開關電源技術課件

1、2022/9/241復習：開關電源的內容一、 電源的重要性： 一切設備需要電源；設備的更新，電源也跟隨更新 。 電源無法集成： （1）電源的功率很大； （2）不同的設備需要不同的電源，包括電壓、電流、功率密度、體積、效率、EMI等等。 （3）變壓器、電感、大的電解電容也無法集成。 （4）電源的功率大，損耗也很大，散熱也是一個問題。2022/9/241復習：開關電源的內容一、 電源的重要性：2022/9/242 1. 了解開關電源的應用。 2. 開關電源的結構（組成部分）。 3. 元器件的選擇MOS管、二極管、電阻和電容 4. 掌握拓撲結構的工作原理，能畫出原理圖。 5. 磁性元器件（變壓器和電

2、感）的特性。 6. PWM控制方法-UC3842的應用。 7.電源輸入級電路的介紹。 8. 功率因數校正（PFC）。 9.同步整流及其控制方法。 10. 用UC3842控制的反激電路的工作原理，每個元器件在電路中的作用，每一部分電路的作用。 11. 規(guī)格說明書-IPS和Test Plan。二、 開關電源的內容 (知識點）2022/9/242 1. 了解開關電源的應用。二、 2022/9/243二、 開關電源的內容 (技能和能力） 1. 學會分析電路工作原理。 2. 掌握調試電路的方法，明白每一步調試的作用。 3. 掌握測試電路的方法。 4. 學會如何分析電路故障和排除電路故障。 5. 熟悉電路

3、中元件布局的一些簡單規(guī)則。 2022/9/243二、 開關電源的內容 (技能和能力） 2022/9/244 2、電源電路的結構框圖和完整的電路圖 a. 離線式開關電源的結構框圖： direct-off-line switching power supply 功率因數校正EMI濾波器隔離的降壓電路 AC input DC output 隔離的降壓電路或者BoostBuck變換器 DC input DC output b. 模塊開關電源的結構框圖： module switching power supply 2022/9/244 2、電源電路的結構框圖和完整的電路圖 2022/9/245 離線式電

4、源電路圖模塊電源電路圖1模塊電源電路圖22022/9/245 離線式電源電路圖模塊電源電路圖1模塊電2022/9/246 3. 功率器件之一：MOS管 MOS管的等效電路 （輸入輸出電容 Cgs Cds，反并聯(lián)二極管）2. MOS管的三個工作區(qū)域條件MOS管的參數：Rds（on），Vds Ids（與溫度有關） 功率損耗等MOS管的驅動：三種驅動方法（MOS管屬于電壓型控制器件，GS之間的電壓來控制D、S之間的導通情況。）4. MOS管的封裝以及生產的公司 HAT2140的datasheet1 STD5NM50T4的datasheet2022/9/246 3. 功率器件之一：MOS管 2022/

5、9/247B. MOS管的門極驅動電路： 1) 直接驅動V147 R1Q1IRF53020kR2D1D4D3電阻R1的作用是限流和抑制寄生振蕩，一般為10ohm到100ohm，R2是為關斷時提供放電回路的；穩(wěn)壓二極管D1和D2是保護MOS管的門極和源極；二極管D3是加速MOS的關斷。2022/9/247B. MOS管的門極驅動電路： V1472022/9/248 2) 互補三極管驅動 電阻R1和R3的作用是限流和抑制寄生振蕩，一般為10ohm到100ohm，R2是為關斷時提供放電回路的；二極管D1是加速MOS的關斷。當MOS管的功率很大時，而PWM控制芯片輸出的PWM信號不足已驅動MOS管時，

6、加互補三極管來提供較大的驅動電流來驅動MOS管。2022/9/248 2) 互補三極管驅動 電阻R12022/9/249 3) 耦合驅動（利用驅動變壓器耦合驅動） 當驅動信號和功率MOS管不共地或者MOS管的源極浮地的時候，比如Buck變換器或者雙管正激變換器中的MOS管，利用變壓器進行耦合驅動。驅動變壓器的作用：1. 解決驅動MOS管浮地的問題；2. 減少干擾。2022/9/249 3) 耦合驅動（利用驅動變壓器耦合驅2022/9/2410 4. 拓撲結構1. 拓撲結構的類型：非隔離：Buck 、Boost和Buck-Boost； 隔離的：flyback、forward、half bridg

7、e、full bridge、 push-pull2. 分析拓撲的工作原理（穩(wěn)態(tài)分析）（CCM和DCM）：Buck、Boost 和double forward 等。2022/9/2410 4. 拓撲結構2022/9/2411 降壓式變換器（Buck Converter）的介紹 MOS管；續(xù)流二極管（freewheel）D；濾波電感L； 濾波電容C；負載RL。 1. Buck變換器的結構 Buck變換器的結構如右圖所示：2022/9/2411 降壓式變換器（Buck Conver2022/9/2412 2. Buck變換器的工作原理分析 Buck變換器存在兩種導電模式，即連續(xù)導電模式CCM (Co

8、ntinuous Conduction Mode)和不連續(xù)導電模式DCM (Discontinuous Conduction Mode)。連續(xù)導電模式是指在一個周期內電感電流是連續(xù)的（兩種開關模態(tài)a和b)；而不連續(xù)導電模式是指電感電流在一個周期內是斷續(xù)的也就是有一段時間電感電流為零(三種開關模態(tài)a、b 和c)。 2022/9/2412 2. Buck變換器的工作原理分析2022/9/2413 (a) (b) (c) Buck變換器工作在不同模態(tài)的等效電路 2022/9/2413 2022/9/2414 Buck變換器在連續(xù)模式和不連續(xù)模式的主要波形 2022/9/2414 Buck變換器在連續(xù)

9、模式和不連續(xù)模式2022/9/2415討論電感電流連續(xù)時變換器的工作原理(穩(wěn)態(tài)）： 分析之前作如下假設： （1） 所有有源器件Q和D導通和關斷時間為零。導通時電壓為零，關斷時漏電流為零。 （2） 在一個開關周期中，濾波電容電壓，即輸出電壓Vout，有很小紋波(電壓），但可認為基本保持不變,其值為Vo。 （3） 電感和電容均為無損耗的儲能元件。2022/9/2415討論電感電流連續(xù)時變換器的工作原理(穩(wěn)2022/9/2416 (1) 模態(tài)1 0Ton 對應于圖 (a) 在t=0時，Q1導通，Vin通過Q1 加到二極管D1 和輸出濾波電感Lf 、輸出濾波電容Cf上以及給負載供電，因此續(xù)流二極管D1

10、截止，電源Vin對電感Lf充電，其電流iLf線性上升，上升斜率為 (Vin-Vo)/Lf。 在t=Ton時，iLf達到最大值ILfmax。在Q導通期間，iLf的增長量iLf（+）=2022/9/2416 (1) 模態(tài)1 0Ton 2022/9/2417 (2) 模態(tài)2 TonTs 對應于圖 (b) 在t=Ton時，Q1關斷， iLf 通過二極管D1 繼續(xù)流通。加在Lf 上的電壓為-V0， iLf線性減小。下降斜率為-Vo/Lf。 在t=Ts時，iLf達到最小值ILfmin。在Q截止期間，iLf的減小量iLf（-）= 在t=Ts時，Q1又導通，開始下一個開關周期。2022/9/2417 (2)

11、模態(tài)2 TonTs 2022/9/2418 穩(wěn)態(tài)工作時，電感電流iLf的波形為一個三角波，周期性地在ILfmin到ILfmax的范圍內變化。Q導通期間ILf的增長量等于它在Q截止期間的減小量。即：3. Buck變換器的基本關系式 由前面的分析可以得到： 化簡得到：2022/9/2418 穩(wěn)態(tài)工作時，電感電2022/9/2419 穩(wěn)態(tài)時，一個開關周期內輸出濾波電容Cf的平均充電與放電電流為零，故變換器輸出電流I0就是iLf的平均值，即 假定變換器的損耗為零，那么輸出功率P0=V0*I0等于輸入功率Pin=Vin*Iin ，即 推導 ILfmax 和 ILfmin2022/9/2419 穩(wěn)態(tài)時，一

12、個開關周2022/9/2420 電感電流最大值和最小值分別為： 通過開關管Q和二極管D的平均電流為：2022/9/2420 電感電流最大值和最小值分別為： 通過2022/9/2421 實際電容有損耗，即具有等效串聯(lián)電阻ESR，這時輸出電壓脈動的計算公式為：2022/9/2421 實際電容有損耗，即具有等效串聯(lián)電阻E 升壓式變換器（Boost Converter）的介紹 MOS管；升壓二極管（step-up）D；濾波電感L； 濾波電容C；負載RL。 1. Boost 變換器的結構 Boost變換器的結構如右圖所示： 升壓式變換器（Boost Converter）的介紹 2. Boost變換器的工

13、作原理分析 Boost變換器存在兩種導電模式，即連續(xù)導電模式CCM (Continuous Conduction Mode)和不連續(xù)導電模式DCM (Discontinuous Conduction Mode)。連續(xù)導電模式是指在一個周期內電感電流是連續(xù)的（兩種開關模態(tài)a和b)；而不連續(xù)導電模式是指電感電流在一個周期內是斷續(xù)的也就是有一段時間電感電流為零(三種開關模態(tài)a、b 和c)。 2. Boost變換器的工作原理分析 Boost (a) (b) (c) Boost變換器工作在不同模態(tài)的等效電路 Boost變換器在連續(xù)模式和不連續(xù)模式的主要波形 Boost變換器在連續(xù)模式和不連續(xù)模式的主要波

14、形 討論電感電流連續(xù)時變換器的工作原理(穩(wěn)態(tài)）： 分析之前作如下假設： （1） 所有有源器件Q和D導通和關斷時間為零。導通時電壓為零，關斷時漏電流為零。 （2） 在一個開關周期中，濾波電容電壓，即輸出電壓Vout，有很小紋波(電壓），但可認為基本保持不變,其值為Vo。 （3） 電感和電容均為無損耗的儲能元件。討論電感電流連續(xù)時變換器的工作原理(穩(wěn)態(tài)）： 分析之前 (1) 模態(tài)1 0Ton 對應于圖 (a) 在t=0時，Q1導通，Vin通過Q1 升壓電感Lf，其電流iLf線性上升，上升斜率為 Vin/Lf。負載由濾波電容Cf供電。 在t=Ton時，iLf達到最大值ILfmax。在Q導通期間，iL

15、f的增長量iLf（+）= (1) 模態(tài)1 0Ton 對應于圖 (a) (2) 模態(tài)2 TonTs 對應于圖 (b) 在t=Ton時，Q1關斷， iLf 通過二極管D向輸出側流動， 繼續(xù)流通。電源和電感Lf的儲能向負載和電容Cf轉移，給Cf充電。此時加在Lf上的電壓為Vin-V0，因為Vin200W 固定的導通時間，可變的開光頻率。峰值電流模式控制，適用于小和中等功率輸出的場合 200W，工作在臨界模式PFC的控制方法 控制方法主要有兩種：1. 平均電流模式 2. 峰值電流模式2022/9/2487ILIAC O PFC 預調整器 CCM 和 TM 式，應該使用哪一種？FF-CCMTMEMI 濾

16、波器必須對通常占線路電流20-40%的紋波電流進行濾波處理。必須對高達線路電流2倍的紋波電流進行濾波處理升壓電感器電感通常較高，飽和電流較低，鐵芯和銅線功耗較低。電感通常較低，飽和電流較高，鐵芯和銅線功耗較高， 使用絞合線或多股導線 。MOSFET管傳導功耗較低（電流形狀因數較好），電容和開關功耗較大，升壓二極管反向恢復還產生額外功耗。傳導功耗較高（電流形狀因數較差），只有在線路電流很大時（在導通時失去ZVS時）電容和開關功耗較大。二極管反向恢復特性是關鍵因素：二極管本身和MOSFET都會產生額外功耗，EMI干擾較強。 VF電壓和傳導功耗較高。無需反向恢復：沒有額外功耗，EMI較低，VF電壓和

17、傳導功耗較低?？刂破骄娏髂Ｊ?比較復雜，組件數量多，控制IC成本高峰值電流模式: 比較簡單，組件數量少，控制IC成本低廉。結論: 如果Pout400-500W，肯定選擇FF-CCM; 如果最大輸出功率介于兩者之間，那就需要你認真權衡（復雜）找出最佳的解決方案。 PFC 預調整器FF-CCMTMEMI 濾波器必須對通常占2022/9/2489PFC控制比較新的方法-逐周控制（cycle by cycle）ICE2PCS01G CCM：平均電流模式控制，與UCC3817比較有如下優(yōu)點：芯片的引腳只有8個，外圍電路結構簡單；2. 芯片內部結構中，沒有乘法器，用一個電容就實現(xiàn)采樣電流的平均值。202

18、2/9/2489PFC控制比較新的方法-逐周控制（2022/9/2490ICE2PCS01G 的結構框圖： ICE2PCS01G與02G的區(qū)別：01G是可設置頻率；02G是固定頻率的。 2022/9/2490ICE2PCS01G 的結構框圖： 2022/9/2491典型應用： Datasheet 2022/9/2491典型應用： DatashPFC模塊電源實物PFC實際工程電路圖PFC模塊電源實物PFC實際工程電路圖 PFC模塊測試項目啟機和關機電壓PF_enable and Load_enable)輸出電壓的設置(300VDC到393VDC)負載-輸入調整率(1%Vout)功率因數(PF)輸入電流諧波(THD)效率溫度的監(jiān)測浪涌電流(Inrush Current) PFC模塊測試項目啟機和關機電壓2022/9/2494UCC3817控制的PFC電路分析 分析電路的工作原理： 1、解讀控制芯片的資料：UCC3817（引腳說明、功能及每個引腳的參數）；2、分析電路的工作原理，每個器件在電路中的作用；3