开关电源基本原理与设计介绍99762

,开关电源基本原理与设计介绍,Summary,基本原理介绍开关电源中的相关设计,基本原理介绍,DC-DC变换器主要架构及其拓补 EMI部分 PFC部分 同步整流部分 均流技术 保护与控制线路,SPS基本原理框图,基本原理简介,一般由三部分组成:一是输入回路.二是输出回路.三是控制回路. 输入回路由EMI滤波电路.高压整流滤波.隔离变压器初级和高压方波切割组件所组成，其与电网直接连接高电压.输出回路由隔离变压器次级.低压整流滤波电路所组成，其与控制回路都由低压电子元器件组成.输入回路与输出回路两者间采用隔离变压器进行隔离确保人身与低压电子器件之安全，这样不仅达到高低电压隔离,还做到高低电压的转换功能. 工作原理 交流输入电压(AC)经EMI滤波电路滤波一些电网来的干扰与噪声后,直接予以整流与滤波得到高压直流(DC).再将直流高压进入方波切割器件(MOSFET)中,切割成20200KHZ的高频电压方波信号.该方波信号进入隔离变压器初级,而由次级所感应出的低压交流电势经整流滤波后,得到低压稳定直流输出,供给负载.不管输入电压有无变化或输出负载是否变动,都要保持输出直流电压的稳定.因此,经直流输出监控电路对输出电压加以监控,并把信号回馈给PWM逻辑控制电路调整占空比.从而调整输出电压达到稳定效果.当负载发生故障(如:短路,过载等)时可通过保护电路把信号迅速回馈给PWM逻辑控制电路使方波切换组件停止工作,达到保护的功能.,Boost DC-DC变换器主要架构,peak drain current,.peak drain voltage,2. Boost (step up),Ideal transfer function,Diode voltages (vrm,Average diode currents,Boost变换器工作状态,Boost DC-DC变换器主要架构,DPS-350MB ABOOST CIRCUIT,Buck DC-DC变换器主要架构,1.Buck (step down),peak drain current,Ideal transfer function,peak drain voltage,Average diode currents,Diode voltages (vrm),Buck变换器工作状态,Buck变换器工作原理,当S关闭时,电流就会顺向地流经电感器L,此时在负载上就会有带极性的输出电压产生,如上面图2所示,当开关打开时,电感器L会改变磁场,二级体D则为顺向偏压状态,因此在电容器C中就会有电流流过,因此在负载RL上输出电压的极性仍是相同的,一般我们称此二级体D为飞轮二级体. 由于此种转换动作,使得输出电源是一种连续而非脉动电流形式,相对的由于开关S在ON/OFF之间改变,所以输入电流则为不连续形式,也就是所谓的脉动电流形式.,Buck DC-DC变换器主要架构,实际举例,DPS-350MB A BUCK CIRCUIT,Buck&Boost DC-DC变换器主要架构,Voltage and current waveforms,Buck,Boost,BUCK-BUST(FLYBACK)变换器,原理图,BUCK-BUST(FLYBACK)变换器,工作状态,BUCK-BUST(FLYBACK)变换器,工作原理,当电路中的开关S关闭时,电流就会流经电感L,并将能量储存于其中,由于电压极性的关系,二级体D是在逆向偏压状态,此时负载电阻RL上就没有电压输出. 当开关S打开时,由于磁场的消失,电感L呈逆向极性,二级体D为顺向偏压,环路中则有Ic感应电流产生,因此负载RL上的输出电压极性正好和输入电压极性相反,由于开关ON/OFF的作用,使得电感器的电流交替地在输入与输出间,连续不断的改变其方向,不过这二者电流都是属于脉动电流形式. 所以该变换器电路中,当开关是在导通周期时,能量是储存在电感器里,反之,当开关是在打开周期时能量会转移至负载上.,Isolated Forward DC-DC变换器拓补,3.Isolated Forward,Ideal transfer function,Peak drain current,Peak drain voltage,Average diode currents,Diode voltages (vrm),Isolated Forward 工作原理,由于该转换器中使用的隔离组件是一个真正的变压器,因此为了获得正确有效的能量转移,必须在输出端有电感器,作为次级感应的能量储存组件.而变压器的初级绕组和次级绕组有相同的极性. 当晶体管Q1在ON时,初级绕组渐渐会有电流流过,并将能量转移至输出,且同时经由顺向偏压二级体D2,储存与电感器L中,此时的二级体D3为逆向偏压状态.当Q1换成OFF状态时,变压器的绕组电压会反向,D2二级体此时就处于逆向偏压的状况,此时与飞轮二级体D3则为顺向偏压,在输出回路上有导通电流流过,并经由电感器L,将能量传导至负载上. 变压器上的第三个绕组与D1互相串联在一起,可达到变压器消磁的作用,如此可避免Q1在OFF时,变压器的磁能会转回至输入直流总线上.,Forward,实际举例,300LB A FORWARD CIRCUIT,Isolated Flyback DC-DC变换器拓补,4. Isolated Flyback,Ideal transfer function,Peak drain current,Peak drain voltage,Diode voltages (vrm),Average diode currents,Isolated Flyback 工作原理,当晶体管Q1导通时,变压器的初级绕组渐渐会有初级电流流过,并将能量储存与其中,由于变压器扼流圈的输入与输出绕组,其极性是相反的,因此二级体被逆向偏压,此时没有能量转移至负载,当晶体管不导通时,由于磁场的消失导致绕组的极性反向,此时二级体D会被导通,输出电容器C会被充电,负载RL上有IL的电流流过.由于此种隔离组件的动作就象是变压器与扼流圈,因此在反击式转换器输出部分,就不需要额外的电感器了,但是在实际应用中,为了抑制高频的转换电讯波尖,还是会在整流器与输出电容之间加装小型电感器.,Flyback,实际举例,DPS-200PB-135 B FLYBACK CIRCUIT,Voltage and current waveforms,Forward,Flyback,Forward&Flyback DC-DC变换器拓补,TWO- SWITCH FORWARD,Ideal transfer function,Peak drain current,Peak drain voltage,Average diode currents,Average diode currents,Tow Switch Forward DC-DC变换器拓补,DC-DC变换器拓补,Voltage and current waveforms实际举例,DC-DC变换器拓补,HALF BRIDGE,Ideal transfer function,Peak drain current,Peak drain voltage,Average diode currents,Diode voltages (vrm),DC-DC变换器拓补,FULL BRIDGE,Ideal transfer function,Peak drain current,Peak drain voltage,Average diode currents,Diode voltages (vrm),DC-DC变换器拓补,Voltage and current waveforms,HALF BRIDGE FULL BRIDGE,FULL BRIDGE circuit,DPS-1001AB C FULLBRIDGE CIRCUIT,零电流开关变换器,软开关ZCS变换器,在大功率的开关电源中,为了降低电路的开关损耗及提高开关器件的电压应力和电流应力,软开关技术也就得到了研究并得到了迅速发展.所谓软开关通常指的是零电压开关ZVS和零电流开关ZCS.软开关的实现主要是借助于附加的电感L和电容C的谐振,使开关器件中电流(或电压)按正弦规律来变化,当电流过零时,使器件关断,当电压下降到零时,使器件导通.此次讨论零电流开关变换器-ZCS-PWM.ZCS-PWM变换器是ZCS-QRC和PWM开关变换器的综合,同时兼有二者的特点.在一个周期内,电路有时以ZCS准谐振方式运行,有时又以PWM方式运行.以Buck ZCS-PWM为例,对此电路的工作过程进行讨论和分析.,基本电路,BUCK 变换器基本电路,在此电路中将开关S用零电流谐振开关代替后,就构成了下图的零电流开关谐振Buck变换电路.,基本变换电路,BUCK ZCS-QRS变换电路,在Buck ZCS-QRS变换电路的基础上增加一个功率开关管Q2以及与其反并联的二极管D2就构成了Buck ZCS-PWM变换电路.,基本变换电路,Buck ZCS-PWM变换器,基本變換電路,Buck ZCS-PWM變換器工作原理,設初始時刻主開關管Q1和輔助開關管Q2均處于關斷狀態,輸出負載電流Io從續流二极管D上流過,電容Cr兩端的電壓為零.一個開關從主開關管Q1的導通開始.當Q1在Snubber電感Lr作用下零電流導通後,電感電流 將在電源電壓 作用下線性上升,當 上升倒等於IO時,續流二極體D關斷.之後,D2導通,LR與CR諧振.經過半個諧振週期, 以諧振方式再次達到IO, 以諧振方式上升到 ,此時由於輔助開關管Q2處於關斷狀態,故 與 將保持在該值上,無法繼續諧振.這個狀態的持續時間由電路輸出的PWM控制要求確定.如果這一段時間等於零,則ZCS-PWM電路就完全等同於ZCS-QRC電路了.當電路的輸出PWM控制要求關斷主開關管Q1時,首先應導通開關管Q2(在SNUBBER電感LR的作用下零電流導通),之後 與 再次諧振.當電感電流諧振到零時,二極體D1導通,之後, 繼續向反方向諧振並再次諧振到零.在電感電流反方向運行期間,主開關管Q1可在零電流零電壓下完成關斷過程.在此之後,電容電壓 將在輸出電流的作用下線性衰減到零,使續流二極體D自然導通,直到下一個開關週期到來.輔助開關管Q2可以在D到同之後及下一個開關週期到來之前的任何,以下分析都是在下列条件成立时进行的:a.所有元器件都是理想的,即开通时管压降为零,关断时漏电流为零,开通与关断瞬间完成.b.滤波电感 足够大,故滤波器 及负载 在一个开关周期中,可用其值等于该周期输出电流Io的恒流源代替. Buck ZCS-PWM变换电路的开关周期可分为六个时间段来描述,对应于六种基本的电路拓扑模式,如下图所示.设电路初始状态为主电路开关Q1关断,辅助开关Q2关断,续流二极管D导通,输出电流全部通过D续流,电感电流=0,电容电压=0.,工作过程分析,.,时刻,以零电压零电流方式完成关断过程. 从上述工作原理可看出,在ZCS-PWM电路中,所有开关管及二极管都是在零电压或零电流下完成通断的.同时,电路可以以恒定频率通过调节输出脉宽占空比来调节输出电压.,各时间段的电路拓补图,主要電量波形,半橋式轉換器介紹,雙輸入電壓半橋式轉換器,二个主要优點,第一点就是它能在數放交流电压115V或230Vac的工作情况下,不需使用到高压晶体管.第二点就是我们只需使用到簡單的方法就能来平衡每一轉換晶体管的伏特-秒(volt-senconds)区间,而功率變压器不需有間隙且不需使用到价格高的对称修正電路,雙輸入電壓半橋式轉換器,在半橋式轉換器結構中,功率變壓器有一端點連接到由串聯電容器C1與C2所産生的浮點電壓值端點,其浮點電壓值爲Vin/2,所以在標準的輸入電壓下,其值爲160Vdc.變壓器的另一端點則經由串聯電容器C3連接到Q1的射極與Q2的集極接頭處,當Q1電晶體ON時,此處變壓器端點會産生正的160V電壓脈波,當Q1電晶體OFF,Q2電晶體ON時,變壓器的初級圈會極性反轉,因此,會産生負的160V電壓脈波,在這Q1與Q2電晶體ON-OFF動作中,其産生的峰對方波電壓值爲320V,經由變器轉換降低爲次級電壓,再經過整流,濾波而得到直流輸出電壓.,工作原理,RCC(Ringing choke converter)電路,RCC電路的工作原理,以DPS-180KB-1 D 的STANDBY電路為例 如圖所示,Q902的控制极(G极)由R914AR914C得到啟動電壓后,Q902開始導通,電流經過T901的8,10腳,Q902的漏源极和R906到地,同時T901開始儲能,R906的電壓也同時升高,當R906的電壓達到一定值的時候,Q901導通,使得Q902的G极電壓拉低,Q902截止.在Q902截止的期間內,由開關變壓器T901向負載提供能量,在T901次級繞組的電流經過LC濾波后得到直流輸出.當Q901由導通變為截止時,Q902再次導通,如此反复的循環,形成自激振蕩.,RCC電路舉例,Input EMI Section,EMI的定義EMI 的產生和傳播及處理方式在SPS中的架構模型EMI的處理及量測裝置LISN的原理與使用開關電源的雜訊分析EMI濾波器的組成元件,EMI的定義,EMI:Electromagnetic interference 電磁干扰EMI包括傳導(conduction)和輻射(radiation)兩個部分.傳導EMI是待測物經由導線(電源線)所傳遞出來的雜訊.輻射EMI是直接由開放空間傳遞的.,Input EMI Section 架构,EMI的產生傳播及處理方式,噪聲傳遞的主要方式為 （1）傳導耦合2）公共阻抗耦合（3）輻射耦合 根据電磁干扰的傳播途徑開關電源中的電磁干扰可以分為輻射干扰和傳導干扰兩种干扰可以相互轉換 傳導干扰可以分為共模（Common ModeCM）干扰和差模（Differential ModeDM）干扰由于寄生參數的存在以及開關電源中開關器件的高頻開通和關斷使得開關電源在其輸入端（即交流電网側）產生較大的共模干扰和差模干扰 傳導EMI經由介質進行傳導因此在電路上經常是加濾波器的方式抑制雜訊但是輻射EMI不經由介質雜訊可以bypass EMI而影響其他系統因此其處理方式多為屏蔽（shielding）接地（grounding）濾波等,開關電源的雜訊分析,由LISN所取得的雜訊中,都包含有CM雜訊(common-mode noise)及DM雜訊(differential-mode noise)兩個分量CM雜訊由CM雜訊電流產生,DM雜訊有DM雜訊電流產生.其中CM雜訊電流ICM是L,N相對于接地線共同的雜訊,而DM雜訊電流IDM是直接經L,N而不經過接地線的雜訊分量.此兩分量用數學表示如下:,為總雜訊電流,它是流經LISN的50ohm阻抗所產生的雜訊電壓,開關電源的雜訊分析,CM雜訊電流與DM雜訊電流由什么造成的? 根据前人的實驗結果,發現CM雜訊主要是由Power MOSFET及變壓器上的寄生電容及雜散電容造成的.而DM雜訊電流則由電源電路初級端的非連續電流機輸入端濾波大電容(bulk capacitor)上的寄生電感所造成的.,EMI濾波器的組成元件,常見的EMI濾波元件共有四種: CM電感 DM電感 X電容 Y電容1. CM電感 CM電感是將兩組線圈繞在一個鐵芯上製成的.且其繞線的方嚮能使得其DM電流所產生的磁場HDM相互抵消, 而對CM電流而言,由于其是對地而言的,因此兩組線圈可看成是L,N對地獨立電感,其所產生的磁場HCM是相同方嚮的. 同時由于DM的磁場相互抵消的關系,CM電感比較不易飽和,因此一選用u值較高的ferrite core作為鐵芯.2. DM電感 DM電感的濾波原理和電源供應器輸出端的濾波電感並無不同,由于需要流經大電流,因此材質多用u值較低的powder core以避免飽和.,EMI濾波器的組成元件,3.X電容 X電容是跨接于電源的L,N兩端.一般為金屬皮鏌(metal film)為材質,其容值規格為0.015uF 0.1uF 0.22uF 0.33uF 0.47uF 0.68uF 最大為1uF.4.Y電容 Y電容扮演的是CM電容的角色.其最大的特點是以兩個為一組而存在.一般Y電容均為高壓陶瓷電容,其電容容值較小,從470pF 1000pF 2200pF 3300pF到最大為4700pF.,Active Power Factor Correction,PFC Section,What is Power Factor Correction?,WithoutPFC,WithPFC,PFC工作原理,How does PFC work?,PFC section,功率因數校正 功率因數校正是一非線性負載,從AC 電壓來看就象一個負阻特性的負載.對于一個電阻來說,其電流与電壓同相位并且成正比.所以功率因數是一非線性負載.通常是大多數電源的輸入,這些電源用橋式整流和輸入濾波電容來補償.輸入濾波電容最大充電結果導致短暫的很大幅度的電流脈沖流過電源.而不是同電壓同相位的正鉉電流.這樣的電源其功率因數小于一.如果輸入電流被這樣的電源汲取,其功率因數將小于一.,含有PFC工能的IC ML4824,ML4824 的PFC 部分采用升壓模式的DC-DC 轉換器實現了輸入電流同輸入電壓同相位并且成比例.轉換器的輸入是全波整流交流電壓,用于跟隨橋式整流起器,所以升壓變換器輸入電壓的范圍從零到交流電壓最大值又回到零,.通過使升壓變換器滿足兩個同時存在的狀況,保証變換器從電源電壓得到的電流与瞬間線電壓一致就成為可能.狀況之一是升壓變換器的輸出電壓必須設定的高于線電壓的最大值,通常使用的是385VDC來滿足高壓的275VACrms.另一狀況為轉換器在任一給定時刻所得電流必須与線電壓成比例.第一個要求通過對轉換器建立一個合适的電壓環可以被滿足.接著驅動電流誤差放大器和輸出驅動開關.第二個要求通過運用整流過的交流電壓來調制電壓環的輸出來滿足.這樣的調制使電流誤差放大器來控制直接隨輸入電壓而變化的電源轉換電流