《开关电源培训讲义》PPT课件.ppt

自我介绍,姓名 ：陈天翼 工作部门：电气事业部电源项目组 从事工作：曾从事卤钨灯电源，低气压放电灯电源，高气压放电灯电源,LED驱动电源 职业定向：专职于双D照明电源驱动HID/LED照明电源驱动器 社会教育经历：2000年复旦大学电光源系荧光灯驱动器系列研发实训 2005年信息产业部电子五所EMC设计，测试，整改与认证专题整机可靠性设计与分析 2006年上海大学上海市物理学会第二届磁学研讨班,开关电源,什么是开关电源？ 通俗地说-电路中具有一个开关器件和一个能量转换器件的电源，就是开关电源。 开关可以是有触点，也可以是无触点。当开关在通断过程中，能量转换器件把电场能转换成磁场能，磁场能经线圈耦合后转换成电场能，最后把电能从一端转换到另一端供其他用电器使用。 对于开关电源的最简单的拓扑电路必须满足下述三个条件：能量，开关，耦合器件。,开关电源分类,开关电源按电流种类的入出可分为AC/DC, DC/DC两大类 DC/DC类开关电源 DC/DC类开关电源是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流载波器 按工作方式：一是脉宽调制方式T不变改变调制频率t；二是频率调制方式t不变，改变T 具体电路有以下几类： 1 Buck电路称为降压载波器，U0小于Ud,，极性入出相同 2 Bost电路称为升压载波器，U0大于Ud ， 极性入出相同 3 Buck-Bost降压或升压载波器 U0大于或小于U d极性入出相反，电感传输 4 Cuck 电路 降压或升压载波器 U0大于或小于U d极性入出相反，电容传输 AC/DC 变换器 AC/DC变换器是将交流变换为直流，电路结构形式有多种 1按驱动方式分，有自励式和他励式； 2按工作方式分，有单端正激和反激，推挽式，半桥式，全桥式，降压式，升压式和升降压式等， 3 按电路组成分 ，有谐振型和非谐振； 4按控制方式分，有PWM式，PFM式，PWM与PFM混合式； 5按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式非隔离式和变压器耦合式，光电耦合式,开关电源拓扑SCH,开关电源LED/HID驱动电源拓扑,重点介绍单级APFC反激拓扑:,离线式反激电源的设计涉及到很多电子工程方面的知识，包括模拟数字电路、双极性晶体管和MOSFET功率器件的特性、磁学、散热考虑、安全要求以及控制环路的稳定性等等。在如此多的设计变量之间进行复杂的抉择是一项巨大的挑战。因此，即使对该领域专家级的工程师而言，开发一个新的离线式电源也常是枯燥乏味和费时的。本应用指南介绍了一种基于L6562的离线式电源的简单而高效的设计方法。关于单级APFC反激电源设计，我们从实例出发TBP-025C070SPA,25W700mA的LED恒流驱动电源来详细介绍单级APFC反激开关电源的设计： 设计思路：由结果反推，即从输出参数-25W700mA反推整个单级APFC反激电路各个节点的设计参数，首先应用我们在学校学到公式：P=UI=IIR分别计算出LED灯的工作电压及等效电阻（即电子负载CR模式对应标称设定值) P=UI变形得到U=P/I，即U=35.71VDC P=IIR变形得到R=P/I/I,即R=51 由此计算得出的电阻值可作出生产过程中调整TBP-025C070SPA的电子负载CR模式,定标值,并以此定标值R=51来调整批量生产TBP-025C070SPA过程中输出电流值. 同时生产老化过程中输出端的电阻负载也依此R=51定标值来选择,即选尽可能靠近该中心值的电阻负载R= 5050W 输入端电压由客户订单要求来决定,通常按下述三种方式定标: 一:欧洲/国家电网定标 165VAC265VAC 50/60Hz 二:北美电网定标 90VAC138VAC 50/60Hz 三:宽压定标 90VAC265VAC 50/60Hz 四:电源效率由客户要求定标-85%,五:电源功率因数依据客户需求来定标0.95 由上述五个已知条件即可确定输入端最大有效电流值,计算公式Po/Vin/PF=Iin Po=输出功率(25W) Vin=最低输入电网电压 =电源转换效率 PF=电源功率因数 Iin=输入端最大电流有效值= 0.363A 由上述一系列公式计算得到输入/输出端的电流值,即可依此电流借助工具查表得出所需要的漆包线线径值如下表: 输出端漆包线线径=0.51mm 输入端漆包线线径= 0.35mm,TBP-025C070SPA SCH,由上述计算得出的输入,输出电流经查表后得到的漆包线线径值 输出端漆包线线径=0.51mm 输入端漆包线线径= 0.35mm 即可确定输入端L1 L2共模电感及差模电感及T1中N1绕组所使用的漆包线线径和输出端T1中N2绕组 L3共模电感所使用的漆包线线径. 通过上述计算,漆包线线径确定下来后,下一步工作进入变压器的设计环节,对于变压器的设计与计算,公式那是相当地烦琐,要记的系列推导公式大家可以查阅相关工具书,在此给大家介绍一款工具包应用.,在应用之前,先给大家讲讲变压器磁材方面的知识: 高频变压器的作用就是前面所讲到的将输入端电网的电能传输到输出LED工作所消耗的电能,变压器传输能量的大小由下述因素制约:工作频率,磁芯的窗口面积 传统的工频变压器,它的工作频率已确定,它的传输功率主要决定于磁芯的窗口面积.本节所要讲的高频变压器得分两个先天条件来讲: 一:磁芯的窗口面积已定,仅能改变工作频 率来提高功率传输值.,工作频率是定值时,功率传输值的大小仅能依靠磁芯的窗口面积的来决定.即磁芯的窗口面积越大,传输的功率就越大,即负载输出就越大. 对于单级APFC反激开关电源来讲,高频变压器的工作频率是一个变量,它的变化规律跟输入端电网电压成正比关系,即输入电压越高,工作频率就越高,因此在设计该类高频变压器时要死死扣住最低输入电网电压所对应的工作频率点,防止磁芯在正常工作过程发生磁饱和现象,杜绝电源因磁饱和烧机. 磁饱和究竟是怎么回事?,磁饱和现象得做一个简单实验来说明-即用一个固定圈线的线包,配上相应的磁芯,测量出室温状态的电感量值并记录下来,然后把整个装有磁芯的被测件置于装有变压器油的烧杯中,采用均匀加温的方式进行升温,以10作为记录点(恒温3分钟记录感量),当温度上升到某一值时,线圈中的电感值突然变0或消失,这种现象即为磁饱和.同时对应的温度点就是磁材发生磁饱和的温度值磁芯的居里温度. 磁芯的居里温度跟磁芯的初始磁导率成反比关系-磁导率越高,居里温度越低.,什么是磁饱和?,在上述实验中,我们不妨把70 到130 这一段的温度值连接起来,这条曲线越平滑,说明所选用的磁材性能越稳定. 为什么最大值选130 ,依据是什么-那就是漆包线QA-1的漆膜温度安全值,如果选用的是QZY-1,温度安全阀值是150 ,磁芯的温度曲线得从70 到150 进行连线. 不同材质磁芯居里温度值- R2K-230 R2K3-220 R2K5-210 R5K-180 R10K-150 ,那么在高频变压器中磁饱和是如何发生的? 当线圈一定时,依据电阻率公式R=*L/S可知线圈的内阻也就确定下来了,当流径线圈的电流变大时,线圈本身产生热量就会变大,同时磁损也会跟着变大,线损,磁损叠加,最后以温度体现出来,当温度达到磁材的居里温度时,圈中的电感量突然消失,这就是所谓的磁饱和. 产生的后果:线包烧糊,整机不能正常工作或烧毁.,如何设计高频变压器,在这里给大家推荐一款简单易懂的工具包(不嫌麻烦的可以采用公式推算),然后实验验证. 在下面这份EXCEL工具包中，背景色为绿色区域是高频变压器设计输入参数窗口： 最低输入电压：依订单要求填入 最高输入电压：依订单要求填入 电网频率：依订单要求填入 输出电压：将计算所得值填入 输出电流：将恒流值填入 输出电压纹波：,最低开关频率：由设计者自主设定填入 变压器反射电压：由设计者自主设定填入 磁芯截面积（Ae）：查磁芯参数表就近填入 磁芯窗口面积（Aw）：查表所得值填入 将上述数值填入后，在计结果区域得到我们 想要高频变压器相关参数- 原边匝数，副边匝数，辅助绕组， MOS管最大峰值电压，Diode最大峰值电压 输出所需电容，变压器原边电感量， 变压器所需磁芯的AP值等等。,在上表中知道了原边，副边匝数及线径，原边MOS参数值等等，依据就近原则进行查表验证即可。,输出电流及输出电压的设定,经过上述表格中一系列参数设定，通过公式 运算后，得出变压器参数的设计，从而确定 了高频变压器，至此高频变压器设计结束。 结合TBP-025C070SPA 原理图进行输出端电 流，输出电压最大值的设定。公式如下： Io=R25/（R25+R34）2.5V/R2 VO=2.5V/R38/(R32+R38) 系列保护功能,由APFC驱动芯片固有功能决 定,由其是开环保护.具体保护调整如下:,在原理图中光耦中发光二极管因某种原因停止 工作(内置发光二极管不发光),此时电源工作在 开环状态,如果没有开环功率限制或开环保护, 输出电压便会远远超出VO的设定值,PO超标工 作,输出端LED负载便会因过载而损坏,输出电容 会因过压而冒顶或直接爆炸. 对于图定芯片L6562,开环功率限制制约于R1阻 值的大小,当选定R1的值时,能够满足开环功率限 制时,还需考虑整机在低压状态时电源输出电流 值是否满足客户需求的恒流值.只有二都兼得,方 可定R1的值. 对于SN7530 芯片本身具有开环保护功能,R1选 取会相对容易一点,在设计时只需满足低压状态 时电源输出电流的恒流值符合客户需求. 类似芯片还有昂宝的03ACP等等,当输出端短路时，对于 SN7530及03ACP芯片而 言，它们的第8脚具过压 保护，第4脚过流点电压 检测，当检测到电压值 超过芯片内置阀值，保 护电路动作并锁机。 而对于L6562短路保护仅 能以打嗝模式工作，短 路视在功率在2W6W之 间变化。,磁芯AW值及AP值查照表,LED Lighting 介绍,LED发展概况 LED结构 LED照明常用术语 LED优缺点 LED封装种类 应用场所 常见LED灯具 LED Lighting驱动及机会,1962年, 开发出发红光的半导体化合物GaAsP； 1965年，全球第一款商用化的用锗材料做成的可发出红光的LED诞生。效率大约为0.1流明/瓦。 1968年，利用氮掺杂工艺使GaAsP材料LED器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。 1971，推出具有相同效率的GaP绿色芯片LED。 80年代早期,开发出AlGaAs LED，效率10流明/瓦。 1990年，开发出AlInGaP LED，比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。 1994年，研制出了第一只蓝光LED。 90年代后期，研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED。 近年来白光LED的发展相当迅速，白光LED的发光效率已大大提高，已经超过100流明/瓦。,发光二极管的核心部分（LED芯片）是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，称为PN结。外部用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。 LED 因其颜色不同,而其PN结的材料也不同: 如红色 ：铝-铟-镓-磷化物 绿色和蓝色: 铟-镓-氮化物 白色和其它色都是用RGB 三基色按适当的比例混合而成的。,波 长：不同颜色的光有不同的波长，范围在380至780nm之间。单位：纳米（nm） 亮 度：亮度是指物体明暗的程度，定义是单位面积的发光强度。单位：尼特（nit） 光 强：发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量。单位：坎德拉（cd） 光通量：光源每秒钟所发出的可见光量之总和。单位：流明（Lm） 光 效：电光源将电能转化为光的能力。它是衡量光源节能的重要指标。单位：每瓦流明（Lm/w）。 色 温：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。单位：开尔文（k）。 显色性：光源的显色性是由显色指数来表明，它表示物体在光下颜色比基准光（太阳光）照明时颜色的偏离。单位：Ra。,优点,缺点,效率高 超长寿命 可组成各种颜色 驱动相对简单 体积小 响应时间短 环保，无有害金属汞 低压，安全性高,每瓦的流明成本高. 光效还没有荧光灯或HID高. 显色指数低。,LED 封装种类,普通LED系列 食人鱼LED系列 大功率LED系列 数码管、点阵系列 贴片系列,普通LED系列(2-3 流明,If = 30mA),食人鱼LED系(4-8 流明,If = 70mA),大功率LED系列(15 流明,If 150mA),数码管、点阵系列,贴片系列,应用领域,信号指示：电子设备的功能指示、交通信号灯等； 显示应用：指示牌、广告牌、大屏幕显示等； 照明应用： 手电筒、头灯、矿灯、潜水灯等； 汽车用灯：刹车灯、转向灯、倒车灯、侧灯、雾灯、车内照明灯、前灯等； 特殊照明：太阳能庭院灯、太阳能路灯、小夜灯、台灯、射灯、室内装饰灯、橱窗灯、景观灯、护拦灯、地埋灯、水底灯等； 背光照明：手机背光源、笔记本电脑背光源、大尺寸LCD显示器背光源等； 通用照明,常见LED灯具,目前，市面上常见的LED灯具有如下：,LED地埋灯、LED水底灯、LED草坪灯、LED轮廓灯、LED彩虹管、LED灯杯、 LED投光灯、LED射灯、LED地砖灯、 LED墙壁灯、LED球泡等,LED Lighting驱动及机会,驱动器的基本作用是给LED 一个恒定的电流而非恒定电压， 要求在任何情况下，例如输入电压、温度或正向电压有任何变动，都要输出恒定而平均的电流，纹波电流控制在可接受的范围内。可分为：,非隔离式驱动控制,隔离式驱动控制,非隔离式驱动控制,没有隔离，安全性较差，其主要工作方式就是将整流后的电压直接采用开关降压的方式控制LED灯。代表芯片有,Supertex公司的HV9910 PI公司的LNK30X系列 IR公司IRS254X系列 dsPIC30F系列,HV9910典型应用电路,LNK30X系列典型应用电路,IRS254X系列典型应用电路,IRS254X控制原理及图形,采用dsPIC30F1010驱动LED的应用框图,隔离式驱动控制,由于采用了变压器隔离，安全性高。其主要工作方式就是通过开关电源将电压降低，再控制LED的电流。,电流控制方法,电阻限流 线性电流调节 开关电流调节 开关电源电流反馈控制,电阻限流,线性电流调节,开关电流调节,开关电源的电流反馈控制,TNY274/275/276/277 /278/279/280 TOP242/243/244/245/246 /247/248/249/250,用PI公司TOP247YN设计的带PFC的LED控制器(DER-167),模拟调节:通过线性改变回路的阻抗，实现改变流过白光LED的电流。优点:没干扰。缺点:效率低；色温改变。,调光控制方式有两种,LED灯调光控制,PWM调节：在LED的额定电流下，通过改变导通截至时间比，调节流过LED的平均电流。优点:色温不变；应用简单；效率高。缺点：容易产生噪声；光干扰。,模拟调节,PWM调节,开关电源的电流反馈电路实现调光控制,PIC10F2XX PIC12F615/510 PIC16F616/716 IR公司MOS(电压/电流),低电压输入LED驱动,使用电荷泵驱动LED 升压LED驱动 降压LED驱动,使用MCP1252的电荷泵LED驱动器,电荷泵电源不具有其它SMPS拓扑所必需的电感器。这使电路更紧凑更便宜。不足之处是，电荷泵无法提供很大的电流。电荷泵电路在背光照明应用中最有用。常见应用包括PC、LCD显示屏和汽车仪表。,升压LED驱动,使用MCP1650的电池供电升压LED驱动器,使用12V输入的LED智能驱动器,降压LED驱动,使用比较器的降压LED驱动器,使用数字控制的PIC12HV615降压LED驱动器,金卤灯驱动电源拓扑,整流滤波电路,PFC控制电路L6562,BUCK型降压电路UC2845,全桥电路如下图:,TB-MH070 SCH:,车用氙气灯驱动电源拓扑,The vital parameters requirements for the performance of HID controller,Requirement for A/D 1:Sampling resolution HID Lamp Work condition: Max load current:2A， Nomal current:0.4A， Sample resisitor: 0.2， Nomal working voltage:80mV； Max Load voltage:400V， Min load voltage:25V， Suppose the samle voltage is 1/100 of load voltage，for example 0.25V stand for 25v； 10bit ，5Vsource voltoge，resolution=4.88mV,the value in register =0.25v/4.88mV=51 12bit，3.3Vsource voltage, resolution=0.8mV,the value in register =0.25v/0.8mV=312 The better the resolution is ,the better control performance we can get. Sampling speed: It is the best that the A/D controller sampling speed is the same as the PWM controller speed。,Requirements for PWM controlle: 1:PWM controller speed PWM speed is determined by the size of transformer. The smaller the size is ,the faster the speed is required. Generally speaking ,200KHZ is required for the super-thin HID lamp contorller. the voltage range for auto-used HID lamp is 915V ,Max power consumption is about 70W ;Because of the flyback inverter, the max duty cycle should be set to 50 when the lamp is working in Max Power. If PWM resolution is T ,then the number of steps for adjust is T*50% In another two conditons ,for example: 1: when the lamp work under 35W nomal condition, duty cycle=50%*35/70=25%, number of steps=T*25% 2:in the worst working condition, the lamp work under 15v,35W conditions , duty cycle=25%*9/15,then number of steps=T*15%. So we can learn a formula that P =35/(T*15%) For example： When PWM solution is 6 bit ,T is 64,then P=3.64W； When PWM solution is 8 bit ,T is 256,then P=0.91W； When PWM solution is 9bit , T is 512,then P=0.46W；,PIC16F913 vs. AT90PWM2,PIC16F913 28 PIN 4 KWords Flash 256 Bytes RAM 256 Bytes EEPROM Intosc: 8MHZ 2.0-5.5V 1MIPS throughput per 4MHz No Multiplier Timer: 2x8-bit, 1x16-bit 2xPWM(6.67Bit200KHz