开关电源的结构和基本原理-上课汇编

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1、青岛科技大学 高频开关电源 的结构和基本原理 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 的二次电能，这样的变换设备便是电源。 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。 1.1.1 电源是什么？ 1.1 电源及开关电源 电源常 用的连 接方式 串联线性稳压电源 高频开关电源 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：电源调整管工作在放大 状态。 开关电源：电源调整管工作在开关状态的电 源 。是具有高功率密度的电源。 输入 电源调整管 负载RL 串联稳压电源 输入 开关管K 负载 RL 储能元 件 开关电源 5 1.1.3 开关电源的分类

2、： 按变换方式可分为下列四大类： （1）：第一大类：AC/DC开关电源； （2）：第二大类：DC/DC开关电源； （3）：第三大类：DC/AC开关电源； （4）：第四大类：AC/AC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 为逆变器和变频器。 开关电源 逆变器 变频器 6 A：一次电源产品的图片（AC/DC） 常见开关电源图片 7 B：工业电源产品的图片标准产品（AC/DC） CPCI Series of Lambda 8 C：工业电源产品的图片（AC/DC） HWS Series of Lambda 9 E：工业电源产品的图片（AC/DC） 10 F：二次电源产品的图片（D

3、C/DC）-标准转类 Full BrickHalf BrickHalf Brick 1/4 Brick 1/8 Brick 11 G：二次电源产品的图片（DC/DC） 彩电开关稳压电源 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 耗大，温升高。 图1-1 晶体管串联式线性稳压电源 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 稳压电源中的工频变压器，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 一步。 图1-3 无工

4、频变压器的开关电源原理框图 1.3 无工频变压器开关稳压电源的优点： 1.效率高。一般在7080%以上。 2.体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。 3.稳压范围广，一般交流输入80265V，负载作大幅度变化 时，性能很好。 4.噪声低，声频在20kHz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； 5.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多路输出以及 同号、反号等输出； 6.电压维持时间长，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 保证仍有电压输出。 7.可靠性

5、大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出 现。 无工频变压器开关稳压电源的不足之处： 1.输出纹波较大，约有10100mV的峰峰值； 2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大； 3.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 式晶体管线性稳压电源。 二、 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(AC) 转换为PC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：用提高工作频率等手段来 提高电源的功率密度，进而达到减少变压器的体积和 重量的目的。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PC电源效率为

6、70%-75%， 而相应的线性稳压电源的效率仅有50%左右。 输出电压的稳定则:依赖对脉冲宽度的改变来实 现，这就叫做脉宽调制PWM。 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 放大 基准 220V交流 电压输入 功能：将220V交流电压 转换为电路所需要的各 种稳定的直流电压 2.1 高频变压器开关电源的结构 图2-1 高频变压器开关电源基本功能框图 直流电 压输出 A.电路组成： B.作用：双向滤波（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 关电源对电网造成污染。） S501 C501 0.1u L502 220V市 电

7、至整流滤 波电路 F501 T2.5A C502 0.1u 2.2.1、进线抗电磁干扰电路EMI 2.2 输入共轭滤波及整流 C.工作原理： 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。 对50Hz低频而言，电容呈开路，而电感则 呈短路。因此，50Hz市电可以顺利通过。 S501 C501 0.1u L502 220V市 电 至整流滤 波电路 F501 T2.5A C502 0.1u F501 T2.5A S501 C501 0.1u L502 220V市 电 至整流滤 波电路 C502 0.1u 输入220V交流电压的检测 220V交流 输入 交流电压500V档 正

8、常值: 220V15%(187V253V) 共轭滤波器 220V交流电压整流滤波后直流电压的检测 直流电压500V档 来自共 轭滤波 器的 220V 交流电 压 正常值为300V左右 电路中Q为开关管，工作于开关状态（Q饱和导通 时相当于一只接通的开关，Q截止时相当于一只断 开的开关）。 电感L和电容C为储能元件。 RL为电源的负载。 D为续流二极管，它在开关管截止时导通，保证电 感L中的电流不中断。 2.3 串联型开关电源工作过程（ 降压式BUCK) L Q D C R L （a ) 串联型开关电源基本电路 +300V 开关管饱和导通时，300V电源通过开关管Q，电感 L和负载RL形成电流回

9、路，同时向电容器C充电，在 电感L和电容C中同时储能。 二极管D处于反向截止状态。 由于电感L中突然出现电流，将在L两端产生左正右 负的自感电动势，负载两端电压等于300V电源电 压与L两端自感电动势之差。 IQI L IC IR Q （b)开关管饱和时的等效电路 D +300V R L L C + - 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两端产生左负右正的自感电动势，该自 感电动势使续流二极管D导通，形成电流回路。 同时，电容C也通过RL放电。 可见负载电流由电感电流与电容放电电流两路同时 提供。 虽然开关管截止了，但是负载电流并没有中断。 IC I L ID D （c)

10、开关管截止时的等效电路 Q +300V R L C L +- 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。 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。 2.4变压器型开关电源工作过程 2.4.1 高频变压器变换电路工作方式分类 按其工作方式可分为五类,每类传输的功率也不相同，应用环境 也稍有不同，如下所示： 电路类型传输功率应用环境 单端反激式 变换器 20 100W 小型仪器、仪表，家用电器等电 源，自动化设备中的控制电源 单端正激式 变换器 50 200W 小型仪器、仪表，家

11、用电器等电 源，自动化设备中的控制电源 推换式变换 器 100 500 控制设备，计算机等电源 半桥式变换 器 100 5000W 焊机，超声电源，计算机电源等 全桥式变换 器 500W 30kW 焊机、高频感应加热，交换机等 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 上负下正的互感电动势。 整流二极管D截止，由电容器C放电形成负载 电流。 300V VT D RL （a )基本电路 C +300V e1 + + e2 VT + _ RL ( b )开关管饱和导通 D C T 2.4.2 单端反激式变压器型开关稳压电源工作过程 开关管截止，变压器初级电流中

12、断，于是在 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。 次级互感电动势使整流二极管D导通，开关变 压器次级电流一方面流入负载，另一方面向 电容器C充电储能，以便开关管再次导通时向 负载释放能量。 e1 _ + I RL 300V C VT D （ c )开关管截止 T _ + e2 A.能量转换过程 VT导通，D截止，T吸收能量； VT截止，D导通，T释放能量。 传递的能量越多，负载两端形成 的电压就越高。 * * VT T D 2.4.2 单端反激式变压器型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 VT T D

13、2.4.2 单端反激式变压器型开关稳压电源工作过程 * * 2.4.3 调整输出电压的方法 t Vi t Vk t Vo Vi TON T Vo Vk K R L 电压 变换器 VO = Vi =D Vi T0N T 占空比 只要改变开关脉冲的“占空比”，就可以改 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 ，改变开关管导通时间而改变输出电压高 低。这种电源称为“调宽式”开关电源。 PWM 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。 这种电源称为“调频调宽”式开关电源。 PFM 三、单端反激式开关电源理论计算 3.1 工作原理分析 1、在开关VT导

14、通期间： 2、在开关VT截止期间 图2-2 单端反激式变换器 3.2 单端反激式变换器也有三种工作状态 1、磁通临界连续的工作情况： 图8-16 临界连续状态时的电压电流波形 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 3.3、输入电压Uin与导通比t的对应关系 即：输入电压最高时，相应的导通比是最小，输入电压最低 时，相应的导通比是最大。因此，输入电压与导通比是一一 对应，相互制约的。运行中由于闭环调节，这种相互适应是 自动的。但必须指出的是，由控制电路振荡器和PWM门闩电 路本身固有的最大最小导通比，一定要与运行条

15、件所需的最 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： 1.单端反激式变换器开关变压器的铁芯都带有气隙 。 2.初级绕组电流实现脉冲限流控制。 3.5 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PWM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 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

16、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 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 象。最小的脉宽是由控制电路振荡器的最小导通比决定的 。 3.2尖峰脉冲防护电路 接在开关变压器初级的R 、C、D组成尖峰脉冲防护 电路。 在开关管截止瞬间，开关 变压器初级电感与分布电 容之间形成谐振，产生很 高的尖峰脉冲，该尖峰脉 冲有可能击穿开关管。 接入R、C、D以后，使这 种谐振被“阻尼”，避免了 过高尖峰脉冲的出现，保 护了开关管。 开关管 VT R 68 C 680P/ 2KV 开关 变压器 T +300V D