开关模式电源基础知识—第2/3部分

为何使用开关模式电源?

显然是高效率。在SMPS中,晶体管在开关模式而非线性模式下运行。这意味着,当晶体管导通并传导电流时,电源路径上的压降最小。当晶体管关断并阻止高电压时,电源路径中几乎没有电流。因此,半导体晶体管就像一个理想的开关。晶体管中的功率损耗可减至最小。高效率、低功耗和高功率密度(小尺寸)是设计人员使用SMPS而不是线性稳压器或LDO的主要原因,特别是在高电流应用中。例如,如今12VIN、3．3VOUT开关模式同步降压电源通常可实现90%以上的效率,而线性稳压器的效率不到27．5%。这意味着功率损耗或尺寸至少减小了8倍。

最常用的开关电源——降压转换器

图8显示最简单、最常用的开关稳压器——降压型DC/DC转换器。它有两种操作模式,具体取决于晶体管Q1是开启还是关闭。为了简化讨论,假定所有电源设备都是理想设备。当开关(晶体管)Q1开启时,开关节点电压VSW = VIN,电感L电流由(VIN – VO)充电。图8(a)显示此电感充电模式下的等效电路。当开关Q1关闭时,电感电流通过续流二极管D1,如图8(b)所示。开关节点电压VSW = 0V,电感L电流由VO负载放电。由于理想电感在稳态下不可能有直流电压,平均输出电压VO可通过以下公式算出:

通常,计算开关相关损耗并不简单。开关相关损耗与开关频率fS成正比。在12VIN、3．3VO/10AMAX同步降压转换器中,200kHz – 500kHz开关频率下的交流损耗约导致2%至5%的效率损失。因此,满负载下的总效率约为93%,比LR或LDO电源要好得多。可以减少将近10倍的热量或尺寸。

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参考资料

[1] V． Vorperian,“对使用PWM开关模式的PWM转换器的简化分析:第I部分和第II部分”,IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1990年3月,第26卷,第2期。

[2] R． B． Ridley, B． H． Cho, F． C． Lee,“对多环路控制开关稳压器的环路增益的分析和解读”,IEEE Transactions on Power Electronics,第489-498页,1988年10月。

[3] H． Zhang,“开关模式电源的模型和回路补偿设计”,凌力尔特应用笔记AN149,2015年。

[4] H． Dean Venable,“控制系统的最佳反馈放大器设计”,Venable技术文献。

[5] H． Zhang,“使用LTpowerCAD设计工具分五个简单的步骤设计电源”,凌力尔特应用笔记AN158,2015年。

[6] www．linear．com/LTpowerCAD上的LTpowerCAD设计工具。

[7] H． Zhang,“非隔离式开关电源的PCB布局考虑因素”,凌力尔特公司的应用笔记136,2012年。

[8] R． Dobbkin,“低压差稳压器可直接并联以散热”,LT Journal of Analog Innovation,2007年10月。

[9] C． Kueck,“电源布局和EMI”,凌力尔特应用笔记AN139,2013年。

[10] M． Subramanian、T． Nguyen和T． Phillips,“高电流电源低于毫欧的DCR电流检测和精确多相均流”,LT Journal,2013年1月。

[11] B． Abesingha,“快速精确的降压DC-DC控制器在2MHz下直接将24V转换为1．8V”,LT Journal,2011年10月。

[12] T． Bjorklund,“高效率4开关降压-升压控制器提供精确输出限流值”,凌力尔特设计笔记499。

[13] J． Sun、S． Young和H． Zhang,“?Module稳压器适合15mm × 15mm × 2．8mm、4．5V-36Vin至0．8V-34V VOUT的(接近)完整降压-升压解决方案”,LT Journal,2009年3月。

审核编辑：符乾江