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1、开关电源基本原理与设计介绍 Summary n基本原理介绍 n开关电源中的相关设计 基本原理介绍 DC DC变换器主要架构及其拓补 EMI部分 PFC部分 同步整流部分 均流技术 保护与控制线路 SPS基本原理框图 基本原理简介 一般由三部分组成 一是输入回路 二是输出回路 三是控制回路 输入回路由EMI滤波电路 高压整流滤波 隔离变压器初级和高压方波切割组 件所组成 其与电网直接连接高电压 输出回路由隔离变压器次级 低压整流滤波 电路所组成 其与控制回路都由低压电子元器件组成 输入回路与输出回路两者 间采用隔离变压器进行隔离确保人身与低压电子器件之安全 这样不仅达到高 低电压隔离 还做到高低
2、电压的转换功能 工作原理 交流输入电压 AC 经EMI滤波电路滤波一些电网来的干扰与噪声后 直接予 以整流与滤波得到高压直流 DC 再将直流高压进入方波切割器件 MOSFET 中 切割成20 200KHZ的高频电压方波信号 该方波信号进入隔离变压器初级 而由次 级所感应出的低压交流电势经整流滤波后 得到低压稳定直流输出 供给负载 不管 输入电压有无变化或输出负载是否变动 都要保持输出直流电压的稳定 因此 经直 流输出监控电路对输出电压加以监控 并把信号回馈给PWM逻辑控制电路调整占 空比 从而调整输出电压达到稳定效果 当负载发生故障 如 短路 过载等 时可通过 保护电路把信号迅速回馈给PWM逻
3、辑控制电路使方波切换组件停止工作 达到保 护的功能 Boost DC DC变换器主要架构 peak drain current peak drain voltage 2 Boost step up Ideal transfer function Diode voltages vrm Average diode currents Boost变换器工作状态 Boost DC DC变换器主要架构 DPS 350MB A BOOST CIRCUIT Buck DC DC变换器主要架构 1 Buck step down peak drain current Ideal transfer function
4、 peak drain voltage Average diode currents Diode voltages vrm Buck变换器工作状态 Buck变换器工作原理 当S关闭时 电流就会顺向地流经电感器L 此时在负载上就 会有带极性的输出电压产生 如上面图2所示 当开关打开时 电 感器L会改变磁场 二级体D则为顺向偏压状态 因此在电容器C 中就会有电流流过 因此在负载RL上输出电压的极性仍是相同 的 一般我们称此二级体D为飞轮二级体 由于此种转换动作 使得输出电源是一种连续而非脉动电流 形式 相对的由于开关S在ON OFF之间改变 所以输入电流则为 不连续形式 也就是所谓的脉动电流形式
5、Buck DC DC变换器主要架构 n实际举例 DPS 350MB A BUCK CIRCUIT Buck Boost DC DC变换器主要架构 Voltage and current waveforms Buck Boost BUCK BUST FLYBACK 变换器 n原理图 BUCK BUST FLYBACK 变换器 n工作状态 BUCK BUST FLYBACK 变换器 n工作原理 当电路中的开关S关闭时 电流就会流经电感L 并将能量储存 于其中 由于电压极性的关系 二级体D是在逆向偏压状态 此时负 载电阻RL上就没有电压输出 当开关S打开时 由于磁场的消失 电感L呈逆向极性 二级体D
6、 为顺向偏压 环路中则有Ic感应电流产生 因此负载RL上的输出电 压极性正好和输入电压极性相反 由于开关ON OFF的作用 使得电 感器的电流交替地在输入与输出间 连续不断的改变其方向 不过 这二者电流都是属于脉动电流形式 所以该变换器电路中 当开关是在导通周期时 能量是储存在 电感器里 反之 当开关是在打开周期时能量会转移至负载上 Isolated Forward DC DC变换器拓补 3 Isolated Forward Ideal transfer function Peak drain current Peak drain voltage Average diode currents
7、Diode voltages vrm Isolated Forward 工作原理 由于该转换器中使用的隔离组件是一个真正的变压器 因此 为了获得正确有效的能量转移 必须在输出端有电感器 作为次级 感应的能量储存组件 而变压器的初级绕组和次级绕组有相同的 极性 当晶体管Q1在ON时 初级绕组渐渐会有电流流过 并将能量 转移至输出 且同时经由顺向偏压二级体D2 储存与电感器L中 此 时的二级体D3为逆向偏压状态 当Q1换成OFF状态时 变压器的 绕组电压会反向 D2二级体此时就处于逆向偏压的状况 此时与飞 轮二级体D3则为顺向偏压 在输出回路上有导通电流流过 并经由 电感器L 将能量传导至负载上
8、变压器上的第三个绕组与D1互相串联在一起 可达到变压器 消磁的作用 如此可避免Q1在OFF时 变压器的磁能会转回至输入 直流总线上 Forward n实际举例 300LB A FORWARD CIRCUIT Isolated Flyback DC DC变换器拓补 4 Isolated Flyback Ideal transfer function Peak drain current Peak drain voltage Diode voltages vrm Average diode currents Isolated Flyback 工作原理 当晶体管Q1导通时 变压器的初级绕组渐渐会有初
9、级电流流 过 并将能量储存与其中 由于变压器扼流圈的输入与输出绕组 其 极性是相反的 因此二级体被逆向偏压 此时没有能量转移至负载 当晶体管不导通时 由于磁场的消失导致绕组的极性反向 此时二 级体D会被导通 输出电容器C会被充电 负载RL上有IL的电流流过 由于此种隔离组件的动作就象是变压器与扼流圈 因此在反击 式转换器输出部分 就不需要额外的电感器了 但是在实际应用中 为了抑制高频的转换电讯波尖 还是会在整流器与输出电容之间加 装小型电感器 Flyback n实际举例 DPS 200PB 135 B FLYBACK CIRCUIT Voltage and current waveforms
10、Forward Flyback Forward Flyback DC DC变换器拓补 nTWO SWITCH FORWARD Ideal transfer function Peak drain current Peak drain voltage Average diode currents Average diode currents Tow Switch Forward DC DC变换器拓补 DC DC变换器拓补 Voltage and current waveforms实际举例 DC DC变换器拓补 nHALF BRIDGE Ideal transfer function Peak d
11、rain current Peak drain voltage Average diode currents Diode voltages vrm DC DC变换器拓补 nFULL BRIDGE Ideal transfer function Peak drain current Peak drain voltage Average diode currents Diode voltages vrm DC DC变换器拓补 nVoltage and current waveforms HALF BRIDGE FULL BRIDGE FULL BRIDGE circuit DPS 1001AB C
12、 FULLBRIDGE CIRCUIT 零电流开关变换器 n软开关ZCS变换器 在大功率的开关电源中 为了降低电路的开关损耗及提高开关器件的电压应 力和电流应力 软开关技术也就得到了研究并得到了迅速发展 所谓软开关通 常指的是零电压开关ZVS和零电流开关ZCS 软开关的实现主要是借助于附加 的电感L和电容C的谐振 使开关器件中电流 或电压 按正弦规律来变化 当电流 过零时 使器件关断 当电压下降到零时 使器件导通 此次讨论零电流开关变换 器 ZCS PWM ZCS PWM变换器是ZCS QRC和PWM开关变换器的综合 同时兼有二者的特点 在一个周期内 电路有时以ZCS准谐振方式运行 有时又以P
13、WM方式运行 以 Buck ZCS PWM为例 对此电路的工作过程进行讨论和分析 基本电路 nBUCK 变换器基本电路 在此电路中将开关S用零电流谐振开关代替后 就构 成了下图的零电流开关谐振Buck变换电路 基本变换电路 nBUCK ZCS QRS变换电路 在Buck ZCS QRS变换电路的基础上增加一个功率开关管Q2 以及与其反并联的二极管D2就构成了Buck ZCS PWM变换电 路 基本变换电路 nBuck ZCS PWM变换器 基本变换电路 nBuck ZCS PWM变换器工作原理 设初始时刻主开关管Q1和辅助开关管Q2均处于关断状态 输出负载电流Io 从续流二极管D上流过 电容C
14、r两端的电压为零 一个开关从主开关管Q1的导通 开始 当Q1在Snubber电感Lr作用下零电流导通后 电感电流 将在电源电压 作用下线性上升 当 上升倒等于IO时 续流二极管D关断 之后 D2导通 LR 与CR谐振 经过半个谐振周期 以谐振方式再次达到IO 以谐振方式上升到 此时 由于辅助开关管Q2处于关断状态 故 与 将保持在该值上 无法继续谐振 这个状态的持续时间由电路输出的PWM控制要求确定 如果这一段时间等于 零 则ZCS PWM电路就完全等同于ZCS QRC电路了 当电路的输出PWM控制 要求关断主开关管Q1时 首先应导通开关管Q2 在SNUBBER电感LR的作用下 零电流导通 之
15、后 与 再次谐振 当电感电流谐振到零时 二极管D1导通 之 后 继续向反方向谐振并再次谐振到零 在电感电流反方向运行期间 主开关管 Q1可在零电流零电压下完成关断过程 在此之后 电容电压 将在输出电流的 作用下线性衰减到零 使续流二极管D自然导通 直到下一个开关周期到来 辅 助开关管Q2可以在D到同之后及下一个开关周期到来之前的任何 以下分析都是在下列条件成立时进行的 a 所有元器件都是理想的 即开通时管压降为零 关断时漏电流为零 开 通与关断瞬间完成 b 滤波电感 足够大 故滤波器 及负载 在一个开关周期中 可用其值等于该周期输出电流Io的恒流源代替 Buck ZCS PWM变换电路的开关周
16、期可分为六个时间段来描述 对应 于六种基本的电路拓扑模式 如下图所示 设电路初始状态为主电路开 关Q1关断 辅助开关Q2关断 续流二极管D导通 输出电流全部通过D续流 电感电流 0 电容电压 0 工作过程分析 时刻 以零电压零电流方式完成关断过程 从上述工作原理可看出 在ZCS PWM电路中 所有开关管及二极 管都是在零电压或零电流下完成通断的 同时 电路可以以恒定频率通 过调节输出脉宽占空比来调节输出电压 各时间段的电路拓补图 主要电量波形 半桥式转换器介绍 n双输入电压半桥式转换器 二个主要优点 第一点就是它能在数放交流电压115V或230Vac的工作情 况下 不需使用到高压晶体管 第二点就是我们只需使用到简单的方法就能 来平衡每一转换晶体管的伏特 秒 volt senconds 区间 而功率变压器不需 有间隙且不需使用到价格高的对称修正电路 双输入电压半桥式转换器 在半桥式转换器结构中 功率变压器有一端点连接到由串联电 容器C1与C2所产生的浮点电压值端点 其浮点电压值为Vin 2 所以 在标准的输入电压下 其值为160Vdc 变压器的另一端点则经由串 联电容器C3连接到Q1的射
