為何使用開關(guān)模式電源?

顯然是高效率。在SMPS中,晶體管在開關(guān)模式而非線性模式下運(yùn)行。這意味著,當(dāng)晶體管導(dǎo)通并傳導(dǎo)電流時(shí),電源路徑上的壓降最小。當(dāng)晶體管關(guān)斷并阻止高電壓時(shí),電源路徑中幾乎沒有電流。因此,半導(dǎo)體晶體管就像一個(gè)理想的開關(guān)。晶體管中的功率損耗可減至最小。高效率、低功耗和高功率密度(小尺寸)是設(shè)計(jì)人員使用SMPS而不是線性穩(wěn)壓器或LDO的主要原因,特別是在高電流應(yīng)用中。例如,如今12VIN、3．3VOUT開關(guān)模式同步降壓電源通常可實(shí)現(xiàn)90%以上的效率,而線性穩(wěn)壓器的效率不到27．5%。這意味著功率損耗或尺寸至少減小了8倍。

最常用的開關(guān)電源——降壓轉(zhuǎn)換器

圖8顯示最簡(jiǎn)單、最常用的開關(guān)穩(wěn)壓器——降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。它有兩種操作模式,具體取決于晶體管Q1是開啟還是關(guān)閉。為了簡(jiǎn)化討論,假定所有電源設(shè)備都是理想設(shè)備。當(dāng)開關(guān)(晶體管)Q1開啟時(shí),開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓VSW = VIN,電感L電流由(VIN – VO)充電。圖8(a)顯示此電感充電模式下的等效電路。當(dāng)開關(guān)Q1關(guān)閉時(shí),電感電流通過(guò)續(xù)流二極管D1,如圖8(b)所示。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓VSW = 0V,電感L電流由VO負(fù)載放電。由于理想電感在穩(wěn)態(tài)下不可能有直流電壓,平均輸出電壓VO可通過(guò)以下公式算出:

通常,計(jì)算開關(guān)相關(guān)損耗并不簡(jiǎn)單。開關(guān)相關(guān)損耗與開關(guān)頻率fS成正比。在12VIN、3．3VO/10AMAX同步降壓轉(zhuǎn)換器中,200kHz – 500kHz開關(guān)頻率下的交流損耗約導(dǎo)致2%至5%的效率損失。因此,滿負(fù)載下的總效率約為93%,比LR或LDO電源要好得多。可以減少將近10倍的熱量或尺寸。

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參考資料

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