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關(guān)于DC-DC電源模塊的原理介紹

2019-06-21

DC-DC電源模塊是一種是可以將直流電轉(zhuǎn)換成另一種不同或可調(diào)的直流電,又稱直流-直流轉(zhuǎn)換器。可分為線性穩(wěn)壓電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源及一種使用穩(wěn)壓管的小電源,簡圖如下所示:

 

線性穩(wěn)壓電源是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源,原理框圖如下所示:

 

當(dāng)Vout偏小時(shí),基極的電流將增大增加驅(qū)動(dòng)能力,把電壓上拉。當(dāng)Vout偏大時(shí),基極電流將減小,從而減小輸出,達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。其優(yōu)點(diǎn)是成本低、噪音小。缺點(diǎn)是效率低、輸出電流小,只能使用在降壓的場(chǎng)合。


開關(guān)電源是指開關(guān)管工作在開、關(guān)倆種狀態(tài)下,利用了無源元件電感、電容的能量儲(chǔ)存特性來實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換。它從輸入電壓獲得能量,暫時(shí)把能量以磁場(chǎng)的形式存儲(chǔ)在電感中或以電場(chǎng)的形式存儲(chǔ)在電容中,然后將其變換到負(fù)載。


開關(guān)電源分為AC-DC電源模塊和DC-DC電源模塊倆個(gè)分支,其中DC-DC按功能可分為升壓轉(zhuǎn)換器、降壓轉(zhuǎn)換器、反向轉(zhuǎn)換器及升降壓轉(zhuǎn)換器。按電路理解的意思是可以將低壓轉(zhuǎn)成高壓輸出的電路、將高壓轉(zhuǎn)成低壓輸出的電路、將電壓極性改變的電路(負(fù)變正、正變負(fù))三種。


一般可通過DC-DC外部電感和二極管的接法來判斷其類型:

若電感接電源和SW之間,二極管正向接SW,負(fù)向接負(fù)載,為升壓型DC-DC(Boost)。

二極管負(fù)向接SW,正向接地,且電感接SW和負(fù)載之間,為降壓型DC-DC(Buck)。

若電感接SW和地之間,二極管負(fù)向接SW,正向接負(fù)載,為升降壓型DC-DC(Boost-Buck)。

 

DC-DC常見的三種調(diào)制方式為脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率調(diào)制(PFM)和跨周期調(diào)制(PSM)PWM方式,周期TS不變,改變導(dǎo)通時(shí)間Ton,可稱為定頻調(diào)寬。即開關(guān)頻率保持恒定,通過改變?cè)诿恳粋€(gè)周期內(nèi)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比來達(dá)到調(diào)制的目的。 優(yōu)點(diǎn)是控制電路簡單、易于設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、輸出紋波電壓小、頻率特性好、線性度高及在重負(fù)載的情況下有極高的效率。缺點(diǎn)是隨著負(fù)載的變輕,其效率也下降。


PFM方式,導(dǎo)通時(shí)間Ton不變,周期TS改變。PFM模式在正常工作時(shí),驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度保持恒定,但脈沖出現(xiàn)的頻率發(fā)生改變,即所謂的定寬調(diào)頻。當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí),通過環(huán)路的調(diào)整,使脈沖出現(xiàn)的頻率發(fā)生改變,實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制與調(diào)整。優(yōu)點(diǎn)是在輕負(fù)載的情況下效率很高、頻率特性很好。但是在重負(fù)載的情況下,其效率會(huì)明顯低于PWM方式,且由于其紋波的頻譜比較分散,沒有多少規(guī)律,使得濾波電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜。


PSM方式,可稱為定頻定寬。其驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率與寬度都保持恒定,只是當(dāng)負(fù)載為最重時(shí),驅(qū)動(dòng)信號(hào)滿頻工作。當(dāng)負(fù)載變輕時(shí),驅(qū)動(dòng)信號(hào)就會(huì)跳過一些開關(guān)周期,在被跨過的周期內(nèi),開關(guān)功率管一直保持為關(guān)斷的狀態(tài)。 相比于PWM方式,在輕負(fù)載的情況下,PSM有更高的效率,且其開關(guān)損耗與系統(tǒng)的輸出功率成正比,與負(fù)載的變化情況關(guān)系不大。但是會(huì)使輸出電壓有著比較大的紋波電壓,不適用于對(duì)電源電壓精度要求很高的場(chǎng)合。

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