开关电源工作原理介绍(详细)分析课件.ppt
第二篇 电子新技术&新产品,LED,石墨烯,开关电源,第三章 开关电源,第一节 概述,第三节 工作原理（调宽式）,第四节 开关电源的分类,第五节 开关电源与线性电源的比较,第二节 开关电源基础电路,第六节 开关电源的基本工作原理,参考文献,1.开关电源的原理与设计张占松、蔡宣三 编著 2.智能型高频开关电源系统的原理使用与维护-王家庆 主编 人民邮电出版社 3.通信用高频开关电源 人民邮电出版社4.电力电子技术 丁道宏 主编 航空工业出版社5.现代通信电源技术,参考文献,电工学报电力电子技术电信科学研究院情报所:,1.通信电源的分级,第三章 开关电源,绪论,2、开关电源的定义,转开关变换器:凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变为另一形态的主电路都叫做开关变换器电路。,开关电源:转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节。,开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止。将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压！,第三章 开关电源,转换为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多。所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热！成本很低。如果不将50Hz变为高频那开关电源就没有意义。,第一节 概述,（1）20世纪50年代：美国宇航局用于搭载火箭；,（2）20世纪80年代：计算机全面实现开关电源化；,（3）20世纪90年代：电子电器、家电广泛应用。,1 发展史：,第一节 概述,开关电源基本构成框图,2、组成(脉宽调制型)：,调整管工作在开关状态,开关电源的特点,1.重量轻，体积小:是相控电源体积的1/102.功率因数高:相控 0.7,小负载 0.3，有功率因数的开关电源在0.93以上3.可闻噪声低:工频变压器 大于60 dB,开关电源 45dB4.效率高:一般88%以上；5.冲击电流小:可接近额定电流 6.模块式结构:可更换模块2M的19英寸机架 48V/1000A,输出功率60KW；7.稳压精度高:可达0.2%；8.维护、监控方便:对与较大的电源系统可采用计算机进行监控。,通信中对开关电源的要求,欧洲通信标准化委员会制定的第二级电源与通信设备界面上的技术规范(ETS300132),直流电压允许变化范围-40.5-57 VDC直流电压变化,直流冲击电流 5I 额定(10ms)无线电频率干扰符合EN55022或IEC CISPR22标准安全、接地要求等杂音电压,通信中对开关电源的要求,主要技术要求:电压变动范围要求、频率变化要求、波形要求。电压暂降、短时中断和电压变化的要求:IEC1000-4-11;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:3.4KHz 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 2423.10-1995 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；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-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.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：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TOP221TOP227,4.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).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 I2.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=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 1000-3-2A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25&D类,四种类别的设备判别方法,3.IEC建议200W以上的电源设备应采用功率因数校正(PFC),常规和带PFC的电源设备的传输比较,功率因数校正,设计实例,（1）占空比：D=Vo/Vi；Dmax=5/10=0.5；Dmin=5/20=0.25（2）电感计算：纹波电流iL=0.3*Io=0.3*2=0.6A 电感Lmin=(Vimax-Vo)*Dmax/iL*f=(20-5)*0.5/0.6*100K=125uH 电感的峰值电流iLmax=Io+0.5*iL=2+0.3=2.3A,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。,设计：,纹波电流或电压是指的电流中的高次谐波成分,会带来电流或电压幅值的变化,可能导致击穿,由于是交流成分,会在电容上发生耗散,如果电流的纹波成分过大,超过了电容的最大容许纹波电流,会导致电容烧毁。,电流纹波率，一般取0.10.3。,iLmax=Io+(1/2)*iL,设计实例,开关管DS耐压VdsVimax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equivalentseriesresistance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,设定转换效率=0.8；,(2)输入平均电流:Iav=Pin/Vdc min=75/100=0.75A,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。,(3)初级峰值电流:Ip=2*Iav/Dmax=2*0.75/0.45=3.33A反激变换器的最大占空比设定Dmax0.45;,(4)初级电感量:Lp=Vdc min*Dmax/(Ip*fs)=100*0.45/3.33*30K=0.45mHfs为开关频率;,(5)确定磁芯型号：使用AP法求 磁芯尺寸：,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。,Ae为磁芯截面积，单位为cm2（磁芯规格资料可查得）Aw为磁芯串口面积，单位为cm2（磁芯规格资料可查得）Lp为原边电感量，单位为H Ip为原边峰值电流，单位为A B为磁芯工作磁感应强度，单位为T（一般取饱和磁感应强度Bs的0.5倍）Ko为窗口有效使用系数，根据安规的要求和输出路数决定，一般取0.20.4 Kj为电流密度系数，一般取395A/cm2根据求得的AP值选择合适的磁芯。,式中,(5)初级匝数:Np=Vdcmin*Dmax/(B*Ae*fs)上式中B为磁芯工作磁感应强度，单位为T（一般取饱和磁感应强度Bs的0.5倍）Ae为磁芯截面积,查规格资料可得!,(6)次级匝数:Ns=(Vout+Vd)*(1-Dmax)*Np/Vin min*Dmax,(7)绕组线径的计算：dp=Ip*J,Ip为初级线圈的峰值电流，J为电流密度，单位为A/m2，一般取400 A/m2。,
