【導讀】開關(guān)電源功率電路有五個基本元件：開關(guān)，二極管，電容，電感，變壓器。本文為大家詳細介紹電源系統(tǒng)設計指標、開關(guān)電源的基本分析及其拓樸結(jié)構(gòu)。
概述
一. 理想直流變換器應有的參數(shù)性能
1. 輸入輸出端的電壓均為平滑的直流電壓，無交流諧波的分量
2. 輸出阻抗為零
3. 快速動態(tài)響應，抑制能力強
4. 高效率，小型化
二. 常用的DC/DC電源方案
1. 線性電源。主要應用于對發(fā)熱和效率要求不高的應用場合，線性電源的效率通常在35% to 50%之間
2. 脈寬調(diào)制（PWM）開關(guān)電源。在使用時具有比線性電源更高的效率和靈活性
3. 高效率的諧振開關(guān)電源。由基本的PWM開關(guān)電源演變而來，主要應用于高效率和對電磁干擾有特別要求的場合
電源系統(tǒng)設計指標
輸入電壓
Vin(nom)：產(chǎn)品的正常輸入電壓
Vin(max)：產(chǎn)品的最高輸入電壓
Vin(min)：產(chǎn)品的最低輸入電壓
頻率：直流，50，60，400Hz等
浪涌電壓：輸入電壓超出Vin(max)的時間段，電源必須能夠承受這個浪涌電壓，正常工作
瞬態(tài)電壓：具有很高的電壓尖峰（包括正與負尖峰），這是輸入電源系統(tǒng)的特征
輸入電流
Iin(max)：最大平均輸入電流。它的最大極限值可以由安全管理機構(gòu)來定義。
輸出電壓
Vout(rated)：額定輸出電壓（理想輸出電壓）
Vout(min)：保證負載不被切斷的最小輸出電壓。
Vout(max)：保證負載線路正常運行的最大輸出電壓。
Vout(abs)：負載遭到破壞時的極限電壓。
電壓紋波：這是峰-峰值電壓，它的頻率和大小應該能被負載所接受
輸出電流
Iout(retad)：額定輸出電流。
Iout(min)：在正常運行情況下，最小的輸出電流。
Iout(max)：負載的瞬態(tài)承受的輸出電流。
Isc：負載短路時的最大極限電流。
動態(tài)負載響應時間
當加上階躍負載時，電源系統(tǒng)響應需要的時間
電壓調(diào)整率
輸入電壓變化時，輸出電壓的變化率，即：
電壓調(diào)整率=（最高輸出電壓-最低輸出電壓）/額定輸出電壓X100%
負載調(diào)整率
負載電流從半載到額定負載時，輸出電壓的變化率，即：
負載調(diào)整率=（滿載時輸出電壓-半載時輸出電壓）/額定負載時輸出電壓X100%
總效率
這將決定系統(tǒng)有多少熱量產(chǎn)生，以及在結(jié)構(gòu)設計時是否應考慮采用散熱片。
總效率=輸出功率/輸入功率X100%
開關(guān)電源的基本分析
開關(guān)電源的基本元件：
電容的基本方程
1. 當一電流流經(jīng)電容, 電容兩端的電壓逐漸增加, 并且電容量越大電壓增加越慢。
2. 在穩(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中流經(jīng)電容的電流對時間的積分為零。
電感的基本方程
1. 當一電感突然加上一個電壓時, 其中的電流逐漸增加, 并且電感量越大電流增加越慢。
2. 當一電感上的電流突然中斷, 在其兩端會產(chǎn)生一瞬時高壓, 并且電感量越大該電壓越高。
電感的伏秒平衡原則：
伏秒平衡原則：在穩(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中電感兩端的正伏秒值等于負伏秒值。
分析開關(guān)電源中電容和電感的幾條原則：
1. 電容兩端的電壓不能突變(當電容足夠大時,可認為其電壓不變)。
2. 電感中的電流不能突變(當電感足夠大時,可認為其電流恒定不變)。
3. 流經(jīng)電容的電流平均值在一個開關(guān)周期內(nèi)為零。
4. 電感兩端的伏秒積在一個開關(guān)周期內(nèi)必須平衡。
兩個有用的公式：
開關(guān)電源的拓樸結(jié)構(gòu)
三種基本的非隔離開關(guān)電源
BUCK電路工作原理分析
根據(jù)L的伏秒平衡原則：
根據(jù)L在1-D時間的基本方程：
BUCK電路的工作可以看作是一個機械飛輪和單活塞發(fā)動機。電路的LC濾波器就是飛輪，存儲從驅(qū)動器輸出的脈沖功率。LC濾波器（扼流輸入濾波器）的輸入就是經(jīng)過斬波以后的電壓。LC濾波器平均了占空比調(diào)制的脈沖電壓。LC濾波器的作用可用以下公式表示：
Vout=Vin*D
通過控制電路改變占空比，即可保持輸出電壓的恒定。BUCK變換器之所以被稱為降壓式變換器，是因為它的輸出電壓必定低于輸入電壓。
我們可以把BUCK電路的工作過程分成兩個階段，當開關(guān)導通時，輸入電壓加到LC濾波器的輸入端，電感上的電流以固定斜率線性上升。電感上的電流用下面公式描述：
IL(on)=((Vin-Vout)/Lo)*Ton + Imin
在這個階段，存儲在電感上的能量為：
輸入的能量就存儲在電感鐵心材料的磁通中。
當開關(guān)斷開時，由于電感上的電流不能突變，電感電流就通過二極管D續(xù)流，該二極管稱為續(xù)流二極管，這樣就實現(xiàn)了對原先流過開關(guān)管電流的續(xù)流，同時電感中存儲的一部份能量向負載釋放。續(xù)流電流環(huán)包括：二極管，電感，負載。在這階段流過電感上的電流用下式描述：
IL(off)=Ipk-(VoutToff/Lo)
在這階段，電流波形是一條斜率為負的斜線，斜率為-Vout/Lo。當開關(guān)再次導通時，二極管迅速關(guān)斷，電流從輸入電源和開關(guān)管流過。在開關(guān)導通前瞬間，電感上的電流Imin就是開關(guān)管通過的初始電流。
BUCK電路的輸入輸出關(guān)系
升壓變換器與BUCK變換器有著相同的組成部份，只是它們的位置被重新布置了一下。新的布局使變換器與正激式變換器的工作過程完全不同。在這種情況下，開關(guān)管導通時，電流環(huán)路僅在包括電感，開關(guān)管和輸入電壓源。在這段時間中，二極管是反向阻斷的。電感電流波形也是以固定斜率上升，可用下式描述：
iL(Ton)=Vin*Ton/L
在這個階段，能量存儲在電感鐵心的磁通中，開關(guān)管關(guān)斷時，由于電感中的電流不能突變，于是二極管立刻正向?qū)?。這時，電感與開關(guān)相連端的電壓被輸出電壓鉗位，這個電壓被稱作反激電壓，其幅值是輸出電壓加上二極管的正向壓降，在開關(guān)管關(guān)斷這段時間里，電感上的電流用下式表示：
iL(Toff)=Ipk-((Vout-Vin)*Toff/L)
如果在下個周期之前，鐵心中的磁通完全為零，就稱電路工作在電流斷續(xù)模式。如果鐵心中的磁通沒有完全降為零，還有一部分磁通，就稱電路工作在電流連續(xù)模式。通常升壓式變換器通常工作在電流斷續(xù)模式。
BOOST變換器工作在電流斷續(xù)模式下，存儲在電感中的能量為：
Estored=½ LIpk^2
單位時間內(nèi)，傳輸?shù)哪芰勘仨殱M足負載連續(xù)功率消耗的需求，這就意味著開關(guān)管導通期間，存儲的能量要足夠大，即電流峰值Ipk要滿足以下要求：
Pload<Pout=Fop*½ LIpk^2(Fop是變換器的開關(guān)頻率）
BOOST電路的輸入輸出關(guān)系
BUCK-BOOST電路的工作原理分析
BUCK-BOOST輸入輸出關(guān)系
功率半導體器件重要參數(shù)的最小值
開關(guān)電源小結(jié)
開關(guān)電源功率電路的五個基本元件：開關(guān)，二極管，電容，電感，變壓器
開關(guān)電源功率電路分析要點
1. 電容的電壓不能突變, 電感的電流不能突變
2. 流經(jīng)電容的電流平均值為零, 電感兩端電壓的平均值為零
3. 理想變壓器電壓與匝數(shù)成比且同名同極性, 電流與匝數(shù)成反比且點進點出
4. 電容恒流充電的公式為C * ΔU = I *T, 電感恒壓儲能的公式為L * ΔI = U *T
5. 變壓器與電感的伏秒積必須平衡
