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本帖最后由 jonyzhu 于 2015-5-15 15:01 编辑
《开关稳压电源的设计与应用》这本书算是比较薄的、且从基础原理开始讲解的开关稳压电源的书了。虽然里面翻译的错误数不胜数,隔一个公式就会错一个公式,看这本书要配合着旁边再放两本其它的书+Google 做参考,不过,没事的时候拿来练习使用计算器也是不错的。
降压型的原理
- 首先,电感中流过的电流的变化量,等于加于电感上的电压除以电感量,结果再乘以晶体管的导通时间
- 其次,这个电路的分析是从假设已经达到输出平衡的状态开始的,即晶体管导通的时间内流入电感的电流,在晶体管截至的时间内全部释放完毕,此时输出电压为 Uo
- 所以,在晶体管导通的时候,电感中电流的变化量为:Ioff=Ton×(Uo-Ui)/L
- 晶体管截止的时候,电感中电流的变化量为:Ioff=Toff×Vo/L
- 如果 Ion=Ioff, 则电感中一直持续有电流流过,于是得到公式:Vo=Vi×Ton/(Ton+Toff)
- 电流连续的条件是:输出电流 Io>Uo×Toff/(2L)
- 而对于电感中电流不连续(断续)的情况,则需要考察输入功率和输出功率,两者相等时电流也处于平衡状态,这就是另外一组公式了。详见书的 P12
下面开始模拟
假设
- 输入电压 Ui=12v
- 输出电压 Uo=5v
- 输出电流 1A
于是JonyZhu开始按照下面的顺序来计算模拟用的元件参数
- Uo/Ui = Ton/(Ton+Toff) = 5/12, 考虑到还有个二极管的压降,再加1v到Uo, 得到 Ton/(Ton+Toff) = 6/12
- Ion = Ton×(Ui-Uo)/L,我希望 Ion<2A,所以得到 3×Ton<L,如果 L 取 100uH 的话,那么,Ton 要小于 33 us
- 为了方便计算,取 Ton = 20us,这样 Toff 也等于 20us。合计 Ton+Toff=40us,f=25KHz。f 作为开关频率不能太大,否则开关管受不了。
- Uo×Toff/(2L)= 0.6A < 1A,这样流经电感的电流就是连续的;同时也可以看出,如果负载电流小于 0.6A,那么电感里面的电流就不连续了。
参数算好,开始画模拟电路。图中接了5欧姆的负载电阻,这样5v输出就是1A的负载电流:
然后看结果:输出在起初的跳跃之后,慢慢回复到了5v附近(蓝色的曲线),而电感中的电流(黄色曲线)则在电压稳定在5v附近的时候一直是大于0且小于2A的,也就是连续啦。
另外可以观察到:在达到平衡状态前,电压和电流有一个跃升后跌落的过程。进一步的模拟表明,加大开关频率、减小输出电容可以解决。而引起这个问题的实质,是触发开关管的方式“不对”。
下面这种电路,直接将触发信号源接在开关管的栅极和源极,就没有电压的起伏问题了:
刚刚说了,从连续模式到断续模式的临界输出电流是 0.6A,所以我调整了一下负载电阻为8.5欧姆,这样在5v的输出电流就是0.6A(但其实这样会让输出电压上升,实际的电流会比这个大一些)。结果如下,可以看到电感中流过的电流(黄色曲线)的下限的确接近0了:
那么,继续减小呢,到0.25A?如你所期望的,黄色电流曲线在 0v 以下的部分被“切”去了,与此同时,输出电压也升到了约7.5v:
稳定输出
那么,在小负载情况下,难道就不能得到稳定的 5v 电压了吗?
当然不是啦,加个简单的电压比较电路做反馈就可以了。利用晶体管0.65v的be压降做一个简单的开关,用分压电阻取出输出端的电压进行比较。取分压电阻上的电流1mA,这样计算起来很方便而且晶体管基极电流对于分压比影响也小。
更改后的电路图,加入了电压比较电路,同时,负载电阻为10欧姆,这样电流只有0.5A,小于额定的1A,在不加电压比较电路前,输出是肯定大于5v的:
结果,稳稳地输出(蓝色曲线)在5v :)
等JonyZhu有空了再实际搭一个电路试试效果。 |
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