開關電源的基本原理

開關電源的基本原理

開關電源的控制方式

開關電源的控制方式,通常有下面三種:

1、PWM:脈衝寬度調製

2、PFM:脈衝頻率調製

3、PWM+PFM:脈衝寬度和頻率混合調製

目前常見的是PWM方式,其他方式較為少見,本文主要以PWM方式控制的開關電源基本原理進行講述。

各控制方式的工作特點

【脈衝寬度調製方式】簡稱:脈寬調製

外文全稱:Pulse Width Modulation

外文縮寫:PWM

工作特點:開關頻率固定,通過改變脈衝寬度來實現控制。固定的開關頻率,為濾波電路的設計提供了方便。缺點是開關管的最小導通時間限制了最小脈衝寬度,使得輸出電壓不能在較寬範圍調節;此外輸出端通常需要接假負載(或稱:預負載),用於防止空載輸出電壓升高。

【脈衝頻率調製方式】簡稱:脈頻調製

外文全稱:Pulse Frequency Modulation

外文縮寫:PFM

工作特點:脈衝寬度固定,通過改變開關頻率來實現控制。要用固定脈寬發生器來代替脈寬調製器中的鋸齒波發生器,利用電壓/頻率轉換器(如:壓控振盪器)改變控制頻率。這種方式的輸出電壓調節範圍很寬,輸出可不接假負載。

PWM和PFM方式的調製波形分別如下圖(a)、(b)所示:

開關電源的基本原理

【tp】表示脈衝寬度,即:功率開關管的導通時間tON

【T】代表週期,即:功率開關管開和關狀態的總時長

兩種方式的共同之處:

①均採用時間比率控制(TRC)的穩壓原理,儘管採用的方式不同,但控制目標一致。

②當負載由輕變重,或者輸入電壓從高變低時,分別通過增加脈寬、升高頻率的方法,使輸出電壓保持穩定。

【混合調製方式】,即:脈衝寬度與開關頻率都不固定

這種方式,脈寬與頻率都能改變,屬於PWM和PFM的混合控制。由於【tp】和【T】都可單獨調節,因此調節範圍最寬,適合實驗室等需要很寬電壓調節範圍的開關電源。

脈寬調製式開關電源的基本原理

脈寬調製式開關電源的基本原理如下圖所示:

開關電源的基本原理

交流220V輸入電壓經過整流濾波後變成直流電壓【U1】,由功率開關管【VT】或【MOSFET】斬波、經高頻變壓器【T】降壓,得到高頻矩形波電壓,通過輸出整流濾波器【VD】、【C2】,獲得所需要的直流輸出電壓【Uo】。

脈寬調製器是這類開關電源的核心,它能產生頻率固定,脈寬可調的驅動信號,控制功率開關管通斷,從而調節輸出電壓的高低,達到穩壓目的。

鋸齒波發生器提供時鐘信號。誤差放大器和PWM比較器構成閉環調節迴路,輸出電壓在誤差放大器中與基準電壓源【Uref】進行比較得到調節比例。如果負載變化引起Uo下降,脈寬將變寬使斬波後的平均電壓升高,致使Uo上升,回到設定電壓。反之亦然。


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