开关电源基本原理与应用

開關電源基本原理與應用WANGLAIYING

2006/10/241

我們通常所讲的開關電源供應器(sps):Switchingpowersupply;英文簡寫:s.p.s。開關電源設計時經常使用的線路方案有:反馳式或反激式(FLYBACK);半橋(halfbridge);順向式或正譤式(FORWARD);全橋式(FULLBRIDGE)。隨著電子技術的發展及電子元件技術的發展,一些新的技術使用在開關電源中:同步整流,諧振電路,全橋移相,有源箝位。下面針對常使用的線路進行介紹:2

第一部分:各種變換器概述

一.返馳式變換器設計原理

(FLYBACKDESIGNTHEORY)

概述:

返馳式(Flyback)轉換器又稱單端反激式或"Buck-Boost"轉換器.因其輸出端在原邊繞組斷開電源時獲得能量故而得名.離線型返馳式轉換器原理圖如圖1.3工作原理:

在圖1所示隔離反馳式轉換器(Theisolatedflybackconverter)中,變壓器"T"有隔離與扼流之雙重作用.因此"T"又稱為Transformer-choke.電路的工作原理如下:

當開關晶體管Q5Turnon時,變壓器初級Np有電流Ip,並將能量儲存於其中(E=LpIp2/2).由於Np與Ns极性相反,此時二极管D13反向偏壓而截止,無能量傳送到負載.當開關Qoff時變壓器原邊繞組將產生一反向電勢,4此時二極管D13正向導通,經C29.L9.C28(π型濾波)濾波後得到穩定的電壓給負載供電.Q5TURNON時NP有流過電流為IpQ5TURNOFF時NS有電流過電流Is經D13整流經濾波後給負載供電的路徑Transformer-choke5返馳式轉換器的優點有:1.電路簡單,能高效提供多路直流輸出,因此適合多組輸出要求.2.轉換效率高,損失小.3.變壓器匝數比值較小.4.輸入電壓在很大的範圍內波動時,仍可有較穩定的輸出,目前已可實現交流輸入在85~265V間.無需切換而達到穩定輸出的要求.6返馳式轉換器的缺點有:1.輸出電壓中存在較大的紋波,負載調整精度不高,因此輸出功率受到限制,通常應用於150W以下.2.轉換變壓器在電流連續(CCM)模式下工作時,有較大的直流分量,易導致磁芯飽和,所以必須在磁路中加入氣隙,從而造成變壓器體積變大.3.變壓器有直流電流成份,且同時會工作於CCM/DCM兩種模式,故變壓器在設計時較困難,反復調整次數較順向式多,迭代過程較复雜.7

二.順向式變換器設計原理

(ForwardDesignTheory)概述.

順向式(Forward)轉換器又稱單端正激式或"buck"式轉換器.因其在原邊繞組接通電源VIN的同時繞組把能量傳遞到輸出端故而得名.Forward變換器中的變壓器是一個純粹的隔離變壓器.因此,在副邊輸出端須附加儲能電感器L,用以儲存及傳送能量.8Forward變壓器之轉換功率通常在50~800W之間.其優點有:1.正激式變壓器通常使用無氣隙的CORE,電感值L較高,原副邊繞組之峰值電流較小(Φ=LI).因而銅損較小.2.開關管Tr的峰值電流較低.開關損耗小.3.适用于低壓.大電流.功率較大的場合.

其缺點有:1.當兩組電源並聯使用時需加平衡線路。

2.零件數量較flyback多,且成本稍高。9工作原理:

正激變換器的主回路如圖當開關管Q5導通時原邊繞組Np有電流Ip流過.,因副邊繞組Ns与Np有相同的同銘端.Q5TURNON時NP有流過電流為IpQ5TURNON時NS有流過電流為IS通過D13供給負載的路徑.Q5TURNOFF時L9儲存的能量通過D14構成回路給負載供電的路徑10

故副邊繞組通過D13把能量傳遞到輸出端.當Q5關斷時續流二极管D14導通釋放電感L9中的能量給負載.在Q5ton時,變壓器原邊電流Ip=Im+Iload.其中磁化電流Im是無法傳送到副邊的能量.在Q5toff期間此磁能無法被泄放,磁化能量將引起較高的反壓加在Q5之D.S极間而損壞Q5.另一方面磁化能量的存在將使變壓器CORE趨于飽和,產生很大的漏极電流ID,使Q5損壞.為解決上述問題,通常在變壓器中設置一消磁繞組NR,將磁化能量反饋到電源輸入端.11三.半橋式轉換器(HALFBRIDGE)在半橋式轉換器結構中,功率變壓器有一端連接到由串聯電容器C1與C2所產生的浮點電壓值端點,其浮點電壓值為Vin/2,所以在標準的輸入電壓下,其值為160Vdc。變壓器的另一端點則經由串聯電容器C3連接到Q1的射極與Q2的集極接頭處,當Q1電晶體ON時,此處變壓器端點會產生正的160V電壓脈波,當Q1電晶體OFF,Q2電晶體ON時,變壓器的初級圈會極性反轉,因此,會產生負的160V電壓脈波,在這Q1與Q2電晶體ON-OFF動作中,其產生的峰對峰方波電壓值為320V,經由變壓器轉換降低為次級電壓,再經過整流,濾波而得到直流輸出電壓。12半橋式轉換器能在輸入交流電壓115V或230V的情況下工作,其優點有:1.不需使用到高壓電晶體。(成本低)2.功率變壓器不需有間隙且不需使用到價格高的對稱修正電路。其缺點有:1.對晶體(開關管)配對要求的嚴格;2.整體效率較低,一般(60-75%)。Q9TURNON時NS有流過電流為IS經D13L9整流濾波後給負載供電路徑Q17TURNON時NS有流過電流為IS經D14L9整流濾波後給負載供電路徑Q9TURNON時NP有流過電流IP的路徑13四.全橋式電路

為了保留半橋式電路的電壓特性與推挽式電路的電流特性,我們發展出另一種形式的電路,稱之為全橋式轉換器(FULL-BRIDGECONVERTER)電路。全橋式的優點:1.整機輸出效率較高(80%以上)

功率開關晶體的電壓規格低;2.整機輸出功率較高(達1KW以上)。缺點:需驅動四顆開關管,驅動線路要隔離,

設計線路複雜,成本高。14

全橋式工作原理:Q9(左上).Q5(右下)同時導通.Q18(左下).Q17(右上)同時導通.其他同半橋工作原理Q9(左上).Q5(右下)TURNON時NP流過電流IP的路徑.Q9Q5TURNON時NS流過電流IS經D13L9整流濾波後給負載供電的路徑15

第二部份:

順向式應用線路.161.開關電源供應器(SPS)典型方塊圖及電路圖:AC電源輸入EMI電路高壓整流濾波主功率轉換電路低壓整流濾波各組電壓輸出輔助電源電路PWM控制.開關管驅動電路FAN控制電路回授電路OPP/短路保護電路過/欠壓保護電路-12V/5VSB輸出PG/PF信號ON/OFF控制17.18主動式PFC與被動式PFC之差異一.主動PFC(ACTIVEPFC)1.一組電子電路以形成對電力系統而言,呈現電阻性負載;值很高Harmonic相當良好;3.成本高,線路複雜可靠性,不易設計;4.占用pcb空間不易處理。二.被動式PFC:(PassivePFC)1.利用CORE儲能原理將輸入電流部份轉化成磁能,先儲存於CORE上,再將此釋放成电能,以加長輸入電流導通時間,並下降輸入電流的峰值進而改進PF值與Harmonic.2.由硅鋼片來製作CO