《大学生电子竞赛设计与实践》第二讲-骆雅琴

1、大学生电子设计竞赛大学生电子设计竞赛 设计与实践设计与实践 （第二讲）（第二讲）电气信息学院电工学教研室骆雅琴2011.3.252011.3.25内容内容开关电源的介绍开关电源的介绍09年全国电子设计竞赛安徽赛区一等奖年全国电子设计竞赛安徽赛区一等奖09年全国电子设计竞赛一等奖年全国电子设计竞赛一等奖电子设计竞赛培训作业电子设计竞赛培训作业2什么是电源什么是电源电源电源-电子设备的心脏电子设备的心脏电流电流-输送动力和信息输送动力和信息什么是开关电源什么是开关电源 两类电源：两类电源：线性稳压电源线性稳压电源-工作在线性放大区工作在线性放大区开关稳压电源开关稳压电源-工作在开关状态工作在开关状

2、态变换效率低，一般变换效率低，一般35%60%变换效率高，一般变换效率高，一般70%95%开关电源的发展开关电源的发展 随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。都离不开可靠的电源。 进入进入80年代计算机电源全面实现了开关电源年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代；化，率先完成计算机的电源换代； 进入进入90年代开关电源相继进入各种电子、电年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电器设备领域，

3、程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源的组成：开关电源的组成：一、主电路一、主电路1、输入滤波器：、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。2、整流与滤波：整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。滑的直流电，以供下一级变换。3、逆变：逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这将整

4、流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。量与输出功率之比越小。4、输出整流与滤波：输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。靠的直流电源。二、控制电路二、控制电路 一方面从输出端取样，经与设定标准进行一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定；，达到输出稳定； 另一方面，根据测试电路提供的资料，经另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保

5、护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。保护措施。三、检测电路三、检测电路 除了提供保护电路中正在运行的各种参数除了提供保护电路中正在运行的各种参数外，还提供各种显示仪表资料。外，还提供各种显示仪表资料。四、辅助电源四、辅助电源提供所有单一电路的不同要求电源提供所有单一电路的不同要求电源开关稳压电源开关稳压电源 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。种电源。 开关电源一般由脉冲宽度调制（开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制）控制IC和和M

6、OSFET。开关控制稳压原理开关控制稳压原理 开关开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开。以一定的时间间隔重复地接通和断开。 在开关在开关K接通时，输入电源接通时，输入电源E通过开关通过开关K和滤波和滤波电路提供给负载电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；向负载提供能量； 当开关当开关K断开时，输入电源断开时，输入电源E便中断了能量的便中断了能量的提供。提供。 可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，

7、在开关接通时将一部份能量储要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。存起来，在开关断开时，向负载释放。储能元件储能元件 由电感由电感L、电容、电容C2和二极管和二极管D组成的电路组成的电路，就具有这种功能。，就具有这种功能。 电感电感L用以储存能量，在开关断开时，储存用以储存能量，在开关断开时，储存在电感在电感L中的能量通过二极管中的能量通过二极管D释放给负载，使负释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量，因二极管载得到连续而稳定的能量，因二极管D使负载电使负载电流连续不断，所以称为续流二极管。流连续不断，所以称为续流二极管。电压平均值电压平均值EAB 在在A

8、B间的电压平均值间的电压平均值EAB可用下式表示：可用下式表示： E EABAB=TON/T=TON/T* *E E 式中式中TON为开关每次接通的时间，为开关每次接通的时间，T为开关通断的为开关通断的工作周期（即开关接通时间工作周期（即开关接通时间TON和关断时间和关断时间TOFF之和之和）。）。 由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，AB间电压的平均值也随之改变，因此，随着负载及输间电压的平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整入电源电压的变化自动调整TON和和T的比例便能使输出的比例便能使输出电压电压V0维持不变。改变

9、接通时间维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制时间比率控制”（Time Ratio Control,缩写为缩写为TRC）。）。TRC控制原理控制原理按按TRC控制原理，有三种方式：控制原理，有三种方式： 一、一、脉冲宽度调制脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,缩写为缩写为PWM）开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空）开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。比的方式。 二、二、脉冲频率调制脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,缩缩

10、写为写为PFM）导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率）导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。来改变占空比的方式。 三、三、混合调制混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。的方式，它是以上二种方式的混合。典型电路典型电路降压式变换电路（降压式变换电路（BuckBuck电路）电路） 开关导通时等效电路 开关关断时等效电路 BUCK电路基本结构电路基本结构 等效的电路模型及基本规律等效的电路模型及基本规律 （1）从电路可以看出，电感）从电路可以看出，电感L和电容和电容C组成低通滤波器

11、，此组成低通滤波器，此滤滤 波器设计波器设计 的原则是使的原则是使 us(t)的直流分量可以通过，而抑制的直流分量可以通过，而抑制 us(t) 的谐波分量通过；电容上输出电压的谐波分量通过；电容上输出电压uo(t)就是就是 us(t) 的直流分量再的直流分量再附加微小纹波附加微小纹波uripple(t) 。 （2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充 放电引起放电引起的纹波的纹波uripple(t) 很小，相对于电容上输出的直流电压很小，相对于电容上输出的直流电压Uo有：有： 电容上电压宏观上可以看作恒定。电容上电压宏观上可以看作恒定。 电路稳态工作时

12、，输电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。的小纹波近似原理。 （3）在开关过程中，电容电压有过渡过程，在电）在开关过程中，电容电压有过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡。到平衡。 （4）开关）开关S置于置于1位时，电感电流增加，电感储能位时，电感电流增加，电感储能；而当开关；而当开关S置于置于2位时，电感电流减小，电感释能。假位

13、时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：上磁链增量为： 此增量将产生一个平均感应电势：此增量将产生一个平均感应电势： 此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量为零。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。这是

14、。这是电力电子电路电力电子电路稳态运行时的一个普遍规律。稳态运行时的一个普遍规律。 想设计一个想设计一个MPPT控制器，用的是控制器，用的是BUCK电路，但不知道电路电路，但不知道电路中的电感和电容参数如何选择？中的电感和电容参数如何选择？答案答案 只要是输出电压低于输入电压都可以使用只要是输出电压低于输入电压都可以使用BUCK电路。电感的取值取决于最大脉冲宽度。也就是脉冲宽电路。电感的取值取决于最大脉冲宽度。也就是脉冲宽度越大，所取的电感量也越大。电容器主要起平波作用度越大，所取的电感量也越大。电容器主要起平波作用，与脉冲频率和负载的阻抗，与脉冲频率和负载的阻抗R有关，可以取有关，可以取RC

15、10倍脉倍脉冲周期左右，具体看对输出纹波的要求。冲周期左右，具体看对输出纹波的要求。电感和电容的取值需要根据开关频率计算电感和电容的取值需要根据开关频率计算技术论坛技术论坛开关电源集成控制器开关电源集成控制器开关电源主要由主回路和控制回路组成。开关电源主要由主回路和控制回路组成。主回路主回路-将交流电网的电能传递给负载。将交流电网的电能传递给负载。控制回路控制回路-将按输入条件控制主回路的工作状态。将按输入条件控制主回路的工作状态。将控制回路集成化即称为将控制回路集成化即称为开关电源集成控制器。开关电源集成控制器。SG3525开关电源集成控制器功能：开关电源集成控制器功能：控制主回路控制主回路

16、-把交流电压变换成符合设计要求的把交流电压变换成符合设计要求的高频方波脉冲电压。高频方波脉冲电压。电压调整电压调整-稳压控制。稳压控制。提供保护提供保护-对电源和负载。对电源和负载。.常用开关电源集成控制器是脉宽调制型常用开关电源集成控制器是脉宽调制型-SG3525SG3525应用应用 双端输出驱动双端输出驱动MOS功率管的电路功率管的电路 图示图示SG3525输出驱动输出驱动MOS功率管的电路。功率管的电路。该电路十分简单，输出可以直接接一个变压器。此该电路十分简单，输出可以直接接一个变压器。此变压器初级不用中心抽头，它既能使次级电平移动变压器初级不用中心抽头，它既能使次级电平移动，又能与主

17、变换器的电路隔离。，又能与主变换器的电路隔离。开关电源设计开关电源设计 开关电源设计已成为电力电子学最重要的开关电源设计已成为电力电子学最重要的应用领域。然而，开关电源的原理看似简单，但应用领域。然而，开关电源的原理看似简单，但实际上想要设计一个好的电源，要涉及半导体物实际上想要设计一个好的电源，要涉及半导体物理、控制理论、磁学等众多学科，对设计者的专理、控制理论、磁学等众多学科，对设计者的专业要求很高，因此许多初学者历经艰苦，仍然不业要求很高，因此许多初学者历经艰苦，仍然不得其门而入。得其门而入。0909年年全国电子设计竞赛全国电子设计竞赛安徽赛区一等奖安徽赛区一等奖光伏并网发电模拟装置（光

18、伏并网发电模拟装置（09年年A题）题）【本科组本科组】一、任务一、任务 安工大测控安工大测控06、自动化、自动化06， 系统总框图系统总框图 图图-12 -12 数字示波器实测数字示波器实测变压器输出波形图变压器输出波形图图图-13 -13 模拟示波器实测模拟示波器实测变压器输出波形图变压器输出波形图光伏并网发电模拟装置光伏并网发电模拟装置摘要摘要本系统以本系统以ST7单片机为核心，由具有最大功率点跟踪的单片机为核心，由具有最大功率点跟踪的前级电路和产生高正弦度的逆变电路组成。本系统高频前级电路和产生高正弦度的逆变电路组成。本系统高频能量传输环节短，工作稳定性高，特性易于控制，逆变能量传输环节短，工作稳定性高，特性易于控制，逆变电路的工作状态好，系统效率高。系统中的高频开关管电路的工作状态好，系统效率高。系统中的高频开关管采用了隔离驱动，具有抗干扰能力强、输出稳定。本系采用了隔离驱动，具有抗干扰能力强、输出稳定。本系统具有频率、相位跟踪；具有输入欠压保护，输出过流统具有频率、相位跟踪；具有输入欠压保护，输出过流保护，过热保护等功能，还具有波形失真度小、带载能保护，过热保护等功能，还具有波形失真度小、带载能力强