线性调整器的反相开关型调整器

 

　　在这本文中，将介绍几种著名的拓扑，这些拓扑一般用于线性和开关型电源的设计。每～种拓扑既有共同的特性，也有独特的特性，有经验的设计者能够很好地选择合适的拓扑以满足应用场合。而对于初学者，如何选择合适的拓扑就显得非常困难了。掌握拓扑的基本特性非常有必要，这有助于工程师选择合适的拓扑，避免因为拓扑选择不当而浪费时间。

　　一些拓扑适用于离线式(电网供电的)AC/DC变换器，其中有些适合小功率输出( <200W)，有些适合大功率输出;有些适合较高的AC输入电压(≥220V AC)，而有些适合较低的AC输入电压的场合;有些在较高的DC输出电压(>200V)场合有较大的优势，而有些在较低的DC输出电压场合有较大的优势。对于多输出电压等级的应用场合，使用器件较少或是在器件数与可靠性之间有较好折中是选择拓扑要考虑的因素。同时，输入输出纹波和噪声要求也是选择拓扑要考虑的重要因素。某些拓扑因其本身固有的局限性，需要辅助电路或更复杂的电路，使得在某些应用场合它的特性变得非常难以分析。

　　因此，要恰当选择拓扑，熟悉各种不同基本拓扑的优缺点是非常重要的。错误的选择会导致电源的性能变差，甚至浪费设计时间和成本。因此，有必要充分地了解不同拓扑的基本特性参数。

　　本章将介绍几种构成线性电源和开关电源的基本拓扑，这些拓扑包括：

　　·线性调整器

　　.Buck调整器

　　·Boost调整器

　　·反相开关型调整器(反激式或Buck-Boost调整器)

　　介绍每种拓扑的基本工作原理、典型波形和优缺点，不同输出功率、不同输入电压下晶体

　　管的峰值电流和电压应力，输入电流与输出功率和输入电压之间的关系，效率及DC和AC开

　　关损耗，以及一些典型的应用。

　　1.2 线性调整器——耗能型调整器

　　1.2.1 基本工作原理

　　为了说明较复杂的开关调整器的主要优势，先来分析线性调整器(或称串联型调整器)有哪些优缺点，有哪些特性不如开关调整器。

　　线性调整器的基本电路如图1.1(a)所示，晶体管Q1(工作于线性状态，或非开关状态)构成一个连接直流源Vd。和输出端Vo的可调电气电阻，直流源n。由60Hz隔离变压器，整流桥和储能电容C，构成的电路产生，输出端vo用于连接外部负载。

　　在图1.1(a)中，Rl和R2组成的分压网络对输出ftl压采样，采样电压输入到误簋放大器

　　同参考电压进行比较，误差放大器输出电压经驱动电路驱动串联的功牢晶体管。调悭原耻如下：直流输出电压由于输入电压升高或输出负载电流减小而升高nt，串接晶体管(设为NPN型)基极电压下降，其等效电阻阻值加大，使输出电骶降低，从而保持采样电压等于参考电压a这种负反馈控制在输出电压由于输入电压下降或负载电流增加而下降时也同样起作用。此时，误差放大器输出会使串接晶体管基极电压上升，集射极电阻减小，直流输出电压升高，使输出电压v恒定。

　　实质上，输入电压的任何变化(不管是由于交流输人网压的纹波，还是由于输入电压规定范围内的稳态波动，或是由于负载瞬变造成的输入电压瞬态变化)都会被串联晶体管等效电阻所调整，使输出电压保持不变，其恒定程度与反馈放大器的开环增益相关。

　　

 

　　图1.1(a)线性调整器。Ql连接直流源和输出端负载，起可调电阻作用;只要输入电压足够大

　　予输出电压，负反馈环通过误差运放改变Ql等效阻值以保持输出电压vo的稳定。

　　(b)线性调整器需要的最小输入一输出电压差。若串联NPN型晶体管，则应保证交流输入电压v^c最低时对应的C，端直流电压的纹波谷值与输出电压吒之间有2. 5V的压差开关调整器有变压器和快速的开关动作，可能产生大量的RFI干扰Q而在线性调整器中，反馈网路完全是直流耦合口由于整个回路没有开关动作，所以回路各点的直流电压都可预测和计算。.线性调整器具有较低的RFI干扰，在某些应用场合具有较大的优势a因此，在现代电源应用领域，即使线性调整器的效率非常低，但它仍占有一席之地。而且，功率损耗主要由Ql的直流电流和电压产生，损耗和总效率很容易计算。

　　电路中没有变压器并且不存在引起RFI噪声的瞬态尖峰电压或电I9由于晶体管不工作在开关状态，所以不存在晶体管的下降电流和上升电压瞬时‘蓖磕造成的交流开关损耗a

　　1. 2.2线性调整器的缺点

　　直到20世纪60年代初期，这种简单的直流耦合串联型线性捌憋器一直足数f亿美元产值的电琢工业的主要产品口但是，这种电路有以下缺陷。

　　这种电源只能降压。

　　它的输出与输入之间有公共端，当输入和输出之间，或多路输出之间需要直流隔离时

　　电路的设计会变得非常复杂。

　　·其初始直流输入电压(即图1.1(a)中的圪)一般由工频变压器次级整流获得，而工麴变压器的体积和重最限制了它的推广应用。

　　·如1.2.3节所介绍的，这种电路的效率非常低，造成非常大的功率损耗，需要较大的散

　　热片。.

　　1.2.3 串接晶体管的功率损耗

　　线性调整器的主要缺点是串接晶体管存在过大功耗。所有的负载电流都必须通过串接晶体管，其功耗为(Vdc一匕)厶。大多数情况下，串接NPN型晶体管的最小压差(‰—圪)为2.5Vo假设整流滤波电容足够大，可忽略纹波。若直流输入电压由工频变压器次级整流获得，则次级匝数选择应保证交流网压最低时对应的次级整流电压为(圪+2.5)，此时Ql的损耗最小。

　　然而，当交流网压最高时Q1的压差将大很多，串接晶体管损耗严重，电源效率明显降低。由于2. SV最低压差的存在，在额定输出电压较低时造成的损耗显得更为严重。

　　以下例子可以说明这一点。假设交流输入电压的波动范围为±15%，以下列3台线性调

　　整器为例，

　　·输出5V/IOA

　　·输出15V/IOA

　　·输出30V/IOA

　　假设次级滤波电容足够大，整流电压纹波可忽略。次级整流获得的直流电压Vdc的波动范围与交流网压波动范围对应，均为±15%q若网压输入最低(一15%)时，变压器次级电压为(V+2.5)，则网压输人最高(+15%)时，最大直流输入电压为1·35(v+2.5)Q调整器具体参数如下。

　　由上面的数据可知，直流输出电压低时，调整器的效率比输出电压高时低很多。若不忽略 输入网压纹波且容许网压波动±15%，则5V输出调整器的效率只有32%～35%