开关电源结构和基本原理-上课课件

高频开关电源设计1高频开关电源高频开关电源的结构和基本原理的结构和基本原理高频开关电源的结构和基本原理2一、一、概述概述将将电网电网或或电池电池的的一次电能一次电能，转换转换为符合电子设备要求为符合电子设备要求的的二次电能二次电能，这样的变换设备便是，这样的变换设备便是电源电源。电源是一切电子设备的心脏，没有电源，电子设备就电源是一切电子设备的心脏，没有电源，电子设备就不可能工作。不可能工作。1.1.1 电源是什么？电源是什么？1.1 电源及开关电源电源及开关电源电源常电源常用的连用的连接方式接方式串联线性稳压电源串联线性稳压电源高频开关电源高频开关电源3一、概述将电网或电池的一次电能，转换为符合电子设备要求的二1.1.2 1.1.2 串联稳压电源与开关电源的区分串联稳压电源与开关电源的区分串联线性稳压电源：电源调整管工作在放大串联线性稳压电源：电源调整管工作在放大状态。状态。开关电源：电源调整管开关电源：电源调整管工作在开关状态的电在开关状态的电源源 。是具有高功率密度的电源。是具有高功率密度的电源。输入输入电源调整管电源调整管负载负载RL串联稳压电源串联稳压电源输入输入开关管开关管K负载负载 RL储能元储能元件件开关电源开关电源1.1.2 串联稳压电源与开关电源的区分串联线性稳压电源：电41.1.3 开关电源的分类：开关电源的分类：按变换方式可分为下列四大类：按变换方式可分为下列四大类：（1）：第一大类：）：第一大类：AC/DC开关电源；开关电源；（2）：第二大类：）：第二大类：DC/DC开关电源；开关电源；（3）：第三大类：）：第三大类：DC/AC开关电源；开关电源；（4）：第四大类：）：第四大类：AC/AC开关电源。开关电源。但目前只将前两类称为开关电源，而将后两类分别称但目前只将前两类称为开关电源，而将后两类分别称为为逆变器逆变器和和变频器变频器。开关电源开关电源逆变器逆变器变频器变频器51.1.3 开关电源的分类：按变换方式可分为下列四大类：开A：一次电源产品的图片一次电源产品的图片（AC/DC）常见开关电源图片常见开关电源图片6A：一次电源产品的图片（AC/DC）常见开关电源图片6B：工业电源产品的图片工业电源产品的图片标准产品标准产品（AC/DC）CPCI Series of Lambda 7B：工业电源产品的图片标准产品（AC/DC）CPCI SeC：工业电源产品的图片工业电源产品的图片（AC/DC）HWS Series of Lambda 8C：工业电源产品的图片（AC/DC）HWS Series oE：工业电源产品的图片工业电源产品的图片（AC/DC）9E：工业电源产品的图片（AC/DC）9F：二次电源产品的图片二次电源产品的图片（DC/DC）-标准转类标准转类Full BrickHalf BrickHalf Brick1/4 Brick1/8 Brick10F：二次电源产品的图片（DC/DC）-标准转类Full BG：二次电源产品的图片二次电源产品的图片（DC/DC）11G：二次电源产品的图片（DC/DC）11彩电开关稳压电源彩电开关稳压电源121.2 直流稳压电源的发展 直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。传统的串联式线性转换方法设计制作的电源，其效率低，损耗传统的串联式线性转换方法设计制作的电源，其效率低，损耗大，温升高。大，温升高。图图1-1 晶体管串联式线性稳压电源晶体管串联式线性稳压电源 1.2 直流稳压电源的发展 直流稳压电源是电子、电13随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢复二极管及其它元器件的电压得到很大的提高，这为取消复二极管及其它元器件的电压得到很大的提高，这为取消稳压电源中的稳压电源中的工频变压器工频变压器，发展高频开关电源创造了条件。，发展高频开关电源创造了条件。它使电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了它使电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了一步。一步。图图1-3 无工频变压器的开关电源原理框图无工频变压器的开关电源原理框图 随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢复二极管及其它141.3 1.3 无工频变压器开关稳压电源的优点：无工频变压器开关稳压电源的优点：1.1.效率高效率高。一般在。一般在707080%80%以上。以上。2.2.体积小体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。3.3.稳压范围广稳压范围广，一般交流输入，一般交流输入8080265265V V，负载作大幅度变化负载作大幅度变化时，性能很好。时，性能很好。4.4.噪声低噪声低，声频在，声频在2020kHzkHz以上时，已是人耳听不到的超声以上时，已是人耳听不到的超声 波，而开关电源的工作频率一般都大于此频率；波，而开关电源的工作频率一般都大于此频率；5.5.性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到低压大电流、高性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到低压大电流、高压小电流；一个开关控制的一路输入可得到压小电流；一个开关控制的一路输入可得到多路输出多路输出以及以及同号、反号等输出；同号、反号等输出；6.6.电压维持时间长电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算机、现代自，为了适应交流停电时，计算机、现代自动化控制设备电源转换的需要，开关电源可在几十毫秒内动化控制设备电源转换的需要，开关电源可在几十毫秒内保证仍有电压输出。保证仍有电压输出。7.7.可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出现。现。1.3 无工频变压器开关稳压电源的优点：15无工频变压器开关稳压电源的不足之处：无工频变压器开关稳压电源的不足之处：1.1.输出纹波较大，约有输出纹波较大，约有1010100100mVmV的峰峰值；的峰峰值；2.2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；3.3.控制电路比较复杂，对元器件要求高；控制电路比较复杂，对元器件要求高；4.动态响应时间至少要大于一个开关周期，不如串联动态响应时间至少要大于一个开关周期，不如串联式晶体管线性稳压电源。式晶体管线性稳压电源。无工频变压器开关稳压电源的不足之处：16二、二、开关电源工作原理开关电源工作原理 通过高频开关技术将输入的较高的交流电压通过高频开关技术将输入的较高的交流电压(AC)转换为转换为PC电脑工作所需要的较低的直流电压电脑工作所需要的较低的直流电压(DC)开关电源的中心思想：开关电源的中心思想：用提高工作频率等手段来用提高工作频率等手段来提高电源的功率密度，进而达到提高电源的功率密度，进而达到减少变压器的体积减少变压器的体积和和重量重量的目的。的目的。采用开关变换的显著优点是大大提高了采用开关变换的显著优点是大大提高了电能的转换效率，典型的电能的转换效率，典型的PC电源效率为电源效率为70%-75%，而相应的线性稳压电源的效率仅有而相应的线性稳压电源的效率仅有50%左右。左右。输出电压的稳定则输出电压的稳定则:依赖对脉冲宽度的改变来实依赖对脉冲宽度的改变来实现，这就叫做脉宽调制现，这就叫做脉宽调制PWM。二、开关电源工作原理 通过高频开关技术将输入17共轭滤共轭滤波器波器整流整流滤波滤波开关调开关调整管整管储能储能元件元件脉冲整脉冲整流滤波流滤波取样取样电路电路比较比较放大放大基准基准220V交流交流电压输入电压输入功能：功能：将将220V交流电压交流电压转换为电路所需要的各转换为电路所需要的各种稳定的直流电压种稳定的直流电压2.1 高频变压器开关电源的结构 图图2-1 高频变压器开关电源基本功能框图高频变压器开关电源基本功能框图直流电直流电压输出压输出共轭滤波器整流滤波开关调整管储能元件脉冲整流滤波取样电路比较18A.A.电路组成：电路组成：B.B.作用：作用：双向滤波双向滤波（一方面避免电网供电线引（一方面避免电网供电线引入高频脉冲影响电子电路，另一方面，防止开入高频脉冲影响电子电路，另一方面，防止开关电源对电网造成污染。）关电源对电网造成污染。）S501C501 0.1uL502220V市市电电 至整流滤至整流滤波电路波电路F501 T2.5AC502 0.1u2.2.1、进线抗电磁干扰电路、进线抗电磁干扰电路EMI2.2 输入共轭滤波及整流输入共轭滤波及整流A.电路组成：S501C501 0.1uL502220V市19C.工作原理：工作原理：对高频干扰信号而言，电容呈短路，而电对高频干扰信号而言，电容呈短路，而电感则呈开路。高频干扰被电容短路。感则呈开路。高频干扰被电容短路。对对50Hz低频而言，电容呈开路，而电感则低频而言，电容呈开路，而电感则呈短路。因此，呈短路。因此，50Hz市电可以顺利通过。市电可以顺利通过。S501C501 0.1uL502220V市市电电 至整流滤至整流滤波电路波电路F501 T2.5AC502 0.1uF501 T2.5AS501C501 0.1uL502220V市市电电 至整流滤至整流滤波电路波电路C502 0.1uC.工作原理：对高频干扰信号而言，电容呈短路，而20输入输入220V220V交流电压的检测交流电压的检测220V交流交流 输入输入交流电压交流电压500V档档正常值正常值:220V15%(187V253V)共轭滤波器共轭滤波器输入220V交流电压的检测220V交流 输入交流电压5021220V220V交流电压整流滤波后直流电压的检测交流电压整流滤波后直流电压的检测直流电压直流电压500V档档来自共来自共轭滤波轭滤波器的器的220V交流电交流电压压正常值为正常值为300V左右左右220V交流电压整流滤波后直流电压的检测直流电压500V档来22电路中电路中Q Q为开关管，工作于开关状态（为开关管，工作于开关状态（Q Q饱和导通时饱和导通时相当于一只接通的开关，相当于一只接通的开关，Q Q截止时相当于一只断开截止时相当于一只断开的开关的开关）。）。电感电感L L和电容和电容C C为储能元件。为储能元件。R RL L为电源的负载。为电源的负载。D D为续流二极管，它在开关管截止时导通，保证电为续流二极管，它在开关管截止时导通，保证电感感L L中的电流不中断。中的电流不中断。2.3 串联型开关电源工作过程（降压式BUCK)LQDCR L（a)串联型开关电源基本电路串联型开关电源基本电路+300V电路中Q为开关管，工作于开关状态（Q饱和导通时相当于一只接通23开关管饱和导通时，开关管饱和导通时，300V电源通过开关管电源通过开关管Q，电感电感L和负载和负载RL形成电流回路，同时向电容器形成电流回路，同时向电容器C充电，在充电，在电感电感L和电容和电容C中同时储能。中同时储能。二极管二极管D处于反向截止状态。处于反向截止状态。由于电感由于电感L中突然出现电流，将在中突然出现电流，将在L两端产生左正右两端产生左正右负的自感电动势，负载两端电压等于负的自感电动势，负载两端电压等于300V电源电电源电压与压与L两端自感电动势之差。两端自感电动势之差。IQI LICIRQ（b)开关管饱和时的等效电路开关管饱和时的等效电路D+300VR LLC+-开关管饱和导通时，300V电源通过开关管Q，电感L和负载RL24开关管截止时，由于电感线圈中电流的突然中断，开关管截止时，由于电感线圈中电流的突然中断，将在电感将在电感L L两端产生左负右正的自感电动势，该自两端产生左负右正的自感电动势，该自感电动势使续流二极管感电动势使续流二极管D D导通，形成电流回路。导通，形成电流回路。同时，电容同时，电容C C也通过也通过RLRL放电。放电。可见负载电流由电感电流与电容放电电流两路同时可见负载电流由电感电流与电容放电电流两路同时提供。提供。虽然开关管截止了，但是负载电流并没有中断。虽然开关管截止了，但是负载电流并没有中断。ICI LIDD（c)开关管截止时的等效电路开关管截止时的等效电路Q+300VR LCL+-开关管截止时，由于电感线圈中电流的突然中断，将在电感L两端产25图图2-1 高频变压器开关电源基本结构框图高频变压器开关电源基本结构框图这类电源的共同特点是具有高频变压器、直流稳压是从变压这类电源的共同特点是具有高频变压器、直流稳压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副边是隔离的，输入电压是直接从交流市电整流得变压器原副边是隔离的，输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。到的高压直流。2.4变压器型开关电源工作过程图2-1 高频变压器开关电源基本结构框图这类电源的共同特点262.4.1 高频变压器变换电路高频变压器变换电路工作方式工作方式分分类类按其按其工作方式工作方式可分为可分为五类五类,每类传输的功率也不相同，应用环境每类传输的功率也不相同，应用环境也稍有不同，如下所示：也稍有不同，如下所示：电路类型电路类型传输功率传输功率应用环境应用环境单端反激式单端反激式变换器变换器20100W小小型型仪仪器器、仪仪表表，家家用用电电器器等等电电源，自动化设备中的控制电源源，自动化设备中的控制电源单端正激式单端正激式变换器变换器50200W小小型型仪仪器器、仪仪表表，家家用用电电器器等等电电源，自动化设备中的控制电源源，自动化设备中的控制电源推换式变换推换式变换器器100500控制设备，计算机等电源控制设备，计算机等电源半桥式变换半桥式变换器器1005000W焊机，超声电源，计算机电源等焊机，超声电源，计算机电源等全桥式变换全桥式变换器器500W30kW焊机、高频感应加热，交换机等焊机、高频感应加热，交换机等2.4.1 高频变压器变换电路工作方式分类电路类型传输功率应27开关管饱和导通，开关管电流在开关变压器开关管饱和导通，开关管电流在开关变压器初级产生上正下负的自感电动势，次级产生初级产生上正下负的自感电动势，次级产生上负下正的互感电动势。上负下正的互感电动势。整流二极管整流二极管D D截止，由电容器截止，由电容器C C放电形成负载放电形成负载电流。电流。300VVTDRL（a)基本电路基本电路C+300V e1+e2VT+_RL(b)开关管饱和导通开关管饱和导通DCT2.4.2 单端反激式单端反激式变压器型开关稳压电源工作过程开关稳压电源工作过程开关管饱和导通，开关管电流在开关变压器初级产生上正下负的自感28开关管截止，变压器初级电流中断，于是在开关管截止，变压器初级电流中断，于是在初级绕组产生反方向的自感电动势（上负下初级绕组产生反方向的自感电动势（上负下正），次级互感电动势也反一个方向。正），次级互感电动势也反一个方向。次级互感电动势使整流二极管次级互感电动势使整流二极管D D导通，开关变导通，开关变压器次级电流一方面流入负载，另一方面向压器次级电流一方面流入负载，另一方面向电容器电容器C C充电储能，以便开关管再次导通时向充电储能，以便开关管再次导通时向负载释放能量。负载释放能量。e1_+IRL300VCVTD（c)开关管截止开关管截止T_+e2开关管截止，变压器初级电流中断，于是在初级绕组产生反方向的自29A.A.能量转换过程能量转换过程VT导通，导通，D截止，截止，T吸收能量；吸收能量；VT截止，截止，D导通，导通，T释放能量。释放能量。传递的能量越多，负载两端形成传递的能量越多，负载两端形成的电压就越高。的电压就越高。*VTTD2.4.2 单端反激式单端反激式变压器型开关稳压电源工作过程开关稳压电源工作过程A.能量转换过程VT导通，D截止，T吸收能量；VT截止，D导30B.B.稳压过程稳压过程取样取样电路电路比较比较放大放大基准基准脉冲产脉冲产生与脉生与脉宽控制宽控制VTTD2.4.2 单端反激式单端反激式变压器型开关稳压电源工作过程开关稳压电源工作过程*B.稳压过程取样电路比较放大基准脉冲产生与脉宽控制VTTD2312.4.3 调整输出电压的方法tVitVktVoViTONTVoVkKR L电压电压 变换器变换器VO=Vi=D ViT0NT占空比占空比2.4.3 调整输出电压的方法tVitVktVoViTONT32只要改变开关脉冲的只要改变开关脉冲的“占空比占空比”，就可以，就可以改变输出电压的高低。改变输出电压的高低。在具体电路中，可以使开关脉冲频率固定，在具体电路中，可以使开关脉冲频率固定，改变开关管导通时间而改变输出电压高低。改变开关管导通时间而改变输出电压高低。这种电源称为这种电源称为“调宽式调宽式”开关电源。开关电源。PWMPWM也可以使开关管截止时间不变，只改变开也可以使开关管截止时间不变，只改变开关管导通时间长短而改变输出电压高低。关管导通时间长短而改变输出电压高低。这种电源称为这种电源称为“调频调宽调频调宽”式开关电源。式开关电源。PFMPFM只要改变开关脉冲的“占空比”，就可以改变输出电压的高低。33三、单端反激式开关电源理论计算三、单端反激式开关电源理论计算 3 3.1.1 工作原理分析 1 1、在开关在开关VTVT导通期间：导通期间：2 2、在开关在开关VT截止期间截止期间 图图2-2 单端反激式变换器单端反激式变换器三、单端反激式开关电源理论计算 3.1 工作原理分析 1、343.2 3.2 单端反激式变换器也有三种工作状态单端反激式变换器也有三种工作状态1 1、磁通临界连续的工作情况：、磁通临界连续的工作情况：图图8-16 临界连续状态时的电压电流波形临界连续状态时的电压电流波形3.2 单端反激式变换器也有三种工作状态1、磁通临界连续的工352 2、磁通不连续的工作状态、磁通不连续的工作状态 图8-17 磁通不连续时的工作波形2、磁通不连续的工作状态 图8-17 磁通不连续时的工作363 3、磁通连续的工作状况、磁通连续的工作状况图8-18 磁通连续时的工作波形 3、磁通连续的工作状况图8-18 磁通连续时的工作波形 373.33.3、输入电压、输入电压U Uinin与导通比与导通比t t的对应关系的对应关系 即即：输输入入电电压压最最高高时时，相相应应的的导导通通比比是是最最小小，输输入入电电压压最最低低时时，相相应应的的导导通通比比是是最最大大。因因此此，输输入入电电压压与与导导通通比比是是一一一一对对应应，相相互互制制约约的的。运运行行中中由由于于闭闭环环调调节节，这这种种相相互互适适应应是是自自动动的的。但但必必须须指指出出的的是是，由由控控制制电电路路振振荡荡器器和和PWMPWM门门闩闩电电路路本本身身固固有有的的最最大大最最小小导导通通比比，一一定定要要与与运运行行条条件件所所需需的的最最大最小导通比不矛盾，否则就会失调大最小导通比不矛盾，否则就会失调。3.4 磁通复位问题 为了不致于出现磁路饱和每个开关周期工作磁通都能复位，因此：为了不致于出现磁路饱和每个开关周期工作磁通都能复位，因此：1.1.单端反激式变换器开关变压器的铁芯都带有单端反激式变换器开关变压器的铁芯都带有气隙气隙 。2.2.初级绕组电流实现初级绕组电流实现脉冲限流控制脉冲限流控制。3.3、输入电压Uin与导通比t的对应关系 即：输入电压最383.5 3.5 间歇振荡问题间歇振荡问题 当电网电压升到一定值而又很大的情况下，欲维当电网电压升到一定值而又很大的情况下，欲维持输出电压恒定，则脉宽调制器会使脉宽减少到某一极限持输出电压恒定，则脉宽调制器会使脉宽减少到某一极限值时，不能再减小了，只能以最小导通比运行，但由于导值时，不能再减小了，只能以最小导通比运行，但由于导通时所储存的能量没有释放回路，就有可能出现：通时所储存的能量没有释放回路，就有可能出现：有的振荡周期没有有的振荡周期没有PWMPWM脉冲输出，开关管不导通，有脉冲输出，开关管不导通，有的振荡周期就很宽，变成了作周期性或非周期性的间歇振的振荡周期就很宽，变成了作周期性或非周期性的间歇振荡器，这时输出电压不稳，纹波大，变压器发出刺耳的哨荡器，这时输出电压不稳，纹波大，变压器发出刺耳的哨叫声。克服这一问题的办法之一，也是最安全和可靠的办叫声。克服这一问题的办法之一，也是最安全和可靠的办法是在付绕组中加一固定负载电阻（假负载），以防负载法是在付绕组中加一固定负载电阻（假负载），以防负载开路，这样电网电压最高，负载开路了，由于有固定的假开路，这样电网电压最高，负载开路了，由于有固定的假负载，脉宽保证有一最小的宽度而不致于出现间歇振荡现负载，脉宽保证有一最小的宽度而不致于出现间歇振荡现象。最小的脉宽是由控制电路振荡器的最小导通比决定的。象。最小的脉宽是由控制电路振荡器的最小导通比决定的。3.5 间歇振荡问题 当电网电压升到一定值而又很大的情393.23.2尖峰脉冲防护电路尖峰脉冲防护电路接在开关变压器初级的接在开关变压器初级的R R、C C、D D组成尖峰脉冲防护电组成尖峰脉冲防护电路。路。在开关管截止瞬间，开关在开关管截止瞬间，开关变压器初级电感与分布电变压器初级电感与分布电容之间形成谐振，产生很容之间形成谐振，产生很高的尖峰脉冲，该尖峰脉高的尖峰脉冲，该尖峰脉冲有可能击穿开关管。冲有可能击穿开关管。接入接入R R、C C、D D以后，使这种以后，使这种谐振被谐振被“阻尼阻尼”，避免了，避免了过高尖峰脉冲的出现，保过高尖峰脉冲的出现，保护了开关管。护了开关管。开关管开关管VTR 68C 680P/2KV开关开关 变压器变压器 T+300V D3.2尖峰脉冲防护电路接在开关变压器初级的R、C、D组成尖峰40开关电源结构和基本原理-上课课件41开关电源结构和基本原理-上课课件42