现代电子技术现代电子技术- -电源管理专题电源管理专题主讲人：刘素凯制作人：宋迪 吴国斌 时间：2013年12月9日 地点：世A103Central South University The Electronic Information Engineering目录目录一、 电源管理概述1.1 概述1.2 技术指标二、DC-DC电源变换技术2.1 DC-DC变换2.2 线性稳压 2.3 Buck型开关电源2.4 Boost型开关电源三 、总结电源管理是指如何将电源有效分配给系统的不 同组件。电源管理对于依赖电池电源的移动式设备 至关重要。通过降低组件闲置时的能耗，优秀的电 源管理系统能够将电池寿命延长两倍或三倍。电源 管理技术也称做电源控制技术，它属于电力电子技 术的范畴，是集电力变换，现代电子，网络组建， 自动控制等多学科于一体的边缘交叉技术，现今已 经广泛应用到工业，能源，交通，信息，航空，国 防，教育，文化等诸多领域。一、电源管理1.1 概述1.2 1.2 电源管理技术指标电源管理技术指标输入电压： Uin输入电流： Iin输出电压： Uout输出电流： Iout电源效率：评判一个电源好坏的重要参数。功率因数：有功功率除以视在功率。输出电压纹波：这是峰-峰值电压，它的频率和大小应该能被负载所接受电压调整率：（最高输出电压-最低输出电压）/额定输出电压 X100%负载调整率：（满载时输出电压-半载时输出电压）/额定负载时输出电压工作温度：尤其是大功率的电压更应该考虑温度这个指标。 将一个不受控制的输入直流电压变换成为另一个受控的输 出直流电压称之为DC-DC变换。 随着科学技术的发展，对电子设备的要求是：性能更加 可靠；功能不断增加；使用更加方便；体积日益减 小。这些使DC-DC变换技术变得更加重要。目前，DC-DC变 换器在计算机、航空、航天、水下行器、通信及电视等领 域得到了广泛的应用，同时，这些应用也促进了DC-DC变 换技术的进一步发展。 实现DC-DC变换有两种模式：1.线性调节模式(Linear Regulator)2.开关调节模式（Switching Regulator）二、 DC-DC电源变换技术2.1 DC-DC变换电源元件的基本方程电容： 当一电流流经电容, 电容 两端的电压逐渐增加, 并 且电容量越大 电压增加 越慢在稳态工作的开关电源 中流经电容的电流对时 间的积分为零电感:当一电感突然 加上一个电压时, 其中的电流逐渐增 加, 并且电感量越 大电流增加越慢当一电感上的电 流突然中断, 在其 两端会产生一瞬时 高压, 并且电感量 越大该电压越高分析开关电源中电容和电感的几条原则：分析开关电源中电容和电感的几条原则： 1.电容两端的电压不能突变 2.电感中的电流不能突变 3.流经电容的电流平均值在一个开关周期内为零 4.电感两端的伏秒积在一个开关周期内为零2.2 线性稳压线性调节器模式如图5-1a所示，在这种模式 中晶体管工作在线性工作区，其输出电压为 。晶体管模型可以用可调电阻RT等效，其 等效电路如图5-1b所示。显然晶体管功率 损耗为优点：缺点：1、设计成本低2、输出纹波小3、具有很好的线性调整率和负载调整率1、效率低，当输入电压与输出电压差增大时，功率消耗增大。应用场景：当输入和输出电压差距不大，效率要求不高时，LDO是最好的选择。线性稳压芯片： LM78xx AMS1117-xx TPS79733 (LDO)2.3 Buck型开关电源Buck电路又称为串联开关稳压电路，或降压斩 波电路。Buck变换器原理图如下图所示。它有两 种基本工作模式，即电感电流连续模式CCM和电感 电流断续模式。电感电流连续是指输出滤波电感 电流总是大于零，电感电流断续是指在开关管关 断期间有一段时间电感电流为零，这两种状态之 间有一个临界状态，即在开关管关断末期电感电 流刚好为零。电感电流连续时，Buck变换器存在 两种开关状态；电感电流断续时，Buck变换器存 在三种开关状态；如图b、c、d所示。 电路在稳态时，各电压和电流的周期均为T，因 ， 则电感电压在一个周期中的积分为零。因电感电压在开关导通时为 ，断开时为 ，则由上式得BUCK变换器设计步骤 选择续流二极管D。续流二极管选用快恢复二极管，其额定工作电流 和反向耐压必须满足电路要求，并留一定的余量。 选择开关管工作频率。最好工作频率大于20KHZ，以避开音频噪声。 工作频率提高可以减小L、C，但开关损耗增大，因此效率减小。 开关管可选方案：MOSFET、IGBT、GTR。 占空比选择。为保证当输入电压发生波动时，输出电压能够稳定，占 空比一般选0.7左右。 确定临界电感,电感选取一般为临界电感的10倍。确定电容：耐压值要大于最大的输出电压，并且留有一定的余量。电容值增大，有利于减小输出电压的纹波。2.3 Boost型开关电源Boost电路如图所示，它是一升压斩波电路，同Buck变换器一样 ，Boost变换器也有电感电流连续和断续两种工作方式，电感电 流连续时，存在两种开关状态；电感电流断续时，存在三种开关状态。电路稳定状态下的工作分析如下：电路进入稳态后：当开关导通时，电源向L充电，C上得电量向负载供电。当开关断开时，电源U和L同时向C充电，并向负载供电。电感L满足下式：Boost变换器设计步骤 选择续流二极管D。续流二极管选用快恢复二极管，其额定工作电流 和反向耐压必须满足电路要求，并留一定的余量。 选择开关管工作频率。最好工作频率大于20KHZ，以避开音频噪声。 工作频率提高可以减小L、C，但开关损耗增大，因此效率减小。 开关管可选方案：MOSFET、IGBT、GTR。 占空比选择,因为是升压电路，所以注意占空比的选择要合适。 确定临界电感,电感选取一般为临界电感的10倍。确定电容：耐压值要大于最大的输出电压，并且留有一定的余量。电容值增大，有利于减小输出电压的纹波。小结：1、线性稳压电源适用于低压差的场合2、电容的电压不能够突变，电感的电流不能够突变。3、流经电容的电流平均值为零，电感两端电压的平均值为零。4、注意开关电源中各个元器件的选取方法，并且注意留有余量。5、当你听到爆炸声不那么心惊肉跳之后，说明你的电源水平不错了！