充電器開關(guān)變換器工作原理

6w電源適配器降壓變換器

圖表示典型降壓變換器功率級(jí)的一般結(jié)構(gòu)。

開關(guān)元件Q1的開和關(guān)由方波驅(qū)動(dòng)電路給出的開關(guān)率可調(diào)（占空比控制）的信號(hào)來(lái)控制。

Q1導(dǎo)通時(shí)，A點(diǎn)的電壓將上升到充電器電壓Vin。穩(wěn)態(tài)條件下，Vin=Vout的正向電壓加在串聯(lián)電感繞組L1上，Q1導(dǎo)通期間該電感繞組中的電流線性增長(zhǎng)。電流波形如圖所示。

Q1關(guān)斷時(shí)，電感繞組試圖維持正向電流恒定，A點(diǎn)的電壓快速變負(fù)（通過正常的反激作用），直到二極管D1導(dǎo)通。L1中的電流繼續(xù)按原方向繞著回路B和負(fù)載流動(dòng)?？墒怯捎陔姼欣@組L1兩端的電壓已經(jīng)反向（Vout加上二極管反向壓降），在關(guān)斷期間L1中的電流將線性減小到原來(lái)值。

為維持穩(wěn)態(tài)條件，正向時(shí)（Q1導(dǎo)通時(shí)）加到電感繞組的輸入伏秒必須等于反向時(shí)（Q關(guān)斷時(shí)）所加的輸出伏秒。因此輸出電壓由輸入電壓和導(dǎo)通與關(guān)斷的比率來(lái)確定。

經(jīng)驗(yàn)證，Q1導(dǎo)通時(shí)，加在L1上的伏秒是

Q1關(guān)斷時(shí)，二極管導(dǎo)通，加在L1上的伏秒是

因此，為滿足L1上的伏秒相等（忽略損耗），

式中，Vout=輸出電壓；

toff=關(guān)斷時(shí)間，Q1；

Vin=輸入電壓；

ton=導(dǎo)通時(shí)間，Q1。

其比率

定義為占空比D，則前面的等式可簡(jiǎn)寫成

Vout=VinD

由于D不能大于1，從這個(gè)把損耗計(jì)算在內(nèi)的等式可以清楚地知道，在降壓變換器中，輸出電壓必須總是小于所加的輸入電壓。

由于L1和D1上的功率損耗非常小，并且Q1工作于低損耗的飽和導(dǎo)通狀態(tài)或高阻的關(guān)斷狀態(tài)，故該DC變換器的效率特別高。

從先前的等式可進(jìn)一步看出，傳遞函數(shù)中不含有與輸出電流有關(guān)的因素，因此降壓變換器的輸出阻抗特別低。在一階系統(tǒng)中（忽略損耗），無(wú)需改變占空比就可提供更大的輸出電流。可只是當(dāng)負(fù)載電流不低于臨界最小值時(shí)才是這樣，圖中較低的波形表示了這種情況。臨界最小負(fù)載電流由電感繞組L1的值確定。

雖然允許在臨界最小負(fù)載電流之下工作，由于此時(shí)占空比必須隨負(fù)載的變化而改變，所以會(huì)降低某些預(yù)期的性能。再有，在低電流不連續(xù)工作區(qū)，功率部分的輸出電阻變高傳遞函數(shù)已經(jīng)改變。如果要維持該區(qū)域的工作穩(wěn)定，控制電路必須能夠補(bǔ)償傳遞函數(shù)的這些變化。

在多輸出變換器中通常用這種降壓變換器提供附加的副邊調(diào)節(jié)。這種情況下，降壓變換器主要用來(lái)同步開關(guān)變換器的重復(fù)頻率與變換器的重復(fù)頻率，以消除輸出紋波中的低頻內(nèi)部調(diào)制影響（拍頻）。

為使常規(guī)的驅(qū)動(dòng)和控制電路用于多輸出電路的開關(guān)變換器，最好是所有的變換器輸出在可能的位置共用一條返回線。

應(yīng)該注意到降壓變換器的輸入電流是斷續(xù)的（脈動(dòng)的），通常需要輸入濾波器。由于降壓變換器具有有效的負(fù)輸入電阻斜率（輸入電壓升高時(shí)，輸入電流降低），設(shè)計(jì)者應(yīng)注意避免輸入濾波器諧振引起的不穩(wěn)定。低充電器阻抗對(duì)Q來(lái)說(shuō)是重要的，這樣Q1導(dǎo)通時(shí)流過較大電流，而輸入電壓幾乎維持不變。通常在盡可能接近Q集電極的位置接上一個(gè)大的、低ESR電容器，而輸入電感繞組可能需要一些電阻性阻尼。

類型2，升壓變換器

圖表示升壓變換器功率部分的一般結(jié)構(gòu)，工作如下。

Q1導(dǎo)通時(shí)，手機(jī)充電器電壓加在串聯(lián)電感繞組L1上。穩(wěn)態(tài)條件下，L中的電流正向線性增長(zhǎng)。整流二極管D反向偏置且不導(dǎo)通。同時(shí)（穩(wěn)態(tài)條件下），電流從輸出電容器C流向負(fù)載。因此C1放電。電流波形如圖所示。

Q1關(guān)斷時(shí)，L中的電流繼續(xù)同方向流動(dòng)并使A點(diǎn)的電壓為正。當(dāng)A點(diǎn)的電壓超過電容器C1上的輸出電壓時(shí)，整流二極管D2將導(dǎo)通，電感繞組中的電流傳遞到輸出電容器和負(fù)載。由于輸出電壓超過充電器電壓，在Q1關(guān)斷期間，L1將反向偏置，L中的電流將向著它原來(lái)的值線性減小。

與降壓變換器不同，從整流二極管D流入輸出電容器C1的電流總是斷續(xù)的，如果要使輸出紋波電壓與降壓變換器中的輸出紋波電壓一樣低的話，則需要更大的輸出電容器。C1中的紋波電流也很大。

對(duì)于升壓變換器的優(yōu)點(diǎn)，輸入電流是連續(xù)的（雖然此處將有取決于電感L1的值的紋波成分），因此需要較小的輸入濾波，這消除了由輸入濾波器引起的不穩(wěn)定因素。

與降壓變換器一樣，為維持穩(wěn)態(tài)條件，加到L1兩端的正向和反向伏秒必須相等。輸出電壓V。由功率開關(guān)的占空比和輸入電壓來(lái)控制，如下式。

經(jīng)驗(yàn)證（滿足L1上的伏秒相等），

但是

從該方程式可以看出攝像機(jī)電源適配器輸出電壓與負(fù)載電流無(wú)關(guān)（忽略損耗），并且輸出電阻非常低。同樣只是當(dāng)負(fù)載電流不低于圖中所示的臨界值時(shí)才是這樣。負(fù)載電流低于臨界值時(shí)，占空比必須減小以維持輸出電壓不變。

同樣也應(yīng)注意到在升壓變換器中負(fù)載電流的突然增加需要導(dǎo)通期間隨之增加（為增加L中的電流和補(bǔ)償電壓損耗）。可是增加導(dǎo)通時(shí)間將減小關(guān)斷時(shí)間，使輸出電壓隨之降低（與要求相反）直到L1中的電流增加到新的負(fù)載電流值。這在瞬態(tài)期間引入了一個(gè)附加的180°相移。這就是傳遞函數(shù)中存在右半平面的零點(diǎn)的原因。

通常L1值的選擇是要保證臨界電流低于所需要的最小負(fù)載電流，還有，L在最大負(fù)載和最大導(dǎo)通時(shí)間時(shí)不能飽和。