入门学电源(1):从电阻分压、稳压管、线性稳压器到BUCK变换器
时间:2022-08-10 15:00:00
电阻分压是BUCK降压器最基本的原理!
如果有一个10V电压,想要5V电压,怎么办?很简单,两个电阻值相同的电阻R1、R2从接地电阻串联起来R2取电压,直接得到5V电压。
图1:串联电阻分压
如果电压加载,两个串联电阻的电阻值为1K,负载电阻为1K,所以电压只有3.33V,因此,该电压不具备加载能力,不能作为稳定电源向负载供电。
稳压管具有稳压的能力,如果将电路中的R2换成5V稳压管可在稳压管两端输出稳压管5V该电压具有一定的加载能力。串联电阻R1的值范围由稳压管的最小工作电流(稳压)和最大工作电流(最大功率损耗)决定。当输入电压发生变化时,输入电压电压之间的压差由R因此,承担R1也称之为调整电阻。
串联稳压管电路中,调整电阻位于主电流回路,因此不能通过大的负载电流,输出负载电流范围非常小。为了扩大输出负载电流的范围,那么,是否可以用某种方式,将调整电阻,移出主电流回路,也就是将主电流(负载电流)电路和基准稳压电路分开,同时用基准稳压电路控制输出电压呢?
图2:线性稳压器
当三极管在放大区域工作时,如果基极和集电极电路独立分离,基极可以控制集电极的电流将三极管插入到串联稳压管电路中,集电极、发射极构成主电流(负载电流)通路,基准稳压电路连接到基极,线性稳压器的基本结构如图2所示。如果稳压管为5V,输出电压为:5-0.7=4.3V。当输入电压发生变化时,输入电压和输出电压之间的压差由放大区域的三极管承担,因此这种三极管也被称为调整管。
稳压管作为基准电压,精度差,温度漂移和噪声大,输出电压设置灵活性差。如果用高精度、低温漂移和低噪声的间隙基准代替稳压管,输出电压通过运输和放置进行反馈控制,并增加过流、过温、过压、欠压等保护功能,形成常用的三端线性稳压器,如LM7805、LM7812等。
图3:三端线性稳压器
输入电压和输出电压的压差必须大于2V只有这样,输入电压和输出电压的压差才能正常工作。V这种三端线性稳压器称为低压差三端线性稳压器,即LDO,甚至还有超低压差的三端线性稳压器。
线性稳压器的调节管在放大区域工作,功耗由输入输出电压的压差和负载电流决定:Ploss=(Vin-Vo)·Io,功耗很大。三极管有三个工作区:放大区、截止区和饱和区。截止区域没有引导,几乎没有损失;饱和区压力降低,引导损失很小。如果线性稳压器的调节管在开关状态下工作,即在截止区域和饱和区域进行高频切换,则避免了放大区域工作损失较大的问题。
图4:调整管道开关状态
高频切换电压波形为脉冲方波,脉冲方波的平均值为输出电压值,即:
Vo=Vaverage=Vin·ton/Ts=Vin·D
D=ton/Ts,为空比。固定工作频率时,调整三极管的导通时间,调整输出电压,使脉冲方波电压的平均值满足设定要求。
电压脉冲方波的振幅值为输入电压,电流也为脉冲方波,不能直接向负载供电。稳定的电源输出电压是恒定的,当输出负载稳定时,输出直流电流是固定的。
电感具有平滑电流的滤波能力,将电感插入三极管的发射极和输出负载之间,将脉冲电流过滤成相对平滑的直流电流。
电容器具有平滑电压的滤波能力,输出端并联电容,脉冲电压平滑,直流输出电压稳定。
脉冲电压和脉冲电流波形LC滤波器,可获得相对平稳、稳定的直流电压和直流电流,为负载提供安全稳定的供电。
图5:电感平滑脉冲电流,脉冲电压脉冲电压
当三极管导通时,输入端、电感和输出端构成电流通路;当三极管关闭时,由于电感需要维持原电流,因此没有续流电路,这将导致应用问题。
图6:电感电流路
电感和输出端直接连接,不可能添加续流电路,因此只能在电感和三极管的连接端添加续流电路。
连续电路另一端可能的连接点只有输入端和地面,电感已经通过三极管连接到输入端。因此,连续电路的另一端只能连接到地面。
图6:电感续流回路
在电感和地之间加一个具有单向导电特性的二极管,就可以保证三极管开通时不影响其工作,同时,在三极管关断时给电感提供续流的回路。这样,就构成了基本的高频开关降压变换器主电路, 也就是BUCK变换器主电路。
功率MOSFET工作频率更高、驱动简单,取代了三极管作为开关管;续流的二极管的导通压降高、损耗大、效率低,用功率MOSFET取代续流二极管,就构成同步BUCK变换器,而下端使用二极管续流的结构称为非同步BUCK变换器。
图7:同步和非同步BUCK变换器
同步BUCK变换器更简单记忆方法:半桥电路加LC滤波器,就组成了同步BUCK变换器。
图8:半桥电路加LC滤波器组成同步BUCK变换器
输出电压加入反馈调节,同时加入过流、过温、过压、欠压、软起动等一些保护功能去控制BUCK变换器主电路,就构成了BUCK变换器的控制芯片。如果将上端的功率MOSFET、下端续流功率MOSFET或二极管也集成到芯片里面,就构成了单芯片BUCK变换器。
BUCK降压变换器将高的输入电压转化为低的输出电压,就必须将输入电压斩波,然后取平均,因此,主开关管串联在输入端。或者说,输入电压、输出电压的压差必须要由有源元件吃掉,因此,主开关管必须连接到输入端和输出端之间。
开关管和输出端之间插入滤波电感,平滑脉冲电流,因此电感连接在输出端。
电感和地之间插入续流二极管,开关管关断时为电感电流续流,就构成了基本的BUCK降压变换器主电路。
从分压电阻、稳压管、调整管、开关工作,到插入滤波电感和续流二极管,一步步演进到BUCK降压变换器主电路,BUCK降压变换器的结构非常容易记住了吧,工作原理的理解也自然水到渠成。