开关电源的基本概念和分析方法

开关电源的基本概念和分析方法,什么是,Power Supply,?,Power Supply,负载,Vin,Iin,Power Supply,是一种提供电力能源的设备，它可以将一种电力能源形式,转换,成另外一种电力能源形式，并能对其进行,控制和调节,。,上级电能形式,Vo,Io,f,phase,f,phase,根据转换的形式分类:,AD/DC,DC/DC,DC/AC,AC/AC,根据转换的方法分类:,线性电源，相控电源，,开关电源,根据调控的效果分类:,稳压,，恒流，调频，调相,根据调控的方法分类:,传统反馈控制,，矢量控制，数位控制,什么是,Switching Mode Power Supply,?,有源开关,(Switch),二极管,(Diode),电感器,(Inductor),电容器,(Capacitor),电阻器,(Resistor),开关电源,(Switching Power),开关工作,主动控制功率流向与流量,单向导电,被动控制功率流向,以电流形式储能,以电压形式储能,不在功率回路中除出现,线性电源,(Linear Power),线性工作,控制功率流量,单向导电,被动控制,滤波等辅助作用,滤波等辅助作用,消耗功率,调节电压,Vin,Vo,Vin,Vo,R,Rx,Vo=Vin*Rx/(R+Rx),Vo=?,L,C,L,C,Vo=Vin*D,D,基本电子元件在开关电源中所起的作用,线性电源,(Linear Power),开关电源,(Switching Power),开关电源的基本元件：,有源开关,(Switch),二极管,(Diode),电感,(Inductor),电容器,(Capacitor),变压器,(Transformer),+u(t)-,i(t),电容的基本方程,1.当一电流流经电容,电容两端的电压逐渐增加,并且电容量越大电流增加越慢.,C,I,+,U,-,2.在稳态工作的开关电源中流经电容的电流对时间的积分为零。,I+,I-,A,B,面积,A=,面积,B,+u(t)-,i(t),电感的基本方程,1.当一电感突然加上一个电压时,其中的电流逐渐增加,并且电感量越大电流增加越慢.,2.当一电感上的电流突然中断,在其两端会产生一瞬时高压,并且电感量越大该电压越高,U,L,I,+,U,-,L,I,电感的伏秒平衡原则：,u(t),i(t),V+,V-,t1,t2,t0,对稳定状态,伏秒平衡原则:,在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值.,V+,V-,A,B,V+,V-,A,B,面积,A=,面积,B,分析开关电源中电容和电感的几条原则：,电容两端的电压不能突变(当电容足够大时,可认为其电压不变),。,电感中的电流不能突变(当电感足够大时,可认为其电流恒定不变),。,流经电容的电流平均值在一个开关周期内为零。,电感两端的伏秒积在一个开关周期内必须平衡。,恒流充电,恒压储能,两个有用的公式：,C:,L:,Buck,电路工作原理分析：,Vin,Vo,D,L,Io,S,S,U,L,I,L,Vin-Vo,-Vo,Io,D,1-D,T,根据,L,的伏秒平衡原则：,(Vin-Vo)*DT=Vo*(1-D)T,Vo=Vin*D,L*,Io=Vo*(1-D)T,I,s,根据,L,在1-,D,时间的基本方程：,Io=Vo*(1-D)T/L,Buck,电路的输入输出关系：,Vo/Vin=D,Boost,电路工作原理分析：,Vin,Vo,L,Io,S,S,U,L,I,L,Vin,Vo-Vin,D,1-D,T,根据,L,的伏秒平衡原则：,Vin*DT=(Vo-Vin)*(1-D)T,Vin*T=(1-D)TVo,I,s,D,Vo=Vin/(1-D),I,D,Io,Vo/Vin=1/(1-D),Boost,电路的输入输出关系：,理想变压器的基本方程：,理想变压器模型：,变压器绕组完全耦合,变压器无气隙且磁芯的导磁率,无穷大,I,1,N,1,N,2,u,1,u,2,I,2,电压基本方程:,N,2,N,1,电流基本方程:,理想变压器个绕组的电压与匝数成正比，且同名端具有相同极性；各绕组电流与匝数乘积之和为零，即电流的变比与匝比成反比，且极性相反（点进点出原则）。,实际变压器的分析方法：,变压器绕组不是完全耦合,I,1,I,1,N,2,N,1,1,2,L,k,L,m,2.变压器有气隙或磁芯的导磁率,有限,I,2,I,m,当副边开路时,I,2,=0,I,m,即为原边电感,L,m,（,副边不存在或开路时的电感）产生的电流，,L,m,称为激磁电感或励磁电感,k,可以认为是由原边串联的电感,L,k,产生,其大小为副边短路时原边所测得的电感量，,L,k,称为变压器的漏感。,实际变压器的等效模型：,理想变压器,漏感,L,k,激磁电感,L,m,变压器的伏秒平衡原则:,在稳态工作过程中变压器绕组两端的正伏秒值等于负伏秒值.,V+,V-,A,B,V+,V-,A,B,面积,A=,面积,B,理想变压器的电路变换关系：,u,1,u,2,I,2,n:1,I,1,R,u,1,I,1,R,u,2,=I,2,R,u,1,=nu,2,I,1,=I,2,/n,R=u,1,/I,1,=(nu,2,)/(I,2,/n)=n,2,R,电压,电流,电阻,电容,电感,功率,副边数值,U,I,R,C,L,P,原边等校值,nU,I/n,n,2,R,n,2,C,n,2,L,P,Ns:Np=n:1,正激变换器（,Forward）,工作原理分析：,Io,(Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D)T,n:n:1,Vin,Vo,L,G,D,S,Vgs,I,L,Vds,D,1-D,T,I,p,V,L,Io,Vin/n-Vo,-Vo,Im,Vin,2Vin,Tr,根据电感的伏秒平衡：,Vo=VinD/n,根据变压器的伏秒平衡：,VinDT=VinTr,Tr=DT,Tr(1-D)T,D50%,I,L,根据电感的储能关系：,L,I,L,=(1-D)T*Vo,I,L,=(1-D)T*Vo/L,I,p,I,L,正激变换器的输入输出关系:,Vo=VinD/n,反激变换器（,Flyback）,工作原理分析：,Io,Vin,Vo,G,D,S,Vgs,I,D,Vds,D,1-D,T,I,p,V,L,Io,Vin,-nVo,Lm,Vin,Vin+nVo,根据变压器的伏秒平衡：,D,I,m,n:1,反激变换器的输入输出关系,：,小 结,开关电源功率电路的五个基本元件：开关,二极管,电容,电感,变压器,开关电源功率电路分析要点,电容的电压不能突变,电感的电流不能突变,流经电容的电流平均值为零,电感两端电压的平均值为零,理想变压器电压与匝数成比且同名同极性,电流与匝数成反比且点进点出,电容恒流充电的公式为 ,电感恒压储能的公式为,变压器与电感的伏秒积必须平衡,