电源工作原理与设计指南

1、电子设计竞赛讲座电子设计竞赛讲座电源工作原理与设计指南电源工作原理与设计指南电气信息学院四川成都6100652022-6-202l参考书目参考书目l开关电源简介开关电源简介l一些基本问题一些基本问题l元器件介绍元器件介绍l开关电源的调试开关电源的调试目录目录2022-6-203l开关电源设计与制作基础开关电源设计与制作基础 l蔡宣三，倪本来编著，电子工业出版社蔡宣三，倪本来编著，电子工业出版社l开关电源设计（第三版）开关电源设计（第三版）l（美）普利斯曼，莫瑞，王志强（美）普利斯曼，莫瑞，王志强 等译，电子工业等译，电子工业出版社出版社l精通开关电源设计精通开关电源设计l（美）（美）Sanja

2、ya Maniktala 著，王志强著，王志强 等译等译, 人民邮人民邮电出版社电出版社参考书目参考书目2022-6-204lSwitchmode Power Supply Reference ManuallSwitchmode Power Supply Handbook, Third Edition参考书目参考书目2022-6-205l开关电源电路组成开关电源电路组成lAC/DCAC/DC开关电源开关电源lDC/DCDC/DC开关电源开关电源开关电源简介开关电源简介2022-6-206l开关电源电路组成开关电源电路组成lDC/DCDC/DC开关电源开关电源开关电源简介开关电源简介2022-6

3、-207l开关电源电路组成开关电源电路组成开关电源简介开关电源简介2022-6-208l开关电源设计与制作的一般流程开关电源设计与制作的一般流程l1 1）确定电路结构：根据输入电压、）确定电路结构：根据输入电压、输出电压、输出功率大小及是否需要输出电压、输出功率大小及是否需要电气隔离，选择合适的电路结构。电气隔离，选择合适的电路结构。l举例：举例：l20072007年国赛年国赛 开关稳压电源开关稳压电源l20092009年国赛年国赛 光伏并网模拟装置光伏并网模拟装置l20102010年省赛年省赛 高效数控恒流电源高效数控恒流电源l20112011年国赛年国赛 开关电源模块并联供电系统开关电源模

4、块并联供电系统l20122012年省赛年省赛 简易直流电子负载简易直流电子负载开关电源简介开关电源简介2022-6-209l基本要求：基本要求：l输出电压输出电压Uo 可调范围：可调范围：30 36 Vl最大输出电流最大输出电流: Iomax= 2 A lU2从从15V变到变到21V时，电压调整率小于等于时，电压调整率小于等于2%lIO从从0A变到变到2A时，负载调整率小于等于时，负载调整率小于等于5%l输出噪声纹波电压峰输出噪声纹波电压峰-峰值小于等于峰值小于等于1V lDC-DC变换器效率大于等于变换器效率大于等于70%l具有过流保护功能，动作电流具有过流保护功能，动作电流IO(th) =

5、 2.5 0.2 A开关电源（开关电源（2007）2022-6-2010l发挥部分：发挥部分：l进一步提高电压调整率，小于等于进一步提高电压调整率，小于等于0.2%l进一步提高负载调整率，小于等于进一步提高负载调整率，小于等于0.5%l进一步提高效率，大于等于进一步提高效率，大于等于85%l排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态 l能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值为为1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能示功能l其他其他 开关电源（开关电源（2007）2

6、022-6-2011l利用利用PWM控制控制IC与带有隔离变压器的推挽变与带有隔离变压器的推挽变换器的解决方案换器的解决方案l利用利用SEPIC变换器的解决方案变换器的解决方案解决方案：解决方案：2022-6-20电力系统中的电力电子技术电力系统中的电力电子技术12l题目要求：题目要求：l设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，其结构设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图框图如图1所示。用直流稳压电源所示。用直流稳压电源US和电阻和电阻RS模拟模拟光伏电池，光伏电池，US=60V，RS=3036；uREF为模拟电为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2

7、V，频率，频率fREF为为45Hz55Hz；T为工频隔离变压器，变比为为工频隔离变压器，变比为n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，将，将uF作为输出电流的反馈作为输出电流的反馈信号；负载电阻信号；负载电阻RL=3036。 光伏并网模拟装置（光伏并网模拟装置（2009）2022-6-2013光伏并网模拟装置（光伏并网模拟装置（2009）2022-6-2014l基本要求：基本要求：l最大功率点跟踪（最大功率点跟踪（MPPT）功能）功能 l频率跟踪功能频率跟踪功能 uF的频率的频率fF=fREF lDC-AC变换器的效率变换器的效率 l输出电压输出电压uo的失真度的失真度 THDl输入欠压保护

8、功能输入欠压保护功能 l输出过流保护功能输出过流保护功能 光伏并网模拟装置（光伏并网模拟装置（2009）2022-6-2015l发挥部分：发挥部分：l提高提高DC-AC变换器的效率变换器的效率l降低输出电压降低输出电压uo的失真度的失真度THDl实现相位跟踪功能，保证实现相位跟踪功能，保证uF与与uREF同相同相 l过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复为正过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复为正常状态常状态 l其他其他 光伏并网模拟装置（光伏并网模拟装置（2009）2022-6-2016l开关电源设计与制作的一般流程开关电源设计与制作的一般流程l2 2）选择控制电路：常用方式为）选择控制电路：

9、常用方式为PWMPWM控控制，可用专用集成电路实现，也可以制，可用专用集成电路实现，也可以用数控芯片实现。用数控芯片实现。l举例：举例：lIC:IC: TL494TL494、SG3525SG3525、UC3842UC3842等等（刘建等等（刘建华）华）l数控芯片：数控芯片：TI430TI430系列、系列、5151系列、系列、TI DSP TI DSP 20002000系列等（王小红）系列等（王小红）开关电源简介开关电源简介2022-6-2017l开关电源设计与制作的一般流程开关电源设计与制作的一般流程l3 3）确定辅助电路）确定辅助电路l举例：举例：l电压反馈电路电压反馈电路l尖峰电压吸收电路

10、尖峰电压吸收电路l输入滤波电路输入滤波电路l整流滤波电路整流滤波电路l输出过电压、过电流保护电路输出过电压、过电流保护电路l辅助电源、键盘、显示电路辅助电源、键盘、显示电路l声、光告警电路声、光告警电路l。开关电源简介开关电源简介2022-6-2018l开关电源设计与制作的一般流程开关电源设计与制作的一般流程l4 4）整理、绘制电路原理图）整理、绘制电路原理图l举例：举例：l确定元器件型号、参数和数量，完成各确定元器件型号、参数和数量，完成各元件引脚之间的电路连接元件引脚之间的电路连接l电路原理图要求布线清晰、整洁、密度电路原理图要求布线清晰、整洁、密度分配合理，信号流向清楚分配合理，信号流向

11、清楚l确定元器件封装确定元器件封装l计算机辅助设计、仿真（张洁）计算机辅助设计、仿真（张洁）开关电源简介开关电源简介2022-6-2019l开关电源设计与制作的一般流程开关电源设计与制作的一般流程l5 5）制作高频变压器）制作高频变压器l步骤：步骤：l计算一次电感量计算一次电感量L LP Pl选择磁芯和骨架选择磁芯和骨架l计算一次绕组匝数计算一次绕组匝数N NP Pl计算二次绕组匝数计算二次绕组匝数N NS Sl计算气隙长度计算气隙长度l检验最大磁通密度检验最大磁通密度B Bm ml。开关电源简介开关电源简介2022-6-2020l开关电源设计与制作的一般流程开关电源设计与制作的一般流程l6

12、6）设计印制板（）设计印制板（PCB)PCB)（李小根）（李小根）l举例：举例：l元件布局问题元件布局问题l地线布线问题地线布线问题l采样点选择问题采样点选择问题开关电源简介开关电源简介2022-6-2021l开关电源设计与制作的一般流程开关电源设计与制作的一般流程l7 7）安装调试）安装调试l举例：举例：l安装顺序：安装顺序：1 1 体积小、高度低的电阻和体积小、高度低的电阻和二极管元件；二极管元件；2 2 集成电路、晶体管、电集成电路、晶体管、电容器等；容器等；3 3 大尺寸散热器。注意极性，大尺寸散热器。注意极性，防止虚焊。防止虚焊。l调试步骤：准备调试仪器、通电前检查、调试步骤：准备调

13、试仪器、通电前检查、通电后观察、性能测试。通电后观察、性能测试。l强调：养成良好的测试习惯：安全、有强调：养成良好的测试习惯：安全、有效、事半功倍！效、事半功倍！开关电源简介开关电源简介2022-6-2022l1 电流源电流源or电压源？电压源？l2010年省赛题目为年省赛题目为电流源电流源，意味着不管所接负载，意味着不管所接负载和输入电压如何变化，和输入电压如何变化，输出将为恒定电流。输出将为恒定电流。l举例：假定输出电流为举例：假定输出电流为2000mA，负载电阻分别为，负载电阻分别为1和和5两种情况，此时的输出电压为多少？应该两种情况，此时的输出电压为多少？应该分别为分别为2000mA*

14、1=2V和和2000mA*5=10V。l注意此时输出电压是随负载变化而变化的。注意此时输出电压是随负载变化而变化的。一些基本问题一些基本问题2022-6-2023l1 电流源电流源or电压源？电压源？l2011年国赛题目要求将电压稳定在年国赛题目要求将电压稳定在8V，则意味，则意味着不管所接负载和输入如何变化，着不管所接负载和输入如何变化，输出将为恒输出将为恒定电压定电压。l假定输出电压为假定输出电压为10V，负载电阻分别为，负载电阻分别为1和和5两种情况，则此时的输出电流将发生变化，应两种情况，则此时的输出电流将发生变化，应该分别为该分别为10V/1=10A和和10V/5=2A。l注意此时输

15、出电流是随负载变化而变化的。注意此时输出电流是随负载变化而变化的。一些基本问题一些基本问题2022-6-2024l1 电流源电流源or电压源？电压源？l电流源与电压源的区分将确定被控量是电流还电流源与电压源的区分将确定被控量是电流还是电压，在电路中相应采集输出电流或输出电是电压，在电路中相应采集输出电流或输出电压信号，作为系统闭环控制的输入信号。压信号，作为系统闭环控制的输入信号。l当闭环系统正常工作，修改参考值后，输出将当闭环系统正常工作，修改参考值后，输出将按参考值的要求输出对应电流或电压。按参考值的要求输出对应电流或电压。一些基本问题一些基本问题2022-6-2025l2 负载调整率？负

16、载调整率？l负载调整率，反映的是系统对输出负载变化（系统负载调整率，反映的是系统对输出负载变化（系统扰动）的容忍程度。由于输出的变化，也应调整扰动）的容忍程度。由于输出的变化，也应调整PWM输出，进而控制开关器件的通断时间，使输输出，进而控制开关器件的通断时间，使输出保持不变。（举例：出保持不变。（举例：2007、2010年题）年题）l负载调整率指标的达到，主要取决与系统的反馈环负载调整率指标的达到，主要取决与系统的反馈环节是否能正常工作。若负反馈系统能正常工作（不节是否能正常工作。若负反馈系统能正常工作（不管是由专用芯片还是微控制器来实现），均可以达管是由专用芯片还是微控制器来实现），均可以

17、达到调整率的要求。到调整率的要求。一些基本问题一些基本问题2022-6-2026l3 电流调整率、电压调整率？电流调整率、电压调整率？l关于电流调整率或电压调整率，反映的是系统关于电流调整率或电压调整率，反映的是系统对输入电压变化（系统扰动）的容忍程度。对输入电压变化（系统扰动）的容忍程度。l题目一般要求当输入电压在某个范围内变化时题目一般要求当输入电压在某个范围内变化时，输出电流（电流源）或电压（电压源）维持，输出电流（电流源）或电压（电压源）维持在恒定的水平，波动很小。在恒定的水平，波动很小。l如如2010省赛中要求：省赛中要求：Ui从从12V变到变到18V时，电流时，电流调整率调整率SI

18、 4%（Io1000mA，负载为，负载为5的条件的条件下测试）；下测试）； 2007国赛要求国赛要求U2从从15V变到变到21V时，时，电压调整率电压调整率SU2%（IO=2A）。）。一些基本问题一些基本问题2022-6-2027l4 电路功率、主要元器件选型？电路功率、主要元器件选型？l以以2010省赛题为例：省赛题为例：l输出电流输出电流Io可调范围：可调范围：200mA2000mA；最大；最大输出电压输出电压Uomax：10V。说明最大输出功率将为。说明最大输出功率将为2000mA*10V=20W。一些基本问题一些基本问题2022-6-2028l4 电路功率、主要元器件选型？电路功率、主

19、要元器件选型？l对于上图电路，意味着电感对于上图电路，意味着电感L2、L3上最大将分别上最大将分别流过流过2000mA/2=1000mA的电流（决定了电感绕线的电流（决定了电感绕线粗细），粗细），C9C14将承受最大将承受最大10V的电压，因此的电压，因此C9C14至少要选至少要选20V以上的电容以上的电容一些基本问题一些基本问题2022-6-2029l4 电路功率、主要元器件选型？电路功率、主要元器件选型？l电感量、电容量的大小决定了电路的滤波性能，根电感量、电容量的大小决定了电路的滤波性能，根据纹波要求、开关频率等确定（见据纹波要求、开关频率等确定（见噪声纹波电流、噪声纹波电流、纹波电压纹

20、波电压）一些基本问题一些基本问题2022-6-2030l4 电路功率、主要元器件选型？电路功率、主要元器件选型？lUi从从12V变到变到18V，意味着图中的，意味着图中的MOSFET Q1、Q2截止时将承受最大截止时将承受最大18V的电压（的电压（D1、D2导导通时），因此至少要选择通时），因此至少要选择50V的的MOSFET（因为（因为开关关断时通常有较大过冲电压，如果线路布开关关断时通常有较大过冲电压，如果线路布局不合理，升至高至局不合理，升至高至100%200%以上，本例中以上，本例中为为18*200%=36V，再加上本身的，再加上本身的18V将超过将超过50V，MOSFET将过压击穿）

21、。将过压击穿）。D1、D2的选择同理的选择同理，Q1、Q2导通时，导通时，D1、D2至少要承受至少要承受18V的反的反压，选择压，选择18V以上的二极管，并留有裕量。以上的二极管，并留有裕量。一些基本问题一些基本问题2022-6-2031l5 输出噪声纹波电流、纹波电压峰输出噪声纹波电流、纹波电压峰-峰值？峰值？l2010省赛电流源：输出纹波电流要求省赛电流源：输出纹波电流要求30mA，测，测量条件为（量条件为（Ui =15V，Uo=10V，Io=2000mA），对），对应负载电阻应负载电阻Uo/ Io = 5。由于电流纹波较难观测，。由于电流纹波较难观测，实际测量时可用示波器观察负载电阻的电

22、压纹波实际测量时可用示波器观察负载电阻的电压纹波，应在，应在30mA*5 = 0.15V以内。以内。l2007国赛稳压电压源：输出噪声纹波电压峰国赛稳压电压源：输出噪声纹波电压峰-峰值峰值UOPP1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）。）。一些基本问题一些基本问题2022-6-2032l5 输出噪声纹波电流、纹波电压峰输出噪声纹波电流、纹波电压峰-峰值？峰值？一些基本问题一些基本问题2022-6-2033l5 输出噪声纹波电流、纹波电压峰输出噪声纹波电流、纹波电压峰-峰值？峰值？l纹波电流、电压的大小，取决与纹波电流、电压的大小，取决与1）开关频率、）开关频率、2）滤波电感的电感量、）

23、滤波电感的电感量、3）滤波电容的容值、）滤波电容的容值、4）电路运行时的占空比。电路运行时的占空比。l一般可取占空比一般可取占空比D=0.5计算纹波（在多数电路中计算纹波（在多数电路中D=0.5对应纹波最大的情况）。对应纹波最大的情况）。l建议用仿真来确定电感量和电容量，速度快且不建议用仿真来确定电感量和电容量，速度快且不易出错。易出错。一些基本问题一些基本问题2022-6-2034l5 输出噪声纹波电流、纹波电压峰输出噪声纹波电流、纹波电压峰-峰值？峰值？l以降压斩波电路为例，说明电感量的计算方法：以降压斩波电路为例，说明电感量的计算方法：l图图2为降压斩波电路对电池充电为降压斩波电路对电池

24、充电(VB)的示意图，的示意图，Gdp导通时对导通时对VB充电，电感电流上升；充电，电感电流上升；Gdp 截止时截止时Idc通通过二极管过二极管D续流，电感电流下降。续流，电感电流下降。一些基本问题一些基本问题2022-6-2035l5 输出噪声纹波电流、纹波电压峰输出噪声纹波电流、纹波电压峰-峰值？峰值？l稳定状态下，电流上升与下降量相等，电流平均稳定状态下，电流上升与下降量相等，电流平均值值Idc不变，如下图所示不变，如下图所示一些基本问题一些基本问题rippleID00.51LVTinS8rippleIppITstLi2022-6-2036l5 输出噪声纹波电流、纹波电压峰输出噪声纹波电

25、流、纹波电压峰-峰值？峰值？l占空比占空比D=0.5时电感纹波电流最大，计算纹波的通时电感纹波电流最大，计算纹波的通式为：式为：l其中其中fs为开关频率，单位为开关频率，单位Hz； Vdc、VB分别为降压分别为降压电路的输入和输出电压，单位电路的输入和输出电压，单位V；D为占空比；为占空比；Idc 为电路输出平均电流，可由系统输出功率为电路输出平均电流，可由系统输出功率/输出电输出电压计算。值得指出的是：压计算。值得指出的是：Idc的大小和的大小和 的大小的大小没有直接关系。没有直接关系。一些基本问题一些基本问题()30%dcBdcdcsVVDIIfLdcI2022-6-2037l6 交流输出

26、指标交流输出指标THD？一些基本问题一些基本问题THD小的电流波形小的电流波形THD大的电流波形，畸变明显大的电流波形，畸变明显2022-6-2038l6 交流输出指标交流输出指标THD？一些基本问题一些基本问题221hhITHDI2022-6-2039l7 电源电源or负载？负载？l2012年省赛年省赛 电子负载电子负载一些基本问题一些基本问题2022-6-2040l7 电源电源or负载？负载？l本质一致，基本控制要求一致，功率方向相反本质一致，基本控制要求一致，功率方向相反l电源：输出功率电源：输出功率l负载：吸收功率负载：吸收功率lGenerally speaking: 制作可控电源或负

27、载，都要制作可控电源或负载，都要求实现闭环控制，都要求控制电压、电流、功求实现闭环控制，都要求控制电压、电流、功率三项指标中的一项，或者多项。率三项指标中的一项，或者多项。一些基本问题一些基本问题2022-6-2041l8 效率！效率！l电路效率提高是一项综合任务电路效率提高是一项综合任务l电路拓扑和方案（电路拓扑和方案（2011年题目）年题目）l元器件参数、选型元器件参数、选型l电路布局电路布局l开关频率开关频率l电感、变压器设计电感、变压器设计l制作工艺制作工艺l工作点工作点l调制方式、软开关技术调制方式、软开关技术l。一些基本问题一些基本问题牵一发而动全身牵一发而动全身2022-6-20

28、42l开关器件开关器件lPOWERPOWERMOSFETMOSFET元器件介绍元器件介绍2022-6-2043l驱动驱动lHow to drive a POWERHow to drive a POWERMOSFET ?MOSFET ?l参考：参考：lMatching MOSFET Drivers to MOSFETsMatching MOSFET Drivers to MOSFETslDesign And Application Guide for Design And Application Guide for High Speed MOSFET Gate Drive High Speed

29、MOSFET Gate Drive CircuitsCircuits元器件介绍元器件介绍2022-6-2044l电感电感元器件介绍元器件介绍思考：思考：1 DC/DC变换电路中，要求减小输出纹波，需变换电路中，要求减小输出纹波，需要选用大电感量还是小电感量？要选用大电感量还是小电感量？2 开关频率越大，电路需要的电感量越大还是开关频率越大，电路需要的电感量越大还是越小？为什么？越小？为什么？3 电感值的大小由什么决定？电感值的大小由什么决定？4 电感匝数与电感值的关系？电感匝数与电感值的关系？2022-6-2045电感的设计电感的设计l电磁感应电磁感应l安培环路定律安培环路定律lINH/202

30、2-6-2046电感的设计电感的设计法拉第定律法拉第定律:dtdNe/INdtdINe2变化的磁通感应电动势.dtdILe 2NL自感自感:dtdNeandand2022-6-2047电感设计的重要因素：损耗电感设计的重要因素：损耗铁芯损耗：铁芯损耗：Core Loss滞环损耗 Hysteresis loss涡流损耗 Eddy current loss趋肤效应 Skin effect铜损：铜损：Copper Loss绕线电阻产生，交流阻值大于直流阻值，随温度的增加而升高2022-6-2048电感设计的重要因素：气隙电感设计的重要因素：气隙思考思考 1:为什么绝大多数的电感磁路需要设置气隙？思考思考 2:下图中，磁芯还是气隙部分磁场强度更大？2022-6-2049电感设计综合电感设计综合电感设计需综合考虑匝数和气隙的因素. 为了减少铁损，需要设计较大的气隙长度：)(minmax0minmaxmaxIIlNBBBg但气隙长度增加，气隙磁阻增大，需要更多的匝数来获得相同的电感量，导致铜损增加：glANL022022-6-2050电感绕制电感绕制变压器的设计变压器的设计对绝大多数的变压器设计而言，目标是进行原边和副边的瞬时能量传递，因此变压器并