開關電源的結構和基本原理-上課

1、青島科技大學青島科技大學高頻開關電源高頻開關電源的結構和基本原理的結構和基本原理3一、一、 概述概述將將電網(wǎng)電網(wǎng)或或電池電池的的一次電能一次電能，轉換轉換為符合電子設備要求為符合電子設備要求的的二次電能二次電能，這樣的變換設備便是，這樣的變換設備便是電源電源。電源是一切電子設備的心臟，沒有電源，電子設備就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。不可能工作。1.1.1 電源是什么？電源是什么？1.1 電源及開關電源電源及開關電源電源常電源常用的連用的連接方式接方式串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源高頻開關電源高頻開關電源1.1.2 1.1.2 串聯(lián)穩(wěn)壓電源與開關電源的區(qū)分串聯(lián)穩(wěn)壓

2、電源與開關電源的區(qū)分 串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源：電源調(diào)整管工作在放大串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源：電源調(diào)整管工作在放大狀態(tài)。狀態(tài)。 開關電源：電源調(diào)整管開關電源：電源調(diào)整管工作在開關狀態(tài)的電在開關狀態(tài)的電源源 。是具有高功率密度的電源。是具有高功率密度的電源。 輸入輸入電源調(diào)整管電源調(diào)整管負載負載RL串聯(lián)穩(wěn)壓電源串聯(lián)穩(wěn)壓電源輸入輸入開關管開關管K負載負載 RL儲能元儲能元件件開關電源開關電源51.1.3 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、；（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。但目前只將前兩類稱為開關電源，而將后兩類分別但目前只將前兩類稱為開關電源，而將后兩類分別稱為稱為逆變器逆變器和和變頻器變頻器。開關電源開關電源逆變器逆變器變頻器變頻器6A：一次電源產(chǎn)品的圖片一次電源產(chǎn)品的圖片（AC/DC）常見開關電源圖片常見開關電源圖片7B：工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片標準產(chǎn)品標準產(chǎn)品（AC/DC）CPCI Series of Lambda 8C：工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片（AC/DC）HWS Series of Lambda 9E：

4、工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片（AC/DC）10F：二次電源產(chǎn)品的圖片二次電源產(chǎn)品的圖片（DC/DC）-標準轉類標準轉類Full BrickHalf BrickHalf Brick1/4 Brick1/8 Brick11G：二次電源產(chǎn)品的圖片二次電源產(chǎn)品的圖片（DC/DC）彩電開關穩(wěn)壓電源1.2 直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展 直流穩(wěn)壓電源是電子、電器、自動化設備中最基本的部直流穩(wěn)壓電源是電子、電器、自動化設備中最基本的部分。傳統(tǒng)的串聯(lián)式線性轉換方法設計制作的電源，其效率低，分。傳統(tǒng)的串聯(lián)式線性轉換方法設計制作的電源，其效率低，損耗大，溫升高。損耗大，溫升高。圖圖1-1 晶體管串聯(lián)式線性穩(wěn)壓電源晶體

5、管串聯(lián)式線性穩(wěn)壓電源 隨著電力電子技術的發(fā)展，大功率開關晶體管、快恢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)壓電源中的穩(wěn)壓電源中的工頻變壓器工頻變壓器，發(fā)展高頻開關電源創(chuàng)造了條件。，發(fā)展高頻開關電源創(chuàng)造了條件。它使電源在小型化、輕量化、高效率等方面又邁進了它使電源在小型化、輕量化、高效率等方面又邁進了一步。一步。圖圖1-3 無工頻變壓器的開關電源原理框圖無工頻變壓器的開關電源原理框圖 1.3 1.3 無工頻變壓器開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)點：無工頻變壓器開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)點：1.1.效率高效率高。一

6、般在。一般在707080%80%以上。以上。 2.2.體積小體積小、重量輕，隨著頻率的提高，收效更顯著。、重量輕，隨著頻率的提高，收效更顯著。 3.3.穩(wěn)壓范圍廣穩(wěn)壓范圍廣，一般交流輸入，一般交流輸入8080265265V V，負載作大幅度變負載作大幅度變化時，性能很好?；瘯r，性能很好。 4.4.噪聲低噪聲低，聲頻在，聲頻在2020kHzkHz以上時，已是人耳聽不到的超聲以上時，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；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，可得到低壓大電流、高性能靈活，通過輸出隔離變壓器，可得到低壓大電流、高壓

7、小電流；一個開關控制的一路輸入可得到壓小電流；一個開關控制的一路輸入可得到多路輸出多路輸出以及以及同號、反號等輸出；同號、反號等輸出； 6.6.電壓維持時間長電壓維持時間長，為了適應交流停電時，計算機、現(xiàn)代自，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，開關電源可在幾十毫秒內(nèi)動化控制設備電源轉換的需要，開關電源可在幾十毫秒內(nèi)保證仍有電壓輸出。保證仍有電壓輸出。 7.7.可靠性大，當開關損壞時，也不會有危及負載的高電壓出可靠性大，當開關損壞時，也不會有危及負載的高電壓出現(xiàn)?，F(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

8、出紋波較大，約有1010100100mVmV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)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。式晶體管線性穩(wěn)壓電源。 二、二、 開關電源工作原理開關電源工作原理 通過高頻開關技術將輸入的較高的交流電壓通過高頻開關技術將輸入的較高的交流電壓(AC)轉換為轉換為PC電腦工作所需要的較低的直流電壓電腦工作所需要的較低的直流電壓(DC) 開關電源的

9、中心思想：開關電源的中心思想：用提高工作頻率等手段來用提高工作頻率等手段來提高電源的功率密度，進而達到提高電源的功率密度，進而達到減少變壓器的體積減少變壓器的體積和和重量重量的目的。的目的。采用開關變換的顯著優(yōu)點是大大提高了采用開關變換的顯著優(yōu)點是大大提高了電能的轉換效率，典型的電能的轉換效率，典型的PC電源效率為電源效率為70%-75%，而相應的線性穩(wěn)壓電源的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。 輸出電壓的穩(wěn)定則輸出電壓的穩(wěn)定則:依賴對脈沖寬度的改變來實依賴對脈沖寬度的改變來實現(xiàn)，這就叫做脈寬調(diào)制現(xiàn)，這就叫做脈寬調(diào)制PWM。共軛濾共軛濾波器波器整流整流濾波濾波開關調(diào)開關調(diào)

10、整管整管儲能儲能元件元件脈沖整脈沖整流濾波流濾波取樣取樣電路電路比較比較放大放大基準基準220V交流交流電壓輸入電壓輸入功能：功能：將將220V交流電交流電壓轉換為電路所需要的壓轉換為電路所需要的各種穩(wěn)定的直流電壓各種穩(wěn)定的直流電壓2.1 高頻變壓器開關電源的結構 圖圖2-1 高頻變壓器開關電源基本功能框圖高頻變壓器開關電源基本功能框圖直流電直流電壓輸出壓輸出 A.電路組成：電路組成： B.作用：作用：雙向濾波雙向濾波（一方面避免電網(wǎng)供電線引（一方面避免電網(wǎng)供電線引入高頻脈沖影響電子電路，另一方面，防止開入高頻脈沖影響電子電路，另一方面，防止開關電源對電網(wǎng)造成污染。）關電源對電網(wǎng)造成污染。）S

11、501C501 0.1uL502220V市市電電 至整流濾至整流濾波電路波電路F501 T2.5AC502 0.1u2.2.1、進線抗電磁干擾電路、進線抗電磁干擾電路EMI2.2 輸入共軛濾波及整流輸入共軛濾波及整流C.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，而電感則低頻而言，電容呈開路，而電感則呈短路。因此，呈短路。因此，50Hz市電可以順利通過。市電可以順利通過。S501C501 0.1uL502220V市市電電 至整流濾至整流濾波電路波

12、電路F501 T2.5AC502 0.1uF501 T2.5AS501C501 0.1uL502220V市市電電 至整流濾至整流濾波電路波電路C502 0.1u輸入輸入220V交流電壓的檢測交流電壓的檢測220V交流交流 輸入輸入交流電壓交流電壓500V檔檔正常值正常值:220V15%(187V253V)共軛濾波器共軛濾波器220V交流電壓整流濾波后直流電壓的檢測交流電壓整流濾波后直流電壓的檢測直流電壓直流電壓500V檔檔來自共來自共軛濾波軛濾波器的器的220V交流電交流電壓壓正常值為正常值為300V左右左右 電路中電路中Q為開關管，工作于開關狀態(tài)（為開關管，工作于開關狀態(tài)（Q飽和導通飽和導通

13、時相當于一只接通的開關，時相當于一只接通的開關，Q截止時相當于一只斷截止時相當于一只斷開的開關開的開關）。）。 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，它在開關管截止時導通，保證電為續(xù)流二極管，它在開關管截止時導通，保證電感感L中的電流不中斷。中的電流不中斷。2.3 串聯(lián)型開關電源工作過程（降壓式BUCK)LQDCR L（a ) 串聯(lián)型開關電源基本電路串聯(lián)型開關電源基本電路+300V 開關管飽和導通時，開關管飽和導通時，300V電源通過開關管電源通過開關管Q，電電感感L和負載和負載RL形成電流回路，同時向電容器形成電流回路，同時向電容

14、器C充電，充電，在電感在電感L和電容和電容C中同時儲能。中同時儲能。 二極管二極管D處于反向截止狀態(tài)。處于反向截止狀態(tài)。 由于電感由于電感L中突然出現(xiàn)電流，將在中突然出現(xiàn)電流，將在L兩端產(chǎn)生左正兩端產(chǎn)生左正右負的自感電動勢，負載兩端電壓等于右負的自感電動勢，負載兩端電壓等于300V電源電源電壓與電壓與L兩端自感電動勢之差。兩端自感電動勢之差。IQI LICIRQ（b)開關管飽和時的等效電路開關管飽和時的等效電路D+300VR LLC+- 開關管截止時，由于電感線圈中電流的突然中斷，開關管截止時，由于電感線圈中電流的突然中斷，將在電感將在電感L兩端產(chǎn)生左負右正的自感電動勢，該自兩端產(chǎn)生左負右正的

15、自感電動勢，該自感電動勢使續(xù)流二極管感電動勢使續(xù)流二極管D導通，形成電流回路。導通，形成電流回路。 同時，電容同時，電容C也通過也通過RL放電。放電。 可見負載電流由電感電流與電容放電電流兩路同時可見負載電流由電感電流與電容放電電流兩路同時提供。提供。 雖然開關管截止了，但是負載電流并沒有中斷。雖然開關管截止了，但是負載電流并沒有中斷。ICI LIDD（c)開關管截止時的等效電路開關管截止時的等效電路Q+300VR LCL+-圖圖2-1 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)壓是從變這類電源的共同特點是具有高頻變壓器、直流穩(wěn)壓是從

16、變壓器次級繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。壓器次級繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。變壓器原副邊是隔離的，輸入電壓是直接從交流市電整流變壓器原副邊是隔離的，輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。得到的高壓直流。 2.4變壓器型開關電源工作過程2.4.1 高頻變壓器變換電路高頻變壓器變換電路工作方式工作方式分分類類按其按其工作方式工作方式可分為可分為五類五類,每類傳輸?shù)墓β室膊幌嗤?，應用環(huán)境每類傳輸?shù)墓β室膊幌嗤?，應用環(huán)境也稍有不同，如下所示：也稍有不同，如下所示：電路類型電路類型傳輸功率傳輸功率應用環(huán)境應用環(huán)境單端反激式單端反激式變換器變換器20100W小型儀器、儀表，家用電器等電小型儀器

17、、儀表，家用電器等電源，自動化設備中的控制電源源，自動化設備中的控制電源單端正激式單端正激式變換器變換器50200W小型儀器、儀表，家用電器等電小型儀器、儀表，家用電器等電源，自動化設備中的控制電源源，自動化設備中的控制電源推換式變換推換式變換器器100500控制設備，計算機等電源控制設備，計算機等電源半橋式變換半橋式變換器器1005000W焊機，超聲電源，計算機電源等焊機，超聲電源，計算機電源等全橋式變換全橋式變換器器500W30kW焊機、高頻感應加熱，交換機等焊機、高頻感應加熱，交換機等 開關管飽和導通，開關管電流在開關變壓器開關管飽和導通，開關管電流在開關變壓器初級產(chǎn)生上正下負的自感電動

18、勢，次級產(chǎn)生初級產(chǎn)生上正下負的自感電動勢，次級產(chǎn)生上負下正的互感電動勢。上負下正的互感電動勢。 整流二極管整流二極管D截止，由電容器截止，由電容器C放電形成負載放電形成負載電流。電流。300VVTDRL（a )基本電路基本電路C+300V e1+e2VT+_RL( b )開關管飽和導通開關管飽和導通DCT2.4.2 單端反激式單端反激式變壓器型開關穩(wěn)壓電源工作過程開關穩(wěn)壓電源工作過程 開關管截止，變壓器初級電流中斷，于是在開關管截止，變壓器初級電流中斷，于是在初級繞組產(chǎn)生反方向的自感電動勢（上負下初級繞組產(chǎn)生反方向的自感電動勢（上負下正），次級互感電動勢也反一個方向。正），次級互感電動勢也反一

19、個方向。 次級互感電動勢使整流二極管次級互感電動勢使整流二極管D導通，開關導通，開關變壓器次級電流一方面流入負載，另一方面變壓器次級電流一方面流入負載，另一方面向電容器向電容器C充電儲能，以便開關管再次導通時充電儲能，以便開關管再次導通時向負載釋放能量。向負載釋放能量。e1_+IRL300VCVTD（ c )開關管截止開關管截止T_+e2 A.能量轉換過程能量轉換過程VT導通，導通，D截止，截止，T吸收能量；吸收能量；VT截止，截止，D導通，導通，T釋放能量。釋放能量。傳遞的能量越多，負載兩端形成傳遞的能量越多，負載兩端形成的電壓就越高。的電壓就越高。*VTTD2.4.2 單端反激式單端反激式

20、變壓器型開關穩(wěn)壓電源工作過程開關穩(wěn)壓電源工作過程 B.穩(wěn)壓過程穩(wěn)壓過程取樣取樣電路電路比較比較放大放大基準基準脈沖產(chǎn)脈沖產(chǎn)生與脈生與脈寬控制寬控制VTTD2.4.2 單端反激式單端反激式變壓器型開關穩(wěn)壓電源工作過程開關穩(wěn)壓電源工作過程*2.4.3 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 ViT0NT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，就可以改變輸出電壓的高低。改變輸出電壓的高低。 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而改變輸出電壓

21、高低。改變開關管導通時間而改變輸出電壓高低。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。關管導通時間長短而改變輸出電壓高低。這種電源稱為這種電源稱為“調(diào)頻調(diào)寬調(diào)頻調(diào)寬”式開關電源。式開關電源。PFM三、單端反激式開關電源理論計算三、單端反激式開關電源理論計算 3 3.1.1 工作原理分析 1 1、在開關在開關VTVT導通期間：導通期間： maxmin)(PPonPinonPIItLUti2 2、在開關在開關VT截止期間截止期間 off2oP2PS2tLUINNTi

22、 max)(off20PonPin2PtLUItLUNN )(min圖圖2-2 單端反激式變換器單端反激式變換器3.2 3.2 單端反激式變換器也有三種工作狀態(tài)單端反激式變換器也有三種工作狀態(tài)1 1、磁通臨界連續(xù)的工作情況：、磁通臨界連續(xù)的工作情況： 02UNNUuPinceoninPoninPPonPinPofftUUNNtUULLNNtULLNUNt02022022 0UinoffonPoffonPinPUttNNttLULNN 222 圖圖8-16 臨界連續(xù)狀態(tài)時的電壓電流波形臨界連續(xù)狀態(tài)時的電壓電流波形2 2、磁通不連續(xù)的工作狀態(tài)、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

23、形oninPofftUUNNt02)()(20max220max22onPPonttLUINNttLUIiontPinSdtiUTP011ontPSoninpinSLTtUtdtLUT022221ttSont diUTP2001PSoninttononPPSLTtUttdttLUINNTUon2)()(22)(020max20PSLoninLTRtUU203 3、磁通連續(xù)的工作狀況、磁通連續(xù)的工作狀況圖8-18 磁通連續(xù)時的工作波形 )(20max22onttLUIi)()(20min2onPonPinPttLUItLUNNnUUttNNUnUUUTtinttinoffonPtinSon120

24、0002UNNUuPince)11(1tintintinUUUinttonSSPthoninPKUPnIntTITLtUI0002)1 (2)(22122minPoffLSoninPLtnRTtUI3.33.3、輸入電壓、輸入電壓U Uinin與導通比與導通比t t的對應關系的對應關系 inLttinHttUUnUmaxmaxminmin011即：即：輸入電壓最高時，相應的導通比是最小，輸入電壓最輸入電壓最高時，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低時，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。運行中由于閉環(huán)調(diào)

25、節(jié)，這種相互的。運行中由于閉環(huán)調(diào)節(jié)，這種相互適應是自動的。但必須指出的是，由控制電路振蕩器和適應是自動的。但必須指出的是，由控制電路振蕩器和PWMPWM門閂電路本身固有的最大最小導通比，一定要與運行條件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的最大最小導通比不矛盾，否則就會失調(diào)所需的最大最小導通比不矛盾，否則就會失調(diào)。3.4 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工作磁通都能復位，因此：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： 1.1.單端反激式變換器開關變壓器的鐵芯都帶有單端反激式變換器開關變壓器的鐵芯都帶有氣隙氣隙

26、。2.2.初級繞組電流實現(xiàn)初級繞組電流實現(xiàn)脈沖限流控制脈沖限流控制。 3.5 3.5 間歇振蕩問題間歇振蕩問題 當電網(wǎng)電壓升到一定值而又很大的情況下，欲維當電網(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(diào)制器會使脈寬減少到某一極限持輸出電壓恒定，則脈寬調(diào)制器會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，但由于導通時所儲存的能量沒有釋放回路，就有可能出現(xiàn)：通時所儲存的能量沒有釋放回路，就有可能出現(xiàn)：有的振蕩周期沒有有的振蕩周期沒有PWMPWM脈沖輸出，開關管不導通，有脈沖輸出，開關管不導通，有的振蕩周期就很寬，變

27、成了作周期性或非周期性的間歇振的振蕩周期就很寬，變成了作周期性或非周期性的間歇振蕩器，這時輸出電壓不穩(wěn)，紋波大，變壓器發(fā)出刺耳的哨蕩器，這時輸出電壓不穩(wěn)，紋波大，變壓器發(fā)出刺耳的哨叫聲。克服這一問題的辦法之一，也是最安全和可靠的辦叫聲。克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（假負載），以防負載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，負載開路了，由于有固定的假開路，這樣電網(wǎng)電壓最高，負載開路了，由于有固定的假負載，脈寬保證有一最小的寬度而不致于出現(xiàn)間歇振蕩現(xiàn)負載，脈寬保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導通比決定的。象。最小的脈寬是由控制電路振蕩器的最小導通比決定的。 3.2尖