开关电源学习介绍

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1、引言电源有如人类的心脏，是所有电设备的动力，但电源却不象心脏那样形式单 一。因为，标志电源特性的参数有电压、功率、频率、噪声及所带负载参数的变 化等；在同一参数要求下，又有体积、重量、形态、功率、可靠性等指标。人们 可按此去“塑造”和完美电源，因此电源的形式是极多的。在有些情况下，一般电力要经过转换才能符合使用的需要。例如，交流转换 成直流，高电压转换成低电压等。这一过程有人形象地比喻为“粗电”炼成“精 电”，“粗电”炼成“精电”才好使用。按照电力电子地习惯称谓，AC-DC （理解为AC转换成DC,其中AC表示 交流电， DC 表示直流电）称为整流（包括整流及离线式交换）， DC-AC 成为逆

2、 变， AC-AC 称为交流-交流变频（同时也变压）， DC-DC 称为直流-直流变换。为 达到转换目的，手段是多样的。20世纪 60 年代前，研发了半导体器件，并以此 器件为主实现这些变换。电力电子学科从此形成并有了 30年的迅速发展。所以， 广义地说，凡用半导体功率器件做开关，将一种电源形态转变为另一种形态的主 电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称 开关稳压电源（简称开关电源）。开关电源主要组成部分时 DC-DC 变换器，因 为它是转换的核心，涉及频率变换。目前DC-DC变换中所用的频率提高最快， 它在提高频率中碰到的开关过程、损失机制，为提高效率而采用的

3、方法，也可作 为其它转换方法参考。第一章 开关电源的概述1.1 开关电源的发展史1955年美国的科学家罗耶（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示换流设备。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，

4、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。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，又使开关电源的体积和重量大为减小，开关电源才真正 做到了效率高、体积小、重量轻。70 年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、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

5、、彩 色电视机等领域，从而使无工频变压器开关电源成为各种电源的佼佼者。1.2 开关电源类型和原理现在，电子技术和应用迅速地发展，对电子仪器和设备的要求是：性能上， 更加安全可靠，在功能上，不断地增加。在使用上自动化程度越来越高。在体积 上，要日趋小型化。这使采用具有众多优点的开关电源就显得更加重要了。所以， 开关电源在计算机、通信、航天、彩色电视等方面都得到了越来越广泛的应用， 发挥了巨大的作用，这大大促进了开关电源的发展，从事这方面研究和生产的人 员也在不断地增加，开关电源的品种和类型也越来越多。下面的组图给出了各种 类型开关电源的原理图。图1-1串联型S图1-2并联型CK2 20V 4VD

6、RLfoiJO图l-d可控硅型图1-4晶体管型(1) 按储能电感与负载的连接方式划分串联型 储能电感串联在输入与输出电压之间，电路形式如图1-1所示。并联型储能电感并联在输入与输出电压之间，电路形式如图1-2所示。(2) 按开关晶体管的类型划分晶体管型采用晶体管作为开关管，电路形式如图1-4所示。可控硅型采用可控硅作为开关管，这种电路的特点是直接输入交流 电，不需要一次整流部分，其电路形式如图 1-3 所示。(3) 按激励方式划分他激式电路中转设激励信号的振荡器，电路形式如图1-5所示。自激式 开关管兼作振荡器中的振荡管，电路形式如图1-6所示。(4) 按开关管电流的工作方式划分开关型用开关晶

7、体管把直流变成高频标准方波，电路形式类似于他激式。谐振型 开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准正弦波，电路形式类 似于自激式。(5) 按调制方式划分脉宽调制型振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，有时通过取样电路、耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。频率调制型占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定 输出电压的幅度。混合调制型通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。(6) 按工作方式划分可控整流型所谓可控整流型开关电源，是指采用可控硅整流元件作为调整开关管，可由 交流市电电网直接供电，也可用变压器变压后供电。(这种供电方

8、式在开关电源 刚兴起的初期常常采用，目前基本上不太采用)在可工作的半波内，截去正弦曲 线的前一部分，这一部分所占角度称为截止角，导通的正弦曲线的后一部分称为 导通角。依靠调节导通角的大小，可达到调整输出电压和稳定电压的目的。其电 路如图 1-8 所式。斩波型斩波型开关电源是指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电路 的输出端得到单向的脉动直流，经过滤波得到与输入电压不同的稳定的直流电 压，电路还从输出电压取样，经过比较、放大、控制脉冲发生电路产生的脉冲信 号，用以控制调整开关的导通时间和截止时间的长短或开关的工作频率，最后达 到稳定输出电压的目的。电路的过压保护电路也是依据这一部分提供

9、的取样信号 来进行工作的，斩波型电路形式如图 1-7 所示。(7) 按晶体管的连接的连接方式划分单端式仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，这种电路的特点是价格低，电路结构简单，但输出功率不能提高，其电路形式如图 1-1、图 1-2 和图 1-3所示。推挽式使用两个晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式。这种电路的特点是开关变压器必须具有中心抽头，电路形式如图 1-9。半桥式使用两个晶体管，将其连接成半桥形式。它的特点是适应于输入电压较高的场合。电路形式如图 1-10所示。全桥式 使用四个开关晶体管，将其连接成全桥形式。它的特点是输出的 功率比较大。其电路形式如图 1-11所示。(8) 按输入与输

10、出的电压大小划分升压式 输出电压比输入电压高，实际就是并联型开关电源。降压式 输出电压比输入电压低，实际就是串联型开关电源。(9) 按电路结构划分散件式 整个开关电源电路都是采用分立元器件组成的，它的电路结构较 为复杂，可靠性较差。集成电路式整个开关电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的，这 种集成电路通常为厚膜电路。有的厚膜集成电路中包括开关晶体管，有的则不包 括开关晶体管。这种电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。彩色电 视机中常采用这种开关电源。以上五花八门的开关电源的品种都是站在不同的角度，以开关电源不同的特 精品文档点命名的。尽管各种电路的激励方法、输出直流电压的调节手段、

11、储能电感的连 接方式、开关管器件种类以及串并联结构等各不相同，但是它们最后总可以归结 为串联型开关电源和并联型开关电源这两大类。开关调整元件220V整硫电路图1-12开关电源原理图及等效原理图1.3 开关电源的优缺点1、开关电源的优点1 .功耗小，效率高。在图 1-12 中的开关电源电路中，晶体管 V 在激励信 号的激励下，它交替地工作在导通截止和截止导通的开关状态，转换速度很 快，频率一般为 50kHz 左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近 1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其 效率可达到 80%。2 .体积小，重量轻。从开关电源的原理框图可

12、以清楚地看到这里没有采用 笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的 散热片。由于这两方面原因，所以开关电源的体积小，重量轻。3 .稳压范围宽。从开关电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的， 输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变 化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽， 稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样， 开关电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可 以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关电源。4 .滤波的效率大为提高，使滤波电

13、容的容量和体积大为减少。开关电源的 工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后 的滤波效率几乎也提高了 1000 倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提 高了 500b 倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关电源时，滤波电容的容量只 是线性稳压电源中滤波电容的 1/5001/1000。5 .电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有 单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同 应用场合的开关电源。2、开关电源的缺点开关电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关电源中，功率调整开关晶 体管 V 工作在状态，它产生的

14、交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰 干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会 严重地影响整机的正常工作。此外由于开关电源振荡器没有工频变压器的隔离， 这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重 的干扰。目前，由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技 术先进国家还有一定的差距，因而造价不能进一步降低，也影响到可靠性的进一 步提高。所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中，开关电源还不能得到十 分广泛的普及及使用。特别是对于无工频变压器开关电源中的高压电解电容器、 高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件

15、，在我国还处于研究、开发 阶段。在一些技术先进国家，开关电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也 还存在一些问题，不能十分令人满意。这暴露出开关电源的又一个缺点，那就是 电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。对此，如果设计者和制造者不予以充分重 视，则它将直接影响到开关电源的推广应用。当今，开关电源推广应用比较困难 的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。1.4 目前正在克服的困难随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集 成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断地缩小，重量在不断地减轻，所 以从事这方面研究和生产的人们对开关电源中的开关变压器还感到不是十分理 想，他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过 别的途经取代开关变压器，使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要，这是 从事开关电源研制的科技人员目前正在克服的一个困难。开关电源的效率是与开关管的变换速度成正比的，并且开关电源中由于采用 了开关变压器以后，才能使之由一组输入得到极性、大小各不相同的多组输出。 要进一步提高开关电源的效率，就必须提高电源的工作频率。但是，当频率提高 以后，对整个电路中的元器件又有了新的要求。例如，高频电容、开关管、开关 变压器、储能电感等都会出现新的问题。进