开关电源的结构和基本原理.ppt

高频开关电源设计 青岛科技大学 总目录 第一章概论 1课时 第二章开关电源的基本原理 2课时 第三章开关电路的PWM控制原理 2课时 第四章电路拓扑的使用选择 2课时 第五章元器件的实用选择 2课时 第六章软开关新技术 2课时 高频开关电源设计 自动化与电子工程学院电子信息科学与技术教研室 21世纪 4 一 概论 将电网或电池的一次电能 转换为符合电子设备要求的二次电能 这样的变换设备便是电源 电源是一切电子设备的心脏 没有电源 电子设备就不可能工作 1 1 1电源是什么 1 1电源及开关电源 电源常用的连接方式 串联线性电源 高频开关电源 1 1 2串联线性电源与开关电源的区分 串联线性电源 电源调整管工作在放大状态 效率低 损耗大 温升高 开关电源 电源调整管工作在开关状态的电源 具有高功率密度 重量轻 体积小 6 1 1 3开关电源的分类 按变换方式可分为下列四大类 1 第一大类 AC DC开关电源 2 第二大类 DC DC开关电源 3 第三大类 DC AC开关电源 4 第四大类 AC AC开关电源 开关电源 逆变器 变频器 按开关管和输出之间是否有变压器隔离可分为下列两大类 1 第一大类 无变压器的非隔离式 2 第二大类 有变压器的隔离式 1 2直流稳压电源 直流稳压电源是电子 电器 自动化设备中最基本的部分 传统的稳压电源是采用串联式线性转换方法设计制作的 图1 3晶体管串联式线性稳压电源 1 2 1直流稳压电源的发展 当今计算机及自动化设备上大多数控制电源都向低压大电流 高效率 重量轻 体积小的方向发展 在这种要求面前首先得到发展的是晶体管串联式开关稳压电源 图1 4晶体管串联式开关稳压电源 随着电力电子技术的发展 大功率开关晶体管 快恢复二极管及其它元器件的电压得到很大的提高 这为取消稳压电源中的工频变压器 发展高频开关电源创造了条件 它使电源在小型化 轻量化 高效率等方面又迈进了一步 图1 5无工频变压器的开关电源原理框图 10 A 一次电源产品的图片 AC DC 常见开关电源图片 11 B 工业电源产品的图片 标准产品 AC DC 12 C 工业电源产品的图片 AC DC 13 E 工业电源产品的图片 AC DC 14 F 二次电源产品的图片 DC DC 标准转换类 FullBrick HalfBrick HalfBrick 1 4Brick 1 8Brick 15 G 二次电源产品的图片 DC DC 彩电开关稳压电源 1 3开关稳压电源的特点1 3 1优点1 效率高 一般在70 90 以上 而相应的线性稳压电源的效率仅有50 左右 2 体积小 重量轻 随着频率的提高 收效更显著 3 稳压范围广 一般交流输入80 265V 负载作大幅度变化时 性能很好 4 噪声低 声频在20kHz以上时 已是人耳听不到的超声波 而开关电源的工作频率一般都大于此频率 5 性能灵活 通过输出隔离变压器 可得到低压大电流 高压小电流 一个开关控制的一路输入可得到多路输出以及同号 反号等输出 6 电压维持时间长 为了适应交流停电时 计算机 现代自动化控制设备电源转换的需要 开关电源可在几十毫秒内保证仍有电压输出 7 可靠性大 当开关损坏时 也不会有危及负载的高电压出现 1 3 2开关稳压电源的不足之处1 输出纹波较大 约有10 100mV的峰峰值 2 脉冲宽度调制式的电路中 电压 电流变化率大 3 控制电路比较复杂 对元器件要求高 4 动态响应时间至少要大于一个开关周期 不如串联式晶体管线性稳压电源 二 开关电源的基本工作原理 功能 通过高频开关技术将输入较高的交流电压 AC 转换为电子或电器设备工作所需要的直流电压 DC 中心思想 用提高工作频率等手段来提高电源的功率密度 进而达到减少变压器的体积和重量的目的 采用开关变换的显著优点是大大提高了电能的转换效率 典型的开关电源效率为70 80 稳定原理 依赖对脉冲宽度的改变来实现输出电压的稳定 称做脉宽调制PWM 共轭滤波器 整流滤波 开关调整管 储能元件 脉冲整流滤波 取样电路 比较放大 基准 220V交流电压输入 功能 将220V交流电压转换为电路所需要的各种稳定的直流电 2 1高频开关电源的基本结构 图2 1高频变压器开关电源基本功能框图 2 作用 双向滤波避免电网供电线引入高频脉冲影响电子电路 防止开关电源对电网造成污染 2 2 1 进线抗电磁干扰电路 EMI 2 2输入共轭滤波及整流 1 电路组成 由一个线圈和两个电容组成 图2 2EMI原理图 3 工作原理 对高频干扰信号而言 电容呈短路 而电感则呈开路 高频干扰被电容短路 对50Hz低频而言 电容呈开路 而电感则呈短路 因此 50Hz市电可以顺利通过 4 输入220V交流电压的检测 220V交流输入 交流电压500V档 正常值 220V 15 187V 253V 共轭滤波器 5 常用EMI电路 通常有两级EMI 图2 3两级EMI电路图 由一个全桥 由四个二极管组成 和两个高压电解电容组成 把220V交流市电转换成290V直流电 2 2 2 高压整流滤波电路 1 电路组成 图2 3单相桥式整流电路 2 整流电路工作原理 当正半周时 二极管D1 D3导通 在负载电阻上得到正弦波的正半周 当负半周时二极管D2 D4导通 在负载电阻上得到正弦波的负半周 在负载电阻上正负半周经过合成 得到的是同一个方向的单向脉动电压 3 负载上的直流电压和直流电流 输出电压是单相脉动电压 通常用它的平均值与直流电压等效 输出平均电压为 流过负载的平均电流为 流过二极管的平均电流为 二极管所承受的最大反向电压 动画5 4 4 滤波电路 滤波的基本概念 利用电抗性元件对交 直流阻抗的不同 实现滤波 电容器C对直流开路 对交流阻抗小 所以C应该并联在负载两端 电感器L对直流阻抗小 对交流阻抗大 因此L应与负载串联 经过滤波电路后 既可保留直流分量 又可滤掉一部分交流分量 改变了交直流成分的比例 减小了电路的脉动系数 改善了直流电压的质量 电容滤波电路 单相桥式电容滤波整流电路 在负载电阻上并联了一个滤波电容C 当v2到达90 时 v2开始下降 先假设二极管关断 电容C就要以指数规律向负载 L放电 指数放电起始点的放电速率很大 5 滤波原理 若电路处于正半周 二极管D1 D3导通 变压器次端电压v2给电容器C充电 此时C相当于并联在v2上 所以输出波形同v2 是正弦形 图2 4电容滤波波形图 所以 在t1到t2时刻 二极管导电 充电 vC vL按正弦规律变化 t2到t3时刻二极管关断 vC vL按指数曲线下降 放电时间常数为RLC 在刚过90 时 正弦曲线下降的速率很慢 所以刚过90 时二极管仍然导通 在超过90 后的某个点 正弦曲线下降的速率越来越快 二极管关断 需要指出的是 当放电时间常数RLC增加时 t1点要右移 t2点要左移 二极管关断时间加长 导通角减小 见曲线3 反之 RLC减少时 导通角增加 显然 当 L很小 即IL很大时 电容滤波的效果不好 见滤波曲线中的2 反之 当 L很大 即IL很小时 尽管C较小 RLC仍很大 电容滤波的效果也很好 见滤波曲线中的3 所以电容滤波适合输出电流较小的场合 图2 5电容滤波的效果 问题 有 无 L即空载 此时VC VO 6 电容滤波的计算 电容滤波的计算比较麻烦 因为决定输出电压的因素较多 一般常采用以下近似估算法 一种是用锯齿波近似表示 即 另一种是在RLC 3 5 T 2的条件下 近似认为VO 1 2V2 或者 电容滤波要获得较好的效果 工程上也通常应满足 RLC 6 10 7 220V交流电压整流滤波后直流电压的检测 直流电压500V档 来自共轭滤波器的220V交流电压 正常值为290V左右 对于输入与输出电压之间不需隔离 只用一个工作开关管VT和电感L 二极管D 电容C组成的变换器电路最基本的为如下三种 其原理电路如图2 6所示 1 串联开关或降压变换器 buckconverter 2 并联开关或升压变换器 boostconverter 3 串 并联开关或降 升压变换器 buck boostconverter 图2 6非隔离式的DC DC变换电路 2 3非隔离式开关电源工作过程 调整输出电压的方法 占空比 只要改变开关脉冲的 占空比 就可以改变输出电压的高低 在具体电路中 可以使开关脉冲频率固定 改变开关管导通时间ton而改变输出电压高低 这种电源称为 调宽式 开关电源 PWM也可以使开关管截止时间不变 只改变开关管导通时间长短而改变输出电压高低 这种电源称为 调频调宽 式开关电源 PFM 电路中VT为开关管 工作于开关状态 VT饱和导通时相当于一只接通的开关 VT截止时相当于一只断开的开关 电感L和电容C为储能元件 RL为电源的负载 D为续流二极管 它在开关管截止时导通 保证电感L中的电流不中断 2 3 1串联型 Buck 开关电源工作过程 开关管饱和导通时 290V电源通过开关管Q 电感L和负载RL形成电流回路 同时向电容器C充电 在电感L和电容C中同时储能 二极管D处于反向截止状态 由于电感L中突然出现电流 将在L两端产生左正右负的自感电动势 负载两端电压等于290V电源电压与L两端自感电动势之差 开关管截止时 由于电感线圈中电流的突然中断 将在电感L两端产生左负右正的自感电动势 该自感电动势使续流二极管D导通 形成电流回路 同时 电容C也通过RL放电 可见负载电流由电感电流与电容放电电流两路同时提供 虽然开关管截止了 但是负载电流并没有中断 图2 5 c 开关管截止时的等效电路 2 3 1串联开关 降压 变换器设计计算 a 电路拓扑b 工作波形图2 7Buckconverter 一 在开关VT导通期间 a 电路拓扑b 工作波形图2 7Buckconverter 二 在开关VT截止期间 1 临界连续工作状态2 电流断续的工作状态3 电流连续的工作状态 三 电感电流的平均值计算 四 输出电压纹波值的计算 a 电路拓扑b 工作波形图2 8Boostconverter 1 在期间 2 在期间 2 3 2并联开关 升压Boost 变换器设计计算 3 负载电流的平均值 4 输入电流的平均值 5 输出电压的纹波计算 2 3 3串 并联Buck Boostconverter 图2 9Buck Boostconverter 图2 10Buck Boostconverter工作波形图 非隔离式三种开关电源所适用的功率范围表 适用于非隔离的单路输出情况 图2 1 a 高频变压器开关电源基本结构框图 共同特点 具有高频变压器 直流稳压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来 变压器原副方是隔离的 而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流 2 4变压器型开关电源工作过程 图2 1 b 开关电源原理示意图 2 4 1高频变压器变换电路工作方式分类按其工作方式可分为五类 每类传输的功率也不相同 应用环境也稍有不同 如下所示 2 4 2单端反激式变压器型开关电源工作原理 开关管饱和导通 开关管电流在开关变压器初级产生上正下负的自感电动势 次级产生上负下正的互感电动势 整流二极管D截止 由电容器C放电形成负载电流 开关管截止 变压器初级电流中断 于是在初级绕组产生反方向的自感电动势 上负下正 次级互感电动势也反一个方向 次级互感电动势使整流二极管D导通 开关变压器次级电流一方面流入负载 另一方面向电容器C充电储能 以便开关管再次导通时向负载释放能量 2 4 3单端反激式开关稳压电源电路工作过程 1 能量转换过程 VT导通 D截止 T吸收能量 VT截止 D导通 T释放能量 传递的能量越多 负载两端形成的电压就越高 VT T D 2 稳压过程 取样电路 比较放大 基准 脉冲产生与脉宽控制 VT T D 2 4 3单端反激式开关稳压电源电路工作过程 2 4 4尖峰脉冲防护电路 接在开关变压器初级的R C D组成尖峰脉冲防护电路 在开关管截止瞬间 开关变压器初级电感与分布电容之间形成谐振 产生很高的尖峰脉冲 该尖峰脉冲有可能击穿开关管 接入R C D以后 使这种谐振被 阻尼 避免了过高尖峰脉冲的出现 保护了开关管 2 4 5单端反激式开关电源理论分析与计算 2 4 5 1工作原理分析 1 在开关VT导通期间 2 在开关VT截止期间 图2 7单端反激式变换器 2 4 5 2单端反激式变换器的三种工作状态 1磁通临界连续的工作情况 图2 8临界连续状态时的电压电流波形 2磁通不连续的工作状态 图2 9磁通不连续时的工作波形 3磁通连续的工作状况 图2 10磁通连续时的工作波形 2 4 6输入电压Uin与导通比 的对应关系 由于输入电压最高时 相应的导通比是最小 输入电压最低时 相应的导通比是最大 因此 输入电压与导通比是一一对应 相互制约的 运行中由于闭环调节 这种相互适应是自动的 但必须指出的是 由控制电路振荡器和PWM门闩电路本身固有的最大最小导通比 一定要与运行条件所需的最大最小导通比不矛盾 否则就会失调 3 4 7磁通复位问题 为了不致于出现磁路饱和每个开关周期工作磁通都能复位 因此 1 单端反激式变换器开关变压器的铁芯都带有气隙 2 原边绕组电流实现脉冲限流控制 2 4 8间歇振荡问题 当电网电压升到一定值而又负载电阻值很大的情况下 欲维持输出电压恒定 则脉宽调制器可能使脉宽减少到某一极限值时 不能再减小了 只能以最小导通比运行 但由于导通时所储存的能量没有释放回路 就有可能出现 有的振荡周期没有PWM脉冲输出 开关管不导通 有的振荡周期就很宽 变成了作周期性或非周期性的间歇振荡器 这时输出电压不稳 纹波大 变压器发出刺耳的哨叫声 克服这一问题的办法之一 也是最安全和可靠的办法是在付绕组中加一固定负载电阻 假负载 以防负载开路 这样电网电压最高 负载开路了 由于有固定的假负载 脉宽保证有一最小的宽度而不致于出现间歇振荡现象 最小的脉宽是由控制电路振荡器的最小导通比决定的 2 5单端正激式变换器 图2 19正激式变换器的原理电路图 图2 20正激式变压器等效电路 2 5单端正激式变换器 图2 21单端正激式变换器的电压电流波形 2 6半桥式变换器 2 6 1工作原理 图2 22半桥式变换器原理电路 2 6半桥式变换器 2 6 1工作原理 图8 23半桥式变换器的工作波形 图8 24串联电容半桥式变换器原理电路 a 串联电容前交流电压 斜格面积表示A1 A2的伏秒值不平衡波形 b 串联电容 变压器原边的伏秒值得到了平衡图8 25变压器原边串联电容后的工作波形 图8 23半桥式变换器的工作波形 图8 24串联电容半桥式变换器原理电路 a 串联电容前交流电压 斜格面积表示A1 A2的伏秒值不平衡波形 b 串联电容 变压器原边的伏秒值得到了平衡图8 25变压器原边串联电容后的工作波形 2 6 2串联耦合电容C3的选择 2 7全桥式变换器的开关电源 图2 26全桥式变换器主电路 2 7 1全桥式变换器的工作原理 2 7全桥式变换器的开关电源 图226全桥式变换器主电路 2 7 1全桥式变换器的工作原理 图8 27全桥式变换器的工作波形 三 开关电路的PWM控制原理 开关电源的PWM控制原理可用图3 1的电路说明 它由开关管 滤波电路 比较器 三角波发生器 比较放大器和基准源等部分构成 图3 1开关型稳压电源原理图 3 1PWM控制基本原理 三角波发生器通过比较器产生一个方波vB 去控制开关管的通断 开关管导通时 向电感充电 当开关管截止时 必须给电感中的电流提供一个泄放通路 续流二极管D即可起到这个作用 保护开关管 三角波发生器通过比较器产生一个方波vB 去控制开关管的通断 为了稳定输出电压 按电压负反馈方式引入反馈 设输出电压增加 FVO增加 比较放大器的输出Vf减小 比较器方波输出的toff增加 开关管导通时间减小 输出电压下降 起到了稳压作用 输出波形见图3 2 开关管发射极输出电压VE为方波 由于滤波电感的存在 使输出电流iL为锯齿波 趋于平滑 输出则为带纹波的直流电压 图3 2开关电源波形图 q称为占空比方波高电平的时间占整个周期的百分比 忽略电感的直流电阻 输出电压VO即为vE的平均分量 于是有 在输入电压一定时 输出电压与占空比成正比 可以通过改变比较器输出方波的占空比q来控制输出电压值 改变方波宽度的控制方式称为脉冲宽度调制 PWM 改变方波频率的控制方式称为脉冲频率调制 PFM 1 开关管工作在开关状态 功耗大大降低 电源效率大为提高 2 开关管在开关状态下工作 为得到直流输出 必须在输出端加滤波器 3 可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值 4 由于开关频率较高 滤波电容和滤波电感的体积可大大减小 由以上分析可以得出如下结论 3 2集成开关型控制器 典型的开关电源控制器和开关电源见下表 型号电源范围 V最大输出电流 A内部参考源 V输出级形式UC384210 30V单端CW34063单端TL4947 400 25推挽或单端SG35248 350 15推挽SG35258 350 55推挽LM25753 5 3511 23 实际上就是一个脉冲宽度调制 PWM 控制器 经常也用于其它脉宽调制场合 集成开关稳压器 一般有两大类型 一类是包括开关管在内的单片集成开关稳压器 另一类称为开关电源控制器 它不包括开关管 3 2 1集成开关稳压器概述 各管脚功能简介如下 1脚 COMP是内部误差放大器的输出端 通常此脚与2脚之间接有反馈网络 以确定误差放大器的增益和频响 2脚 FEEDBACK是反馈电压输入端 此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压 一般为2 5V 进行比较 产生控制电压 控制脉冲的宽度 3 2 2UC3842的工作原理及应用 3 2 2 1UC3842的内部结构 利用开关电源控制器可以方便地构成开关电源 3 2 2UC3842的工作原理及应用 3 2 2 1UC3842的内部结构 3脚 ISENSE是电流传感端 在外围电路中 在功率开关管 如VMos管 的源极串接一个小阻值的取样电阻 将脉冲变压器的电流转换成电压 此电压送入3脚 控制脉宽 此外 当电源电压异常时 功率开关管的电流增大 当取样电阻上的电压超过1V时 UC3842就停止输出 有效地保护了功率开关管 图3 4PWM工作时序图 PWM信号的上升沿由振荡器下降沿决定 而PWM的下降沿由电感电流限值信号和误差信号Ue共同决定 最大脉宽的下降沿受振荡器上升沿控制 3 2 2UC3842的工作原理及应用 3 2 2 1UC3842的内部结构 4脚 RT CT是定时端 锯齿波振荡器外接定时电容C和定时电阻R的公共端 RT 5K f 1 72 RTCT5脚 GND是接地 3 2 2UC3842的工作原理及应用 3 2 2 1UC3842的内部结构 6脚 OUT是输出端 此脚为图滕柱式输出 驱动能力是 lA 图腾柱结构对被驱动的功率管的关断有利 因为当三极管VTl截止时 VT2导通 为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路 加速功率管的关断 3 2 2UC3842的工作原理及应用 3 2 2 1UC3842的内部结构 7脚 Vcc是电源 当供电电压低于 16V时 UC3824不工作 此时耗电在1mA以下 输入电压可以通过一个大阻值电阻从高压降压获得 芯片工作后 输入电压可在10 30V之间波动 低于10V停止工作 工作时耗电约为15mA 3 2 2UC3842的工作原理及应用 3 2 2 1UC3842的内部结构 8脚 VREF是基准电压输出 可输出精确的5V基准电压 电流可达50mA 图3 3CW34063的原理框图 CW34063是一个典型的性能优良的开关电源控制器 其内部的结构框图如图3 3所示 3 2 3CW34063的工作原理及应用 一 降压式应用电路 a 直接用于降压b 外接NPN晶体管扩流电路图3 4CW34063的降压应用电路 3 2 3CW34063的工作原理及应用 二 升压式应用电路 a b a 直接升压式b 外接NPN管扩流式图3 5CW34063的Boostconverter 三 反转应用电路 a b a 直接变换式b 外接PNP管扩流式图3 6CW34063的Buck Boostconverter SG3524开关电源控制器内部的结构框图如图3 7所示 3 2 2开关稳压电源控制器SG3524 图3 3SG3524的内部方框图 它的内部包括误差放大器 限流保护环节 比较器 振荡器 触发器 输出逻辑控制电路和输出三极管等环节 SG3524构成开关稳压电源的典型电路如图3 4所示 图3 4开关稳压电源应用电路 3524从11和14脚输出在时间上互