开关电源的结构和基本原理上课实用教案

1、高频(o pn)开关电源的结构和基本原理第1页/共42页第一页，共43页。2一、 概述(i sh)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(bin sh)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(dinyun)是什么？1.1 电源及开关电源电源常用电源常用的连接方的连接方式式串联线性稳压电源串联线性稳压电源高频开关电源高频开关电源第2页/共42页第二页，共43页。1.1.2 1.1.2 串联(chunlin)(chunlin)稳压电源与开关电源的区分 串联线性稳压电源：电源调整管工作在放大状态(zhungti)。 开关

2、电源：电源调整管工作在开关状态(zhungti)的电源 。是具有高功率密度的电源。 输入输入电源调整管电源调整管负载负载RL串联稳压电源串联稳压电源输入输入开关管开关管K负载负载 RL储能元储能元件件开关电源开关电源第3页/共42页第三页，共43页。41.1.3 开关电源的分类(fn li)： 按变换方式可分为下列四大(s d)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(s d)类：AC/AC开关电源。但目前只将前两类称为开关电源，而将后两类分别称为逆变器和变频器。开关电源逆变器变频器第4页/共42页第四

3、页，共43页。5A：一次电源(dinyun)产品的图片（AC/DC）常见(chn jin)开关电源图片第5页/共42页第五页，共43页。6B：工业电源产品的图片(tpin)标准产品（AC/DC）CPCI Series of Lambda 第6页/共42页第六页，共43页。7C：工业电源产品(chnpn)的图片（AC/DC）HWS Series of Lambda 第7页/共42页第七页，共43页。8E：工业电源(dinyun)产品的图片（AC/DC）第8页/共42页第八页，共43页。9F：二次电源(dinyun)产品的图片（DC/DC）-标准转类Full BrickHalf BrickHalf

4、 Brick1/4 Brick1/8 Brick第9页/共42页第九页，共43页。10G：二次电源产品(chnpn)的图片（DC/DC）第10页/共42页第十页，共43页。彩电彩电(ci din)(ci din)开关稳开关稳压电源压电源第11页/共42页第十一页，共43页。1.2 直流稳压电源的发展(fzhn) 直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。传统的串联式线性转换方法设计传统的串联式线性转换方法设计(shj)(shj)制作的电源，其效率制作的电源，其效率低，损耗大，温升高。低，损耗大，温升高。图图1-1 晶体管串联式线性稳

5、压电源晶体管串联式线性稳压电源 第12页/共42页第十二页，共43页。随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢复二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极管及其它元器件的电压(diny)(diny)得到很大的提高，这为取得到很大的提高，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。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。它使电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了一步。图图1-3 1-3 无工频无工频(n pn)(n pn)变压器的开关电源原理变压器的开关电源原理框图框图

6、第13页/共42页第十三页，共43页。1.3 1.3 无工频变压器开关稳压电源的优点：无工频变压器开关稳压电源的优点：1.1.效率高。一般在效率高。一般在707080%80%以上。以上。 2.2.体积小、重量轻，随着频率的提高体积小、重量轻，随着频率的提高(t go)(t go)，收效更显著。收效更显著。 3.3.稳压范围广，一般交流输入稳压范围广，一般交流输入8080265V265V，负载，负载作大幅度变化时，性能很好。作大幅度变化时，性能很好。 4.4.噪声低，声频在噪声低，声频在20kHz20kHz以上时，已是人耳听以上时，已是人耳听不到的超声不到的超声 波，而开关电源的工作频率一般都大

7、于此频波，而开关电源的工作频率一般都大于此频率；率； 5.5.性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到低性能灵活，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、反号等输路输入可得到多路输出以及同号、反号等输出；出； 6.6.电压维持时间长，为了适应交流停电时，计电压维持时间长，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，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。开关电源可在几十毫秒内保证仍有电压输出。 7.7.可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负可靠性大

8、，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出现。载的高电压出现。 第14页/共42页第十四页，共43页。无工频变压器开关稳压电源的不足之处：无工频变压器开关稳压电源的不足之处：1.1.输出纹波较大，约有输出纹波较大，约有1010100mV100mV的峰峰值；的峰峰值； 2.2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；3.3.控制电路比较复杂，对元器件要求高；控制电路比较复杂，对元器件要求高；4.4.动态响应时间至少动态响应时间至少(zhsho)(zhsho)要大于一个开关周期，要大于一个开关周期，不如串联式晶体管线性稳压电源。不如串联式晶体管线性稳

9、压电源。 第15页/共42页第十五页，共43页。二、 开关电源工作(gngzu)原理 通过高频开关技术将输入的较高的交流电压(AC)转换为PC电脑(dinno)工作所需要的较低的直流电压(DC) 开关电源的中心思想：用提高工作频率等手段来提高电源的功率密度，进而(jn r)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PC电源效率为70%-75%，而相应的线性稳压电源的效率仅有50%左右。 输出电压的稳定则:依赖对脉冲宽度的改变来实现，这就叫做脉宽调制PWM。第16页/共42页第十六页，共43页。共轭滤共轭滤波器波器整流整流(zhngli)滤波滤波开

10、关开关(kigun)调整调整管管储能储能(ch nn)元件元件脉冲整脉冲整流滤波流滤波取样电取样电路路比较比较放大放大基准基准220V交流电交流电压输入压输入功能：功能：将将220V交流电压交流电压转换为电路所需要的各种转换为电路所需要的各种稳定的直流电压稳定的直流电压2.1 高频变压器开关电源的结构 图图2-1 高频变压器开关电源基本功能框图高频变压器开关电源基本功能框图直流电压直流电压输出输出第17页/共42页第十七页，共43页。 A.电路组成： B.作用：双向滤波(lb)（一方面避免电网供电线引入高频脉冲影响电子电路，另一方面，防止开关电源对电网造成污染。）S501C501 0.1uL5

11、02220V市市电电 至整流滤波至整流滤波电路电路F501 T2.5AC502 0.1u2.2.1、进线抗电磁干扰电路、进线抗电磁干扰电路(dinl)EMI2.2 输入共轭滤波(lb)及整流第18页/共42页第十八页，共43页。C.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(kil)。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(dunl)。因此，50Hz市电可以顺利通过。S501C501 0.1uL502220V市市电电 至整流滤波至整流滤波电路电路F501 T2.5AC502 0.1uF501 T2.5AS501C501 0.1uL502220V市市

12、电电 至整流滤波至整流滤波电路电路C502 0.1u第19页/共42页第十九页，共43页。输入220V交流电压(diny)的检测220V交流交流(jioli) 输入输入交流交流(jioli)电压电压500V档档正常值正常值:220V15%(187V253V)共轭滤波器共轭滤波器第20页/共42页第二十页，共43页。220V交流(jioli)电压整流滤波后直流电压的检测直流电压直流电压500V档档来自来自(li z)共轭滤共轭滤波器的波器的220V交交流电压流电压正常值为正常值为300V左右左右(zuyu)第21页/共42页第二十一页，共43页。 电路中Q为开关管，工作于开关状态（Q饱和导通时相

13、当于一只接通的开关，Q截止时相当于一只断开(dun ki)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 2.3 串联型开关电源工作过程串联型开关电源工作过程(guchng)(guchng)（降压式（降压式BUCK)BUCK)LQDCR L（a ) 串联型开关电源基本电路串联型开关电源基本电路+300V第22页/共42页第二十二页，共43页。 开关管饱和导通时，300V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(ch nn)。 二极管D处于反向截止状态。 由于

14、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300V电源电压与L两端自感电动势之差。IQI LICIRQ（b)开关管饱和时的等效电路开关管饱和时的等效电路D+300VR LLC+-第23页/共42页第二十三页，共43页。 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(chnshng)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。ICI LIDD（c)开关开关(kigun)管截止时的等效管截止时的等效电

15、路电路Q+300VR LCL+-第24页/共42页第二十四页，共43页。图图2-1 高频变压器开关电源基本结构高频变压器开关电源基本结构(jigu)框图框图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。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变压器原副边是隔离(gl)(gl)的，输入电压是直接从交流市电的，输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。整流得到的高压直流。 2.4变压器型开关电源工作(gngzu)过程第25页/共42页第二十五页，共43页。2.4.1 高频变压器变换电路

16、工作方式分类高频变压器变换电路工作方式分类(fn li)按其工作方式可分为五类按其工作方式可分为五类,每类传输的功率也不相同，应用每类传输的功率也不相同，应用环境也稍有不同，如下所示：环境也稍有不同，如下所示：电路类型传输功率应用环境单端反激式变换器20100W小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备中的控制电源单端正激式变换器50200W小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备中的控制电源推换式变换器100500控制设备，计算机等电源半桥式变换器1005000W焊机，超声电源，计算机电源等全桥式变换器500W30kW焊机、高频感应加热，交换机等第26页/共42页第二十六页，共43页。 开

17、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(zhngli)二极管D截止，由电容器C放电形成负载电流。300VVTDRL（a )基本电路基本电路C+300V e1+e2VT+_RL( b )开关管饱和导通开关管饱和导通DCT2.4.2 单端反激式变压器型开关稳压电源工作(gngzu)过程第27页/共42页第二十七页，共43页。 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(y )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

18、能，以便开关管再次导通时向负载释放能量。e1_+IRL300VCVTD（ c )开关管截止开关管截止T_+e2第28页/共42页第二十八页，共43页。 A.能量(nngling)转换过程VT导通，导通，D截止截止(jizh)，T吸收能吸收能量；量；VT截止截止(jizh)，D导通，导通，T释释放能量。传递的能量越多，负载两放能量。传递的能量越多，负载两端形成的电压就越高。端形成的电压就越高。*VTTD2.4.2 单端反激式变压器型开关(kigun)稳压电源工作过程第29页/共42页第二十九页，共43页。 B.稳压(wn y)过程取样取样(qyng)电路电路比较比较(bjio)放大放大基准基准脉

19、冲产生脉冲产生与脉宽控与脉宽控制制VTTD2.4.2 单端反激式单端反激式变压器型开关稳压电源工作过程*第30页/共42页第三十页，共43页。2.4.3 2.4.3 调整输出电压调整输出电压(diny)(diny)的方法的方法tVitVktVoViTONTVoVkKR L电压电压 变换器变换器VO = Vi =D ViT0NT占空比第31页/共42页第三十一页，共43页。 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而改变输出电压高低。这种电源称为(chn wi)“调宽式”开关电源。PWM 也可以使开关管截止时间不变，只改变

20、开关管导通时间长短而改变输出电压高低。这种电源称为(chn wi)“调频调宽”式开关电源。PFM第32页/共42页第三十二页，共43页。三、单端反激式开关电源理论三、单端反激式开关电源理论(lln)计算计算 3.1 3.1 工作工作(gngzu)(gngzu)原理分析原理分析 1 1、在开关、在开关(kigun)VT(kigun)VT导通导通期间：期间： maxmin)(PPonPinonPIItLUti2 2、在开关在开关VT截止期间截止期间 off2oP2PS2tLUINNTi max)(off20PonPin2PtLUItLUNN )(min图图2-2 单端反激式变换器单端反激式变换器第

21、33页/共42页第三十三页，共43页。3.2 3.2 单端反激式变换器也有三种单端反激式变换器也有三种(sn zhn(sn zhn) )工作状态工作状态1 1、磁通临界、磁通临界(ln ji)(ln ji)连续的工作情况：连续的工作情况： 02UNNUuPinceoninPoninPPonPinPofftUUNNtUULLNNtULLNUNt02022022 0UinoffonPoffonPinPUttNNttLULNN 222 图图8-16 临界连续状态时的电压电流临界连续状态时的电压电流(dinli)波形波形第34页/共42页第三十四页，共43页。2 2、磁通不连续、磁通不连续(linx)

22、(linx)的工作的工作状态状态 图8-17 磁通不连续(linx)时的工作波形oninPofftUUNNt02)()(20max220max22onPPonttLUINNttLUIiontPinSdtiUTP011ontPSoninpinSLTtUtdtLUT022221ttSont diUTP2001PSoninttononPPSLTtUttdttLUINNTUon2)()(22)(020max20PSLoninLTRtUU20第35页/共42页第三十五页，共43页。3 3、磁通连续的工作、磁通连续的工作(gngzu)(gngzu)状况状况图8-18 磁通连续时的工作(gngzu)波形 )

23、(20max22onttLUIi)()(20min2onPonPinPttLUItLUNNnUUttNNUnUUUTtinttinoffonPtinSon1200002UNNUuPince)11(1tintintinUUUinttonSSPthoninPKUPnIntTITLtUI0002)1 (2)(22122minPoffLSoninPLtnRTtUI第36页/共42页第三十六页，共43页。3.33.3、输入电压、输入电压(diny)Uin(diny)Uin与导通比与导通比tt的对应关系的对应关系 inLttinHttUUnUmaxmaxminmin011即：输入电压最高时，相应的导通比是

24、最小，输入电压最低即：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。运行中由于对应，相互制约的。运行中由于(yuy)(yuy)闭环调节，这种闭环调节，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相互适应是自动的。但必须指出的是，由控制电路振荡器和PWMPWM门闩电路本身固有的最大最小导通比，一定要与运行条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。件所需的最大最小导通比不矛盾，否则就会失调。3.4 磁通复位(f

25、wi)问题 PoffoninNNttUU20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：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： 1.1.单端反激式变换器开关变压器的铁芯都带有单端反激式变换器开关变压器的铁芯都带有气隙气隙 。2.2.初级绕组电流实现初级绕组电流实现脉冲限流控制脉冲限流控制。 第37页/共42页第三十七页，共43页。3.5 3.5 间歇振荡间歇振荡(zhndng)(zhndng)问题问题 当电网电压升到一定值而又很大的情况下，欲维持输出电压当电网电压升到一定值而又很大的情况下，欲维持输出电压恒定，则脉宽调制器会使脉宽减少到某一极限值时，不能再减小恒定，则脉宽调制器会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：放回路，就有可能出现：有的振荡有的振荡(zhndng)(zhndng)周期没有周期没有PWMPWM脉冲输出，开关管不导通，有脉冲输出，开关管不导通，有的振荡的振荡(zhndng)(zhndng)周期就很宽，变成了作周期性或非周期性的周期就很宽，变成了作周期性或非周期性的间歇振荡间歇振荡(zhndng)(zhndng)器，这时输出电压不稳，纹波大，变压器器，