电源/新能源
大家知道开关电源的基本拓扑有且只有三种:降压型(BCUK),升压型(BOOST),升降压型(BUCK-BOOST);从中文命名中我就可以知道降压型拓扑只负责降压,该特性上类似于线性电源变换器(LDO),但升压型拓扑,顾名思义,就是只负责电源升压变换的拓扑。降压比较容易理解,那升压是怎么实现的呢?
如下图所示为升压型(BOOST)电源拓扑的结构示意图,其结构与BUCK电路的主要不同在于:在Vdc和开关Q1之间串接了一个电感器L1,电感器L1的右端通过整流二极管D1(非续流二极管)给输出电容C0及负载供电。
——Q1导通时电流路径为:从Vdc流到了GND,并没有能量传输到输出端;感觉这不是浪费电能了么?其实理想情况下(不考虑电感器DCR和MOS管导通电阻,P = I²*R = 0)并不会损耗电能,而是将能量储存到了电感器L1中。
——Q1关断,经过电感器L1的电流由增加变成减小(电流变化率产生变化),所以电感器的感应电压方向发生转变,即由原来的左高右低(与Vdc抵消)变成左低右高(与Vdc叠加),此时输出电压Vo会高于Vdc。
——BOOST拓扑的输出电源纹波电流相对BUCK拓扑来说更大,所以对BOOST拓扑的输出电容器有更高的要求:ESR更低、容量更大等。
同样,根据BOOST拓扑也可以通过伏秒定律来推导直流传递函数:Von = Vin – Vsw,Voff = Vo + Vd – Vin,VonTon = Voff * Toff,那么1/D = T/Ton = (Toff+Ton)/Ton = (Vo+Vd-Vsw)/(Vo+Vd-Vin),所以D = (Vo+Vd-Vin)/ (Vo+Vd-Vsw),如果MOS管压降(Vsw)和二极管压降(Vd)相比输入/输出电源电压都很小,那么D ≈ (Vo-Vin)/Vo,输出与输入之间的关系为:Vo = Vin[1/(1-D)]。
Boost开关电源同样有两个工作模式:连续工作模式和不连续工作模式;如下图所示。
——其本质同上一章节举例的BUCK开关电源的连续导通模式和断续导通模式是一样的,与电源输出负载电流的大小有关。
——如上一章“开关调整器的不同工作模式”所述,连续导通模式和断续导通模式的反馈环路设计是不一样。
BOOST开关电源工作在不连续模式下,首先需要确保工作模式不会跨越到连续模式,具体步骤如下:
——在临界不连续情况下,Vdc或R0任何微小的减小都会导致电路进入连续工作模式,若误差放大器未针对连续工作模式设计,则会引起振荡(增加Ton,导致D1电流增大)。
——假如绕组施加同名端为正的电压使磁芯发生正向磁化dB = B1-B2,若磁芯密度从B1变化到B2后,加反压使他复位复位到哪怕只比B1高一点,若干周期后磁芯密度会达到磁滞曲线饱和段使磁芯饱和,从而造成开关管损坏。
升降压拓扑实现了开关电源升压和降压两种功能,实际上升降压拓扑是:正输入对负输出的(或负输入对正输出),如下图所示,无论输入极性如何输出都会反向,因此升降压拓扑也被称为反极性拓扑。
升降压拓扑工作原理:在一个周期(Ton)的一段时间内使电感储能,而在后的一段时间内(Toff)将电感能量传递给负载;拓扑结构示意图及工作状态如下图所示。
——我们看到BUCK-BOOST拓扑中没有输入电源Vdc直接提供能量给输出的路径(BUCK和BOOST拓扑中都有),即只有反激式拓扑(包括BUCK-BOOST)所有的能量都必须先储存在电感器中,对电感器要求更高:若Q1导通时存储于L0的电流Ip在Q1再次导通之前下降到0(工作于不连续模式),那么提供给负载的功率为:Pt =(1/2)L0I²p/T。
——BUCK-BOOST拓扑的输入/输出电源纹波电流都很大,所以对BUCK-BOOST拓扑来说的输入/输出电容器的要求都很高:低ESR、大容量等。
根据BUCK-BOOST拓扑也可以通过伏秒定律来推导直流传递函数:Von = Vin – Vsw,Voff = -Vo + Vd,VonTon = Voff * Toff,那么1/D=T/Ton = (Toff+Ton)/Ton = (Vin-Vsw+Vd-Vo)/(-Vo+Vd),所以D = (-Vo+Vd)/ (Vin-Vsw+Vd-Vo),如果MOS管压降(Vsw)和二极管压降(Vd)相比输入/输出电源电压都很小,那么D ≈ (-Vo)/[Vin+(-Vo)],输出与输入之间的关系为:(-Vo) = VinD/(1-D)。
BUCK-BOOST电源拓扑同Boost拓扑一样,需保证导通时间最大时,存储于L0的电流能在Tτ末端下降至0;并距再次导通留有0.2T的死区,以保证其工作于不连续模式;Ton+Tτ=T-Tdt=0.8T。
同BOOST电源拓扑一样,BUCK-BOOST电源拓扑要求导通伏秒数与关断伏秒数相等以防止磁心饱和;所以VdcTon=VoTτ,结合两个公式可得:Ton= 0.8VoT/(Vdc+Vo);假设输出效率为100%,那么Po= V²o/Ro = Pt = 1/2L0I²p/T;由于Ip=Vdc*Ton/L0,可得: Vo=Vdc*Ton*√[Ro/(2T*Lo)]。
在已知Vo、Vdc、Ro和T情况下,结合Ton公式可计算L0值。
全部0条评论
快来发表一下你的评论吧 !