开关稳压电源设计及性能分析

胡玉叶

摘要：分析了开关电源基本电路工作时VT1基极输入正脉冲、负脉冲与电压波形的关系，得到电压反馈控制开关管相应的占空比可以实现稳压。二极管的选择，电感计算与选择，设计DC-DC电路。

关键词：DC-DC电路；电压波形；电源输出电压

1.稳压控制分析

开关电源的基本电路如图所示。在该电路中，VT1为开关管，VD1为续流二极管，L为储能电感，C为滤波电容，RL为负载电阻。

1.1 开关电源基本电路的工作原理：

1.1.1 VT1基极输入正脉冲

开关管VT1正偏饱和导通，如下图昨所示输出的电压ui一路加到续流二极管VD1的负极上，使其反偏截止；另一路经L、C、RL形成回路，电流经L对电容C进行充电，也对RL负载供电。线圈自感电压为左“+”右“-”，以阻碍电流的增大。

1.2.2 VT1基极输入负脉冲

开关管VT1反偏截止如上图右所示，从而切断了输入电压 ui向负载供电的通路。但由于电感中的电流不会突变，在电感中会感应出右“+”正、左“-”负的电压。该电压就会使续流二极管正偏导通，储存在电感L中的能量就会通过VD1导通的二极管继续向电容C充电，同时也为负载提供工作电流，以维持负载电流的连续性。电路要求电容耐压值高，一般不小与输入电源2倍。

下图是电路图中几个关键点的电压和电流波形。

1.2 电压波形

占空比大电源输出电压Uo大，但电压波动也大；相反，占空比小电源输出电压Uo就小。当占空比等于0.5时，电源输出电压为脉冲电压的平均值，且电压较稳定。通过电压反馈控制开关管相应的占空比可以实现稳压的目的。

开关电源有三种拓扑：BUCK（降压变换器）、BOOST（升压变换器）、BUCK-BOOST（逆向变换器）。

2. DC-DC电路设计

2.1 BUCK电路基本结构

从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤 波器设计 的原则是使 us（t）的直流分量可以通过，而抑制 us（t） 的谐波分量通过；电容上输出电压 uo（t）就是 us（t） 的直流分量再附加微小纹波uripple（t）。电路工作频率很高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波uripple（t） 很小，相對于电容上输出的直流电压Uo有|uripple（t）|<

一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放 电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。

2.2 BUCK元件选择

2.2.1 二极管的选择

频率在几百赫兹范围内，选择肖特基二极管。在Tom阶段，二极管承受最大的反向电压，其值为V1。考虑到设计冗余，二极管耐压至少选择V1max的1.2倍。如果二级管两端有尖峰，则需要根据实际情况进行调整。二极管的平均电流I=Io*（1-D）。二极管额定电流至少选择I的2倍以上，电流较大的需要注意散热处理，可以适当选择较大的封装体积。

2.2.2 电感计算与选择

电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流、电压相位不同，所以理论上损耗为零。电感常为储能元件，也常与电容一起用在输入滤波和输出滤波电路上，用来平滑电流。电感也被称为扼流圈，特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。换句话说，由于磁通连续特性，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰。

降压型开关电源的电感选择：

为降压型开关电源选择电感器时，需要确定最大输入电压、输出电压、电源开关频率、最大纹波电流、占空比。

下面以本设计为例说明降压型开关电源电感值的计算，首先假设开关频率为200kHz、输入电压范围16V±10%、输出电流为3A、最大纹波电流30mA。

最大输入电压值为17.6V，对应的占空比为：D=Vo/Vi=5/17.6=0.284

其中，Vo为输出电压、Vi为输出电压。当开关管导通时，电感器上的电压为： V=Vi-Vo=12.6V

计算电感为：L= （V* D）/（K*I）=（12.6*0.284）/（200000*30）= 39.64uH

计算考虑误差的感应系数，考虑到与标准之间20%的偏差和在额定电流下会有10-35%降幅：L=39.64μH/（0.8×0.65）=45μH， 再考虑到工作在连续电流模式下，因此感应系数调高到47μH。

参考文献：

[1]《从零开启大学生电子设计之路--基于MSP430 Launch Pad口袋实验平台》，傅强，杨艳主编. 北京航空航天大学出版社，2014.8。

[2]《模拟电子技术及应用》，刁修睦，杜保强，宋伟毅主编.北京大学出版社，2008.6。

[3]《C程序设计（第四版）》，谭浩强著，北京：清华大学出版社，2010.6。

[4]《MSP430单片机自学笔记》，张福才主编，北京航空航天大学出版社，2011.2。