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降压型开关稳压器的工作原理,降压开关稳压器如何使用串联晶体管

降压型开关稳压器的工作原理,降压开关稳压器如何使用串联晶体管
技术资料 | 来源:全部 2024-02-16


降压型开关稳压器(或称为降压开关电源)是一种常用的电源稳压器件,用于将高电压降低到所需的稳定输出电压。

一:降压型开关稳压器的工作原理其工作原理如下:

  1. 输入电压:降压开关稳压器的输入端接收来自电源的高电压,通常为交流电(AC)或直流电(DC)。
  2. 整流:如果输入是交流电,则降压开关稳压器首先使用整流电路将交流电转换为直流电。整流电路通常采用二极管桥等元件,将交流电的负半周期和正半周期均转换为直流电。
  3. 开关元件:降压开关稳压器使用一个开关元件(通常是MOSFET或BJT)来控制电路的开关操作。开关元件有两种状态:打开和关闭。当开关打开时,输入电压经过电感储能,储存一定能量;当开关关闭时,储存的能量被释放。
  4. 电感储能:降压开关稳压器的关键组件之一是电感。电感是一种储存电能的元件,它可以平滑电流并减小电压波动。在开关打开时,电感将储存的能量提供给负载,以保持输出电压稳定。
  5. 控制回路:降压开关稳压器还包括一个控制回路,用于监测输出电压并根据需要调整开关元件的状态。控制回路通常包括一个反馈电路,它将一部分输出电压馈送回到控制电路,用于比较和调整。
  6. 脉宽调制:控制回路使用脉宽调制(PWM)技术来调整开关元件的开关频率和占空比。通过改变开关元件的开关时间和间隔,PWM控制可以调整输出电压的平均值。
  7. 输出电压稳定:通过控制开关元件的状态和脉宽调制,降压开关稳压器可以实现对输出电压的精确控制和稳定。控制回路根据输出电压的变化,调整开关元件的操作以使输出电压保持在设定的稳定值。

总结起来,降压型开关稳压器通过使用开关元件、电感、控制回路和脉宽调制技术,以及其他辅助元件,实现对高输入电压的降压和稳定输出电压的控


二:降压开关稳压器如何使用串联晶体管

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   降压开关稳压器是一种开关模式电源电路,旨在有效地将直流电压从较高电压降低到较低电压,即减去或“降压”电源电压,从而降低输出端可用的电压端子无需改变极性。换句话说,降压开关调节器是降压调节器电路,因此例如降压转换器可以将+12伏转换为+5伏。    降压开关稳压器是一种直流-直流转换器,也是简单、的开关稳压器类型之一。当在开关模式电源配置中使用时,降压开关稳压器使用串联晶体管或功率 MOSFET(是绝缘栅双极晶体管或 IGBT)作为其主要开关器件,如下所示。
   降压开关稳压器
   降压开关稳压器
   我们可以看到,降压转换器的基本电路配置是串联晶体管开关TR 1以及相关的驱动电路(使输出电压尽可能接近所需水平)、
二极管D 1、电感器L 1和平滑电容器C 1。降压转换器有两种工作模式,具体取决于开关晶体管TR 1是“导通”还是“截止”。
   当晶体管偏置为“ON”(开关闭合)时,二极管D 1变为反向偏置,输入电压V IN导致电流通过电感器流至输出端连接的负载,为电容器C 1充电。
   当变化的电流流过电感器
线圈时,根据法拉第定律,它会产生反电动势,该反电动势与电流流动相反,直到达到稳定状态,在电感器周围产生磁场L 1。只要TR 1关闭,这种情况就会无限期地持续下去。
   当晶体管TR 1通过控制电路“关闭”(开关打开)时,输入电压立即与发射极电路断开,导致电感器周围的磁场崩溃,从而在电感器上产生反向电压。

该反向电压导致二极管变得正向偏置,因此电感器磁场中存储的能量迫使电流继续以相同方向流过负载,并通过二极管返回。 然后,电感器L 1将其存储的能量返回到负载,充当电源并提供电流,直到所有电感器的能量返回到电路或直到晶体管开关再次闭合(以先到者为准)。同时电容器也放电,为负载提供电流。电感器和电容器的组合形成了 LC 滤波器,可以消除晶体管开关动作产生的任何纹波。

因此,当晶体管固态开关闭合时,电流由电源提供,而当晶体管开关打开时,电流由电感器提供。请注意,流经电感器的电流始终沿相同方向,直接来自电源或通过二极管,但显然在开关周期内的不同时间。由于晶体管开关连续闭合和打开,因此平均输出电压值将与占空比D相关,D被定义为晶体管开关在一个完整开关周期期间的导通时间。

   如果V IN是电源电压,并且晶体管开关的“ON”和“OFF”时间定义为:t ON和t OFF,则输出电压V OUT为:

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   降压转换器的占空比也可以定义为:


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降压开关稳压器占空比
因此,占空比越大,开关电源的平均直流输出电压就越高。由此我们还可以看出,由于占空比D永远无法达到 1(单位) ,因此输出电压将始终低于输入电压,从而导致降压稳压器。

通过改变占空比来实现电压调节,开关速度高达 200kHz,可以使用更小的元件,从而大大减小开关模式电源的尺寸和重量。降压转换器的另一个优点是电感电容 (LC) 布置可以提供非常好的电感电流滤波。理想情况下,降压转换器应在连续开关模式下运行,以便电感器电流永远不会降至零。如果使用理想的组件,即“导通”状态下的压降和开关损耗为零,理想的降压转换器的效率可高达 100%。 除了用于开关模式电源基本设计的降压开关稳压器之外,基本开关稳压器还有另一种操作方式,即升压稳压器,称为升压转换器。

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