SMPS拓扑及转换原理

2011-04-11 10:43:12来源: 互联网

根据电路拓扑的不同,SMPS可以将直流输入电压转换成不同的直流输出电压。实际应用中存在多种拓扑结构,比较常见有三种基本类型,按照功能划分为(参见图2):降压(buck)、升压(boost)、升/降压(buck-boost或反转)。下面还将讨论图2中所画出的电感充电/放电通道。

三种拓扑都包括MOSFET开关、二极管、输出电容和电感。MOSFET是拓扑中的有源受控元件,与控制器(图中没给出)连接,控制器输出脉宽调制(PWM)方波信号驱动MOSFET极,控制器件的关断或导通。为使输出电压保持稳定,控制器检测SMPS输出电压,并改变方波信号的占空比(D),即MOSFET在每个开关周期(TS)导通时间。D是方波导通时间和周期的比值(TON/TS),直接影响SMPS的输出电压。两者之间的关系在等式4和等式5给出。

MOSFET的导通和关断状态将SMPS电路分为两个阶段:充电阶段和放电阶段,分别表示电感中的能量传递状态(参见图2的环路)。充电期间电感所储存的能量,在放电期间传递给输出负载和电容上。电感充电期间,输出电容为负载供电,维持输出电压稳定。根据拓扑结构不同,能量在电路元件中循环传递,使输出电压维持在适当的值。

在每个开关周期,电感是电源到负载能量传输的核心。如果没有电感,MOSFET切换时,SMPS将无法正常工作。电感(L)中所储存的能量(E)取决于电感电流值(I):

在每个开关周期中(图3),电感两端的电压恒定,因此电感中的电流线性变化。根据基尔霍夫电压环路定律,可以得到开关过程中电感两端电压,注意极性以及VIN / VOUT的关系。例如,升压转换器的放电期间,电感两端电压为-(VOUT - VIN)。因为VOUT > VIN,所以电感两端电压为负。

充电期间,MOSFET导通,二极管反向偏置,能量从电源传递给电感(图2)。由于电感两端电压(VL)为正,电感电流将逐渐上升。同时,输出电容将前一个周期存储的能量传递给负载,以保持输出电压的恒定。

图3. 稳态时电感的电压、电流特性。

放电期间,MOSFET关断,二极管正向偏置并导通。由于此时电源不再对电感充电,电感两端电压极性反转,并且将能量释放给负载,同时补充输出电容的储能(图2)。放电时,电感电流逐渐下降,放电电流如上述关系式所示。

充电/放电周期循环,并保持一个稳定的开关状态。在电路建立稳态的过程中,电感电流逐渐达到其稳定值,该电流是直流电流和电路在两个阶段切换时所产生的交流电流(或电感纹波电流)之和(图3)。直流电流的大小与输出电流成正比,也取决于电感在SMPS拓扑中的位置。纹波电流需要经过SMPS滤波,以获得真正的直流输出。滤波由输出电容完成,它对于交流信号呈现较低的阻抗。不需要的输出纹波电流通过输出电容旁路,并且当电流对地放电时保持电容电荷恒定。因此,输出电容还起到稳定输出电压的作用。实际应用中,输出电容的等效串联电阻(ESR)产生的输出电压纹波与电容的纹波电流成正比。

由此可见,能量在电源、电感和输出电容间传递,保持输出电压恒定,为负载供电。那么,通过SMPS间的能量传递如何确定输出电压和输入/输出电压转换比? 如果能够理解电路作用一个周期性波形的稳态过程,便可以很容易的计算出这些数值。稳态期间,有一个变量在重复周期TS的开始阶段与结束阶段相等。对于电感而言,如上所述,其电流周期性的充电与放电,因此其电流在PWM周期的开始阶段应该与结束阶段相等。这意味着,电感电流在充电过程的变化量(ΔICHARGE)应等于在放电过程的变化量(ΔIDISCHARGE)。建立充电和放电期间电感电流变化的等式,可得到下面的表达式:

简而言之,在不同的工作周期,电感电压和时间的乘积相等。因此,从图2的SMPS电路中,我们可以很容易的得到稳态时的电压和电流转换比。对于降压电路,根据充电电路的基尔霍夫电压环路可得到电感两端的电压为(VIN - VOUT)。同理,放电过程中电路电感两端的电压为-VOUT。根据等式3,可得出电压的转换比为:

从这一系列等式可以看出,降压转换器的输出相比VIN增大了D倍,而输入电流则比负载电流大D倍。表1列举了图2中所示拓扑结构的转换比。有些复杂的拓扑结构可能难以分析,但是利用这个方法解等式3和5可得到全部SMPS的转换比。

关键字:拓扑  转换  原理

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0411/article_6758.html
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