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1、 开关电源基础知识培训资料工程技术研发中心 何爱平 2010.5.12目录一、开关电源的基本概念 二、开关电源最常用的三种拓朴电路 三、典型反激式开关电源的电路分析 四、开关的电源的工程设计 五、开关电源常见的故障分析 六、有关开关电源的概念问题 七、开关电源的发展方向Date开关电源的基本概念1-什么是开关电源l什么是开关电源？开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率， 维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控 制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功 率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功
2、率点上 ，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和 创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电 力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。 开关电源中应用的电力电子器件主要为快速恢复二极管、肖特基二极管和 MOSFET，SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用。l开关电源的三大特征1、开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态；2、高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频；3、直流：开关电源输出的是直流而不是交流。l开关电源的种类分类方法多种多样。分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已 实现模块化，且设计
3、技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已 得到用户的认可。但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的 进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。又可分为离线式非离线 式，反激式、正激式、半桥式全桥式， Adaptor/内置式开关电源open open frame等。l我们公司常用的是AC/DC开关电源，都是离线反激式，2W120W，有Adapter 也有内置式。都由以下几部分组成：输入滤波器、整流、逆变器、输出整流器及 输出滤波电路，控制电路保护电路等。Date开关电源基本概念2-线性电源PK开关电源l线性电源：优点：线性电源将交流电先经工频变压器变压、再整流滤波，线性 调整电路使
4、输出稳定度很高、纹波很小，基本无干扰及噪声，技术 成熟，在一定功率范围内有成本优势；缺点：调整管工作在线性状态，调整管上的压差，导致损耗大，效 率低，3560%，很难满足能效指令；体积大笨重；当电源功率达 到一定程度（1015W）时，其与开关电源相比已无成本优势；输 入电压范围受限，只能用在降压条件下。l开关电源：优点：体积小重量轻(线性电源的2030%)；效率高7095%,易满足 各国的能效要求；输入输出电压范围宽，模块化。缺点：电路复杂、开发、制程难度较大，由于工作在高频（ 50K300K），干扰大、EMC难解决。总而言之，开关电源正逐渐取代线性电源，应用领域越来越广泛。Date开关电源基
5、本概念3-主要技术指标输入要求；1、输入电压范围，2、输入电压频率，3、额定输入电流，4、输入电压跌 落及瞬间停电，5、浪涌冲击电流，6、静态功耗效率，能效标准，7、输 入单相或三相制，单相分两线制或三线制（class，class)，8、保险管 。输出要求：1、额定输出电压，2、额定输出电流，3、稳压精度：电压调整率，负载调 整率，纹波及噪声；4、瞬态特性：启动时间，保持时间，输出电压的上升 时间、下降时间、过冲、欠冲。保护功能及附属功能：1、OCP，OVP，OTP，欠压保护，限功率；2、 绝缘电阻、绝缘电压、漏电流。结构要求：1、外形尺寸，2、外包装，3、安装条件，4、冷却方式，5、接口方式
6、，6 、重量，7、名牌。安规标准及EMC标准： 1、认证标志，3C，UL，GS，PSE，2、EMI测试标准。使用环境条件：温度，湿度，耐震动冲击寿命：。MTBF，MIL-STD-217F，XXXX小时Date开关电源基本概念4专业术语SMPS-switch mode power supply 开关电源 PCB-Print circuit board 印刷电路板 PFC-power factor correction 功率因素校正 PWM-Pulse width modulation 脉宽调制 FET- Field effect transistor 场效应管 MTBF-Meantime bet
7、ween failure 平均无故障时间 NTC-Negative temperature coefficient 负温度系数 SOA- Safe operating area 安全工作区 UVLO-under voltage lockout 欠压锁定 OCP-Over current protection 过流保护 OVP-Over voltage protection 过压保护 OTP-Over temperature protection 过温保护 Irms. Iavg, Ir, Ip 电流的 有效值，平均值，纹波值，峰值 EMC=EMI+EMS，电磁兼容 RFI-Radio frequ
8、ency interference 射频干扰100KHZ300GHZ ROHS-Restriction of hazardous substanceDate开关电源最常用的三种拓朴电路1BUCK Converter 工作原理l降压电路（Buck）其主要原件为：开关管SW、续流流二级管D 、电感L、电容C和负载电阻RL。lON-Stage:当SW导通时，电流经S、L到负载，能量同时储存在电感中，输出平 均直流电压Vo；Date开关电源最常用的三种拓朴电路2BUCK Converter 工作原理lOff Stage:当SW 断开时，没有能量输入，输出到负载的能量来自电感，电 感L电流方向不变， I
9、L是下降的。感应电压使D上负下正导通续流，电容平 滑输出电压；Date开关电源最常用的三种拓朴电路3BUCK converter 基本公式lBuck的两个基本的公式在电感电流连续模式CCM下 ：Vo=（Ton/T）Vin=D VinL=（(Vin-Vout)*Vout） /(I*f*Vin)，这里的I一 般取输出电流的1030% 。Datel升压电路（Boost）其主要元件：压控开关Q、二极管D、电感L、 电容C和负载电阻RL。开关电源最常用的三种拓朴电路4Boost Converter 工作原理Date开关电源最常用的三种拓朴电路5Boost Converter 工作原理lOn Stage：
10、 Q导通时，输入电压Vin全部加在电感上，同时在L上储存能量，负载的 电流全来自C放电；lOff Stage：Q截止时，电感L电流方向不变，电压反向，这时L上的电压为左负右正 ，L上的自感电压和Vin相加为输出电压Vo，所以Vo高于Vin，这个高电压经D一部分 为R供电，另一部分为C充电。这里的D是阻碍C的输出电压给Q短路烧坏Q，这里的 C在设计时要求大点，用CLC滤波，纹波更小。Date开关电源最常用的三种拓朴电路6Boost Converter 基本计算公 式l对于电感电流连续模式DDM：lVo=（Ton+Toff）/Toff）*Vin又因Ton+Toff=T， 所以：Vo/Vin=1/（
11、1-D）l计算L的公式很多，我们列出一 个：L=Vin2*Ton/0.2Po=Vin2*Ton/0.2 Io*Vo也有人用：L=Vin*Ton/0.2Ii；这里也有人取：L=Vin*(Vout-Vin)/(I*f*Vout)Date开关电源最常用的三种拓朴电路7Buck-Boost Converter 工作 原理l其主要元件：开关Q、二极管D、电感L、电容C2和负载 电阻。Date开关电源最常用的三种拓朴电路8Buck-Boost Converter 工作 原理l工作原理1、当开关管Q导通Ton时，输入的直流电压Vi全部加在电感L两端， 电感上的电压是上正下负，电感中的电流方向是由上向下流的，
12、 在原来的基础上线性增加，此时的电感储存能量；2、当开关管Q截止Toff时，电感中的磁能变成电能，电感L两端相当 于一个电源变压器的绕组两端一样向外供电，电感中的电流方向 与原来方向相同，仍由上向下流动，但电压极性是上负下正，这 个负电压，通过二极管D整流和电容器C2滤波后，输出负的直流 电压加在负载RL上。l特点：1、 所谓反转式，就是输入电压的正负极性颠倒后输出。输出和输入 相比可升可降。2、buck-boost 是唯一纯“反激”拓朴，即从输入到输出的所有能量必 须先存储在电感中，其他电路都不具备此特性。Date开关电源最常用的三种拓朴电路9Buck-Boost Converter 计算
13、公式l输出电压为：Vo/Vi = -D/1-Dl这里给出电感的计算公式：L=(Vin-Vout)/(I*f)*(Vout-Vin)总结：如何区分以上三种拓朴？这取决于电感的连接方式。设置合适的参考地后，可以得到三个不同的端子，输入端，输出 端，参考地。若电感一端与地连接，则得到BUCK-BOOST电路； 若电感一端与输入端连接，则得到 BOOST电路；若电感一端与输 出端连接，则得到 BUCK电路。Date开关电源最常用的三种拓朴电路9衍生电路基于变压器的Converter：lbuck+Transformer=Forword Converter；lBuck-Boost+Transformer=
14、Flyback Converter,简单，成本低，适合小于150W，目前我们公司所有的产品基本上都是反激 式。注意变压器的同名端。特殊的反激式电路：RCC，QR。基本计算公式：Vo/Vi = （Ns/Np）（D/1-D）l Boost+Controller= PFC Converter；l LLC；l Full-Bridge Converter总结：理论深，公式多，但只要抓住以下两个纲就可以了。法拉第电磁感应定律 （Lenz law)伏秒平衡法则Date典型反激式开关电源的电路分析1l实物照片 YJS120A：Date典型反激式开关电源的电路分析2l120W （YJS120A） 电路原理图：D
15、ate常用反激式开关电源的电路分析 3-工作原理电路构成：1、输入部分：保险管，抗雷击的压敏电阻，抗浪涌电流的NTC，滤波电感-模电感、 差模电感，滤波电容-X 电容、Y 电容，整流； 2、PFC 部分：BOOSTER 电路,IC 控制电路组成3、DC-AC 逆变器（核心）主要包括：变压器，开关管，PWM IC 及控制环路，保护电路，起动电路Snuber 电 路4 、输出部分：整流、滤波、稳压工作原理：通市电，经起动电阻R32 R33 R34给电容C8充电到15V-UVLO(OFF)。IC 开始工作 ，输出PWM 脉冲，驱动MOSFET Q2导通，由于输出整流二极管D5、D6反偏截止 ，能量存
16、储在变压器T2原边电感。当变压器原边电流上升到输出反馈的设定值，无 输出脉冲，MOSFET Q2关断，D5、D6导通，进入反激阶段，能量从变压器原边传 递到变压器次级，经整流滤波给客户负载供电。如此周而复始，直至关机或保护。变压器和电感的两套公式都适用于反激式电源变压器:V=L(di/dt) Vp/Vs=Np/Ns, Ip/Is=Ns/Np开关管导通：从初级到次级输出计算。开关管关断：从次级到次级初级计算。Date开关电源的工程设计 1基本流程l首先根据客户的技术要求区分：标准产品的衍生品、全新的电源开发 ， 走两条不同的开发流程l衍生品（Modified）：基于成熟的电路，采用标准化元件l开关电源新产品的开发流程Pilot样机EVT工程验证 DVT 设计验证 PVT试产；l开关电源的工程设计方法及步骤：1.电路确定及元件选型：PI 公司的一文献将反激式开关电源电路设计细分为35个步骤，可以简化为：设计输入条件（Vin,fs,Vo.Po,n,Z) 选
