请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版
搜索
查看: 479|回复: 0

电源入门(一):从电阻分压、稳压管、线性稳压器到BUCK...

[复制链接]

424

主题

461

帖子

4793

积分

论坛元老

Rank: 8Rank: 8

积分
4793
发表于 2018-9-19 01:59:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
电阻分压就是BUCK降压器最基本的原理!惊讶吧!

如果有一个10V的电压,要想得到5V的电压,怎么办?非常简单,用二个阻值相同的电阻R1、R2串联起来,从接地电阻R2上取电压,就直接得到5V电压。
QQ截图20180919013032.jpg
图1:串联电阻分压

如果给这个电压加负载,二个串联电阻的阻值为1K,负载电阻为1K,那么得到的电压只有3.33V,因此这个电压不具有加载能力,不能作为稳定的电源给负载供电。

稳压管具有稳压的能力,如果将电路中的R2换成5V稳压管,稳压管两端就可以输出稳定的5V电压,这个电压具有一定的加载能力。串联电阻R1的取值范围由稳压管的最小工作电流(稳压)和最大工作电流(最大功率损耗)来决定。输入电压变化时,输入电压和输出电压的压差由R1来承担,因此R1也称之为调整电阻

串联稳压管电路中,调整电阻位于主电流回路,因此不能通过大的负载电流,输出负载电流范围非常小。为了扩大输出负载电流的范围,那么,是否可以用某种方式,将调整电阻移出主电流回路,也就是将主电流(负载电流)回路和基准稳压电路分开,同时用基准稳压电路去控制输出电压呢?
QQ截图20180919013043.jpg
图2:线性稳压器

三极管工作在放大区时,基极可以控制集电极的电流,同时基极和集电极回路是独立分开的,如果将三极管插入到串联稳压管电路中,集电极、发射极构成主电流(负载电流)通路,基准稳压电路连接到基极,就得到了线性稳压器的基本结构,如图2所示。若稳压管为5V,输出电压为:5-0.7=4.3V。输入电压变化时,输入电压和输出电压的压差都由工作在放大区三极管承担,因此这个三极管也称之为调整管

稳压管作基准电压,精度差、温漂和噪声大,输出电压设置的灵活性较差,如果将稳压管换成精度高、温漂和噪声小的带隙基准,输出电压通过运放进行反馈控制,同时加入过流、过温、过压、欠压等一些保护功能,就构成了常用的三端线性稳压器,如LM7805、LM7812等。
QQ截图20180919013055.jpg
图3:三端线性稳压器

通用的三端线性稳压器输入电压和输出电压的压差必须大于2V以上才能正常工作,优化电路使输入电压和输出电压的压差低于2V时也能正常工作,这种三端线性稳压器称为低压差三端线性稳压器,即LDO,甚至还有超低压差的三端线性稳压器。

线性稳压器的调整管工作在放大区,功耗由输入和输出电压的压差以及负载电流决定:Ploss=(Vin-Vo)·Io,功耗非常大。三极管工作特性有三个工作区:放大区、截止区和饱和区。截止区不导通,几乎没有损耗;饱和区压降低,导通损耗非常小。如果让线性稳压器的调整管工作在开关状态,也就是在截止区、饱和区来回高频切换工作,就避免了放大区工作损耗非常大的问题。
QQ截图20180919013159.jpg
图4:调整管工作在开关状态

阻性负载的高频切换电压波形为脉冲方波,脉冲方波的平均值为输出电压值,也就是:

  Vo=Vaverage=Vin·ton/Ts=Vin·D

D=ton/Ts,为占空比。工作频率固定时,调整三极管的导通时间,就可以调节输出电压的大小,从而使脉冲方波电压的平均值满足设定的要求。

电压脉冲方波的幅值为输入电压,同时电流也是脉冲方波,这样的电压和电流波形不能直接给负载供电。稳定的电源输出电压恒定,当输出负载稳定时,输出直流电流也固定不变。

电感具有平滑电流的滤波能力,将电感插入在三极管的发射极和输出负载之间,就可以将脉冲电流过滤成相对平滑的直流电流。

电容具有平滑电压的滤波能力,输出端再并联电容,平滑脉冲电压,就可以得到稳定的直流输出电压。

脉冲电压和脉冲电流波形,通过LC滤波器,就可以得到相对平滑、稳定的直流电压和直流电流,从而给负载安全稳定的供电。
QQ截图20180919013209.jpg
图5:电感平滑脉冲电流,电容平滑脉冲电压

三极管导通时,输入端、电感和输出端构成电流通路;三极管关断时,由于电感要维持原来的电流,这样就没有续流回路,会产生应用问题。
QQ截图20180919013218.jpg
图6:电感电流路

电感和输出端直接相连,不可能再加入续流回路,因此只能在电感和三极管的连接端加入续流回路。

续流回路另一端可能的连接点只有输入端和地,电感已经通过三极管连接到输入端,因此,续流回路另一端也就只能连接到地。
QQ截图20180919013227.jpg
图6:电感续流回路

电感和地之间加一个具有单向导电特性的二极管,就可以保证三极管开通时不影响其工作,同时,在三极管关断时给电感提供续流的回路。这样,就构成了基本的高频开关降压变换器主电路, 也就是BUCK变换器主电路。

功率MOSFET工作频率更高、驱动简单,取代了三极管作为开关管;续流的二极管的导通压降高、损耗大、效率低,用功率MOSFET取代续流二极管,就构成同步BUCK变换器,而下端使用二极管续流的结构称为非同步BUCK变换器
QQ截图20180919013235.jpg
图7:同步和非同步BUCK变换器

同步BUCK变换器更简单记忆方法:半桥电路加LC滤波器,就组成了同步BUCK变换器。
QQ截图20180919013246.jpg
图8:半桥电路加LC滤波器组成同步BUCK变换器

输出电压加入反馈调节,同时加入过流、过温、过压、欠压、软起动等一些保护功能去控制BUCK变换器主电路,就构成了BUCK变换器的控制芯片。如果将上端的功率MOSFET、下端续流功率MOSFET或二极管也集成到芯片里面,就构成了单芯片BUCK变换器

BUCK降压变换器将高的输入电压转化为低的输出电压,就必须将输入电压斩波,然后取平均,因此,主开关管串联在输入端。或者说,输入电压、输出电压的压差必须要由有源元件吃掉,因此,主开关管必须连接到输入端和输出端之间。

开关管和输出端之间插入滤波电感,平滑脉冲电流,因此电感连接在输出端。

电感和地之间插入续流二极管,开关管关断时为电感电流续流,就构成了基本的BUCK降压变换器主电路。

从分压电阻、稳压管、调整管、开关工作,到插入滤波电感和续流二极管,一步步演进到BUCK降压变换器主电路,BUCK降压变换器的结构非常容易记住了吧,工作原理的理解也自然水到渠成。


看完文章,从分压电阻开始,一步步将图画一遍,以后,它就是你的。

相关阅读
电源入门(二):BOOST升压变换器,电感感应电压和输入电压叠加、实现电压提升
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

小黑屋|手机版|Archiver|ADI技术社区

GMT+8, 2019-9-18 03:59 , Processed in 0.133505 second(s), 10 queries , MemCache On.

Powered by Discuz! X3.4

© 2001-2017 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表