一、在开关电源设计中,有异步整流和同步整流两种。
1)通过控制开关闭合的时间即占空比产生需要的方波
这是简化之后的原理图,其本质就是通过不停的开关来达到降压的目的,所以叫开关电源。其输入是12V的直流电,然后给它不停的开关,波形就变了。如果是有一半时间闭合,一半时间断开,则到最后可以输出6V的电压(本质就是通过控制开关闭合的时间即占空比,来产生一个周期性的方波,也就是PWM波,占空比=输出电压/输入电压)。而要从12V得到5V的电压,那么就需要42%的时间闭合,58%的时间断开(如下图的红色矩形波),但需要的是恒定电压的直流电(如下图蓝色的波浪线),怎么把这些矩形波变成恒定电压的直流5V电呢?
注:因为开关电源里的开关周期的时间通常以微妙作为单位,所以就需要晶体管来替代开关(能有每秒上万次的开关频率)。
2)LC滤波电路
想要把图一里的红色矩形波变成蓝色波浪线即恒定电压的直流5V电,那就得靠LC滤波电路进行滤波了。电感在电路最常见的作用就是与电容一起,组成LC滤波电路(电容“阻直流,通交流”的本领,而电感则“通直流,阻交流,通低频,阻高频”)。如果把伴有许多干扰信号的直流电通过LC滤波电路(如图),那么,交流干扰信号大部分将被电感阻止吸收变成磁感和热能,剩下的大部分被电容旁路到地,这就可以抑制干扰信号的作用。当MOS管断开,电感首先充当电源的作用,当电感电流耗尽,此时电容进行放电,使电压维持在5V。此时,在输出端就获得比较纯净的直流电。
3)二极管的作用
此处的二极管主要用于给电感续流,又称为续流二极管。因为MOS管断开时,电感一端处于悬空状态,由于电感的电流不能突变(比如从2A瞬间降至0,但电感会通过抬升电压维持电流防止突变),此时给电路并联一个二极管以给电感续流形成回路。在这里放二极管还有个好处,是因为二极管的单向导电性使得MOS管闭合时,该支路断开,不影响LC滤波电路。
2.同步整流电路
开关电源的优势:①功耗低,效率高。②体积小,重量轻。③稳压范围宽。
开关电源的损耗来源:①开关管损耗。②电感、电容损耗。③二级管损耗。
开关电源的损耗分析:开关电源的效率可以达到90%以上,如果精心优化与设计,甚至可以达到95%以上,这在以电池作为电力来源的场合非常重要,例如手机、小型无人机等。因此开关电源设计的优劣程度将直接影响设备的续航能力。
通过上面的分析,可以看出开关电源的损耗其实是一个非常重要的问题:无论电流多大,只要有电流存在,二极管的固定压降就是0.4V左右,电流1A的话意味着二极管消耗的功率就是0.4W,这其实是一个不小的损耗;因此,可以把续流二极管使用另一个MOS管来代替,只需要保证这两个MOS关的开关状态相反即可,如上图所示,这就是同步整流电路。



老外教你做一个开关电源