开关稳压器工作原理与典型应用电路分析

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整理电脑上文件时发现了几年前刚上大学时，整理的一份关于稳压电源的文档，当时是为了实验室培训之用而写，但是最后没有用到。记得那个时候刚学完了模电，有一些硬件基础，然后查了好多资料，从电子发烧友，到CSDN，再到芯片的datasheet，再到线性及开关稳压器设计320例和康老师的模拟电子技术，弄了很久才整理出了这份文档，具体参考已经不可知，侵删。当时没有开始写博客，所以就让它在电脑里一直沉睡。今天发现了，就把它放在这里了，我已经很多年不涉及硬件了，可能这些东西已经过时，而且当时查资料水平不高，理解也很粗浅甚至可能错误，并且大多只是纸上谈兵，不过总有对的点吧，希望对大家有帮助。

线性三端稳压器

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前述的串联反馈式稳压电路由于调整管工作在线性放大区，因此在负载电流较大时，调整管的集电极损耗( P C = V C E I O P_C=V_{CE}I_O PC​=VCE​IO​)相当大，电源效率较低，一般为40 % ~60 %，有时还要配备庞大的散热装置。为了克服上述缺点，可采用开关式稳压电路，电路中的调整管工作在开关状态，即调整管主要工作在饱和导通和截止两种状态。由于管子饱和导通时管压降 V C E S V_{CES} VCES​和截止时管子的电流 I C E O I_{CEO} ICEO​都很小，管耗主要发生在状态开与关的转换过程中，电源效率可提高到75%-95%。

由于省去了电源变压器和调整管的散热装置，所以其体积小、重量轻。它的主要缺点是输出电压中所含纹波较大，对电子设备的干扰较大，而且电路比较复杂，对元器件要求较高。但由于工艺已经成熟，而优点又突出，已成为宇航、计算机、通信、家用电器和功率较大电子设备中电源的主流，应用日趋广泛。

开关稳压电源将来自市电整流滤波不稳定的直流电压变换成交变的电压，然后又将交变电压转换成各种数值稳定的直流电压输出，因此开关稳压电源又称为DC/DC变换器。开关电源按控制原理可分为脉冲宽度调制，脉冲频率调制，脉冲密度调制和混合式调制，比较常用的是前两者。

以串联型开关稳压电路和并联型开关稳压电路为例，简要介绍降压型和升压型开关稳压电源的基本组成和原理。

串联型开关稳压电路原理框图如图1所示。它和串联反馈式稳压电路相比，主电路增加了二极管D（一般选用开关性能好的肖特基二极管）和LC组成的高频整流滤波电路以及产生固定频率的三角波电压 v T v_T vT​发生器、比较器C、基准电压 V R E F V_{REF} VREF​和误差放大器EA组成的控制与驱动电路。

图中 V I V_I VI​是整流滤波电路的输出电压， v B v_B vB​是比较器C的输出电压。利用 v B v_B vB​控制开关调整管T，将 V I V_I VI​变成断续的矩形波电压。当 v A > v T v_A>v_T vA​>vT​， v B v_B vB​为高电平，T饱和导通，输入电压 V I V_I VI​经T加到二极管D的两端，电压 v E v_E vE​等于 V I V_I VI​减去T的饱和压降 V C E S V_{CES} VCES​ ，此时二极管D承受反向电压而截至，负载中有电流 i o i_o io​流过，电感L储存能量，同时向电容器C充电。输出电压 v o v_o vo​略有增加。当 v A < v T v_A V_{REF} VF​>VREF​比较放大器输出电压 v A v_A vA​为正值， v B v_B vB​的占空比q>50%，使输出电压上升到预定的稳压值 V s e t V_{set} Vset​。总之，当 V I V_I VI​或负载 R L R_L RL​变化使 V O V_O VO​变化时，可自动调整脉冲波形的占空比使输出电压维持恒定。

并联型开关稳压电路主回路如图4所示，与负载并联的开关调整管T为MOSFET，电感接在输入端LC为储能元件，D为续流二极管。图中控制电压 v G v_G vG​为矩形波，控制T的导通与截止。当控制电压 v G v_G vG​为高电平时( t o n t_{on} ton​期间)T饱和导通，输入电压 V I V_I VI​，直接加到电感L两端， i L i_L iL​线性增加，电感产生反电势 i L = − L ( d i L / d t ) i_L=-L(d_{iL}/d_t) iL​=−L(diL​/dt​)，电感两端电压方向为左正(+)右负(-)L，储存能量， v L = V I v_L=V_I vL​=VI​，(T的 V D S ≈ 0 V_{DS}≈0 VDS​≈0)，二极管D反偏而截止，此时电容C(电容已充电)向负载提供电流， i 放 = i O i_放=i_O i放​=iO​，并维持 V O V_O VO​不变；当 v G v_G vG​为低电平时( t o f f t_{off} toff​期间)T截止， i L i_L iL​不能突变。电感L产生反电势 v L v_L vL​为左负(-)右正(+)，此时 v L v_L vL​与 V I V_I VI​相加，因而输入侧的电感常称升压电感，当 v L + V I > V O v_L + V_I > V_O vL​+VI​>VO​ 时，D导通， v L + V I v_L + V_I vL​+VI​给负载提供电流 i O i_O iO​，同时又向C充电电流 i C i_C iC​，此时 i L = i C + i O i_L=i_C + i_O iL​=iC​+iO​。显然输出电压 V O > V I V_O > V_I VO​>VI​，称升压型开关稳压电路。

T导通时间越长，L储能越多，因此，当T截止时电感L向负载释放能量越多，在一定负载电流条件下，输出电压越高。在控制脉冲 v G v_G vG​作用下，整个开关周期T电感电流 i L i_L iL​连续时的 v D v_D vD​、 v D S 、 i L 、 v L 和 v O v_{DS}、i_L、v_L和v_O vDS​、iL​、vL​和vO​的波形如图5所示。

为了提高开关稳压电源的效率，开关调整管应选取饱和压降 V C E ( V D S ) V_{CE} (V_{DS}) VCE​(VDS​)及穿透均小的功率管BJT或者MOSFET，而且为减小管耗，通常要求开关转换时间 t S ≤ 0.01 f k t_S≤0. 01f_k tS​≤0.01fk​，开关调整管一般选用 f T ≥ 10 β f k f_T≥10βf_k fT​≥10βfk​的高频大功率管，当 f k > 50 f_k> 50 fk​>50 kHz时，可选用绝缘栅双极型功率管(IGBJT)和VMOS功率管。续流二极管D的选择也要考虑导通、截止和转换三部分的损耗，所以选用正向压降小。反向电流小及存储时间短的开关二极管，一般选用肖特基二极管。输出端的滤波电容使用高频电解电容。

开关稳压电源的控制电路一般用得较多的是“电压一脉冲宽度调制器(简称脉宽调制器PWM)"，产品种类很多。开关频率 f k f_k fk​的选择对开关稳压器的性能影响也很大。 f k f_k fk​越高，需要使用的L，C值越小。这样，系统的尺寸和重量将会减小，成本将随之降低。另一方面，开关频率的增加将使开关调整管单位时间转换的次数增加，开关调整管的功耗增加，而效率将降低。随着开关管、电容、电感材料及工艺性能的改进， f k f_k fk​可提高到15 - 500 kHz以上。目前已有 f k f_k fk​=2 MHz的PWM集成芯片，如MC34066/MC33066。实际的开关型稳压电源电路通常还有过流、过压等保护电路，并备辅助电源为控制电路提供低压电源等

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集成开关型稳压电路有两大类，一类是控制与驱动器，需外接开关调整管，滤波电路和续流二极管，一般用于功率较大的场合；另一类就是单片开关稳压电源，集成芯片包括图2的所有单元电路。比较典型的单片集成开关稳压电源，降压型有LM2576系列，AE2576和LM2678等；升压型有LM2733，MAX1709和LM2577等。

LM2576系列是一种高效率，3A大电流输出，降压式开关稳压器，它能输出3A电流，并具有优良的线性度和负载调节能力，转换效率可达75%~88%（与产品型号的输出电压有关），可取代低效率的7800系列三端线性稳压器。LM2576-XX的使用方法非常灵活。不仅能构成降压式DC/DC电源变换器，还可构成负压输出式DC/DC电源变换器、升压式DC/DC电源变换器、降压/升压式DC/DC电源变换器。 LM2576固定输出式开关稳压器典型应用电路如图6所示。输入电压范围是+7.0~40V，输出电压则取决于所用的LM2576的具体型号。将通/断控制端 ON/OFF接地。 C I C_I CI​为输入端的滤波电容， C o C_o Co​为输出端的滤波电容，二者均可采用铝电解电容。L为储能电感，可选国产功率电感，电感量约100uH。 V D V_D VD​为续流二极管可采用MBR360型肖特基二极管，其反向峰值电压 U R M = 60 V U_{RM}=60V URM​=60V，平均整流电流 I d I_d Id​=3A，反向恢复时间 t r t_r tr​