开关电源基本知识培训讲议

1、开关电源基本知识培训讲议二.输入电路的原理及常见电路 1.AC输入整流滤波电路大功率开关电源防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1、MOV2、MOV3；F1、F2、F3、FDG1 组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，假设电流过大，F1、F2、F3 会烧毁保护后级电路。大功率开关电源输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当大功率开关电源开启瞬间，要对 C5充电，由于瞬间电流大，加RT1热敏电阻

2、就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小RT1 是负温系数元件，这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯洁的直流电压。假设C5容量变小，输出的交流纹波将增大。2.DC 输入滤波电路(PFC)原理： 输入滤波电路：C1、L1、C2组成的双型滤波网络主要是对输入大功率开关电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止大功率开关电源本身产生的高频杂波对电网干扰。C3、C4 为安规电容，L2、L3为差模电感。 R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT

3、1、C7组成抗浪涌电路。在系统起动的瞬间，由于 C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路。当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。如果C8漏电或后级电路短路现象，在系统起动的瞬间电流在RT1上产生的压降增大，Q1导通使 Q2没有栅极电压不导通，RT1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。三、功率变换电路1.大功率开关电源工作原理：R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器，和开关MOS管并接，使开关管电压应力减少，EMI减少，不发生二次击穿。在开关管Q1关断时，变 压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参与当前

4、工作周波的占空比控制，因此 是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压到达1V时，UC3842停止工作，开关管Q1立即关断 。 R1和Q1中的结电容CGS、CGD一起组成RC网络，电容的充放电直接影响着开关管的开关速度。R1过小，易引起振荡，电磁干扰也会很大；R1过大，会降低开关管的开关速度。Z1通常将MOS管的GS电压限制在18V以下，从而保护了MOS管。 Q1的栅极受控电压为锯形波，当其占空比越大时，Q1导通时间越长，变压器所储存的能量也就越多；当Q1截止时，变压器通过D1、D2、C3 释放能量，同时也到达了磁场复位的目的，为变压器的下一次存储、传递能量做好了准备。IC根据输出电压和电流时刻

5、调整着脚锯形波占空比的大小，从而稳定了整机的输出电流和电压。 C4和R6为尖峰电压吸收回路。 2.推挽式功率变换电路： Q1和Q2将轮流导通。3.有驱动变压器的功率变换电路： T2为驱动变压器，T1为开关变压器，TR1为电流环。 四、 输出整流滤波电路：1、 大功率开关电源正激式整流电路：T1为开关变压器，其初极和次极的相位同相。D1为整流二极管，D2为续流二极管，R1、C1、R2、C2 为削尖峰电路。L1为续流电感，C4、L2、C5组成型滤波器。2. 大功率开关电源反激式整流电路：T1为开关变压器，其初极和次极的相位相反。D1为整流二极管，R1、C1为削尖峰电路。L1为续流电 感，R2为假负

6、载，C4、L2、C5组成型滤波器。 3、大功率开关电 源同步整流电路：工作原理：当变压器次级上端为正时，电流经 C2、R5、R6、R7使Q2导通，电路构成回路，Q2 为整流管。Q1栅极由于处于反偏而截止。当变压器次级下端为正时，电流经C3、R4、R2使 Q1导通，Q1为续流管。Q2栅极由于处于反偏而截止。L2为续流电感，C6、L1、C7组成 型滤波器。R1、C1、R9、C4为削尖峰电路。 第二局部第二局部 例例4-16V,40A4-16V,40A输出大功率开关电源电路设输出大功率开关电源电路设 计计 摘要：介绍一种采用半桥电路的开摘要：介绍一种采用半桥电路的开 关电源，其输入电压为交流关电源，

7、其输入电压为交流220V220V2020，输出电压为直流，输出电压为直流4 416V16V，最大电流最大电流40A40A，工作频率，工作频率50kHz50kHz。重点介绍了该电源的设计思想，工作原理及特。重点介绍了该电源的设计思想，工作原理及特 点。点。引言：引言： 在科研、生产、实验等应用场合，经常用到电压在在科研、生产、实验等应用场合，经常用到电压在5 515V15V，电流在，电流在5 540A40A的电源。而一般实验的电源。而一般实验用电源最大电流只有用电源最大电流只有5A5A、10A10A。为此专门开发了。为此专门开发了 电压电压4V4V16V16V连续可调，输出电流最大连续可调，输出

8、电流最大40A40A的开关电的开关电源。它采用了半桥电路，所选用开关器件为功率源。它采用了半桥电路，所选用开关器件为功率MOSMOS管，开关工作频率为管，开关工作频率为50kHz50kHz，具有重量轻、体积，具有重量轻、体积小、本钱低等特点。小、本钱低等特点。2 2、主要技术指标、主要技术指标1 1交流输入电压交流输入电压AC220VAC220V2020；2 2直流输出电压直流输出电压4 416V16V可调；可调；3 3输出电流输出电流0 040A40A；4 4输出电压调整率输出电压调整率11；5 5纹波电压纹波电压UpUpp50mVp50mV；6 6显示与报警具有电流显示与报警具有电流/ /

9、电压显示功能及故障告警指示。电压显示功能及故障告警指示。3、根本工作原理及原理框图、根本工作原理及原理框图该电源的原理框图如下图。此开关电源已成功地作为实验室电源、通信基站电源该电源的原理框图如下图。此开关电源已成功地作为实验室电源、通信基站电源使用。其效率使用。其效率85，纹波优于，纹波优于30mVP-P，产品可靠性高、本钱低，具有一定的市场，产品可靠性高、本钱低，具有一定的市场 竞争力。竞争力。220V交流电压经过交流电压经过EMI滤涉及整流滤波后，得到约滤涉及整流滤波后，得到约300V的直流电压加到半桥变换器上，的直流电压加到半桥变换器上，用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率用脉宽

10、调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率MOS 管，通过功率变压器的耦合和隔离作管，通过功率变压器的耦合和隔离作用在次级得到准方波电压，经整流滤波反响控制后可得到稳定的直流输出电压。用在次级得到准方波电压，经整流滤波反响控制后可得到稳定的直流输出电压。 4、各主要功能描述4.1、交流EMI滤涉及整流滤波电路交流EMI滤涉及整流滤波电路如下图。电子设备的电源线是电磁干扰EMI出入电子设备的一个重要途径，在设备电源线入口处安装电网滤波器可以有效地切断这条电磁干扰传播途径，本电 源滤波器由带有IEC插头电网滤波器和PCB电源滤波器组成。IEC插头电网滤波器主要是阻止来自电网的干扰进入电源机箱。PCB电源

11、滤波器主要是抑制功 率开关转换时产生的高频噪声。 交流输入220V时，整流采用桥式整流电路。如果将JTI跳线短连时，那么适用于110V交流输入电压。由于输入电压高，电容器容量大，因此在接通电网瞬间会产生很大的浪涌冲击电流，一般浪涌电流值为稳态电流的数十倍。这可能造成整流桥和输入保险丝的损坏，也可能造成高频变压器磁芯饱和损坏功率器件，造成高压电解电容使用寿命降低等。所以在整流桥前参加由电阻R1和继电器K1组成的输入软启动电路。4.2 、半桥式功率变换器、半桥式功率变换器该电源采用半桥式变换电路，如下图，其工作频率该电源采用半桥式变换电路，如下图，其工作频率50kHz，在初级一侧的主要，在初级一侧

12、的主要局部是局部是Q4和和Q5功率管及功率管及C34和和C35电容器。电容器。Q4和和Q5交替导通、截止，在高频变交替导通、截止，在高频变压器初级绕组压器初级绕组N1两端产生一幅值为两端产生一幅值为U1/2的正负方波脉冲电压。能量通过变压器传的正负方波脉冲电压。能量通过变压器传递到输出端，递到输出端，Q4和和Q5采用采用IRFP460功率功率 MOS管。管。4.3、功率变压器的设计1工作频率的设定工作频率对电源的体积、重量及电路特性影响很大。工作频率高，输出滤波电感和电容体积减小，但开关损耗增高，热量增大，散热器体积加大。因此根据元器件及性价比等因素，将电源工作频率进行优化设计，本例为fs=5

13、0kHz。T=1/fs=1/50kHz=20s2磁芯选用选取磁芯材料和磁芯结构选用R2KB铁氧体材料制成的EE型铁氧体磁芯。其具有品种多，引线空间大，接线操作方便，价格廉价等优点。确定工作磁感应强度BmR2KB软磁铁氧体材料的饱和磁感应强度Bs=0.47T，考虑到高温时Bs会下降，同时为防止合闸瞬间高频变压器饱和，选定 Bm=1/3Bs=0.15T。计算并确定磁芯型号磁芯的几何截面积S和磁芯的窗口面积Q与输出功率Po存在一定的函数关系。计算略3)计算原副边绕组匝数按输入电压最低及输出满载的情况此时占空比最大来计算原副边绕组匝数。计算略4选定导线线径在选用绕组的导线线径时，要考虑导线的集肤效应，

14、一般要求导线线径小于两倍穿透深度，而穿透深度由式 决定.式中：为角频率，=2fs；为导线的磁导率，对于铜线相对磁导率r=1，那么=0r=4107H/m；为铜的电导率，=58106m；穿透深度的单位为m。变压器工作频率50kHz，在此频率下铜导线的穿透深度为=0.2956mm，因此绕组线径必须是直径小于0.59mm的铜线。另外考虑到铜线电流密度一般取36A/mm2，故这里选用0.56mm的漆包线。4.4、辅助电源的设计、辅助电源的设计辅助电源采用辅助电源采用RCC变换器变换器RingingChokeConverter。其输入电压。其输入电压为交流为交流220V整流滤波电压，输出直流电压为整流滤波

15、电压，输出直流电压为 12.5V，输出直流电流为，输出直流电流为0.5A。4.5、驱动电路、驱动电路驱动电路如下图。驱动电路如下图。TL494输出输出50kHz的脉冲信号，通过高频脉冲变压器耦合去驱动的脉冲信号，通过高频脉冲变压器耦合去驱动功率功率MOS管。次级脉冲电压为正时，管。次级脉冲电压为正时，MOS管导通，在此管导通，在此 期间期间Q7截止，由其构成的泄截止，由其构成的泄放电路不工作。当次级脉冲电压为零时，那么放电路不工作。当次级脉冲电压为零时，那么Q7导通，快速泄放导通，快速泄放MOS管栅级电荷，加管栅级电荷，加速速MOS管截止。管截止。R70是用于抑制驱动脉冲的是用于抑制驱动脉冲的

16、 尖峰，尖峰，R68、D15、R67可以加速驱动并可以加速驱动并防止驱动脉冲产生振荡。防止驱动脉冲产生振荡。D17和与它相连的脉冲变压器绕组共同构成去磁电路。和与它相连的脉冲变压器绕组共同构成去磁电路。4.6、风扇风速控制电路、风扇风速控制电路风扇风速控制电路见图。利用二极管正向管压降随温度升高而呈下降趋势的特性，将D9、D10做为散热器温度采样器件。方法是将D9、D10两二极管紧靠在散热器上，当散热器随输出功率加大而温度升高时，运放N2A正相输入端电平降低，输出低电平使三极管Q3开始导通，风机上电压升高，转速升高，最终到达最高转速。当负载较轻，使散热器温度低于50时，N2A输出高电平，Q3不

17、导通，辅助电源12.5V经电阻R57降压给风机供电，风机处于低速、低噪声运行状态。此电路可以提高风机工作寿命，增加电路可靠性，亦可在小负载情况下，减少风机带来的噪声。4.7、PWM控制电路控制电路控制电路采用通用脉宽调制器控制电路采用通用脉宽调制器TL494，具有通用性和本钱低等优点，见图。输，具有通用性和本钱低等优点，见图。输出电压经出电压经R40、RV2、RV1、R41进行分压采样，经进行分压采样，经R5阻抗阻抗 匹配后送到匹配后送到TL494脚脚1。RV1装在电源前面板上用于实现输出电压的调节。装在电源前面板上用于实现输出电压的调节。R103和和C14将输出电感将输出电感L1前信前信号采

18、样，经号采样，经R5送到送到TL494脚脚1，用于，用于 提高电源稳定度，消除提高电源稳定度，消除L1对环路稳定性影响。对环路稳定性影响。4.8 、过流保护电路、过流保护电路为增强电源可靠性，此电源采用初、次级两级过为增强电源可靠性，此电源采用初、次级两级过流保护。初级采用电流互感器流保护。初级采用电流互感器CT1检测初级变压器电检测初级变压器电流，检测出的电流信号经流，检测出的电流信号经R60转为电压信号后，再转为电压信号后，再 经经D2D4，C9整流滤波后，经过电位器整流滤波后，经过电位器RV3分压，反分压，反相器相器N3反相后加在反相后加在Q1管基极。当初级电流超过正常管基极。当初级电流超过正常时，反相器反转，时，反相器反转，Q1管导通，将管导通，将 VREF=5V的高电平的高电平加在加在TL494脚脚4上脚上脚4为为TL494死区控制脚、高电平死区控制脚、高电平关断，关断，TL494关断。关断。 输出直流总线上过流保护，采用输出直流总线上过流保护，采用R45R56电阻做电阻做为采样电阻，当输出电流增加时脚为采样电阻，当输出电流增加时脚15电平变低，当输电平变低，当输出电流大于出电流大于40A的的105时，时，TL494 的内部运放动作，的内部运放动作，脚脚3电平升高，限制输出脉宽增加，电源处于限流状态。电平升高，限制输出脉宽增加