開關電源工作原理-開關電源的工作模式

　　開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。下面，小編就為大家講講開關電源的工作原以及工作模式，希望對大家有所幫助!

　　開關電源工作原理

　　開關電源的工作過程相當容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷的狀態(tài)。

　　在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的(在導通時，電壓低，電流大;關斷時，電壓高，電流小)/功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產(chǎn)生的損耗。

　　與線性電源相比，PWM開關電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。

　　脈沖的占空比由開關電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。

　　控制器的主要目的是保持輸出電壓穩(wěn)定，其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設計成與線性調(diào)節(jié)器相同。他們的不同之處在于，誤差放大器的輸出(誤差電壓)在驅(qū)動功率管之前要經(jīng)過一個電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元。

　　開關電源有兩種主要的工作方式：正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很小，但是工作過程相差很大，在特定的應用場合下各有優(yōu)點。

　　開關電源的工作模式

　　顧名思義，開關電源就是利用電子開關器件(如晶體管、場效應管、可控硅閘流管等)，通過控制電路，使電子開關器件不停地“接通”和“關斷”，讓電子開關器件對輸入電壓進行脈沖調(diào)制，從而實現(xiàn)DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調(diào)和自動穩(wěn)壓。

　　開關電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換;后兩種工作模式多用于開關穩(wěn)壓電源。

　　另外，開關電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換;后兩種工作方式多用于開關穩(wěn)壓電源。

　　根據(jù)開關器件在電路中連接的方式，開關電源，大體上可分為：串聯(lián)式開關電源、并聯(lián)式開關電源、變壓器式開關電源等三大類。

　　其中，變壓器式開關電源(后面簡稱變壓器開關電源)還可以進一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種;根據(jù)變壓器的激勵和輸出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種;如果從用途上來分，還可以分成更多種類。

　　開關電源功耗分析

　　要減小開關電源待機損耗，提高待機效率，首先要分析開關電源損耗的構(gòu)成。以反激式電源為例，其工作損耗主要表現(xiàn)為：MOSFET導通損耗，MOSFET寄生電容損耗，開關交疊損耗，PWM控制器及其啟動電阻損耗，輸出整流管損耗，箝位保護電路損耗，反饋電路損耗等。其中前三個損耗與頻率成正比關系，即與單位時間內(nèi)器件開關次數(shù)成正比。在待機狀態(tài)，主電路電流較小，MOSFET導通時間ton很小，電路工作在DCM模式，故相關的導通損耗，次級整流管損耗等較小，此時損耗主要由寄生電容損耗和開關交疊損耗和啟動電阻損耗構(gòu)成。

　　提高待機效率的方法

　　根據(jù)損耗分析可知，切斷啟動電阻，降低開關頻率，減小開關次數(shù)可減小待機損耗，提高待機效率。具體的方法有：降低時鐘頻率；由高頻工作模式切換至低頻工作模式，如準諧振模式（QuasiResonant，QR）切換至脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM），脈寬調(diào)制切換至脈沖頻率調(diào)制（PulseFrequencyModulation，PFM）；可控脈沖模式（BurstMode）。

　　（一）切斷啟動電阻

　　對于反激式電源，啟動后控制芯片由輔助繞組供電，啟動電阻上壓降為300V左右。設啟動電阻取值為47kΩ，消耗功率將近2W.要改善待機效率，必須在啟動后將該電阻通道切斷。TOPSWITCH，ICE2DS02G內(nèi)部設有專門的啟動電路，可在啟動后關閉該電阻。若控制器沒有專門啟動電路，也可在啟動電阻串接電容，其啟動后的損耗可逐漸下降至零。缺點是電源不能自重啟，只有斷開輸入電壓，使電容放電后才能再次啟動電路。

　�。ǘ�）降低時鐘頻率

　　時鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降就是當反饋量超過某一閾值，通過特定模塊，實現(xiàn)時鐘頻率的線性下降。POWER公司的TOPSwitch-GX和SG公司的SG6848芯片內(nèi)置了這樣的模塊，能根據(jù)負載大小調(diào)節(jié)頻率。

　　（三）切換工作模式

　　1.QR→PWM對于工作在高頻工作模式的開關電源，在待機時切換至低頻工作模式可減小待機損耗。例如，對于準諧振式開關電源（工作頻率為幾百kHz到幾MHz），可在待機時切換至低頻的脈寬調(diào)制控制模式PWM（幾十kHz）。

　　IRIS40xx芯片就是通過QR與PWM切換來提高待機效率的。當電源處于輕載和待機時候，輔助繞組電壓較小，Q1關斷，諧振信號不能傳輸至FB端，F(xiàn)B電壓小于芯片內(nèi)部的一個門限電壓，不能觸發(fā)準諧振模式，電路則工作在更低頻的脈寬調(diào)制控制模式。

　　2.PWM→PFM

　　對于額定功率時工作在PWM模式的開關電源，也可以通過切換至PFM模式提高待機效率，即固定開通時間，調(diào)節(jié)關斷時間，負載越低，關斷時間越長，工作頻率也越低。圖5是采用NS公司的LM2618控制的Buck轉(zhuǎn)換器電路和分別采用PWM和PFM控制方法的效率比較曲線。由圖可見，在輕載時采用PFM模式的電源效率明顯大于采用PWM模式時的效率，且負載越低，PFM效率優(yōu)勢越明顯。將待機信號加在其PW/引腳上，在額定負載條件下，該引腳為高電平，電路工作在PWM模式，當負載低于某個閾值時，該引腳被拉為低電平，電路工作在PFM模式。實現(xiàn)PWM和PFM的切換，也就提高了輕載和待機狀態(tài)時的電源效率。

　　通過降低時鐘頻率和切換工作模式實現(xiàn)降低待機工作頻率，提高待機效率，可保持控制器一直在運作，在整個負載范圍中，輸出都能被妥善的調(diào)節(jié)。即使負載從零激增至滿負載的情況下，能夠快速反應，反之亦然。輸出電壓降和過沖值都保持在允許范圍內(nèi)。

　�。ㄋ模┛煽孛}沖模式（BurstMode）

　　而FSD200則是通過控制內(nèi)部驅(qū)動器實現(xiàn)可控脈沖模式，即將腳的反饋電壓與0.6V/0.5V遲滯比較器比較，由比較結(jié)果控制門極驅(qū)動輸出。我們可根據(jù)此原理用分立元件實現(xiàn)普通芯片的BurstMode功能�？刂品答佂ǖ朗菍崿F(xiàn)一般PWM控制器的可控脈沖模式的方法之一。

　　另外對于有使能腳的PWM控制器，如L6565等，用可控脈沖信號控制使能腳使控制芯片有效或失效，也可以實現(xiàn)BurstMode，上述BurstSignal可由圖1中所示的遲滯比較器產(chǎn)生。

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