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利用分立元件的简单实用dc-dc开关电源电路
周铁戈
相对于传统的线性稳压电源,dc-dc开关电源具有效率高的优点,但是电路较为复杂。目前已经有很多芯片能够实现dc-dc变换,比如LM2596,其可调版本可以输出小于37V的各种电压,电流可达3A。本文介绍一种利用分立元件实现的简单实用dc-dc开关电源电路,属于降压型,图1给出的是电路原理图。电路可以用于电路原理的学习,了解施密特触发器和buck电路等。
图1 电路原理图
图中Q5和Q6构成达林顿管,作为开关,与电感L1和二极管D1构成buck电路。C2、L2和C3构成π型滤波电路,减小输出电压的纹波。R8是负载电阻。R5、R6、Q1和R4构成电压采样和控制电路。Q2、Q3、R1、R2和R3构成一个施密特触发器。触发器通过Q4控制Q5Q6开关的导通和截止,R12为Q5Q6开关提供偏置电流。R13和R14是电感的直流电阻。V1是输入电压。
电路的工作原理如下:电路刚接通输入电压时,施密特触发器的Q3是截止的,Q4截止,Q5Q6处于导通状态,V1通过Q5Q6向L1和负载R8提供电流。这样输出电压会不断升高,当电压达到设定值(由R5和R6分压决定,见后面),Q1就会导通,Q2的基极电压会下降,下降到一定程度,施密特触发器就会发生状态的突然转变,Q3突然导通,Q4导通,导致Q5Q6开关断开。断开后,电感L1通过D1继续向负载提供电流,但经过一段时间后,输出电压会下降,下降到一定程度Q1会出现截止,Q3会突然截止,Q4截止,Q5Q6导通,电流再次由输入电源流向L1和负载。这样循环往复就实现了开关电源的功能。
图2给出的是采用pspice仿真的结果,输入电压为12V,负载电阻为5欧姆。图中红色曲线为负载两端电压,约为5V,绿色曲线是流Q5Q6开关的电流,可以看出开关管最大电流2A,频率约3kHz,相对于普通的开关电源,这个频率较低。
图2 负载电压(红)和开关管电流波形(绿)
作者搭建了实际电路,并进行了测试,电路可以正常工作。一些需要说明的内容如下:
1、对于实际的输入电压,有可能内阻较大,应该在输入端增加电容,容量在3000uF以上。
2、该电路的原理与普通开关电源电路的原理并不完全相同,该电路的核心工作原理是输出电压降低时开关打开,而电压升高时开关断开。所以该电路的开关频率不是固定的,可能随负载和输入电压的变化而变化。
3、电路具有较强的适应性,当输出电压、负载电阻、电源电压和元件参数发生较大变化时,都能正常工作。
4、电源的输出电压可以近似表示为0.7×(1+R5/R6),电阻R5可以换成可变电阻,实现输出电压的连续可调。
5、在仿真中很容易出现不收敛的情况,这是开关导致电路突然发生变化导致的。
6、如果去掉负载R8,而把R5作为负载电阻,那么可以实现恒流功能,电流可以通过R6调整,大小为0.7/R6。
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