功率电子技术专题讲座.ppt

1、2012年浙江省大学生电子设计竞赛,功率电子设计专题讲座 -开关电源设计,刘桂 温州大学 May 2012,Contents,开关电源概述 电子设计竞赛中的开关电源设计 开关式稳压电源的基本工作原理 开关式稳压电源的原理电路 开关电源技术 开关电源设计示例,一、开关电源概述,开关电源，又称开关型开关电源、开关型电源。是利用功率电子器件的导通、关断来控制电能输出的幅值和功率，获得所需的电能形式。 开关电源是具有最高功率密度的电源，按变换方式可分为下列四大类： （1）、第一大类：AC/DC开关电源； （2）、第二大类：DC/DC开关电源； （3）、第三大类：DC/AC开关电源； （4）、第四大类：

2、AC/AC开关电源。 但目前只将前两类称为开关电源，而将后两类分别称为逆变器和变频器。,目前，开关频率已从20kHZ左右提高到几百千赫至几兆赫。与此同时，供开关电源使用的元器件也获得长足发展。MOS功率开关管(MOS-FET) ,肖特基二极管(SBD) ,超快恢复二极管(SRD),瞬态电压抑制器(TVS), 压敏电阻器(VSR),熔断电阻器(FR)、自恢复保险丝(RF),线性光耦合器、可调式精密并联稳压器(TL431) ,电磁干扰滤波器(EMI Filter),高导磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠magnetic bead )、三重绝缘线(Triple Insulated dire )、玻璃

3、珠(glass beads )胶合剂等一大批新器件、新材料正被广泛采用。所有这些，都为开关电源的推广与普及提供了必要条件。,开关电源产品实例,电子设计竞赛中的开关电源的特点： 开关电源的供电电压为1236V. 从安全角度考虑供电电压不会高于36V AC或43V DC。 为测试方便，功率不会超过100W。 一般不允许成品模块，但可使用开关电源控制芯片。 电源电压在额定电压20%的范围变化，要求输出也在这个范围内变化 需要预留测试点 因为开关电源是功率转换电路，需有过电流和短路保护功能,二、电子设计竞赛中的开关电源设计,三、开关式稳压电源的基本工作原理,开关式稳压电源接控制方式分为调宽式(PWM)

4、和调频式(PFM)、混合调制方式。在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。,脉冲宽度调制（PWM）,脉冲宽度调制（PWM） 在很多控制系统中，对于控制电路的要求往往是除能够控制负载的加电与断电外，还应该能够控制加载到负载上的电压高低及功率大小。在大功率电路中，控制加载至负载上电压及功率的实用方法就是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation -PWM)。 1、面积等效原理 冲量等效原理：大小、波形不相同的窄脉冲变量（冲量）作用在具有惯性的环节上时，只要这些变量对时间的积分相等，其作用的效果将基本相同。,这三个窄脉冲电压对时

5、间的积分相等，或者说它们的面积相等。当这三个窄脉冲分别作用在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。因此，冲量等效原理也可以称为面积等效原理。,脉冲宽度调制（PWM）,依据面积等效原理，在电路中可以利用低端电源开关或高端电源开关，通过一定频率的导通和截止连续切换，使电源电压Ui以一系列等幅脉冲加载到负载上，此矩形波的电压平均值：,这种通过等幅脉冲调节负载平均电压及功率的方法称为脉冲宽度调制，也称为斩波控制。,脉冲宽度调制技术对于开关电路的工作速度有比较高的要求，这由两个因素决定：一是脉冲的频率；二是脉冲的占空比。要求开关电路有足够快的切换速度。,脉冲宽度调制（PWM）,对于单极性矩形脉冲来

6、说，其直流平均电压U ave取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压ave。可由公式计算， 式中Um为矩形脉冲最大电压值；T为矩形脉冲周期；T1为矩形脉冲宽度。从上式可以看出，当Um 与T 不变时，直流平均电压U ave 将与脉冲宽度T1 成正比。这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。,脉冲宽度调制（PWM）,采用脉冲宽度调制（PWM）方式为负载供电，由于供电电压是脉动的，势必会产生出各种谐波。PWM产生的输出电压中存在的谐波会对负载产生影响。但大多数负载对于谐波有抑制作用。 对于对谐波比较敏感的负载，可将脉宽调制的开

7、关频率选得比较高，这将使谐波的频率比较高，通过一些滤波元件可方便地将谐波滤除。,脉冲宽度调制技术在功率调节电路中得以广泛的应用的原因在于此方法控制负载的功率时，控制电路仅工作于开关状态，控制器件的功耗很低，非常易于实现。,脉冲宽度调制（PWM）,开关电路的工作频率与使用的开关器件有很大关系，目前，小功率脉冲宽度调制电路的工作频率可做到1MHz以上，但对于大功率电路，大功率双极三极管GTR只能达到几KHz，IGBT器件可达到几十KHz，速度最高的功率MOSFET在大功率条件下也仅能达到二百KHz左右。 选择PWM的开关频率时要根据实际需要，开关电路的切换频率只要等于或略大于负载的频率要求，就可以

8、得到比较好的效果，追求过高的脉冲频率对于有些负载没有太多的实际意义。同时开关频率越高，开关元件在开关过程中产生的动态损耗就会越大，不利于电路的效率。,脉冲宽度调制（PWM）,四、开关式稳压电源的原理电路,1、基本电路框图,交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进入高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。 控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压

9、的目的。,实际电路由进线滤波器、整流器、功率因素校正电路（ PFC ）、DC / DC 变换器等四部分组成。进线滤波器的作用是不让外线的开扰进入开关电源，同时也使开关电源的高频脉冲不能进入外线，即应具备双向滤波功能。功率因素校正电路的主要作用是提高开关电源的功率因素，因为开关电源的功率因素较低，一般在0.60.7的范围内，通过 PFC 电路的校正后，可达到0.95 以上。,开关电源的分类： 根据是否需要稳压功能分类：稳压型和非稳压型 （通常稳压型比非稳压型复杂） 根据是否需要隔离分类：隔离型和非隔离型 类型选择 从实现简单的角度考虑，如果没有稳压特性要求，最好采用非稳压型；如果没有隔离要求，最

10、好采用非隔离型，这样可以得到最佳的性能。,五、开关电源技术,非隔离型DC-DC变换电路也称为直流斩波电路。根据电路形式的不同，可分为降压（Buck）型电路、升压（Boost）型电路、升降压（Buck- Boost）型电路、库克（Cuk）型电路、Zeta型电路和Spice型电路。其中，Buck型电路和Boost型电路是最基本的非隔离DC-DC变换电路形式，其余四种均是由Buck型电路和Boost型电路派生出来的。 这里仅介绍降压（Buck）型电路、升压（Boost）型电路以及升降压（Buck- Boost）型电路电路。,非隔离型DC-DC变换电路,1、降压式开关电源,当开关管VT1 导通时，二极

11、管VD1 截止，输入的整流电压经VT1和L向充电，这一电流使电感中的储能增加。当开关管VT1截止时，电感感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。,这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。,2、升压式开关电源,当开关管 VT1 导通时，电感储存能量。当开关管VT1 截止时，电感感应出左负右正的电压，该电压叠加在输入电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输入电压，形成升压式开关电源。,3反转式开关电源,这种电路又称为升降压式开关电

12、源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。,当开关管 VT1 导通时，电感L 储存能量，二极管VD1 截止，负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时，电感中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容充电。,隔离型DC-DC变换电路,非隔离型DC-DC变换电路尽管可以完成直流电压和电流的变换，但是，存在着转换功能的局限性，例如输入输出之间的电压比或电流比不能过大、无法实现多路输出等。同时，由于输入端和输出端没有电气隔离，使电路的安全性和干扰抑制能力也存在缺陷。 隔离型DC-DC变换电路通过高频隔离变压器实

13、现输入输出之间电气隔离。根据电路中高频隔离变压器的连接形式，隔离型DC-DC变换电路可分为反激式电路、正激式电路、推挽式电路、半桥式电路和全桥式电路等几种。,反激式电路和正激式电路仅需要一个功率开关，利用功率开关的导通与关断，使隔离变压器原边绕组W1中的电流以脉冲形式变化，导致隔离变压器磁芯中的磁通发生变化，向隔离变压器副边绕组W2传递能量。这种变换电路的隔离变压器磁芯中的磁通是单方向变化的，称为单端变换器。 推挽式和半桥式电路需要两个功率开关，而全桥式电路则需要四个功率开关。利用两个或四个功率开关的导通与关断，不仅可使隔离变压器原边绕组W1中的电流发生通断变化，还可使电流的方向发生正负变化，

14、从而导致隔离变压器磁芯中的磁通发生双向变化，向隔离变压器副边绕组W2传递能量。这种变换电路的隔离变压器磁芯中的磁通是双向变化的，称为双端变换器。,1、单端反激式开关电源,所谓的反激，是指当开关管VT1 导通时，高频变压器初级绕组的感应电压为上负下正，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，高频变压器初级绕组的感应电压为上正下负，VD1导通变压器初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电容滤波后向负载输出。,单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20100，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率，在小功率开关电源中得到广泛的应用。唯

15、一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。,这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时，VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感储存能量；当开关管VT1截止时，电感通过续流二极管VD3 继续向负载释放能量。,2、单端正激式开关电源,在电路中还设有钳位线圈与二极管VD1，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于。由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50200 的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也

16、较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。,3、推挽式开关电源,它属于双端式变换电路。电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替地导通与截止，在变压器次级绕组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。,推挽式电路采用双向励磁，其开关占空比可以比较高。 这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100-500范围内。,以上介绍了脉冲宽度调制式开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型，在实际应用中，会有各种各样的实际控制电路，但无论怎样，也都是在这些基础上发展出来的。,六、开关电源设计示例 UC

17、3843 组成小功率开关电源(TL431+光耦),设计步骤: 绘线路图、PCB Layout. 变压器计算. 零件选用. 设计验证. 详见UC3843 组成的小功率开关电源(TL431+光耦)设计流程(word文档),左图是UC3842-UC3845的外形图。UC3843是近年来问世的新型脉宽调制集成电路，它具有功能全，工作频率高，引脚少，外围元件简单等特点。,1、UC3843的主要特性,UC3843有4种封装形式，一种是14pin双列直插和SOP-14，另一种是8pin双列直插和SOP-8。我们以最简的8pin封装简述其工作原理。 第(1)脚是补偿端，外接电阻电容元件以补偿误差放大器的频率特性。第(2)脚是反馈端，将取样电压加至误差放大器的反相输入端，再与同相输入端的基准电压进行比较，输出误差控制电压。第(3)脚接过流检测电阻,组成过流保护电路。RT/CT为锯齿波振荡器的定时电阻和电容的公共端，内部基准电压为VREF=5V。输入电压Vi30V，输出端电压Vo取决于高频变压器的变压比。,2、UC3843的工作原理,UC3843是这个开关电源的核心元件，它产生脉宽可调而频率固定的脉冲输出，推动开关功率管的导通和截止，通过高频变压器换能将电压输出到次级绕组上，再经整流和滤波向负载提供直流电源，电源兼反馈绕组取得的