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充电器开关变换器工作原理

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充电器开关变换器工作原理

6w电源适配器降压变换器

图表示典型降压变换器功率级的一般结构。

开关元件Q1的开和关由方波驱动电路给出的开关率可调(占空比控制)的信号来控制。

Q1导通时,A点的电压将上升到充电器电压Vin。稳态条件下,Vin=Vout的正向电压加在串联电感绕组L1上,Q1导通期间该电感绕组中的电流线性增长。电流波形如图所示。

Q1关断时,电感绕组试图维持正向电流恒定,A点的电压快速变负(通过正常的反激作用),直到二极管D1导通。L1中的电流继续按原方向绕着回路B和负载流动。可是由于电感绕组L1两端的电压已经反向(Vout加上二极管反向压降),在关断期间L1中的电流将线性减小到原来值。

为维持稳态条件,正向时(Q1导通时)加到电感绕组的输入伏秒必须等于反向时(Q关断时)所加的输出伏秒。因此输出电压由输入电压和导通与关断的比率来确定

经验证,Q1导通时,加在L1上的伏秒是

Q1关断时,二极管导通,加在L1上的伏秒是

因此,为满足L1上的伏秒相等(忽略损耗),

 

 

式中,Vout=输出电压;

toff=关断时间,Q1

Vin=输入电压;

ton=导通时间,Q1

其比率

 

定义为占空比D,则前面的等式可简写成

Vout=VinD

由于D不能大于1,从这个把损耗计算在内的等式可以清楚地知道,在降压变换器中,输出电压必须总是小于所加的输入电压。

 

由于L1D1上的功率损耗非常小,并且Q1工作于低损耗的饱和导通状态或高阻的关断状态,故该DC变换器的效率特别高。

从先前的等式可进一步看出,传递函数中不含有与输出电流有关的因素,因此降压变换器的输出阻抗特别低。在一阶系统中(忽略损耗),无需改变占空比就可提供更大的输出电流。可只是当负载电流不低于临界最小值时才是这样,图中较低的波形表示了这种情况。临界最小负载电流由电感绕组L1的值确定。

虽然允许在临界最小负载电流之下工作,由于此时占空比必须随负载的变化而改变,所以会降低某些预期的性能。再有,在低电流不连续工作区,功率部分的输出电阻变高传递函数已经改变。如果要维持该区域的工作稳定,控制电路必须能够补偿传递函数的这些变化。

在多输出变换器中通常用这种降压变换器提供附加的副边调节。这种情况下,降压变换器主要用来同步开关变换器的重复频率与变换器的重复频率,以消除输出纹波中的低频内部调制影响(拍频)。

为使常规的驱动和控制电路用于多输出电路的开关变换器,最好是所有的变换器输出在可能的位置共用一条返回线。

应该注意到降压变换器的输入电流是断续的(脉动的),通常需要输入滤波器。由于降压变换器具有有效的负输入电阻斜率(输入电压升高时,输入电流降低),设计者应注意避免输入滤波器谐振引起的不稳定。低充电器阻抗对Q来说是重要的,这样Q1导通时流过较大电流,而输入电压几乎维持不变。通常在尽可能接近Q集电极的位置接上一个大的、低ESR电容器,而输入电感绕组可能需要一些电阻性阻尼

 

类型2,升压变换器

图表示升压变换器功率部分的一般结构,工作如下。

Q1导通时,手机充电器电压加在串联电感绕组L1上。稳态条件下,L中的电流正向线性增长。整流二极管D反向偏置且不导通。同时(稳态条件下),电流从输出电容器C流向负载。因此C1放电。电流波形如图所示

Q1关断时,L中的电流继续同方向流动并使A点的电压为正。当A点的电压超过电容器C1上的输出电压时,整流二极管D2将导通,电感绕组中的电流传递到输出电容器和负载。由于输出电压超过充电器电压,在Q1关断期间,L1将反向偏置,L中的电流将向着它原来的值线性减小。

与降压变换器不同,从整流二极管D流入输出电容器C1的电流总是断续的,如果要使输出纹波电压与降压变换器中的输出纹波电压一样低的话,则需要更大的输出电容器。C1中的纹波电流也很大。

对于升压变换器的优点,输入电流是连续的(虽然此处将有取决于电感L1的值的纹波成分),因此需要较小的输入滤波,这消除了由输入滤波器引起的不稳定因素。

与降压变换器一样,为维持稳态条件,加到L1两端的正向和反向伏秒必须相等。输出电压V。由功率开关的占空比和输入电压来控制,如下式

经验证(满足L1上的伏秒相等),



但是

 


从该方程式可以看出输出电压与负载电流无关(忽略损耗),并且输出电阻非常低。同样只是当负载电流不低于图中所示的临界值时才是这样。负载电流低于临界值时,占空比必须减小以维持输出电压不变。

同样也应注意到在升压变换器中负载电流的突然增加需要导通期间随之增加(为增加L中的电流和补偿电压损耗)。可是增加导通时间将减小关断时间,使输出电压随之降低(与要求相反)直到L1中的电流增加到新的负载电流值。这在瞬态期间引入了一个附加的180°相移。这就是传递函数中存在右半平面的零点的原因。

通常L1值的选择是要保证临界电流低于所需要的最小负载电流,还有,L在最大负载和最大导通时间时不能饱和。


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| 发布时间:2018.10.25    来源:充电器厂家
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