[信息與通信]高頻開關(guān)電源工作原理

1、高頻開關(guān)電源的工作原理魏榜紅 2004培訓(xùn)內(nèi)容1、開關(guān)電源的概念2、開關(guān)電源的主要指標(biāo)3、開關(guān)電源的概念和開關(guān)電源的分類4、開關(guān)電源的工作原理5、通信設(shè)備對(duì)開關(guān)電源的要求一、開關(guān)電源的概念1、開關(guān)電源的概念 開關(guān)電源是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器，作為電源的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)（開關(guān)管、電感、高頻變壓器、電容、整流二極管）開或關(guān)狀態(tài)，其特點(diǎn)是頻率高、功耗低、工作效率高、體積小、輸入范圍寬(Switching Regulator - A switching circuit that operates in a closed loopsystem to regulate the power supply ou

2、tput)通過閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，使輸出電壓保持穩(wěn)定。 一、開關(guān)電源的概念2、開關(guān)電源和線性電源、相控電源的比較 線性電源：線性電源的主要特點(diǎn)就是功率器件工作在放大狀態(tài)，具有穩(wěn)定度高、可靠性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是效率低、笨重和體積大的缺點(diǎn)。只能做中、小功率的電源。 相控電源：是通過控制可控硅的導(dǎo)通角來達(dá)到穩(wěn)壓作用，功率因數(shù)比較低、效率低、笨重、體積大。一、開關(guān)電源的概念3、開關(guān)電源（swichingmode power supply） 開關(guān)電源因?yàn)轶w積小、效率高已經(jīng)充斥了我們的日常生活，從移動(dòng)電話的充電器，到我們的彩電、音像供電電源；從路邊的霓虹燈，到車站的電子顯示牌，這些都用到了開關(guān)電源；從我們的

3、臺(tái)式計(jì)算機(jī)，到便攜筆記本電腦等等，這些都離不開開關(guān)電源。 當(dāng)然開關(guān)電源的輸入并不限于是交流（AC/DC電源），還可以是直流（DC/DC電源和DC/AC電源）。開關(guān)電源交流輸入電壓范圍比較寬，可以從幾十伏到上千伏。就目前而言，開關(guān)電源的控制方式有兩種：脈寬調(diào)制和頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation PFM）。脈寬調(diào)制（Pulse Width ModulationPWM）方式比較常見，我們中興通訊電源均采用的是這種方式。 一、開關(guān)電源的概念4、開關(guān)電源的主要指標(biāo)無故障運(yùn)行間隔時(shí)間 這是開關(guān)電源最重要的指標(biāo)，衡量了開關(guān)電源的工作可靠性。一般說的是開關(guān)電源平均無故障運(yùn)行間隔時(shí)

4、間越長(zhǎng)約好。工作效率 輸出功率與輸入功率的比值就是開關(guān)電源的工作效率，衡量開關(guān)電源在變換過程中所產(chǎn)生的損耗，對(duì)于目前我們的開關(guān)電源工作效率在85%以上。電壓調(diào)整率 指在負(fù)載保持不變的情況下，輸出電壓變化與單位輸出電源和輸入電壓變化量的百分比。Sv（V0V0 Vi）。該參數(shù)表示了電源的穩(wěn)壓特性。一、開關(guān)電源的概念4、開關(guān)電源的主要指標(biāo)負(fù)載調(diào)整率 指的是輸出負(fù)載變化時(shí)，引起的輸出電壓的變化。 SL（V0V0 ）。 輸出紋波（峰峰值） 這個(gè)指標(biāo)衡量了開關(guān)電源的電磁兼容性，紋波越小越好。一般小于輸出電壓的百分之三毫伏，例如對(duì)于電壓來說，輸出紋波就位150毫伏。一、開關(guān)電源的概念、開關(guān)電源的一些名詞概念

5、有功功率（Acitive power):電能轉(zhuǎn)換成其他能量所消耗的功率，單位為瓦（W），用P表示。無功功率(Unactive power):沒有消耗功率，只是能量在電感和電容之間轉(zhuǎn)換的功率部分，單位為VA，用Q表示。視在功率(Aparent power):指的是交流輸入功耗，也叫表觀功率，其單位是VA，用S表示。 S2=P2+Q2功率因數(shù)(Power factor):有功功率與視在功率的比值，它表示交流電轉(zhuǎn)化成其他能量的能力。功率因數(shù)P/S。功率因數(shù)校正后為0.9999。二、開關(guān)電源的電路組成 不管什么樣的開關(guān)電源必須包括以下幾個(gè)部分：1、輸入電路 D級(jí)防雷電路、交流輸入的EMI電路、輸入整流

6、器濾波電路、輸入緩啟動(dòng)電路、APFC電路。 D級(jí)防雷是吸收雷電殘壓，保護(hù)開關(guān)電源不受損壞，一般是由壓敏電阻和放電管組合使用；交流輸入的EMI電路一般是用來抑制共模噪聲干擾的，是由共模電感、X、Y電容組成，將噪聲吸收到大地（機(jī)殼）；輸入緩啟動(dòng)電路如下圖所示,由于電容電壓不能突變，所以在剛接通電源的瞬間，電容的充電電流比較大，需要采取措施進(jìn)行限制，否則電源設(shè)備無法供電。二、開關(guān)電源的電路組成1、輸入電路（續(xù)） APFC電路，是有源功率因數(shù)校正電路。它是一個(gè)升壓電路，電路結(jié)構(gòu)采用的是BOOT電路，輸出電壓一般規(guī)定在410VDC左右。由于開關(guān)電源所采用的器件全部工作在非線性狀態(tài)，電路上有電感和電容，所

7、以會(huì)造成交流輸入電壓和電流的相位存在相位差，導(dǎo)致交流電不能全部做功，一部分在電感和電容中轉(zhuǎn)換。另外交流電壓和電流波形出現(xiàn)畸變，造成諧波分量增加，干擾增加。功率因數(shù)校正電路就是將電壓和電流相位強(qiáng)制到一致，同時(shí)對(duì)波形給予修正。二、開關(guān)電源的電路組成 開關(guān)電源APFC電路二、開關(guān)電源的電路組成 輸入緩啟動(dòng)電路原理圖二、開關(guān)電源的電路組成2、功率變換電路 將PFC輸出的410VDC高壓進(jìn)行變換，變成高頻高壓脈沖電壓，然后驅(qū)動(dòng)高頻變壓器，變壓器將高壓脈沖電壓變成低壓脈沖電壓。該部分的主要器件是開關(guān)功率器件和高頻變壓器。3、輸出電路 輸出電路主要是全波整流電路和濾波電路、輸出EMI電路。全波整流器電路所用

8、的整流二極管不是普通的，一般用采用快恢復(fù)二極管或肖特基；濾波電容用的是高頻低阻電容。二、開關(guān)電源的電路組成4、控制電路 控制電路是開關(guān)電源電路的核心之一。PWM控制芯片決定開關(guān)電源的工作模式，該芯片產(chǎn)生兩路相位相反的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件工作，通過脈沖寬度來控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)節(jié)能量傳遞的大小。開關(guān)電源的控制電路是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以能及時(shí)保證輸出電壓穩(wěn)定不變，閉環(huán)有兩個(gè)環(huán)來調(diào)節(jié)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)調(diào)節(jié)，確保開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，速度比較快。外環(huán)是電壓調(diào)節(jié)環(huán)，確保電壓的穩(wěn)定，速度相對(duì)較慢。輸出過壓保護(hù)、均流電路、過熱保護(hù)、限流保護(hù)、短路保護(hù)以及交流輸入過欠壓保護(hù)是開關(guān)電源的輔助電路。

9、二、開關(guān)電源的電路組成三、開關(guān)電源的常用電路類型 我們一般按照DC/DC變換的方式來劃分開關(guān)電源的電路類型，包括單端正激電路、單端反激電路、推挽電路、半橋電路和全橋電路。下面我們對(duì)每個(gè)電路的情況給予簡(jiǎn)單的描述。1、單端反激電路 反激式開關(guān)電源的核心部分是反激式直流直流變換器，基本電路如下圖所示：?jiǎn)味朔醇る娐芬话阌迷谛」β孰娫春烷_關(guān)電源的輔助電源上。其占空比可達(dá)100，控制芯片一般用的是UC3842和UC3843。三、開關(guān)電源的常用電路類型 反激式電路原理圖三、開關(guān)電源的常用電路類型3、單端正激電路 正激式開關(guān)電源的核心部分是正激式直流直流變換器，基本電路如下圖所示。正激電路變壓器的利用率比較高

10、，工作時(shí)的占空比小于50，工作頻率是振蕩頻率的一半，所使用的控制芯片一般是UC3844和UC3845。可以做中型功率的開關(guān)電源，使用雙管正激電路，其功率可以做得更高一點(diǎn)。雖然功率變壓器不像反激式電路要開氣隙，但是一般要在變壓器中加去磁繞組，在關(guān)斷時(shí)將付邊的能量反射到交流輸入上。三、開關(guān)電源的常用電路類型 正激電路原理圖（單管正激）三、開關(guān)電源的常用電路類型 正激電路原理圖（雙管正激）三、開關(guān)電源的常用電路類型4、推挽電路 推挽式功率變換電路原理圖，如圖下圖所示。推挽電路要求輸入電壓低，兩個(gè)開關(guān)管的耐壓要求是輸入電壓的2倍，所以一般用在DC/DC電源中。推挽電路一般用在中型功率電路上，變壓器雙向

11、激勵(lì)，變壓器效率高,但是變壓器容易出現(xiàn)磁偏現(xiàn)象。它的功率比正激電路稍微大一點(diǎn)，但是存在開關(guān)管“直通”的危險(xiǎn)。 工作時(shí)兩個(gè)功率開關(guān)管V1、V2交替導(dǎo)通或截止。當(dāng)V1和V2分別導(dǎo)通時(shí)，W1和W2有相應(yīng)的電流流過，這時(shí)變換器次級(jí)將有功率輸出。當(dāng)V1導(dǎo)通，V2截止時(shí)，V2集射兩端承受的電壓為2倍的Uin，而在V1、V2都處于截止時(shí)它們所承受的電壓為輸入直流電壓Uin。三、開關(guān)電源的常用電路類型 推挽電路原理圖三、開關(guān)電源的常用電路類型5、半橋電路 半橋電路有兩個(gè)功率開關(guān)管，通過兩個(gè)串連的電容器來構(gòu)成工作回路，這兩個(gè)功率管交替導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)高頻變壓器進(jìn)行能量傳遞，變壓器是雙向激勵(lì)的。半橋電路同樣存在變壓器磁偏

12、現(xiàn)象，會(huì)出現(xiàn)“直通”問題。同樣的變壓器的情況，半橋的輸出功率大于推挽電路。如下圖所示：C1和C2的作用主要是實(shí)現(xiàn)靜態(tài)時(shí)分壓，使Ua=1/2Uin。當(dāng)V1導(dǎo)通，V2截止時(shí)，輸入電流方向?yàn)閳D中虛線方向，向C2充電；當(dāng)V1截止，V2導(dǎo)通時(shí)，輸入電流方向?yàn)閳D中實(shí)線方向，向C1充電。當(dāng)V1導(dǎo)通，V2截止時(shí)，V2兩端承受的電壓為輸入直流電壓Uin。三、開關(guān)電源的常用電路類型 半橋型開關(guān)電源原理圖三、開關(guān)電源的常用電路類型6、全橋電路 全橋電路是大功率電源常用的電路，有四個(gè)開關(guān)管組成兩個(gè)橋臂。兩個(gè)橋臂分別導(dǎo)通激勵(lì)高頻功率變壓器，進(jìn)行能量變換，但是存在開關(guān)管“直通”的危險(xiǎn)。 全橋電路原理圖如下圖所示。由四個(gè)功

13、率開關(guān)器件V1V4組成，變壓器T連接在四橋臂中間，相對(duì)的兩只功率開關(guān)器件V1、V4和V2、V3分別交替導(dǎo)通或截止，使變壓器T的次級(jí)有功率輸出。當(dāng)功率開關(guān)器件V1、V4導(dǎo)通時(shí)，另一對(duì)V2、V3則截止，這時(shí)V2和V3兩端承受的電壓為輸入電壓Uin在功率開關(guān)器件關(guān)斷過程中產(chǎn)生的尖峰電壓被二極管V5V8箝位于輸入電壓Uin。三、開關(guān)電源的常用電路類型 全橋型電路原理圖三、開關(guān)電源的常用電路類型7、幾種類型電路比較四、通信用開關(guān)電源的基本要求1、開關(guān)電源的均流 一套開關(guān)電源系統(tǒng)至少需要兩個(gè)開關(guān)電源模塊并聯(lián)工作，大的系統(tǒng)甚至多達(dá)數(shù)十個(gè)電源模塊并聯(lián)工作，這就要求并聯(lián)工作的電源模塊能夠共同平均分擔(dān)負(fù)載電流，即

14、均分負(fù)載電流。均分負(fù)載電流的作用是使系統(tǒng)中的每個(gè)模塊有效地輸出功率，使系統(tǒng)中各模塊處于最佳工作狀態(tài)，以保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、高效地工作。負(fù)載均分性能一般以不平衡度指標(biāo)來衡量，不平衡度越小，其均分性能越好，即各模塊實(shí)際輸出電流值距系統(tǒng)要求值的偏離點(diǎn)和離散性越小。國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和信息產(chǎn)業(yè)部入網(wǎng)要求其均分負(fù)載不平衡度5%輸出額定電流值。四、開關(guān)電源的分類 一般是按照開關(guān)電源的輸入和輸出進(jìn)行分類 Acdc：把交流輸入變換成直流輸出，一次電源。 Dcdc：把直流輸入變換成直流輸出，二次電源。 DcAc：把直流輸入變換成交流輸出，逆變器電源。 AcAc：把交流輸入變換成交流輸出，UPS電源。四、通信用開

15、關(guān)電源的基本要求2、均流在組合開關(guān)電源柜中的體現(xiàn) 對(duì)于組合電源來說，一般要配置2臺(tái)以上的整流器，如果均流效果好，那么每個(gè)整流器的輸出電流基本“相近”。但是并不是理想狀態(tài)下的“非常均勻”，當(dāng)負(fù)載比較小的情況下（負(fù)載電流為2A左右，平均狀態(tài)下每個(gè)整流器的輸出不超過1A），有可能某一個(gè)整流器輸出電流2A，而其他整流器的輸出電流為零，這并不是電源系統(tǒng)不均流，而是在小電流情況下是否均流對(duì)組合電源系統(tǒng)來說意義并不是很大。均流的真正意義在于在整流器輸出電流比較大的情況下（30以上負(fù)載），各個(gè)整流器的輸出電流在小于5%范圍之內(nèi)，保證整流器的可靠性。這個(gè)指標(biāo)是以單個(gè)整流器的額定輸出電流為依據(jù)的，詳細(xì)情況請(qǐng)看下面

16、的例子。五、通信用開關(guān)電源的基本要求3、組合開關(guān)電源柜均流說明舉例 例如有一個(gè)通信基站用的是一套電源設(shè)備，配置了5個(gè)整流器，負(fù)載使用的電流是30A。假如5個(gè)整流器的輸出電流分別是：、6A、6A、7A、，那么按照標(biāo)準(zhǔn)情況該組合電源的整流器均流是符合條件的，即電流最大和最小之間的相差不超過30A103A（最大是，最小是），偏離中心值6A也符合要求。 假如這個(gè)基站設(shè)備的電流是3A，那么有可能出現(xiàn)某一個(gè)整流器的輸出電流3A，而其他整流器的輸出電流很小，幾乎為零。這種現(xiàn)象是正?，F(xiàn)象，按照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算符合要求。另外對(duì)這么小的電流，均流已經(jīng)失去意義。 五、通信用開關(guān)電源的基本要求4、開關(guān)電源的保護(hù)功能 對(duì)于通信

17、設(shè)備使用的開關(guān)電源來說，需要有以下幾個(gè)保護(hù)：輸出過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、輸出短路保護(hù)、限流功能、輸入過欠壓保護(hù)。輸出過壓保護(hù) 開關(guān)電源的輸出電壓一般不會(huì)超出正常范圍，但是一旦超出正常范圍，那么可能會(huì)對(duì)通信設(shè)備造成損壞。所以開關(guān)電源整流器設(shè)有輸出過壓保護(hù)，一旦輸出電壓超過設(shè)定值，那么開關(guān)電源會(huì)將輸出閉鎖。此閉鎖是不能自恢復(fù)的，需要斷電重啟才可以。五、通信用開關(guān)電源的基本要求4、開關(guān)電源的保護(hù)功能(續(xù)）輸入過欠壓保護(hù) 輸入過欠壓保護(hù)指的是在交流電壓過高或過低時(shí)關(guān)閉電源輸出，此關(guān)閉是可以自動(dòng)恢復(fù)的，一旦條件滿足，開關(guān)電源會(huì)自動(dòng)開始工作的。過壓保護(hù)是避免在輸入電壓高的時(shí)候，因功率開關(guān)管工作，而引起其損壞；

18、欠壓保護(hù)是避免在輸入電壓低的時(shí)候，因輸入電流過大，而造成輸入器件（整流橋、開關(guān)管、變壓器）通過電流超過額定值而損壞，另外也是保證整流器工作在最佳狀態(tài)。五、通信用開關(guān)電源的基本要求4、開關(guān)電源的保護(hù)功能（續(xù)）限流保護(hù) 開關(guān)電源的限流是通過降低輸出電壓來實(shí)現(xiàn)的，這種保護(hù)電路一般設(shè)在開關(guān)電源的付邊。其限流有兩個(gè)方面的作用，一個(gè)方面就是保證開關(guān)電源輸出功率不超過額定值而損壞，提高可靠性（開關(guān)電源的限流點(diǎn)為輸出額定電流的110）；另外一方面就是在給蓄電池充電時(shí)限流，確保不過充（按照設(shè)定的限流值限流）。短路保護(hù) 短路保護(hù)檢測(cè)原邊的電流，采用控制芯片自帶的電流檢測(cè)電路來進(jìn)行，短路保護(hù)響應(yīng)速度快，采用的是逐脈沖限流方式，通過封鎖開關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖來達(dá)到限流的目的。短路保護(hù)是開關(guān)電源必須具備的最基本。 五、通信用開關(guān)電源的基本要求4、開關(guān)電源的保護(hù)功能（續(xù)）過熱保護(hù)（Overheating protection) 開關(guān)電源在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，如果這些熱量釋放不出去或沒有達(dá)到發(fā)熱和散熱平衡，那么開關(guān)電源的內(nèi)部的溫度會(huì)上升。此時(shí)如果沒有保護(hù)，那么會(huì)造成功率器件過熱而損壞。我們的過熱保護(hù)是和冷卻風(fēng)扇配合起來的，當(dāng)溫度