开关电源的原理介绍—实习报告.doc

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1、毕 业 实 习 报 告开关电源的原理介绍本学期从2月19号至3月15号是毕业实习的时间，在这段时间里我搜集了大量有关开关电源的的材料，使我了解开关电源的原理及工作电路，现将搜集到材料整理如下：一、开关电源与线性电源的比较线性电源原理图线性电源是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压，这种电源技术很成熟，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪音。但是它的缺点是需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工

2、作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低，还要安装很大的散热片。这种电源不适合计算机等设备的需要，将逐步被开关电源所取代。开关电源原理图开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、逆变器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。输入电网滤波器：消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。输入整流滤波器：将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。逆变器：是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。输出整流滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高

3、频噪声对负载的干扰。控制电路：检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。保护电路：当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。开关电源是将交流电先整流成直流电，在将直流逆变成交流电，在整流输出成所需要的直流电压。这样开关电源省去下线性电源中的变压器，以及电压反馈电路。而开关电源中的逆变电路完全是数字调整，同样能达到非常高的调整精度。开关电源的主要优点：体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的30%）、效率高（一般为70%而线性电源只有40%）、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化。开关电

4、源的主要缺点：由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰。需要良好的屏蔽及接地二、开关电源的概述：开关电源作为一门独立的电源技术出现以来已经历了近半个世纪，在这段时间里，与开关电源技术有关的电源理论、变换器设计、控制方法、材料器件、生产工艺、产品应用等方面都获得了很大的进步和发展，然而，当我们对该技术进行深入研究后却发现它仍然存在着一些问题需要解决，而且有的问题还带有全局性。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！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高很多。所以开关变

5、压器可以做的很小，而且工作时不是很热！成本很低。 开关电源大体可以分为隔离和非隔离两种,隔离型的必定有开关变压器,而非隔离的未必一定有. 随着电力电子技术的告诉发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PW

6、M）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。 开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。二、开关电源的分类：根据变换器分类可分：（一）、DC/DC

7、变换DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用）；二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类：（1）Buck电路降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。（2）Boost电路升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。（3）Buck-Boost电路降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。（4）Cuk电路降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压UI,极性相反，电容传输。 当今软开关技术使

8、得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为（6、2、10、17）W/cm3，效率为（80-90）%。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200300）kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），是整个电路效率提高到90%。（二）、AC/DC变换AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。A

9、C/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。 AC/DC变换按电路的接线方

10、式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。三、开关电源的工作原理是:1.交流电源输入经整流滤波成直流; 2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上; 3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载; 4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的.四、开关电源电路的组成交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰; 在功率相同时,开关频率越高,开关变压器的体积就越小,但对开关管的要求就越高; 开

11、关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头,以得到需要的输出; 一般还应该增加一些保护电路,比如空载、短路等保护,否则可能会烧毁开关电源.高频开关电源由以下几个部分组成：1、主电路从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：（1）、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。（2）、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。（3）、DC-DC变换：开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的

12、提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。图中，由电感L、电容C2和二极管D组成的电路，就具有这种功能。电感L用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L中的能量通过二极管D释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量，因二极管D使负载电流连续不断，所以称为续流二极管。在AB间的电压平均值EAB可用下式表示： EAB=TON/T*E式中TON为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期（即开关接通时间TON和关断时间TOFF之和）。由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，AB

13、间电压的平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便能使输出电压V0维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”（Time Ratio Control,缩写为TRC）。按TRC控制原理，有三种方式：a、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,缩写为PWM）开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。b、脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,缩写为PFM）导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。c、混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，

14、彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。d、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。2、控制电路一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。3、检测电路除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表资料。4、辅助电源提供所有单一电路的不同要求电源。 五、开关电源的发展和趋势目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方

15、式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的kHz、用制成的kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪

16、涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的

17、损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的的可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N1冗余电源系统，并实

18、现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。 目前，国内外都在致力于开关电源EMI、EMC问题的研究。六、小结毕业设计是我们四年大学学习的一个总结，是我们所学知识的综合运用，给了我们一个动手的机会，使对我们解决实际问题能力的一次锻炼，对即将踏入社会的我们是一次非常重要的学习机会。通过这一段时间的活动，我搜集了许多有用的东西，是我对毕业设计有了一定的基础，了解的课题的意义、电路的工作原理，同时还锻炼了我查阅资料的能力。