開關電源原理第0章

1、1 開關電源及發(fā)展方向開關電源及發(fā)展方向 一一 什么是開關電源什么是開關電源 2 變換電能的電源變換電能的電源* * 同時具備以下三個條件的電源，稱為開關電源。 1 電源電源 * * 產(chǎn)生電能的電源：產(chǎn)生電能的電源：把其他能源轉換成電能3 開關電源開關電源 * * 線性電源 * * 相控電源 * * 開關電源* * 變換電能的電源：變換電能的電源：對電能形態(tài)進行變換 A 開關，開關，電路中的電力電子器件工作在開關狀態(tài)而不是線性狀態(tài)； B 高頻，高頻，電路中的電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻；C 直流，直流，電源輸出是直流而不是交流。 即，即，利用新型自關斷器件通過功率變換技術而制成的

2、高頻開關式直流穩(wěn)壓電源。 與線性穩(wěn)壓電源相比，與線性穩(wěn)壓電源相比，具有效率高、體積小和重量輕等突出優(yōu)點；但存在電路復雜、紋波大、干擾大的缺點。4 4 離線式開關變換器離線式開關變換器 是AC/DC變換器，由于交流輸入整流后，一般還都需要進行DC/DC變換，變換器中因有高頻變壓器隔離，故稱離線，并不是變換器與市電線路無關的意思。 5 傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術 6 開關電源的發(fā)展動力開關電源的發(fā)展動力 需要體積小、重量輕、效率高、性能好的新型電源，成為開關電源技術發(fā)展的強大動力。 * * 是一種通過串聯(lián)晶體管調整穩(wěn)壓、連續(xù)性控制的線性穩(wěn)壓電源，技術成熟，已有大量的集成穩(wěn)壓模塊生產(chǎn)。 * *

3、 具有穩(wěn)壓性能好、輸出紋波小、使用可靠等優(yōu)點；但需要體積大、笨重的工頻變壓器以及體積和重量都較大的濾波器。 * * 調整管工作在線性放大狀態(tài)，功率損耗大、效率低，需要加體積較大的散熱器。2. 高可靠性二二 開關電源的發(fā)展方向開關電源的發(fā)展方向1. 小型化 輕量化 高頻化3. 輸入電壓通用4. 擴大輸出電壓范圍5. 提高輸入側的功率因數(shù)6. 要求安全7. 分布式結構增多 (1) 利用無源濾波器三三 相關技術相關技術1. 專用集成控制電路2. 軟開關技術3. 電源系統(tǒng)的管理及控制4. CAD技術5. 高次諧波的抑制 (2) 有源濾波器1 高可靠性2 可維修性四四 對開關電源的要求開關電源的要求 *

4、 * 用平均故障間隔時間（MTBF）作為衡量開關電源可靠性的標志。一些電源模塊的MTBF50萬小時。 * * 減少損耗、提高效率、改善散熱條件是提高開關電源可靠性的基本方法。 * * 加強生產(chǎn)過程質量控制，保證好的電氣絕緣和機械強度等也十分重要。 * * 能及時診斷出故障部位、不用專用工具即能排除故障是可維修性好的衡量標志。 * * 可分為現(xiàn)場維修、車間維修。 * * 現(xiàn)場維修 要求在電源系統(tǒng)運行情況下，快速卸下故障模塊、更換新模塊，并使新模塊方便地投入系統(tǒng)運行。3 小的體積、重量4 提高市場競爭力 * * 車間維修 是對電源本身的維修，對于小功率模塊有時不再修理。 電子設備小型化，對電源提出

5、的要求。 * * 降低電源的生產(chǎn)成本 * * 降低電源的使用費用五五 與其他課程的關系及內(nèi)容與其他課程的關系及內(nèi)容1 1 基礎基礎 課程課程 * * 電路分析電路分析 * * 電力電子技術電力電子技術* * 電子技術電子技術 * * 控制理論基礎控制理論基礎2 2 相關課程相關課程 * * 軟開關變換技術軟開關變換技術3 3 課程內(nèi)容課程內(nèi)容 主要討論開關變換器主要討論開關變換器 * * 電源的發(fā)展方向、技術指標電源的發(fā)展方向、技術指標 * * 開關電源的控制電路開關電源的控制電路 * * 磁性器件的設計磁性器件的設計* * 電源基本電路的設計電源基本電路的設計* * 電力電子電路仿真技術電力

6、電子電路仿真技術* * 電子設備的電磁兼容技術電子設備的電磁兼容技術* * 電力電子裝置故障自動診斷技術電力電子裝置故障自動診斷技術* * 開關電源的熱設計開關電源的熱設計* * 開關電源的有源功率因數(shù)校正技術開關電源的有源功率因數(shù)校正技術 （1）張占松 開關電源的原理與設計4 4 參考文獻參考文獻 （2）王英劍 新型開關電源實用技術 （3）葉慧貞 新穎開關穩(wěn)壓電源 （4）楊 旭 開關電源技術 （5）周志敏 開關電源實用技術-設計與應用2 技術指標 一一 應用領域應用領域 * * 確定電源技術指標時，首先要明確使用電源的設備或工藝。二二 技術指標技術指標 1 輸入?yún)?shù)輸入?yún)?shù) (1) 相數(shù) *

7、 * 當開關電源的功率小于5kW時，可以選擇單相輸入。這樣，可降低主電路器件的電壓等級，降低成本。* * 確定應該遵循的各國安全標準。 * * 當開關電源的功率大于5kW時，應選擇三相輸入。這樣，可避免引起電網(wǎng)三相間的不平衡，同時還可以減小主電路中的電流，降低損耗。 (2) 輸入電壓 * * 國內(nèi)民用交流電源電壓三相380V、單相為220V。 * * 目前，開關電源流行采用國際通用電壓范圍，即單相85265V，這一范圍覆蓋了全球各種民用電源標準所限定的電壓，但對電源設計提出了較高的要求。 * * 輸入電壓為直流時情況比較復雜，從24V600V都有可能。 * * 輸入電壓指標通常包含額定值和變化

8、范圍兩方面內(nèi)容。 * * 輸入電壓范圍的下限影響變壓器的變比，上限決定了主電路元器件的電壓等級。 * * 輸入電壓變化范圍過寬，使設計中必須留過大裕量而造成浪費，應在滿足實際要求的前提下，盡量小。 * * 輸入電壓變化范圍一般為10%，考慮配線等因素有時也要求-15%+10%。 (3) 輸入頻率 (4) 輸入電流 * * 我國民用和工業(yè)用電的頻率均為50Hz，航空、航天、船舶用電經(jīng)常采用400Hz交流電（通常為115V單相或三相電）。 * * 400Hz交流電壓整流后的脈動頻率遠高于工頻，因此整流電路所連接的濾波電容可以減小很多。 * * 輸入電流通常包括額定輸入電流和最大輸入電流兩項。 *

9、* 輸入電流是輸入開關、接線端子、熔斷器和整流橋等元器件的設計依據(jù)。 * * 額定輸入電流是指輸入電壓和輸出電壓、輸出電流在額定條件時的電流，最大值發(fā)生在輸入電壓下限和輸出電壓上限、輸出電流上限時。 * * 三相輸入時，各相電流有時會發(fā)生失蘅現(xiàn)象，應取平均值。 (6) 漏電流 (7) 效率 (5) 沖擊電流 指輸入電壓按規(guī)定時間間隔接通或斷開時，輸入電流達到穩(wěn)定狀態(tài)前所通過的最大瞬時電流。 * * 流經(jīng)輸入側地線的電流，在開關電源中主要是通過靜噪濾波器（或稱EMI濾波器）的旁路電容泄漏的電流。* * 一般，規(guī)定在0.5mA1mA。 * * 是電源的重要技術指標,一般定義為電源輸出功率與電源輸入

10、有功功率之比。 * * 通常給出的是在額定輸入電壓和額定輸出電壓、額定輸出電流條件下的效率。 * * 提高效率，意味著電源損耗功率下降，則可降低電源溫升、提高可靠性、節(jié)約能源。 (8) 輸入功率因數(shù)* * 影響電源效率的因素 與開關頻率有關的損耗，包括開關器件的開關損耗、變壓器的鐵損、電感的鐵損以及吸收電路的損耗。 電路中的通態(tài)損耗，包括開關器件的導通損耗、變壓器的銅損、電感的銅損以及線路損耗。 其他損耗，包括控制電路損耗、冷卻系統(tǒng)的損耗等。 * * 一般來說，輸出電壓較高的電源的效率高于輸出電壓低的電源，這與輸出側整流二極管的通態(tài)壓降與輸出電壓的比值有關。 * * 指在輸入電壓為額定值、輸出

11、功率為額定值時，輸入相移功率因數(shù)和畸變因數(shù)（失真功率因數(shù)）的乘積，即：cosDiPFPF * * PFD是基波電流與基波電流及諧波的總有效值之比。 * * 是電壓與基波電流的相位差的余弦。COS其中21)(11THDIIPFRD122IITHDnn * * THD也稱諧波電流畸變度。 * * 目前，對保護電網(wǎng)環(huán)境、降低諧波污染的要求越來越高，許多國家和地區(qū)都已出臺相應標準，對用電裝置的輸入諧波和功率因數(shù)作出嚴格規(guī)定。2 輸出參數(shù)輸出參數(shù) (1) 輸出電壓 * * 輸出電壓通常給出額定值和調節(jié)范圍兩項內(nèi)容。 * * 輸出電壓上限關系到變壓器設計中變比的計算，過高的上限要求會導致過大的設計裕量，在

12、滿足實際要求的前提下，上限應盡量靠近額定點。 (2) 輸出電流 * * 通常給出額定值和一定條件下的過載倍數(shù)。 * * 有穩(wěn)流要求的電源應指定調節(jié)范圍。 * * 有的電源不允許空載，應指定輸出電流下限。 * * 在多路輸出電源中，有的如果某一路輸出電流增加，則其他路的輸出電流會下降，對此要進行說明。 (3) 穩(wěn)壓（穩(wěn)流）精度 * * 通常以正負誤差帶的形式給出。 * * 影響電源穩(wěn)壓（穩(wěn)流）精度的主要有輸入電壓變化、輸出負載變化、溫度變化以及元器件老化等。 * * 精度可以用以下指標考核： 負載調整率 輸入電壓調整率 A 是指開關電源在輸入電壓不變、輸出負載電流變化時，提供其穩(wěn)定輸出電壓的能力

13、。 B 測試方法：在被測開關電源以額定輸入電壓及額定負載狀況下熱機穩(wěn)定后，測量其輸出電壓值U0，再測量輕載(如5%I0N)時的輸出電壓U1，可按下式計算。00010UUUUUSI A 是指開關電源在輸入電壓變化、輸出負載電流不變時，提供其穩(wěn)定輸出電壓的能力。 B 測試方法：在被測開關電源以額定輸入電壓及額定負載狀況下熱機穩(wěn)定后，測量其輸出電壓值U0，再分別在低輸入電壓（如90% Ui ）及高輸入電壓（如110% Ui ）下測量其輸出電壓U01、 U02 ，可按下式計算。 * * 影響精度的相關因素有以下幾項： 基準源精度 檢測電路精度 控制電路中運算放大器精度00UUSU0100UUU0200

14、UUU其中或，取最大值。 (5) 紋波 (4) 電源的輸出特性 * * 電源輸出特性與電源的應用領域的工藝要求有關，如有些場合要求恒壓限流、有些場合要求恒流限壓等。 * * 設計時需要根據(jù)輸出特性要求來確定主電路和控制電路的形式。 * 典型的輸出電壓紋波波形如下圖所示，通常按頻帶可分為三類： 高頻噪聲，即圖中遠高于開關頻率的尖刺； 開關頻率紋波，指開關頻率附近的頻率成分，即圖中的鋸齒狀成分； 低頻紋波，指頻率低于開關頻率的成分，即低頻波動。 (6) 動態(tài)響應 * 對輸出電壓紋波的量化方法，通常有以下幾種： 紋波系數(shù)，取輸出電壓中交流成分總有效值與直流成分的比值定義為紋波系數(shù)。 不能反映幅值很高

15、、有效值卻很小的尖峰噪聲的含量及其影響。 由于紋波包含的頻率成分從1赫茲以下到數(shù)十兆赫，頻帶極寬，很難精確計量。 峰峰電壓值，計量紋波電壓的峰峰值，可以反映幅值很高、有效值卻很小的尖峰噪聲的含量，但不能反映紋波有效值的大小，不夠全面。 按三種頻率成分分別計量幅值，該方法最為直觀、詳細，也容易用示波器直接測量。 * 輸出電壓受外界因素干擾后再回到其穩(wěn)態(tài)值，會有一個超調量和恢復時間（有時，也可衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性）。 (7) 溫度系數(shù) * 超調量一般5%UO、恢復時間510豪秒（多臺并聯(lián)時，時間會長一些）。 * 恢復時間的長短與電源開關頻率、電壓反饋環(huán)的響應速度、電流瞬態(tài)變化幅度及輸出濾波電路的容量等因

16、素有關。 環(huán)境溫度升高1度，輸出電壓的變化量與輸出電壓之比，單位為1/。3. 附屬功能 (1) 過流保護 (2) 過壓保護 * 是一種電源負載保護功能，以避免發(fā)生包括輸出短路在內(nèi)的過負載輸出電流對電源和負載的損壞。 * 過流給定值一般是額定值的110%130%。 * 是一種對輸出端子間過大電壓進行負載保護的功能，過壓給定值一般規(guī)定為輸出電壓的110%130%。 * 輸出電壓可變時，要注意不要發(fā)生過壓給定值以內(nèi)的誤動作。 (3) 輸出欠壓保護 是當輸出電壓下降到標稱值以下時，為保護負責或防止誤動作而停止電源工作的一種保護功能。 (4) 過熱保護 (5) 接口 電源內(nèi)部發(fā)生異?；蛞蚴褂梅椒ú划敹?/p>

17、電源溫升超標時，停止電源工作并發(fā)出報警信號。 * 要確定電源輸入、輸出以及信號用端子的形狀、排列或連接器名稱，并要標明所用端子號。 * 電源輸入、輸出以及信號用端子要盡可能分開。4 4 絕緣絕緣 (1) 絕緣電阻 * 在電源輸入端子和殼體間、輸入端子和輸出端子間，一般用500V兆歐表測，電阻要大于50M。 * 輸出端子和殼體間用100V兆歐表測，電阻要大于10k。 (2) 絕緣耐壓 要符合各種安全標準規(guī)定。三三 結構規(guī)定結構規(guī)定 (1) 形狀條件 (2) 外形尺寸 (3) 安裝條件 (4) 殼體材料 (5) 冷卻條件 (6) 接口位置 (7) 文字提示位置 (8) 重量、體積四四 環(huán)境條件環(huán)境

18、條件 (1) 溫度 (2) 濕度 (3) 高度 使用溫度范圍因使用場所而異，一般規(guī)定在5+50、保存溫度在25+75。 使用濕度范圍一般規(guī)定在20%85%、保存濕度范圍在18%90%。 (4) 耐振動 (5) 耐沖擊 (6) 其他 抗塵埃、耐腐蝕、耐藥性lGB/T 762-1996 標準電流lGB/T 2423.1-1989 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程 試 驗A：低溫試驗方法lGB/T 2433.2-1989 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程 試 驗B：高溫試驗方法lGB/T 2423.9-1989 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程 試驗Cb：設備用恒定濕熱試驗方法lGB/T 2423.10-199

19、5 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗第二部分，試驗方法試驗Fc和導則：振動(正弦)lGB/T 2828-1987 逐批檢查計數(shù)抽樣程序及抽樣表(適 用于連續(xù)批的檢查)lGB/T 2829-1987 周期檢查計數(shù)抽樣程序及抽樣表(適用于生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的檢查)lGB/T 3859.1-1993 半導體變流器 基本要求的規(guī)定lGB/T 3873-1993 通信設備產(chǎn)品包裝通用技術條件lGB/T 4720-1984 電控設備 第一部分 低壓電器電控 設備lGB/T 16821-1997 通信用電源設備通用試驗方法lYDN 023-1996 通信電源設備和空調集中監(jiān)控系統(tǒng)技術要求lYD/T 638.3-93 通

20、信電源設備型號命名方法lYD/T 944-1998 通信電源設備的防雷技術要求和測試方法lYD/T 983-1998 通信電源設備電磁兼容性限值及測量方法lSJ2811.2-87 通用直流穩(wěn)定電源測試方法整整 流流濾濾 波波開關電源控制器開關電源控制器濾濾 波波整流及整流及濾波濾波AC/DC輸入回路輸入回路功率開功率開關器件關器件高頻高頻變壓器變壓器DC/DC功率變換器功率變換器UinUout一一 構成構成 輸入整流濾波輸入整流濾波 功率變換功率變換 輸出整流濾波輸出整流濾波 輔助電源輔助電源 驅動電路驅動電路 過壓過流保護過壓過流保護 控制電路控制電路 時鐘振蕩電路時鐘振蕩電路 檢測放大電路

21、檢測放大電路 * 如果是DC/DC變換系統(tǒng)，則不需要輸入整流濾波部分。 * 整個電源系統(tǒng)可分為主電路和控制電路兩部分。 * 主電路由輸入整流濾波、功率變換、輸出整流濾波三個環(huán)節(jié)構成。 脈寬調制方式（PWM, Pulse Width Modulation ):保持開關頻率恒定但改變接通時間長短(脈沖的寬度)，使負載變化時，負載電壓變化不大lPWM開關變換器:用脈寬調制方式控制電子開關的開關變換器二二 開關電源的分類開關電源的分類 1. DC/DC類開關電源* * 工作方式工作方式(控制方式控制方式) 頻率調制方式（PFM）二、工作原理：二、工作原理：（調寬式）（調寬式）1 1、輸入和輸出之間接開關調整管和儲能電路。調整管周期性開、關，輸入和輸出之間接開關調整管和儲能電路。調整管周期性開、關， 將能量輸入儲能電路，經(jīng)均衡濾波后成為電壓輸出，輸出電壓的大將能量輸入儲能電路，經(jīng)均衡濾波后成為電壓輸出，輸出電壓的大 小，取決于調整管開關時間的長短。小，取決于調整管開關時間