充電器開關變換器工作原理

6w電源適配器降壓變換器

圖表示典型降壓變換器功率級的一般結構。

開關元件Q1的開和關由方波驅動電路給出的開關率可調（占空比控制）的信號來控制。

Q1導通時，A點的電壓將上升到充電器電壓Vin。穩態條件下，Vin=Vout的正向電壓加在串聯電感繞組L1上，Q1導通期間該電感繞組中的電流線性增長。電流波形如圖所示。

Q1關斷時，電感繞組試圖維持正向電流恒定，A點的電壓快速變負（通過正常的反激作用），直到二極管D1導通。L1中的電流繼續按原方向繞著回路B和負載流動。可是由于電感繞組L1兩端的電壓已經反向（Vout加上二極管反向壓降），在關斷期間L1中的電流將線性減小到原來值。

為維持穩態條件，正向時（Q1導通時）加到電感繞組的輸入伏秒必須等于反向時（Q關斷時）所加的輸出伏秒。因此輸出電壓由輸入電壓和導通與關斷的比率來確定。

經驗證，Q1導通時，加在L1上的伏秒是

Q1關斷時，二極管導通，加在L1上的伏秒是

因此，為滿足L1上的伏秒相等（忽略損耗），

式中，Vout=輸出電壓；

toff=關斷時間，Q1；

Vin=輸入電壓；

ton=導通時間，Q1。

其比率

定義為占空比D，則前面的等式可簡寫成

Vout=VinD

由于D不能大于1，從這個把損耗計算在內的等式可以清楚地知道，在降壓變換器中，輸出電壓必須總是小于所加的輸入電壓。

由于L1和D1上的功率損耗非常小，并且Q1工作于低損耗的飽和導通狀態或高阻的關斷狀態，故該DC變換器的效率特別高。

從先前的等式可進一步看出，傳遞函數中不含有與輸出電流有關的因素，因此降壓變換器的輸出阻抗特別低。在一階系統中（忽略損耗），無需改變占空比就可提供更大的輸出電流。可只是當負載電流不低于臨界較小值時才是這樣，圖中較低的波形表示了這種情況。臨界較小負載電流由電感繞組L1的值確定。

雖然允許在臨界較小負載電流之下工作，由于此時占空比必須隨負載的變化而改變，所以會降低某些預期的性能。再有，在低電流不連續工作區，功率部分的輸出電阻變高傳遞函數已經改變。如果要維持該區域的工作穩定，控制電路必須能夠補償傳遞函數的這些變化。

在多輸出變換器中通常用這種降壓變換器提供附加的副邊調節。這種情況下，降壓變換器主要用來同步開關變換器的重復頻率與變換器的重復頻率，以消除輸出紋波中的低頻內部調制影響（拍頻）。

為使常規的驅動和控制電路用于多輸出電路的開關變換器，較好是所有的變換器輸出在可能的位置共用一條返回線。

應該注意到降壓變換器的輸入電流是斷續的（脈動的），通常需要輸入濾波器。由于降壓變換器具有有效的負輸入電阻斜率（輸入電壓升高時，輸入電流降低），設計者應注意避免輸入濾波器諧振引起的不穩定。低充電器阻抗對Q來說是重要的，這樣Q1導通時流過較大電流，而輸入電壓幾乎維持不變。通常在盡可能接近Q集電極的位置接上一個大的、低ESR電容器，而輸入電感繞組可能需要一些電阻性阻尼。

類型2，升壓變換器

圖表示升壓變換器功率部分的一般結構，工作如下。

Q1導通時，手機充電器電壓加在串聯電感繞組L1上。穩態條件下，L中的電流正向線性增長。整流二極管D反向偏置且不導通。同時（穩態條件下），電流從輸出電容器C流向負載。因此C1放電。電流波形如圖所示。

Q1關斷時，L中的電流繼續同方向流動并使A點的電壓為正。當A點的電壓超過電容器C1上的輸出電壓時，整流二極管D2將導通，電感繞組中的電流傳遞到輸出電容器和負載。由于輸出電壓超過充電器電壓，在Q1關斷期間，L1將反向偏置，L中的電流將向著它原來的值線性減小。

與降壓變換器不同，從整流二極管D流入輸出電容器C1的電流總是斷續的，如果要使輸出紋波電壓與降壓變換器中的輸出紋波電壓一樣低的話，則需要更大的輸出電容器。C1中的紋波電流也很大。

對于升壓變換器的優點，輸入電流是連續的（雖然此處將有取決于電感L1的值的紋波成分），因此需要較小的輸入濾波，這消除了由輸入濾波器引起的不穩定因素。

與降壓變換器一樣，為維持穩態條件，加到L1兩端的正向和反向伏秒必須相等。輸出電壓V。由功率開關的占空比和輸入電壓來控制，如下式。

經驗證（滿足L1上的伏秒相等），

但是

從該方程式可以看出攝像機電源適配器輸出電壓與負載電流無關（忽略損耗），并且輸出電阻非常低。同樣只是當負載電流不低于圖中所示的臨界值時才是這樣。負載電流低于臨界值時，占空比必須減小以維持輸出電壓不變。

同樣也應注意到在升壓變換器中負載電流的突然增加需要導通期間隨之增加（為增加L中的電流和補償電壓損耗）。可是增加導通時間將減小關斷時間，使輸出電壓隨之降低（與要求相反）直到L1中的電流增加到新的負載電流值。這在瞬態期間引入了一個附加的180°相移。這就是傳遞函數中存在右半平面的零點的原因。

通常L1值的選擇是要保證臨界電流低于所需要的較小負載電流，還有，L在較大負載和較大導通時間時不能飽和。