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開關(guān)電源按不同的標(biāo)準(zhǔn)可以分成不同的類型,其中按輸出電壓來分,我們知道一般可以分為buck電路(降壓),boost電路(升壓),buckboost電路(可升可降)。任性的升壓和降壓,其實這就是開關(guān)電源區(qū)別于線性電源的一大優(yōu)勢。本文就講下開關(guān)電源輸出升降壓時與輸入的關(guān)系。 

開關(guān)電源的核心組成無非就是下列四個元器件,包括有源開關(guān)(Mos管),無源開關(guān)(二極管),儲能電感L,濾波電容C。然后就是通過這幾個器件的排列位置不同,達(dá)到了任性升降壓的目的。而這個利用PWM模式工作的電壓轉(zhuǎn)換,基本原理就是根據(jù)開關(guān)的不同占空比而改變升降壓的幅度,下面研究下這幾種類型輸入占空比和輸出電壓的關(guān)系。

對很多新接觸開關(guān)電源原理的人來說,要清晰描述出經(jīng)過每個元器件在不同時刻的I-t和V-t的變化情況是有難度的,而如何通過輸入電壓和占空比得到輸出電壓的精確幅度則是我們設(shè)計電源的最終目的。其實在電路分析上,各種形式的電路都有一些分析的基本原則或者是定律,像歐姆定律,基爾霍夫定律等等。而在開關(guān)電源分析中,用到的定律是伏秒平衡定律。

下面描述下這個定律: 我們建立下面這個簡單的電路模型來說明,開關(guān)的占空比是70%,通過調(diào)節(jié)RLC的值,得到穩(wěn)定后的波形如下:

根據(jù)

,得到: 在導(dǎo)通期間內(nèi)有

,推出

在截止期間有

,推出

根據(jù)在穩(wěn)態(tài)時必定有

(大小相等,方向相反),不然的話電感的電流會朝著一個趨勢擴(kuò)大,則無法達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 因此得到

最后推出

在上面的電路中,有0．705V*3ns≈0．301V*7ns(有小數(shù)點(diǎn)后面位數(shù)的誤差)。 這就是所謂的開關(guān)電源的伏秒平衡定律,描述的是在穩(wěn)態(tài)時電感兩段導(dǎo)通和截止時電壓和導(dǎo)通時間的關(guān)系。 

有了這個定律,就可以繞開繁瑣的定性定量分析,直接得到各種類型的開關(guān)電路的輸出電壓了。 

下面以相對較復(fù)雜的buckboost電路進(jìn)行分析驗證,該電路一般形式如下:

在MOS管S導(dǎo)通時,由于Vg會通過電感流向地進(jìn)行儲能(二極管方向使電壓截止),于是得到導(dǎo)通的伏秒為:Vg*Ton。

在MOS管S截止時,由于L會對電容和R釋放能量(電感的電動勢方向下正上負(fù)),由于二極管的方向,電感兩端的電壓為:-V0*Toff。(-號表示方向相反)

根據(jù)伏秒平衡定律,因此有Vg*Ton=-V0*Toff,由占空比

最后得到buckboost電路的輸出電壓

通過公式可以看到,在占空比小于50%時為降壓電路,等于50%時,輸入輸出幅值相等,大于50%時為升壓電路。另外需要注意的是,在哪種占空比情況下,輸出電壓和輸入電壓的方向是相反的。 

我們可以搭一個大致的電路仿真下,占空比為25%。

根據(jù)公式計算,輸出電壓應(yīng)該為-0．25/(1-0．25)*10V=-3．33V 

仿真結(jié)果如下:符合要求