開關電源相關設計與波形

1、開關電源相關設計與波形 隨著電力電子技術的發(fā)展，大功率開關晶體管、快恢復二極管及其它元器件的電壓得隨著電力電子技術的發(fā)展，大功率開關晶體管、快恢復二極管及其它元器件的電壓得到很大的提高，這為取消穩(wěn)壓電源中的工頻變壓器，發(fā)展高頻開關電源創(chuàng)造了條件。由于到很大的提高，這為取消穩(wěn)壓電源中的工頻變壓器，發(fā)展高頻開關電源創(chuàng)造了條件。由于它不需要工頻變壓器，故稱無工頻變壓器開關式直流穩(wěn)壓電源。它使電源在小型化、輕量它不需要工頻變壓器，故稱無工頻變壓器開關式直流穩(wěn)壓電源。它使電源在小型化、輕量化、高效率等方面又邁進了一步。圖化、高效率等方面又邁進了一步。圖8-38-3是無工頻變壓器的開關電源的方框圖。是無工

2、頻變壓器的開關電源的方框圖。 圖8-3 無工頻變壓器的開關電源原理框圖 無工頻變壓器開關穩(wěn)壓電源，有如下的優(yōu)點：無工頻變壓器開關穩(wěn)壓電源，有如下的優(yōu)點：1.1.效率高。一般在效率高。一般在707080%80%以上。以上。 2.2.體積小、重量輕，隨著頻率的提高，收效更顯著。體積小、重量輕，隨著頻率的提高，收效更顯著。 3.3.穩(wěn)壓范圍廣，一般交流輸入穩(wěn)壓范圍廣，一般交流輸入8080265265V V，負載作大幅負載作大幅度變化時，性能很好。度變化時，性能很好。 4.4.噪聲低，聲頻在噪聲低，聲頻在2020kHzkHz以上時，已是人耳聽不到的以上時，已是人耳聽不到的超聲波，而開關電源的工作頻率一

3、般都大于此頻率；超聲波，而開關電源的工作頻率一般都大于此頻率； 5.5.性能靈活，通過輸出隔離變壓器，可得到低壓大電性能靈活，通過輸出隔離變壓器，可得到低壓大電流、高壓小電流；一個開關控制的一路輸入可得到多流、高壓小電流；一個開關控制的一路輸入可得到多路輸出以及同號、反號等輸出；路輸出以及同號、反號等輸出； 6.6.電壓維持時間長，為了適應交流停電時，計算機、電壓維持時間長，為了適應交流停電時，計算機、現(xiàn)代自動化控制設備電源轉換的需要，開關電源可在現(xiàn)代自動化控制設備電源轉換的需要，開關電源可在幾十毫秒內保證仍有電壓輸出。幾十毫秒內保證仍有電壓輸出。 7.7.可靠性大，當開關損壞時，也不會有危及

4、負載的高可靠性大，當開關損壞時，也不會有危及負載的高電壓出現(xiàn)。電壓出現(xiàn)。 無工頻變壓器開關穩(wěn)壓電源的不足之處：無工頻變壓器開關穩(wěn)壓電源的不足之處：1.1.輸出紋波較大，約有輸出紋波較大，約有1010100100mVmV的峰的峰峰值；峰值； 2.2.脈沖寬度調制式的電路中，電壓、電脈沖寬度調制式的電路中，電壓、電流變化率大；流變化率大；3.3.控制電路比較復雜，對元器件要求高；控制電路比較復雜，對元器件要求高； 4.動態(tài)響應時間至少要大于一個開關周動態(tài)響應時間至少要大于一個開關周期，不如串聯(lián)式晶體管線性穩(wěn)壓電源。期，不如串聯(lián)式晶體管線性穩(wěn)壓電源。 用高頻變壓器的開關電源結構概述 圖8-5 高頻變

5、壓器開關電源基本功能框圖這類電源的共同特點是具有高頻變壓器、直流穩(wěn)壓是從變壓器次級繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。變壓器原副方是隔離的，或是部分隔離的，而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。 目前，用高頻目前，用高頻變壓器的變換變壓器的變換電路按其工作電路按其工作方式可分為五方式可分為五類，每類傳輸類，每類傳輸?shù)墓β室膊幌嗟墓β室膊幌嗤?，應用環(huán)境同，應用環(huán)境也稍有不同，也稍有不同，如下所示：如下所示：電路類型傳輸功率應用環(huán)境單端反激式變換器20100W小型儀器、儀表，家用電器等電源，自動化設備中的控制電源單端正激式變換器50200W小型儀器、儀表，家用電器等電源，自動化設備中的控制電源

6、推換式變換器100500控制設備，計算機等電源半橋式變換器1005000W焊機，超聲電源，計算機電源等全橋式變換器500W30kW焊機、高頻感應加熱，交換機等8.2 DC/DC變換的開關電源 對于輸入與輸出電壓不需隔離對于輸入與輸出電壓不需隔離只用一個工作開關和只用一個工作開關和L L、D D、C C組成的變換器電路最基本的為組成的變換器電路最基本的為如下三種：（如下三種：（1 1）降壓變換器）降壓變換器（buck converterbuck converter）；（）；（2 2）升壓變換器（升壓變換器（boost boost converterconverter）；（）；（3 3）降、升壓降

7、、升壓變換器（變換器（buck-boost buck-boost converterconverter）。）。其原理電路如其原理電路如圖圖8-68-6所示。所示。 圖8-6 無隔離的DCDC變換電路 8.2.1 Buck converter a） 電路拓撲 b）工作波形圖8-7 Buck converter （一）在開關（一）在開關VTVT導通期間導通期間 min01LinLItLUUimin0maxLoninLItLUUI（二）在開關（二）在開關VTVT截止期間截止期間 max02)(LonLIttLUi1.1.臨界連續(xù)工作狀態(tài)臨界連續(xù)工作狀態(tài)2.2.電流斷續(xù)的工作狀態(tài)電流斷續(xù)的工作狀態(tài)3.

8、3.電流連續(xù)的工作狀態(tài)電流連續(xù)的工作狀態(tài) ( (三三) )電感電流的平均值計電感電流的平均值計算算 0IILmin02LoffItLU（四）輸出電壓紋波值的計算（四）輸出電壓紋波值的計算 ononttoninindttLUUtLUUCU2/)2(1000120020)(88inSinoninUTULCUUtLCUU02U208offtCLU8.2.2 8.2.2 Boost converterBoost converter a）電路拓撲 b）工作波形圖8-8 Boost converter1.在 期間 ontmin1LinLItLUiminmaxLoninLItLUI2.在 期間 offtma

9、x02)(LoninLIttLUUi3.負載電流的平均值 0ISoffninothTtLtUI204.輸入電流的平均值 1IonSontTtVDSLSLdtiTdtiTII0111121minmaxLLII5.輸出電壓 的紋波計算 0UCtIuUonC00SinTUUUCI0008.2.3 BuckBoost converter 圖8-9 BuckBoost converterttininoffonUUUUtt10002202LITtUUSoninSoffoninthTtLtUI20offSoninPKtTILtUI02SoffoninPKoninTtItUItUL0min22000)(2in

10、inSUUUITU=圖8-10 Buck-Boost converter工作波形圖 CtIuonc0SinTUUUCI0008.3 單端功率輸出的直流變換器 8.3.1 CW34063的工作原理 圖8-11 CW34063的原理框圖8.3.2 CW34063的應用電路 ( (一一) )降壓式電路降壓式電路 a）直接用于降壓b） 外接NPN晶體管擴流電路圖8-12 CW34063的降壓應用電路（二）升壓式電路（二）升壓式電路 （a）（b）a） 直接升壓式 b）外接NPN管擴流式圖8-13 CW34063的Boost converter （三）反轉電路（三）反轉電路 (a)(b)a） 直接變換式

11、b）外接PNP管擴流式圖8-14 CW34063的BuckBoost converter8.4單端反激式開關電源單端反激式開關電源 工作原理分析 （一）在開關（一）在開關VTVT導通期間：導通期間： maxmin)(PPonPinonPIItLUti（二）在開關（二）在開關VT截止期間截止期間 offPPStLUINNTi2max22)(offPonPinPtLUItLUNN20min2圖8-15 單端反激式變換器單端反激式變換器也有三種工作狀態(tài)： 1 磁通臨界連續(xù)的工作情況： 02UNNUuPinceoninPoninPPonPinPofftUUNNtUULLNNtULLNUNt020220

12、220UinoffonPoffonPinPUttNNttLULNN222 圖8-16 臨界連續(xù)狀態(tài)時的電壓電流波形2 磁通不連續(xù)的工作狀態(tài) 圖8-17 磁通不連續(xù)時的工作波形oninPofftUUNNt02)()(20max220max22onPPonttLUINNttLUIiontPinSdtiUTP011ontPSoninpinSLTtUtdtLUT022221ttSont diUTP2001PSoninttononPPSLTtUttdttLUINNTUon2)()(22)(020max20PSLoninLTRtUU203 磁通連續(xù)的工作狀況圖8-18 磁通連續(xù)時的工作波形 )(20max

13、22onttLUIi)()(20min2onPonPinPttLUItLUNNnUUttNNUnUUUTtinttinoffonPtinSon1200002UNNUuPince)11(1tintintinUUUinttonSSPthoninPKUPnIntTITLtUI0002)1 (2)(22122minPoffLSoninPLtnRTtUI（3）輸入電壓U Uinin與導通比t t的對應關系 inLttinHttUUnUmaxmaxminmin011即是輸入電壓最高時，相應的導通比即是輸入電壓最高時，相應的導通比是最小，輸入電壓最低時，相應的導是最小，輸入電壓最低時，相應的導通比是最大。因

14、此，輸入電壓與導通通比是最大。因此，輸入電壓與導通比是一一對應，相互制約的。運行中比是一一對應，相互制約的。運行中由于閉環(huán)調節(jié)，這種相互適應是自動由于閉環(huán)調節(jié)，這種相互適應是自動的。但必須指出的是，由控制電路振的。但必須指出的是，由控制電路振蕩器和蕩器和PWMPWM門閂電路本身固有的最大門閂電路本身固有的最大最小導通比，一定要與運行條件所需最小導通比，一定要與運行條件所需的最大最小導通比不矛盾，否則就會的最大最小導通比不矛盾，否則就會失調失調。(4)磁通復位問題 PoffoninNNttUU20為了不致于出現(xiàn)磁路飽和每個開關周期為了不致于出現(xiàn)磁路飽和每個開關周期工作磁通都能復位，因此：工作磁通

15、都能復位，因此： 1.1.單端反激式變換器開關變壓器的鐵芯單端反激式變換器開關變壓器的鐵芯都帶有氣隙都帶有氣隙 。2.2.原方繞組電流實現(xiàn)脈沖限流控制。原方繞組電流實現(xiàn)脈沖限流控制。 （5）間歇振蕩問題 當電網(wǎng)電壓升到一定值而又很大的情況當電網(wǎng)電壓升到一定值而又很大的情況下，欲維持輸出電壓恒定，則脈寬調制器會下，欲維持輸出電壓恒定，則脈寬調制器會使脈寬減少到某一極限值時，不能再減小了，使脈寬減少到某一極限值時，不能再減小了，只能以最小導通比運行，但由于導通時所儲只能以最小導通比運行，但由于導通時所儲存的能量沒有釋放回路，就有可能出現(xiàn)：有存的能量沒有釋放回路，就有可能出現(xiàn)：有的振蕩周期沒有的振蕩

16、周期沒有PWMPWM脈沖輸出，開關管不導脈沖輸出，開關管不導通，有的振蕩周期就很寬，變成了作周期性通，有的振蕩周期就很寬，變成了作周期性或非周期性的間歇振蕩器，這時輸出電壓不或非周期性的間歇振蕩器，這時輸出電壓不穩(wěn)，紋波大，變壓器發(fā)出刺耳的哨叫聲?？朔€(wěn)，紋波大，變壓器發(fā)出刺耳的哨叫聲。克服這一問題的辦法之一，也是最安全和可靠服這一問題的辦法之一，也是最安全和可靠的辦法是在付繞組中加一固定負載電阻（假的辦法是在付繞組中加一固定負載電阻（假負載），以防負載開路，這樣電網(wǎng)電壓最高，負載），以防負載開路，這樣電網(wǎng)電壓最高，負載開路了，由于有固定的假負載，脈寬保負載開路了，由于有固定的假負載，脈寬保證有

17、一最小的寬度而不致于出現(xiàn)間歇振蕩現(xiàn)證有一最小的寬度而不致于出現(xiàn)間歇振蕩現(xiàn)象。最小的脈寬是由控制電路振蕩器的最小象。最小的脈寬是由控制電路振蕩器的最小導通比決定的。導通比決定的。 8.5 單端正激式變換器 圖8-19 正激式變換器的原理電路圖圖8-20 正激式變壓器等效電路nUTtnUUUnUUttintSonininoffon000onontfinSintfinSLdttLUUITUdtiUTP00min00120min0onfinSonintLUUITtUmaxPPKPKIIIonpintintLUUP02PSmLoninLTKRtUU20圖8-21 單端正激式變換器的電壓電流波形 8.6

18、半橋式變換器 工作原理 圖8-22 半橋式變換器原理電路002UnUUttinoffontinoffononinnUtttnUU)(20onontfinSintfinSLdttLUUITUdtiUTP00min00)21(2122210min0onfinSonintLUUITtU00220)(2)21(2)21(nItUTPntUnUULonintSonininthfmSPLoninKTLRtUU408.6.2 串聯(lián)耦合電容C3的選擇 fSfLnfLnfC2222223441)1(2100mtinPKtonPKonKUPItdttItIon)1 ()1 (30303minSontinmCKCUPTtCUKPU33C