[信息与通信]高频开关电源工作原理

1、高频开关电源的工作原理魏榜红 2004培训内容1、开关电源的概念2、开关电源的主要指标3、开关电源的概念和开关电源的分类4、开关电源的工作原理5、通信设备对开关电源的要求一、开关电源的概念1、开关电源的概念 开关电源是一个能量转换器，作为电源的功率器件工作在开关状态（开关管、电感、高频变压器、电容、整流二极管）开或关状态，其特点是频率高、功耗低、工作效率高、体积小、输入范围宽(Switching Regulator - A switching circuit that operates in a closed loopsystem to regulate the power supply ou

2、tput)通过闭环系统调节，使输出电压保持稳定。 一、开关电源的概念2、开关电源和线性电源、相控电源的比较 线性电源：线性电源的主要特点就是功率器件工作在放大状态，具有稳定度高、可靠性好、成本低等优点，但是效率低、笨重和体积大的缺点。只能做中、小功率的电源。 相控电源：是通过控制可控硅的导通角来达到稳压作用，功率因数比较低、效率低、笨重、体积大。一、开关电源的概念3、开关电源（swichingmode power supply） 开关电源因为体积小、效率高已经充斥了我们的日常生活，从移动电话的充电器，到我们的彩电、音像供电电源；从路边的霓虹灯，到车站的电子显示牌，这些都用到了开关电源；从我们的

3、台式计算机，到便携笔记本电脑等等，这些都离不开开关电源。 当然开关电源的输入并不限于是交流（AC/DC电源），还可以是直流（DC/DC电源和DC/AC电源）。开关电源交流输入电压范围比较宽，可以从几十伏到上千伏。就目前而言，开关电源的控制方式有两种：脉宽调制和频率调制（Pulse Frequency Modulation PFM）。脉宽调制（Pulse Width ModulationPWM）方式比较常见，我们中兴通讯电源均采用的是这种方式。 一、开关电源的概念4、开关电源的主要指标无故障运行间隔时间 这是开关电源最重要的指标，衡量了开关电源的工作可靠性。一般说的是开关电源平均无故障运行间隔时

4、间越长约好。工作效率 输出功率与输入功率的比值就是开关电源的工作效率，衡量开关电源在变换过程中所产生的损耗，对于目前我们的开关电源工作效率在85%以上。电压调整率 指在负载保持不变的情况下，输出电压变化与单位输出电源和输入电压变化量的百分比。Sv（V0V0 Vi）。该参数表示了电源的稳压特性。一、开关电源的概念4、开关电源的主要指标负载调整率 指的是输出负载变化时，引起的输出电压的变化。 SL（V0V0 ）。 输出纹波（峰峰值） 这个指标衡量了开关电源的电磁兼容性，纹波越小越好。一般小于输出电压的百分之三毫伏，例如对于电压来说，输出纹波就位150毫伏。一、开关电源的概念、开关电源的一些名词概念

5、有功功率（Acitive power):电能转换成其他能量所消耗的功率，单位为瓦（W），用P表示。无功功率(Unactive power):没有消耗功率，只是能量在电感和电容之间转换的功率部分，单位为VA，用Q表示。视在功率(Aparent power):指的是交流输入功耗，也叫表观功率，其单位是VA，用S表示。 S2=P2+Q2功率因数(Power factor):有功功率与视在功率的比值，它表示交流电转化成其他能量的能力。功率因数P/S。功率因数校正后为0.9999。二、开关电源的电路组成 不管什么样的开关电源必须包括以下几个部分：1、输入电路 D级防雷电路、交流输入的EMI电路、输入整流

6、器滤波电路、输入缓启动电路、APFC电路。 D级防雷是吸收雷电残压，保护开关电源不受损坏，一般是由压敏电阻和放电管组合使用；交流输入的EMI电路一般是用来抑制共模噪声干扰的，是由共模电感、X、Y电容组成，将噪声吸收到大地（机壳）；输入缓启动电路如下图所示,由于电容电压不能突变，所以在刚接通电源的瞬间，电容的充电电流比较大，需要采取措施进行限制，否则电源设备无法供电。二、开关电源的电路组成1、输入电路（续） APFC电路，是有源功率因数校正电路。它是一个升压电路，电路结构采用的是BOOT电路，输出电压一般规定在410VDC左右。由于开关电源所采用的器件全部工作在非线性状态，电路上有电感和电容，所

7、以会造成交流输入电压和电流的相位存在相位差，导致交流电不能全部做功，一部分在电感和电容中转换。另外交流电压和电流波形出现畸变，造成谐波分量增加，干扰增加。功率因数校正电路就是将电压和电流相位强制到一致，同时对波形给予修正。二、开关电源的电路组成 开关电源APFC电路二、开关电源的电路组成 输入缓启动电路原理图二、开关电源的电路组成2、功率变换电路 将PFC输出的410VDC高压进行变换，变成高频高压脉冲电压，然后驱动高频变压器，变压器将高压脉冲电压变成低压脉冲电压。该部分的主要器件是开关功率器件和高频变压器。3、输出电路 输出电路主要是全波整流电路和滤波电路、输出EMI电路。全波整流器电路所用

8、的整流二极管不是普通的，一般用采用快恢复二极管或肖特基；滤波电容用的是高频低阻电容。二、开关电源的电路组成4、控制电路 控制电路是开关电源电路的核心之一。PWM控制芯片决定开关电源的工作模式，该芯片产生两路相位相反的驱动信号来驱动功率开关器件工作，通过脉冲宽度来控制开关管的导通时间，从而调节能量传递的大小。开关电源的控制电路是一个闭环控制系统，所以能及时保证输出电压稳定不变，闭环有两个环来调节，内环是电流环调节，确保开关电源的动态响应时间，速度比较快。外环是电压调节环，确保电压的稳定，速度相对较慢。输出过压保护、均流电路、过热保护、限流保护、短路保护以及交流输入过欠压保护是开关电源的辅助电路。

9、二、开关电源的电路组成三、开关电源的常用电路类型 我们一般按照DC/DC变换的方式来划分开关电源的电路类型，包括单端正激电路、单端反激电路、推挽电路、半桥电路和全桥电路。下面我们对每个电路的情况给予简单的描述。1、单端反激电路 反激式开关电源的核心部分是反激式直流直流变换器，基本电路如下图所示：单端反激电路一般用在小功率电源和开关电源的辅助电源上。其占空比可达100，控制芯片一般用的是UC3842和UC3843。三、开关电源的常用电路类型 反激式电路原理图三、开关电源的常用电路类型3、单端正激电路 正激式开关电源的核心部分是正激式直流直流变换器，基本电路如下图所示。正激电路变压器的利用率比较高

10、，工作时的占空比小于50，工作频率是振荡频率的一半，所使用的控制芯片一般是UC3844和UC3845。可以做中型功率的开关电源，使用双管正激电路，其功率可以做得更高一点。虽然功率变压器不像反激式电路要开气隙，但是一般要在变压器中加去磁绕组，在关断时将付边的能量反射到交流输入上。三、开关电源的常用电路类型 正激电路原理图（单管正激）三、开关电源的常用电路类型 正激电路原理图（双管正激）三、开关电源的常用电路类型4、推挽电路 推挽式功率变换电路原理图，如图下图所示。推挽电路要求输入电压低，两个开关管的耐压要求是输入电压的2倍，所以一般用在DC/DC电源中。推挽电路一般用在中型功率电路上，变压器双向

11、激励，变压器效率高,但是变压器容易出现磁偏现象。它的功率比正激电路稍微大一点，但是存在开关管“直通”的危险。 工作时两个功率开关管V1、V2交替导通或截止。当V1和V2分别导通时，W1和W2有相应的电流流过，这时变换器次级将有功率输出。当V1导通，V2截止时，V2集射两端承受的电压为2倍的Uin，而在V1、V2都处于截止时它们所承受的电压为输入直流电压Uin。三、开关电源的常用电路类型 推挽电路原理图三、开关电源的常用电路类型5、半桥电路 半桥电路有两个功率开关管，通过两个串连的电容器来构成工作回路，这两个功率管交替导通驱动高频变压器进行能量传递，变压器是双向激励的。半桥电路同样存在变压器磁偏

12、现象，会出现“直通”问题。同样的变压器的情况，半桥的输出功率大于推挽电路。如下图所示：C1和C2的作用主要是实现静态时分压，使Ua=1/2Uin。当V1导通，V2截止时，输入电流方向为图中虚线方向，向C2充电；当V1截止，V2导通时，输入电流方向为图中实线方向，向C1充电。当V1导通，V2截止时，V2两端承受的电压为输入直流电压Uin。三、开关电源的常用电路类型 半桥型开关电源原理图三、开关电源的常用电路类型6、全桥电路 全桥电路是大功率电源常用的电路，有四个开关管组成两个桥臂。两个桥臂分别导通激励高频功率变压器，进行能量变换，但是存在开关管“直通”的危险。 全桥电路原理图如下图所示。由四个功

13、率开关器件V1V4组成，变压器T连接在四桥臂中间，相对的两只功率开关器件V1、V4和V2、V3分别交替导通或截止，使变压器T的次级有功率输出。当功率开关器件V1、V4导通时，另一对V2、V3则截止，这时V2和V3两端承受的电压为输入电压Uin在功率开关器件关断过程中产生的尖峰电压被二极管V5V8箝位于输入电压Uin。三、开关电源的常用电路类型 全桥型电路原理图三、开关电源的常用电路类型7、几种类型电路比较四、通信用开关电源的基本要求1、开关电源的均流 一套开关电源系统至少需要两个开关电源模块并联工作，大的系统甚至多达数十个电源模块并联工作，这就要求并联工作的电源模块能够共同平均分担负载电流，即

14、均分负载电流。均分负载电流的作用是使系统中的每个模块有效地输出功率，使系统中各模块处于最佳工作状态，以保证电源系统的稳定、可靠、高效地工作。负载均分性能一般以不平衡度指标来衡量，不平衡度越小，其均分性能越好，即各模块实际输出电流值距系统要求值的偏离点和离散性越小。国家有关标准和信息产业部入网要求其均分负载不平衡度5%输出额定电流值。四、开关电源的分类 一般是按照开关电源的输入和输出进行分类 Acdc：把交流输入变换成直流输出，一次电源。 Dcdc：把直流输入变换成直流输出，二次电源。 DcAc：把直流输入变换成交流输出，逆变器电源。 AcAc：把交流输入变换成交流输出，UPS电源。四、通信用开

15、关电源的基本要求2、均流在组合开关电源柜中的体现 对于组合电源来说，一般要配置2台以上的整流器，如果均流效果好，那么每个整流器的输出电流基本“相近”。但是并不是理想状态下的“非常均匀”，当负载比较小的情况下（负载电流为2A左右，平均状态下每个整流器的输出不超过1A），有可能某一个整流器输出电流2A，而其他整流器的输出电流为零，这并不是电源系统不均流，而是在小电流情况下是否均流对组合电源系统来说意义并不是很大。均流的真正意义在于在整流器输出电流比较大的情况下（30以上负载），各个整流器的输出电流在小于5%范围之内，保证整流器的可靠性。这个指标是以单个整流器的额定输出电流为依据的，详细情况请看下面

16、的例子。五、通信用开关电源的基本要求3、组合开关电源柜均流说明举例 例如有一个通信基站用的是一套电源设备，配置了5个整流器，负载使用的电流是30A。假如5个整流器的输出电流分别是：、6A、6A、7A、，那么按照标准情况该组合电源的整流器均流是符合条件的，即电流最大和最小之间的相差不超过30A103A（最大是，最小是），偏离中心值6A也符合要求。 假如这个基站设备的电流是3A，那么有可能出现某一个整流器的输出电流3A，而其他整流器的输出电流很小，几乎为零。这种现象是正常现象，按照标准计算符合要求。另外对这么小的电流，均流已经失去意义。 五、通信用开关电源的基本要求4、开关电源的保护功能 对于通信

17、设备使用的开关电源来说，需要有以下几个保护：输出过压保护、过热保护、输出短路保护、限流功能、输入过欠压保护。输出过压保护 开关电源的输出电压一般不会超出正常范围，但是一旦超出正常范围，那么可能会对通信设备造成损坏。所以开关电源整流器设有输出过压保护，一旦输出电压超过设定值，那么开关电源会将输出闭锁。此闭锁是不能自恢复的，需要断电重启才可以。五、通信用开关电源的基本要求4、开关电源的保护功能(续）输入过欠压保护 输入过欠压保护指的是在交流电压过高或过低时关闭电源输出，此关闭是可以自动恢复的，一旦条件满足，开关电源会自动开始工作的。过压保护是避免在输入电压高的时候，因功率开关管工作，而引起其损坏；

18、欠压保护是避免在输入电压低的时候，因输入电流过大，而造成输入器件（整流桥、开关管、变压器）通过电流超过额定值而损坏，另外也是保证整流器工作在最佳状态。五、通信用开关电源的基本要求4、开关电源的保护功能（续）限流保护 开关电源的限流是通过降低输出电压来实现的，这种保护电路一般设在开关电源的付边。其限流有两个方面的作用，一个方面就是保证开关电源输出功率不超过额定值而损坏，提高可靠性（开关电源的限流点为输出额定电流的110）；另外一方面就是在给蓄电池充电时限流，确保不过充（按照设定的限流值限流）。短路保护 短路保护检测原边的电流，采用控制芯片自带的电流检测电路来进行，短路保护响应速度快，采用的是逐脉冲限流方式，通过封锁开关管驱动脉冲来达到限流的目的。短路保护是开关电源必须具备的最基本。 五、通信用开关电源的基本要求4、开关电源的保护功能（续）过热保护（Overheating protection) 开关电源在工作时会产生一定的热量，如果这些热量释放不出去或没有达到发热和散热平衡，那么开关电源的内部的温度会上升。此时如果没有保护，那么会造成功率器件过热而损坏。我们的过热保护是和冷却风扇配合起来的，当温度