《开关电源基本原理课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关电源基本原理课件（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、开关电源基本原理与设计 2011.08.08,目录,基本概念,开关电源定义：用半导体器件作为开关，将一种形式的电源转换为另一种形式的电源，转换时有闭环控制系统的变换器。 开关电源的分类： 调制方式：PWM，PFM ，双模调制 开关 方式：硬开关，软开关 隔离特性：非隔离，隔离 非隔离：BUCK，BOOST，BUCK-BOOST 隔离：反激，正激，半桥，全桥 ，谐振等,开关电源的主要元器件： 开关：开关电源中的开关要求开关速度快，损耗小，快速渡过线性放大区。目前主要使用的是三极管，MOS管，他们各有特点。 电感：是电路的储能器件，一般与电容组成滤波电路；电感的电流不会突变；是磁性元件，会出现饱和
2、现象。 电容：和电感一样都是储存和传递电能的器件，主要吸收电路纹波，使输出的电压平滑稳定。电容的串联电阻ESR越大，发热越严重，寿命越短。下图是各种电容的ESR比较，,BUCK电路： 1.电路原理如下图： 以占空比工作的开关管Tr，二极管D1、电感L和电容C组成的BUCK变换电路，将电压Vs转换为电压Vo。 2.工作原理： 按电感的电流IL在周期开始是否从零开始，可分为电感CCM和DCM两种模式。波形如图所示：,基本PWM变换拓扑,图1 BUCK变换器电路,图2 CCM模式各点的波形,3.原理分析： DC-DC 变化器的基本工作原理，其电路原理图及其波形见图 1和图2 。这里的分析过程元器件均
3、为理想模型。D1 为开关管 Tr 导通时间占空比，D2 为开关管 Tr 断开时间占空比，D1、D2 均小于 1，Ts 为周期。开关管闭合时间t1=D1Ts断开时间t2-t1=D2Ts,连续模式下D1+D2 = 1，当开关管 Tr 导通时，电感电流 IL 如图所示方向流过电感线圈 L，电流线性增加，电能以磁场能量形式储存在电感线圈 L 中。此时，对电容 C 充电，负载 R 上流过的电流为 IO，R 两端的输出电压为 VO，极性上正下负。由于开关管 Tr导通，续流二极管 D 阳极接 Vs 负极，续流二极管 D 承受反方向电压，呈现高阻态。在开关管 Tr 导通期间，电感电流增量为：,当开关管 Tr
4、断开时，由于电感线圈 L 中的磁场将改变电感线圈 L 两端的电压极性，以保持电感电流 IL 不变。这样电感线圈 L 中的磁能将转换成电压 VL（VL 极性左负右正），VL 将向电容 C 和负载 R 供电。当 VL 高于 VO 时，电容 C 上有充电电流；当 VL 等于 VO 时，电容 C 上充电电流为零；当 VO 有降低趋势时，电容 C 向负载 R 放电，维持 VO 不变，在开关管 Tr 断开期间，电感电流增量为：,当该 buck 变换器工作在电感电流连续工作模式，则 Dl+D2=l，化简 上式可得 buck 电路在电感电流连续工作模式下的输出电压和输入电压的一般表达式：,当该 buck 变换
5、器工作在电感电流不连续工作模式，则 Dl+D21，化简 上式可得 buck 电路在电感电流不连续工作模式下输出电压和输入电压的一般表达式：,当电感较小或负载较小或周期 T 较大时，buck 变化器会工作在电感电流不连续工作模式，将造成整体功耗的增加和整体性能变差，因此应避免变换器工作在电感电流不连续工作模式。buck 变换器工作在电感电流连续工作模式和不连续工作模式之间有个临界状态，其发生条件为： 连续工作模式： 临界工作模式： 不连续工作模式： 临界电感量的值为LC =,一般实际电路的电感值取Lc值的5-10倍。 另外一种计算实际电感中L的计算方法： 纹波电流设计为： K为纹波电流系数，实际
6、应用中一般取K=0.20.4，一般取0.3，根据公式 那么,纹波电压计算： 在输出部分，电感的电流给电容充电和负载供电，那么流经电容的电流为iC = iL-io，在稳态情况下输出电流io不变，则 iC = iL，在输出电容为理想状态，流经电容的 iC产生的电压 Vo，那么 在电容为为非理想状态下，存在串联等效电阻ESR，那么 iC在ESR两端产生的电压为：,总的纹波电压为：,BOOST电路： 1.电路原理如下图： 以占空比工作的开关管Tr，二极管D1、电感L和电容C组成的BOOST变换电路，将电压Vs转换为电压Vo。 2.工作原理： 按电感的电流IL在周期开始是否从零开始，可分为电感CCM和D
7、CM两种模式。波形如图所示：,图3 BOOST变换器电路,图4 CCM模式各点的波形,3.原理分析： 参照图3和图4，在开关管 Tr 导通期间，电感电流增量为： 在开关管 Tr 断开期间，电感电流增量为： 化简得： Vs =Vo（1-D1）,反激变换器： 1.概述：反激变换器在某些场合应用很方便，例如在输出电源有多组的情况、输入电压变化大且幅值较高、可隔离，成本等多方面的优点而广泛应用。但是输出纹波较大，输出电压和负载调整率较差等缺点（可以加LDO处理）。 2.基本原理图如下图5所示：,图5 反激变换器基本原理,Vo,反激变换器基本原理图由变压器、开关管、整流二极管和PWM芯片等元器件组成。
8、3. 工作原理： 如上图所示，开关管导通期间，变压器进行电能存储阶段，这是相当于电感。如下图6所示：,图6a 能量存储阶段电路图,图6b 能量存储阶段原边电流波形和磁化现象,由图6可知，当Tr导通期间，原边绕组的电流Ip的变化由 确定，Ip将会线性增加，磁芯内的磁感应强度将从初始的Br增加到峰值Bw。 当Tr关断，初级电流降为0，副边的二极管D1将会导通，根据功率守恒定理，原边和副边的安匝值相等即Ip*Np = Is*Ns。在反激期间，副边电流逐渐降为0，基本原理如下图7所示：,图7a 能量传输阶段副边电路图,图7b 能量传输阶段副边电流波形和磁化现象,在完全能量转换的情况下，反激时间小于关断
9、时间，反激期间，磁芯的磁感应强度将从Bw下降到初始的Br，副边电流的衰减由副边的电感和电压确定，那么 3.变压器的储能能力： 采用不完全的的能量转换方式时，由于存在直流分量，需要增加气隙，加入气息可以使磁化曲线向H轴倾斜，可以使变压器传输更多的能量，(见图7阴影部分)而且在传输一点能量的情况下，可以把设计的B取值减小些，这样可以形成一定的良性循环，因此一般的变压器磁芯工作在60KHz以上时，磁芯损耗的制约较大，把B减小可以降低磁芯的损耗，在同样的磁芯下，提高工作频率可以减小原副边的纹波电流。,图7a 磁芯气隙小时变压器的磁化曲线和能量传递曲线,图7b 磁芯气隙大时变压器的磁化曲线和能量传递曲线
10、,设计实例,1.BUCK电路设计实例： 例1：输入电压为1020V，输出电压5V，纹波电压小于1%，输出电流2A，工作频率为100K设计BUCK变换器的主要参数。 设计： （1）占空比：D = Vo/Vi；Dmax = 5/10 = 0.5；Dmin=5/20=0.25 （2） 电感计算： 纹波电流iL=0.3*Io =0.3*2=0.6A 电感Lmin=(Vimax-Vo)*Dmax /iL*f=(20-5)*0.5/0.6*100K=125uH 电感的峰值电流iLmax=Io+0.5*iL=2+0.3=2.3A （3）开关管和二极管选型： 开关管DS耐压VdsVimax并留有一定的冗余，选
11、取Vds耐压为30V。过电流能力ImaxiLmax 二极管的耐压VdVimax，电流IdIo。 （4）输出电容：LC组成的低通滤波器的截止频率,一般取fc为主频f的1/10以下，计算出电容值。 （5）纹波电压可根据以下式求出： 也可以从已知要求的纹波电压反求出电容的ESR，然后再验证，以上的数据都是理论计算，作为设计的依据，根据实际电路需要在中调试验证中作相应改变。,例2.设计反激变换器，反激变换器工作频率30Khz，要求输入在电压100V150V范围能正常工作，输出电压为12V，输出电流为5A。 1、变压器设计： (1)输入功率: Pin=(Po/)=12*5/0.8=75W ,设定转换效率
12、=0.8； (2)输入平均电流: Iav = Pin/Vdc min = 75/100 = 0.75A (3)初级峰值电流: Ip = 2*Iav/Dmax = 2*0.75/0.45=3.33A 反激变换器的最大占空比设定Dmax0.45; (4)初级电感量: Lp=Vdc min *Dmax /(Ip*fs) =100*0.45/3.33*30K=0.45mH fs为开关频率; (5)确定磁芯型号： 使用AP法求 磁芯尺寸：,上式中 Ae为磁芯截面积，单位为cm2（磁芯规格资料可查得） Aw为磁芯串口面积，单位为cm2（磁芯规格资料可查得） Lp为原边电感量，单位为H Ip为原边峰值电流，
13、单位为A B为磁芯工作磁感应强度，单位为T（一般取饱和磁感应强度Bs的0.5倍） Ko为窗口有效使用系数，根据安规的要求和输出路数决定，一般取0.20.4 Kj为电流密度系数，一般取395A/cm2 根据求得的AP值选择合适的磁芯。 (5)初级匝数:Np=Vdcmin * Dmax /(B*Ae*fs) 上式中B为磁芯工作磁感应强度，单位为T（一般取饱和磁感应强度Bs的0.5倍） Ae为磁芯截面积,查规格资料可得! (6)次级匝数:Ns =(Vout+Vd)*(1-Dmax)*Np / Vin min*Dmax (7)绕组线径的计算： dp =Ip*J,Ip为初级线圈的峰值电流，J为电流密度，单位为cm/A，一般取400 cm/A。,谢谢大家！,
