脈寬調制式開關穩壓電源

摘要：傳統的直流穩壓電源雖然電路結構簡單，但效率低、功耗大。文章介紹了脈寬調制式開關穩壓電源的基本工作原理，詳細介紹了兩類開關穩壓電源的工作過程及電路結構：串聯降壓式開關穩壓電路及并聯升壓式穩壓電路。

關鍵詞：開關穩壓電源；脈寬調制；串聯降壓式；并聯升壓式。

基金項目：合肥學院教研項目2008jyyb36

在電子電路中，通常都需要穩定的直流電源供電，小功率的穩壓電源可以直接用電源變壓器、整流電路、和穩壓電路構成。這種電路結構比較簡單，但是當負載要求功率較大、而且效率較高時通常要采用開關穩壓電源。開關穩壓電源效率可高達85％以上，穩壓范圍寬，精度高，不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的穩壓電源，已經廣泛地應用到各種電子設備中。

一、開關式穩壓電源的基本工作原理

開關穩壓電源將來自市電整流濾波不穩定的直流電壓變換成交變的電壓。然后又將交變電壓轉換成各種數值穩定的直流電壓輸出，開關穩壓電壓電路中的調整管工作在開關狀態，即主要工作在飽和導通和截止兩種狀態。開關式穩壓電源按控制方式分為調寬式和調頻式兩種，在目前開發和使用的開關電源集成電路中，絕大多數也為脈寬調制型。因此下面就主要介紹調寬式開關穩壓電源。

對于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓Vo取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓V可由公式計算，即V0=Vm×ton/T，式中Vm為矩形脈沖最大電壓值，T為矩形脈沖周期；ton為矩形脈沖寬度，從上式可以看出，當Vm與T不變時，直流平均電壓V0將與脈沖寬度ton成正比。這樣，只要我們設法使脈沖寬度隨穩壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達到穩定電壓的目的。開關穩壓電路的種類很多，本文主要介紹用BJT和MOSFET作為開關管的串聯降壓型、并聯升壓型兩種開關穩壓電壓的組成和工作原理。

二、兩種基本類型及電路結構

1、串聯降壓型開關穩壓電路

如圖1所示，主電路增加了二極管D和LC組成的高頻整流濾波電路以及產生固定頻率的三角波電壓(VT)發生器和比較器c組成的控制電路。圖中VI是整流濾波的輸出電壓，VB是比較器的輸出電壓，利用VB控制調整管T將VI變成斷續的矩形波電壓圖1：串聯降壓型開關穩壓電源電路原理圖 VE(VD)。當VA>VT時，VB為高電平，T飽和導通，輸入電壓VI經T力H到二極管D的兩端，電壓VE等于VI，此時二極管D承受反向電壓而截止，負載中有電流i0流過，電感L儲存能量，同時向電容器充電。輸出電壓V0略有增加。當VA

2、并聯(升壓)型開關穩壓電路

并聯開關穩壓電路，電路如圖2所示，與負載并聯的開關調整管T為MOSFET，電感接在輸入端，L c為儲能元件，D為續流二極管，圖中控制電壓VG為矩形波，控制T的導通與截止，當控制電壓為高電平時(ton期間)，T飽和導通，輸入電壓VI直接加到電感L兩端，電流i L線性增加，電感產生左正右負反電動勢，儲存能量VL≈VI，二極管反偏而截止，此時電容已充電向負載提供電流，并維持V0不圖3：升壓型開關穩壓電源變；當VG為低電平時(toff期間)T截止，iL不能突變電感L產生左負右正的電動勢VL，此時輸入側的電壓為：VL+VI常稱為升壓電感。當VL+VI>0時，D導通，VL+VI給負載提供電流i0，同時又向c提供充電電流i C，此時iL=i C+i0。輸出電壓V0>VI稱為升壓型的開關穩壓電路。T導通時間越長，L儲能越多，因此當T截止時電感向負載釋放能量越多，在一定負載電流條件下，輸出電壓就越高。

文章討論兩種基本開關穩壓電源。當然我們討論的只是基本原理圖，實際的開關穩壓電源電路通常還有過流、過壓等保護措施。