNP、NPN两种都可以使用。

FET的话P-Channel 也可以使用。

不是说N-Channel不能使用、是使用很困难。

为什么呢？

答 ：

 FET是通过源极栅极间电压 VGS来进行开关运作。

N-Channer 的话，为了使FET倒通，要加上栅极以上的电压。

这样的话，可以输出的电压变小。

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降压型DC-DC变压器设计

1、我们认为输出功率和输入功率相等：

计算的最初原则之一：

不考虑损失，进行设计（=效率100%）

电源的效率为100%的话、 

输入功率Pin和输出功率Pout相等。

实际上是不可能的 

这只是电源设计的一种思想，毕竟电路的热量损失是不可以忽略的。

计算的设计原则之二：

Iin=Iout

断路式DC-DC变压器的话、输入电流 Iin和 

输出电流 Iout相等。

2、开关电源的占空比：

Duty

从Pin=Pout、Iin=Iout

把ON/OFF周期设为T

根据VinXIinXTon=VoutXIoutXT

Duty=Ton/T=Vout/Vin

矩形波的ON和OFF的比例，称为Duty。

（例如）、T=100us 、 Vin=8V、 Vout=5V 

Duty=5 /8=0.625=62.5% 

Ton=62.5us となる。

可以通过Duty来确定输出电压的值。

用做功来解释能量的守恒 

W=P*T 

Pin*Ton=Pout*T 

Pin=Vin*Iin；Pout=Vout*Iout 

Iin=Iout 

所以有：

 Duty=Ton/T=Vout/Vin 

3、关于开关电源的开关模式区分：

那么结合输入电压（Vin）的变化，怎样控制Duty呢？

。

一般的方法有2种。

PWM：

PulseWidthModulation ，脉冲宽度调制 

①周期T不变，控制Ton的方法 

周期不变的话，也就是说振荡频率是一定的。

输入、输出电压的差变大的话，Ton变小。

这种情况下，就要要求开关三极管的运作速度。

这种方法称为 PWM控制。

PFM：

 Pulse frequence Modulation ，脉冲频率调制 

②Ton不变，控制 Toff 的方法 

Ton为一定的，使Toff发生变化，那么周期T也发生变化。

输出下降的话，控制脉冲出现的方法。

用简单的构造就可以实现。

因为振荡频率发生变化，出现的噪音也会影响很宽的范围。

为此、EMC的对策就很难。

这种振荡方式称为 PFM控制。

PFM在小功率运行的时候，Toff的时间相对较长，则自身 

消耗的能量的要求更难以理想，所以较难达到。

4、关于电流的纹波容忍度：

分开绘制三极管导通和二极管导通两种情况的电流曲线 

VL=Vin-Vout 

Di是一个经验值，一般为0.2~0.3可调整 

例如：

1A的电流，di为0.2~0.3，则最差情况为1A±0.15A 

流过电感的电流为 

IL=（VL/L）×t  根据VL=Vin–Vout  

di={（Vin–Vout）/L}×Ton

di：

一般设定为输出电流的20～30%

5、输出端的平滑电容设置

相对于电容，输出电流di平滑化

相对于di电容两端产生波纹电压Vr

A.相对容量的波纹电压

B.相对ESR波纹电压

→关于两方面进行检讨

那么，怎么来选择这个平滑滤波电容。

所谓ESR（EquivalentSeriesResistance） 

tanδ = 2∏/T*CR=ωCR

R= tanδ/2 ∏fC

V=Q/C的电压在电容中产生

Q是为了与电流流入的面积相等、

Vｒ（cap）={（T/2）×（di/2）/2}/C

根据欧姆的法则V=I×R  

Vr（ESR）=di×ESR 

Vr=Vr（cap）+Vr（esr） 

      |      | 

  相对容量  相对ESR 

两个方面都应该进行计算 

单纯的直接相加不尽合理，但是从最差角度来看是可以的。

纹波电流的测算：

Irms= {1/（2√3） } × di 

该式的推导过程 

电容在最差条件下使用时，温度在105摄氏度，寿命为XX小时 

温度每降低10摄氏度，寿命增加一倍。

纹波电流的设定与电容的寿命有关：

纹波电流流过电容，由于有ESR的存在，使 

温度上升，减少了电容的寿命，外部温度上升45摄氏度，这内部温度上升更多， 

电容的寿命减少。

6、开关电源的功率损耗

①开关三极管的损失

开关三极管会产生损失  并散热

A.ON时的损失

B.开关时的损失

ON时的损失

双极性晶体管的情况、VCE会出现损失

开关时的损失

开关需要过渡时间。

在红色部分如Vce和Ic不是0、

发生损失、散热

di=[（Vin-Vout）/L]xTon 

Vｒ（cap） ={ （T/2）×（di/2 ）×（1/2） }/C 

设定频率时，频率值也不可以太小。

频率减小，则意味着要 

使用更大的电感和电容。

克服：

晶体管上面是存在基极和发射极之间的电容的，为了提高 

开关的速度，降低功耗，可以在B-E之间连接Rbe，提高开关速度。

另外，人耳的听音范围是20HZ~20KHZ，尽量使开关电源的 

频率范围落到20KHZ以上，最好大于40Khz。

这样电感线圈 

的震动就不会引起听力的噪声了。

②续流二极管的损失

A.由于顺方向电压VF的损失

B.由于逆方向电流的损失

C.由于逆回复时间的损失

A.由于顺方向电压VF的损失

由于顺方向电压VF而产生的损失

P=IFXVF

这个二极管称为“续流二极管” 

电流比较大，另外，有正向压降VF存在，则产生了顺方向损失

所以，尽量采用VF比较小的二极管来实现 

提问：

那应该使用什麽二极管呢？

VF较小肖特基二极管 

P=IF XVF（1-Duty） 

B.由于逆方向电流的损失

故障避免和使用热耗散计算

DC-DC电源使用肖特基势垒二极管的情况比较多。

理由 ：

开关速度快，正方向电流 VF 小。

但是，肖特基势垒二极管的反方向电压有很大的缺点。

1N5822的话、在常温（25℃）下，使用2.0mA的话，不会出现大问题的情况较多。

但是、温度上升100℃的话、就会变成10倍为20mA。

例如：

输入电压 Vin=25V的话、功率为 25X20=1000mW=1W 非常大。

如果陷入散热使温度上升的恶性循环的话，就不能正常运作。

最坏的情况，出现燃烧，冒烟的情况。

这称为 热击穿 。

要防止热击穿，进行温度的设定，要考虑二极管的焊接方式与热阻的关系。

C.由于反向恢复时间的损失 

trr（反向恢复时间）

理想二极管是从正方向流过电流、反向没有电力流过、实际上，电压从正向变成反向的瞬间，会有反向电流流过。

这个向反方向流过电流的时间称为「trr（反向恢复时间）」。

不应使用普通级别的整流二极管，而要使用反向恢复时间trr很短的FRD 

（快恢复二极管） 

肖特基势垒比二极管一般硅二极管的反向恢复时间短。

数据表示截取于东芝的高速开关二极管 1R5NH45 

这一项在通常的设计里面比较小，暂时不去考虑。