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      降壓開關穩壓器如何使用串聯晶體管

      發布時間:2023-06-30 責任編輯:lina

      【導讀】降壓開關穩壓器是一種開關模式電源電路,旨在有效地將直流電壓從較高電壓降低到較低電壓,即減去或“降壓”電源電壓,從而降低輸出端可用的電壓端子無需改變極性。換句話說,降壓開關調節器是降壓調節器電路,因此例如降壓轉換器可以將+12伏轉換為+5伏。


      降壓開關穩壓器如何使用串聯晶體管


      降壓開關穩壓器是一種開關模式電源電路,旨在有效地將直流電壓從較高電壓降低到較低電壓,即減去或“降壓”電源電壓,從而降低輸出端可用的電壓端子無需改變極性。換句話說,降壓開關調節器是降壓調節器電路,因此例如降壓轉換器可以將+12伏轉換為+5伏。


      降壓開關穩壓器是一種直流-直流轉換器,也是簡單、的開關穩壓器類型之一。當在開關模式電源配置中使用時,降壓開關穩壓器使用串聯晶體管或功率 MOSFET(是絕緣柵雙極晶體管或 IGBT)作為其主要開關器件,如下所示。

      降壓開關穩壓器

      我們可以看到,降壓轉換器的基本電路配置是串聯晶體管開關TR 1以及相關的驅動電路(使輸出電壓盡可能接近所需水平)、二極管D 1、電感器L 1和平滑電容器C 1。降壓轉換器有兩種工作模式,具體取決于開關晶體管TR 1是“導通”還是“截止”。

      當晶體管偏置為“ON”(開關閉合)時,二極管D 1變為反向偏置,輸入電壓V IN導致電流通過電感器流至輸出端連接的負載,為電容器C 1充電。

      當變化的電流流過電感器線圈時,根據法拉第定律,它會產生反電動勢,該反電動勢與電流流動相反,直到達到穩定狀態,在電感器周圍產生磁場L 1。只要TR 1關閉,這種情況就會無限期地持續下去。

      當晶體管TR 1通過控制電路“關閉”(開關打開)時,輸入電壓立即與發射極電路斷開,導致電感器周圍的磁場崩潰,從而在電感器上產生反向電壓。

      該反向電壓導致二極管變得正向偏置,因此電感器磁場中存儲的能量迫使電流繼續以相同方向流過負載,并通過二極管返回。

      然后,電感器L 1將其存儲的能量返回到負載,充當電源并提供電流,直到所有電感器的能量返回到電路或直到晶體管開關再次閉合(以先到者為準)。同時電容器也放電,為負載提供電流。電感器和電容器的組合形成了 LC 濾波器,可以消除晶體管開關動作產生的任何紋波。

      因此,當晶體管固態開關閉合時,電流由電源提供,而當晶體管開關打開時,電流由電感器提供。請注意,流經電感器的電流始終沿相同方向,直接來自電源或通過二極管,但顯然在開關周期內的不同時間。

      由于晶體管開關連續閉合和打開,因此平均輸出電壓值將與占空比D相關,D被定義為晶體管開關在一個完整開關周期期間的導通時間。

      如果V IN是電源電壓,并且晶體管開關的“ON”和“OFF”時間定義為:t ON和t OFF,則輸出電壓V OUT為:


      降壓開關穩壓器如何使用串聯晶體管


      降壓轉換器的占空比也可以定義為:


      降壓開關穩壓器如何使用串聯晶體管


      降壓開關穩壓器占空比

      因此,占空比越大,開關電源的平均直流輸出電壓就越高。由此我們還可以看出,由于占空比D永遠無法達到 1(單位) ,因此輸出電壓將始終低于輸入電壓,從而導致降壓穩壓器。

      通過改變占空比來實現電壓調節,開關速度高達 200kHz,可以使用更小的元件,從而大大減小開關模式電源的尺寸和重量。

      降壓轉換器的另一個優點是電感電容 (LC) 布置可以提供非常好的電感電流濾波。理想情況下,降壓轉換器應在連續開關模式下運行,以便電感器電流永遠不會降至零。如果使用理想的組件,即“導通”狀態下的壓降和開關損耗為零,理想的降壓轉換器的效率可高達 100%。

      除了用于開關模式電源基本設計的降壓開關穩壓器之外,基本開關穩壓器還有另一種操作方式,即升壓穩壓器,稱為升壓轉換器。


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