開關電源基本原理與應用

開關電源基本原理與應用WANGLAIYING

2006/10/241

我們通常所講的開關電源供應器(sps):Switchingpowersupply;英文簡寫:s.p.s。開關電源設計時經(jīng)常使用的線路方案有:反馳式或反激式(FLYBACK);半橋(halfbridge);順向式或正譤式(FORWARD);全橋式(FULLBRIDGE)。隨著電子技術的發(fā)展及電子元件技術的發(fā)展,一些新的技術使用在開關電源中:同步整流,諧振電路,全橋移相,有源箝位。下面針對常使用的線路進行介紹:2

第一部分:各種變換器概述

一.返馳式變換器設計原理

(FLYBACKDESIGNTHEORY)

概述:

返馳式(Flyback)轉(zhuǎn)換器又稱單端反激式或"Buck-Boost"轉(zhuǎn)換器.因其輸出端在原邊繞組斷開電源時獲得能量故而得名.離線型返馳式轉(zhuǎn)換器原理圖如圖1.3工作原理:

在圖1所示隔離反馳式轉(zhuǎn)換器(Theisolatedflybackconverter)中,變壓器"T"有隔離與扼流之雙重作用.因此"T"又稱為Transformer-choke.電路的工作原理如下:

當開關晶體管Q5Turnon時,變壓器初級Np有電流Ip,並將能量儲存於其中(E=LpIp2/2).由於Np與Ns極性相反,此時二極管D13反向偏壓而截止,無能量傳送到負載.當開關Qoff時變壓器原邊繞組將產(chǎn)生一反向電勢,4此時二極管D13正向?qū)?經(jīng)C29.L9.C28(π型濾波)濾波後得到穩(wěn)定的電壓給負載供電.Q5TURNON時NP有流過電流為IpQ5TURNOFF時NS有電流過電流Is經(jīng)D13整流經(jīng)濾波後給負載供電的路徑Transformer-choke5返馳式轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點有:1.電路簡單,能高效提供多路直流輸出,因此適合多組輸出要求.2.轉(zhuǎn)換效率高,損失小.3.變壓器匝數(shù)比值較小.4.輸入電壓在很大的範圍內(nèi)波動時,仍可有較穩(wěn)定的輸出,目前已可實現(xiàn)交流輸入在85~265V間.無需切換而達到穩(wěn)定輸出的要求.6返馳式轉(zhuǎn)換器的缺點有:1.輸出電壓中存在較大的紋波,負載調(diào)整精度不高,因此輸出功率受到限制,通常應用於150W以下.2.轉(zhuǎn)換變壓器在電流連續(xù)(CCM)模式下工作時,有較大的直流分量,易導致磁芯飽和,所以必須在磁路中加入氣隙,從而造成變壓器體積變大.3.變壓器有直流電流成份,且同時會工作於CCM/DCM兩種模式,故變壓器在設計時較困難,反復調(diào)整次數(shù)較順向式多,迭代過程較復雜.7

二.順向式變換器設計原理

(ForwardDesignTheory)概述.

順向式(Forward)轉(zhuǎn)換器又稱單端正激式或"buck"式轉(zhuǎn)換器.因其在原邊繞組接通電源VIN的同時繞組把能量傳遞到輸出端故而得名.Forward變換器中的變壓器是一個純粹的隔離變壓器.因此,在副邊輸出端須附加儲能電感器L,用以儲存及傳送能量.8Forward變壓器之轉(zhuǎn)換功率通常在50~800W之間.其優(yōu)點有:1.正激式變壓器通常使用無氣隙的CORE,電感值L較高,原副邊繞組之峰值電流較小(Φ=LI).因而銅損較小.2.開關管Tr的峰值電流較低.開關損耗小.3.適用于低壓.大電流.功率較大的場合.

其缺點有:1.當兩組電源並聯(lián)使用時需加平衡線路。

2.零件數(shù)量較flyback多,且成本稍高。9工作原理:

正激變換器的主回路如圖當開關管Q5導通時原邊繞組Np有電流Ip流過.,因副邊繞組Ns與Np有相同的同銘端.Q5TURNON時NP有流過電流為IpQ5TURNON時NS有流過電流為IS通過D13供給負載的路徑.Q5TURNOFF時L9儲存的能量通過D14構成回路給負載供電的路徑10

故副邊繞組通過D13把能量傳遞到輸出端.當Q5關斷時續(xù)流二極管D14導通釋放電感L9中的能量給負載.在Q5ton時,變壓器原邊電流Ip=Im+Iload.其中磁化電流Im是無法傳送到副邊的能量.在Q5toff期間此磁能無法被泄放,磁化能量將引起較高的反壓加在Q5之D.S極間而損壞Q5.另一方面磁化能量的存在將使變壓器CORE趨于飽和,產(chǎn)生很大的漏極電流ID,使Q5損壞.為解決上述問題,通常在變壓器中設置一消磁繞組NR,將磁化能量反饋到電源輸入端.11三.半橋式轉(zhuǎn)換器(HALFBRIDGE)在半橋式轉(zhuǎn)換器結(jié)構中,功率變壓器有一端連接到由串聯(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。變壓器的另一端點則經(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電晶體ON時,此處變壓器端點會產(chǎn)生正的160V電壓脈波,當Q1電晶體OFF,Q2電晶體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電晶體ON-OFF動作中,其產(chǎn)生的峰對峰方波電壓值為320V,經(jīng)由變壓器轉(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。12半橋式轉(zhuǎn)換器能在輸入交流電壓115V或230V的情況下工作,其優(yōu)點有:1.不需使用到高壓電晶體。(成本低)2.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。其缺點有:1.對晶體(開關管)配對要求的嚴格;2.整體效率較低,一般(60-75%)。Q9TURNON時NS有流過電流為IS經(jīng)D13L9整流濾波後給負載供電路徑Q17TURNON時NS有流過電流為IS經(jīng)D14L9整流濾波後給負載供電路徑Q9TURNON時NP有流過電流IP的路徑13四.全橋式電路

為了保留半橋式電路的電壓特性與推挽式電路的電流特性,我們發(fā)展出另一種形式的電路,稱之為全橋式轉(zhuǎn)換器(FULL-BRIDGECONVERTER)電路。全橋式的優(yōu)點:1.整機輸出效率較高(80%以上)

功率開關晶體的電壓規(guī)格低;2.整機輸出功率較高(達1KW以上)。缺點:需驅(qū)動四顆開關管,驅(qū)動線路要隔離,

設計線路複雜,成本高。14

全橋式工作原理:Q9(左上).Q5(右下)同時導通.Q18(左下).Q17(右上)同時導通.其他同半橋工作原理Q9(左上).Q5(右下)TURNON時NP流過電流IP的路徑.Q9Q5TURNON時NS流過電流IS經(jīng)D13L9整流濾波後給負載供電的路徑15

第二部份:

順向式應用線路.161.開關電源供應器(SPS)典型方塊圖及電路圖:AC電源輸入EMI電路高壓整流濾波主功率轉(zhuǎn)換電路低壓整流濾波各組電壓輸出輔助電源電路PWM控制.開關管驅(qū)動電路FAN控制電路回授電路OPP/短路保護電路過/欠壓保護電路-12V/5VSB輸出PG/PF信號ON/OFF控制17.18主動式PFC與被動式PFC之差異一.主動PFC(ACTIVEPFC)1.一組電子電路以形成對電力系統(tǒng)而言,呈現(xiàn)電阻性負載;值很高Harmonic相當良好;3.成本高,線路複雜可靠性,不易設計;4.占用pcb空間不易處理。二.被動式PFC:(PassivePFC)1.利用CORE儲能原理將輸入電流部份轉(zhuǎn)化成磁能,先儲存於CORE上,再將此釋放成電能,以加長輸入電流導通時間,並下降輸入電流的峰值進而改進PF值與Harmonic.2.由硅鋼片來製作CO