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1、第1章 开关电源基本原理 第1章 开关电源基本原理 1.1 开关电源的组成与工作原理 1.2 开关电源主要类型 1.3 开关电源主要结构 1.4 开关电源辅助技术 1.5 开关器件的选择与驱动 1.6 整流电路 1.7 电源指标测试与电源管理 1.8 电磁兼容技术与噪声 第1章 开关电源基本原理 1.1 开关电源的组成与工作原理1.1.1 开关电源工作原理开关电源的工作原理可以用图1-1进行说明。图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输入端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管。开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑
2、滤波就可得到稳定的直流输出电压Uo。第1章 开关电源基本原理 图1-1 开关电源的工作原理第1章 开关电源基本原理 定义脉冲占空比如下：(1-1) 式中，T表示开关S的开关重复周期；ton表示开关S在一个开关周期中的导通时间。开关电源直流输出电压Uo与输入电压Ui之间具有如下关系：Uo=UiD (1-2)第1章 开关电源基本原理 1.1.2 开关电源的构成开关电源由以下四个基本环节组成(见图1-2)：(1) DC/DC变换器：用以进行功率变换，是开关电源的核心部分。DC/DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。 (2) 驱动器：
3、开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号放大、整形，以适应开关管的驱动要求。(3) 信号源：产生控制信号，由它激或自激电路产生，可以是PWM信号，也可以是PFM信号或其他信号。(4) 比较放大器：对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，达到稳定输出电压的目的。第1章 开关电源基本原理 图1-2 开关电源基本组成框图 第1章 开关电源基本原理 1.1.3 开关电源的特点开关电源具有以下特点：(1) 效率高。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小、效率高。调整管的效率一般为 80%90%，高的可达90% 以上。(
4、2) 重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，所以电源的重量只是同容量 线性电源的1/5，体积也大大缩小。(3) 稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在90270 V范围变化时，输出电压的变化在 2% 以下。合理设计电路还可使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。第1章 开关电源基本原理 (4) 安全可靠。在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，所以当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保护功能可靠。(5) 元件数值小。由于开关电源的工作频率高，一般在20 kHz以上，所以滤波元件的数值可以大大减小。(6) 功耗小。功率开关管工作在开关状态，其损耗小；
5、电源温升低，不需要采用大面积散热器。采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。第1章 开关电源基本原理 1.2 开关电源主要类型1.2.1 控制方式1脉冲宽度调制式由开关电源输出直流电压表达式(1-2)可知，控制开关管的导通时间ton，可以调整输出电压Uo，达到输出稳压的目的。脉冲宽度调制(PWM)方式是采用恒频控制，即固定开关周期T，通过改变脉冲宽度ton来实现输出稳压。开关器件的开关频率f由自激或它激方式产生。第1章 开关电源基本原理 2脉冲频率调制式脉冲频率调制(PFM)方式是利用反馈来控制开关脉冲频率或开关脉冲周期，实现调节脉冲占空比D，达到输出稳压的目的。3脉冲调频调宽式这种控制方式
6、是利用反馈控制回路，既控制脉冲宽度ton，又控制脉冲开关周期T，以实现调节脉冲占空比D，从而达到输出稳压的目的。第1章 开关电源基本原理 4其他方式若触发信号利用电源电路中的开关晶体管、高频脉冲变压器构成正反馈环路，完成自激振荡，使开关电源工作，则这种电源称为自激式开关电源。它激式开关电源需要外部振荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。它激式电源大多数需要专用的PWM触发集成电路。第1章 开关电源基本原理 1.2.2 连接分类电源以功率开关管的连接方式分类，可分为单端正激开关电源、单端反激开关电源、半桥开关电源和全桥开关电源；以功率开关管与供电电源、储能电感的连接方
7、式以及电压输出方式分类，可分为串联开关电源和并联开关电源。串联开关电源、并联开关电源、单端正激、单端反激、半桥及全桥开关电源的工作原理将在以后章节分别讨论。第1章 开关电源基本原理 1.2.3 输出取样方式取样电路是电源反馈电路的重要部分，取样方式对系统的稳定性有决定作用。取样方式是开关电源电路设计的重点工作之一。1直接取样电路图1-3为直接输出取样电路在开关电源中的应用实例。光电耦合器中三极管集电极电流IC的大小与发光二极管电流IF及光电耦合系数h成正比例关系，即IC=hIF (1-3)第1章 开关电源基本原理 图1-3 直接输出取样电路 第1章 开关电源基本原理 当开关电源的输出电压因输入
8、电压升高或负载减轻而升高时，开关电源 +B滤波电容C561两端升高的电压一路经取样电阻R555、R556取样，光电耦合器OC515的1脚电压升高，即发光二极管正极电位升高；另一路经取样电阻R552、RP551、R553取样，误差放大管VT553的基极电位升高，由于VT553发射极接有稳压管，其发射极电位不变，所以VT553加速导通，集电极电位下降，于是OC515内的发光二极管发光强度增大，OC515内的光电三极管内阻下降，脉宽调节电路的VT511、VT512相继导通，开关管VT513导通时间减小，使输出电压下降到正常值。第1章 开关电源基本原理 采用直接输出取样方式的开关电源安全性好，且具有便
9、于空载检修、稳压反应速度快、瞬间响应时间短等优点。由误差取样电路与误差放大电路组成的三端误差取样放 大器电路如图1-4所示。该电路不但简化了结构，而且提高了电路的可靠性。第1章 开关电源基本原理 图1-4 三端误差取样放大器电路 第1章 开关电源基本原理 2间接取样电路图1-5是一个开关电源的间接输出取样电路。在开关变压器上专门设置有取样绕组(即、绕组)，取样绕组感应的脉冲电压经VD811整流，在滤波电容C815两端产生供取样的直流电压。由于取样绕组与次级绕组采用了紧耦合结构，所以滤波电容C815两端电压的高低就间接反映了开关电源输出电压的高低。间接输出取样方式的缺点是响应慢，当输出电压因输入
10、电压等原因发生突变时，输出电压的变化需经开关变压器磁耦合才能反映到取样绕组两端，所以稳压的动态效果一般。第1章 开关电源基本原理 图1-5 间接输出取样电路第1章 开关电源基本原理 1.3 开关电源主要结构1串联型结构串联开关电源工作原理方框图如图1-6所示。功率开关晶体管VT串联在输入与输出之间，正常工作时，它在开关驱动控制脉冲的作用下周期性地在导通和截止之间交替转换，使输入与输出之间周期性地闭合与断开。输入不稳定的直流电压通过功率开关晶 体管VT后输出为周期性脉冲电压，再经滤波后就可得到平滑的直流输出电压Uo。Uo与功率开关晶体管VT的脉冲占空比D有关，见式(1-2)。输入交流电压或负载电
11、流的变化将引起输出直流电压的变化，通过输出取样电路将取样电压与基准电压相比较，误差电 压通过误差放大器放大，去控制脉冲调宽电路的脉冲占空比D，就可达到稳定直流输出电压Uo的目的。第1章 开关电源基本原理 串联开关电源中的功率开关管VT串在输入电压Ui与输出电压Uo之间，因此对开关管耐压要求较低。但是由于输入电压和输出电压共用地线，故电源输入与输出间不隔离。第1章 开关电源基本原理 图1-6 串联开关电源原理图 第1章 开关电源基本原理 2并联型结构并联开关电源工作原理方框图如图1-7所示。功率开关晶体管VT与输入电压、输出负载并联，输出电压为(1-4) 图1-7是一种输出升压型开关电源，电路中
12、有一个储能电感，适当利用这个储能电感可将并联开关电源转变为广泛使用的变压器耦合并联开关电源。第1章 开关电源基本原理 图1-7 并联开关电源原理图 第1章 开关电源基本原理 变压器耦合并联开关电源原理图如图1-8所示。图1-8 变压器耦合并联开关电源原理图 第1章 开关电源基本原理 功率开关晶体管VT与开关变压器初级绕组串联，连接在电源供电输入端，它在开关脉冲信号的控制下周期性地导通与截止。集电极输出的脉冲电压通过变压器耦合在次级得到脉冲电压，这个脉冲电压经整流滤波后得到直流输出电压 Uo。经过取样电路将取样电压与基准电压UE进行比较，误差电压通过误差放大器放大后输出至功率开关晶体管VT，通过
13、控制VT的导通与截止达到控制脉冲占空比的目的，从而稳定直流输出电压。由于采用变压器耦合，所以变压器的初、次级相互隔离，使初级电路地与次级电路地分开，做到次级电路地不带电，使用时很安全。同时由于变压器耦合，可以使用多组次级绕组，在次级得到多组直流输出电压。第1章 开关电源基本原理 3正激式结构正激式开关电源电路如图1-9所示，是一种采用变压器耦合的降压型开关稳压电源。加在变压器N1绕组上的脉冲电压振幅等于输入电压Ui，脉冲宽度为功率开关管VT导通时间ton的开关脉冲序列，变压器次级开关脉冲电压经二极管VD1整流变为直流。电源中功率开关管VT导通时变压器初级绕组励磁电流最大值为(1-5) 式中：L
14、N1表示变压器初级绕组N1的电感量；D表示脉冲占空比；T表示脉冲开关周期。第1章 开关电源基本原理 图1-9 正激式开关电源电路 第1章 开关电源基本原理 正激式开关电源的特点是：当初级的功率开关管VT导通时，电源输入端的能量由次级二极管VD1经输出电感L为负载供电；功率开关管VT断开时，由续流二极管VD2继续为负载供电，并由消磁绕组N3和消磁二极管VD3将初级绕组N1的励磁能量回馈到电源输入端。 第1章 开关电源基本原理 4反激式结构反激式开关电源电路如图1-10所示。功率开关管VT导通时，输入端的电能以磁能的形式存储在变压器的初级绕组N1中，依据图中次级N2同名端标注，二极管VD1不导通，
15、负载没有电流流过。功率开关管VT断开时，变压器次级绕组以输出电压Uo为负载供电，并对变压器消磁。反激式开关电源电路简单，输出电压Uo既可高于输入电压Ui，又可低于Ui，一般适用于输出功率为200 W以下的开关电源中。第1章 开关电源基本原理 图1-10 反激式开关电源电路 第1章 开关电源基本原理 5半桥型结构当要求电源输出功率较大时可采用半桥型开关电源，其 工作原理和波形如图1-11所示。两个功率开关晶体管VT1和 VT2在开关驱动脉冲的作用下，交替地导通与截止。当开关 管VT1导通时，在输入电压Ui作用下，电流经VT1、变压器 初级绕组N1和电容C2给变压器初级绕组N1励磁，同时经次 级二极管VD1、绕组N2给负载供电。当开关管VT1截止、 VT2导通时，输入电源经C1、变压器初级绕组N1、开关管 VT2给变压器初级绕组N1励磁，同时经次级二极管VD2给负 载供电。所以，电源通过功率开关管VT1、VT2交替给变压 器初级绕组N1励磁并为负载供电。变压器初级的脉冲电压 幅度为Ui/2。同样，电容C1、C2上的电压也分别为Ui/2。第1章 开关电源基本原理 图1-11 半桥型开关电源原理图和波形图 第1章 开关电源基本原理 半桥型开关电源的自平衡能力强，不易使变压器由于 VT1、VT2的导通时间不一致而产生磁饱和现象，导致功率开关管VT1、VT
