pwm_开关电源原理

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1、PWM 开关电源 第 1 章绪论 随着全球对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降 低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽 然电路结构简单、工作可靠，但它存在着效率低（只有 40%50%）、体积大、铜 铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。为了提高效率，人们研制出了开 关式稳压电源，它的效率可达 85%以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精 度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。正因为如此，开关 式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中。 1.1 课题背景 1.1.1 开关电源的发展历史 开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体

2、管线性稳压电源（以下简称线 性电源）已有 30 多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线 性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后，脉宽调制（PWM）控制技术有 了发展，用以控制开关变换器，得到 PWM 开关电源，它的特点是用 20kHz 脉冲 频率或脉冲宽度调制PWM 开关电源效率可达6570，而线性电源的效率 只有 3040。在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。线性 电源工作于工频，因此用工作频率为 20kHZ 的 PWM 开关电源替代，可大幅度 节约能源，在电源技术发展史上誉为 20kHZ 革命。随着 ULSI 芯片尺寸不断减 小，电源的尺寸与微处理器相比要大

3、得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电 池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电 源。因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。 此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。 1.1.2 我国开关电源历程 从我国开关电源的发展过程可以了解国际开关电源发展的一个侧面，虽然一 般说来，我国技术发展水平与国际先进水平平均有 510 年差距。 70 年代起， 我同在黑白电视机，中小型计算机中开始应用 5V，20-200A，20kHZ ACDC 开关 1 PWM 开关电源 电源。80 年代进入大规模生产和广泛应用阶段，并开发研究 0.55M

4、Hz 准谐振 型软开关电源。80 年代中，我国通信（如程注交换机）电源在 ACDC 及 DCDC 开关电源应用领域中所占比重还比较低。80 年代末我国通信电源大规模更新换 代，传统的铁磁稳压-整流电源和晶闸管被相控稳压电源为大功率（48V， 6kw） ACDC 开关电源（通信系统中常称为开关型整流器 SMR）所取代；并开始在办公 室自动化设备中得到应用。工业应用方面，在锅炉火焰控制，继电保护，激光， 彩色 TV，离子管灯丝发射电流调节，离子注射机，卤钨灯控制等系统中均有应 用。 90 年代我国又研制开发了一批新型专用开关电源，典型例子如下： 1.卫 星开关电源。东方红三号通信卫星、风云一号、二

5、号气象卫星均应用了开关电源。 特点是：多路输出，不可维修性，要求长期不改变性能，设置冗余模块，可靠性 高，EMC 满足空间环境条件，高效，轻小。 2.远程火箭控制系统的 DCDC 开关 电源，要求发射过程中高度可靠。 3. 1000kW 牵引变流器 4500V1200A GTO 门 控 250W 开关电源。 4. 40kW 固体脉冲激光器的软开关电源。用 4 台 10kw 全桥 多谐振 ZVS 变换器并联。 5.焊机用双 IGBT 管正激车电压转换脉定调制（ZVT PWM）软开关电源。输出 20kW， 500A，开关频率 40kHZ，效率 92。特点是 负载大范围变化频繁，工作环境恶劣。要求电

6、源冲击电流小，动态特性好，负载 不影响软开关性质。 6.变电所在流操作系统开关电源。供继电保护和自动装置 及蓄电池充电用。代替晶闸管调压系统，输出 10A，180286V。主开关管用 IGBT 或功率 MOSFET。 7.单相和三相高功率因数整流器（有源功率同数校正器）。 可 以看出 2030 年中，我国开关电源的应用领域和技术性能有很大进展，这与国 家基础工业和国力增强有密切关系，也和国际先进开关电源技术影响有关。充分 显示了中国电源技术人员的聪明才智和艰苦奋斗的创业精神。 90 年代，中小型 （500W 以下）ACDC 和 DC-DC 开关电源的特点是：高频化（开关频率达 300 400k

7、HZ）以达到高功率密度，体小量轻；力求高效和高可靠；低成本；低输出电 压（3V）；AC 输入端高功率同数等。在今后 5 年内仍然将沿这些方向发展。 主 要技术标志 从技术上看，几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的主 要标志是： 1.新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能。 如功率 MOSFET 和 IGBT 已完全可代替功率晶体管和晶闸管，从而使中小型开关电 源下作频率可达到 400kHZ（ACDC）和 1MHZ（DC-DC）的水平。超快恢复功率二 2 PWM 开关电源 极管，MOSFE 同步整流技术的开发也为高效低电压输出（例如 3V）开关电源的研 制有了可能。现正

8、在探索研制耐高温的高性能碳化砖功率来导体器件。 2.软开 关技术使高效率高频开关变换器的实现有了可能。 PWM 开关电源按硬开关模式 工作（开关过程中电压卜降上升和电流上升下降波形有交叠），因而开关 损耗大。开关电源高频化可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了（功耗与频率 成正比）。为此必须研究开关电比电流波形个交更的技术，即所谓零电压（ZVS） 本电流（ZCS）开关技术，或称软开关技术（相对于 PWM 硬开关技术而言）， 小功率软开关电源效率可提高到 8085。 70 年代谐振开关电源奠定了软开关 技术的基础。以后新的软开关技术不断涌现，如准谐振（80 年代中）全桥移相 ZVSPWM，恒频 Z

9、VSPWMZCSPWM（80 年代末）ZVS PWM 有源钳位；ZVT PWMZCT-PWM（90 年代初）全桥移相 ZVZCSPWM（90 年代中）等。我国已将 最新软开关技术应用于 6KW 通信电源中，效率达 93%。 3.控制技术研究的进展。 如电流型控制及多环控制，电荷控制，一周期控制，功率因数控制，DSP 控制； 及相应专用集成控制芯片的研制成功等，使开关电源动态性能有很大提高，电路 也大幅度简化。 4.有源功率因校正技术（APFC）的开发，提高了 ACDC 开关电 源功率因数。 由于输入端有整流电容元件，ACDC 开关电源及一大类整流 电源供电的电子设备（如逆变器，UPS）等的电网

10、测功率因数仅为 0.65，80 年代 用 APFC 技术后可提高到 0.95 0.99，既治理了电网的谐波“污染”，又提高 了开关电源的整体效率。单相 APFC 是 DC DC 开关变换器拓扑和功率因数控制 技术的具体应用，而三相 APFC 则是三相 PWM 整流开关拓扑和控制技术的结合。 5. 磁性元件新型磁材料和新型变压器的开发。 如集成磁路，平面型磁芯，超薄型 （Low profile）变压器；以及新型变压器如压电式，无磁芯印制电路（PCB）变 压器等，使开关电源的尺寸重量都可减少许多。 6.新型电容器和 EMI 滤波器技 术的进步，使开关电源小型化并提高了 EMC 性能。 7.微处理器

11、监控和开关电源 系统内部通信技术的应用，提高了电源系统的可靠性。 90 年代末又提出了新型 开关电源的研制开发，这也是新世纪开关电源的发展远景。如：用一级 ACDC 开关变换器实现稳压或稳流，并具有功率因数校正功能，称为单管单级或 4S 高 功率因数 ACDC 开关变换器；输出 1V， 50A 的低电压大电流 DCDC 变换器， 又称电压调节模块 VRM，以适应下一代超快速微处理器供电的需求；多通道 3 PWM 开关电源 （MultiChannel 或 MultiPhase）DCDC 开关变换器；网络服务器（Server） 的开关电源可携带式电子设备的高频开关电源等。 1.1.3 开关电源技术

12、发展动向 1. 小型、薄型、轻量化 由于电源轻、小、薄的关键使高频化，因此，国外目前都在致力于同步开发 新型元器件，特别使改善二次整流管的损耗、变压器及电容小型化，并同时采用 表面安装（SMT）技术在电路板两面布置元器件以确保开关电源的轻、小、薄。 2. 高效率 开关电源高频化使传统的 PWM 开关（硬开关）功耗加大，效率降低，噪 声也增大了，达不到高频、高效的预期效益，因此，实现零电压导通、零电流关 断的软开关技术将成为开关电源未来的主流。采用软开关技术可以使效率达到 8588。 3. 高可靠性 可用模块电源使用的元器件比线性工作电源多数十倍，因此，降低了可靠性。 追求寿命的延长要从设计方面

13、着手，而不是从使用方面着想。 4. 模块化 可用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成 N+1 余电源系统，从而提高 可靠性；可以做成插入式，实现热交换，从而在运行中出现故障时能快速更换模 块插件；多台模块并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后， 根据发展需要不断扩大容量。 5. 低噪声 开关电源又一缺点时噪声大，单纯追求电源高频化，噪声也随之增大。采用 部分谐振变换技术，在原理上说明可以高频化，又可以低噪声。但谐振变换技术 也有其难点，如果难准确地控制开关频率、谐振时增大了 元器件负荷、场效应 管的寄生电容易引起短路损耗元器件热应力转向开关管等问题难以解决。 6. 抗电磁干扰

14、（EMI） 4 PWM 开关电源 当开关电源在高频下工作时，其噪声通过电源线产生对其他电子设备干扰，世界 各国已有抗 EMI 的规范或标准。 7. 电源系统的管理和控制 应用微处理器或微机集中控制和管理，可以及时反映开关电源环境的各种 变化。中央处理单元实现智能控制，可自动诊断故障，减少维护工作量，确保正 常运行。 8. 计算机辅助设计（CAD） 利用计算机对开关电源进行 CAD 设计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济 的设计方法。 9. 产品更新加快 目前开关电源产品要求输入电压通用（使用世界各国电网电压规模），输出 电压范围扩大（入计算机和工作站需要增加 3.3V 这一挡电压，程控需要增

15、加直 流 150V 电压），输入端公里因数进一步提高，具有安全、过压保护等功能。 5 PWM 开关电源 第 2 章PWM 开关电源的基本原理 2.1 PWM 开关电源的基本原理 开关电源的工作过程相当容易理解。在线性电源中，让功率晶体管工作在线 性模式，与线性电源不同的是，PWM 开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断 状态。在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏安乘积总是很小的（在导通时， 电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）。功率器件上的伏安乘积就是功率 半导体器件上所产生的损耗。 与线性电源相比，PWM 开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把 输入的直流电压斩成幅值等于输入电压

16、幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比 是开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过 变压器来生高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组 数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。 控制器的主要目的式保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很 类似。也就是说控制器的功能模块电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调 节器相同。它们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管 之前要经过一个电压脉冲转换单元。 开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部 分的布置差别很少，但是工作过程相差很大，在特定的场合下个有优点。 正激式变换器的优点式：输出电压的纹波峰峰值比升压式变换器低，同时可 以输出比较高的功率，正激式变换器可以提供数千瓦的功率。 升压式变换器中峰值电流较高，因此只适合功率不大于 150W 的应用场合， 在所有拓扑中，这类变换器所用的元器件最小，因而在中小功率的应用场合中和 流行。