典型開(kāi)關(guān)電源的原理與仿真

開(kāi)關(guān)電源一般簡(jiǎn)稱為DCDC，比我們前兩節(jié)分析的線性電源復(fù)雜一些，它與線性電源最大的不同在于其調(diào)整管的工作狀態(tài)。開(kāi)關(guān)電源中的調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即只工作在飽和區(qū)和截止區(qū)。

1)典型開(kāi)關(guān)電源的原理

一個(gè)典型的降壓型開(kāi)關(guān)電源原理如下圖：

首先，我們來(lái)看輸出部分，即調(diào)整管T之后的部分。我們之前分析的線性電源，在調(diào)整管之后是直接輸出到了負(fù)載，而開(kāi)關(guān)電源的調(diào)整管之后，接了一個(gè)反向的二極管D到地，然后經(jīng)過(guò)了一個(gè)LC濾波才輸出到負(fù)載RL上。

由于開(kāi)關(guān)電源的調(diào)整管T工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，T導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓Vi直接通過(guò)調(diào)整管進(jìn)入，電流iL向電感L和C充電儲(chǔ)存能量，并向負(fù)載輸出;所以調(diào)整管T導(dǎo)通時(shí)電流通路如下圖所示：

而T截止時(shí)，調(diào)整管T不向外輸出電流，由于電感L中的電流不能突變，所以有電流從地流經(jīng)二極管D，通過(guò)L流向負(fù)載，這樣形成了電流回路，此時(shí)L和C向負(fù)載釋放能量;所以調(diào)整管T截止時(shí)電流通路如下圖所示：

以此保證整個(gè)周期內(nèi)都能向負(fù)載輸出能量。

接下來(lái)，我們分析控制電路，當(dāng)取樣電路取得的電壓Vf輸入到比較放大器A時(shí)，如果大于基準(zhǔn)電壓，也即Vf>Vref時(shí)，比較放大器的輸出Va會(huì)是一個(gè)較低的電壓，和三角波電壓Vt比較時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)會(huì)有較長(zhǎng)的時(shí)間小于Vt，所以，在一個(gè)周期內(nèi)比較器的輸出Vb會(huì)有較長(zhǎng)時(shí)間輸出低電壓，這會(huì)使得調(diào)整管T的截止時(shí)間增加，也即減少了能量的輸出。

反之，當(dāng)取樣電路的電壓Vf較小時(shí)，經(jīng)過(guò)一系列比較后，會(huì)增加T的導(dǎo)通時(shí)間，增大能量的輸出。以此實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

以上是一種典型的降壓型開(kāi)關(guān)電源原理，工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，一般會(huì)選擇集成開(kāi)關(guān)電源芯片，比如LM2596，就將上述控制電路和調(diào)整管集成到了一個(gè)芯片中，外圍搭配D、L、C等器件就可以組成完整的開(kāi)關(guān)電源電路。

電路中的二極管D保證了在T截止時(shí)電路中仍有電流輸出，所以稱為續(xù)流二極管。這個(gè)二級(jí)管要通過(guò)較大的電流，所以選擇高速、低壓降的開(kāi)關(guān)管，一般選用肖特基二極管。

電感需要選功率電感，不能使用色環(huán)電感，因?yàn)檫@里需要電感儲(chǔ)能，需要通過(guò)較大的電流。

電容和電感的選擇要合適，一般可以參見(jiàn)集成開(kāi)關(guān)電源的手冊(cè)推薦值，因?yàn)閺恼{(diào)整管直接輸出的電壓是開(kāi)關(guān)狀態(tài)，變化劇烈，所以需要后端的LC濾波電路實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定。

2)開(kāi)關(guān)電源電路的仿真

如下圖是一個(gè)降壓電路的仿真圖：

這個(gè)電路將直流12V降壓。

這里僅仿真調(diào)整管及其后端的的電路，開(kāi)關(guān)管設(shè)置了30%的占空比?？梢钥吹皆贚C濾波之前的波形(黃色)有很大的波動(dòng)，但LC濾波之后的電壓已經(jīng)比較穩(wěn)定了。

下圖是一個(gè)升壓電路的仿真圖：

此圖中的各元件參數(shù)和上圖一樣，只是電路形式不同，實(shí)現(xiàn)了升壓的功能。升壓電路也是在調(diào)整管導(dǎo)通時(shí)給電感充電，電流直接流過(guò)電感和調(diào)整管到地，此時(shí)續(xù)流二極管防止了輸出端的電流倒灌;截止時(shí)，電感上的電壓和電源電壓疊加后，通過(guò)二極管向輸出端放電，所以有升壓的效果。

3)開(kāi)關(guān)電源與線性電源的特性比較

由于開(kāi)關(guān)電源的調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在導(dǎo)通和截止時(shí)，調(diào)整管自身消耗的功率都很小，所以，一般情況下，開(kāi)關(guān)電源的效率比線性電源高。

開(kāi)關(guān)電源的輸出，是通過(guò)將開(kāi)關(guān)電壓濾波后輸出的，紋波較大。

開(kāi)關(guān)電源相對(duì)于線性電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且需要搭配較多的外圍器件。

開(kāi)關(guān)電源的靜態(tài)功耗較大，由于自身內(nèi)部有多個(gè)比較電路、振蕩電路、波形產(chǎn)生電路等等，它自身有一定的功耗，在空載時(shí)會(huì)有一定的功耗;而線性電源，一般空載時(shí)也只會(huì)消耗極少的功耗。在某些低功耗應(yīng)用場(chǎng)合，負(fù)載消耗的電流較低時(shí)，線性電源反而會(huì)有更高的效率。