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1、2020/7/30,1,主要内容 通信整流技术的发展 高频开关整流器 高频开关整流器的组成 高频开关整流器主要技术 开关电源系统简介 开关电源系统 开关电源各单元功能 开关电源系统的故障处理与维护,2020/7/30,2,重点难点 本章重点 整流技术 功率因数校正技术 DC/DC转换技术 均流技术 电源整流设备中的常用器件 监控单元日常操作 开关电源系统的故障处理 本章难点 功率因素校正技术 高频开关整流器功率转换技术,2020/7/30,3,我们知道，电子设备所需的直流电源，一般都是采用由交流电网供电，经“整流”、“滤波”、“稳压”后获得。 整流：指把大小、方向都变化的交流电变成单向脉动的直
2、流电，能完成整流任务的设备称为整流器。 滤波：指滤除脉动直流电中的交流成分，使得输出波形平滑，能完成滤波任务的设备称为滤波器。 稳压：指输入电压波动或负载变化引起输出电压变化时，能自动调整使输出电压维持在原值。 通信整流技术的发展 经历的几代变革 20世纪50年代末的饱和电抗器控制的稳压稳流硒整流器； 20世纪60年代的硅二极管稳压稳流整流器； 20世纪60年代末70年代初稳压稳流可控硅整流器； 20世纪80年代末90年代初的高频开关整流器；,3.1 概述,2020/7/30,5,整流器 整流器是把交流电（AC）转换为直流电（DC）装置的总称。 它有两个主要功能 将交流电（AC）变成直流电(D
3、C)，经滤波后供给负载，或者供给逆变器； 给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用。 通信整流技术的发展 20世纪50年代末的饱和电抗器控制的稳压稳流硒整流器 20世纪60年代的硅二极管取代硒整流片的稳压稳流硅整流器 20世纪60年代末70年代初稳压稳流可控硅整流器， 20世纪80年代末90年代初的高频开关整流器 通信用整流设备经历了几代变革。90年代以后，随着计算机控制技术、功率半导体技术和超大规模集成电路生产工艺的飞速发展，高频开关整流器产品也越来越成熟，性价比逐步提升，目前已经逐步取代了可控硅整流器，并且还在不断地朝着高频化、高效率、大功率、小型智能化、清洁环保的方向发展
4、。,2020/7/30,6,稳压电源 稳压电源（stabilized voltage supply）是能为负载提供稳定交流电源或稳定直流电源的电子装置。包括以下两大类 交流稳压电源 直流稳压电源 稳压电源的发展历史 1955年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子式换流设备。由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而
5、当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。,2020/7/30,7,20世纪60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围，并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。 20世纪70年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率
6、晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。 稳压电源的主要功能 稳定电压 当电网电压出现瞬间波动时，稳压电源会以10-30ms的响应速度对电压幅值进行补偿，使其稳定在2%以内。,2020/7/30,8,多功能综合保护 稳压器除了最基本的稳定电压功能以外，还应具有过压保护（超过输出电压的+10%）、欠压保护（低于输出电压的-10%）、缺相保护、短路过载保护最基本的保护功能。 尖脉冲抑制（可选） 电网有时会出现
7、幅值很高，脉宽很窄的尖脉冲，它会击穿耐压较低的电子元件。稳压电源的抗浪涌组件能够对这样的尖脉冲起到很好的抑制作用。 隔离传导性EMI电磁干扰（可选） 数控设备多采用AC/DC整流+PFC高频功率因数校正，自身有一定的干扰性同时对干扰源也有严格要求。稳压电源的滤波组件能够有效隔离电网对设备的干扰同时也能有效隔离设备对电网的干扰。 防雷（可选） 应具有的防雷击能力。,2020/7/30,9,稳压电源的种类 目前，通信和其他电子设备采用的稳压电源主要有 线性稳压电源 线性稳压电源中，调整元件串联在负载回路中，其作用就像一只可变电阻，输入电压或负载变化时，串联调整元件的压降改变，从而使输出电压稳定不变
8、。当输入电压过高时，串联调整管的功耗很大，因此效率很低。当输入电压波动范围为20 %时，5 V稳压器的典型效率只有35%，输入电压波动范围小于16%时， 典型效率也只能达到50%。 线性稳压器的主要优点是电路比较简单，稳压精度较高，输出纹波电压也较低。近年来，推出的低压差(输入和输出电压之差很低的)线性稳压器，不仅具有线性稳压器的全部优点，而且效率也有明显提高，目前已广泛应用于小功率低电压的电子设备中。,2020/7/30,10,相控型稳压电源 相控型稳压电源的基本工作原理是：当输入电压或负载变化时， 改变晶闸管的导通角，可使输出电压稳定不变。与线性稳压电源相比，由于调整元件(晶闸管)工作于开
9、关状态，所以功耗较小， 效率也较高，通常可达到70%。要求输入和输出隔离时，相控型稳压电源的输入端必须加入工频变压器。由于工作频率很低(50 Hz)，所以变压器的体积和重量都很大，同时输出端的滤波电感和滤波电容的体积和重量也很大。 开关型稳压电路 在开关型稳压电源中，调整管工作于开关状态。输入电压或负载变化时，改变控制信号的脉冲宽度，就可改变调整管的导通时间，从而使输出电压稳定不变。调整管导通时，两端的压降接近于零，导通功耗很小；调整管关断时，流过的电流基本上为零，关断功耗非常小，因此开关型电源的效率很高。 目前通信用开关稳压电源的效率已达到90%以上。,2020/7/30,11,整流和滤波电
10、路 1. 电路组成 单相桥式整流电路如图3.1（a）所示，图3.1（b） 是其简化电路。 （a） 电路原理图 （b）电路简化图 图3.1 单相桥式整流电路,2020/7/30,12,滤波电路 滤波电路的主要元件是电容和电感，以电容滤波电路最常用。 电容滤波的特点 (1) 滤波后的输出电压中直流分量提高了，交流分量降低了。 (2) 电容滤波适用于负载电流较小的场合。 (3) 存在浪涌电流。可在整流二极管两端并接一只0.01F的电容器来防止浪涌电流烧坏整流二极管。 (4) RL C值的改变可以影响输出直流电压的大小。,2020/7/30,13,稳压电路 并联型稳压电路 并联型稳压电路如图3.2所示
11、,图3.2 并联型直流稳压电路,其稳压过程分述如下： 当交流电网波动而RL未变动时，若电网电压上升，则：UiULIZIURUL 当电网未波动而负载RL变动时，若RL 减小，则ILIURULIZIURUL,并联型稳压电路结构简单，但受稳压管最大电流限制，又不能任意调节输出电压，所以只适用于输出电压不需调节，负载电流小，要求不甚高的场合。,2020/7/30,14,串联型稳压电路 串联型稳压电路如图3.3所示。该电路由四部分组成。,图3.3 串联型稳压电路,(1) 采样单元 采样单元有R1、R2、和RP组成，与负载RL并联，通过它可以反映输出电压Uo的变化。,(2) 基准单元 基准单元由限流电阻R
12、3与稳压管T3组成,（3）放大单元 放大单元由三极管T2组成。,（4）调整单元 调整单元由三极管T1组成，它是串联型稳压电路的核心元件。T1必须选择大功率三极管 。,2020/7/30,15,2. 工作原理 串联型稳压电路的自动稳压过程按电网波动和负载电阻变动两种情况分述如下： UiUoUfUBE2IB2IC2UCE2 UBE1IB1UCE1Uo RLUoUfUBE2IB2IC2UCE2 UBE1IB1UCE1Uo 当Ui或RL 时的调整过程与上述相反。 由上分析可知，这是一个负反馈系统。正因为电路内有深度电压串联负反馈，所以才能使输出电压稳定。,2020/7/30,16,三端集成稳压器 目前
13、，集成稳压器已达百余种，并且成为模拟集成电路的一个重要分支。它具有输出电流大，输出电压高，体积小，安装调试方便，可靠性高等优点，在电子电路中应用十分广泛 集成稳压器有三端及多端两种外部结构形式。输出电压有可调和固定两种形式： 固定式输出电压为标准值，使用时不能再调节； 可调式可通过外接元件，在较大范围内调节输出电压。 此外，还有输出正电压和输出负电压的集成稳压器。 稳压电源以小功率三端集成稳压器应用最为普遍。常用的型号有 W78系列 W79系列 W317系列 W337系列。,2020/7/30,17,高频开关整流器 开关整流器是电源系统中最重要的部分，它的技术是否先进，关系着开关电源系统的功能
14、和可靠性。因此，一些自主开发的厂商很注重开关整流器技术性能的改进，其目的是使开关整流器的可靠性和效率得到很大提高，使其成本和高频电磁干扰降低。 高频开关整流器的发展 可靠性的提升 可靠性是电源系统一个永恒的课题，随着集成技术的发展成熟，结构设计的趋于合理，高频开关电源采用的元器件的数量大大减少，电解电容、光耦合器及风扇等决定电源寿命的器件质量也得到提高，以及增加了各种保护功能，使高频开关整流器的MTBF（平均无故障时间）延长，从而提高了可靠性。 稳定性的提高 稳定高质量的直流电输出是衡量整流器的一个重要的指标。高频化以及高性能、高增益控制电路的采用，使高频开关整流器的稳压精度大大提高，各种滤波
15、电路的应用使得输出杂音减小，其供电质量较相控整流器有了明显的提高。,2020/7/30,18,小型化 小型化是高频开关整流器相比传统相控整流器的一大优势。由于变压器工作频率的提高以及集成电路的大量使用，使得高频开关整流器的体积大大缩小。有些高频开关整流器内部有CPU，有些没有。但对于整个开关电源系统而言，都设有监控模块，采用智能化管理，可与计算机通信，实现集中监控。 高效率 高效率也是高频开关整流器发展的趋势。功率器件生产技术的进步，其功耗减小；计算机辅助设计使得开关整流器设计拓扑和参数趋于合理，即所谓的最简结构和最佳工况；功率因数校正技术的采用，使得高频开关整流器的效率大大提高。,2020/
16、7/30,19,高频开关电源的特点 重量轻、体积小 与相控电源相比较，在输出相同功率的情况下，体积及重量减小很多 节能高效 一般效率在90左右。 功率因数高 当配有有源功率因数校正电路时，其功率因数近似为1，且基本不受负载变化的影响。 稳压精度高、可闻噪音低 在常温满载情况下，其稳压精度都在5以下。 维护简单、扩容方便 模块化结构。可在运行中更换损坏模块，不影响通信。增减模块方便 智能化程度较高 有CPU和计算机通信接口，便于集中监控，无人值守。,2020/7/30,20,高频开关整流器目前需要解决的问题 解决高频化与噪声的矛盾问题。 提高工作频率能使动态响应更快，这对于配合高速微处理器工作是必须的，也是减小体积的重要途径。损耗增加，同时增加了更多的高频噪声，这些噪声既对整流器自身工作会带来影响，也会使得其他电子设备受到干扰。 如何进一步提高效率，提高功率密度 损耗的增加制约了整机效率的提高；额外的噪声也必须增加更多的噪声抑止电路，也就加大了整流器的复杂性和体积，使得整流器的可靠性和功率密度下降 开发高性能的功率器件、电感、电容和变压器，提高整机的可
