开关电源基础知识

1、第1章 开关电源的基础知识本课程主要学习内容：本课程主要学习内容：一、开关电源的基础知识及功率器件；二、开关电源技术的主电路（电源输入电路及功率变换电路）；三、开关电源的控制、驱动及保护电路；四、开关电源中的磁性元件（滤波电感及高频变压器）；五、开关电源实际应用电路。 第1章 开关电源的基础知识 通过本课程的系统学习，在电源公司或者相关电子行业企通过本课程的系统学习，在电源公司或者相关电子行业企业从事以下职位的工作：业从事以下职位的工作：技术员技术员测试员（工程部测试员（工程部/ /设计设计部、部、QAQA品质认证等）品质认证等） 助理工程师助理工程师工程师工程师 应用工程师应用工程师/FAE

2、/FAE工程工程师（著名芯片管理公师（著名芯片管理公司）司）/ /市场开拓工程师市场开拓工程师高级高级工程师工程师第1章 开关电源的基础知识著名电源厂家著名电源厂家 1. 艾默生网络能源有限公司艾默生网络能源有限公司 ，2. 雅达电源雅达电源/腾讯亚太电子腾讯亚太电子 3. 台达电子有限公司，台达电子有限公司，4. 山特电子有限公司山特电子有限公司 5. 宝威电源有限公司，宝威电源有限公司，6. 爱立信电源，爱立信电源，7. 科索电源科索电源 8.东莞奥源电子，东莞奥源电子，9.上海恒率电源，上海恒率电源，10.深圳麦格米特电气深圳麦格米特电气台资台资:台达、光宝、全汉、康舒、高效、海韵、益衡

3、台达、光宝、全汉、康舒、高效、海韵、益衡(福益福益)、侨威、七盟、侨威、七盟、伟硕、首利伟硕、首利(成翔成翔)、育嘉、育嘉(安德森安德森)、亿泰兴、酷冷至尊、保锐、银欣、亿泰兴、酷冷至尊、保锐、银欣、曜越等曜越等.内资内资:长城、航嘉、金河田、七喜长城、航嘉、金河田、七喜(大水牛大水牛)多彩、力为、新锐多彩、力为、新锐(新新战线战线)、金盈利、七彩虹、荣盛达、欣东林、金翔等、金盈利、七彩虹、荣盛达、欣东林、金翔等外资外资:雅达、雅达、ANTEC、TAGAN、思民、思民据统计，在珠三角（深圳、东莞、广州、中山、佛山等），有据统计，在珠三角（深圳、东莞、广州、中山、佛山等），有1000多家多家公司

4、生产电源。公司生产电源。第1章 开关电源的基础知识第第1 1章章 开关电源的基础知识开关电源的基础知识1.1 开关开关稳压电源和线性串联稳压电源稳压电源和线性串联稳压电源1.2 开关电源的分类开关电源的分类1.4 开关电源的应用及发展开关电源的应用及发展1.3 对开关电源的基本要求对开关电源的基本要求1.7 开关电源中的功率器件开关电源中的功率器件第1章 开关电源的基础知识1.1 开关开关稳压电源和线性串联稳压电源稳压电源和线性串联稳压电源1.1.1 电源的定义（电源的定义（电源犹如人体的心脏，是所有电设备的动力电源犹如人体的心脏，是所有电设备的动力）利用电能变换技术将市电或电池中的电通过一次

5、电路转换为适合各种用电对象应用的二次电能的装置,利用电子线路反馈技术实现输出电压稳定。分为交流电源、直流稳压电源,或工频电源、高频电源，本文的研究对象是直流稳压电源研究对象是直流稳压电源,包括串联稳压电源和包括串联稳压电源和开关稳压电源开关稳压电源。串联稳压电源当输入或输出电压变化时，通过连续线性调整功率管的压降获得稳定的输出电压。（功率管工作在线性放大状态）开关稳压电源通过调整功率管的导通（或截止）时间获得稳定的输出电压。（功率管工作在饱和导通状态）第1章 开关电源的基础知识一、串联稳压电源一、串联稳压电源线性串联稳压电源的原理图如图1所示：第1章 开关电源的基础知识二、开关稳压电源二、开关

6、稳压电源基本组成如图2所示：EMI滤 波 器交 流 输 入整 流滤 波变 换电 路高 频变 压 器整 流滤 波 器直 流 输 出控 制驱 动取 样 比较 放 大第1章 开关电源的基础知识基本工作原理为：工频交流电源经过变压器T1降压、通过VD1-VD4 整流、C1滤波为直流电压、VT1调压成为一稳定的直流电。优点：结构简单，稳压性能好，无高频噪声污染。缺点： (1) 输入采用50 Hz工频变压器， 体积庞大。 (2) 电压调整器件（如图所示的三极管）工作在线 性放大区内，损耗大，效率低。 (3) 过载能力差。 第1章 开关电源的基础知识开关稳压电源的原理图如图所示：第1章 开关电源的基础知识主

7、电路的工作原理为：主电路的工作原理为：50 Hz单相交流220 V电压或三相交流220 V/380 V电压首先经EMI防电磁干扰的电源滤波器滤波（这种滤波器主要滤除电源的高次谐波），直接整流滤波（不经过工频变压器降压，滤波电路主要滤除整流后的低频脉动谐波），获得一直流电压；然后再将此直流电压经变换电路变换为数十或数百千赫的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压（或升压）后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。 控制电路的工作原理是：控制电路的工作原理是：电源接上负载后，通过取样电路获得其输出电压，将此电压与基准电压做比较后，将其误差值放大，用于控制驱动电路，控制变换器中功率开关管

8、的占空比，使输出电压升高（或降低），以获得一稳定的输出电压。 第1章 开关电源的基础知识开关电源的优点：开关电源的优点：(1） 功耗小、 效率高。 开关管中的开关器件交替工作在导通截止导通的开关状态，转换速度快， 这使得功率损耗小，电源的效率可以大幅度提高，可达9095。 (2） 体积小、重量轻。 开关电源效率高， 损耗小，可以省去较大体积的散热器； 用起隔离作用的高频变压器取代工频变压器，可大大减小体积，降低重量；因为开关频率高，输出滤波电容的容量和体积也可大为减小。 第1章 开关电源的基础知识(3） 稳压范围宽。 开关电源的输出电压由占空比来调节，输入电压的变化可以通过占空比的大小来补偿。

9、这样，在工频电网电压变化较大时， 它仍能保证有较稳定的输出电压。 (4） 电路形式灵活多样。 设计者可以发挥各种类型电路的特长， 设计出能满足不同应用场合的开关电源。 开关电源的缺点：开关电源的缺点：主要是存在开关噪声干扰，开关器件工作在开关状态，它产生的交流电压和电流会通过电路中的其它元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，此外，这些干扰还会串入工频电网，使电网附近的其它电子仪器、设备和家用电器受到干扰。因此，设计开关电源时，必须采取合理的措施来抑制其本身产生的干扰。 第1章 开关电源的基础知识1.2 开关电源的分类开关电源的分类1. 按输出能量的形式分类按输出能量的形式分类(1)直流开关电源(2)交

10、流开关电源2. 按驱动方式分类按驱动方式分类(1)自激式开关电源(2)他激式开关电源第1章 开关电源的基础知识3. 按能量转换过程的形式分类按能量转换过程的形式分类(1)直流直流（DCDC）变换器(2)逆变器（DCAC）(3)开关整流器（ACDC）(4)交流交流变频器（ACAC） 4. 按输入与输出是否隔离分类按输入与输出是否隔离分类(1)隔离式开关变换器(2)非隔式开关变换器第1章 开关电源的基础知识 5.按电路的输出稳压控制方式分类按电路的输出稳压控制方式分类(1)脉冲宽度调制(PWM)式(2)脉冲频率调制(PFM)式(3)脉冲调频调宽式三种6. 按功率开关管关断和开通工作条件分类按功率开

11、关管关断和开通工作条件分类(1)硬开关变换器(2)软开关变换器第1章 开关电源的基础知识1.4 开关电源的应用开关电源的应用一、金属焊接与切割电源二、表面处理工程三、在环境保护中的应用四、在激光中的应用五、在电力系统中的应用六、在通信领域中的应用（ PC电源：输出电压为：12V/14A， -12V/0.5A，5V/18A，3.3V/14A ；笔记本适配器：输入100-240Vac，50-60Hz，输出20V/3.25A,不间断电源(UPS) ）第1章 开关电源的基础知识七、在蓄电池充电中的应用八、在风能、太阳能发电中的应用九、在电动机调速中的应用（变频调速）十、在军事装备中的应用十一、医疗器械

12、上的电源(如CT扫描仪）十二、航空电源第1章 开关电源的基础知识1.3 对开关电源的基本要求对开关电源的基本要求一、使用性能要求一、使用性能要求1、高的可靠性 平均无故障时间（MTBF）3000h2、高的安全性3、好的可维修性 平均故障维修时间（MTTR）4、高的功率密度（单位体积的功率容量及单位质量的功率容量）5、高性价比、低使用维修费用6、环境适宜性要求第1章 开关电源的基础知识二、电气性能参数二、电气性能参数1、 输入电压变化范围：当稳压电源的输入电压发生变化时，使输出电压保持不变的输入电压变化范围。目前开关电源的输入电压变化范围已做到90270 V，可以省去许多电器中的110 V/22

13、0 V转换开关。2、源电压功率因数（PF或 ） 一般功率因数PF0.83、效率：电源输出功率Po与输入功率Pi的比值。这个比值越高，开关电源的体积越小，同时可靠性也越高。目前开关电源的效率可达到90以上。第1章 开关电源的基础知识4、 输出电压调节范围：由于电源的输出电压只和基准电压与输出取样电路的元器件参数有关，因此，输出电压调节范围反映在线性电源上是稳压调整管集电极电流的变化范围，反映在开关电源上是开关调整管脉冲占空比D的变化范围。5、 输出电压稳定性：输出电压随负载变化而变化的特性，这个变化量越小越好。它主要和反馈调节回路的增益及频响特性有关。反馈调节回路增益越高，基准电压UE越稳定，输

14、出电压Uo的稳定性就越好。6、 输出功率Po：电源能输出给负载的最大功率，它和负载功率有关。为了保证电源安全，要求输出功率有2050的裕量。7、电气保护：输入过电压、欠电压保护，输出过电压、欠电压保护，输出过电流保护。8、功率器件过热保护第1章 开关电源的基础知识9、电网电压调整率指在额定负载范围内，输入电压在允许范围内变化，引起输出电压变化量与输出额定电压的百分比。10、负载调整率在规定的源电压范围内，负载电流从空载至满载变化时，引起输出电压的变化量与输出额定电压的百分比。11、输出纹波与噪声纹波电压可用峰-峰值VP-P第1章 开关电源的基础知识1.7 开关器件开关器件开关器件(即开关电源的

15、电子器件)的特性及其驱动是开关电源电路中关键的问题。1.7.1 开关器件概述开关器件概述1. 开关器件的特征开关器件的特征同处理信息的电子器件相比，开关电源的电子器件具有以下特征：(1) 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处理信息的电子器件。(2) 开关器件一般都工作在开关状态，导通时(通态)阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。第1章 开关电源的基础知识(3) 开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重

16、要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际开关。(4) 电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。 (5) 为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。第1章 开关电源的基础知识2.开关电源系统的组成开关电源系统的组成开关电源系统由控制电路、 驱动电路和以开关器件为核心的主电路组成。控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中开关器件的通或断来完成整个系统的功能。开关电源系统中需要有检测电

17、路。广义上往往其他驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说开关电源系统是由主电路和控制电路组成的。第1章 开关电源的基础知识主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的开关器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，驱动电路与控制信号的连接处，或者主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，而通过其他手段如光、 磁等来传递信号。由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而开关器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此必须在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证开关器件和整个电源系统正常、 可靠运行。第1章 开关电源的基础知识第1章 开关电源的基础知识3. 开关器件的