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开关电源拓扑结构如何选择

分类:
行业新闻
作者:
北京稳固得
来源:
北京稳固得
2018/05/15 09:07
评论:

  前面我们在12种开关电源拓扑及计算公式一文中提到了开关电源的几种拓扑结构,如buck拓扑电路、boost拓扑电路等等。这些拓扑既有他们相同之处,也有其独特性。下面我们研究一下开关电源拓扑结构如何选择。

  一些拓扑适用于离线式(电网供电的)AC/DC变换器,其中有些适合小功率输出(<200W),有些适合大功率输出;有些适合较高的AC输人电压(>=220V AC),而有些适合较低的AC输人电压的场合;有些在较高的DC输出电压( >200V)场合有较大的优势,而有些在较低的DC输出电压场合有较大的优势。对于多级电压输出的应用场合,使用器件较少或是在器件数与可靠性之间有较好折中是选择拓扑要考虑的因素。同时,输入/输出纹波和噪声要求也是选择拓扑要考虑的重要因素。某些拓扑因其本身固有的局限性,需要辅助电路或更复杂的电路,使得在某些应用场合它的特性变得非常难以分析。

  因此,要恰当选择拓扑,熟悉各种不同基本拓扑的优缺点是非常重要的。错误的选择会导致电源的性能变差,甚至浪费设计时间和成本。因此有必要充分地了解不同拓扑的基本特性参数。

图1 BOOST 电路拓扑及波形

  图1所示的Boost是将较低的未调整输入电压升为较高的调整输出电压,该电路称为升压调整器或升压电感变换器。

  Q1关断时,L1的极性颠倒;将Q1导通时,L1存储的能量经过D1以更高的电压释放给输出负载。

  在Vdc和开关管Q1之间串接电感L1,当Q1导通时,电流从电感L1的下端流入Q1。当Q1关断时,电流从电感L1的下端通过整流二极管D1输送给输出电容C0及负载。

  假设输出电压和电流已建立,电路已稳定运行,当QI导通时(TON),二极管反偏截止,L1的电流线性上升达到峰值Ip=Vdc TON /L1,由于在Q1导通时段输出电流完全由C0提供,所以C0应选得足够大,以使在TON时段向负载供电时,其电压降到最小并满足要求。

  Q1关断时,由于电感电流不能突变,L1的电压极性颠倒,L1异名端电压相对同名端为正。L1同名端电压为Vdc,且L1经D1向C0充电,使C0两端电压(泵升电压)高于Vdc。此时电感储能给负载提供电流,并补充C0单独向负载供电时损失的电荷。Vdc在Q1关断时段也向负载提供能量。

  输出电压的调整是通过负反馈环控制Q1导通时间实现的。若直流负载电流上升,则导通时间会自动增加,为负载提供更多能量。若Vdc下降而TON不变,则峰值电流即L1的储能会下降,导致输出电压下降。但负反馈环会检测到电压的下降,并通过增大TON来维持输出电压恒定。

  BOOST有两个非常不同的工作模式,这些工作模式与电感的状态条件有关。

  如果一个周期结束时,电感电流已降到零,则工作于不连续模式。如果一个周期结束时,电感电流没有降到零,则工作于连续模式。

  当介绍开关拓扑时,输出滤波电容一般不包含在拓扑结构中。因此,开关拓扑的输出电流不是输出到负载的直流电流,而是流入输出电容和负载的合成电流,输出电容和负载是并联的。

  与Buck拓扑不同,Boost拓扑的输入电流是连续的(有一些纹波),而输出电流对于任何工作模式都是不连续的。因此,连续模式和不连续模式只是针对电感的电流而言。

  如图1(d)所示,当D1电流在Q1下次异通之前下降到零,则电路工作于不连续模式。

  若电流在关断结束时还未下降到零,则由于电感电流不能突变,Q1下次导通时电流上升会有一个阶梯,Q1和D1上的电流将呈典型的阶梯斜坡形状,如图2所示。

图2 连续模式下boost拓扑Q1、D1和L1的电流波形

  此时电路工作于连续模式,因为在一个工作周期里电感电流始终大于零。

  假设反馈环能控制输出电压恒定,则当R0或Vdc减小时,反馈环会增加Q1异通时间Ton,以保待输出电压恒定。当负载电流增加,R0或Vdc持续减小,则可能使Ton增大,到下次导通之前Q1和D1电流仍未降到零,此时电路进入连续工作模式。

  能使不连续模式下反馈环稳定工作的误差放大,不一定能使连续模式下的反馈环稳定,并会产生振荡。反馈环理论分析认为,连续工作模式时boost电路的传递函数存在右半平面零点,稳定有右半平面零点的反馈环的唯办法是大幅减小误差放大器的带宽。

  简而言之,在不连续工作模式中电感和D1的电流有一段时间为零。也就是在能量传递期间(Q1关断和D1导通期间)和能量存储期问(Q1导通和D1关断期间)有一小段时间间隙。这个时间余量(死区)对电源系统运行特性非常重要,它在连续工作模式不会存在。

  充分了解这两种工作模式是非常重要的。因为在具有Boost功能的任何开关拓扑里,它的影响非常大。为了更好地理解这一点,我们将分析BOOST拓扑连续工作模式下负载突然增大时电路的响应特性。

  假设一个连续工作模式的Boost电路已进人稳定运行状态,输出电压和负载电流稳定,电感电流连续。当负载电流突然增大时,输出电压将有下降的趋势,此时控制环路将增大Q1的导通时间,以增大电感L1的电流。然而,需要经过几个周期,电感L1的电流才能增加的非常大(由电感值、输入电压和Q1导通时间的实际增址决定)。

  必须注意的是,导通时间增加的直接影响是使关断时间减少,因为一周期的时间是固定的。因为D1只在Q1关断期间才导通( 而且导通时间减少),平均输出电流开始减小,而不是增大。因此,当我们试图增加输出电流时,这个直接影响将减小输出电流,这需要经过几个周期电感电流的增加来慢慢使它调整。

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