DC-DC电源变换器(开关电源)基础知识详解
DC-DC电源变换器(开关电源)基础知识详解

概述

电子设备都需要供电，其电能来源于火力、水力、核子发电厂提供的交流电。这些交流电通过电源设备变换为直流电。但是，这种直流电源不 符合需要，仍需变换，这称为DC/DC变换。常规的变换器是串联线性稳压电源，其调整元件工作于线性放大区，通过的电流是连续的，功耗

很大，需要非常大的体积，变换效率通常只有30％。

70年代，随着功率晶体管的研制，隔离集成电路和磁性材料的研制、应用；随着功率电子学领域中技术的日新月异的发展，理论研究不断深

化，功率变换拓扑及器件对偶理论的日趋完善，开关电源以其强大的生命力适应当今高效率、小型轻量化的要求。

开关电源去除了工频变压器，代之以几十KHz、几百KHz甚至数MHz的高频变压器。由于调整管工作于开关状态,功耗小,效率高,可达80％-95％。因此开关稳压电源体积小，重量轻。但由于电路负载，高频元器件价格高，因此成本较高，且输出纹波噪声电压较高，动态响应

较差。

线性稳压电源

在功率开关晶体管问世以前，串联调整稳压器一直是最简单的、最常用的稳压技术。基本的串联稳压电路如图11.1:



图中，vl是调整管，Vi是输入电压，Vo是输出电压。Rl,R2形成采样电阻，采样电压Vf同参考电压Vr进行比较，放大产生的电压经过直流

电平位移后，作为调整管的基极输入，这样构成一个负反馈回路，负载RL变化时，通过反馈回路调整以使Vo保持稳定。

这样的集成稳压器有固定输出的W78XX系列，其中XX的值即输出电压值，如7805，输出电压为SV。还有一些是输出可以调节的LM117

、LM317，这也是我们经常使用的。

线性稳压电源的功耗同输入、输出电压之间的差有关系，压差越大，功耗越大。决定输入、输出电压之间的差与输出级的调整管的饱和压降有 关系。在低饱和方式中，输出级采用PNP功率晶体管，此外还开发了用CMOS管作为输出级的大功率电路，而BICMOS则结合了低压降大电流

的优点，这对于提高稳压电源的效率起到了很好的作用。下图是几种不同方式的输出级电路，其饱和压降是不同的：



图11.2三种输出方式下的饱和压降

开关稳压电源

在开关稳压电源中，直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态。目前开关电源的工作频率在几百KHz,有些甚至已经到了MHz量级。图11.3是

DC/DC开关变换器的原理框图：



开关电源的实现方式有很多种，如最传统的脉宽调制（PWM）技术，目前流行的为提高变换效率的零电压（ZV）,零电流（ZC）技术、相移脉

宽调制零电压谐振变换等。每一种技术之下，又有很多种拓扑结构。开关电源设计需要丰富的模拟电路知识，涉及到功率器件选取、电源滤波 、驱动电路、控制环路、高频磁芯变压器、EMC等多个方面，具体设计细节已经超出了本文的范围。

本文将从原理的角度介绍脉宽调制的几种类型、全桥变换技术，最后将介绍最新的ZVZCSPwMDc/DC变换器。

11.3.1脉宽调制的几种形式脉宽调制是开关电源设计中最成熟的技术。脉宽调制是一种功率控制方式，不同占空比的脉冲具有不同的直流

分量，所以负载变化时，根据调整输出脉冲的占空比达到稳定输出电压的目的。

脉宽调制易于实现，因为驱动脉冲具有固定的频率，与负载特性无关，因而应用最为广泛。



buck变换器电路及原理

buck变换器由电压源、串联开关和电流负载组成，也称它为串联开关变换器。图11.4是它的基本拓扑形式。



图11.4buck变换器



图11.5是晶体管开关变换器（buck）电路，其中晶体管Q为开关器件，L为滤波电感，C为滤波电容，D为续流二极管。



ton为晶体管的导通时间，在此时间段，L内的电流逐渐增加，当导通结束后，进入晶体管截止时间段toff，这时候由于L内的电流到达

最大值ILmax，电感中的电流不能突变，所以，继续有电流流过，二极管D充当截止期间的续流元件。当截止时间结束后，电感中的电流到

达最小值ILmin，重新开始新的周期。

在buck变换器开关与负载时间插入隔离变压器，这种隔离型buck变换器叫做Forward单端正激变换器。如图11.6:



图11.6Forward单端正激变换器

简单分析可知，滤波电感L在开关管关断期间，通过续流二极管为负载提供电流。D3的作用是钳位，其功能是完成磁心的复位。当开关管关

断时，能量通过D3泄放到电源端，保证磁心的磁通回到零。

boost变换器基本电路及原理

boost变换器是从buck变换器进行对偶变换后得到的，其原理如图11.7所示：



boost变换器称为并联开关变换器。与buck变换器其不同的是，boost型电感在输入端（开关）,buck型电感在输出端。boost型变换

器的输出电压Vo总是大于输入电压Vi。解释比较简单，当开关管导通时，二极管D关闭，电感L与开关管的节点电压为O。当开关管关

闭时，电感L两端的电势翻转，所以电感L与开关管的节点电压大于输入电压Vl，电感电流通过二极管D续流，使得Vo大于Vi。可以

证明，Vo=Vi*[T/(T-Ton)]，T是开关脉冲周期，Ton是导通时间。

buck-boost变换器基本电路及原理

将buck、boost两种形式的变换器结合起来，产生一种新的变换器，叫做buck一boost变换器，其结构如图11.8

:



这种形式的变换器输出电压同输入电压是反相的。在buck型和boost型变换器中，存在一个能量直接从电源流向负载的时间，而在buck一

boost变换器中，能量先存储在电感中，然后再流向负载，这是它们的主要区别。

如果将中间段的电感，改为隔离变压器，就得到了常用的反激变换器（Flyback变换器）。图11.9是单端反激式变换器的电路图：



由变压器的同名端可见，在开关管的导通期间，变压器储存能量，当晶体管关闭时，二极管导通，能量传递给负载。

cuk变换器

将buck-boost变换器进行对偶变换，可以得到cuk变换器。其电路形式如图11.10:



其中C是传递能量的藕合电容。原理分析是这样的：当三极管导通时，电容C的能量通过L2,C2、R回路释放，同时向C2、L2储能，同时电源

向Ll储存能量。在三极管关闭时，Ll上的电流通过二极管D续流，同时向C充电。当要求不同极性不同电压的输出时，需要加入隔离变

压器，这样就形成了隔离Cuk变压器，如图11.lh



其工作原理同Cuk型变换器原理是一样的。CO,Cl的作用是变压器初、次级绕组均无直流流过。磁心在两个方向磁化，不需要加气隙，体积可

以做得很小。

推挽变换器电路及原理

图11.12是推挽变换器原理图。推挽变换器有两个三极管在交替开关，以达到比单管工作电路高的输出功率。由于初级线圈的中心抽头接在输

入电源的正级，这样当一边三极管导通时，另外一边的三极管要承受的耐压为两倍的电源电压，这对晶体管的要求较高。

全桥变换器电路及原理

前文已经说过，推挽变换器要求晶体管的耐压比较高，从安全的角度看，实际应用中常常要考虑为电源电压的3.3倍。如果输入电源直接从

市电（我国是22OVAC）整流而得，那么晶体管的耐压要求I000V。这样的晶体管不是很多，所以在我国，一次电源中基本不采用推挽设计的

开关电源。解决晶体管耐压的方法是采用桥式电路。这样做增加了成本，用四个晶体管代替了两个晶体管，但是可靠性弥补了这些缺点。

图11.13是全桥变换器的原理电路：



这种设计降低了晶体管的电压，所以提高可靠性。需要指出的是，串联在一起的两个晶体管同时导通时，晶体管将损坏。解决这个问题的技术 将在后面讲述。

半桥变换器基本电路及原理



如果将全桥变换器的一个桥臂的两只晶体管用两个电容代替，可以节省两个晶体管，比较经济。但是通常两个电容体积比晶体管还大。这样的

电路称为半桥变换器，如图11.14所示：



以上是一些PWM形式变换器的种类。在设计这些开关电源时候，经常会碰到如下问题，如果解决不好，将严重影响开关电源的工作：



晶体管同时导通：在双端变换器（如推挽、桥式），有可能产生晶体管同时导通的现象，这将导致晶体管在瞬间损坏。容性负载：变换器的功 耗取决于电压电流在时间轴上的重叠部分。在瞬间关断和导通，晶体管将对容性负载充电，如果容性负载很大，晶体管的功耗将变得很大，甚 至损坏。

集电极尖峰电压：电源主变压器的漏感，就象在集电极上串联的一个小电感，当晶体管电流关断时，这个漏感将在集电极上产生尖峰电压。如 果尖峰电压不被抑制，会击穿晶体管。

变压器工作点沿磁滞回线垂直漂移：变压器磁滞回线工作点应该保持在中心，如果电路使之偏离中心点，磁芯将进入饱和区。磁芯进入饱和区 是，变压器失去阻抗变换的作用，阻抗值急剧下降，这样晶体管的电流将会瞬间急剧扩大而导致器件损坏。

电源机壳上的开关噪声电压：通常在开关管集电极上出现高峰值的方波，或变压器次级输出接地端同机壳之间出现噪声电压。




(d）开关模态3对应于［t2,t3]，电流流向如图11.23，其中ip为初级线圈中的电流方向。



在这个开关模态中，原边电流为ip=O;A电对应电压为Va=O,B点对应电压为Vb=-Vcbp。副变两个整流管同时导通均分负载电流。

(e）开关模态3

对应于［t3,t4]，电流流向如图11.24，其中ip为初级线圈中的电流方向。









以上是zVzCS典型电路的各个开关过程的分析过程。实际设计中，还要确定若干技术参数，详细细节请参见专业书籍。现在流行的集成式电容

开关转换器，具有体积小（一般是SOP封装），输出功率小的特点，特别适合于低功耗应用场合。

实际应用举例

在实际应用中，经常需要多种供电电源，但是需要的电流通常在几百毫安以内。这样的电源采用体积庞大的DC/DC变换模块是不合适的，一方

面成本较高，另外需要较大的PCB面积。

体积很小的集成化开关电源变换器就应运而生。这些变换器内置控制电路和开关管，配合外围电感、二极管，应用方式比较灵活，根据需要，既可产生正电源，又可以产生负电源，电压的幅度也可以通过外置的反馈电阻控制。这类器件输出功率不大，可靠性很高。比较常用的芯片有LT1173,关于LT1173应用电路的设计请参考本站(www.dz3w.com)相关文章或LT1173 datasheet.