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DC-DC電源變換器(開關電源)基礎知識詳解
DC-DC電源變換器(開關電源)基礎知識詳解

概述

電子設備都需要供電，其電能來源于火力、水力、核子發電廠提供的交流電。這些交流電通過電源設備變換為直流電。但是，這種直流電源不 符合需要，仍需變換，這稱為DC/DC變換。常規的變換器是串聯線性穩壓電源，其調整元件工作于線性放大區，通過的電流是連續的，功耗

很大，需要非常大的體積，變換效率通常只有30％。

70年代，隨著功率晶體管的研制，隔離集成電路和磁性材料的研制、應用；隨著功率電子學領域中技術的日新月異的發展，理論研究不斷深

化，功率變換拓撲及器件對偶理論的日趨完善，開關電源以其強大的生命力適應當今高效率、小型輕量化的要求。

開關電源去除了工頻變壓器，代之以幾十KHz、幾百KHz甚至數MHz的高頻變壓器。由于調整管工作于開關狀態,功耗小,效率高,可達80％-95％。因此開關穩壓電源體積小，重量輕。但由于電路負載，高頻元器件價格高，因此成本較高，且輸出紋波噪聲電壓較高，動態響應

較差。

線性穩壓電源

在功率開關晶體管問世以前，串聯調整穩壓器一直是最簡單的、最常用的穩壓技術。基本的串聯穩壓電路如圖11.1:



圖中，vl是調整管，Vi是輸入電壓，Vo是輸出電壓。Rl,R2形成采樣電阻，采樣電壓Vf同參考電壓Vr進行比較，放大產生的電壓經過直流

電平位移后，作為調整管的基極輸入，這樣構成一個負反饋回路，負載RL變化時，通過反饋回路調整以使Vo保持穩定。

這樣的集成穩壓器有固定輸出的W78XX系列，其中XX的值即輸出電壓值，如7805，輸出電壓為SV。還有一些是輸出可以調節的LM117

、LM317，這也是我們經常使用的。

線性穩壓電源的功耗同輸入、輸出電壓之間的差有關系，壓差越大，功耗越大。決定輸入、輸出電壓之間的差與輸出級的調整管的飽和壓降有 關系。在低飽和方式中，輸出級采用PNP功率晶體管，此外還開發了用CMOS管作為輸出級的大功率電路，而BICMOS則結合了低壓降大電流

的優點，這對于提高穩壓電源的效率起到了很好的作用。下圖是幾種不同方式的輸出級電路，其飽和壓降是不同的：



圖11.2三種輸出方式下的飽和壓降

開關穩壓電源

在開關穩壓電源中，直流變換器中的功率晶體管工作在開關狀態。目前開關電源的工作頻率在幾百KHz,有些甚至已經到了MHz量級。圖11.3是

DC/DC開關變換器的原理框圖：



開關電源的實現方式有很多種，如最傳統的脈寬調制（PWM）技術，目前流行的為提高變換效率的零電壓（ZV）,零電流（ZC）技術、相移脈

寬調制零電壓諧振變換等。每一種技術之下，又有很多種拓撲結構。開關電源設計需要豐富的模擬電路知識，涉及到功率器件選取、電源濾波 、驅動電路、控制環路、高頻磁芯變壓器、EMC等多個方面，具體設計細節已經超出了本文的范圍。

本文將從原理的角度介紹脈寬調制的幾種類型、全橋變換技術，最后將介紹最新的ZVZCSPwMDc/DC變換器。

11.3.1脈寬調制的幾種形式脈寬調制是開關電源設計中最成熟的技術。脈寬調制是一種功率控制方式，不同占空比的脈沖具有不同的直流

分量，所以負載變化時，根據調整輸出脈沖的占空比達到穩定輸出電壓的目的。

脈寬調制易于實現，因為驅動脈沖具有固定的頻率，與負載特性無關，因而應用最為廣泛。



buck變換器電路及原理

buck變換器由電壓源、串聯開關和電流負載組成，也稱它為串聯開關變換器。圖11.4是它的基本拓撲形式。



圖11.4buck變換器



圖11.5是晶體管開關變換器（buck）電路，其中晶體管Q為開關器件，L為濾波電感，C為濾波電容，D為續流二極管。



ton為晶體管的導通時間，在此時間段，L內的電流逐漸增加，當導通結束后，進入晶體管截止時間段toff，這時候由于L內的電流到達

最大值ILmax，電感中的電流不能突變，所以，繼續有電流流過，二極管D充當截止期間的續流元件。當截止時間結束后，電感中的電流到

達最小值ILmin，重新開始新的周期。

在buck變換器開關與負載時間插入隔離變壓器，這種隔離型buck變換器叫做Forward單端正激變換器。如圖11.6:



圖11.6Forward單端正激變換器

簡單分析可知，濾波電感L在開關管關斷期間，通過續流二極管為負載提供電流。D3的作用是鉗位，其功能是完成磁心的復位。當開關管關

斷時，能量通過D3泄放到電源端，保證磁心的磁通回到零。

boost變換器基本電路及原理

boost變換器是從buck變換器進行對偶變換后得到的，其原理如圖11.7所示：



boost變換器稱為并聯開關變換器。與buck變換器其不同的是，boost型電感在輸入端（開關）,buck型電感在輸出端。boost型變換

器的輸出電壓Vo總是大于輸入電壓Vi。解釋比較簡單，當開關管導通時，二極管D關閉，電感L與開關管的節點電壓為O。當開關管關

閉時，電感L兩端的電勢翻轉，所以電感L與開關管的節點電壓大于輸入電壓Vl，電感電流通過二極管D續流，使得Vo大于Vi。可以

證明，Vo=Vi*[T/(T-Ton)]，T是開關脈沖周期，Ton是導通時間。

buck-boost變換器基本電路及原理

將buck、boost兩種形式的變換器結合起來，產生一種新的變換器，叫做buck一boost變換器，其結構如圖11.8

:



這種形式的變換器輸出電壓同輸入電壓是反相的。在buck型和boost型變換器中，存在一個能量直接從電源流向負載的時間，而在buck一

boost變換器中，能量先存儲在電感中，然后再流向負載，這是它們的主要區別。

如果將中間段的電感，改為隔離變壓器，就得到了常用的反激變換器（Flyback變換器）。圖11.9是單端反激式變換器的電路圖：



由變壓器的同名端可見，在開關管的導通期間，變壓器儲存能量，當晶體管關閉時，二極管導通，能量傳遞給負載。

cuk變換器

將buck-boost變換器進行對偶變換，可以得到cuk變換器。其電路形式如圖11.10:



其中C是傳遞能量的藕合電容。原理分析是這樣的：當三極管導通時，電容C的能量通過L2,C2、R回路釋放，同時向C2、L2儲能，同時電源

向Ll儲存能量。在三極管關閉時，Ll上的電流通過二極管D續流，同時向C充電。當要求不同極性不同電壓的輸出時，需要加入隔離變

壓器，這樣就形成了隔離Cuk變壓器，如圖11.lh



其工作原理同Cuk型變換器原理是一樣的。CO,Cl的作用是變壓器初、次級繞組均無直流流過。磁心在兩個方向磁化，不需要加氣隙，體積可

以做得很小。

推挽變換器電路及原理

圖11.12是推挽變換器原理圖。推挽變換器有兩個三極管在交替開關，以達到比單管工作電路高的輸出功率。由于初級線圈的中心抽頭接在輸

入電源的正級，這樣當一邊三極管導通時，另外一邊的三極管要承受的耐壓為兩倍的電源電壓，這對晶體管的要求較高。

全橋變換器電路及原理

前文已經說過，推挽變換器要求晶體管的耐壓比較高，從安全的角度看，實際應用中常常要考慮為電源電壓的3.3倍。如果輸入電源直接從

市電（我國是22OVAC）整流而得，那么晶體管的耐壓要求I000V。這樣的晶體管不是很多，所以在我國，一次電源中基本不采用推挽設計的

開關電源。解決晶體管耐壓的方法是采用橋式電路。這樣做增加了成本，用四個晶體管代替了兩個晶體管，但是可靠性彌補了這些缺點。

圖11.13是全橋變換器的原理電路：



這種設計降低了晶體管的電壓，所以提高可靠性。需要指出的是，串聯在一起的兩個晶體管同時導通時，晶體管將損壞。解決這個問題的技術 將在后面講述。

半橋變換器基本電路及原理



如果將全橋變換器的一個橋臂的兩只晶體管用兩個電容代替，可以節省兩個晶體管，比較經濟。但是通常兩個電容體積比晶體管還大。這樣的

電路稱為半橋變換器，如圖11.14所示：



以上是一些PWM形式變換器的種類。在設計這些開關電源時候，經常會碰到如下問題，如果解決不好，將嚴重影響開關電源的工作：



晶體管同時導通：在雙端變換器（如推挽、橋式），有可能產生晶體管同時導通的現象，這將導致晶體管在瞬間損壞。容性負載：變換器的功 耗取決于電壓電流在時間軸上的重疊部分。在瞬間關斷和導通，晶體管將對容性負載充電，如果容性負載很大，晶體管的功耗將變得很大，甚 至損壞。

集電極尖峰電壓：電源主變壓器的漏感，就象在集電極上串聯的一個小電感，當晶體管電流關斷時，這個漏感將在集電極上產生尖峰電壓。如 果尖峰電壓不被抑制，會擊穿晶體管。

變壓器工作點沿磁滯回線垂直漂移：變壓器磁滯回線工作點應該保持在中心，如果電路使之偏離中心點，磁芯將進入飽和區。磁芯進入飽和區 是，變壓器失去阻抗變換的作用，阻抗值急劇下降，這樣晶體管的電流將會瞬間急劇擴大而導致器件損壞。

電源機殼上的開關噪聲電壓：通常在開關管集電極上出現高峰值的方波，或變壓器次級輸出接地端同機殼之間出現噪聲電壓。




(d）開關模態3對應于［t2,t3]，電流流向如圖11.23，其中ip為初級線圈中的電流方向。



在這個開關模態中，原邊電流為ip=O;A電對應電壓為Va=O,B點對應電壓為Vb=-Vcbp。副變兩個整流管同時導通均分負載電流。

(e）開關模態3

對應于［t3,t4]，電流流向如圖11.24，其中ip為初級線圈中的電流方向。









以上是zVzCS典型電路的各個開關過程的分析過程。實際設計中，還要確定若干技術參數，詳細細節請參見專業書籍。現在流行的集成式電容

開關轉換器，具有體積小（一般是SOP封裝），輸出功率小的特點，特別適合于低功耗應用場合。

實際應用舉例

在實際應用中，經常需要多種供電電源，但是需要的電流通常在幾百毫安以內。這樣的電源采用體積龐大的DC/DC變換模塊是不合適的，一方

面成本較高，另外需要較大的PCB面積。

體積很小的集成化開關電源變換器就應運而生。這些變換器內置控制電路和開關管，配合外圍電感、二極管，應用方式比較靈活，根據需要，既可產生正電源，又可以產生負電源，電壓的幅度也可以通過外置的反饋電阻控制。這類器件輸出功率不大，可靠性很高。比較常用的芯片有LT1173,關于LT1173應用電路的設計請參考本站(www.dz3w.com)相關文章或LT1173 datasheet.