开关电源的基础知识

1.1开关电源组成及开关电源实例开关电源名词解释1.2开关稳压电源的分类1.3开关稳压电源的特点1.4开关稳压电源的基本原理1.5开关电源集成电路产品1.1开关电源组成及开关电源实例1.20世纪50年代：美国宇航局用于搭载火箭2.20世纪80年代：计算机全面实现开关电源化3.20世纪90年代：电子电器、家电广泛应用发展史：调整器件储能电路取样基准电压方波发生比较脉冲调宽UI＋－UO＋－RL一、组成(脉宽调制型)：调整管工作在开关状态1.1开关电源组成及开关电源实例二、工作原理：（调宽式）1、输入和输出之间接开关调整管和储能电路。调整管周期性开、关，将能量输入储能电路，经均衡滤波后成为电压输出，输出电压的大小，取决于调整管开关时间的长短。2、调整管的开关状态受脉冲电压的控制，脉冲电压则由方波发生电路产生，并经脉冲调宽电路调制后得到。3、取样比较电路将一部分输出电压和基准电压进行比较，当输出电压偏离正常值时，输出误差信号，对开关脉冲宽度进行调制。123例如：输出电压升高，脉宽变窄（即占空比D减小），调整管开启时间缩短，输入储能电路的能量减小，输出电压降低。反之亦然。1.1开关电源组成及开关电源实例三、一个具体的开关稳压电源工作原理：★储能电路：即续流滤波电路★储能电路组成：续流二极管储能电感储能滤波电容1.1开关电源组成及开关电源实例四、储能电路：1、串联型：储能电感和负载相串联⑴、V饱和导通时，VD截止，UI经V在L中产生电流iL向电容C充电。⑵、V截止时，L中的电流不能突变，产生左负右正的自感电动势，VD导通，续流电流iZ向电容C充电，将L中的磁能转换为电容C中的电能。◆总之，调整管V导通期间，L储存磁能，并给电容C充电，同时向负载供电；调整管V截止期间，L释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。根据储能电感的连接方式可分为：串联型并联型并联独立输出型1.1开关电源组成及开关电源实例2、并联型：储能电感和负载相并联⑴、V饱和导通时，VD截止，UI经V在L中产生电流iL，L储能。⑵、V截止时，L中的电流不能突变，产生上负下正的自感电动势，VD导通，续流电流iZ向电容C充电，将L中的磁能转换为电容C中的电能。◆总之，调整管V导通期间，L储存磁能，负载由电容C供电；调整管V截止期间，L释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。※并联型电路中，调整管承受的反峰电压为2UI，为串联型的两倍。1.1开关电源组成及开关电源实例3、并联独立输出型：通过续流电感的电磁耦合，实现隔离输出。（电源输入端不使用变压器、实现多种电压输出）＊应用最多的一种电路形式＊三极管V可使用功率场效应管＊脉冲调宽、脉冲发生及误差信号的产生等可集成化例如TOP221TOP2271.1开关电源组成及开关电源实例五、三端单片开关集成稳压器及其应用1.TOPSwitch－Ⅱ简介：（TOP221TOP227）2.TOPSwitch－Ⅱ工作原理：(参考开关电源原理方框图)三端器件DIP－8或SMT－8封装1.1开关电源组成及开关电源实例3.TOPSwitch的应用电路：并联独立输出型1.1开关电源组成及开关电源实例五、三端单片开关集成稳压器及其应用工作原理说明：1、单端型反激式开关电源：开关管导通时储能，开关管截止时，储能释放给负载。开关管和脉宽调制采用三端单片集成稳压器TOP221P，当221P内开关功率管导通时，N1上产生上正下负电压，N1储存能量。开关功率管截止时，N1上产生上负下正电压，N2产生上正下负电压，VD2导通，经C2、L、C3滤波后提供＋5V输出电压。UO1≈UZ＋UF（LED正向压降）2、N3上感应的交流电压经VD3整流、C4滤波，获＋12V电压为IC2中的光电三极管供电。稳压原理：例UO1↓→IF（LED正向电流）↓→IC（IC1控制电流)↓→D（占空比）↑→UO1↑3、保护电路：R3、C1和VD14、自动启动时间控制：C50.83S1.1开关电源组成及开关电源实例五、三端单片开关集成稳压器及其应用另一种并联独立输出型开关电源开关由一个功率场效应管构成（兼脉冲发生），也称为单端型。脉宽调制等由集成电路UC3842完成。开关管导通时储能，开关截止时，储能释放给负载，称为单端型反激式。开关管导通时间长，传输电能多，变压器次级绕组输出电压高、电流大。用PWM控制功率开关管，就可以改变次级绕组输出的电压和电流，同时，使用闭环反馈可以稳定电压、电流或限制功率。单端型反激式电路结构及工作原理：D1：续流二极管C：滤波电容1.1开关电源组成及开关电源实例V导通时，电流I通过L1，电流逐渐增加，产生变化磁场，L1中自感电动势上正下负，在次级绕组L2产生感应电压为上负下正，D1截止L1.储能221LIV截止时L1中电流不能突变，产生自感电动势下正上负，经电磁耦合，在L2中产生感应电压为上正下负，D1导通，感生电流从D1、RL构成闭合回路，L1储能得到释放。另一种并联独立输出型开关电源1.1开关电源组成及开关电源实例脉宽调制集成电路UC3842简介3脚为最大电流限制，调整输出最大电流7脚为电源正极5脚为电源负极6脚为脉冲输出直接驱动场效应管2、4脚为电压反馈，可调节输出电压4、8脚外接振荡电阻和振荡电容另一种并联独立输出型开关电源1.1开关电源组成及开关电源实例单端反激式开关电源的应用——智能型充电器（36V）1.1开关电源组成及开关电源实例1.1开关电源组成及开关电源实例六、开关电源名词解释P.1-P.71.线性稳压电源：效率仅为35%～45%2.线性稳压器3.开关电源：SMPS效率为75%～90%4.单片开关电源：5.DC/DC变换器：6.开关稳压器：7.单片开关电源：8.电压调整率Sv：输入电压在规定范围内变化时，输出电压的变化率0,0%100TIOOVOUUS9.负载调整率(电流调整率)SI：负载电流变化时，使输出电压保持恒定的能力。01.0%100TIIIOOIOMOMOUUS，10.输出电压精度：11.电源效率η：开关电源输出功率与输入功率的比值12.待机电流：13.占空比D：1.1开关电源组成及开关电源实例六、开关电源名词解释P.1-P.7%100PPO%100TtD14.结温：15.最高结温：16.过热保护：17.过压保护：18.欠压保护：19.过流保护：20.电池极性反接保护：21.瞬态响应：1.1开关电源组成及开关电源实例六、开关电源名词解释P.1-P.722.电源抑制比(纹波抑制比)：23.输出噪声电压：24.电磁干扰滤波器(EMI)：25.散热器：(1).滤除从交流电网引入的外部电磁干扰(2).避免开关电源本身向外部发出噪声干扰作业1.1画出调宽式开关电源的方框图，并简要其工作原理。1.2什么叫电压调整率、负载调整率和电源效率？1.2稳压电源的分类一、集成稳压电源的分类1.2稳压电源的分类从电路原理划分，稳压器可分为：(1).串联调整式线性性稳压器(2).并联调整式线性性稳压器(3).开关式稳压器1.2稳压电源的分类1.按激励方式分类二、开关电源的分类2.按控制原理(调制方式)分类(1)脉宽调制型(PDM)开关电源(2)脉频调制型(PFM)开关电源(3)混合型开关电源1.2稳压电源的分类二、开关电源的分类(4)脉冲密度调制型(PDM)开关电源脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压。3.按功率开关管的类型分类(1)晶体管型开关电源(GTR)(2)晶闸管型开关电源(3)MOSFET型开关电源1.2稳压电源的分类(4)IGBT型开关电源二、开关电源的分类(1)串联型：储能电感和负载相串联①V饱和导通时，VD截止，UI经V在L中产生电流iL向电容C充电。②V截止时，L中的电流不能突变，产生左负右正的自感电动势，VD导通，续流电流iZ向电容C充电，将L中的磁能转换为电容C中的电能。◆总之，调整管V导通期间，L储存磁能，并给电容C充电，同时向负载供电；调整管V截止期间，L释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。4.按储能电感的连接方式分类串联型并联型并联独立输出型1.2稳压电源的分类二、开关电源的分类(2)、并联型：储能电感和负载相并联①V饱和导通时，VD截止，UI经V在L中产生电流iL，L储能。②V截止时，L中的电流不能突变，产生上负下正的自感电动势，VD导通，续流电流iZ向电容C充电，将L中的磁能转换为电容C中的电能。◆总之，调整管V导通期间，L储存磁能，负载由电容C供电；调整管V截止期间，L释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。4.按储能电感的连接方式分类1.2稳压电源的分类二、开关电源的分类(3)并联独立输出型：通过续流电感的电磁耦合，实现隔离输出。（电源输入端不使用变压器、实现多种电压输出）＊应用最多的一种电路形式＊三极管V可使用功率场效应管＊脉冲调宽、脉冲发生及误差信号的产生等可集成化例如TOP221TOP2274.按储能电感的连接方式分类1.2稳压电源的分类二、开关电源的分类5.按功率开关管的连接方式分类(1)单端正激式(2)单端反激式(3)推挽式(4)半桥式(5)全桥式(1)单端正激式(2)单端反激式1.2稳压电源的分类二、开关电源的分类5.按功率开关管的连接方式分类(3)推挽式1.2稳压电源的分类二、开关电源的分类(1)单端正激式(2)单端反激式(3)推挽式(4)半桥式(5)全桥式5.按功率开关管的连接方式分类(1)单端正激式(2)单端反激式(3)推挽式(4)全桥式(5)半桥式(4)全桥式1.2稳压电源的分类二、开关电源的分类5.按功率开关管的连接方式分类(5)半桥式1.2稳压电源的分类二、开关电源的分类(1)单端正激式(2)单端反激式(3)推挽式(4)半桥式(5)全桥式※6.按输入和输出电压的大小分类(1)升压式开关电源(2)降压式开关电源(3)输出极性反转式开关电源1.2稳压电源的分类二、开关电源的分类7.按工作方式分类(1)可控硅整流型开关电源(2)斩波型开关电源(3)隔离型开关电源8.按电路结构分类(1)分立式开关电源(2)集成式开关电源1.2稳压电源的分类二、开关电源的分类1.3开关电源与线性电源的比较一、开关稳压电源的特点1.开关稳压电源的优点(1)功耗小，转换效率高(2)体积小，重量轻(3)稳压范围宽(4)滤波电容小(5)电路形式灵活多样2.开关稳压电源的缺点(1)电压调整率和负载调整率较差(2)存在较严重的开关噪声和干扰(3)电路复杂，不便于维修1.3开关电源与线性电源的比较二、开关电源与线性电源的比较P.14作业1.3按输入和输出电压的大小划分，开关电源有哪几类？1.4开关电源有哪些优缺点？1.4开关电源的基本工作原理一、开关电源的工作方式(调制方式)(1)脉宽调制型(PWM)开关电源(2)脉频调制型(PFM)开关电源(3)混合调制型(PWM+PFM)开关电源(4)脉冲密度调制型(PDM)开关电源脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压。1.4开关电源的基本工作原理二、脉宽调制控制器的基本原理1.降压型开关稳压电源的PWM控制(1).开关管V的导通期内，储能电感中电流的最大变化量为(2).开关管V的截止期内，储能电感中电流的最大变化量为(3).开关管V导通期与截止期能量转换的条件：OFFOLtLUI2maxONOiLtLUUI1maxOFFOONOitLUtLUUiONiiOFFONONOUTtUDUtttU即2.升压型开关稳压电源的PWM控制(1).开关管V的导通期内，储能电感中电流的变化量为(2).开关管V的截止期内，储能电感中电流的变化量为(3).开关管V导通期与截止期能量转换的条件：OFFdOiLtLUUUI2ONiLtLUI1OFFdOiONitLUUUtLU)1(11DDUUttUiiOFFONO即1.4开关电源的基本工作原理二、脉宽调制控制器的基本原理(1).开关管V的导通期内，电感储存的能量：(2).开关管V的截止期内，电感中的能量传给负载：3.极性反转型开关