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文檔簡介

1、開關(guān)電源根本原理與設(shè)計介紹開關(guān)電源根本原理與設(shè)計介紹Summaryn根本原理介紹n開關(guān)電源中的相關(guān)設(shè)計n 根本原理介紹根本原理介紹 DC-DC變換器主要架構(gòu)及其拓補 EMI局部 PFC局部 同步整流局部 均流技術(shù) 保護與控制線路SPS根本原理框圖根本原理簡介 一般由三局部組成:一是輸入回路.二是輸出回路.三是控制回路. 輸入回路由EMI濾波電路.高壓整流濾波.隔離變壓器初級和高壓方波切割組件所組成,其與電網(wǎng)直接連接高電壓.輸出回路由隔離變壓器次級.低壓整流濾波電路所組成,其與控制回路都由低壓電子元器件組成.輸入回路與輸出回路兩者間采用隔離變壓器進行隔離確保人身與低壓電子器件之平安,這樣不僅到達

2、高低電壓隔離,還做到上下電壓的轉(zhuǎn)換功能. 工作原理 交流輸入電壓(AC)經(jīng)EMI濾波電路濾波一些電網(wǎng)來的干擾與噪聲后,直接予以整流與濾波得到高壓直流(DC).再將直流高壓進入方波切割器件(MOSFET)中,切割成20200KHZ的高頻電壓方波信號.該方波信號進入隔離變壓器初級,而由次級所感應(yīng)出的低壓交流電勢經(jīng)整流濾波后,得到低壓穩(wěn)定直流輸出,供給負載.不管輸入電壓有無變化或輸出負載是否變動,都要保持輸出直流電壓的穩(wěn)定.因此,經(jīng)直流輸出監(jiān)控電路對輸出電壓加以監(jiān)控,并把信號回饋給PWM邏輯控制電路調(diào)整占空比.從而調(diào)整輸出電壓到達穩(wěn)定效果.當負載發(fā)生故障(如:短路,過載等)時可通過保護電路把信號迅速

3、回饋給PWM邏輯控制電路使方波切換組件停止工作,到達保護的功能. Boost DC-DC變換器主要架構(gòu)peak drain current .peak drain voltage 2. Boost (step up)Ideal transfer function Diode voltages (vrm Average diode currentsBoost變換器工作狀態(tài)Boost DC-DC變換器主要架構(gòu)DPS-350MB ABOOST CIRCUITBuck DC-DC變換器主要架構(gòu)1.Buck (step down) peak drain current Ideal transfer fu

4、nction peak drain voltageAverage diode currents Diode voltages (vrm) Buck變換器工作狀態(tài)Buck變換器工作原理 當S關(guān)閉時,電流就會順向地流經(jīng)電感器L,此時在負載上就會有帶極性的輸出電壓產(chǎn)生,如上面圖2所示,當開關(guān)翻開時,電感器L會改變磁場,二級體D那么為順向偏壓狀態(tài),因此在電容器C中就會有電流流過,因此在負載RL上輸出電壓的極性仍是相同的,一般我們稱此二級體D為飛輪二級體. 由于此種轉(zhuǎn)換動作,使得輸出電源是一種連續(xù)而非脈動電流形式,相對的由于開關(guān)S在ON/OFF之間改變,所以輸入電流那么為不連續(xù)形式,也就是所謂的脈動電流

5、形式.Buck DC-DC變換器主要架構(gòu)n實際舉例 DPS-350MB A BUCK CIRCUITBuck&Boost DC-DC變換器主要架構(gòu)Voltage and current waveforms BuckBoostBUCK-BUST(FLYBACK)變換器n原理圖BUCK-BUST(FLYBACK)變換器n工作狀態(tài)BUCK-BUST(FLYBACK)變換器n工作原理 當電路中的開關(guān)S關(guān)閉時,電流就會流經(jīng)電感L,并將能量儲存于其中,由于電壓極性的關(guān)系,二級體D是在逆向偏壓狀態(tài),此時負載電阻RL上就沒有電壓輸出. 當開關(guān)S翻開時,由于磁場的消失,電感L呈逆向極性,二級體D為順向偏

6、壓,環(huán)路中那么有Ic感應(yīng)電流產(chǎn)生,因此負載RL上的輸出電壓極性正好和輸入電壓極性相反,由于開關(guān)ON/OFF的作用,使得電感器的電流交替地在輸入與輸出間,連續(xù)不斷的改變其方向,不過這二者電流都是屬于脈動電流形式. 所以該變換器電路中,當開關(guān)是在導(dǎo)通周期時,能量是儲存在電感器里,反之,當開關(guān)是在翻開周期時能量會轉(zhuǎn)移至負載上. Isolated Forward DC-DC變換器拓補3.Isolated ForwardIdeal transfer function Peak drain current Peak drain voltageAverage diode currents Diode vol

7、tages (vrm) Isolated Forward 工作原理 由于該轉(zhuǎn)換器中使用的隔離組件是一個真正的變壓器,因此為了獲得正確有效的能量轉(zhuǎn)移,必須在輸出端有電感器,作為次級感應(yīng)的能量儲存組件.而變壓器的初級繞組和次級繞組有相同的極性. 當晶體管Q1在ON時,初級繞組漸漸會有電流流過,并將能量轉(zhuǎn)移至輸出,且同時經(jīng)由順向偏壓二級體D2,儲存與電感器L中,此時的二級體D3為逆向偏壓狀態(tài).當Q1換成OFF狀態(tài)時,變壓器的繞組電壓會反向,D2二級體此時就處于逆向偏壓的狀況,此時與飛輪二級體D3那么為順向偏壓,在輸出回路上有導(dǎo)通電流流過,并經(jīng)由電感器L,將能量傳導(dǎo)至負載上. 變壓器上的第三個繞組與D

8、1互相串聯(lián)在一起,可到達變壓器消磁的作用,如此可防止Q1在OFF時,變壓器的磁能會轉(zhuǎn)回至輸入直流總線上.Forwardn實際舉例300LB A FORWARD CIRCUIT Isolated Flyback DC-DC變換器拓補4. Isolated Flyback Ideal transfer functionPeak drain current Peak drain voltageDiode voltages (vrm)Average diode currentsIsolated Flyback 工作原理當晶體管Q1導(dǎo)通時,變壓器的初級繞組漸漸會有初級電流流過,并將能量儲存與其中,由于變

9、壓器扼流圈的輸入與輸出繞組,其極性是相反的,因此二級體被逆向偏壓,此時沒有能量轉(zhuǎn)移至負載,當晶體管不導(dǎo)通時,由于磁場的消失導(dǎo)致繞組的極性反向,此時二級體D會被導(dǎo)通,輸出電容器C會被充電,負載RL上有IL的電流流過.由于此種隔離組件的動作就象是變壓器與扼流圈,因此在還擊式轉(zhuǎn)換器輸出局部,就不需要額外的電感器了,但是在實際應(yīng)用中,為了抑制高頻的轉(zhuǎn)換電訊波尖,還是會在整流器與輸出電容之間加裝小型電感器.Flybackn實際舉例DPS-200PB-135 B FLYBACK CIRCUIT Voltage and current waveformsForward FlybackForward&

10、Flyback DC-DC變換器拓補nTWO- SWITCH FORWARD Ideal transfer functionPeak drain currentPeak drain voltageAverage diode currentsAverage diode currentsTow Switch Forward DC-DC變換器拓補DC-DC變換器拓補Voltage and current waveforms實際舉例DC-DC變換器拓補nHALF BRIDGE Ideal transfer functionPeak drain current Peak drain voltage Av

11、erage diode currents Diode voltages (vrm) DC-DC變換器拓補nFULL BRIDGE Ideal transfer functionPeak drain current Peak drain voltageAverage diode currentsDiode voltages (vrm)DC-DC變換器拓補nVoltage and current waveformsHALF BRIDGE FULL BRIDGEFULL BRIDGE circuitDPS-1001AB C FULLBRIDGE CIRCUIT 零電流開關(guān)變換器n軟開關(guān)ZCS變換器

12、在大功率的開關(guān)電源中,為了降低電路的開關(guān)損耗及提高開關(guān)器件的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力,軟開關(guān)技術(shù)也就得到了研究并得到了迅速開展.所謂軟開關(guān)通常指的是零電壓開關(guān)ZVS和零電流開關(guān)ZCS.軟開關(guān)的實現(xiàn)主要是借助于附加的電感L和電容C的諧振,使開關(guān)器件中電流(或電壓)按正弦規(guī)律來變化,當電流過零時,使器件關(guān)斷,當電壓下降到零時,使器件導(dǎo)通.此次討論零電流開關(guān)變換器-ZCS-PWM.ZCS-PWM變換器是ZCS-QRC和PWM開關(guān)變換器的綜合,同時兼有二者的特點.在一個周期內(nèi),電路有時以ZCS準諧振方式運行,有時又以PWM方式運行.以Buck ZCS-PWM為例,對此電路的工作過程進行討論和分析. 根本電路

13、nBUCK 變換器根本電路在此電路中將開關(guān)S用零電流諧振開關(guān)代替后,就構(gòu)成了以下圖的零電流開關(guān)諧振Buck變換電路.根本變換電路nBUCK ZCS-QRS變換電路在Buck ZCS-QRS變換電路的根底上增加一個功率開關(guān)管Q2以及與其反并聯(lián)的二極管D2就構(gòu)成了Buck ZCS-PWM變換電路.根本變換電路nBuck ZCS-PWM變換器 根本變換電路nBuck ZCS-PWM變換器工作原理Lri 設(shè)初始時刻主開關(guān)管Q1和輔助開關(guān)管Q2均處于關(guān)斷狀態(tài),輸出負載電流Io從續(xù)流二極管D上流過,電容Cr兩端的電壓為零.一個開關(guān)從主開關(guān)管Q1的導(dǎo)通開始.當Q1在Snubber電感Lr作用下零電流導(dǎo)通后,

14、電感電流 將在電源電壓 作用下線性上升,當 上升倒等于IO時,續(xù)流二極管D關(guān)斷.之后,D2導(dǎo)通,LR與CR諧振.經(jīng)過半個諧振周期,以諧振方式再次達到IO,以諧振方式上升到,此時由于輔助開關(guān)管Q2處于關(guān)斷狀態(tài),故 與 將保持在該值上,無法繼續(xù)諧振.這個狀態(tài)的持續(xù)時間由電路輸出的PWM控制要求確定.如果這一段時間等于零,則ZCS-PWM電路就完全等同于ZCS-QRC電路了.當電路的輸出PWM控制要求關(guān)斷主開關(guān)管Q1時,首先應(yīng)導(dǎo)通開關(guān)管Q2(在SNUBBER電感LR的作用下零電流導(dǎo)通),之后 與 再次諧振.當電感電流諧振到零時,二極管D1導(dǎo)通,之后,繼續(xù)向反方向諧振并再次諧振到零.在電感電流反方向運

15、行期間,主開關(guān)管Q1可在零電流零電壓下完成關(guān)斷過程.在此之后,電容電壓 將在輸出電流的作用下線性衰減到零,使續(xù)流二極管D自然導(dǎo)通,直到下一個開關(guān)周期到來.輔助開關(guān)管Q2可以在D到同之后及下一個開關(guān)周期到來之前的任何inVLriinV2LricrvrLrCLri以下分析都是在以下條件成立時進行的:a.所有元器件都是理想的,即開通時管壓降為零,關(guān)斷時漏電流為零,開通與關(guān)斷瞬間完成.b.濾波電感 足夠大,故濾波器 及負載 在一個開關(guān)周期中,可用其值等于該周期輸出電流Io的恒流源代替. Buck ZCS-PWM變換電路的開關(guān)周期可分為六個時間段來描述,對應(yīng)于六種根本的電路拓撲模式,如以下圖所示.設(shè)電路

16、初始狀態(tài)為主電路開關(guān)Q1關(guān)斷,輔助開關(guān)Q2關(guān)斷,續(xù)流二極管D導(dǎo)通,輸出電流全部通過D續(xù)流,電感電流=0,電容電壓=0.工作過程分析 .fLffCL LRLricrv時刻,以零電壓零電流方式完成關(guān)斷過程. 從上述工作原理可看出,在ZCS-PWM電路中,所有開關(guān)管及二極管都是在零電壓或零電流下完成通斷的.同時,電路可以以恒定頻率通過調(diào)節(jié)輸出脈寬占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓.各時間段的電路拓補圖主要電量波形半橋式轉(zhuǎn)換器介紹n雙輸入電壓半橋式轉(zhuǎn)換器 二個主要優(yōu)點,第一點就是它能在數(shù)放交流電壓115V或230Vac的工作情況下,不需使用到高壓晶體管.第二點就是我們只需使用到簡單的方法就能來平衡每一轉(zhuǎn)換晶體管的伏

17、特-秒(volt-senconds)區(qū)間,而功率變壓器不需有間隙且不需使用到價格高的對稱修正電路, 雙輸入電壓半橋式轉(zhuǎn)換器 在半橋式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)中,功率變壓器有一端點連接到由串聯(lián)電容器C1與C2所產(chǎn)生的浮點電壓值端點,其浮點電壓值為Vin/2,所以在標準的輸入電壓下,其值為160Vdc.變壓器的另一端點那么經(jīng)由串聯(lián)電容器C3連接到Q1的射極與Q2的集極接頭處,當Q1晶體管ON時,此處變壓器端點會產(chǎn)生正的160V電壓脈波,當Q1晶體管OFF,Q2晶體管ON時,變壓器的初級圈會極性反轉(zhuǎn),因此,會產(chǎn)生負的160V電壓脈波,在這Q1與Q2晶體管ON-OFF動作中,其產(chǎn)生的峰對方波電壓值為320V,經(jīng)由變

18、器轉(zhuǎn)換降低為次級電壓,再經(jīng)過整流,濾波而得到直流輸出電壓.工作原理RCC(Ringing choke converter)電路nRCC電路的工作原理 以DPS-180KB-1 D的STANDBY電路為例 如下圖,Q902的控制極(G極)由R914AR914C得到啟動電壓后,Q902開始導(dǎo)通,電流經(jīng)過T901的8,10腳,Q902的漏源極和R906到地,同時T901開始儲能,R906的電壓也同時升高,當R906的電壓到達一定值的時候,Q901導(dǎo)通,使得Q902的G極電壓拉低,Q902截止.在Q902截止的期間內(nèi),由開關(guān)變壓器T901向負載提供能量,在T901次級繞組的電流經(jīng)過LC濾波后得到直流輸

19、出.當Q901由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r,Q902再次導(dǎo)通,如此反復(fù)的循環(huán),形成自激振蕩.RCC電路舉例Input EMI SectionnEMI的定義nEMI的產(chǎn)生和傳播及處理方式n在SPS中的架構(gòu)模型nEMI的處理及量測裝置nLISN的原理與使用n開關(guān)電源的噪聲分析nEMI濾波器的組成組件EMI的定義EMI:Electromagnetic interference電磁干擾EMI包括傳導(dǎo)(conduction)和輻射(radiation)兩個局部.傳導(dǎo)EMI是待測物經(jīng)由導(dǎo)線(電源線)所傳遞出來的噪聲.輻射EMI是直接由開放空間傳遞的.Input EMI Section架構(gòu)架構(gòu)EMI的的產(chǎn)生傳播及處理方

20、式產(chǎn)生傳播及處理方式 噪聲傳遞的主要方式為噪聲傳遞的主要方式為 1 1傳導(dǎo)耦合傳導(dǎo)耦合2 2公共阻抗耦合公共阻抗耦合3 3輻射耦合輻射耦合 根據(jù)電磁干擾的傳播途徑開關(guān)電源中的電磁干擾可以分為輻射根據(jù)電磁干擾的傳播途徑開關(guān)電源中的電磁干擾可以分為輻射干擾和傳導(dǎo)干擾兩種干擾可以相互轉(zhuǎn)換干擾和傳導(dǎo)干擾兩種干擾可以相互轉(zhuǎn)換 傳導(dǎo)干擾可以分為共模傳導(dǎo)干擾可以分為共模Common ModeCommon ModeCMCM干擾和差模干擾和差模Differential ModeDifferential ModeDMDM干擾由于寄生參數(shù)的存在以及開關(guān)電干擾由于寄生參數(shù)的存在以及開關(guān)電源中開關(guān)器件的高頻開通和關(guān)斷使

21、得開關(guān)電源在其輸入端即交流源中開關(guān)器件的高頻開通和關(guān)斷使得開關(guān)電源在其輸入端即交流電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生較大的共模干擾和差模干擾電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生較大的共模干擾和差模干擾 傳導(dǎo)傳導(dǎo)EMIEMI經(jīng)由介質(zhì)進行傳導(dǎo)因此在電路上經(jīng)常是加濾波器的經(jīng)由介質(zhì)進行傳導(dǎo)因此在電路上經(jīng)常是加濾波器的方式抑制噪聲但是輻射方式抑制噪聲但是輻射EMIEMI不經(jīng)由介質(zhì)噪聲可以不經(jīng)由介質(zhì)噪聲可以bypass EMIbypass EMI而影而影響其他系統(tǒng)因此其處理方式多為屏蔽響其他系統(tǒng)因此其處理方式多為屏蔽shieldingshielding接地接地groundinggrounding濾波等濾波等開關(guān)電源的噪聲分析開關(guān)電源的噪聲分析由LISN所

22、取得的噪聲中,都包含有CM噪聲(common-mode noise)及DM噪聲(differential-mode noise)兩個分量CM噪聲由CM噪聲電流產(chǎn)生,DM噪聲有DM噪聲電流產(chǎn)生.其中CM噪聲電流ICM是L,N相對于接地線共同的噪聲,而DM噪聲電流IDM是直接經(jīng)L,N而不經(jīng)過接地線的噪聲分量.此兩分量用數(shù)學表示如下:DMCMtotalIIItotalI為總噪聲電流,它是流經(jīng)LISN的50ohm阻抗所產(chǎn)生的噪聲電壓50*totaltotalIV開關(guān)電源的噪聲分析開關(guān)電源的噪聲分析 CM噪聲電流與DM噪聲電流由什么造成的? 根據(jù)前人的實驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)CM噪聲主要是由Power MOSFE

23、T及變壓器上的寄生電容及雜散電容造成的.而DM噪聲電流那么由電源電路初級端的非連續(xù)電流機輸入端濾波大電容(bulk capacitor)上的寄生電感所造成的.EMI濾波器的組成組件n常見的EMI濾波組件共有四種:n CM電感DM電感X電容Y電容n1. CM電感n CM電感是將兩組線圈繞在一個鐵芯上制成的.且其繞線的方向能使得其DM電流所產(chǎn)生的磁場HDM相互抵消,而對CM電流而言,由于其是對地而言的,因此兩組線圈可看成是L,N對地獨立電感,其所產(chǎn)生的磁場HCM是相同方向的.n 同時由于DM的磁場相互抵消的關(guān)系,CM電感比較不易飽和,因此一選用u值較高的ferrite core作為鐵芯.n2. D

24、M電感n DM電感的濾波原理和電源供給器輸出端的濾波電感并無不同,由于需要流經(jīng)大電流,因此材質(zhì)多用u值較低的powder core以防止飽和.EMI濾波器的組成組件3.X電容 X電容是跨接于電源的L,N兩端.一般為金屬皮鏌(metal film)為材質(zhì),其容值規(guī)格為0.015uF 0.1uF 0.22uF 0.33uF 0.47uF 0.68uF最大為1uF.4.Y電容 Y電容扮演的是CM電容的角色.其最大的特點是以兩個為一組而存在.一般Y電容均為高壓陶瓷電容,其電容容值較小,從470pF 1000pF 2200pF 3300pF到最大為4700pF.Active Power Factor C

25、orrectionACInBridge+To PWMRLL1D2PFCControlPFC SectionWhat is Power Factor Correction?020406080100120140160180Voltage0123456789CurrentV ( I N)I ( I N)V ( CAP)02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 0Voltage0123456789CurrentV ( I N)I ( I N)WithoutPFCWithPFCPFC工作原理How does PFC work?CsCdLdDfSRRect.KiKoRsVr

26、ef UC3854, UC3855PFC section功率因子校正 功率因子校正是一非線性負載,從AC電壓來看就象一個負阻特性的負載.對于一個電阻來說,其電流與電壓同相位并且成正比.所以功率因子是一非線性負載.通常是大多數(shù)電源的輸入,這些電源用橋式整流和輸入濾波電容來補償.輸入濾波電容最大充電結(jié)果導(dǎo)致短暫的很大幅度的電流脈沖流過電源.而不是同電壓同相位的正鉉電流.這樣的電源其功率因子小于一.如果輸入電流被這樣的電源汲取,其功率因子將小于一.含有PFC工能的IC ML4824 ML4824的PFC局部采用升壓模式的DC-DC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了輸入電流同輸入電壓同相位并且成比例.轉(zhuǎn)換器的輸入是全波整流交流電壓,用于跟隨橋式整流起器,所以升壓變換器輸入電壓的范圍從零到交流電壓最大值又回到零,.通過使升壓變換器滿足兩個同時存在的狀況,保證變換器從電源電壓得到的電流與瞬間線電壓一致就成為可能.狀況之一是升壓變換器的輸出電壓必須設(shè)定的高于線電壓的最大值,通常使用的是385VDC來滿足高壓的275VACrms.另一狀況為轉(zhuǎn)換器在任一給定時刻所得電流必須與線電壓成比例.第一個要求通過對轉(zhuǎn)換器建立一個適宜

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