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值得學習的常見的開關電源的控制原理的詳細解析

來源: 21ic
2020-11-12
類別:基礎知識
eye 33
文章創建人 拍明

原標題:值得學習的常見的開關電源的控制原理的詳細解析

開關電源的控制原理是其高效、穩定運行的核心,通過精確調節開關管的導通與截止時間,實現對輸出電壓或電流的穩定控制。以下從基本控制方式關鍵控制環路、典型控制技術三方面展開詳細解析:

一、基本控制方式

  1. 脈沖寬度調制(PWM)

    • 輸出電壓與脈沖寬度成正比,頻率恒定,濾波電路設計簡單。

    • 適用于負載變化較慢的場景,但最小導通時間限制了輸出電壓的調節范圍。

    • 輸出端常需接假負載以防止空載時電壓升高。

    • 原理:通過調節開關管的導通時間(脈沖寬度),在固定頻率下改變輸出電壓的平均值。

    • 特點

  2. 脈沖頻率調制(PFM)

    • 負載較輕時降低頻率,減少開關損耗,提高效率。

    • 頻率變化導致濾波電路設計復雜,輸出電壓紋波較大。

    • 原理:通過調節開關頻率來控制輸出電壓,脈沖寬度保持不變。

    • 特點

  3. 混合調制(PWM+PFM)

    • 在寬負載范圍內實現高效、穩定的輸出。

    • 控制電路復雜,成本較高。

    • 原理:結合PWM和PFM的優點,根據負載動態調整脈沖寬度和頻率。

    • 特點

二、關鍵控制環路

  1. 反饋回路

    • 作用:實時監測輸出電壓或電流,與基準值比較后生成誤差信號。

    • 組成:通常包括分壓電阻網絡、誤差放大器、光耦合器等。

    • 功能:將誤差信號反饋至控制芯片,調節PWM信號的占空比,實現閉環穩壓。

  2. PWM控制器

    • 根據反饋信號動態調整開關管的導通時間。

    • 提供過流保護、過壓保護、欠壓鎖定等安全功能。

    • 內部振蕩器產生固定頻率的時鐘信號,驅動開關管工作。

    • 核心元件:如UC3842、TOPSwitch等專用集成電路。

    • 功能

  3. 輸出濾波電路

    • 變壓器實現電氣隔離和電壓變換。

    • 電感和電容組成低通濾波器,抑制高頻紋波。

    • 作用:平滑開關管產生的高頻脈沖,輸出穩定的直流電壓。

    • 組成:通常包括高頻變壓器、整流二極管、電感、電容等。

    • 功能

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三、典型控制技術

  1. 原邊反饋控制

    • 無需光耦合器,降低成本和電路復雜度。

    • 提高系統可靠性和抗干擾能力。

    • 原理:通過檢測變壓器原邊的電壓或電流,間接推算副邊輸出電壓,實現反饋控制。

    • 優點

    • 應用:適用于小功率、低成本開關電源。

  2. 同步整流技術

    • 自驅動同步整流:利用變壓器繞組電壓驅動MOSFET。

    • 外驅動同步整流:通過專用芯片控制MOSFET的導通與截止。

    • 提高效率,尤其適用于低壓大電流輸出場景。

    • 減少發熱,提高電源可靠性。

    • 原理:用低導通電阻的MOSFET替代傳統二極管進行整流,降低整流損耗。

    • 優點

    • 實現方式

  3. 軟開關技術

    • 零電壓開關(ZVS):在開關管導通前,使寄生電容電壓降為零。

    • 零電流開關(ZCS):在開關管截止前,使電流降為零。

    • 提高效率,減少電磁干擾(EMI)。

    • 延長開關管壽命,提高系統可靠性。

    • 原理:通過在開關管導通或截止前,創造零電壓(ZVS)或零電流(ZCS)條件,降低開關損耗。

    • 優點

    • 實現方式

四、控制原理總結

開關電源的控制原理通過反饋回路實時監測輸出狀態,PWM控制器根據誤差信號動態調整開關管的導通時間,輸出濾波電路平滑高頻脈沖,最終實現穩定的直流輸出。原邊反饋控制、同步整流技術軟開關技術等先進控制方法進一步提高了電源的效率、可靠性和成本效益。


責任編輯:David

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標簽: 開關電源

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