《多路输出开关电源设计》(3)

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 行比较、分析，进而调节，确保输出稳定可靠地电压值。脉冲宽度调制电路一般应用DC-AC，DC-DC的电路中[9]。 2.2.2 脉冲频率调制(PFM)

脉冲频率调制PFM(PulseFrequencyModulation)不同于脉冲宽度调制，它是通过改变工作电路的工作频率从而引起内部变化进而调节输出的一种调制方式。该调制方式在低负载时的效率相比于其他调制方式要高，并且PWM中含有误差放大器，所以相对于PWM，PFM具有较快的响应速度。但是高负载时转换效率并不理想，较PWM要差。除此之外，脉冲频率调制滤波非常困难[10]。 2.2.3 混合的调制方式

混合调制方式，PFM-PWM-PSM结合的方式，这种调制方式比较灵活，因为设计者可以根据电路中负载值得不同而选择不同的调制方式。并且设计者可以根据各种调制方式的优缺点来结合，从而达到最佳的工作方式。但是，混合调制方式的工作电路比较复杂，这样增加了设计的难度，对设计者的要求也相应的提高了[11]。

2.4 开关电源分类

随着科技的进步，电力电子技术向着多元化的发展，电力电子产品也变得多种多样。伴随着，电力电子设备所需求的电压范围也变得越来越宽，比如一些数字电路中要求的电压就比较小，一般在10V以下；一些模拟电路中所需的电压一般在10V以上；还有一些大型的用电设备所需的电压可以达到1000V甚至更高。所以电源装置的设计就必须跟上步伐，以满足各方面的需求。实现电能的转换，电压的改变有两种方法：线性电源和开关电源。

220V~++-Vre+

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青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 图 2-2 线性电源

线性电源如图2-2，电路包括工频变压器、整流滤波电路、稳压电路。首先工频变压器为输入电压降压，然后经过整流滤波电路，去除滤波并输出直流电，最后由稳压电路线性调节，输出稳定电压。线性电源的调整管工作在放大区，因此发热多，效率小（35%左右），需要加体积庞大的散热片，并且还要配上大体积的工频变压器。开关电源的开关管工作在饱和和截至区，所以发热量少，效率大（75%以上）并且省掉了体积很大的变压器。但是线性电源纹波小。所以开关电源很好的适用于那些对电源的效率和安装的体积有规定的环境，而对电磁干扰和电源纯净性有规定的环境（如电容漏电检测）多选择线性电源。

开关电源可以分为隔离式和非隔离式两种，下面着重介绍开关电源的分类[12,13]。 2.4.1非隔离式开关电源

非隔离式开关电源的电路结构比较简单，主要由电感、电容、晶体管、电阻等小元器件组成。通过改变开关管的占空比来改变输出电压的大小，最基本的四种电路拓扑结构如下。

一、Buck（StepDown）变换器

Buck变换器又被叫做降压变换器。电路包括电源电压，占空比已知且一定的晶体管Q，电感线圈L，二极管D1，负载R和电容C组成，通过控制晶体管的占空比，从而实现将输入电压降压的功能[14]。电路结构图如图2-3所示：

图2-3Buck降压电路

Buck变换器工作过程：开关管Q导通时，电感L上通过的电流iL在没有达到饱和状态之前，将会线性的增加，且值与输入电流is相同；负载R上流过的电流值大小为io，R两端输出电压值为Vo。当io

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青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 正下负，被反向截止。开关管Q截止时，为了保持电感电流iL值保持不变，通过L中磁场的作用，线圈L两端的电压极性被改变。当iL

用伏秒平衡来列出式子： ?U?U0?Ton?U0Toff

U0?UTonDT?U?UD Ton?ToffT公式（2-1） 公式（2-2） 上式Ton 是开关管的导通时间，Toff 是开关管的截止时间；T 是开关管工作周期，D 是占空比，D=Ton/T。由2式可知，由开关管占空比的改变就可以控制输出平均电压的大小。由于占空比总是不大于1，所以总是小于U，因此Buck电路是降压电路。

二、Boost（StepUp）变换器

Boost变换器的原理图如图2-4所示：

图2-4Boost升压电路

Boost变换器的组成类似于Buck变换器电路。晶体管的导通和断开的状态受外在提供的脉冲信号控制，通过改变脉冲信号的占空比来实现将低压升到高压的目的，并且输出电压可调[15]。

Boost变换器工作过程：当晶体开关管Q导通时，电流流过电感线圈L，并且储存能量，此时电容为C放电状态，释放的电荷为负载R供电，这里设R上流过的电流为Io，两端的电压值为Vo，此时二极管被截止。设晶体管通态时间为TON，此段时间里电感上所积累的能量为V·IL·TON。当晶体开关管Q关断时，电感会阻止电流的减小，电感会产生感应电动势，此时L中的电磁能量会转化成电压V并与输入端电压V串联后共同向电容C和输出端负载R供电。因此电路输出的电压要大于输入电压。

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青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 根据伏秒平衡有式（2-3）、（2-4）：

U0?UUTon?(U0?U)Toff

Ton?ToffToff?UT1 ?U?1?D?T?1?D?公式（2-3） 公式（2-4）

要获得所需的电压需改变开关管的占空比，而且由于D 总是小于1，因此U0也一定高于V1，如此来看，Boost电路能实现升压功能的原理就不再难理解。

三、Buck-Boost变换器

Buck-Boost变换器又被称为降压一升压变换器，它是在将Buck变换器和Boost变换器结合而组成的电路[16]。经过等效简化后形成如图2-5所示：

图2-5Buck-Boost电路

工作过程：晶体开关管Q工作在导通状态时，电源电流is流过电感L，电感储存能量，此时电容C向负载R放电，二极管Dl反向截止。开关管Q断开时，电感电流iL有减小趋势，为了保持iL不变，L产生反向自感电势，使L两端电压变为下正上负，二极管D1此时正向导通，负载R两端输出电压，此时电容C处于充电状态，以保证晶体管关断是为负载提高电压。其公式为：

TonTon?E?E?E ToffT?Ton1??

U?(2-5)

式中?为占空比，改变占空比可以使输出的电压大于或者小于电源电压。

四、Cuk变换器

Cuk变换器又称Boost-Buck串联变换器，它也是通过前两种电路结构而成组合，创新之处是电路中多了个电感，有效地保存了电能[17]。由晶体管和二极管组成的Cuk变换器电路结构图如图2-6所示：

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青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）

图2-6Cuk电路

Cuk变换器工作过程:晶体管Q在导通状态时，输入输出环路闭合，二极管D1被反向截止，输入端电流it流过电感L1，L1此时储存能量，C2释放电荷，供电给负载并使电感L2储能，晶体开关管中流过的电流为it与i2之和。晶体管Q断开期间，二极管D1处于导通状态，使输入环路和输出环路工作在闭合状态，电源输入电流it和电感L的释能电流同时为电容C1提供充电电流；电感L2的释能电流为负载提供能量。其计算公式和式2-5相同：

U?TonTon?E?E?E ToffT?Ton1??(2-6)

2.4.2 隔离式开关电源

隔离式开关电源是通过变压器来实现升压、降压或稳压的，主电路部分同样也是由晶体管等元器件组成。下面介绍几种简单地隔离式开关电源的类型。

一、单端正激式变换器

图2-7 正激式变换电路

单端正激式变换器电路比较简单，其可靠性较高。它更适合应用在输出功率在

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