SPS基本原理讲义.doc

第一章 开关变换器概论第一节 什么是开关电源电源有如人体心脏，是所有电设备的动力。但电源却不像心脏那样形式单一。因为，标志电源特性的参数有功率、电压、频率、噪声、及带载是参数的变化等等；在同一参数要求下，又有体积、重时、形态、功率、可靠性等指标，人可按此去“塑造”和完美电源，因此电源的形式是极多的。此次主要介绍一下开关电源的原理及其设计方法。一般电力（如市电）要经过转换才能符合使用的需要。转换例子有：交流转换为直流，高电压变为低电压，大功率中取小功率等等。这一过程有人形象地说成：粗电炼为精电。炼为精电后才好使用。按电力电子的习惯称谓，AC-DC（理解成AC转换为DC，其中AC表示交流电，DC表示直流电）称为整流（包括整流及离线式转换），DC-AC称为逆变，AC-AC称为交流-交流直接变频（同时也变压），DC-DC称为直流-直流交换。为达到转换目的，手段是多样的。六十年代前，研发了半导体器件，并用此器件为主实现此转换。电力电子学科从此形成并有了近三十年的迅速发展。所以，广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成中一形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源（Switching Power Supply）。开关电源主要组成部分是DC-DC变换器，因为它是转换的核心，涉及频率变换，目前DC-DC变换中所用的频率提高最快。它要提高频率中碰到的开关过程、损失机制，为提高效率而采用的方法，也可为其它转换方法参考。值得指出，常见到离线式开关变换器（off-line Switching Converter）名称，是AC-DC变换，也常称开关整流器；它不单是整流的意义，而且整流后又作了DDC变换。所说离线并不是变换器与市电线路无关的意思，只是变换器中因有高频变压器隔离，故称离线。第二节 DC-DC变换器的基本手段和分类把直流电压变换为另一种直流电压最简单办法是串一个电阻，这样不涉及变频的问题，显示很简单，但是效率低。用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器（L或/和C）的负载线路与直流电压一会相接，一会断开，则负载上也得到另一个直流电压。这就是DC-DC的基本手段，类似于 “斩波”（Chop）作用。tV1- 1分类 ：按控制方式可分为三类一.PWM变换器：脉宽调制二.PFM变换器：频率调制三.脉宽与频率调制变换器：两者结合此三类中因调频系统不如PWM开关易控，且调频时谐振电压（电流）峰值高，开关管所受应力大，故一般用PWM控制。每类从输入与输出之间是否有变压器隔离，可分为有隔离，无隔离两种。每一种又有四种结构：Buck，Boost，Buck-Boost，Cuk按激励形式不同，可分为自激式与他激式两种自激式：单管式与推挽式（开关晶体管的激励信号如来自本身输出负载藕合而得，称之为自激）他激式：调频，调宽，调幅，谐振目前应用较广的为调宽型，它又包括正激，反激，半桥，全桥四种。第三节 DC-DC变换器主回路使用的元件及其特征一、开关无论哪一种DC-DC变换器，主回路使用的元件都是电子开关、电感和电容。电子开关只是快速地开通、快速地关断这两种状态，并且快速地进和转换。只有力求快速，使开关快速地滤过线性放大工作区，状态转换引起的损耗才小。目前使用的电子开关是双极型晶体管、功率场效应管；逐渐普及的有各种特性较好的新式的大功率开关元件，例如SITH（静电感应晶闸管）和MCT（场控制晶体闸流管）。这些元件的基本特征在这就不一一介绍了。值得指出，主回路也不是绝对不出现电阻元件。出现的前提是极有利于控制性能而又不引起多大的损耗，而且限于几十瓦以下的小功率变换器中应用。一般其阻值在毫欧级，其上得到的mV电压可用来作为当前工作周期进行电流控制或保护的信号。二、电感电感是开关电源中常见到的元件，由于它的电流、电压相位不同，因此理论损耗为零。常为储能元件，通常与电容共用在输入滤波器上。用于平滑电流，也称它为扼电流圈。其特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。换句话说，由于“磁通连续”性，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰波。电感为磁性元件，自然有磁饱和的问题。应用中允许有其饱和的，有允许其从一定电流值起开始进入饱和的，也有不允许其出现饱和的。在具体线路中要注意区分。在多数情况下，电感工作在“线性区”，此时电感值为一常数，不随端电压与流过电流而变化。但是，在开关电源中电感，有一个不可忽视的问题，就是电感的绕线所引起两个分布参数（可称寄生参数）的现象。其一是绕线电阻，这是不可避免的。其二是分布式杂散电容，随线制工艺、材料而定。杂散电容在低频时影响不大，随着频率的提高而渐显出来，到某一频率以上时，电感也许变成了电容的特性了。如果将杂散电容“集成”为一个，则从电感的等效电路，也可以明白地看出在某一频率后的电容性。在分析电感的线路工艺中工作或绘波形图时，不妨考虑下面几个特点：1 2LI2 （1）在电感L中有电流I流过时，储存有 的能量：V=Ldidtdidt（2）当电感L两端的电压V为不变时， 公式可知，忽略内阻R时，电感电流变化率 =V/L ，表明是感电流线性增加：（3）正在储能的电感器，因为能量不能瞬时突变，若切断电感在变压器原边回路时，能量绝大部分经变压器副边出现的电流输送至负载，原、副边耦合中保持相同的安匝数，维持磁场不变，或每匝伏秒值不变。（4）就像电容有充、放电流一样，电感器也有充、放电电压。电容上的电压与电流通渠道积分（称为安秒值）成正比，电感上的电流与电压的积分（称为伏秒值）成正比，如图1-1所示。只要电感器电压变化，didt其电流斜率 也变化；正向电压，使电流从零线性上升；反向电压，电流线性下降，根据能量守恒原理在电感器伏。秒值面积相等的某一时间点上，线性变化的电流重新降到零。三、电容电容是开关电源中常用的元件，它与电感一样也是储存电能和传递电能的元件，但对频率的特性却刚好相反。应用上，主要是“吸收”纹波，具有平滑电压波形的作用。实际的电容并不是理想的元件。电容器由于有介质、接点与引出线，造成一个等效电阻。这种等效电阻在开关电源中小信号反馈控制上，以及输出纹波抑制的设计上，起着不可忽视的作用。另外电容等效电路上有一个串联的电感，它在分析电容器滤波效果时，非常重要。有时加大电容容量并不能使电压波平直，就是因为这个串联寄生电感起着副作用。电容的串联电阻是与起点的引线有关，也与电解液有关。常见电解电容电解质的成分为AL2O3，导电率比空气约大七倍，为了续继提高电容量，把铝箔表面做成有规律的凸凹不平状，使氧化膜表面积加大（因为电容量与表面积成正比）。加入 的电解液可在凸凹面上流动。电解液受温度影响，温度下降，电阻加大，即电容串联电阻加大。高温寿命电容的阻抗随温度下降面增加的情况示于图1-2中。温度下降，等效串联电阻（ESR）加大，导致电容寿命减短，这是铝电解电容的缺点。为了改善这一缺点，将电解液覆盖在氧化膜表面后将其干燥，形成固体式电解质电容，即“钽电容“。止前又用有机半导体代替电解液，也是固体式电解质电容称为”OS电容“。”OS电容“的串联电阻小了许多，在图1-3中示出常用几种电容的串联电阻值，以供比较。在开关电源中的电容器，工作时平均电流为零，但因充电、放电电流波形不同，有效值电流是很大的。例如，市电整流输入到开关电源的滤波电路电容，其充电只是在市电正弦半波瞬时值高于电容上直流电压一个短时间内才发生，而且是低频的（50Hz），由电容放大电供给开关电源，入电频率是高频的（与开关频率相同）。有效值电流Ic（rms）比负载电流I0大，其计算式为Ic（r m s）=1.12 I0电容器的选择，除考虑有效值外尚要考虑纹波电压和耐压的要求。第二章 PWM的四种结构一.Buck又名串联开关稳压电源、开关降压稳压器.线路组成二.Boost并联开关稳压电源、开关升压稳压器.线路组成三.Buck-Boost又名降压-升压稳压器.(反号稳压器)+线路组成四.Cuk又名Boost- Buck串联稳压器. 线路组成+五.四种基本形式的比较前面介绍的四种变换器,前三种用电感作传导能量元件,而最后一种则是以电容传送.Cuk能达到I/O电流连续，而且通过将I/O电感藕合，可以达到“零纹波”，体积小型化，但因其能量转换用的电容需耐受极大的纹波电流，成本高，可靠性也稍差一点。在实际应用中，就电气特性而言，四种形式都不是最佳的。一、 概述开关电源是一个闭环自动稳定系统，由主电路和控制电路两大部分组成。图2-10中以推挽式变换器为例给出一个开关电子源（有电源负载反馈的闭环系统，或称单环自动稳压系统）的原理框图。主电路包括：输入整流滤波、开关逆变、输出整流及滤波电路。控制电路包括：采样电路（这里是一个分压器）、误差放大及补偿网络、脉宽调制器（PWM）、驱动电路。误差放大、补偿网络是一个有负反馈的误差放大器，其反馈支路中有比例（P）、积分（I）、微分、（D）网络，简称PID网络，由RC元件组成，以补偿和改善开关电源的瞬态性能，因此，这时的PID放大器即为补偿网络。补偿网络的设计涉及到开关电源的瞬态性能，也就是瞬态（动态）设计的部分。补偿网络设计的主要内容是：选择PID网络拓扑，选择、计算并确定PID网络各元件参数。传统的和现行的设计方法主要是一种依靠经验的试探法（TRY AND ERROR），设计过程中不断测量反映开关电源瞬态性能的幅频和相频特性（BODE图），或者直接测量瞬态特性，每修改一次补偿网络的PID参数，做一次测量，直到满足给定的性能指标为止。 第三章：线路应用 由分立元件构成转变由开关厚膜电源构成 第一章:组件认识 开关电源(SPS)是由众多的元器件构成,因此,要了解开关电源的原理,学会看电路图.首先必须掌握元器件的主要性能,结构,工作原理,电路符号,参数标准方法和质量检测方法,本章将作逐一介绍.一. 电阻器电阻器简称电阻,英文Resistor1. 电路符号和外形. (a) (b) (c)(a) 国外电阻器电路符号.(b)国内符号.(c)色环电阻外形2. 电阻概念: 电阻具有阻碍电流的作用.公式R=U/I常用单位为欧姆(),千欧(K) 和兆欧(M). 1M=10 K=10 3. 种类电阻器的种类有:碳膜电阻,金属氧化膜电阻,绕线电阻,贴片电阻, 可调电阻,水泥电阻.4. 性能参数(1) 标称阻值与允许误差(2) 额定功率:指在特定(如温度等)条件下电阻器所能承受的最大功率,当超过此功率,电阻器会过热而烧坏.(3) 电阻温度系数5. 标注方法:(1) 直标法(2) 色标法 色标法是用色环或色点来表示电阻的标称阻值,误差.色环有四道环 和五道环两种.读色环时从电阻器离色环最进的一端读起,在色标法中,色标颜色表示数字如下:颜色黑棕红橙黄绿蓝紫灰白金银数字0123456789-1-2 四色环中,第一,二道色环表示标称阻值的有效值,第三道色环表示倍 数,第四道色环表示允许偏差,五色环中,前三道表示有效值,第四到为倍数,第五道为允许误差.精密电阻常用此法. 例1:有一电阻器,色环颜顺序为:棕,黑,橙,银,则阻值为:10X10 10%()二:电容器 英文Capacitor 1.电路符号 (a) (b) (a),(b)分别表示为无极性,有极性的电容器的电路符号.2.电容慨念 电容器是储存电荷的容器.电容器的容量C由下式决定: C=Q/U=S/4d,单位法拉(F).3.种类电容器可分为:陶瓷电容,电解电容,安规电容,贴片电容,塑料电容.4.主要性能参数(1) 标准容量及允许偏差(2) 额定电压(3) 损耗系数DF值 DF=P耗/P总 P耗为充放电损耗功率, P总为充放电总能量.(4) 温度系数5.标注方法(1) 直标法(2) 色标法:类似电阻器之色标法,三色环无偏差表示,单位PF三.电感器(英文Choke 即线圈)1. 电路符号(普通电感无极性)2. 主要参数(1) 电感量及允许偏差(2) 品质因子(Q值) 感抗xL=WL=2fL Q=2fL/R Q即为品质因子3. 种类可分为固定电感器,带磁心电感线圈,可变电感器四.半导体二极管 (英文 Diode)DIODETest #Description1VFForward voltage2IRReverse current leakage3BVRBreakdown voltage1. 电路符号2. 单向导电性 二极管只能一个方向流过电流,即电能只能从它正极流向负极.在正常情况下,硅管的正向压降为0.60.7V,锗管0.20.3V,即二极管正向压降基本保持不变,当外加正向电压达到一定程度,二极管正向电流会很大,将烧坏二极管.当加在二极管上的反向电压小于一个临界值时,二极管的反向电流很小,即反向时二极管的内阻很大,相当于二极管截止.当二极管的反向电压大于临界值时,二极管会反向击穿. 3.结构 是由一个P型半导体和一个N型半导体构成,组成一个PN结,PN结具有单向导电性.4.种类(1)普通二极管 (2)发光二极管 (3)稳压二极管 (4)变容二极管 5.主要参数(1) 最大平均整流电流IF: 表征二极管所能流过的最大正向电流.在一 个周期内的平均电流值不能超过IF,否则二极管将会烧坏.(2) 最大反向工作电压VR(3) 反向电流IR:是在最大反向工作电压下的二极管反向电流值(4) 工作频率:表示二极管在高频下的单向导电性能.五.稳压二极管ZENERTest #Description1VFForward voltage2BVZMinimum Zener voltage.(Use test #5)3BVZMaximum Zener voltage.(Use test #5)4IRReverse current leakage5BVZBVz with programmable soak6ZZ1 KHz Zener Impedance(requires ZZ-1000 or Model 5310)IiU 1.电路符号 (图一) (图二) 2.稳压原理从(图二)稳压特性曲线可以看出,当稳压管反向击穿后,流过二极管的工作电流发生很大变化时,稳压二极管的电压降压V2基本不变,所以稳压管稳压就是利用二极管两端的电压能稳定不变的特性.若加在稳压管上的反向电压小于反向击穿电压值,那么稳压管处于截止状态,即开路.3. 主要参数(1) 稳定电压(2) 稳定电流:稳压管工作对参考电流值,电流小于该值,稳压效果会略差 些.(3) 额定功率损耗(4) 电压温度系数(5) 动态电阻六.半导体三极管(又称晶体三极管) TRANSISTORTest #Description1hFEForward-current transfer ratio2VBEBase emitter voltage(see also Appendix F)3IEBOEmitter to base cutoff current 4VCESATSaturation voltage5ICBOCollector to base cutoff current6ICEOCollector to emiter cutoff currentICER,with base to emiter load,ICEX,reverse bias,orICESshort(see also Appendix F)7BVCEOBreakdown voltage,collector to emitter,BVCERwith base to emiter load,BVCEXreverse bias,orBVCESshort(see also Appendix F)8BVCBOBreakdown voltage,collector to base9BVEBOBreakdown voltage,emitter to base10VBESATBase emitter saturation voltage 1.电路符号 ICc (a)NPN (b)PNPcccccccc 2.结构 集电极IcbcccIbbcccP=NbcccIbbcccNecccP= N eccccccc Ie (a) NPNecccIe eP= (b) PNP Ie 结构如上图.三极管是由三块半导体组成,构成两个PN结,即集电结和发射结,基结3个电极,分别是集电极,基极,发射极,管子中工作电流有集电极电流Ic,基极电流Ib,发射极电流Ie,Ie=Ib+Ic Ic=Ib, 为三极管电流放大倍数.3.工作原理ic cE1E1UcUcUbUb E2E2 uceUeUe (1)NPN (2) PNP (3)共发射极输出特性曲线(1) 放大区发射结正偏,集电结反偏,E1E2,即 NPN型三极管VcVbVe,PNP型三极管 VcVbVe.三极管处于放大状态.由于Ic=Ib,即Ic受Ib控制,而Ic的电流能量是由电源提供的,此时Ube=0.60.7V(NPN硅管)(2) 截止Ib0的区域称截止区,UBE0.5V时,三极开始截止,为了截止可靠,常使UBE0,即发射结零偏或反偏,截止时,集电结也反向偏置.(3) 饱和区 当VCE2.5时,K,A极处于导通状态,当UR2.5V时,K,A极截止. + K R - 2.5V ref A (b) (二).PWM开关电源的集成电路(IC)片 1.DNA1001DP 共16 Pin,各Pin功能如下:1). CS 此脚做为电流模式控制,当此脚电压超过1.0V时,IC失去作用2). GND 电源地3).DRIVE 驱动MOSFET管的输出(方波输出)4).VCC 电源5).UREF +5V参考电压6).RT/CT 此脚接RT到Pin5接CT到地,从而设定振荡频率与最大占空比.7).FM 接电容到地,则会影响振荡频率,并且减少传导与辐射的电磁干 扰,街地则无此功能.8).COMP 内部此脚接到电流比较器上,外部电路此脚一般接到光耦合器的 集电极端做回授之用.9).SS 接一个电容到地.,可达到柔和起动功能.10).FAULT 此脚电压超过2.5V,则IC失去作用,一般此脚作保护作用.11).BROWN OUT 此脚用来感应BULK CAPACTIOR上电压,若电压小于2.5V 则IC失去作用.12).REX 此脚接一个电阻到地,用来作为电流产生器.13).ADC 此脚用来限制占空比,当此脚电压高于2.5V时,占空比控比例开 始减少.当V=1.5V时,占空比减少到最大占空比的65%.14).POCP 接一个电容到地,将提供OCP功能,当此脚有一连串1.2V臃冲 时,此IC失去功能. 15)CSLOPE 此脚为振荡电路做电压补偿.160. GND 信号地.2.UC3842(1)UC3842有8个Pin,其各Pin功能如下:1).内部误差放大器输出端2).反馈电压输入端3).电压供电端,当该脚电压超过1V时,6脚无臃冲输出4).接KT,CT产生f=1/RTG的振荡信号5).GND6).Drive,驱动臃冲输出7).Vcc8).+5v参考电压,由IC的内部产生(2)使UC3842输出端关闭的方法有三:1).关掉Vcc2).将3脚电压升至1V以上3).将1脚电压降至1V以下UC3843的7脚为电压输入端,其激活电压范围为16V34V,若电源起动时Vcc16V,则8脚无+5V基准电压.3.TL494 TL494有16Pin,各Pin功能如下:1)采样电压2)从14脚分压得2.5V标准电压3)接阻容电路,作消振校正用4)死区时间控制输入端,该脚电平升高,死区时间达到最大,使IC输出驱 动脉冲最窄5) CT6)RT7)GND8)Drire 驱动脉冲输出9)Drire 驱动脉冲输出10)Drire 驱动脉冲输出 11) Drire 驱动脉冲输出 12)Vcc 13)输出方式控制,该脚接地,内部触器发失去作用 14)+5v参考电压 15)同相端 16)反相端 17)16Pin通常作回授用(三)UC3854AN UC3854是功率因子校正器(PFC)的集成电路,它有16个Pin,其各脚功能如下:1) GND 接地端2) PKLMT 峰值限制端,接电流检测电阻的电压负端,当电流峰值过高时, 电路将被关闭.3)CAOUT 电流放大器CA输出端4)ISENSE 电刘检测端,内部接CA输入负端,外部经电阻接电流检测电组 的电压正端 5)Mult Out 乘法器输出端,即电流检测另一端,内部接乘法/除法器输出端 和CA输入正端,外端经电阻接电流检测电阻的电压负端 6)JAC 输入电流端,内部接乘法/除法器输入端,外部经电阻接整流输 入电压的正端7)UA Out 电压放大器UA输出端,内部接乘法/除法器 输入端,外部接RC 反馈网络.8)URMS 有效值电源电压端,内部经平方器接乘法/除法器输入端,起前馈 作用,URMS的数值范围为1.54.77v9)REF 基准电压端,产生7.5V基准电压10)ENA 起动端,通过逻辑电路控制基准电压,振荡器,软起动等11)USENSE 输出电压检测端,接电压放大器UA的输入负端12)RSET 外接电阻RSET端,控制振荡器充电电流及限制乘法/除法器最 大输出13)SS 软起动端14)CT 外接电容CT端,CT为振荡器定时电容,使产生振荡频率为 f=1.25/RSET*CT15)Vcc 集成电路的供电电压Vcc,额定值22V16)GTDRV 门极驱动端,通过电阻接功率MOS开关管门极,该端电位钳在15V(四)DNA 1002 CP 共16Pin,该IC有OUP,UVP功能,其各Pin功能如下:1)LATCH 当过电压欠电压时,此脚为高电平,此脚为低电平表示输出正 常.2)COM 信号地3)PG 正常工作时此脚为高电平PG信号输出.4)TDON 接个电容到地,产生PG延时.5)REMOTE REMOTE ON/OFF端,为低则ON,为高则Pin1高6)TDOFF 接个电容到地,起到延迟关机作用,产生PF7)DUV 接个电容到地,这样在电容充电电压小于2.5V参考电压时,不 做欠电压检测,而当充电电压大于2.5V参考电压时,欠电压检 测恢复.8)BSENSE 在IC内部,此Pin是电压供应比较器的同相输入,当此Pin电 压低于2.5v时,则Pin3与Pin7会变低.9)V5 检测+5V的过电压与欠电压,其UUP点4.04.24V,OVP点为 6.06.39V10)V12 检测+12V的过电压与欠电压,其UUP点为9.49.99V,OVP点为 14.4515.35V11)V-12 检测-12V的过电压与欠电压,此脚接参考电压,失去此功能12)V3.3 检测3.3V的过电压与欠电压,此脚接Vcc,则失去此功能,其 UUP点为1.091.16V,OVP点为1.431.52V13)V-5 检测-5V的过电压与欠电压,此脚接参考电压,则失去此功能14)RCRNT 接个电阻到地,从而产生内部恒流15)VREF 2.5V参考电压输出16)Vcc IC电源 第二章:电路介绍 第一节:简单电路介绍一:电路构成 由导线和电路组件构成的能流过电流的线路都叫电路.电路中有通路,开路,短路三种情况. 通路:将电路中的开关闭合,使电源与负载接通.此时电路称为通路,又叫闭合电路.通路时电路中有电流流过负载,电路处于工作状态.(如图一a) 开路:将电路中的开关打开就是开路(或断路).开路时电路中没有电流流过,这时用电器处于不工作状态.(如图一b) 短路:电源未经负载而直接由导线将电源正负极接通构成闭合电路就是短路.短路时电路中电流很大,会损坏电源,甚至引起火灾.(如图一C) 开关 开关 开关 干电池 灯泡 干电池 灯泡 干电池 灯泡 (a) (b) (C) 图(一)二:电流,电压,电阻1. 电流电流是带电粒子在导体中定向运动.电流是一个既有大小又有方向的物理量.电流的方向规定为正电荷运动的方向.由于导体中实际运动的是电子,而电子带负电荷,所以电流的实际方向和电子的运动方向恰好相反.（如图二） 电流方向 电子运动方向 图(二).电流强度 电流强度简称电流.用它来衡量电流的大小.用英文字母“I”表示.它是单位时间内通过导体任一截面的电荷量.即I=Q/T (1.1.1)式中“Q”是电荷量,单位为库仑;“T”是时间,单位为秒(S);“I”是电流强度,单位是安培(A),简称安.电流有直流电流和交流电流.如果电流的大小和方向都不随时间变化,这种电流叫恒定电流,简称直流(DC),用大写字母“I”表示.如果电流的大小和方向都随时间变化,则称这种为交变电流,简称交流(AC),用小写字母”i”表示 A=10 mA=10 uA=10 nA 3.电压电压又叫电位差.它表明单位正电荷从某点A移动到另外一点B时,所失去或获得的电能.即U=W/Q (1.1.2)式中“U”是A,B两点间的电位差(电压),单位是伏特,简称伏(V);“Q”是从A点移动到B点的电量,单位是库仑;“W”是电