开关电源的工作原理与电路设计13-12-1

1、开关电源的工作原理和电路设定修订，陶显芳2013.12.15，1， 以下是本次技术交流的主要内容1 .开关电源的基本回路工作原理1 .串联式开关电源2 .并联式开关电源3 .反转式开关电源4 .单励磁式变压器开关电源5.2励磁式变压器开关电源6 .各种开关电源的优点和缺点2 .各种开关的校正运算1 .输出电压的校正运算2 .蓄积电感量的校正运算3 .蓄积滤波器容量的校正运算4数的校正运算5 .单励磁式开关变压器的空气隙的选定， 想从事开关电源设定修正的工程师感兴趣6 .开关变压器的伏特秒容量的修正算法和测定7 .开关变压器的1次线圈匝数的修正算法8 .开关电源占空比和变压比的修正算法3 .开关

2、电源电路设定修正(这部分是补充内容) 1 .开关电源电路设定修正的几个要素2 .常用开关电源3 .开关电源典型电路概要4 .单IC开关电源5 .自激式开关电源6 7.开关电源的安全设定修正8 .开关电源的调试方法的要点2、开关电源的工作原理和电路设定1.1开关电源的应用、开关电源的应用遍及各行业和领域，图中列举了电子腕时修正、MP3、MP，4、1.2开关电源是什么，从意象上来说，开关电源是转换调整不同的输入电压，以满足不同负载要求的装置根据用途的不同，开关电源分为DC/DC、AC/DC、DC/AC、AC/AC等多种开关电源。 开关电源根据开关运作模式，可以分为频率、脉冲宽度固定式、频率、脉冲宽

3、度固定式，频率固定式、脉冲宽度可变式频率、脉冲宽度可变式等3种开关电源。 根据开关老虎钳与电路相连的方式，开关电源分为串联式开关电源、并联式开关电源、电压互感器式开关电源(其中为单励磁式和双励磁式的电压互感器开关电源)。 用于开关电源种类的开关老虎钳主要是晶体管、增强型场效应晶体管、IGBT晶体管、晶体闸流管、电源IC (包括厚膜电路)、磁饱和开关等。 5、1.3开关电源的几个运作模式一、非绝缘式开关电源1 .串联式开关电源2 .并联式开关电源3 .反转式开关电源2， 绝缘式电压互感器开关电源1 .正励磁式电压互感器开关电源2 .逆励磁式电压互感器开关电源1 .云推送拉式电压互感器开关电源2

4、.半桥式电压互感器开关电源a .半桥式电压互感器开关电源b .双容量半桥式电压互感器开关电源3 .全桥式开关电源串联式开关电源，7，开关电源的工作原理，2.0，2.1串联式开关电源的工作原理，图2-1，图2-1-a是串联式开关电源的最简单的工作原理图图1-1-b是串联式开关电源的输出电压的波形。 Ui输入电压uo输出电压Up输出电压的峰值tonon时间Toff关闭时间Ua输出电压的平均值d占空比。 串联式开关电源又称斩拌机或CuK开关电源，其工作原理简单，工作效率高，投入产出共用一个一个，具有触电和EMI噪声易合并的缺点。 (2-1)、(2-2)、8、图2-2、2.2串联式开关电源输出电压电子

5、滤波器，图2-2是串联式开关电源输出电压电子滤波器。 在图中，k是开关(开关元件)，l是蓄积过滤烟嘴电感器，c是蓄积过滤烟嘴电容，d是回流二极管，r是负载电阻，Ui是输入电压，uo是过滤烟嘴输入电压(开关输出电压)，eL是基于过滤烟嘴电感器的感生电动势，iL是在电感器l中流动的电流，uo九， 10、在Ton期间，输入电压Ui通过控制开关k的输出电压uo，被施加给由蓄积滤波电感器l和蓄积滤波电容器c构成的电子滤波器，在此期间，蓄积滤波电感器l的两端的电压eL为：(2-4)，电感器中流动的电流：k为在开关k断开期间，存储电感量l将磁性能量变换为电流iL，经由回流二极管d持续向负载r供给能量，该期间

6、l的两端的电压eL为：对k断开期间(2-6)、(2-6)进行积分：k断开期间(2)，k分别从Toff开始或者k为Ton、变为Toff的瞬间流过电感量的电流，所以(2-7)式是，k为off的期间(2-9)，能够改写为t=Toff的该值是k即将进入之前的瞬间(2-10 )，在上述的修正计算过程中，(2-4)式是表示输入电压Ui通过电感量l对平滑电容器充电，且也对负载供电，在电感量l中流动的电流直线上升，斜率为(Ui-Uo)/L的(2-9)式表示蓄电电感量l释放能量，继续对平滑电容器的充电和对负载的供电，并电感量这是因为，以上的校正运算过程都是假设输出电压Uo不变化的情况下得到的结果，在实用上也相同

7、，输出电压的波动非常小。 综合以上的修正计算结果，当，11，k关断期间(2-8)，上式中：1，Ui=2Uo时，即，D=0.5时，电感量积蓄能量的速度与释放能量的速度完全相等(斜率相等)，如图2-3所示。 在12、串联式开关电源输出电压电子滤波器解析、13、2、Ui2Uo时，即D0.5时、k导通期间，在存储电感量l中流动的电流爬升率(绝对值)比在k截止期间在电感量l中流动的电流爬升率(绝对值)大，(2-5)式中的i(0)等于0 由于Ton比Toff小，所以(2-10 )式中的iLX为负值，即输出电压相反地对电感量进行充电，但由于整流二极管d的存在而表示不可能的情况下，流过存储电感量l的电流iL不

8、是连续电流，而是开关电源在电流不连续状态下动作，因此输出电流如图2-4所示。 串联式开关电源输出电压电子滤波器的解析，3，Ui2Uo的情况下，即滤波器输出电压Uo比电源输入电压Ui的一半大的情况下，或者控制开关k的工作比比2分之1大的情况下：在k导通期间，流过存储电感量l的电流爬升率(绝对值)， 在k关断期间流过蓄积电感量l，但是由于Ton比Toff大，所以(2-5)式中的i(0)和(2-10 )式中的iLx都比0大，即，不能每次释放感应蓄积能量。 在这种情况下，流过积蓄电感量l的电流iL为连续电流，开关电源在连续电流状态下动作，输出电压Uo的条纹波比(stipebo比)小，滤波器输出电压Uo

9、大于滤波器输入电压Uo的平均值Ua。 如图1-4所示。14、根据串联式开关电源输出电压电子滤波器解析、2.3串联式开关电源的蓄积滤波器电感量的修正计算，串联式开关电源输出电压Uo与控制开关的占空比d无关，与蓄积电感量l的大小无关，蓄积电感量l决定电流的爬升率(di/dt )、即输出电流的大小因此，正确选择蓄电电感量的残奥仪表非常重要。 串联式开关电源最好在临界连续电流状态或连续电流状态下工作。 此时，开关电源的输出电压的调整率最好，输出电压Uo的波动也不大。因此，可以从临界连续电流状态进行分析。 首先，观察(2-5)式：k即将断开之前的瞬间(2-5)，串联式开关电源在临界连续电流状态下动作时，

10、即D=0.5时，由于i(0)=0、iLm=2Io，因此15、2.4串联式开关电源的蓄积平滑电容器的修正(a )是控制开关k的输出电压的波形，(b )是蓄积滤波器电容器c的充放电波形，(c )是流过蓄积滤波器的电感量电流iL的波形。 当串联开关电源以临界连续电流状态操作时，控制开关k的占空比d为0.5，流过负载的电流Io等于累积滤波器电感量的最大电流iLm的二分之一。 占空比d为0.5时，电容器的充放电的电荷和充放电的时间以及正负的电压纹波值都必须相等，电容器的充电电流的平均值也恰好等于流过负载的电流。 因此，在电容器充电时，在电容器中蓄积的电荷q为：16、图2-6、D=0.5的情况下(2-13

11、 )，电容器中蓄积的电荷为：由此求出的电容的值为：D=0.5的情况下(式中，Io是负载中流过的平均电流，t是控制源由于电压纹波UP-P一般为峰值-峰值，所以电压纹波与电容器充电或放电时的电压增量，即UP-P=Uc恰好相等。 (2-15 )、17、串联式开关电源蓄积滤波器容量的修正运算、18、2.5串联式开关电源的总结，串联式开关电源的输出电压的平均值Ua为、(2-12 )，串联式开关电源的滤波器电感量的大小为(2-12 ) 的串联式开关电源的占空比d为(2-2)，由于串联式开关电源的输出负载一般不是一定值，所以在实用中需要相对于由(2-12 )式和(2-15 )式给出的修正运算结果确保一盏茶的

12、馀量。 输入电压Ui和l的值固定后，串联式开关电源的输出电压Uo与输出电流Io和占空比相关，可通过改变占空比来调整开关电源的输出电压Uo，这是开关电源的调压和稳定作用的原理。 串联式开关电源滤波器输出电压的电压纹波UP-P的大小依赖于滤波电容器的大小，当工作比d小于0.5时，蓄积滤波器电感器l中流动的电流iL变得不连续，因此电容器放电时间变得比电容器充电时间大，滤波电容器的残奥串联式开关电源平滑电容器的大小为(2-15 )、(2-15 )、19、2.5串联式开关电源的总结、反转式串联开关电源、20、开关电源的动作原理、3.0、3.1反转式图中，k是开关(开关元件)，l是c是存储平滑电容器，r是

13、负载电阻，Ui是输入电压，uo是整流入输入电压，eL是存储电感量的感生电动势，iL是流过存储电感量l的电流，uo是开关电源的输出电压，作为ii的反转式串联开关电源输出的电压是负电压， 由于积蓄电感量l仅在开关k断开时向负载输出电流，因此在相同条件下，反转式串联开关电源输出的电流比串联式开关电源输出的电流小2倍。 图3-1、21、图3-2、图3-4、图3-2、3-3、3-4各自反转式串联开关电源以D=0.5、D0.5、D0.5动作时的各点的电压图3-2以临界电流连续状态动作，图3-3是电流不连续状态，图3-4是电流连续状态、22、反转式串联开关电源动作原理、图1-9、23、开关k接通的期间，电源

14、Ui开始向蓄电电感量l供电，蓄电电感量l的两端的电压eL为：流过电感量的电流：流过电感量的最大电流：上式中，在I ()开关k的断开期间， 存储电感量将存储在iLm中的磁性能量转换为反电动势eL，并经由整流二极管d向负载r提供能量，eL是将(3-4)式积分为k截止期间(3-4)、k导通期间(3-1)、k导通期间(3-2)的k截止期间(3-5)、k截止期间(3-5)的公式上式中i(Ton )控制在开关k从Ton切换为Toff的瞬间流过电感量的电流，也可以是i(Ton )，实际上(3-5)式中的i(Ton )是(3-3)式中的iLm，即k断开期间(3-6) 其最小值是k即将接通之前瞬间(3-8)，开

15、关电源为临界电流连续状态或电流不连续状态时，即D0.5时，存储电感量中流过的初始电流i(0)和存储电感量中流过的电流的最小值iLX都等于0 (参照图3-2及图3-另外一方面， 当开关电源在电流连续状态下工作时，在存储电感量中流动的初始电流i(0)和在存储电感量中流动的电流的最小值iLX相等(参照图3-4 )，即D0.5时，i(0)=iLX。 24、根据反转式串联开关电源的动作原理，根据(3-3)式和(3-8)式，反转式串联开关电源输出电压Uo可以求出为(3-9)、25、(3-9)式，式中的负号表示反转式串联开关电源的输出电压为负脉冲在图3-1中的平滑电容器c断开时，负脉冲的宽度变得非常高，负脉冲是指数函数性地降低的尖锐的脉冲，其宽度主要由负载电阻的大小和工作比决定，在接通了图3-1的平滑电容器c后，反转式串联开关电源输出电压uo成为从(3-9)式可知，反转式串联开关电源的输出电压与输入电压和开关导通的时间成正比，与开关断开的时间成反比，与蓄积电感量l的大小无关，与蓄电