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開關(guān)電源三大基礎(chǔ)拓?fù)涞慕M合應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2016-03-01 來(lái)源:金升陽(yáng) 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】本文先介紹了開關(guān)電源的三大基礎(chǔ)拓?fù)洌築uck、Boost、Buck-Boost,并就這三者拓?fù)渲g進(jìn)行了簡(jiǎn)單地組合,得到了非常巧妙的電路,例如:正負(fù)輸出電源、雙向電源等,能夠滿足諸如運(yùn)放供電、電池充放電等某些特殊的需求。
 
1、摘要
       
開關(guān)電源已經(jīng)深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)當(dāng)中,設(shè)計(jì)師或是自行設(shè)計(jì)電源或是購(gòu)買電源模塊,但是這些電源都離不開電源的各種電路拓?fù)洹1疚南冉榻B了開關(guān)電源的三大基礎(chǔ)拓?fù)洌築uck、Boost、Buck-Boost,并就這三者拓?fù)渲g進(jìn)行了簡(jiǎn)單地組合,得到了非常巧妙的電路,例如:正負(fù)輸出電源、雙向電源等,能夠滿足諸如運(yùn)放供電、電池充放電等某些特殊的需求。
 
2、開關(guān)電源基礎(chǔ)拓?fù)?/strong>
 
開關(guān)電源三大基礎(chǔ)拓?fù)錇椋築uck、Boost、Buck-Boost,大部分開關(guān)電源都是采用這幾種基礎(chǔ)拓?fù)浠蛘咂鋵?duì)應(yīng)的隔離方式,下面以電感連續(xù)模式進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
 
2.1 Buck降壓型
 
Buck降壓型電路拓?fù)?,有時(shí)又稱為Step-down電路,其典型的電路結(jié)構(gòu)如下圖1所示:
 
 
Buck電路的工作原理為:
 
當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)高電平使得NMOS管T導(dǎo)通的時(shí)候,忽略MOS管的導(dǎo)通壓降,等效如圖2,電感電流呈線性上升,MOS導(dǎo)通時(shí)電感正向伏秒為:
 
 
當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)低電平的時(shí)候,MOS管截止,電感電流不能突變,經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管形成回路(忽略二極管電壓),給輸出負(fù)載供電,此時(shí)電感電流下降,如下圖3所示,MOS截止時(shí)電感反向伏秒為:
 
 
D為占空比,0<D<1,因此可以看出,輸出電壓低于輸入電壓,屬于降壓。
 
2.2 Boost升壓型
 
Boost升壓型電路拓?fù)?,有時(shí)又稱為step-up電路,其典型的電路結(jié)構(gòu)如下圖4所示:
 
 
同樣地,根據(jù)Buck電路的分析方式,Boost電路的工作原理為:
 
 
0<D<1,可以得出,輸出電壓大于輸入電壓,屬于升壓。
 
2.3 Buck-Boost極性反轉(zhuǎn)升降壓型
 
Buck-Boost電路拓?fù)?,有時(shí)又稱為Inverting,其典型的電路結(jié)構(gòu)如下圖5所示:
 
 
同樣地,根據(jù)Buck電路的分析方式,Buck-Boost電路的工作原理為:
 
 
3、Buck與Buck-Boost組合
 
金升陽(yáng)K78系列的產(chǎn)品采用了Buck降壓型的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),是LM78XX系列三端線性穩(wěn)壓器的理想替代品,效率最高可達(dá)96%,不需要額外增加散熱片,同時(shí)還兼有短路保護(hù)和過(guò)熱保護(hù),值得說(shuō)明的是它能夠完美支持負(fù)輸出。
 
 
上面提到金升陽(yáng)K78系列產(chǎn)品可以支持負(fù)輸出,這是怎么做到的呢? 
 
從上面Buck電路以及Buck-Boost電路結(jié)構(gòu)原理來(lái)看,主要的區(qū)別是兩者二極管與功率電感的位置互換。因此,若將Buck電路的輸出Vo引腳接成輸入的GND,而之前的輸入GND就變成了負(fù)電壓輸出了,即變成了Buck-Boost的電路結(jié)構(gòu)。對(duì)應(yīng)到金升陽(yáng)K78xx-500R2系列的產(chǎn)品就變成了如下圖6所示的負(fù)輸出。
 
 
因此,用2只K7812-500R2的產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)BUCK與BUCK-BOOST電路相結(jié)合,可以得到±12V輸出,低的紋波和噪聲可以給運(yùn)放進(jìn)行供電。
 
 
需要值得注意的是,由于BUCK-BOOST電路在啟動(dòng)電流會(huì)比BUCK電路大一些,所以會(huì)在BUCK-BOOST電壓輸入端加一些緩沖類的器件。
 
4、Buck與Boost組合
 
Buck與Boost兩者相結(jié)合,會(huì)得到什么樣的電路和應(yīng)用呢?根據(jù)不同的控制,可以讓電源從高壓降到低壓,也可以將低壓升到高壓,可以稱之為雙向DC-DC變換器之一,典型的應(yīng)用電路如下圖:
 
 
DC-DC雙向變換器目前主要應(yīng)用在各大充放電系統(tǒng)中,隨著儲(chǔ)能器件的發(fā)展得到了廣泛地應(yīng)用,主要的行業(yè)在汽車電子,電梯節(jié)能系統(tǒng)等應(yīng)用行業(yè)。
 
當(dāng)T2管截止時(shí),T1管與D1、L等器件構(gòu)成了Buck型降壓電路,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)的負(fù)載進(jìn)行供電;反之,當(dāng)T1管截止,T2管與D2二極管、L等器件構(gòu)成了Boost升壓電路,對(duì)前端電源進(jìn)行能量補(bǔ)充。目前對(duì)T1和T2管的控制以模擬方式控制相對(duì)還是比較困難,均是以數(shù)字控制方式為主。
 
下面是將超級(jí)電容運(yùn)用到電梯能量回收系統(tǒng)中,將電機(jī)的能量在超級(jí)電容和直流母線之間進(jìn)行相互傳遞,降低了能源的損耗。
 
 
由于超級(jí)電容充放電電流比較大,普通的功率MOS管已經(jīng)不適合使用,通常用IGBT來(lái)替代,而IGBT驅(qū)動(dòng)在導(dǎo)通和關(guān)斷的響應(yīng)速度上,驅(qū)動(dòng)電源選擇+15V和-9V將會(huì)是比較理想的,一方面+15V能夠完全提供正向驅(qū)動(dòng)的電壓,另一方面-9V又能夠加速IGBT的關(guān)斷。而QP12W05S-37是個(gè)不錯(cuò)的選擇。
 
 
5、總結(jié)
 
基本電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中Buck降壓型應(yīng)用最多,但是各個(gè)基礎(chǔ)拓?fù)浣M合使用,可以解決很多類似于正負(fù)電源供電以及雙向電源應(yīng)用方面的問(wèn)題??傊娫椿A(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖老,但是實(shí)際應(yīng)用卻可以千變?nèi)f化。
 
6、參考文獻(xiàn)
 
《開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)》(修訂版) 張占松 蔡宣三;
《開關(guān)電源功率變換器拓?fù)渑c設(shè)計(jì)》 張興柱;
《精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)》(第2版) 【美】馬尼克塔 著 王健強(qiáng) 等譯
 
原文鏈接http://www.mornsun.cn/html/news/content/870.html
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