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开关电源兴趣小组 第02次任务

 
本帖最后由 maychang 于 2020-8-16 07:27 编辑

 

上周我们发布了《开关电源兴趣小组第01次任务》.,安排了阅读任务,并布置了两道思考题

  1、《开关电源设计(第3版)》图1.1是否有错误?如果有错,错在哪里?

S02_01.png   该图中电路是错的,错在两个二极管中下面那个二极管与电容串联,没有直流通路,当然也就无法为负载供电。
  正确的电路如下:

S02_02.png   这是很简单的全波整流电容输入滤波电路。

  2、某单片机需要接收串口信号,并根据串口信号将数据用8位数码管显示出来。电源电压为24V,拟用一片7805线性稳压器为单片机和8位数码管供电。请估算7805效率。你认为这个方案是否能够接受?
  7805这类三端线性稳压芯片,自身耗电比较小(典型值4~8mA),相对于负载电流可以忽略,所以可以粗略地认为7805负载上的电流(输出电流)等于输入电流。既然输出电流等于输入电流,那么效率就等于输出电压比输入电压。对本例来说,为5/24=20.8%。考虑到8905自身消耗电流,实际上的效率比此值还要小一些。
  这么低的效率通常是不能接受的。
  即使设计者不怕效率低,此方案也存在散热问题。假定单片机和8位数码管消耗电流150mA,那么7805上的功率耗散约为(24V-5V)*0.15A=2.85W。这是个比较大的功率,7805需要加上一个体积不算太小的散热器才能够正常工作。若是输出电流更大,那么发热当然也更大,需要更大的散热器。

 

  第02次活动,请各位阅读《开关电源设计 第三版》第1章第3.1节“Buck开关型调整器”、第1章第3.2节“Buck调整器的主要电流波形”。
  这两节主要是讲Buck电路工作原理。Buck电路也称Step-down电路,或者称降压调整器电路。
  在这两节中,假定元器件都是理想的。而且必须注意:这两节中的波形都是开关电源工作达到稳态时的波形。所谓稳态,并非指电路中各点电压电流不变化,而是一个开关周期内电压电流的变化与前一个周期完全相同。所谓没有达到稳态,是指一个开关周期内电压电流与前一个周期不完全相同。开关电源上电后,不是稳定工作,后一个开关周期的电压电流与前一个周期并不相同。但经过若干周期后,后一个周期的电压电流与前一个周期的差别逐渐减小,逐渐进入稳态。
  但是,这本书在这两节里面只讲了Buck电路的电流连续工作模式,而未讲Buck的电流断续工作模式,原因可能是电流断续模式的Buck变换器使用比较少。而且,对Buck电路一个周期内各个阶段的文字叙述不是很详细,也没有给出理想元器件情况下,PWM占空比与输入输出电压的关系。
  如果对这本书的叙述不满意,或者感觉看不懂,请看《双向直流变换器》第2.1.1节“Buck直流变换器”的一、二、三、四、五段。《双向直流变换器》对Buck变换器叙述得详细很多,而且是电流连续工作模式和电流断续模式放到一起对比着讲,还给出了PWM占空比、输入电压、输出电压等等变量之间的关系。当然,篇幅也比较大。强烈建议参考《双向直流变换器》第2.1.1节“Buck直流变换器”。 《双向直流变换器》这本书,是把Buck变换器的电流连续模式和断续模式放在一起讲,这样便于学习者对照参考,比较容易理解。
  但阅读《双向直流变换器》这本书时,需要注意,该书“图2.1 Buck变换器的主电路及其主要工作波形”中,波形最下面一行输出电压波形是不够正确的。正确的波形什么样,以后再说。
  对没有接触过开关电源工作原理(康华光模拟电路教材中,开关电源部分加了星号,是选用部分)的网友来说,Buck变换器电路工作原理是入门第一课,务必要下些功夫,充分掌握。这部分掌握了,再理解Boost电路和Buck-Boost电路以及正激、反激电路就比较容易了。
  如果阅读之后仍然不理解Buck电路如何工作,可以试试看下面的波形动图。

S02_03.gif   需要说明:图中蓝色箭头表示电动势,是电压的反方向。之所以采用电动势方向,是因为电感中电动势方向与电流方向之间的关系容易记忆(楞次定律)。所以,负载旁的蓝色箭头也是表示电压的反方向。绿色线表示电感中的磁通。红色箭头表示电流方向,其大小用箭头长度表示。当然,此动图仅表示了理想元器件工作,且仅限于Buck变换器电流连续工作模式。图中用一个理想开关代替了《开关电源设计 第三版》图1.4中功率开关管。
  如果嫌动图动作太快,可以看下面的ppt文件,手动翻页。

Buck连续1.ppt (156 KB, 下载次数: 20)


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图1的线路其上部的二极管应该还是起作用的,只不过是半波整流,没有达到全波整流的效果吧。

点评

是的,该图的接法,下面的二极管不起整流作用,上面的二极管构成半波整流。 但是,没有了滤波电容的储能,线性调整管Q1的集电极对地电压是断续的 “馒头波”,仍然不能正常工作。  详情 回复 发表于 2020-8-14 14:45

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hujj 发表于 2020-8-14 14:33 图1的线路其上部的二极管应该还是起作用的,只不过是半波整流,没有达到全波整流的效果吧。

是的,该图的接法,下面的二极管不起整流作用,上面的二极管构成半波整流。

但是,没有了滤波电容的储能,线性调整管Q1的集电极对地电压是断续的 “馒头波”,仍然不能正常工作。


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1、

(1)Q1关断后,电感电流不能突变需要续流回路;而Q1关断瞬间二极管尚未导通时,理论上电感的反向感应电动势无穷大,一定会使二极管D1导通,于是形成续流回路,电感电流连续且完全流过二极管D1。

(2)电流连续模式下,Q1驱动信号到达时,二极管仍在续流,输入电压加在漏源极上使Q1导通,同时使得二极管D1截止;此时电感电流同样不能突变需要续流,于是连续且完全的流过输入电源与Q1的支路。

2、

(1)理想情况下电容电流即为电感电流的脉动分量,波形与图(f)一样,使直流分量Io等于0即可。

(2)电容电压在Vo基础上波动,电流脉动分量为负值时电容电压减小,为正值时电容电压增加;由于电流总是呈线性增加或减小,积分则为二次函数增加或减小,于是易画出电容电压大概波形。

3、

(1)二极管开路,则当Q1关断时没有续流回路,如题1回答所示,电感理论上会产生无穷大反电动势,即右正左负的电压尖峰,击穿Q1、击穿输出电容、电感发热烧毁等等都有可能。

(2)二极管短路,则当Q1导通时电源可能短路烧毁。

4、普通二极管反向恢复时间长,当Q1从关断到导通时,不能及时截止,反而产生大电流,可能会使电源短路烧毁。所以续流二极管常选用快恢复或肖特基。

5、题中所述即为电感电流断续模式,是存在这种现象的。这种模式下续流二极管为自然关断,反向恢复损耗较连续模式更小。

 

额外求助:想学习带有耦合电感的开关拓扑分析,求相关书籍或文章


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第一次思考题我全答错了,但我要申明一下我的观点,一问,明显书印错了,这从外国翻译的书,难道老外错了???第二题,在特定情况,比如就12V小变压器,让你输出5V,且元件最省,不用这个用什么?????

 

本次答题:

1、《开关电源设计 第三版》图1.4中第4行(d)是开关管Q1中电流波形,第5行(e)是二极管D1中电流波形。这两行波形中,Q1关断时的电流为I2,D1立即导通,电流也是I2,Q1重新导通时电流为I1,D1关断时电流也是I1。为什么Q1关断后电流完全流过D1,Q1重新导通时D1中电流完全流过Q1?

答:最后一句笔误了吧,Q1关断后由于电感和电容的作用使电流流过D1,Q1重新导通进D1中的电流怎么也不会流过Q1的。应说流过L1,就是电感。我认为这个问本身就有问题。
  

2、试画出《开关电源设计 第三版》图1.4中电容两端电压即输出电压波形以及通过电容的电流波形。建议根据《开关电源设计 第三版》图1.4中第6行(f)电感电流波形来画。

答:同电感的一模一样。所以不用画了


  3、如果《开关电源设计 第三版》图1.4中二极管D1损坏(开路),电路将发生什么事情?如果二极管D1损坏(短路),将发生什么事情?

答:都没有电压输出,都是坏的,因为起振不了。
  4、实际的二极管都存在反向恢复时间,即二极管通有一定正向电流时突然施加反向电压,二极管不能立即关断,而是在一定时间内反向流过大电流。普通整流二极管例如1N5408,实测反向恢复时间为10微秒甚至更多,而快恢复二极管UF4007则只有50纳秒。当《开关电源设计 第三版》图1.4中使用了1N5408这类普通二极管充当续流二极管D1,当Q1由关断突然转入导通时,会发生什么事情?

答:会出现断流 ,严重影响产品质量,电压不会达标。
  5、图1.4各波形中,Q1中电流和D1中电流是连续的,即Q1中电流从某值变为零时D1中电流即从零变为该值。是否存在这样的模式:D1中电流已经降到零,但Q1尚未导通,所以电感中有一段时间电流为零?

答:能。
  第5题建议参考《双向直流变换器》2.2.1节。

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无论从体积上还是成本上开关电源都可以把变压器+7805干趴下  详情 回复 发表于 2020-8-22 17:15
“一问,明显书印错了,这从外国翻译的书,难道老外错了???” 老外也是人,是人就可能出错。  详情 回复 发表于 2020-8-16 14:49
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ddllxxrr 发表于 2020-8-16 14:15 第一次思考题我全答错了,但我要申明一下我的观点,一问,明显书印错了,这从外国翻译的书,难道老外错了? ...

“一问,明显书印错了,这从外国翻译的书,难道老外错了???”

老外也是人,是人就可能出错。


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1.当Q1导通时,此时二极管处于反向截止状态,相当于断路,故电流全部流经Q1;当Q1关断时,由于电感的存在,使得电流无法发生突变,故电流经过负载,再经过二极管d1,形成一个闭合回路,此时电流全部经过d1,该二极管也称为续流二极管。也许有人会问,Q1关断时,为什么电流不会经过电容c0,因为该电路输入的是直流电,电容通交隔直的作用,故电流无法经过c0。

 

2,同图f

 

3,d1短路时,该电路被短路,无法正常工作,严重的可能会烧毁电源;

  d1断路时,在Q1关断时无法形成闭合的续流回路,电路也无法正常工作。

 

4,换成了普通二极管之后,反向恢复的时间更长了,Q1从关断到导通理论上D1也应该有导通变为截止,但由于其时间较长,可能会存在断流现象。

 

5,该电路为DCM工作模式,


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纯净的硅(初级)

1、当Q1关断后,由于电感L1的作用,二极管D1导通,电流从二极管流过,D1起续流作用。当Q1重新导通后,它的电流逐渐取代二极管的正向电流,最后导致二极管截止,L1的电流全部由Q1提供。

 

2、电容C1两端的电压及流过电容的电流波形如下,其中流过电容的电流不一定正好在导通结束时降为零:

Q2_1.jpg 3、当D1开路时无D续流的作用,仅仅是Q导通和C放电的过程;当D1短路时电路无输出,Q1很快也会因电流过大而烧毁。

 

4、若续流二极管D1的反向恢复时间过长时则会产生导通损耗,恢复时间越长,损耗越大。

 

5、若D1的续流电流降至零而Q1尚未导通,此时电路处于电感电流断续工作模式,而不是电感电流连续工作模式。

 

 


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《双向直流变换器》有电子档?

 

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有电子档。okhxyyo已放到云盘,详情请问okhxyyo。  详情 回复 发表于 2020-8-18 07:09

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cjjh2014 发表于 2020-8-17 20:48 《双向直流变换器》有电子档?  

有电子档。okhxyyo已放到云盘,详情请问okhxyyo。


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cjjh2014 发表于 2020-8-17 20:48 《双向直流变换器》有电子档?  

有的,加我微信,进开关电源小组的群,资料都放在群里

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找到了,谢谢!    详情 回复 发表于 2020-8-18 21:08
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okhxyyo 发表于 2020-8-18 16:46 有的,加我微信,进开关电源小组的群,资料都放在群里 我微信号:okhxyyo

找到了,谢谢!

 


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任务二有点难度了,延几天交作业哦。
 

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确实是个坎,对从未接触开关电源的人来说,有点困难。 其实,只要注意电感的定义(在任何一本电路分析或者电工学书籍中都有),注意到理想电感两端电压恒定时电感中电流线性变化(波形是一条直线,倾斜或者水平),就  详情 回复 发表于 2020-8-20 10:07

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miaods2002 发表于 2020-8-20 09:37 任务二有点难度了,延几天交作业哦。  

确实是个坎,对从未接触开关电源的人来说,有点困难。

其实,只要注意电感的定义(在任何一本电路分析或者电工学书籍中都有),注意到理想电感两端电压恒定时电感中电流线性变化(波形是一条直线,倾斜或者水平),就可以理解Buck电路的波形。


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1.二极管的单向导通性;2. Nill  3. 电容C的电压将会上升直到被击穿,甚至反向击穿开关管,超出负载电压时烧坏负载元件。4.Vo可能会出现过冲。5.会有出现电流断续模式

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本帖最后由 1nnocent 于 2020-8-20 11:29 编辑

1、

(1)Q1导通时会对电感充电,当Q1断开时,电感会产生一个反电动势,电感右边为高电势,左边为低电势。这时候虽然Q1关断,但是会通过电感储存的电能给负载供电,使D1导通。电流会维持Q1关断瞬间的电流大小,所以此时电流完全通过D1。

(2)当Q1重新导通时,D1阴极的电势大于阳极,此时D1截止。同时D1中的电流没有了回流通路,这时D1中原来的电流I1会形成新的通路(即本来I1从“电感右端-》负载-》D1-》电感左端”;变为“电感右端-》负载-》Vdc-》Q1-》电感左端”)如下图所示。红色箭头是Q1关断时I1的电流通路,蓝色箭头为Q1重新导通时I1形成的新通路,所以Q1重新导通时D1中的电流完全流过Q1
QQ图片1.png

2、

(1)电容两端的输出电压波形实际是电容的充放电过程,因为电容值取得较大,所以充放电的电压曲线可以近似看成线性的,所以其电压波形与为其充电的电感中的电流波形相似即图f,实际上是该图的基础上偏曲线的电容充放电波形;

(2)电容上的电流波形会与负载的状态有一定的关系,空载时,电容上的电流波形与电感的电流波形一致即图f.

3、

(1)若D1损坏,Q1关断的瞬间,电感会产生放电动势,由于D1损坏没有泄放回路,这个反电动势会不断增大最终施加在Q1两端,导致Q1被击穿损坏;

(2)若D1短路,在Q1导通期间电源Vdc通过Q1直接短路到地,可能损坏电源,此时Q1也会因功耗过流发热产生损坏的风险。

4、Q1关断时电流由D1阳极流向阴极,Q1导通瞬间产生的电流方向由D1阴极流向阳极,且这个电流很大,此时 Vdc-》D1-》地 形成一个通路, 在这个瞬间产生的效果与D1短路类似。

5、存在,该情况为电感电路断续模式。该状态下D1是硬关断的,如上题所说,二极管硬关断瞬间会产生反向电流,在这个电流存在的瞬间会产生一个关断功耗。而在断续模式中D1自然关断,不会有额外的硬关断损耗。  刚开始看到这题也是没有头绪,通过学习评论区5楼大神的回答后得出答案。评论去还是有好多大神值得学习的。


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1、《开关电源设计 第三版》图1.4中第4行(d)是开关管Q1中电流波形,第5行(e)是二极管D1中电流波形。这两行波形中,Q1关断时的电流为I2,D1立即导通,电流也是I2,Q1重新导通时电流为I1,D1关断时电流也是I1。为什么Q1关断后电流完全流过D1,Q1重新导通时D1中电流完全流过Q1?
(1)、因为Q1关断时,电感电流无法突变而产生的反电动势,使V1点电压会迅速降到零,并变成负值直至被续流二极管钳位于比地电位低一个二极管的导通压降,所以,根据二极管的单向导通特性Q1关断后电流完全流过D1。
(2)、当Q1再次导通,V1点的电压迅速升至Vdc,D1反向截止,电流完全流过Q1。
2、试画出《开关电源设计 第三版》图1.4中电容两端电压即输出电压波形以及通过电容的电流波形。建议根据《开关电源设计 第三版》图1.4中第6行(f)电感电流波形来画。

    通过电容的电流波形与电感电流波形(f)相同,电容两端电压滞后于通过电容的电流90度。
3、如果《开关电源设计 第三版》图1.4中二极管D1损坏(开路),电路将发生什么事情?如果二极管D1损坏(短路),将发生什么事情?
(1)、在Q1关断后,电感和电容存储的能量无法泄放导致电路无法正常工作。
(2)、如果二极管D1损坏(短路),当Q1导通时相当于把电源正负极直接短接,这时流过Q1的电流会很大,导致Q1击穿,供电电源无法工作。
4、实际的二极管都存在反向恢复时间,即二极管通有一定正向电流时突然施加反向电压,二极管不能立即关断,而是在一定时间内反向流过大电流。普通整流二极管例如1N5408,实测反向恢复时间为10微秒甚至更多,而快恢复二极管UF4007则只有50纳秒。当《开关电源设计 第三版》图1.4中使用了1N5408这类普通二极管充当续流二极管D1,当Q1由关断突然转入导通时,会发生什么事情?
    损耗增大,温度升高,二极管损坏。
5、图1.4各波形中,Q1中电流和D1中电流是连续的,即Q1中电流从某值变为零时D1中电流即从零变为该值。是否存在这样的模式:D1中电流已经降到零,但Q1尚未导通,所以电感中有一段时间电流为零?
    电感电流不连续工作模式(DCM)。

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“通过电容的电流波形与电感电流波形(f)相同,电容两端电压滞后于通过电容的电流90度。” 前一句是对的,后一句 “滞后滞后于通过电容的电流90度” 不能成立。 非正弦波形,没办法说相  详情 回复 发表于 2020-8-20 15:40

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LuJianchang 发表于 2020-8-20 15:11 1、《开关电源设计 第三版》图1.4中第4行(d)是开关管Q1中电流波形,第5行(e)是二极管D1中电流波形。这两行 ...

“通过电容的电流波形与电感电流波形(f)相同,电容两端电压滞后于通过电容的电流90度。”

前一句是对的,后一句 “滞后滞后于通过电容的电流90度” 不能成立。

非正弦波形,没办法说相位超前或者滞后多少。“滞后90度” 只对单一频率的纯正弦信号才成立。

点评

多谢指正!  详情 回复 发表于 2020-8-20 17:30

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maychang 发表于 2020-8-20 15:40 “通过电容的电流波形与电感电流波形(f)相同,电容两端电压滞后于通过电容的电流90度。” ...

多谢指正!


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