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電路中常用的“開關電源”的原理是什么?

鉅大LARGE  |  點擊量:1132次  |  2020年05月09日  

說到開關電源,先來了解下什么是“脈寬調制技術(PWM)”。所謂的脈寬調制技術就是通過對一系列脈沖寬度的調制,來獲得等效的波形(含幅值和形狀)。而開關電源就是利用這一技術,通過電子開關器件(比如晶體管,場效應管,可控硅晶閘管等)不停的“開”和“關”直流電壓,產生不同脈寬頻率的脈沖電壓來產生設計所需要的電壓。

說的有點復雜,沒關系,就簡單地說,是通過脈沖開關電路來實現電壓幅值要求,稱為開關電源。小編再通過兩種常用開關電源電路來簡單描述。

降壓電路

降壓電路有個專有名詞Buck。它只能產生比輸入電壓低的輸出電壓。

電路如下圖所示。

圖1:降壓電路

電路圖中,開關為Q,開關后面是L和C組成的LC低通濾波電路,通過控制開關Q的“開”和“關"的時間,就可以調整輸出電壓的幅度。

當開關Q“開”時,Vin端的電流流經NMOS和電感L,并流向電容C和Vout,此時二極管D2是反向截止的,沒有電流通過。

當開關Q“關”時,Vin端沒有電流經過NMOS,此時電感有儲能作用,會釋放能量,等于是輸出電流。電流流向電容C和Vout,此時二極管D2導通,電流通過二極管D2形成完整的回路。因為此時電感上的電壓是反向電壓,所以電流會逐漸減少。假如電感存儲的能量不夠,還沒等到下一次NMOS導通(即開關Q“開”)時,電感就放完電了,這樣就會導致電流不連續,在圖形上看電流波形類似鋸齒波,這樣的電流就帶有很豐富的高頻成分,易給電路帶來干擾。所以,電感量要求必須足夠,保證電流維持到下一次開關導通周期開始,另外,PWM的頻率也有關系,頻率越高,越能夠及時給電感補充能量。

升壓電路

升壓電路有個專有名詞Boost。它可以產生比輸入電壓更高的輸出電壓。

電路如下圖所示。

圖2:升壓電路

電路圖中,開關為Q,輸入電壓Vin通過電感L和二極管D1向電容C1輸出電壓Vout。

當開關Q“開”時,NMOS導通,電感L和NMOS組成回路。輸入電壓Vin的電流通過電感L,此時電感的電壓為正方向,電感在充電儲能。此時Vout的電壓由電容C1提供,二極管D1截止不導通,電容C1放電給Vout。同樣,要保證電容C1的容量足夠大,才不會使得在開關導通期間,Vout的電壓會過低,產生電壓紋波,造成干擾。

當開關Q“關”時,NMOS關斷,此時二極管D1正向導通,電感L給電容C1充電,它能夠將電容的電壓充高到超過電源電壓,提高電容C1的充電電壓從而Vout隨之升高。

開關電源的優缺點

開關電源的優點是效率高,體積小,但是缺點很明顯,由于有開關頻率,它是一個很強的電路干擾源,很多電路系統都是受到開關電源的干擾影響正常工作。

在應用中,如果對開關電源部分電路做好抗干擾的處理,就能把這一優秀的電路應用到各種常用的電路設備上,提高電路的效率。

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