高頻開關電源.

1、王麗瓊2一、一、 概論概論將電網(wǎng)或電池的一次電能，轉(zhuǎn)換為符合電子設備要求的二次電能，這樣的變換設備便是電源。電源是一切電子設備的心臟，沒有電源，電子設備就不可能工作。電源及開關電源電源及開關電源電源常用電源常用的連接方的連接方式式串聯(lián)線性電源串聯(lián)線性電源高頻開關電源高頻開關電源串聯(lián)線性電源與開關電源的區(qū)分串聯(lián)線性電源與開關電源的區(qū)分 串聯(lián)線性電源：串聯(lián)線性電源： 電源調(diào)整管工作在放大狀態(tài)電源調(diào)整管工作在放大狀態(tài); ; 效率低，損耗大，溫升高。效率低，損耗大，溫升高。 開關電源：開關電源： 電源調(diào)整管工作在開關狀態(tài)的電源電源調(diào)整管工作在開關狀態(tài)的電源 ; ; 具有高功率密度、重量輕、體積小。具有

2、高功率密度、重量輕、體積小。 輸入輸入開關管開關管K負載負載 RL儲能儲能元件元件 開關電源開關電源模型圖模型圖輸入輸入電源調(diào)整管電源調(diào)整管負載負載RL 串聯(lián)線性電源模型圖串聯(lián)線性電源模型圖4開關電源的分類：開關電源的分類： 按變換方式可分為下列四大類：按變換方式可分為下列四大類：（1）：第一大類：）：第一大類：AC/DC開關電源；開關電源；（2）：第二大類：）：第二大類：DC/DC開關電源；開關電源；（3）：第三大類：）：第三大類：DC/AC開關電源；開關電源；（4）：第四大類：）：第四大類：AC/AC開關電源。開關電源。開關電源開關電源逆變器逆變器變頻器變頻器 按開關管和輸出之間是否有變壓

3、器隔離可分為下列兩大按開關管和輸出之間是否有變壓器隔離可分為下列兩大類：類：（1）：第一大類：無）：第一大類：無變壓器的變壓器的非隔離式；非隔離式；（2）：第二大類：有）：第二大類：有變壓器的變壓器的隔離式。隔離式。直流穩(wěn)壓電源 直流穩(wěn)壓電源是電子、電器、自動化設備中最基本的部分。傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源是電子、電器、自動化設備中最基本的部分。傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源是采用的穩(wěn)壓電源是采用串聯(lián)式線性轉(zhuǎn)換方法串聯(lián)式線性轉(zhuǎn)換方法設計制作的。設計制作的。晶體管串聯(lián)式線性穩(wěn)壓電源晶體管串聯(lián)式線性穩(wěn)壓電源 直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展 當今計算機及自動化設備上大多數(shù)控制電源都向低壓大電流、當今計算機及自動化設備上大多數(shù)控制電源都向

4、低壓大電流、高效率、重量輕、體積小的方向發(fā)展。在這種要求面前首先得到高效率、重量輕、體積小的方向發(fā)展。在這種要求面前首先得到發(fā)展的是晶體管串聯(lián)式開關穩(wěn)壓電源。發(fā)展的是晶體管串聯(lián)式開關穩(wěn)壓電源。 晶體管串聯(lián)式開關穩(wěn)壓電源晶體管串聯(lián)式開關穩(wěn)壓電源圖中輸入回路的作用是將交流輸入電壓整流濾波變?yōu)槠交母邏褐绷鲌D中輸入回路的作用是將交流輸入電壓整流濾波變?yōu)槠交母邏褐绷麟妷?；功率變換器的作用是將高壓直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率大于電壓；功率變換器的作用是將高壓直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率大于20KHZ的高頻脈的高頻脈沖電壓；整流濾波電路的作用是將高頻的脈沖電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流輸出電沖電壓；整流濾波電路的作用是將高頻的脈沖電

5、壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流輸出電壓；開關電源控制器的作用是將輸出直流電壓取樣，來控制功率開關器件的壓；開關電源控制器的作用是將輸出直流電壓取樣，來控制功率開關器件的驅(qū)動脈沖的寬度，從而調(diào)整開通時間以使輸出電壓可調(diào)且穩(wěn)定。從框圖中可驅(qū)動脈沖的寬度，從而調(diào)整開通時間以使輸出電壓可調(diào)且穩(wěn)定。從框圖中可見，由于高頻變壓器取代了笨重的工頻（見，由于高頻變壓器取代了笨重的工頻（50HZ）變壓器，從而使穩(wěn)壓電源）變壓器，從而使穩(wěn)壓電源的體積和重量大大減小。的體積和重量大大減小。開關穩(wěn)壓電源的特點開關穩(wěn)壓電源的特點優(yōu)點優(yōu)點1.1.效率高。一般在效率高。一般在7 70 09 90%0%以上。以上。而相應的線性穩(wěn)壓電源的

6、效率僅有而相應的線性穩(wěn)壓電源的效率僅有50%左右。左右。 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，負載作大幅度變化時，性負載作大幅度變化時，性能很好。能很好。 4.4.噪聲低，聲頻在噪聲低，聲頻在2020kHzkHz以上時，已是人耳聽不到的超聲波，而開關以上時，已是人耳聽不到的超聲波，而開關電源的工作頻率一般都大于此頻率；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，可得到低壓大電流、高壓小電性能靈活，通過輸出隔離變壓器，可得到

7、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路輸出以及同號、反號等輸流；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；出； 6.6.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(zhuǎn)換的需要，開關電源可在幾十毫秒內(nèi)保證仍有電壓輸制設備電源轉(zhuǎn)換的需要，開關電源可在幾十毫秒內(nèi)保證仍有電壓輸出。出。 7.7.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)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)。 開關穩(wěn)壓電源的不足之處開關穩(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10

8、10100100mVmV的峰峰值；的峰峰值； 2.2.脈沖寬度調(diào)制式的電路中，電壓、電流變化率大；脈沖寬度調(diào)制式的電路中，電壓、電流變化率大；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期，不如串聯(lián)式動態(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。晶體管線性穩(wěn)壓電源。 2.作用：雙向濾波作用：雙向濾波 避免電網(wǎng)供電線引入高頻脈沖影響電子電路；避免電網(wǎng)供電線引入高頻脈沖影響電子電路； 防止開關電源對電網(wǎng)造成污染防止開關電源對電網(wǎng)造成污染。S1C1L2220V市電市電 至整流濾波至整流濾波電路電路 FUC02進線

9、抗電磁干擾電路（進線抗電磁干擾電路（EMI）輸入共軛濾波及整流輸入共軛濾波及整流 1.電路組成：電路組成：由一個線圈和兩個電容組成由一個線圈和兩個電容組成EMI原理圖原理圖工作原理：工作原理： 對高頻干擾信號而言，電容呈短路，而電對高頻干擾信號而言，電容呈短路，而電感則呈開路。高頻干擾被電容短路。感則呈開路。高頻干擾被電容短路。 對對50Hz低頻而言，電容呈開路，而電感則呈低頻而言，電容呈開路，而電感則呈短路。因此，短路。因此，50Hz市電可以順利通過。市電可以順利通過。S1C1 0.1uL220V市電市電 至整流濾波至整流濾波電路電路 FUC2 0.1u FUS1C1L220V市電市電 至整

10、流濾波至整流濾波電路電路C2 由一個全橋（由四個二極管組成）由一個全橋（由四個二極管組成）和兩個高壓電解電容組成。把和兩個高壓電解電容組成。把220V交交流市電轉(zhuǎn)換成流市電轉(zhuǎn)換成400V左右的直流電。左右的直流電。高壓整流濾波電路高壓整流濾波電路1.電路組成：電路組成：單相橋式整流電路整流電路工作原理整流電路工作原理 當正半周時，二極管當正半周時，二極管D1、D3導通導通，在負載電阻上得到正弦波的正半周。在負載電阻上得到正弦波的正半周。 當負半周時二極管當負半周時二極管D2、D4導通導通，在，在負載電阻上得到正弦波的負半周。負載電阻上得到正弦波的負半周。 在負載電阻上正負半周經(jīng)過合成，得到在負

11、載電阻上正負半周經(jīng)過合成，得到的是的是同一個方向的單向脈動電壓同一個方向的單向脈動電壓。濾波電路濾波的基本概念：濾波的基本概念：利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現(xiàn)濾波。實現(xiàn)濾波。 電容器電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以對直流開路，對交流阻抗小，所以C應該并應該并聯(lián)在負載兩端。聯(lián)在負載兩端。 電感器電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L 應與應與負載串聯(lián)。負載串聯(lián)。 經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一部分交流分量，部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電

12、路改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。的脈動系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。電容濾波電路電容濾波電路 單相橋式電容濾波整流電路。單相橋式電容濾波整流電路。在負載電阻上并聯(lián)了一個濾波電容在負載電阻上并聯(lián)了一個濾波電容C。當當v2到達到達90時時，v2開始開始下降。先假設二極管關斷，下降。先假設二極管關斷，電容電容C就要以指數(shù)規(guī)律向就要以指數(shù)規(guī)律向負載負載L放電。指數(shù)放電起放電。指數(shù)放電起始點的放電速率很大。始點的放電速率很大。濾波原理濾波原理 若電路處于正半周，二極管若電路處于正半周，二極管D1、D3導通，變壓器次端電壓導通，變壓器次端電壓v2給電容器給電容器C充電。

13、此時充電。此時C相當于并聯(lián)在相當于并聯(lián)在v2上，所以輸出波形同上，所以輸出波形同v2 ，是正弦形。是正弦形。 電容濾波波形圖電容濾波波形圖 所以，在所以，在t1到到t2時刻，二極管導電，時刻，二極管導電，充電，充電，vC=vL按正弦規(guī)律變化；按正弦規(guī)律變化；t2到到t3時刻二極管關斷，時刻二極管關斷，vC=vL按指數(shù)曲線按指數(shù)曲線下降，放電時間常數(shù)為下降，放電時間常數(shù)為RLC。 在剛過在剛過90時時，正弦曲線下降，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過的速率很慢。所以剛過90時時二極管仍然導通。二極管仍然導通。在超過在超過90后的某個點后的某個點，正弦曲線下降的，正弦曲線下降的速率越來越快，二極管關

14、斷。速率越來越快，二極管關斷。 對于輸入與輸出電壓之間不需隔離，只用一個工作開關管對于輸入與輸出電壓之間不需隔離，只用一個工作開關管VTVT和和電感電感L L、二極管二極管D D、電容電容C C組成的變換器電路最基本的為如下三種，組成的變換器電路最基本的為如下三種，其原理電路如圖其原理電路如圖2.62.6所示。所示。（1 1）串聯(lián)開關或降壓）串聯(lián)開關或降壓變換器（變換器（buck converterbuck converter）（2 2）并聯(lián)開關或升壓并聯(lián)開關或升壓變換器（變換器（boost converterboost converter）（3 3）串串并聯(lián)開關并聯(lián)開關或降、升壓變換器或降、

15、升壓變換器（buck-boost converterbuck-boost converter）非非隔離式的隔離式的DCDC變換電路變換電路 非隔離式開關電源工作過程非隔離式開關電源工作過程調(diào)整輸出電壓的方法：調(diào)整輸出電壓的方法：tVitVktVoVitonTVoVkKR L電壓電壓 變換器變換器VO = Vi =D VitonT占空比占空比 只要改變開關脈沖的只要改變開關脈沖的“占空比占空比”，就可以改，就可以改變輸出電壓的高低。變輸出電壓的高低。 在具體電路中，可以使開關脈沖頻率固定，在具體電路中，可以使開關脈沖頻率固定，改變開關管導通時間改變開關管導通時間ton而改變輸出電壓高低。而改變輸

16、出電壓高低。這種電源稱為這種電源稱為“調(diào)寬式調(diào)寬式”開關電源。開關電源。PWM 也可以使開關管截止時間不變，只改變開關也可以使開關管截止時間不變，只改變開關管導通時間長短而改變輸出電壓高低。這種管導通時間長短而改變輸出電壓高低。這種電源稱為電源稱為“調(diào)頻調(diào)寬調(diào)頻調(diào)寬”式開關電源。式開關電源。PFM 電路中電路中VT為開關管，工作于開關狀態(tài)（為開關管，工作于開關狀態(tài)（VT飽和飽和導通時相當于一只接通的開關，導通時相當于一只接通的開關，VT截止時相當于截止時相當于一只斷開的開關）。一只斷開的開關）。 電感電感L和電容和電容C為儲能元件。為儲能元件。 RL為電源的負載。為電源的負載。 D為續(xù)流二極管

17、，它在開關管截止時導通，保證為續(xù)流二極管，它在開關管截止時導通，保證電感電感L中的電流不中斷。中的電流不中斷。串聯(lián)型（串聯(lián)型（Buck） 開關電源工作過程開關電源工作過程LVTDCR L串聯(lián)型開關電源基本電路串聯(lián)型開關電源基本電路高頻變壓器開關電源基本結構框圖高頻變壓器開關電源基本結構框圖共同特點共同特點: :具有具有高頻變壓器高頻變壓器, ,直流穩(wěn)壓是從變壓器次級繞組的高頻直流穩(wěn)壓是從變壓器次級繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。脈沖電壓整流濾波而來。變壓器變壓器原副方是隔離的原副方是隔離的，而輸入電壓是直接從交流市電整流得到，而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。的高壓直流。 變壓器型

18、開關電源工作過程變壓器型開關電源工作過程 開關電源原理示意圖開關電源原理示意圖輸入電壓輸入電壓U Uinin與導通比與導通比的對應關系的對應關系 00UUUin 由于輸入電壓最高時，相應的導通比是最小，輸入電壓最低由于輸入電壓最高時，相應的導通比是最小，輸入電壓最低時，相應的導通比是最大。因此，輸入電壓與導通比是時，相應的導通比是最大。因此，輸入電壓與導通比是一一對應一一對應，相互制約相互制約的。的。 運行中由于閉環(huán)調(diào)節(jié)，這種相互適應是自動的。但必須指出運行中由于閉環(huán)調(diào)節(jié)，這種相互適應是自動的。但必須指出的是，由控制電路振蕩器和的是，由控制電路振蕩器和PWMPWM門閂電路本身固有的最大最小導門

19、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的最大最小導通比不矛盾，否則就通比，一定要與運行條件所需的最大最小導通比不矛盾，否則就會失調(diào)會失調(diào)。PoffoninNNttUU20inLttinHttUUUmaxmaxminmin011 全橋式變換器的開關電源 全橋式變換器的工作波形全橋式變換器的工作波形開關電路的PWM控制原理 開關電源的開關電源的PWM控制原理可用圖控制原理可用圖3 3.1.1的電路說明。它的電路說明。它由開關管、濾波電路、比較器、三角波發(fā)生器、比較放由開關管、濾波電路、比較器、三角波發(fā)生器、比較放大器和基準源等部分構成。大器和基準源等部分構成。 開關型穩(wěn)壓電源原理圖開

20、關型穩(wěn)壓電源原理圖PWM控制基本原理 三角波發(fā)生器通過比較器產(chǎn)生一個方波三角波發(fā)生器通過比較器產(chǎn)生一個方波vB，去控制開去控制開關管的通斷。關管的通斷。 開關管導通時，向電感充電。當開關管截止時，必開關管導通時，向電感充電。當開關管截止時，必須給電感中的電流提供一個泄放通路。須給電感中的電流提供一個泄放通路。續(xù)流二極管續(xù)流二極管D即可即可起到這個作用，保護開關管。起到這個作用，保護開關管。 為了穩(wěn)定輸出為了穩(wěn)定輸出電壓，按電壓負電壓，按電壓負反饋方式引入反反饋方式引入反饋。饋。 設輸出電壓增設輸出電壓增加，加，F(xiàn)VO增加，增加，比較放大器的輸比較放大器的輸出出Vf減小，比較減小，比較器方波輸出

21、的器方波輸出的toff增加，開關管導增加，開關管導通時間減小，輸通時間減小，輸出電壓下降。起出電壓下降。起到了穩(wěn)壓作用。到了穩(wěn)壓作用。 輸 出 波 形輸 出 波 形見見圖圖。開關。開關管發(fā)射極輸管發(fā)射極輸出電壓出電壓VE為為方波，由于方波，由于濾波電感的濾波電感的存在，使輸存在，使輸出電流出電流iL為鋸為鋸齒波，趨于齒波，趨于平滑。輸出平滑。輸出則為帶紋波則為帶紋波的直流電壓。的直流電壓。 開關電源波形圖開關電源波形圖qVTtVtVVTtVTtvTtvTVTttIonIonCESIoffDE0EO)(1+)(1d1d1=11 q q稱為占空比稱為占空比 方方波高電平的時間占波高電平的時間占整個

22、周期的百分比。整個周期的百分比。 忽略電感的直流電阻，輸出電壓忽略電感的直流電阻，輸出電壓VO即為即為vE的平均分量。的平均分量。于是有于是有在輸入電壓一定時，在輸入電壓一定時， 輸出電壓與占空比成正比。輸出電壓與占空比成正比。1開關管工作在開關狀態(tài)，功耗大大降低，開關管工作在開關狀態(tài)，功耗大大降低， 電源效率大為提高；電源效率大為提高；2開關管在開關狀態(tài)下工作，為得到直流輸出，開關管在開關狀態(tài)下工作，為得到直流輸出， 必須在輸出端加濾波器；必須在輸出端加濾波器；3可通過脈沖寬度的控制方便地改變輸出電壓值；可通過脈沖寬度的控制方便地改變輸出電壓值；4由于開關頻率較高，濾波電容和濾波電感的體由于開關頻率較高，濾波電容和濾波電感的體 積可大大減小。積可大大減小。由以上分析可以得出如下結論：由以上分析可以得出如下結論：保護電路保護電