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1、2018/9/16,1,复习：开关电源的内容,一、 电源的重要性：一切设备需要电源；设备的更新，电源也跟随更新 。电源无法集成：（1）电源的功率很大；（2）不同的设备需要不同的电源，包括电压、电流、功率密度、体积、效率、EMI等等。 （3）变压器、电感、大的电解电容也无法集成。（4）电源的功率大，损耗也很大，散热也是一个问题。,2018/9/16,2,1. 了解开关电源的应用。2. 开关电源的结构（组成部分）。3. 元器件的选择MOS管、二极管、电阻和电容4. 掌握拓扑结构的工作原理，能画出原理图。5. 磁性元器件（变压器和电感）的特性。6. PWM控制方法-UC3842的应用。7.电源输入级
2、电路的介绍。8. 功率因数校正（PFC）。9.同步整流及其控制方法。10. 用UC3842控制的反激电路的工作原理，每个元器件在电路中的作用，每一部分电路的作用。11. 规格说明书-IPS和Test Plan。,二、 开关电源的内容 (知识点）,2018/9/16,3,二、 开关电源的内容 (技能和能力）,1. 学会分析电路工作原理。2. 掌握调试电路的方法，明白每一步调试的作用。3. 掌握测试电路的方法。4. 学会如何分析电路故障和排除电路故障。5. 熟悉电路中元件布局的一些简单规则。,2018/9/16,4,2、电源电路的结构框图和完整的电路图,a. 离线式开关电源的结构框图：direct
3、-off-line switching power supply,AC input,DC output,b. 模块开关电源的结构框图：module switching power supply,2018/9/16,5,离线式电源电路图,模块电源电路图1,模块电源电路图2,2018/9/16,6,3. 功率器件之一：MOS管 MOS管的等效电路 （输入输出电容 Cgs Cds，反并联二极管） 2. MOS管的三个工作区域条件 MOS管的参数：Rds（on），Vds Ids（与温度有关） 功率损耗等 MOS管的驱动：三种驱动方法（MOS管属于电压型控制器件，GS之间的电压来控制D、S之间的导通情况
4、。） 4. MOS管的封装以及生产的公司HAT2140的datasheet1 STD5NM50T4的datasheet,2018/9/16,7,B. MOS管的门极驱动电路： 1) 直接驱动,电阻R1的作用是限流和抑制寄生振荡，一般为10ohm到100ohm，R2是为关断时提供放电回路的；稳压二极管D1和D2是保护MOS管的门极和源极；二极管D3是加速MOS的关断。,2018/9/16,8,2) 互补三极管驱动,电阻R1和R3的作用是限流和抑制寄生振荡，一般为10ohm到100ohm，R2是为关断时提供放电回路的；二极管D1是加速MOS的关断。,当MOS管的功率很大时，而PWM控制芯片输出的P
5、WM信号不足已驱动MOS管时，加互补三极管来提供较大的驱动电流来驱动MOS管。,2018/9/16,9,3) 耦合驱动（利用驱动变压器耦合驱动）,当驱动信号和功率MOS管不共地或者MOS管的源极浮地的时候，比如Buck变换器或者双管正激变换器中的MOS管，利用变压器进行耦合驱动。驱动变压器的作用：1. 解决驱动MOS管浮地的问题；2. 减少干扰。,2018/9/16,10,4. 拓扑结构1. 拓扑结构的类型：非隔离：Buck 、Boost和Buck-Boost； 隔离的：flyback、forward、half bridge、full bridge、 push-pull 2. 分析拓扑的工作原
6、理（稳态分析）（CCM和DCM）：Buck、Boost 和double forward 等。,2018/9/16,11,降压式变换器（Buck Converter）的介绍,MOS管；续流二极管（freewheel）D；滤波电感L； 滤波电容C；负载RL。,1. Buck变换器的结构,Buck变换器的结构如右图所示：,2018/9/16,12,2. Buck变换器的工作原理分析,Buck变换器存在两种导电模式，即连续导电模式CCM (Continuous Conduction Mode)和不连续导电模式DCM (Discontinuous Conduction Mode)。连续导电模式是指在一个
7、周期内电感电流是连续的（两种开关模态a和b)；而不连续导电模式是指电感电流在一个周期内是断续的也就是有一段时间电感电流为零(三种开关模态a、b 和c)。,2018/9/16,13,(a),(b),(c),Buck变换器工作在不同模态的等效电路,2018/9/16,14,Buck变换器在连续模式和不连续模式的主要波形,2018/9/16,15,讨论电感电流连续时变换器的工作原理(稳态）：,分析之前作如下假设：（1） 所有有源器件Q和D导通和关断时间为零。导通时电压为零，关断时漏电流为零。（2） 在一个开关周期中，滤波电容电压，即输出电压Vout，有很小纹波(电压），但可认为基本保持不变,其值为V
8、o。（3） 电感和电容均为无损耗的储能元件。,2018/9/16,16,(1) 模态1 0Ton 对应于图 (a) 在t=0时，Q1导通，Vin通过Q1 加到二极管D1 和输出滤波电感Lf 、输出滤波电容Cf上以及给负载供电，因此续流二极管D1截止，电源Vin对电感Lf充电，其电流iLf线性上升，上升斜率为 (Vin-Vo)/Lf。在t=Ton时，iLf达到最大值ILfmax。在Q导通期间，iLf的增长量iLf（+）=,2018/9/16,17,(2) 模态2 TonTs 对应于图 (b) 在t=Ton时，Q1关断， iLf 通过二极管D1 继续流通。加在Lf 上的电压为-V0， iLf线性减
9、小。下降斜率为-Vo/Lf。在t=Ts时，iLf达到最小值ILfmin。在Q截止期间，iLf的减小量iLf（-）=,在t=Ts时，Q1又导通，开始下一个开关周期。,2018/9/16,18,稳态工作时，电感电流iLf的波形为一个三角波，周期性地在ILfmin到ILfmax的范围内变化。Q导通期间ILf的增长量等于它在Q截止期间的减小量。即：,3. Buck变换器的基本关系式,由前面的分析可以得到：,化简得到：,2018/9/16,19,稳态时，一个开关周期内输出滤波电容Cf的平均充电与放电电流为零，故变换器输出电流I0就是iLf的平均值，即,假定变换器的损耗为零，那么输出功率P0=V0*I0等
10、于输入功率Pin=Vin*Iin ，即,推导 ILfmax 和 ILfmin,2018/9/16,20,电感电流最大值和最小值分别为：,通过开关管Q和二极管D的平均电流为：,2018/9/16,21,实际电容有损耗，即具有等效串联电阻ESR，这时输出电压脉动的计算公式为：,升压式变换器（Boost Converter）的介绍,MOS管；升压二极管（step-up）D；滤波电感L； 滤波电容C；负载RL。,1. Boost 变换器的结构,Boost变换器的结构如右图所示：,2. Boost变换器的工作原理分析,Boost变换器存在两种导电模式，即连续导电模式CCM (Continuous Con
11、duction Mode)和不连续导电模式DCM (Discontinuous Conduction Mode)。连续导电模式是指在一个周期内电感电流是连续的（两种开关模态a和b)；而不连续导电模式是指电感电流在一个周期内是断续的也就是有一段时间电感电流为零(三种开关模态a、b 和c)。,(a),(b),(c),Boost变换器工作在不同模态的等效电路,Boost变换器在连续模式和不连续模式的主要波形,讨论电感电流连续时变换器的工作原理(稳态）：,分析之前作如下假设：（1） 所有有源器件Q和D导通和关断时间为零。导通时电压为零，关断时漏电流为零。（2） 在一个开关周期中，滤波电容电压，即输出电
12、压Vout，有很小纹波(电压），但可认为基本保持不变,其值为Vo。（3） 电感和电容均为无损耗的储能元件。,(1) 模态1 0Ton 对应于图 (a) 在t=0时，Q1导通，Vin通过Q1 升压电感Lf，其电流iLf线性上升，上升斜率为 Vin/Lf。负载由滤波电容Cf供电。在t=Ton时，iLf达到最大值ILfmax。在Q导通期间，iLf的增长量iLf（+）=,(2) 模态2 TonTs 对应于图 (b) 在t=Ton时，Q1关断， iLf 通过二极管D向输出侧流动， 继续流通。电源和电感Lf的储能向负载和电容Cf转移，给Cf充电。此时加在Lf上的电压为Vin-V0，因为VinV0，故iLf
13、线性减小。在t=Ts时，iLf达到最小值ILfmin。在Q截止期间，iLf的减小量iLf（-）=,在t=Ts时，Q1又导通，开始下一个开关周期。,稳态工作时，电感电流iLf的波形为一个三角波，周期性地在ILfmin到ILfmax的范围内变化。Q导通期间ILf的增长量等于它在Q截止期间的减小量。即：,3. Boost变换器的基本关系式,由前面的分析可以得到：,化简得到：,在一个开关周期中，电感Lf都有一个储能和能量通过D的释放过程，也就是说必然有能量送到负载端。因此，如果该变换器没有接负载，则这部分能量不能消耗掉，必会使V0不断升高，最后使变换器损坏。这是Boost变换器与Buck变换器的本质不
14、同点。,若Boost变换器的损耗可忽略，则有,式中，I0和Ii分别为变换器输出电流和输入电流平均值。通过D的电流平均值ID等于负载电流I0 。,通过Q的电流平均值IQ为：,通过Q和D的电流最大值与电感电流最大值相等。Q和D分别截止时加在它们上的电压均为输出电压V0。,2018/9/16,32,学习网址 ,2018/9/16,33,反激式变换器 （Flyback Converter）的介绍,反激变换中变压器有两个绕组：原边绕组W1和副边绕组W2，两绕组要紧密耦合。反激式变换器的电路图如下图所示：,原边,副边,W1,W2,+,-,Vout,1. 反激式变换器的拓扑结构/电路图,图中绕组符号
15、标有“*”号的一端，表示变压器各绕组的同名端，也就是该绕组的始端。 Flyback变换器由于电路简洁，所用元器件少，适合多路输出。,2. 和Boost、Buck变换器一样，Flyback变换器也有电流连续和断续两种工作方式。对Flyback变换器来说，电流连续是指变压器两个绕组的合成安匝在一个开关周期中不为零，而电流断续是指合成安匝在Q截止期间有一段时间为零。图中a、b、c 给出了变换器在不同开关模态下的等效电路图。,(a)Q导通,(b) Q关断,(C) Q关断，电 流断续,2018/9/16,36,3. 反激变换器的工作原理分析,下面讨论flyback工作在电流连续模式下的工作原理：,201
16、8/9/16,37,4. 基本关系式 稳态工作时，Q1导通期间磁通增长量等于它在截止期间磁通的减小量。即：Vin/W1*D*Ts =Vo/W2*(1-D)*Ts，则 Vo=Vin/K12*D/(1-D). 式中， K12=W1/W2是原边与副边绕组的匝比。,2018/9/16,38,作业,画出Buck、Boost、双管正激、反激变换器的拓扑结构，并列出输入和输出电压之间的关系式。,2018/9/16,39,5. 磁性元器件（变压器和电感）的特性,2018/9/16,40,第二部分：控制电路的介绍 Part ： Control Circuit Introduction,控制电路的作用：1. 对输出电压进行采样，稳定所需要的输出电压；2. 设置电路工作的频率。3. 保护功能：如OCP、OVP、OTP等。4. 实现电路中其他的一些功能：如控制LED指示灯的颜色：正常工作时灯的颜色，报警时灯的颜色。,
