開關電源
本文主要講開關電源各種波形的由來。開關模式電源(Switch Mode Power Supply,簡稱SMPS),又稱交換式電源、開關變換器,是一種高頻化電能轉換裝置,是電源供應器的一種。其功能是將一個位準的電壓,透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。開關電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源,而輸出多半是需要直流電源的設備,例如個人電腦,而開關電源就進行兩者之間電壓及電流的轉換。
1、開關電源各種波形-單管反激電路基本結構
2、開關電源各種波形-兩種模式DCM 和CCM
1) CCM和DCM模式判斷依據
CCM和DCM的判斷,不是按照初級電流是否連續(xù)來判斷的。而是根據初、次級的電流合成來判斷的。只要初、次級電流不同是為零,就是CCM模式。而如果存在初、次級電流同時為零的狀態(tài),就是DCM模式。介于二者之間的就是BCM模式。
2) 兩種模式在波形上的區(qū)別
a. 變壓器初級電流,CCM模式是梯形波,而DCM模式是三角波。
b. 次級整流管電流波形,CCM模式是梯形波,DCM模式是三角波。
c. MOS的Vds波形,CCM模式,在下一個周期開通前,Vds一直維持在Vin+Vf的平臺上。而DCM模式,在下一個周期開通前,Vds會從Vin+Vf這個平臺降下來發(fā)生阻尼振蕩。(Vf次級反射到原邊電壓) 。因此我們就可以很容易從波形上看出來反激電源是工作在CCM還是DCM狀態(tài)。
3、開關電源各種波形-MOSFET在開通和關斷瞬間寄生參數對波形的影響
在MOS關斷的時候,Vds的波形顯示,MOS上的電壓遠超過Vin+Vf!這是因為變壓器的初級有漏感。漏感的能量是不會通過磁芯耦合到次級的。那么MOS關斷過程中,漏感電流也是不能突變的。漏感的電流變化也會產生感應電動勢,這個感應電動勢因為無法被次級耦合而箝位,電壓會沖的很高。那么為了避免MOS被電壓擊穿而損壞,所以我們在初級側加了一個RCD吸收緩沖電路,把漏感能量先儲存在電容里,然后通過R消耗掉。
當次級電感電流降到了零,這意味著磁芯中的能量已經完全釋放了。那么因為二管電流降到了零,二極管也就自動截止了,次級相當于開路狀態(tài),輸出電壓不再反射回初級了。由于此時MOS的Vds電壓高于輸入電壓,所以在電壓差的作用下,MOS的結電容和初級電感發(fā)生諧振。諧振電流給MOS的結電容放電。Vds電壓開始下降,經過1/4之一個諧振周期后又開始上升。由于RCD箝位電路以及其它寄生電阻的存在,這個振蕩是個阻尼振蕩,幅度越來越小。
f1比f2大很多(從波形上可以看出),這是由于漏感一般相對較?。煌瑫r由于f1所在回路阻抗比較小,諧振電流較大,所以能夠很快消耗在等效電阻上,這也就是為什么f1所在回路很快就諧振結束的原因!(具體諧振時間可以通過等效模型求解二次微分方程估算)
1) CCM(Vds,Ip)
2)其他一些波形分析(次級輸出電壓Vs,Is, Vds)
不管是在CCM模式還是DCM模式,在mosfet開通on時刻,變壓器副邊都有震蕩。主要原因是初次級之間的漏感+輸出肖特基(或快恢復)結電容+輸出電容諧振引起,在CCM模式下與肖特基的反向恢復電流也一些關系。故一般在輸出肖特基上并聯一個RC來吸收,使肖特基應力減小。
不管是在CCM模式還是DCM模式,在mosfet關斷off時刻,變壓器副邊電流Is波形都有一些震蕩。主要原因是次級電感+肖特基接電容+輸出電容之間的諧振造成的。
3)RCD吸收電路對Vds的影響
在MOS關斷的時候,Vds的波形顯示,MOS上的電壓遠超過Vin+Vf!這是因為,變壓器的初級有漏感。漏感的能量是不會通過磁芯耦合到次級的。那么MOS關斷過程中,漏感電流也是不能突變的。漏感的電流變化也會產生感應電動勢,這個感應電動勢因為無法被次級耦合而箝位,電壓會沖的很高。那么為了避免MOS被電壓擊穿而損壞,所以我們在初級側加了一個RCD吸收緩沖電路,把漏感能量先儲存在電容里,然后通過R消耗掉。
4)Vgs波形
為使mosfet在開通時間的上升沿比較陡,進而提高效率。在布線時驅動信號盡量通過雙線接到mosfet的G、S端,同時連接盡量短些。
4、開關電源各種波形-設計時需注意點
1)盡量使反激電路最大工作占空比小于50%,若要使占空比工作在大于50%,為避免次諧波震蕩,需加上斜率補償,此外還需注意變壓器能否磁復位。由于mosfet導通和關斷需要一定的時間,同一批次的變壓器單體之間也有差異,建議反激最大工作占空比小于45%。
2)反激的功率地和控制地的連接須注意單點接地,特別是在哪個地方進行單點接地需慎重。為有效地吸收地噪聲(mosfet的開通和關斷),輸入電容的一個腳盡量靠近共地點。
3)由于電壓外環(huán)的PID輸出與電流內環(huán)進行比較來決定占空比,事實上PID的輸出不是一條絕對直線,它是在直流的基礎上疊加了一個低頻分量,為保證輸出穩(wěn)定,在設計時需使內環(huán)帶寬比外環(huán)帶寬大于10倍以上。
上述波形一般在開始調環(huán)路或者在輸入VIN比較高時經常會出現,主要原因是外環(huán)的帶寬太快了,為使系統(tǒng)穩(wěn)定,需減小帶寬,一般可通過減小比例P或者增大積分C來解決。
開關電源的基本組成
開關電源大致由主電路、控制電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成。
1、主電路
沖擊電流限幅:限制接通電源瞬間輸入側的沖擊電流。
輸入濾波器:其作用是過濾電網存在的雜波及阻礙本機產生的雜波反饋回電網。
整流與濾波:將電網交流電源直接整流為較平滑的直流電。
逆變:將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電,這是高頻開關電源的核心部分。
輸出整流與濾波:根據負載需要,提供穩(wěn)定可靠的直流電源。
2、控制電路
一方面從輸出端取樣,與設定值進行比較,然后去控制逆變器,改變其脈寬或脈頻,使輸出穩(wěn)定,另一方面,根據測試電路提供的數據,經保護電路鑒別,提供控制電路對電源進行各種保護措施。
3、檢測電路
提供保護電路中正在運行中各種參數和各種儀表數據。
4、輔助電源
實現電源的軟件(遠程)啟動,為保護電路和控制電路(PWM等芯片)工作供電。
烜芯微專業(yè)制造二極管,三極管,MOS管,20年,工廠直銷省20%,1500家電路電器生產企業(yè)選用,專業(yè)的工程師幫您穩(wěn)定好每一批產品,如果您有遇到什么需要幫助解決的,可以點擊右邊的工程師,或者點擊銷售經理給您精準的報價以及產品介紹
烜芯微專業(yè)制造二極管,三極管,MOS管,20年,工廠直銷省20%,1500家電路電器生產企業(yè)選用,專業(yè)的工程師幫您穩(wěn)定好每一批產品,如果您有遇到什么需要幫助解決的,可以點擊右邊的工程師,或者點擊銷售經理給您精準的報價以及產品介紹