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開關電源拓撲結構如何選擇

分類:
行業新聞
作者:
北京穩固得
來源:
北京穩固得
2018/05/15 09:07
評論:

  前面我們在12種開關電源拓撲及計算公式一文中提到了開關電源的幾種拓撲結構,如buck拓撲電路、boost拓撲電路等等。這些拓撲既有他們相同之處,也有其獨特性。下面我們研究一下開關電源拓撲結構如何選擇。

  一些拓撲適用于離線式(電網供電的)AC/DC變換器,其中有些適合小功率輸出(<200W),有些適合大功率輸出;有些適合較高的AC輸人電壓(>=220V AC),而有些適合較低的AC輸人電壓的場合;有些在較高的DC輸出電壓( >200V)場合有較大的優勢,而有些在較低的DC輸出電壓場合有較大的優勢。對于多級電壓輸出的應用場合,使用器件較少或是在器件數與可靠性之間有較好折中是選擇拓撲要考慮的因素。同時,輸入/輸出紋波和噪聲要求也是選擇拓撲要考慮的重要因素。某些拓撲因其本身固有的局限性,需要輔助電路或更復雜的電路,使得在某些應用場合它的特性變得非常難以分析。

  因此,要恰當選擇拓撲,熟悉各種不同基本拓撲的優缺點是非常重要的。錯誤的選擇會導致電源的性能變差,甚至浪費設計時間和成本。因此有必要充分地了解不同拓撲的基本特性參數。

圖1 BOOST 電路拓撲及波形

  圖1所示的Boost是將較低的未調整輸入電壓升為較高的調整輸出電壓,該電路稱為升壓調整器或升壓電感變換器。

  Q1關斷時,L1的極性顛倒;將Q1導通時,L1存儲的能量經過D1以更高的電壓釋放給輸出負載。

  在Vdc和開關管Q1之間串接電感L1,當Q1導通時,電流從電感L1的下端流入Q1。當Q1關斷時,電流從電感L1的下端通過整流二極管D1輸送給輸出電容C0及負載。

  假設輸出電壓和電流已建立,電路已穩定運行,當QI導通時(TON),二極管反偏截止,L1的電流線性上升達到峰值Ip=Vdc TON /L1,由于在Q1導通時段輸出電流完全由C0提供,所以C0應選得足夠大,以使在TON時段向負載供電時,其電壓降到最小并滿足要求。

  Q1關斷時,由于電感電流不能突變,L1的電壓極性顛倒,L1異名端電壓相對同名端為正。L1同名端電壓為Vdc,且L1經D1向C0充電,使C0兩端電壓(泵升電壓)高于Vdc。此時電感儲能給負載提供電流,并補充C0單獨向負載供電時損失的電荷。Vdc在Q1關斷時段也向負載提供能量。

  輸出電壓的調整是通過負反饋環控制Q1導通時間實現的。若直流負載電流上升,則導通時間會自動增加,為負載提供更多能量。若Vdc下降而TON不變,則峰值電流即L1的儲能會下降,導致輸出電壓下降。但負反饋環會檢測到電壓的下降,并通過增大TON來維持輸出電壓恒定。

  BOOST有兩個非常不同的工作模式,這些工作模式與電感的狀態條件有關。

  如果一個周期結束時,電感電流已降到零,則工作于不連續模式。如果一個周期結束時,電感電流沒有降到零,則工作于連續模式。

  當介紹開關拓撲時,輸出濾波電容一般不包含在拓撲結構中。因此,開關拓撲的輸出電流不是輸出到負載的直流電流,而是流入輸出電容和負載的合成電流,輸出電容和負載是并聯的。

  與Buck拓撲不同,Boost拓撲的輸入電流是連續的(有一些紋波),而輸出電流對于任何工作模式都是不連續的。因此,連續模式和不連續模式只是針對電感的電流而言。

  如圖1(d)所示,當D1電流在Q1下次異通之前下降到零,則電路工作于不連續模式。

  若電流在關斷結束時還未下降到零,則由于電感電流不能突變,Q1下次導通時電流上升會有一個階梯,Q1和D1上的電流將呈典型的階梯斜坡形狀,如圖2所示。

圖2 連續模式下boost拓撲Q1、D1和L1的電流波形

  此時電路工作于連續模式,因為在一個工作周期里電感電流始終大于零。

  假設反饋環能控制輸出電壓恒定,則當R0或Vdc減小時,反饋環會增加Q1異通時間Ton,以保待輸出電壓恒定。當負載電流增加,R0或Vdc持續減小,則可能使Ton增大,到下次導通之前Q1和D1電流仍未降到零,此時電路進入連續工作模式。

  能使不連續模式下反饋環穩定工作的誤差放大,不一定能使連續模式下的反饋環穩定,并會產生振蕩。反饋環理論分析認為,連續工作模式時boost電路的傳遞函數存在右半平面零點,穩定有右半平面零點的反饋環的唯辦法是大幅減小誤差放大器的帶寬。

  簡而言之,在不連續工作模式中電感和D1的電流有一段時間為零。也就是在能量傳遞期間(Q1關斷和D1導通期間)和能量存儲期問(Q1導通和D1關斷期間)有一小段時間間隙。這個時間余量(死區)對電源系統運行特性非常重要,它在連續工作模式不會存在。

  充分了解這兩種工作模式是非常重要的。因為在具有Boost功能的任何開關拓撲里,它的影響非常大。為了更好地理解這一點,我們將分析BOOST拓撲連續工作模式下負載突然增大時電路的響應特性。

  假設一個連續工作模式的Boost電路已進人穩定運行狀態,輸出電壓和負載電流穩定,電感電流連續。當負載電流突然增大時,輸出電壓將有下降的趨勢,此時控制環路將增大Q1的導通時間,以增大電感L1的電流。然而,需要經過幾個周期,電感L1的電流才能增加的非常大(由電感值、輸入電壓和Q1導通時間的實際增址決定)。

  必須注意的是,導通時間增加的直接影響是使關斷時間減少,因為一周期的時間是固定的。因為D1只在Q1關斷期間才導通( 而且導通時間減少),平均輸出電流開始減小,而不是增大。因此,當我們試圖增加輸出電流時,這個直接影響將減小輸出電流,這需要經過幾個周期電感電流的增加來慢慢使它調整。

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