开关电源原理、设计及实例[陈纯锴][电子教案(PPT版本)]第1章

1.1开关电源简介1.2稳压电源1.3开关电源的分类1.4开关电源的主要技术指标1.5需要掌握基本概念,第1章绪论,本章简介,本章首先对电源、开关电源概念作了简单介绍，同时给出了开关电源发展历程以及目前开关电源技术发展方向与最新技术。其次重点阐述了线性电源与开关电源及其区别，包括线性电源结构原理、开关电源结构和原理，对基准电压源、简单分立元件组成的稳压电路和集成稳压电源原理均作了详细说明。最后给出开关电源的主要技术指标和应该掌握的技术术语，为更好的进行开关电源设计打下坚实基础。本章要求了解开关电源概念及相关知识，重点掌握线性电源和开关电源原理及其区别。,1.1开关电源简介,电源有交流电源和直流电源两种。由交流发电机提供的是交流电源，直流电源一般由电池或蓄电池供电的。由于直流电源成本较高，交流电源成本低，所以多数大功率设备采用交流电源供电。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。,1.1开关电源简介,1.1.1开关电源的发展历史,开关稳压电源(以下简称开关电源)取代晶体管线性稳压电源(以下简称线性电源)已有30多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态后，脉宽调制(PWM)控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源，它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制，PWM开关电源效率可达6570，而线性电源的效率只有3040。在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。线性电源工作于工频，因此用工作频率为20kHZ的PWM开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHZ革命。随着ULSI芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机，移动电话等)更需要小型化，轻量化的电源。因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。,1.1开关电源简介,表1-1开关电源应用领域,1.1开关电源简介,图1-1几种开关电源实物图,1.1开关电源简介,1.1.2开关电源技术发展方向,1.小型、薄型、轻量化2.高效率3.高可靠性4.模块化5.低噪声6.电源系统的管理和控制7.计算机辅助设计(CAD),1.2稳压电源,1.2.1线性稳压电源1.线性稳压电源原理线性稳压电源通常包括：调整管、比较放大部分(误差放大器)、反馈采样部分以及基准电压部分，它的典型原理框图如图1-2所示。调整管与负载串联分压，因此只要将它们之间的分压比随时调节到适当值，就能保证输出电压不变。这个调节过程是通过一个反馈控制过程来实现的。反馈采样部分监测输出电压，然后通过比较放大器与基准电压进行比较判断：输出电压是偏高了还是偏低了，偏差多少？再把这个偏差量放大去控制调整管，如果输出电压偏高，则将调整管上的压降调高，使负载的分压减小；如果输出电压偏低，则将调整管上的压降调低，使负载的分压增大，从而实现输出稳压。,1.2稳压电源,1.2稳压电源,图1-2线性串联稳压电源原理框图,1.2稳压电源,线性稳压电源的线路简单、干扰小，对输入电压和负载变化的响应非常快，稳压性能非常好。但是，线性稳压电源功率调整管始终工作在线性放大区，调整管上功率损耗很大，导致线性稳压电源效率较低，只有20%40%，发热损耗严重，所需的散热器体积大，重量重，因而功率体积系数只有2030W/dm3；另外线性电源对电网电压大范围变化的适应性较差，输出电压保持时间仅有5ms。因此线性电源主要用在小功率、对稳压精度要求很高的场合，如：一些为通信设备内部的集成电路供电的辅助电源等。,1.2稳压电源,图1-3串联反馈式稳压电路结构图,2基准电压源基准电压源一般可以用稳压管组成的稳压源来承担，但目前有很多基准电压集成电路，这些电路稳压性能非常好，被广泛用作高性能稳压电源的基准电源，或A/D和D/A转换器的参考电源。常用的型号是MC1403、MC1503和TL431。TL431是一个性能优良的基准电压集成电路。该器件主要应用于稳压、仪器仪表、可调电源和开关电源中，是稳压二极管的良好替代品，其主要特点是：可调输出电压2.536V，典型输出阻抗0.2，吸收电流1100mA，温度系数30ppm/，多种封装形式。该器件的图形符号见图1-4a。图1-4b是使用TL431的稳压电路。最大稳定电流2A，输出电压的调节范围为2.524V。在图中发光二极管作为稳压管使用，使T2的发射结恒定，从而使电流I1恒定，保证当输入电压变化时，TL431不会因电流过大而损坏。当输入电压变化时，TL431的参考电压VREF随之变化，当输出电压上升时，TL431的阴极电压随VREF上升而下降，输出电压随之下降。,1.2稳压电源,1.2稳压电源,图1-4基准集成电路TL431及其应用电路,3简单分立元件组成的稳压电路,分立元件组成的稳压电源电路如图1-5所示，该电路就是典型的串联稳压电源，其中变压器用于将220V市电降成需要的电压后，进行桥式整流和滤波，将交流电变成直流电并滤去纹波，经过简单的串联稳压电路，输出端得到稳定的直流电压。图1-5简单的串联稳压电源,1.2稳压电源,1.2.2集成稳压电源三端集成稳压电路的外部只有三个端子：输入、输出和公共端。在三端稳压电源芯片内有过流、过热及短路保护电路。该种芯片具有使用安全可靠，接线简单，维护方便、价格低廉等优点，当前正被广泛采用。1三端固定集成稳压电路三端固定集成稳压电路的输出电压是固定的，常用的是CW7800/CW7900系列。W7800系列输出正电压，其输出电压有5、6、7、8、9、10、12、15、18、20和24V共11个档次。该系列的输出电流分5档，7800系列是1.5A，78M00是0.5A，78L00和是0.1A，78T00是3A，78H00是5A。W7900系列与W7800系列所不同的是输出电压为负值。三端稳压器的工作原理与前述串联反馈式稳压电源的工作原理基本相同，由采样、基准、放大和调整等单元组成。集成稳压器只有三个引出端子：输入、输出和公共端。输入端接整流滤波电路，输出端接负载；公共端接输入、输出的公共连接点。为使它工作稳定，在输入和输出端与公共端之间并接一个电容。使用三端稳压器时注意一定要加散热器，否则是不能工作到额定电流。,1.2稳压电源,1.2稳压电源,1.2稳压电源,1.2.3开关型稳压电源原理线性稳压电源的动态响应非常快，稳压性能好，只可惜功率转换效率太低。要提高效率，就必须使图1-2中的功率调整器件处于开关工作状态，电路相应地稍加变化即成为开关型稳压电源。转变后的原理框图如图1-8所示。调整管作为开关而言，导通时(压降小)几乎不消耗能量，关断时漏电流很小，也几乎不消耗能量，从而大大提高了转换效率，其功率转换效率可达80%以上。,图1-8降压型开关电源原理图,1.2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。由于它不需要工频变压器，故称无工频变压器开关式直流稳压电源。它使电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了一步。图1-9是无工频变压器的开关电源的方框图。而图1-10则是从工作波形角度的开关电源原理框图。,图1-9无工频变压器的开关电源的方框图,1.2稳压电源,这类电源的共同特点是具有高频变压器、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。变压器原副边是隔离的，或部分隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。,图1-10带高频变压器耦合的开关电源原理框图,1.2稳压电源,图1-11开关电源电路原理图,1.2稳压电源,1.2.4线性稳压电源与开关型稳压电源比较开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、逆变器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。它们的功能是：1输入电网滤波器：消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。2输入整流滤波器：将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。3逆变器：是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。,1.2稳压电源,4输出整流滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。5控制电路：检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。6保护电路：当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。线性电源一般是将输出电压取样然后与参考电压送入比较电压放大器，此电压放大器的输出作为电压调整管的输入，用以控制调整管使其结电压随输入的变化而变化，从而调整其输出电压。但开关电源是通过改变调整管的开和关的时间即占空比来改变输出电压的。,表1-2开关稳压电源与线性稳压电源的主要性能比较,1.2稳压电源,1.2稳压电源,总之，开关稳压电源和线性稳压电源相比，功率转换效率高，可达65%90%，发热少，体积小、重量轻，功率体积系数可达60100W/dm3，对电网电压大范围变化具有很强的适应性，电压、负载稳定度高，输出电压保持时间长达20ms。但是线路复杂，电磁干扰和射频干扰大。具体性能指标对比如表1-2所示。与线性稳压电源相比，开关电源不需要工频变压器，工作频率高，所需的滤波电容、电感小，因而体积小，重量轻，动态响应速度快。开关电源的开关频率都在20kHz以上，超出人耳的听觉范围，没有令人心烦的噪声。开关电源可以采用有效的功率因数较正技术，使功率因数达0.9以上，高的甚至达到0.99(安圣的HD4850整流模块)。这些使得开关电源的性能几乎全面超过相控电源，在通信电源领域已大量取代线性电源。,1.2稳压电源,1.2.5单片开关电源1.概述单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来便显示出强大的生命力，作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。目前，单片开关电源正朝着短、小、轻、薄、节能、安全的方向发展，涌现出许多单片开关电源的新技术和新产品。2.单片开关电源的产品分类目前生产的单片开关电源主要有：TOPSwitch、TOPSwitch-共80余种型号。其中，TOPSwitch、TOPSwitch-、TinySwitch、TNY256和TOPSwitch-FX、TOPSwitch-GX系列，均为美国PI公司产品；MC33370系列是Motorola公司产品；L4960、L4970L4970A系列为意-法半导体有限公司（SGS-Thomson）产品。根据引出端的数量，单片开关电源可划分成三端、四端、五端、多端共4种。,1.2稳压电源,3.三端单片开关电源芯片的性能特点三端单片开关电源是目前国际上正在流行的新型开关电源芯片。专业从事电源半导体芯片设计和生产的美国PowerIntegration公司在世界上率先研制成功的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路，被誉为“顶级开关电源”。4.TOPSwitch-系列芯片的管脚排列和封装TOPSwitch-系列芯片有三种封装形式：TO-220型、DIP-8型和SMD-8型等。其中最常见的为三引脚的TO-220封装，如图1-12所示。控制极C：占空比控制误差放大器输入端和反馈电流输入脚。启动时由内部高压电流源提供内部偏置电流，在正常工作时，流入反馈控制电流。同时用作电源旁路电容器和自动启动/补偿电容器的接入点。源极S：在TO-220封装中，既是MOSFET管的源极接点，也是开关电源初级回路的公共点和参考点。漏极D：MOSFET管漏极接入点。在启动时，提供内部偏置电流。,图1-12TO-220封装,1.2稳压电源,5.单片开关电源的基本原理,1.2稳压电源,6.单片开关电源的应用领域通用开关电源各种通用开关电源；开关电源模块；精密开关电源模块；智能化开关电源模块。专用开关电源微机、USB接口电源、彩电、录像机(VCR)、摄录像机(CVCR)等高档家用电器中的待机电源；电子仪器仪表中的电源；调制解调器电源；辅助电源；IC卡付费电度表中的小型化开关电源模块；机顶盒(Set-topBox)电源；手机电池充电器；AC/DC电源适配器等。特种开关电源复合型开关电源；恒压恒流型开关电源；截流输出型开关电源；恒功率输出型开关电源；功率因数校正器(PFC)。,1.3开关电源的分类,1.按驱动方式分，有自励式和它励式。在自励式开关电源中由开关管和高频变压器构成正反馈环路来完成自激振荡；它励式开关稳压电源必须附加一个振荡器，振荡器产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截止。2.按DC/DC变换器的工作方式分：单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式等；降压型、升压型和升降压型等。3.按电路组成分，有谐振型和非谐振型。4.按控制方式分：脉冲宽度调制(PWM)式；脉冲频率调制(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、光电耦合式等。,1.4开关电源的主要技术指标,1开关电源电气技术参数输入电源的相数、频率根据输出功率的不同，可采用单相或三相电源供电。在输出功率高于5KW时，通常采用三相电源供电，以使三相负载平衡。我国工频电源频率为50Hz。输入额定电压、容许电压波动范围。我国工频电源额定电压为220V，线电压为380V。在容许的输入电压波动范围内都要保证额定输出功率。额定输入电流。指在额定输入电压、额定输出功率时的输入电流。最大输入电流。指在容许的下限输入电压、额定输出功率时的输入电流。输入功率因数。指输入有功功率与视在功率的比值。额定输出直流电压(标称输出直流电压)。指在额定输出电流的状态下，满足规定的稳压精度及纹波指标时的最大输出直流电压。输出电压纹波与噪声。纹波指输出中与输入电源频率同步的交流成分，用峰-峰值表示。噪声指输出中除纹波以外的交流成分，也用峰-峰值表示。也常用纹波和噪声的总和值减去输出中交流成分的峰-峰值来表示输出中交流分量的大小。额定输出电流。指额定输出电压时供给负载的最大平均电流。效率。指输出有功功率与输入有功功率之比。,2.稳压器质量指标(1)电压调整率(2)电流调整率(3)纹波抑制比(4)温度稳定性,1.4开关电源的主要技术指标,3.稳压器的工作指标稳压器的工作指标是指稳压器能够正常工作的工作区域，以及保证正常工作所必须的工作条件，这些工作参数取决于构成稳压器的元件性能。(1)输出电压范围符合稳压器工作条件情况下，稳压器能够正常工作的输出电压范围，该指标的上限是由最大输入电压和最小输入-输出电压差所规定，而其下限由稳压器内部的基准电压值决定。(2)最大输入-输出电压差该指标表征在保证稳压器正常工作条件下稳压器所允许的最大输入输出之间的电压差值，其值主要取决于于稳压器内部调整晶体管的耐压指标。(3)最小输入-输出电压差该指标表征在保证稳压器正常工作条件下，稳压器所需的最小输入输出之间的电压差值。(4)输出负载电流范围输出负载电流范围又称为输出电流范围，在这一电流范围内，稳压器应能保证符合指标规范征所给出的指标。,1.4开关电源的主要技术指标,4.极限参数(1)最大输入电压该电压是保证稳压器安全工作的最大输入电压。(2)最大输出电流是保证稳压器安全工作所允许的最大输出电流。5.保护参数(1)过流保护是一种电源负载保护功能，以避免发生包括输出端子上的短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。过流的给定值一般是额定电流的110%-130%。(2)过压保护是一种对端子间过大电压进行负载保护的功能。一般规定为标称电压的130%-150%。(3)输出欠压保护当输出电压在标准值以下时，检测输出电压下降或为保护负载及防止误操作而停止电源并发出报警信号，多为输出电压的80%-30%左右。,1.4开关电源的主要技术指标,1.5需要掌握基本概念,1脉宽调制(PulseWidthModul