降压开关稳压器如何使用串联晶体管
发布日期:2023-07-08
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降压开关稳压器是一种开关模式电源电路，旨在有效地将直流电压从较高电压降低到较低电压，即减去或“降压”电源电压，从而降低输出端可用的电压端子无需改变极性。换句话说，降压开关调节器是降压调节器电路，因此例如降压转换器可以将+12伏转换为+5伏。
降压开关稳压器是一种直流-直流转换器，也是简单、的开关稳压器类型之一。当在开关模式电源配置中使用时，降压开关稳压器使用串联晶体管或功率 MOSFET（是绝缘栅双极晶体管或 IGBT）作为其主要开关器件，如下所示。
降压开关稳压器
我们可以看到，降压转换器的基本电路配置是串联晶体管开关TR 1以及相关的驱动电路（使输出电压尽可能接近所需水平）、二极管D 1、电感器L 1和平滑电容器C 1。降压转换器有两种工作模式，具体取决于开关晶体管TR 1是“导通”还是“截止”。
当晶体管偏置为“ON”（开关闭合）时，二极管D 1变为反向偏置，输入电压V IN导致电流通过电感器流至输出端连接的负载，为电容器C 1充电。
当变化的电流流过电感器线圈时，根据法拉第定律，它会产生反电动势，该反电动势与电流流动相反，直到达到稳定状态，在电感器周围产生磁场L 1。只要TR 1关闭，这种情况就会无限期地持续下去。
当晶体管TR 1通过控制电路“关闭”（开关打开）时，输入电压立即与发射极电路断开，导致电感器周围的磁场崩溃，从而在电感器上产生反向电压。
该反向电压导致二极管变得正向偏置，因此电感器磁场中存储的能量迫使电流继续以相同方向流过负载，并通过二极管返回。
然后，电感器L 1将其存储的能量返回到负载，充当电源并提供电流，直到所有电感器的能量返回到电路或直到晶体管开关再次闭合（以先到者为准）。同时电容器也放电，为负载提供电流。电感器和电容器的组合形成了 LC 滤波器，可以消除晶体管开关动作产生的任何纹波。
因此，当晶体管固态开关闭合时，电流由电源提供，而当晶体管开关打开时，电流由电感器提供。请注意，流经电感器的电流始终沿相同方向，直接来自电源或通过二极管，但显然在开关周期内的不同时间。
由于晶体管开关连续闭合和打开，因此平均输出电压值将与占空比D相关，D被定义为晶体管开关在一个完整开关周期期间的导通时间。
如果V IN是电源电压，并且晶体管开关的“ON”和“OFF”时间定义为：t ON和t OFF，则输出电压V OUT为：
降压转换器的占空比也可以定义为：
降压开关稳压器占空比
因此，占空比越大，开关电源的平均直流输出电压就越高。由此我们还可以看出，由于占空比D永远无法达到 1（单位） ，因此输出电压将始终低于输入电压，从而导致降压稳压器。
通过改变占空比来实现电压调节，开关速度高达 200kHz，可以使用更小的元件，从而大大减小开关模式电源的尺寸和重量。
降压转换器的另一个优点是电感电容 (LC) 布置可以提供非常好的电感电流滤波。理想情况下，降压转换器应在连续开关模式下运行，以便电感器电流永远不会降至零。如果使用理想的组件，即“导通”状态下的压降和开关损耗为零，理想的降压转换器的效率可高达 100%。
除了用于开关模式电源基本设计的降压开关稳压器之外，基本开关稳压器还有另一种操作方式，即升压稳压器，称为升压转换器。
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