開關(guān)電源原理第0章

開關(guān)電源技術(shù)第0章概述

——開關(guān)電源及其技術(shù)指標§1開關(guān)電源及發(fā)展方向一什么是開關(guān)電源

2變換電能的電源*同時具備以下三個條件的電源，稱為開關(guān)電源。

1電源*產(chǎn)生電能的電源：把其他能源轉(zhuǎn)換成電能3開關(guān)電源*線性電源

*相控電源*開關(guān)電源*變換電能的電源：對電能形態(tài)進行變換A開關(guān)，電路中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)而不是線性狀態(tài)；B高頻，電路中的電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻；C直流，電源輸出是直流而不是交流。

即，利用新型自關(guān)斷器件通過功率變換技術(shù)而制成的高頻開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源。

與線性穩(wěn)壓電源相比，具有效率高、體積小和重量輕等突出優(yōu)點；但存在電路復(fù)雜、紋波大、干擾大的缺點。4離線式開關(guān)變換器是AC/DC變換器，由于交流輸入整流后，一般還都需要進行DC/DC變換，變換器中因有高頻變壓器隔離，故稱離線，并不是變換器與市電線路無關(guān)的意思。

5傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術(shù)

6開關(guān)電源的發(fā)展動力需要體積小、重量輕、效率高、性能好的新型電源，成為開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的強大動力。

*是一種通過串聯(lián)晶體管調(diào)整穩(wěn)壓、連續(xù)性控制的線性穩(wěn)壓電源，技術(shù)成熟，已有大量的集成穩(wěn)壓模塊生產(chǎn)。

*具有穩(wěn)壓性能好、輸出紋波小、使用可靠等優(yōu)點；但需要體積大、笨重的工頻變壓器以及體積和重量都較大的濾波器。

*調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，功率損耗大、效率低，需要加體積較大的散熱器。2.高可靠性二開關(guān)電源的發(fā)展方向1.小型化輕量化高頻化3.輸入電壓通用4.擴大輸出電壓范圍5.提高輸入側(cè)的功率因數(shù)6.要求安全7.分布式結(jié)構(gòu)增多

(1)利用無源濾波器三相關(guān)技術(shù)·1.專用集成控制電路2.軟開關(guān)技術(shù)3.電源系統(tǒng)的管理及控制4.CAD技術(shù)5.高次諧波的抑制

(2)有源濾波器1高可靠性2可維修性四對開關(guān)電源的要求

*用平均故障間隔時間（MTBF）作為衡量開關(guān)電源可靠性的標志。一些電源模塊的MTBF＞50萬小時。

*減少損耗、提高效率、改善散熱條件是提高開關(guān)電源可靠性的基本方法。

*加強生產(chǎn)過程質(zhì)量控制，保證好的電氣絕緣和機械強度等也十分重要。

*

能及時診斷出故障部位、不用專用工具即能排除故障是可維修性好的衡量標志。

*

可分為現(xiàn)場維修、車間維修。

*現(xiàn)場維修要求在電源系統(tǒng)運行情況下，快速卸下故障模塊、更換新模塊，并使新模塊方便地投入系統(tǒng)運行。3小的體積、重量4提高市場競爭力

*車間維修是對電源本身的維修，對于小功率模塊有時不再修理。電子設(shè)備小型化，對電源提出的要求。

*降低電源的生產(chǎn)成本

*降低電源的使用費用五與其他課程的關(guān)系及內(nèi)容1基礎(chǔ)課程*電路分析*電力電子技術(shù)*電子技術(shù)*控制理論基礎(chǔ)2相關(guān)課程

*軟開關(guān)變換技術(shù)3課程內(nèi)容

主要討論開關(guān)變換器

*電源的發(fā)展方向、技術(shù)指標

*開關(guān)電源的控制電路

*磁性器件的設(shè)計*電源基本電路的設(shè)計*電力電子電路仿真技術(shù)*電子設(shè)備的電磁兼容技術(shù)*電力電子裝置故障自動診斷技術(shù)*開關(guān)電源的熱設(shè)計*開關(guān)電源的有源功率因數(shù)校正技術(shù)（1）張占松開關(guān)電源的原理與設(shè)計4參考文獻

（2）王英劍新型開關(guān)電源實用技術(shù)（3）葉慧貞新穎開關(guān)穩(wěn)壓電源（4）楊旭開關(guān)電源技術(shù)（5）周志敏開關(guān)電源實用技術(shù)-設(shè)計與應(yīng)用§2技術(shù)指標

一應(yīng)用領(lǐng)域*確定電源技術(shù)指標時，首先要明確使用電源的設(shè)備或工藝。二技術(shù)指標1輸入?yún)?shù)

(1)相數(shù)

*當(dāng)開關(guān)電源的功率小于5kW時，可以選擇單相輸入。這樣，可降低主電路器件的電壓等級，降低成本。*確定應(yīng)該遵循的各國安全標準。

*當(dāng)開關(guān)電源的功率大于5kW時，應(yīng)選擇三相輸入。這樣，可避免引起電網(wǎng)三相間的不平衡，同時還可以減小主電路中的電流，降低損耗。

(2)輸入電壓

*國內(nèi)民用交流電源電壓三相380V、單相為220V。

*目前，開關(guān)電源流行采用國際通用電壓范圍，即單相85～265V，這一范圍覆蓋了全球各種民用電源標準所限定的電壓，但對電源設(shè)計提出了較高的要求。

*輸入電壓為直流時情況比較復(fù)雜，從24V～600V都有可能。

*輸入電壓指標通常包含額定值和變化范圍兩方面內(nèi)容。

*輸入電壓范圍的下限影響變壓器的變比，上限決定了主電路元器件的電壓等級。

*輸入電壓變化范圍過寬，使設(shè)計中必須留過大裕量而造成浪費，應(yīng)在滿足實際要求的前提下，盡量小。

*輸入電壓變化范圍一般為±10%，考慮配線等因素有時也要求-15%～+10%。

(3)輸入頻率

(4)輸入電流

*我國民用和工業(yè)用電的頻率均為50Hz，航空、航天、船舶用電經(jīng)常采用400Hz交流電（通常為115V單相或三相電）。

*400Hz交流電壓整流后的脈動頻率遠高于工頻，因此整流電路所連接的濾波電容可以減小很多。

*輸入電流通常包括額定輸入電流和最大輸入電流兩項。

*輸入電流是輸入開關(guān)、接線端子、熔斷器和整流橋等元器件的設(shè)計依據(jù)。

*額定輸入電流是指輸入電壓和輸出電壓、輸出電流在額定條件時的電流，最大值發(fā)生在輸入電壓下限和輸出電壓上限、輸出電流上限時。

*三相輸入時，各相電流有時會發(fā)生失蘅現(xiàn)象，應(yīng)取平均值。

(6)漏電流

(7)效率

(5)沖擊電流

指輸入電壓按規(guī)定時間間隔接通或斷開時，輸入電流達到穩(wěn)定狀態(tài)前所通過的最大瞬時電流。

*

流經(jīng)輸入側(cè)地線的電流，在開關(guān)電源中主要是通過靜噪濾波器（或稱EMI濾波器）的旁路電容泄漏的電流。*一般，規(guī)定在0.5mA～1mA。

*是電源的重要技術(shù)指標,一般定義為電源輸出功率與電源輸入有功功率之比。

*通常給出的是在額定輸入電壓和額定輸出電壓、額定輸出電流條件下的效率。

*提高效率，意味著電源損耗功率下降，則可降低電源溫升、提高可靠性、節(jié)約能源。

(8)輸入功率因數(shù)*影響電源效率的因素①與開關(guān)頻率有關(guān)的損耗，包括開關(guān)器件的開關(guān)損耗、變壓器的鐵損、電感的鐵損以及吸收電路的損耗。②電路中的通態(tài)損耗，包括開關(guān)器件的導(dǎo)通損耗、變壓器的銅損、電感的銅損以及線路損耗。③其他損耗，包括控制電路損耗、冷卻系統(tǒng)的損耗等。

*一般來說，輸出電壓較高的電源的效率高于輸出電壓低的電源，這與輸出側(cè)整流二極管的通態(tài)壓降與輸出電壓的比值有關(guān)。

*指在輸入電壓為額定值、輸出功率為額定值時，輸入相移功率因數(shù)和畸變因數(shù)（失真功率因數(shù)）的乘積，即：

*

PFD是基波電流與基波電流及諧波的總有效值之比。

*

是電壓與基波電流的相位差的余弦。其中

*

THD也稱諧波電流畸變度。

*目前，對保護電網(wǎng)環(huán)境、降低諧波污染的要求越來越高，許多國家和地區(qū)都已出臺相應(yīng)標準，對用電裝置的輸入諧波和功率因數(shù)作出嚴格規(guī)定。2輸出參數(shù)

(1)輸出電壓

*

輸出電壓通常給出額定值和調(diào)節(jié)范圍兩項內(nèi)容。

*輸出電壓上限關(guān)系到變壓器設(shè)計中變比的計算，過高的上限要求會導(dǎo)致過大的設(shè)計裕量，在滿足實際要求的前提下，上限應(yīng)盡量靠近額定點。

(2)輸出電流

*通常給出額定值和一定條件下的過載倍數(shù)。

*有穩(wěn)流要求的電源應(yīng)指定調(diào)節(jié)范圍。

*有的電源不允許空載，應(yīng)指定輸出電流下限。

*在多路輸出電源中，有的如果某一路輸出電流增加，則其他路的輸出電流會下降，對此要進行說明。

(3)穩(wěn)壓（穩(wěn)流）精度

*通常以正負誤差帶的形式給出。

*影響電源穩(wěn)壓（穩(wěn)流）精度的主要有輸入電壓變化、輸出負載變化、溫度變化以及元器件老化等。

*精度可以用以下指標考核：①負載調(diào)整率②輸入電壓調(diào)整率

A

是指開關(guān)電源在輸入電壓不變、輸出負載電流變化時，提供其穩(wěn)定輸出電壓的能力。

B

測試方法：在被測開關(guān)電源以額定輸入電壓及額定負載狀況下熱機穩(wěn)定后，測量其輸出電壓值U0，再測量輕載(如5%I0N)時的輸出電壓U1，可按下式計算。

A

是指開關(guān)電源在輸入電壓變化、輸出負載電流不變時，提供其穩(wěn)定輸出電壓的能力。

B

測試方法：在被測開關(guān)電源以額定輸入電壓及額定負載狀況下熱機穩(wěn)定后，測量其輸出電壓值U0，再分別在低輸入電壓（如90%Ui）及高輸入電壓（如110%Ui）下測量其輸出電壓U01、U02，可按下式計算。

*影響精度的相關(guān)因素有以下幾項：①基準源精度②檢測電路精度③控制電路中運算放大器精度其中或，取最大值。

(5)紋波

(4)電源的輸出特性

*電源輸出特性與電源的應(yīng)用領(lǐng)域的工藝要求有關(guān)，如有些場合要求恒壓限流、有些場合要求恒流限壓等。

*設(shè)計時需要根據(jù)輸出特性要求來確定主電路和控制電路的形式。

*典型的輸出電壓紋波波形如下圖所示，通常按頻帶可分為三類：

①高頻噪聲，即圖中遠高于開關(guān)頻率的尖刺；

②開關(guān)頻率紋波，指開關(guān)頻率附近的頻率成分，即圖中的鋸齒狀成分；

③低頻紋波，指頻率低于開關(guān)頻率的成分，即低頻波動。

(6)動態(tài)響應(yīng)

*對輸出電壓紋波的量化方法，通常有以下幾種：

①紋波系數(shù)，取輸出電壓中交流成分總有效值與直流成分的比值定義為紋波系數(shù)。不能反映幅值很高、有效值卻很小的尖峰噪聲的含量及其影響。由于紋波包含的頻率成分從1赫茲以下到數(shù)十兆赫，頻帶極寬，很難精確計量。

②峰峰電壓值，計量紋波電壓的峰峰值，可以反映幅值很高、有效值卻很小的尖峰噪聲的含量，但不能反映紋波有效值的大小，不夠全面。

③按三種頻率成分分別計量幅值，該方法最為直觀、詳細，也容易用示波器直接測量。

*輸出電壓受外界因素干擾后再回到其穩(wěn)態(tài)值，會有一個超調(diào)量和恢復(fù)時間（有時，也可衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性）。

(7)溫度系數(shù)

*超調(diào)量一般≤±5%UO、恢復(fù)時間5～10豪秒（多臺并聯(lián)時，時間會長一些）。

*恢復(fù)時間的長短與電源開關(guān)頻率、電壓反饋環(huán)的響應(yīng)速度、電流瞬態(tài)變化幅度及輸出濾波電路的容量等因素有關(guān)。環(huán)境溫度升高1度，輸出電壓的變化量與輸出電壓之比，單位為1/℃。3.附屬功能

(1)過流保護

(2)過壓保護

*是一種電源負載保護功能，以避免發(fā)生包括輸出短路在內(nèi)的過負載輸出電流對電源和負載的損壞。

*過流給定值一般是額定值的110%～130%。

*是一種對輸出端子間過大電壓進行負載保護的功能，過壓給定值一般規(guī)定為輸出電壓的110%～130%。

*輸出電壓可變時，要注意不要發(fā)生過壓給定值以內(nèi)的誤動作。

(3)輸出欠壓保護

是當(dāng)輸出電壓下降到標稱值以下時，為保護負責(zé)或防止誤動作而停止電源工作的一種保護功能。

(4)過熱保護

(5)接口

電源內(nèi)部發(fā)生異常或因使用方法不當(dāng)而使電源溫升超標時，停止電源工作并發(fā)出報警信號。

*要確定電源輸入、輸出以及信號用端子的形狀、排列或連接器名稱，并要標明所用端子號。

*電源輸入、輸出以及信號用端子要盡可能分開。4絕緣

(1)絕緣電阻

*在電源輸入端子和殼體間、輸入端子和輸出端子間，一般用500V兆歐表測，電阻要大于50MΩ。

*輸出端子和殼體間用100V兆歐表測，電阻要大于10kΩ。

(2)絕緣耐壓

要符合各種安全標準規(guī)定。三結(jié)構(gòu)規(guī)定

(1)形狀條件

(2)外形尺寸

(3)安裝條件

(4)殼體材料

(5)冷卻條件

(6)接口位置

(7)文字提示位置

(8)重量、體積四環(huán)境條件

(1)溫度

(2)濕度

(3)高度使用溫度范圍因使用場所而異，一般規(guī)定在－5℃～+50℃、保存溫度在－25℃～+75℃。使用濕度范圍一般規(guī)定在20%～85%、保存濕度范圍在18%～90%。

(4)耐振動

(5)耐沖擊

(6)其他抗塵埃、耐腐蝕、耐藥性相關(guān)國家標準GB/T762-1996標準電流GB/T2423.1-1989電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試 驗A：低溫試驗方法GB/T2433.2-1989電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試 驗B：高溫試驗方法GB/T2423.9-1989電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試驗Cb：設(shè)備用恒定濕熱試驗方法GB/T2423.10-1995電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗第二部分，試驗方法試驗Fc和導(dǎo)則：振動(正弦)相關(guān)國家標準GB/T2828-1987逐批檢查計數(shù)抽樣程序及抽樣表(適 用于連續(xù)批的檢查)GB/T2829-1987周期檢查計數(shù)抽樣程序及抽樣表(適用于生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的檢查)GB/T3859.1-1993半導(dǎo)體變流器基本要求的規(guī)定GB/T3873-1993通信設(shè)備產(chǎn)品包裝通用技術(shù)條件GB/T4720-1984電控設(shè)備第一部分低壓電器電控 設(shè)備GB/T16821-1997通信用電源設(shè)備通用試驗方法相關(guān)國家標準YDN023-1996通信電源設(shè)備和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng) 技術(shù)要求YD/T638.3-93通信電源設(shè)備型號命名方法YD/T944-1998通信電源設(shè)備的防雷技術(shù)要求和測 試方法YD/T983-1998通信電源設(shè)備電磁兼容性限值及測 量方法SJ2811.2-87通用直流穩(wěn)定電源測試方法開關(guān)電源基本構(gòu)成框圖整流濾波開關(guān)電源控制器濾波整流及濾波AC/DC輸入回路功率開關(guān)器件高頻變壓器DC/DC功率變換器UinUout§3開關(guān)電源的構(gòu)成與分類

一構(gòu)成輸入整流濾波

功率變換

輸出整流濾波

輔助電源

驅(qū)動電路

過壓過流保護

控制電路

時鐘振蕩電路

檢測放大電路

*如果是DC/DC變換系統(tǒng)，則不需要輸入整流濾波部分。

*整個電源系統(tǒng)可分為主電路和控制電路兩部分。

*主電路由輸入整流濾波、功率變換、輸出整流濾波三個環(huán)節(jié)構(gòu)成。①脈寬調(diào)制方式（PWM,PulseWidthModulation):保持開關(guān)頻率恒定但改變接通時間長短(脈沖的寬度)，使負載變化時，負載電壓變化不大PWM開關(guān)變換器:用脈寬調(diào)制方式控制電子開關(guān)的開關(guān)變換器二