升压DCDC开关电源工作原理

升压DC-DC开关电源工作原理1 开关电源分析12 升压DC-DC变换器的拓扑结构33 升压DC-DC变换器的工作原理分析41 开关电源分析电源是各种电子设备必不可少的组成部分，它的性能优劣直接影响到电子设备的技术指标及工作安全的可靠性。目前，常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源两大类。线性稳压电源亦叫串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出纹波电压很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积大，重量大，但效率低。开关电源是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，通过控制开关通断的时间比率，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。它具有体积小、重量轻、功率小、效率高、纹波小、噪声低、易扩容、智能化程度高等优良特性，被广泛应用于诸如计算机、彩色电视机、程控交换机、摄像机、VCD、电子游戏机等电子设备上。它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源可以分为AC-AC电源、DC-DC电源、AC-DC电源和DC-AC电源。其中，DC-DC开关电源能将一种直流电压变换为一种大小固定或可调的直流电压，完成这一变换的电路称为DC-DC变换器。根据输入与输出电压的关系可以分为升压型、降压型、升压/降压型和Cuk型DC-DC变换器。开关电源按控制原理来分类可分为以下三种工作方式： 脉冲宽度调制式简称脉宽调制( Pulse Width Modulation 缩写为PWM) 式。目前，大多数集成开关电源采用PWM控制方式，其主要特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比来实现稳压目的。其核心是脉宽调制器。它的优点是开关周期的固定为设计滤波电路提供了方便。缺点是受功率开关最小导通时间的限制，对输出电压不能进行宽范围调节。此外，输出端一般要接预负载，以防止空载时输出电压升高，此方式适合重载环境。 脉冲频率调制方式简称脉频调制(Pulse Frequency Modulation缩写为PFM) 式。其特点是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比，实现稳压的目的。其核心是脉频调制器。它的稳压原理是：当输出电压升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长使占空比减小，输出电压降低。PFM式开关电源优点是输出电压调节范围很宽且输出端可以不接预负载，适合轻载环境。缺点是由于其间歇性的工作方式，使电感上的电流波动峰峰值大于相同外围参数下的PWM模式，输入输出纹波较大，对电感要求高。PWM 方式和PFM 方式的共同之处：均采用时间比率控制的稳压原理，无论是改变脉冲宽度还是周期最终调节的都是脉冲占空比。尽管采用的方式不同但控制目标是一样的。不同点：当有轻负载变为重负载，或者由高输入电压变低输入电压时，分别通过增加脉宽和升高频率的方法使输出电压保持稳定。 混合调制方式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式，它属于PWM 和PFM 的混合方式。它包含了脉宽调制器和脉频调制器。由于脉冲宽度和周期均可单独调节，因此占空比调节范围最宽，它在两种调制方式之间自动切换，实现优势互补，适合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。开关电源的典型结构如图1所示，其工作原理是：市电进入电源首先经整流和滤波转为高压直流电，然后通过开关电路和高频开关变压器转为高频率低压脉冲，再经过整流和滤波电路，最终输出低电压的直流电源。同时在输出部分有一个电路反馈给控制电路，通过控制PWM 占空比以达到输出电压稳定。图1 开关电源框图开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面： 高频化，开关电源的体积、重量主要是由储能元件决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。 模块化，我们常见的模块，含有一单元，两单元，六单元，以至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于标准功率模块(SPM)。近年来，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了智能化功率模块( IPM) ，这样缩小了整机的体积，方便了整机设计和制造。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力，主要表现为过电压，过电流毛刺等。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了功率模块，它把一台整机几乎所有的硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件间不再有传统的引线相连，这样的模块经过严格、合理的、热、电、机械方面的设计，达到优化完善的境地。它类似于微处理器芯片，再把整个模块固定在相应的型材散热器上，就构成一台新型的开关电源装置。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，减少寄生参数，从而把器件承受的电应力降至最低,提高了系统的可靠性。 低噪声，开关电源的缺点之一是噪声大，单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。 数字化，在传统开关电源技术中，控制部分是按模拟式信号来设计和工作的。在六七十年代，开关电源技术完全是建立在模拟电路基础之上的。但是现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日益完善成熟，显示出越来越多的优点。2 升压DC-DC变换器的拓扑结构升压变换器在开关电源和有源功率因数校正技术中得到越来越普遍的应用，其电路拓扑如图2所示，由图可知，当开关VT导通时，电感L中的电流呈线性上升，电感贮存磁场能量，二极管V因承受反压而截止，其方向偏压值为。在开关VT导通期间内，电容C放电提供负载电流Io。当开关VT断开时，电感电源的极性颠倒，于是L上的电压与电源电压叠加后，使二极管V导通施于负载，同时给电容C充电。因此在负载上得到一个比输入电源电压高的输出电压。控制开关VT的导通时间或开关频率，可调节输出电压。根据输出电压大小构成电压反馈控制，就得到自动调节的Boost开关稳压电源。图2 升压变换器电路拓扑3 升压DC-DC变换器的工作原理分析在开关周期Ts内，设开关的导通时间为，关断时间为，在期间，开关管VT导通，电源电压加在电感L上，这时的电感电流就是开关VT的电流。因此可得 （1）当t=0时，代入得，由此得到开关VT闭合时电感电流的表达式为 （2）当即开关VT导通终止时，电感电流上升到最大值为 （3）在期间，开关VT截止，这时电源电压和电感L上的电压之和等于输出电压，二极管V导通。由于大于，因此开关VT截止时，电感电流是降低的，由此得到当时，所以。这样得到在开关截止的时间内，电感电流表达式为 （4）由式（4）可以得到该变换器的三种工作状态： 当时，电感电流刚好等于零，即=0。也就是说在开关VT导通期内电感所贮存的磁场能量，在开关VT截止期内刚好释放完，在这种临界工作情况下电感的最小电流为。这种工作方式就是有源功率因数校正中的峰值电流控制的工作状态。 当之前，如果电感电流已经降到零，这时电感电流出现断续。电流已不连续了，自然电容C的电压纹波较大，作为开关稳压电源，这种工作状态也是不期望出现的。这种工作状态下可推得。 在时，0，即电感电流之开关VT截止的期间内降到最小值。稳态条件下，开关VT导通期间电感电流从最小值上升到最大值，在开关VT截止期间电感电流从最大值下降到最小值，即在一个开关周期内，在期间电感的贮能等于在期间电感释放的能量，这样连续不断的供给负载电流。作为电源则期望的工作状态是0，这样输出电压纹波小，电路工作稳定。由前面的原理分析可知，当电感电流连续和临界连续的条件下，由（4）式得到可得=0，（，叫导通比）。所以输出电压为 （5）因此通过合理设置外部电感元件的值，可以使电路工作在所需要的工作状态下。