开关电源工作原理分析

1、第二篇 电子新技术GB/T17626.11 浪涌耐量要求(雷击): IEC801-5; IEC1000-4-5; GB/T 17626.5 无线电频率干扰要求: EN55022,CISRR22; GB9254 谐波电流要求: IEC1000-3-2, IEC 1000-3-4 安全、接地要求,通信中对开关电源的要求,直流输出电压及其调节范围 48V系统 : 48.00V 57.60 (充电) 静态稳压精度 整流器输出限流和电池充电限流 功率限制/恒功率输出特性,通信中对开关电源的要求,输出端杂音电压 电话衡重杂音: 2mv 峰峰值杂音: 0 300Hz, 400mv 宽频杂音电压: 3.4KH

2、z 150 KHz, 100mv有效值 150KHz 30MHz, 30mv有效值 离散频率杂音电压: 3.4 150KHz 5mv 有效值; 150 200KHz 3mv 有效值; 200 500KHz 2mv 有效值; 0.5 30MHz 1mv 有效值;,相关国家标准,GB/T 762-1996 标准电流 GB/T 2423.1-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试验A：低温试验方法 GB/T 2433.2-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试验B：高温试验方法 GB/T 2423.9-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试验Cb：设备用恒定湿热试验方法 GB/T 242

3、3.10-1995 电工电子产品基本环境试验第二部分，试验方法试验Fc和导则：振动(正弦),GB/T 2828-1987 逐批检查计数抽样程序及抽样表(适 用于连续批的检查) GB/T 2829-1987 周期检查计数抽样程序及抽样表(适用于生产过程稳定性的检查) GB/T 3859.1-1993 半导体变流器 基本要求的规定 GB/T 3873-1993 通信设备产品包装通用技术条件 GB/T 4720-1984 电控设备 第一部分 低压电器电控 设备 GB/T 16821-1997 通信用电源设备通用试验方法,相关国家标准,YDN 023-1996 通信电源设备和空调集中监控 系统技术要求

4、； YD/T 638.3-93 通信电源设备型号命名方法； YD/T 944-1998 通信电源设备的防雷技术要求 和测试方法； YD/T 983-1998 通信电源设备电磁兼容性限值 及测量方法； SJ2811.2-87 通用直流稳定电源测试方法。,相关国家标准,3.开关电源变换器的基本手段,（1 ） PWM变换器: 脉宽调制法( Pulse Width Modulation ): 保持开关频率恒定但改变接通时间长短(脉冲的宽度)，使负载变化时，负载电压变化不大。 PWM开关变换器: 用脉宽调制方式控制电子开关的开关变换器。,3.开关电源变换器的基本手段,PWM开关变换器实现的优点和不足 优

5、点:控制容易，技术成熟，适应范围广 输入电流突然停电时，输出电压保持时间长:例如计算机系统 不足:开关损耗大，频率不能很高,软开关: 用控制方法使电子开关在其两端电压为零时导通电流，或使流过电子开关电流为零时关断。,（2 ）谐振变换器:,3.开关电源变换器的基本手段,谐振:,串联谐振:正弦电压加在理想的(无寄生电阻)电感和电容串联电路上，当正弦频率为某一值时，容抗与感抗相等，电路的阻抗为零，电路电流达无穷大；,并联谐振:正弦电压加在理想的电感和电容并联电路上，当正弦频率为某一值时，容抗与感抗相等，电路的总导纳为零，电感、电容元件上的电压为无穷大；,ZVS(零电压开通): 电子开关器件两端电压振

6、荡为零时，使电子开关导通流过电流； ZCS(零电流关断): 流过电子开关器件的电流振荡到零时，使电子开关断开。,（2 ）谐振变换器:,3.开关电源变换器的基本手段,利用谐振现象，使电子开关器件上电压或电流按正弦规律变化，以创造零电压开通或零电流关断的条件，以这种技术为主导的变换器。,串联谐振变换器 并联谐振变换器,准谐振: 当正向和反向LC回路值不一样，即振荡频率不同，电流幅值也不同，所以振荡频率不对称，一般正向正弦半波大于负向正弦半波。,3.开关电源变换器的基本手段,准谐振变换器: 利用准谐振现象，使电子开关器件上的电压或电流按正弦规律变化，从而创造了零电压或零电流的条件，以这种技术为主导的

7、变换器。,多谐振变换器: 谐振回路、参数超过两个的变换器,准谐振变换器中，增加一个辅助开关控制的电路，使变换器一周期内，一部分时间按ZCS或ZVS准谐振变换器，另一部分时间按PWM变换器工作，称为ZCS-PWM变换器或ZVS-PWM变换器。,3.开关电源变换器的基本手段,零开关-PWM变换器:,第二节 开关电源 基础电路,开关电源的功率转换电路模型 控制电路 谐振变换器 功率因数校正电路,基本电路模型 - Buck 变换器,降压变换器、串联开关稳压电源 开关闭合时，电能储存于电感和电容中(同时也馈向负载)。 开关打开后，储存于电感和电容中的能量继续供给负载。 二极管构成电流回路,基本电路模型

8、- Boost 变换器(升压型),开关闭合，电感中储存能量。 开关打开时，电感中储存的能量通过二极管供给负载，同时对电容充电。 负载电压跌落时，电容再放电，输出可获得高于输入的电压。,基本电路模型 Buck-Boost (反转电路),开关接通，电感中流过电流，储存能量。 开关断开，电感中电流流向负载。 由于二极管的接法，负载得到反极性的电压。 负载电压跌落时，电容再向负载放电。,第三节 工作原理： （调宽式）,1、输入和输出之间接开关调整管和储能电路。调整管周期性开、关， 将能量输入储能电路，经均衡滤波后成为电压输出，输出电压的大 小，取决于调整管开关时间的长短。,2、调整管的开关状态受脉冲电

9、压的控制，脉冲电压则由方波发生电路 产生，并经脉冲调宽电路调制后得到。,3、取样比较电路将一部分输出电压和基准电压进行比较，当输出电压 偏离正常值时，输出误差信号，对开关脉冲宽度进行调制。,例如：输出电压升高，脉宽变窄（即占空比D减小），调整管开启时间缩短，输入储能电路的能量减小，输出电压降低。 反之亦然。,一个具体的开关 稳压电源工作原理：,储能电路： 即续流滤波电路,储能电路组成： 续流二极管 储能电感 储能滤波电容,储能电路：,1、串联型：储能电感 和负载相串联,、V饱和导通时，VD截止，UI经V在L中产生电流iL向电容C充电。,、V截止时， L中的电流不能突变，产生左负 右正的自感电动

10、 势，VD导通，续流电流 iZ 向电容C充电，将L中的磁能转换为电 容C中的电能。,总之，调整管V导通期间，L储存磁能，并给电容C充电，同时向负载供电； 调整管V截止期间，L释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。,根据储能电感的连接方式可分为： 串联型 并联型 并联独立输出型,2、并联型：储能电感 和负载相并联,、V饱和导通时，VD截止，UI经V在L中产生电流iL，L储能。,、V截止时， L中的电流不能突变，产生上负 下正的自感电动 势，VD导通，续流电流iZ 向电容C充电，将L中的磁能转换为电 容C中的电能。,总之，调整管V导通期间，L储存磁能，负载由电容C供电； 调整管V截止期间，L释

11、放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。,并联型电路中，调整管承受的反峰电压为2UI ，为串联型的两倍。,3、并联独立输出型：通过续流电感的电磁耦合，实现隔离输出。 （电源输入端不使用变压器、实现多种电压输出）,应用最多的一种电路形式,三极管V可使用功率场效应管,脉冲调宽、脉冲发生及误差信号的产生等可集成化例如TOP221TOP227,1. 按激励方式分类,第四节 开关电源的分类,2. 按控制原理(调制方式)分类,(1)脉宽调制型(PWM)开关电源,(2)脉频调制型(PFM)开关电源,(3)混合型开关电源,(4)脉冲密度调制型(PDM)开关电源,脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压。,3.

12、 按功率开关管的类型分类,(1)晶体管型开关电源 (GTR),(2)晶闸管型开关电源,(3)MOSFET型开关电源,(4)IGBT型开关电源,串联型： 储能电感和负载相串联, V饱和导通时，VD截止，UI经V在L中产生电流iL向电容C充电。, V截止时， L中的电流不能突变，产生左负 右正的自感电动 势，VD导通，续流电流 iZ 向电容C充电，将L中的磁能转换为电 容C中的电能。,总之，调整管V导通期间，L储存磁能，并给电容C充电，同时向负载供电； 调整管V截止期间，L释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。,4. 按储能电感的连接方式分类,串联型 并联型 并联独立输出型,(2)、并联型：

13、储能电感和负载相并联, V饱和导通时，VD截止，UI经V在L中产生电流iL，L储能。, V截止时， L中的电流不能突变，产生上负 下正的自感电动 势，VD导通，续流电流iZ 向电容C充电，将L中的磁能转换为电 容C中的电能。,总之，调整管V导通期间，L储存磁能，负载由电容C供电； 调整管V截止期间，L释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。,4. 按储能电感的连接方式分类,(3) 并联独立输出型：通过续流电感的电磁耦合，实现隔离输出。 （电源输入端不使用变压器、实现多种电压输出）,应用最多的一种电路形式,三极管V可使用功率场效应管,脉冲调宽、脉冲发生及误差信号的产生等可集成化例如TOP221

14、TOP227,4. 按储能电感的连接方式分类,5. 按功率开关管的连接方式分类,(1)单端正激式,(2)单端反激式,(3)推挽式,(4)半桥式,(5)全桥式,（1）单端反激式变换器,单端反激式变换器特性,反激式: 在V1导通期间V3反偏，V1截止时V3正偏，供给负载功率 耐压: V1集电极承受最大电压值: Vcemax = Uin+nUomax 变压器: 利用率不高 应用: 一般利用在小功率场合,电路特点,变压器初级磁通是单向的，故称该变压器为单端变压器 输出电容器C和负载在开关管截止时从变压器次级获得能量，故称为反激式。,（2）单端正激变换电路,（2）单端正激变换电路特性,正激: 导通时输入

15、馈电给负载，截止时L供电给负载。 耐压: 单管正激，开关管最大电压为2Uin 双管正激，开关管最大电压为 Uin 变压器: 单管变压器利用率不高，工艺制作上要求加馈能线圈 用途: 双管正激并联电路输出功率大，输出方波频率加倍，易于滤波。开关管耐压减半约为输入电压Uin,取消变压器馈能线圈等优点。因此，广泛应用大功率变换电路中，可靠性高，简单的电路。,(3)推挽式,(4)全桥式,(4)全桥式,全桥式电路特点,优点: 开关管稳态时承受的最高电压只要大于输入电压Uinmax即可。 暂态过程的尖峰电压被钳位于输入电压，漏感储能归还给输入电源，利于提高效率。 开关管耐压低，输出功率大。,缺点: 电路使用

16、四个高压开关管，并要求尽可能配对，且需要彼此绝缘的基极驱动电路，电路复杂，元器件多，对电路设计和工艺布局要求较高。,应用: 主要应用于大功率变换电路中。,(5)半桥式,(5)半桥式,+,C1,C2,V1,V2,V4,V4,L,Vin,Vout,Ua,半桥式电路特点,优点: 一个晶体管导通时，截止晶体管上的电压和输入电压相等，高压开关管上的电压不超过电源电压。 晶体管的数量只有全桥变换器的一半。 具有抗不平衡能力。,缺点: 高频变压器上的电压只有输入电压的一半，在同等输出功率的条件下，开关器件V1、V2通过的电流是全桥电路的两倍 必须有两个分压电容，流过和电路工作频率相同的充放电电流，由于电容的

17、放电，输出电压脉冲顶部有倾斜。 一般，半桥式只用于中等输出功率的电路中。,6. 按输入和输出电压的大小分类,(1)升压式开关电源,(2)降压式开关电源,(3)输出极性反转式开关电源,7. 按工作方式分类,(1)可控硅整流型开关电源,(2)斩波型开关电源,(3)隔离型开关电源,8. 按电路结构分类,(1)分立式开关电源,(2)集成式开关电源,第五节 开关电源与线性电源的比较,一、开关稳压电源的特点,1. 开关稳压电源的优点,(1) 功耗小，转换效率高；,(2) 体积小，重量轻；,(3) 稳压范围宽；,(4) 滤波电容小；,(5) 电路形式灵活多样。,2. 开关稳压电源的缺点,(1)电压调整率和负

18、载调整率较差；,(2)存在较严重的开关噪声和干扰；,(3)电路复杂，不便于维修。,二、开关电源与线性电源的比较,第五节 开关电源与线性电源的比较,第六节 开关电源的基本工作原理,一、开关电源的工作方式 (调制方式),(1)脉宽调制型(PWM)开关电源,(2)脉频调制型(PFM)开关电源,(3)混合调制型(PWM+PFM)开关电源,(4)脉冲密度调制型(PDM)开关电源,脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压。,二、脉宽调制控制器的基本原理,第六节 开关电源的基本工作原理,1.对控制电路的基本要求: 频率可在较宽范围内预调的固定频率振荡， 占空比可调节的脉宽调制功能， 死区时间较准器， 一路或

19、两路具有一定驱动功率的输出图腾式电路 禁止、软启动功能 电流、电压保护功能,PWM控制电路,占空比是指脉冲信号的通电时间与通电周期之比,脉宽调制电路原理图,PWM控制电路,基准源：芯片内大部分电路由它供电，兼作误差放 大器的基准电压输入； 振荡器: 一般由恒流充电快速放电电路以及电压比较器组成，频率由外接RC元件决定； 误差放大器: 将取样电压和基准电压比较放大，送至脉宽调制电路输入端； 脉宽调制器: 输入为误差放大器输出。输出分为两路，一路送给门电路，另一路送给振荡器 输入端； 分频器: 将输入分频后输出，控制门电路输出脉冲 的频率。,2. 控制电路的实现,控制电路的发展 高频化: 误差放大

20、器和脉宽调制器的频带要宽，一般要上 1M (100K) 7M ( 500 ) 智能化: 引入单片机技术，采用DSP处理技术,小型化 降低功耗: 控制在几个 mA 内 高密度安装,二、脉宽调制控制器的基本原理,1.降压型开关稳压电源的PWM控制,(1).开关管V的导通期内，储能电感中 电流的最大变化量为,(2).开关管V的截止期内，储能电感中 电流的最大变化量为,(3).开关管V导通期与截止期能量转换的条件：,第六节 开关电源的基本工作原理,2.升压型开关稳压电源的PWM控制,(1).开关管V的导通期内，储能电感中 电流的变化量为,(2).开关管V的截止期内，储能电感中 电流的变化量为,(3).

21、开关管V导通期与截止期能量转换的条件：,二、脉宽调制控制器的基本原理,(1).开关管V的导通期内，电感储存的能量：,(2).开关管V的截止期内，电感中的能量传给负载：,3.极性反转型开关稳压电源的PWM控制,结论：,.UO与Ui极性相反,.改变D可改变UO，稳定D可稳定UO,.D1-D时，即D0.5时，UOUi D1-D时，即D0.5时，UOUi,降压、升压、极性反转式开关电源电路结构的比较,功率因数校正器,1. 电功率: P = U x I 2. 功率因数 有功功率 P ( 阻性器件消耗的功率) 无功功率 Q ( 电容和电感上获得的功率) 视在功率 S ( S = U x V ) S2 =

22、P2 + Q2 P = S CoS ,P = U I COS = S CoS ,S = U I,功率因数,Q,谐波标准分类,1. IEC建议的谐波标准 IEC 1000-3-2 A类: 平衡的三相设备 B类: 轻便的工具 C类: 照明负载 D类: 有带特殊波形输入的设备,谐波标准分类,A类、B类,C类,C类Vimax并留有一定的冗余，选取Vds耐压为30V。过电流能力ImaxiLmax 二极管的耐压VdVimax，电流IdIo。,1.BUCK电路设计实例：,例1：输入电压为1020V，输出电压5V，纹波电压小于1%，输出电流2A，工作频率为100K设计BUCK变换器的主要参数。,（3）开关管和二极管选型：,（4）输出电容：LC组成的低通滤波器的截止频率,一般取fc为主频f 的1/10以下，计算出电容值。,（5）纹波电压可根据以下式求出：,也可以从已知要求的纹波电压反求出电容的ESR，然后再验证，以上的数据都是理论计算，作为设计的依据，根据实际电路需要在中调试验证中作相应改变。,ESR是equivalent series resistance的缩写，意为等效串联电阻.,例2.设计反激变换器，反激变换器工作频率30Khz，要求输入在电压100V150V范围能正常工作，输出电压为12V，输出电流为5A。,1、变压器设计：,(1)输入功率: Pin=(Po/)=12*5/0.8=75W