开关电源的基础知识-课件

1.1 开关电源组成及开关电源实例开关电源组成及开关电源实例 开关电源名词解释开关电源名词解释1.2 开关稳压电源的分类开关稳压电源的分类1.3 开关稳压电源的特点开关稳压电源的特点 1.4 开关稳压电源的基本原理开关稳压电源的基本原理1.5 开关电源集成电路产品开关电源集成电路产品1.11.1开关电源组成及开关电源实例开关电源组成及开关电源实例1.20世纪世纪50年代：美国宇航局用于搭载火箭年代：美国宇航局用于搭载火箭2.20世纪世纪80年代：计算机全面实现开关电源化年代：计算机全面实现开关电源化3.20世纪世纪90年代：电子电器、家电广泛应用年代：电子电器、家电广泛应用发展史：发展史：调整器件调整器件储能电路储能电路取取样样基基准准电电压压方方波波发发生生比较比较脉冲调宽脉冲调宽UIUORL一、组成一、组成(脉宽调制型脉宽调制型)：调整管工作在开关状态调整管工作在开关状态1.11.1开关电源组成及开关电源实例开关电源组成及开关电源实例二、工作原理：二、工作原理：（调宽式）（调宽式）1 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，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。小，取决于调整管开关时间的长短。2 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。产生，并经脉冲调宽电路调制后得到。3 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。偏离正常值时，输出误差信号，对开关脉冲宽度进行调制。123例如：输出电压升高，脉宽变窄（即占空比例如：输出电压升高，脉宽变窄（即占空比D减小），调整管开启减小），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。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。反之亦然。1.11.1开关电源组成开关电源组成 及开关电源实例及开关电源实例三、一个具体的开关三、一个具体的开关稳压电源工作原理：稳压电源工作原理：储能电路：储能电路：即续流滤波电路即续流滤波电路储能电路组成：储能电路组成：续流二极管续流二极管储能电感储能电感储能滤波电容储能滤波电容1.11.1开关电源组成开关电源组成 及开关电源实例及开关电源实例四、储能电路：四、储能电路：1、串联型：储能电感串联型：储能电感 和负载相串联和负载相串联、V V饱和导通时，饱和导通时，VDVD截止，截止，U UI I经经V V在在L L中产生电流中产生电流iL向电容向电容C充电。充电。、V V截止截止时，时，L L中的电流不能突变，产生左负中的电流不能突变，产生左负右正右正 的自感电动的自感电动势，势，VDVD导通，续流电流导通，续流电流 iZ 向电容向电容C充电充电，将，将L L中的磁能转换为电中的磁能转换为电 容容C C中的电能中的电能。总之，调整管总之，调整管V导通期间，导通期间，L储存磁能，并给电容储存磁能，并给电容C充电，同时向负载供电；充电，同时向负载供电；调整管调整管V截止期间，截止期间，L释放磁能，转变为释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。的电能，同时向负载供电。根据储能电感的连接方式可分为：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串联型并联型并联独立输出型1.11.1开关电源组成及开关电源实例开关电源组成及开关电源实例2、并、并联型：储能电感联型：储能电感 和负载相并联和负载相并联、V V饱和导通时，饱和导通时，VDVD截止，截止，U UI I经经V V在在L L中产生电流中产生电流iL，L储能。储能。、V V截止截止时，时，L L中的电流不能突变，产生上负中的电流不能突变，产生上负下下正正 的自感电动的自感电动势，势，VDVD导通，续流电流导通，续流电流iZ 向电容向电容C充电充电，将，将L L中的磁能转换为电中的磁能转换为电 容容C C中的电能中的电能。总之，调整总之，调整管管V导通期间，导通期间，L储存磁能，负载由电容储存磁能，负载由电容C供电；供电；调整管调整管V截止期间，截止期间，L释放磁能，转变为释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。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。，为串联型的两倍。1.11.1开关电源组成及开关电源实例开关电源组成及开关电源实例3、并、并联独立输出型：通过续流电感的电磁耦合，实现隔离输出。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）（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应用最多的一种电路形式三极管三极管V可使用功率场效应管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脉冲调宽、脉冲发生及误差信号的产生等可集成化例如TOP221 TOP2271.11.1开关电源组成及开关电源实例开关电源组成及开关电源实例五、三端单片开关集成稳压器及其应用五、三端单片开关集成稳压器及其应用1.TOPSwitch简介：简介：（TOP221 TOP227）2.TOPSwitch工作原理：工作原理：(参考开关电源原理方框图参考开关电源原理方框图)三端器件三端器件DIP8或或SMT8封装封装1.11.1开关电源组成及开关电源实例开关电源组成及开关电源实例3.TOPSwitch的应用电路：的应用电路：并联独立输出型并联独立输出型1.11.1开关电源组成及开关电源实例开关电源组成及开关电源实例五、三端单片开关集成稳压器及其应用五、三端单片开关集成稳压器及其应用工作原理说明：工作原理说明：1、单端型反激式开关电源：开关管导通时储能，开关管截止时，储能释放给负载。单端型反激式开关电源：开关管导通时储能，开关管截止时，储能释放给负载。开关管和脉宽调制采用三端单片集成稳压器开关管和脉宽调制采用三端单片集成稳压器TOP221P，当当221P内开关功率管导内开关功率管导 通时，通时，N1上产生上正下负电压，上产生上正下负电压，N1储存能量。开关功率管截止时，储存能量。开关功率管截止时，N1上产上产 生上生上 负下正电压，负下正电压，N2产生上正下负电压，产生上正下负电压，VD2导通，导通，经经C2、L、C3滤波后提滤波后提 供供5V 输出电压。输出电压。UO1UZUF（LED正向压降）正向压降）2、N3上感应的交流电压经上感应的交流电压经VD3整流、整流、C4滤波，获滤波，获12V电压为电压为IC2中的光中的光 电三极管供电。电三极管供电。稳压原理：稳压原理：例例UO1IF（LED正向电流）正向电流）IC（IC1 控制电流控制电流)D（占空比）（占空比）UO13、保护电路：、保护电路：R3、C1和和VD14、自动启动时间控制：、自动启动时间控制：C50.83S1.1 1.1 开关电源组成开关电源组成 及开关电源实例及开关电源实例五、三端单片开关集成五、三端单片开关集成 稳压器及其应用稳压器及其应用另一种并联独立输出型开关电源另一种并联独立输出型开关电源开关由一个开关由一个功率场效应管功率场效应管构成（构成（兼脉冲发生兼脉冲发生），也称为单端型。），也称为单端型。脉宽调制等由集成电路脉宽调制等由集成电路UC3842 完成完成。开关管导通时储能，开关截止时，储能释放给负载，称为单端型反激式。开关管导通时储能，开关截止时，储能释放给负载，称为单端型反激式。开关管导通时间长，传输电能多，变压器次级绕组输出电压高、电流大。开关管导通时间长，传输电能多，变压器次级绕组输出电压高、电流大。用用PWM控制功率开关管，控制功率开关管，就可以改变次级绕组输出的电压和电流，同时，就可以改变次级绕组输出的电压和电流，同时，使用闭环反馈可以稳定电压、电流或限制功率。使用闭环反馈可以稳定电压、电流或限制功率。单端型反激式电路结构及工作原理：单端型反激式电路结构及工作原理：D1：续流二极管：续流二极管C：滤波电容滤波电容 1.11.1开关电源组成及开关电源实例开关电源组成及开关电源实例 V导通时，电流导通时，电流I通过通过L1，电流逐渐增加，产生变化磁场，电流逐渐增加，产生变化磁场，L1中自感电动中自感电动势上正下负，在次级绕组势上正下负，在次级绕组L2产生感应电压为上负下正，产生感应电压为上负下正，D1截止截止L1.储能储能 V V截止时截止时L1L1中电流不能突变，产生自感电动势下正上负，经电磁耦合，在中电流不能突变，产生自感电动势下正上负，经电磁耦合，在L2L2中产生感应电压为上正下负，中产生感应电压为上正下负，D1D1导通，感生电流从导通，感生电流从D1D1、RLRL构成闭合回路，构成闭合回路，L1L1储能得到释放。储能得到释放。另一种并联独立输出型开关电源另一种并联独立输出型开关电源1.11.1开关电源组成及开关电源实例开关电源组成及开关电源实例脉宽调制集成电路脉宽调制集成电路UC3842简介简介3 3脚为最大电流限制，调整输出最大电流脚为最大电流限制，调整输出最大电流7 7脚为电源正极脚为电源正极5 5脚为电源负极脚为电源负极6 6脚为脉冲输出直接驱动场效应管脚为脉冲输出直接驱动场效应管2 2、4 4脚为电压反馈，脚为电压反馈，可调节输出电压可调节输出电压4 4、8 8脚外接振荡电阻和振荡电容脚外接振荡电阻和振荡电容另一种并联独立输出型开关电源另一种并联独立输出型开关电源1.11.1开关电源组成及开关电源实例开关电源组成及开关电源实例单端反激式开关电源的应用单端反激式开关电源的应用智能型充电器（智能型充电器（36V36V）1.11.1开关电源组成及开关电源实例开关电源组成及开关电源实例1.11.1开关电源组成及开关电源实例开关电源组成及开关电源实例六、开关电源名词解释六、开关电源名词解释 P.1-P.71.线性稳压电源：线性稳压电源：效率仅为效率仅为35%45%2.线性稳压器线性稳压器3.开关电源：开关电源：SMPS 效率为效率为75%90%4.单片开关电源：单片开关电源：5.DC/DC变换器：变换器：6.开关稳压器：开关稳压器：7.单片开关电源：单片开关电源：8.电压调整率电压调整率Sv：输入电压在规定范围内变化时，输出电压的变化率：输入电压在规定范围内变化时，输出电压的变化率9.负载调整率负载调整率(电流调整率电流调整率)SI：负载电流变化时，使输出电压保持：负载电流变化时，使输出电压保持 恒定的能力。恒定的能力。10.输出电压精度：输出电压精度：11.电源效率电源效率：开关电源输出功率与输入功率的比值：开关电源输出功率与输入功率的比值12.待机电流：待机电流：13.占空比占空比D：1.11.1开关电源组成及开关电源实例开关电源组成及开关电源实例六、开关电源名词解释六、开关电源名词解释 P.1-P.714.结温：结温：15.最高结温：最高结温：16.过热保护：过热保护：17.过压保护：过压保护：18.欠压保护：欠压保护：19.过流保护：过流保护：20.电池极性反接保护：电池极性反接保护：21.瞬态响应：瞬态响应：1.11.1开关电源组成及开关电源实例开关电源组成及开关电源实例六、开关电源名词解释六、开关电源名词解释 P.1-P.722.电源抑制比电源抑制比(纹波抑制比纹波抑制比)：23.输出噪声电压：输出噪声电压：24.电磁干扰滤波器电磁干扰滤波器(EMI)：25.散热器：散热器：(1).滤除从交流电网引入的外部电磁干扰滤除从交流电网引入的外部电磁干扰(2).避免开关电源本身向外部发出噪避免开关电源本身向外部发出噪 声干扰声干扰作作 业业1.1 画出调宽式开关电源的方框图，并简要其工作原理。画出调宽式开关电源的方框图，并简要其工作原理。1.2 什么叫电压调整率、负载调整率和电源效率？什么叫电压调整率、负载调整率和电源效率？1.2 1.2 稳压电源的分类稳压电源的分类一、集成稳压电源的分类一、集成稳压电源的分类1.2 1.2 稳压电源的分类稳压电源的分类从电路原理划分，稳压器可分为：从电路原理划分，稳压器可分为：(1).串联调整式线性性稳压器串联调整式线性性稳压器(2).并联调整式线性性稳压器并联调整式线性性稳压器(3).开关式稳压器开关式稳压器1.2 1.2 稳压电源的分类稳压电源的分类1.按激励方式分类按激励方式分类二、开关电源的分类二、开关电源的分类2.按控制原理按控制原理(调制方式调制方式)分类分类(1)脉宽调制型脉宽调制型(PDM)开关电源开关电源(2)脉频调制型脉频调制型(PFM)开关电源开关电源(3)混合型开关电源混合型开关电源1.2 1.2 稳压电源的分类稳压电源的分类二、开关电源的分类二、开关电源的分类(4)脉冲密度调制型脉冲密度调制型(PDM)开关电源开关电源脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压。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按功率开关管的类型分类(1)晶体管型开关电源晶体管型开关电源(GTR)(2)晶闸管型开关电源晶闸管型开关电源(3)MOSFET型开关电源型开关电源1.2 1.2 稳压电源的分类稳压电源的分类(4)IGBT型开关电源型开关电源二、开关电源的分类二、开关电源的分类(1)串联型：串联型：储能电感和负载相串联储能电感和负载相串联 V V饱和导通时，饱和导通时，VDVD截止，截止，U UI I经经V V在在L L中产生电流中产生电流iL向电容向电容C充电。充电。V V截止截止时，时，L L中的电流不能突变，产生左负中的电流不能突变，产生左负右正右正 的自感电动的自感电动势，势，VDVD导通，续流电流导通，续流电流 iZ 向电容向电容C充电充电，将，将L L中的磁能转换为电中的磁能转换为电 容容C C中的电能中的电能。总之，调整管总之，调整管V导通期间，导通期间，L储存磁能，并给电容储存磁能，并给电容C充电，同时向负载供电；充电，同时向负载供电；调整管调整管V截止期间，截止期间，L释放磁能，转变为释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。的电能，同时向负载供电。4.按储能电感的连接方式分类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串联型并联型并联独立输出型1.2 1.2 稳压电源的分类稳压电源的分类二、开关电源的分类二、开关电源的分类(2)、并、并联型：联型：储能电感和负载相并联储能电感和负载相并联 V V饱和导通时，饱和导通时，VDVD截止，截止，U UI I经经V V在在L L中产生电流中产生电流iL，L储能。储能。V V截止截止时，时，L L中的电流不能突变，产生上负中的电流不能突变，产生上负下下正正 的自感电动的自感电动势，势，VDVD导通，续流电流导通，续流电流iZ 向电容向电容C充电充电，将，将L L中的磁能转换为电中的磁能转换为电 容容C C中的电能中的电能。总之，调整总之，调整管管V导通期间，导通期间，L储存磁能，负载由电容储存磁能，负载由电容C供电；供电；调整管调整管V截止期间，截止期间，L释放磁能，转变为释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。的电能，同时向负载供电。4.按储能电感的连接方式分类按储能电感的连接方式分类1.2 1.2 稳压电源的分类稳压电源的分类二、开关电源的分类二、开关电源的分类(3)并并联独立输出型：通过续流电感的电磁耦合，实现隔离输出。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）（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应用最多的一种电路形式三极管三极管V可使用功率场效应管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脉冲调宽、脉冲发生及误差信号的产生等可集成化例如TOP221 TOP2274.按储能电感的连接方式分类按储能电感的连接方式分类1.2 1.2 稳压电源的分类稳压电源的分类二、开关电源的分类二、开关电源的分类5.按功率开关管的连接方式分类按功率开关管的连接方式分类(1)单端正激式单端正激式(2)单端反激式单端反激式(3)推挽式推挽式(4)半桥式半桥式(5)全桥式全桥式(1)单端正激式单端正激式(2)单端反激式单端反激式1.2 1.2 稳压电源的分类稳压电源的分类二、开关电源的分类二、开关电源的分类5.按功率开关管的连接方式分类按功率开关管的连接方式分类(3)推挽式推挽式1.2 1.2 稳压电源的分类稳压电源的分类二、开关电源的分类二、开关电源的分类(1)单端正激式单端正激式(2)单端反激式单端反激式(3)推挽式推挽式(4)半桥式半桥式(5)全桥式全桥式5.按功率开关管的连接方式分类按功率开关管的连接方式分类(1)单端正激式单端正激式(2)单端反激式单端反激式(3)推挽式推挽式(4)全桥式全桥式(5)半桥式半桥式(4)全桥式全桥式1.2 1.2 稳压电源的分类稳压电源的分类二、开关电源的分类二、开关电源的分类5.按功率开关管的连接方式分类按功率开关管的连接方式分类(5)半桥式半桥式1.2 1.2 稳压电源的分类稳压电源的分类二、开关电源的分类二、开关电源的分类(1)单端正激式单端正激式(2)单端反激式单端反激式(3)推挽式推挽式(4)半桥式半桥式(5)全桥式全桥式6.按输入和输出电压的大小分类按输入和输出电压的大小分类(1)升压式开关电源升压式开关电源(2)降压式开关电源降压式开关电源(3)输出极性反转式开关电源输出极性反转式开关电源1.2 1.2 稳压电源的分类稳压电源的分类二、开关电源的分类二、开关电源的分类7.按工作方式分类按工作方式分类(1)可控硅整流型开关电源可控硅整流型开关电源(2)斩波型开关电源斩波型开关电源(3)隔离型开关电源隔离型开关电源8.按电路结构分类按电路结构分类(1)分立式开关电源分立式开关电源(2)集成式开关电源集成式开关电源1.2 1.2 稳压电源的分类稳压电源的分类二、开关电源的分类二、开关电源的分类1.3 1.3 开关电源与线性电源的比较开关电源与线性电源的比较 一、开关稳压电源的特点一、开关稳压电源的特点 1.开关稳压电源的优点开关稳压电源的优点(1)功耗小，转换效率高功耗小，转换效率高(2)体积小，重量轻体积小，重量轻(3)稳压范围宽稳压范围宽(4)滤波电容小滤波电容小(5)电路形式灵活多样电路形式灵活多样2.开关稳压电源的缺点开关稳压电源的缺点(1)电压调整率和负载调整率较差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存在较严重的开关噪声和干扰(3)电路复杂，不便于维修电路复杂，不便于维修1.3 1.3 开关电源与线性电源的比较开关电源与线性电源的比较 二、开关电源与线性电源的比较二、开关电源与线性电源的比较 P.14 作作 业业1.3 按输入和输出电压的大小划分，开关电源有哪几类？按输入和输出电压的大小划分，开关电源有哪几类？1.4 开关电源有哪些优缺点？开关电源有哪些优缺点？1.4 1.4 开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原理 一、开关电源的工作方式一、开关电源的工作方式(调制方式调制方式)(1)脉宽调制型脉宽调制型(PWM)开关电源开关电源(2)脉频调制型脉频调制型(PFM)开关电源开关电源(3)混合调制型混合调制型(PWM+PFM)开关电源开关电源(4)脉冲密度调制型脉冲密度调制型(PDM)开关电源开关电源脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压。脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压。1.4 1.4 开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原理 二、脉宽调制控制器的基本原理二、脉宽调制控制器的基本原理1.降压型开关稳压电源的降压型开关稳压电源的PWM控制控制(1).开关管开关管V的导通期内，储能电感中的导通期内，储能电感中 电流的最大变化量为电流的最大变化量为(2).开关管开关管V的截止期内，储能电感中的截止期内，储能电感中 电流的最大变化量为电流的最大变化量为(3).开关管开关管V导通期与截止期能量转换的条件：导通期与截止期能量转换的条件：2.升压型开关稳压电源的升压型开关稳压电源的PWM控制控制(1).开关管开关管V的导通期内，储能电感中的导通期内，储能电感中 电流的变化量为电流的变化量为(2).开关管开关管V的截止期内，储能电感中的截止期内，储能电感中 电流的变化量为电流的变化量为(3).开关管开关管V导通期与截止期能量转换的条件：导通期与截止期能量转换的条件：1.4 1.4 开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原理 二、脉宽调制控制器的基本原理二、脉宽调制控制器的基本原理(1).开关管开关管V的导通期内，电感储存的能量：的导通期内，电感储存的能量：(2).开关管开关管V的截止期内，电感中的能量传给的截止期内，电感中的能量传给 负载：负载：3.极性反转型开关稳压电源的极性反转型开关稳压电源的PWM控制控制结论：结论：.U.UO O与与U Ui i极性相反极性相反 .改变改变D D可改变可改变U UO O，稳定，稳定D可稳定可稳定UO.D.D1-D1-D时，即时，即D D0.50.5时，时，U UO OU Ui i D D1-D1-D时，即时，即D D0.50.5时，时，U UO OU Ui i1.4 1.4 开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原理 二、脉宽调制控制器的基本原理二、脉宽调制控制器的基本原理1.4 1.4 开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原理 降压、升压、极性反转式开关电源电路结构的比较降压、升压、极性反转式开关电源电路结构的比较1.4 1.4 开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原理 二、脉宽调制控制器的基本原理二、脉宽调制控制器的基本原理4.并联独立型开关稳压电源的并联独立型开关稳压电源的PWM控制控制 P.171.4 1.4 开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原理 二、脉宽调制控制器的基本原理二、脉宽调制控制器的基本原理4.并联独立型开关稳压电源的并联独立型开关稳压电源的PWM控制控制 P.17(1).改变改变D，就可改变，就可改变UO(2).可实现自动稳压可实现自动稳压1.4 1.4 开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原理 三、单片开关电源的构成与基本原理三、单片开关电源的构成与基本原理 P.18P.191.5 开关电源集成电路产品开关电源集成电路产品一、一、PWM控制器集成电路产品控制器集成电路产品 P.201.5 开关电源集成电路产品开关电源集成电路产品二、单片开关电源集成电路产品二、单片开关电源集成电路产品 P.211.5 开关电源集成电路产品开关电源集成电路产品三、开关稳压器集成电路产品三、开关稳压器集成电路产品 P.22