高频开关电源的工作原理

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,高频开关电源工作原理,作者：湖南常德分公司传动中心郝书韬,1,、开关电源的概念,2,、开关电源的,组成,3,、,开关电源的常用电路类型与原理,4,、通信,用,开关电源的,基本,要求,目录,1,、开关电源的概念,开关电源是一个能量转换器，作为电源的功率器件工作在开关状态（开关管、电感、高频变压器、电容、整流二极管）开或关状态，其特点是频率高、功耗低、工作效率高、体积小、输入范围宽,(SwitchingRegulator-A switching circuit that operates in a closed loopsystem to regulate the power supply output),通过闭环系统调节，使输出电压保持稳定,。,一、开关电源的概念,2,、开关电源和线性电源、相控电源的比较,线性电源：线性电源的主要特点就是功率器件工作在放大状态，具有稳定度高、可靠性好、成本低等优点，但是效率低、笨重和体积大的缺点。只能做中、小功率的电源。,相控电源：是通过控制可控硅的导通角来达到稳压作用，功率因数比较低、效率低、笨重、体积大。,3,、开关电源（,swiching,mode power supply,）,开关电源因为体积小、效率高已经充斥了我们的日常生活，从移动电话的充电器，到我们的彩电、音像供电电源；从路边的霓虹灯，到车站的电子显示牌，这些都用到了开关电源；从我们的台式计算机，到便携笔记本电脑等等，这些都离不开开关电源。,当然开关电源的输入并不限于是交流（,AC/DC,电源），还可以是直流（,DC/DC,电源和,DC/AC,电源）。开关电源交流输入电压范围比较宽，可以从几十伏到上千伏。就目前而言，开关电源的控制方式有两种：脉宽调制和频率调制（,Pulse Frequency Modulation,PFM,）。脉宽调制（,Pulse Width Modulation,PWM,）方式比较常见。,4,、开关电源的主要指标,无故障运行间隔时间,这是开关电源最重要的指标，衡量了开关电源的工作可靠性。一般说是开关电源平均无故障运行间隔时间越长约好。,工作效率,输出功率与输出功率的比值就是开关电源的工作效率，衡量开关电源在变换过程中所产生的损耗，对于目前我们的开关电源工作效率在,85%,以上。,电压调整率,指在负载保持不变的情况下，输出电压变化与单位输出电源和输入电压变化量的百分比。,Sv,（,V0V0 Vi,）。该参数表示了电的稳压特性。,4,、开关电源的主要指标,负载调整率指的是输出负载变化时，引起的输出电压的变化。,SL,（,V0V0,）。,输出纹波（峰峰值）这个指标衡量了开关电源的电磁兼容性，纹波越小越好。一般小于输出电压的百分之三毫伏，例如对于,53.5V,电压来说，输出纹波就位,150,毫伏。,、开关电源的一些名词概念,有功功率（,Acitive power):,电能转换成其他能量所消耗的功率，单位为瓦（,W,），用,P,表示。,无功功率,(Unactive power):,没有消耗功率，只是能量在电感和电容之间转换的功率部分，单位为,VA,，用,Q,表示。,视在功率,(Aparent power):,指的是交流输入功耗，也叫表观功率，其单位是,VA,，用,S,表示。,S,2,=P,2,+Q,2,功率因数,(Power factor):,有功功率与是在功率的比值，它表示交流电转化成其他能量的能力。功率因数,P/S,。功率因数校正后为,0.9999,。,1,、输入电路,D,级防雷电路、交流输入的,EMI,电路、输入整流器滤波电路、输入缓启动电路、,APFC,电路。,D,级防雷是吸收雷电残压，保护开关电源不受损坏，一般是由压敏电阻和放电管组合使用；交流输入的,EMI,电路一般是用来抑制共模噪声干扰的，是由共模电感、,X,、,Y,电容组成，将噪声吸收到大地（机壳）；输入缓启动电路如下图所示,由于电容电压不能突变，所以在刚接通电源的瞬间，电容的充电电流比较大，需要采取措施进行限制，否则电源设备无法供电。,二、开关电源的电路组成,APFC,电路，是有源功率因数校正电路,。它是一个升压电路，电路结构采用的是,BOOT,电路，输出电压一般规定在,410VDC,左右。由于开关电源所采用的器件全部工作在非线性状态，电路上有电感和电容，所以会造成交流输入电压和电流的相位存在相位差，导致交流电不能全部做功，一部分在电感和电容中转换。另外交流电压和电流波形出现畸变，造成谐波分量增加，干扰增加。功率因数校正电路就是将电压和电流相位强制到一致，同时对波形给予修正。,开关电源,APFC,电路,输入缓启动电路原理图,2,、功率变换电路,将,PFC,输出的,410VDC,高压进行变换，变成高频高脉冲电压，然后驱动高频变压器，变压器将高压脉冲电压变成低压脉冲电压。该部分的主要器件是开关功率器件和高频变压器。,3,、输出电路,输出电路主要是全波整流电路和滤波电路、输出,EMI,电路。全波整流器电路所用的整流二极管不是普通的，一般用采用快恢复二极管或肖特基；滤波电容用的是高频低阻电容。,4,、控制电路,控制电路是开关电源电路的核心之一。,PWM,控制芯片决定开关电源的工作模式，该芯片产生两路相位相反的驱动信号来驱动功率开关器件工作，通过脉冲宽度来控制开关管的导通时间，从而调节能量传递的大小。开关电源的控制电路是一个闭环控制系统，所以能及时保证输出电压稳定不变，闭环有两个环来调节，内环是电流环调节，确保开关电源的动态响应时间，速度比较快。外环是电压调节环，确保电压的稳定，速度相对较慢。输出过压保护、均流电路、过热保护、限流保护、短路保护以及交流输入过欠压保护是开关电源的辅助电路。,控制电路图,1,、单端反激电路,反激式开关电源的核心部分是反激式直流,直流变换器，基本电路如下图所示：单端反激电路一般用在小功率电源和开关电源的辅助电源上。其占空比可达,100,，控制芯片一般用的是,UC3842,和,UC3843,。,三、开关电源的常用电路,类型,我们一般按照,DC/DC,变换的方式来划分开关电源的电路类型，包括单端正激电路、单端反激电路、推挽电路、半桥电路和全桥电路。下面我们对每个电路的情况给予简单的描述。,反激式电路原理图,2,、单端正激电路,正激式开关电源的核心部分是正激式直流,直流变换器，基本电路如下图所示。正激电路变压器的利用率比较高，工作时的占空比小于,50,，工作频率是振荡频率的一半，所使用的控制芯片一般是,UC3844,和,UC3845,。可以做中型功率的开关电源，使用双管正激电路，其功率可以做得更高一点。虽然功率变压器不像反激式电路要开气隙，但是一般要在变压器中加去磁绕组，在关断时将付边的能量反射到交流输入上。,正激电路原理图（单管正激）,正激电路原理图（双管正激）,3,、推挽电路,推挽式功率变换电路原理图，如图下图所示。推挽电路要求输入电压低，两个开关管的耐压要求是输入电压的,2,倍，所以一般用在,DC/DC,电源中。推挽电路一般用在中型功率电路上，变压器双向激励，变压器效率高,但是变压器容易出现磁偏现象。它的功率比正激电路稍微大一点，但是存在开关管“直通”的危险。工作时两个功率开关管,V1,、,V2,交替导通或截止。当,V1,和,V2,分别导通时，,W1,和,W2,有相应的电流流过，这时变换器次级将有功率输出。当,V1,导通，,V2,截止时，,V2,集,射两端承受的电压为,2,倍的,Uin,，而在,V1,、,V2,都处于截止时它们所承受的电压为输入直流电压,Uin,。,推挽电路原理图,4,、半桥电路,半桥电路有两个功率开关管，通过两个串连的电容器来构成工作回路，这两个功率管交替导通驱动高频变压器进行能量传递，变压器是双向激励的。半桥电路同样存在变压器磁偏现象，会出现“直通”问题。同样的变压器的情况，半桥的输出功率大于推挽电路。如下图所示：,C1,和,C2,的作用主要是实现静态时分压，使,Ua=1/2Uin,。当,V1,导通，,V2,截止时，输入电流方向为图中虚线方向，向,C2,充电；当,V1,截止，,V2,导通时，输入电流方向为图中实线方向，向,C1,充电。当,V1,导通，,V2,截止时，,V2,两端承受的电压为输入直流电压,Uin,。,半桥型开关电源原理图,5,、全桥电路,全桥电路是大功率电源常用的电路，有四个开关管组成两个桥臂。两个桥臂分别导通激励高频功率变压器，进行能量变换，但是存在开关管“直通”的危险。全桥电路原理图如下图所示。由四个功率开关器件,V1V4,组成，变压器,T,连接在四桥臂中间，相对的两只功率开关器件,V1,、,V4,和,V2,、,V3,分别交替导通或截止，使变压器,T,的次级有功率输出。当功率开关器件,V1,、,V4,导通时，另一对,V2,、,V3,则截止，这时,V2,和,V3,两端承受的电压为输入电压,Uin,在功率开关器件关断过程中产生的尖峰电压被二极管,V5V8,箝位于输入电压,Uin,。,全桥型电路原理图,6,、几种类型电路比较,1,、开关电源的均流,一套开关电源系统至少需要两个开关电源模块并联工作，大的系统甚至多达数十个电源模块并联工作，这就要求并联工作的电源模块能够共同平均分担负载电流，即均分负载电流。均分负载电流的作用是使系统中的每个模块有效地输出功率，使系统中各模块处于最佳工作状态，以保证电源系统的稳定、可靠、高效地工作。负载均分性能一般以不平衡度指标来衡量，不平衡度越小，其均分性能越好，即各模块实际输出电流值距系统要求值的偏离点和离散性越小。国家有关标准和信息产业部入网要求其均分负载不平衡度,5%,输出额定电流值。,四、通信用开关电源的基本要求,2,、均流在组合开关电源柜中的体现,对于组合电源来说，一般要配置,2,台以上的整流器，如果均流效果好，那么每个整流器的输出电流基本,“相近”,。但是并不是理想状态下的“非常均匀”，当负载比较小的情况下（负载电流为,2A,左右，平均状态下每个整流器的输出不超过,1A,），有可能某一个整流器输出电流,2A,，而其他整流器的输出电流为零，这并不是电源系统不均流，而是在小电流情况下是否均流对组合电源系统来说意义并不是很大。均流的真正意义在于在整流器输出电流比较大的情况下（,30,以上负载），各个整流器的输出电流在小于,5%,范围之内，保证整流器的可靠性。这个指标是以单个整流器的额定输出电流为依据的，详细情况请看下面的例子。,3,、组合开关电源柜均流说明举例,例如有一个通信基站用的是一套,ZXDU300 V2.0,电源设备，配置了,5,个整流器，负载使用的电流是,30A,。假如,5,个整流器的输出电流分别是：,7.5A,、,6A,、,6A,、,7A,、,4.5A,，那么按照标准情况该组合电源的整流器均流是符合条件的，即电流最大和最小之间的相差不超过,30A10,3A,（最大是,7.5A,，最小是,4.5A,），偏离中心值,6A,也符合要求。假如这个基站设备的电流是,3A,，那么有可能出现某一个整流器的输出电流,3A,，而其他整流器的输出电流很小，几乎为零。这种现象是正常现象，按照标准计算符合要求。另外对这么小的电流，均流已经失去意义。,4,、开关电源的保护功能,对于通信设备使用的开关电源来说，需要有以下几个保护：输出过压保护、过热保护、输出短路保护、限流功能、输入过欠压保护。,输出过压保护,开关电源的输出电压一般不会超出正常范围，但是一旦超出正常范围，那么可能会对通信设备造成损坏。所以开关电源整流器设有输出过压保护，一旦输出电压超过设定值，那么开关电源会将输出闭锁。此闭锁是不能自恢复的，需要断电重启才可以。,输入过欠压保护,输入过欠压保护指的是在交流电压过高或过低时关闭电源输出，此关闭是可以自动恢复的，一旦条件满足，开关电源会自动开始工作的。过压保护是避免在输入电压高的时候，因功率开关管工作，而引起其损坏；欠压保护是避免在输入电压低的时候，因输入电流过大，而