开关电源的基本设计第二章

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1、第二章开关电源基本电路设计 2 1输入回路设计 一输入滤波电路的设计 AC DC变换器中一般采用电容输入型的整流电路 电容的作用进行平滑滤波 减少直流电压中的交流成分 电容一般都是电解电容 电容量的大小由输出保持时间和直流输出电压要求的纹波大小决定 电容中的纹波电流大小对电源寿命有很大影响 电容中的纹波电流大小要求在电容允许值范围内 1电容量大小的影响 2 电容量太大 1 电容量太小 滤波后的直流电压的脉动就会比较大 为了得到所要求的输出电压 需要过大的占空比调节范围和过高的闭环增益 滤波后的直流电压最小值也比较小 要求高频变压器原副边匝比变小 并使开关管中的电流增加 输出整流二极管的反向电压

2、增加 充电电流脉冲宽度变窄 幅值增大 导致输入功率因数降低 EMI增加 过高的输入电流 有效值 使得输入整流二极管和滤波电容损耗增加 2电容量的选择方法 1 根据经验 Idc输入回路平均电流 P后级电路的输入功率Ud电容上的平均电压 2 估算 单相全桥或全波整流电路 三相全桥整流电路 A 明确线电压有效值 3 经验计算 B 明确线电压峰值 C 整流滤波后 直流电压的最大脉动值 单相输入 三相输入 D 整流滤波后的直流电压 为保证直流电压最小值符合要求 每个周期电容所提供的能量为 式中A单相输入时取1 三相输入时取3 又因为 每半个周期输入滤波电容所提供的能量为 可推出 以上公式中电容的单位为法

3、拉 电压的单位为伏特 能量W的单位为焦耳 功率的单位为瓦特 4 需要注意的问题 如电容量大 可采用多个并联 如要求电容耐压较高 可采用多个串联 电容存在串联等效电阻ESR和串联等效电感ESL 由于要吸收变换器回馈的高频脉冲电流 电容上的直流电压会产生高频尖峰电压 为了抑制产生的高频尖峰电压 可在电解电容两端并联无极性小容量高频电容 如最后选定电容量C 则整流滤波后的最小直流电压为 3纹波电压 4改进方法 改为LC滤波电路 通过L的储能 减轻电容的负担 同时可改善网侧功率因数 t整流电路非导电时间 如50赫兹交流全波整流约为7ms 单纯的电容滤波电路 滤波电容充放电电流大 寿命短 可靠性差 网侧

4、功率因数低 二启动冲击电流抑制电路设计 1 原因 一般都采用电容输入型滤波电路 交流输入接通瞬间 要对电容充电 而此时电容两端电压为零 将产生很大的瞬间充电电流 该电流的大小与合闸瞬间交流电压的相位及输入滤波回路的内阻有关 当在正弦峰值时合闸 产生的瞬间充电电流最大 滤波电容的容量决定了该电流持续时间的长短 当多台电源并联时 更为严重 会对电网产生很大冲击 使其他设备无法正常工作 甚至跳闸 保护输入回路中的断路器 熔断器 整流桥 减小对其他设备的影响 提高电源自身的寿命和可靠性 必须采取措施 限制合闸瞬间的电流冲击 以达到下列目的 在交流电压最大值时 冲击电流最大不超过交流输入电流的5倍 1

5、限流电阻的计算 r输入回路的等效电阻 在滤波电容充电回路中短时间串联限流电阻 2 抑制方法和原则 2 限制时间的确定 单相 3 5 RC 三相 2 3 RC 是输入电容充电结束的必要时间 1 串联普通电阻 3 典型电路 用时间继电器 上电后通过限流电阻给滤波电容充电 设定时间到后 继电器常开触点闭合 限流电阻被短路 用继电器 上电后通过限流电阻给滤波电容充电 同时检测滤波电容两端电压 并以此决定继电器常开触点闭合时刻 特点产生的直流压降低 功耗小 机械触点 2 串联功率热敏电阻 3 注意 电阻应选耐功率冲击性能较强的 如水泥电阻 功率热敏电阻冷态时 阻值大 符合抑制要求 功率热敏电阻热稳态时

6、阻值小 功耗低 特点不需要其他辅助电路 用多支并联 耐功率冲击性能会有明显提高 也可用单向可控硅代替继电器 特点功耗小 无机械触点 但有1V左右的压降 会产生一定的功耗 1 防止电源输入侧串入噪声 保护开关电源 2 抑制开关电源产生的噪声反馈到输入电源 电网 中 危害其他设备 三输入EMI滤波器 1 作用 2 传导噪声 传导噪声由差模噪声和共模噪声构成 1 差模噪声 相线与中线间存在的干扰信号 2 共模噪声 相线与地和中线与地间存在的EMI信号 特征二者大小相等 相位相反 如电网电压的瞬时波动 特征二者大小相等 相位相同 如雷电等 1 基本结构 3 基本结构 一般 由若干支电容和电感构成 L1

7、 L2两只线圈内电流产生的磁通相互抵消 不使磁环达到磁饱和状态 从而使电感值保持不变 对相线或中线对地所形成的共模干扰具有抑制作用 L1 L2 共模电感线圈 共模扼流圈 绕在同一磁芯上 匝数相同 绕向相反 即L1与CY1 L2与CY2分别构成低通滤波器 可抑制电源线上存在的共模噪声 2 CxCY Cx分为X1和X2两类 X1等级的电容用于峰值电压大于1200V的场合 X2等级的电容用于峰值电压不大于1200V的场合 L1 L2的漏感和旁路电容能抑制串模干扰 也可加入差摸电感 Cx电容指用于如下场合的电容 当电容失效后 不会导致工作人员遭受电击 不危及人身安全 3 共模电感和差模电感 CY电容的

8、耐压性能对保护工作人员的人身安全具有重要意义 CY电容的电容量 GJB151规定应不大于0 1微法 对共模电感的要求 既能在较高的频率下工作 又有较大的磁导率 这样可以用较少的绕组匝数获得较大电感量 同时也可以减少共模电感的分布电容 共模电感绕组匝数的减少 可以降低共模电感的损耗和温升 共模电感的磁芯 一般选用镍 锌铁氧体 坡莫合金或微晶合金 共模电感由环型磁芯绕制时 单匝线圈的电感量为 CY电容的容量要受到限制 以便在额定频率和额定电压的作用下 控制流过其漏电流的大小 4 参数范围 L1 L2为共模电感 电感量约为几mH L1 L2之差应控制在2 以内 LD为差模电感 电感量在几mH 几百m

9、H 一般可选几十mH CX一般为陶瓷电容或薄膜电容 电容量在0 047 0 22 F CY1和CY2约为几nF r 相对磁导率 n 线圈匝数 Ae 磁环截面积 lc 磁环的平均磁路长度 差模电感的磁芯 可选用铁氧体磁棒或铁粉心磁环 由于铁氧体磁棒磁路开路 故不会饱和 铁粉心磁环具有磁导率低不易饱和的特点 5 参数计算 可根据漏电流小于5毫安的要求来确定CY 有如下关系 Ii 漏电流 Ui 供电电压 f 电源频率 如设转折频率为fR 则可确定共模电感 有如下关系 CY最大值 一般不超过4700pF 也可先选定电容CX后 确定差模电感 有如下关系 转折频率fR的确定 可参考杨玉岗编写的 现代电力电

10、子技术的磁技术 一书 1 安装位置 4EMI滤波器的安装 滤波器应安装在机柜底部离设备电源入口尽量近的部位 不要让未经过滤波器的电源线在机柜内迂回 如果交流电源进入机柜内到电源滤波器有较长的距离 则这段线应加以屏蔽 2 接地 滤波器的外壳必须用截面积大的导线以最短的距离与机壳连为一体 要尽量使滤波器的接地点与机壳接地点保持最短的距离 3 其他 输入输出线应靠近机柜低部布线 以减少耦合 将输入输出线严格分开 不要将他们捆在一起 2 2整流电路 一倍压整流电路及应用 指导思想利用二极管的整流和引导作用 将电压分别存在每一个电容上 然后把它们按同极性相加的原则串联起来 1二倍压整流电路 1 电路 2

11、 分析 ui上端为正 下端为负时 D1导通 C1充电 ui上端为负 下端为正时 D2导通 C2充电 并且UC1 UC1 UC 这样U0 2UC 3 应用 110V 220V通用输入整流滤波电路 110V输入 在A D端输入交流 A C并联 D1 D3并联 D2 D4并联 相当于倍压整流电路 220V输入 在A C端输入交流 D端悬空 D1 D3 D2 D4并构成全桥整流电路 iD负载电流平均值n倍压整流的段数f交流电的频率 2多倍压整流电路 1 电路 2 输出电压 适用于高电压 电流不大的使用场合 例如电警棍等 二倍流整流电路 1电路 b 适用于输出电压比较低 输出电流比较大 效率要求较高的使

12、用场合 电路 a 适合应用共阳极二极管 电路 b 适合应用共阴极二极管 a 2原理 当电感电流连续时 倍流整流电路在1个周期内经历4个不同的开关状态 其中 开关状态2与开关状态4是相同的 uT为变压器副边电压 当其上端为 下端为 时 uT为正 开关状态1 t0 t1 以电路 a 为例分析 二极管D1导通 D2截止 电感L1的电流经二极管D1续流 iL1线性下降 电感L2的电流通过二极管D1流过变压器副边绕组 iL2线性增长 开关状态2 t1 t2 二极管D1 D2均导通 电感L1 L2均为续流状态 电感电流iL1 iL2分别通过二极管D1 D2续流 iL1 iL2线性下降 开关状态3 t2 t

13、3 二极管D2导通 D1截止 电感L2的电流经二极管D2续流 iL2线性下降 电感L1的电流通过二极管D2流过变压器副边绕组 iL1线性增长 开关状态4 t3 t4 与开关状态2相同 二极管D1 D2均导通 电感L1 L2均为续流状态 2电压比关系 设变压器副边电压有效值为UT 输出电压为U0 根据电感两端电压一个开关周期平均值为零的原理有 又由于 可得 即 当输入电压 输出电压 占空比和一次电路结构都相同的情况下 采用倍流整流电路时 变压器变比应该比采用全桥型整流电路时小1 2 只有这样 采用倍流整流电路中变压器副边电压是全桥型整流电路中变压器副边电压的2倍 才能在占空比相同的条件下 得到相

14、同的输出电压 三同步整流电路 1同步整流技术 采用低导通电阻的低压功率MOSFET代替开关电源中的快恢复二极管 起整流管的作用 称为同步整流管 简称SR 从而达到降低整流损耗 提高效率的目的 2 需要两支滤波电感 结构略显复杂 1 变压器副边不用中心抽头 制造工艺简单 3 副边匝数与全波整流电路相等 比全桥匝数多一倍 但绕组中的电流只是输出电流的一半 3电路特点 4 每支二极管承受的断态电压是相同条件下全桥型整流电路中的2倍 开关电源中的损耗 主要包括功率开关管的损耗 变压器的损耗及输出高频整流二极管的损耗 低电压大电流电源中 输出整流二极管的损耗尤为突出 2意义 3 同步整流基本原理 1 功

15、率MOSFET的双向导电特性 同步整流技术正是利用了MOSFET的这种双向导电特性 达到提高整流效率的目的 作为SR管使用的MOSFET 电路拓扑结构要求具有反向阻断功能 即电流是从源极 S 流向漏极 D 功率MOSFET实际上是一个双向导电器件 完整的伏安特性包括第一象限和第三象限 是基于原点对称的 第一象限表示功率MOSFET的正向导电特性 第三象限表示功率MOSFET的反向导电特性 2 典型同步整流电路工作原理 变压器副边同名端为正时 SR关断 反之 SR导通 3 同步整流提法的由来 作为整流管使用的功率MOSFET的栅极驱动信号与DS极间开关动作同步 变压器副边的功率MOSFET作为整

16、流管使用 简称SR管 4 同步整流管的驱动方式 自驱动 Self driven 在变换器中取合适点的电压来驱动作为整流管的功率MOSFET 优点 自驱动方式结构简单 经济 高效 可靠 普遍用于5V以下的低压小功率输出场合 一般包括变压器副边绕组的输出电压和输出滤波电感的电压 缺点 变压器的绕制较为复杂 驱动电压与输入 输出电压成比例 当同名端为正时 VM1自驱动方式结构简单 经济 高效 可靠 外加驱动 Externally driven 通过外加逻辑控制驱动电路 产生随变压器副边绕组电压时序作相应变化的驱动信号 驱动SR管 外加驱动方式可以提供精确的控制时序 使同步整流管的驱动信号与理想的驱动波形一致 驱动信号不受输入电压 输出电压的影响 5 多管MOSFET并联同步整流 整流电路输出电流较大时 采用多管MOSFET并联的同步整流电路能够得到较高整流效率 电路结构复杂 所用的元件多 成本高 目前 对于12V 20V左右的同步整流 多采用控制驱动IC的方法 如ST公司的STSR2 STSR3 IR公司的IR1175等 四双路输出整流电路 1电路 2原理分析 变压器副边绕组双路对称绕制 与