开关电源的结构和基本原理-上课

青岛科技大学高频开关电源的结构和基本原理3一、概述将电网或电池的一次电能，转换为符合电子设备要求的二次电能，这样的变换设备便是电源。电源是一切电子设备的心脏，没有电源，电子设备就不可能工作。1.1.1电源是什么？1.1电源及开关电源电源常用的连接方式串联线性稳压电源高频开关电源1.1.2串联稳压电源与开关电源的区分•串联线性稳压电源：电源调整管工作在放大状态。•开关电源：电源调整管工作在开关状态的电源。是具有高功率密度的电源。输入电源调整管负载RL串联稳压电源输入开关管K负载RL储能元件开关电源51.1.3开关电源的分类：按变换方式可分为下列四大类：（1）：第一大类：AC/DC开关电源；（2）：第二大类：DC/DC开关电源；（3）：第三大类：DC/AC开关电源；（4）：第四大类：AC/AC开关电源。但目前只将前两类称为开关电源，而将后两类分别称为逆变器和变频器。开关电源逆变器变频器6A：一次电源产品的图片（AC/DC）常见开关电源图片7B：工业电源产品的图片—标准产品（AC/DC）CPCISeriesofLambda8C：工业电源产品的图片（AC/DC）HWSSeriesofLambda9E：工业电源产品的图片（AC/DC）10F：二次电源产品的图片（DC/DC）--标准转类FullBrickHalfBrickHalfBrick1/4Brick1/8Brick11G：二次电源产品的图片（DC/DC）彩电开关稳压电源1.2直流稳压电源的发展直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。传统的串联式线性转换方法设计制作的电源，其效率低，损耗大，温升高。图1-1晶体管串联式线性稳压电源随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢复二极管及其它元器件的电压得到很大的提高，这为取消稳压电源中的工频变压器，发展高频开关电源创造了条件。它使电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了一步。图1-3无工频变压器的开关电源原理框图1.3无工频变压器开关稳压电源的优点：1.效率高。一般在70～80%以上。2.体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。3.稳压范围广，一般交流输入80～265V，负载作大幅度变化时，性能很好。4.噪声低，声频在20kHz以上时，已是人耳听不到的超声波，而开关电源的工作频率一般都大于此频率；5.性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到低压大电流、高压小电流；一个开关控制的一路输入可得到多路输出以及同号、反号等输出；6.电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算机、现代自动化控制设备电源转换的需要，开关电源可在几十毫秒内保证仍有电压输出。7.可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出现。无工频变压器开关稳压电源的不足之处：1.输出纹波较大，约有10～100mV的峰峰值；2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；3.控制电路比较复杂，对元器件要求高；4.动态响应时间至少要大于一个开关周期，不如串联式晶体管线性稳压电源。二、开关电源工作原理通过高频开关技术将输入的较高的交流电压(AC)转换为PC电脑工作所需要的较低的直流电压(DC)开关电源的中心思想：用提高工作频率等手段来提高电源的功率密度，进而达到减少变压器的体积和重量的目的。采用开关变换的显著优点是大大提高了电能的转换效率，典型的PC电源效率为70%-75%，而相应的线性稳压电源的效率仅有50%左右。输出电压的稳定则:依赖对脉冲宽度的改变来实现，这就叫做脉宽调制PWM。共轭滤波器整流滤波开关调整管储能元件脉冲整流滤波取样电路比较放大基准220V交流电压输入功能：将220V交流电压转换为电路所需要的各种稳定的直流电压2.1高频变压器开关电源的结构图2-1高频变压器开关电源基本功能框图直流电压输出•A.电路组成：•B.作用：双向滤波（一方面避免电网供电线引入高频脉冲影响电子电路，另一方面，防止开关电源对电网造成污染。）S501C5010.1uL502220V市电至整流滤波电路F501T2.5AC5020.1u2.2.1、进线抗电磁干扰电路EMI2.2输入共轭滤波及整流C.工作原理：对高频干扰信号而言，电容呈短路，而电感则呈开路。高频干扰被电容短路。对50Hz低频而言，电容呈开路，而电感则呈短路。因此，50Hz市电可以顺利通过。S501C5010.1uL502220V市电至整流滤波电路F501T2.5AC5020.1uF501T2.5AS501C5010.1uL502220V市电至整流滤波电路C5020.1u输入220V交流电压的检测220V交流输入交流电压500V档正常值:220V±15%(187V~253V)共轭滤波器220V交流电压整流滤波后直流电压的检测直流电压500V档来自共轭滤波器的220V交流电压正常值为300V左右•电路中Q为开关管，工作于开关状态（Q饱和导通时相当于一只接通的开关，Q截止时相当于一只断开的开关）。•电感L和电容C为储能元件。•RL为电源的负载。•D为续流二极管，它在开关管截止时导通，保证电感L中的电流不中断。2.3串联型开关电源工作过程（降压式BUCK)LQDCRL（a)串联型开关电源基本电路+300V•开关管饱和导通时，300V电源通过开关管Q，电感L和负载RL形成电流回路，同时向电容器C充电，在电感L和电容C中同时储能。•二极管D处于反向截止状态。•由于电感L中突然出现电流，将在L两端产生左正右负的自感电动势，负载两端电压等于300V电源电压与L两端自感电动势之差。IQILICIRQ（b)开关管饱和时的等效电路D+300VRLLC+-•开关管截止时，由于电感线圈中电流的突然中断，将在电感L两端产生左负右正的自感电动势，该自感电动势使续流二极管D导通，形成电流回路。•同时，电容C也通过RL放电。•可见负载电流由电感电流与电容放电电流两路同时提供。•虽然开关管截止了，但是负载电流并没有中断。ICILIDD（c)开关管截止时的等效电路Q+300VRLCL+-图2-1高频变压器开关电源基本结构框图这类电源的共同特点是具有高频变压器、直流稳压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副边是隔离的，输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。2.4变压器型开关电源工作过程2.4.1高频变压器变换电路工作方式分类按其工作方式可分为五类,每类传输的功率也不相同，应用环境也稍有不同，如下所示：电路类型传输功率应用环境单端反激式变换器20～100W小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备中的控制电源单端正激式变换器50～200W小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备中的控制电源推换式变换器100～500Ｗ控制设备，计算机等电源半桥式变换器100～5000W焊机，超声电源，计算机电源等全桥式变换器500W～30kW焊机、高频感应加热，交换机等•开关管饱和导通，开关管电流在开关变压器初级产生上正下负的自感电动势，次级产生上负下正的互感电动势。•整流二极管D截止，由电容器C放电形成负载电流。＋300VVTDRL（a)基本电路C+300Ve1++e2VT+_RL(b)开关管饱和导通DCT2.4.2单端反激式变压器型开关稳压电源工作过程•开关管截止，变压器初级电流中断，于是在初级绕组产生反方向的自感电动势（上负下正），次级互感电动势也反一个方向。•次级互感电动势使整流二极管D导通，开关变压器次级电流一方面流入负载，另一方面向电容器C充电储能，以便开关管再次导通时向负载释放能量。e1′_+IRL＋300VCVTD（c)开关管截止T_+e2'•A.能量转换过程VT导通，D截止，T吸收能量；VT截止，D导通，T释放能量。传递的能量越多，负载两端形成的电压就越高。**VTTD2.4.2单端反激式变压器型开关稳压电源工作过程•B.稳压过程取样电路比较放大基准脉冲产生与脉宽控制VTTD2.4.2单端反激式变压器型开关稳压电源工作过程**2.4.3调整输出电压的方法tVitVktVoViTONTVoVkKRL电压变换器VO=·Vi=D·ViT0NT占空比•只要改变开关脉冲的“占空比”，就可以改变输出电压的高低。•在具体电路中，可以使开关脉冲频率固定，改变开关管导通时间而改变输出电压高低。这种电源称为“调宽式”开关电源。PWM•也可以使开关管截止时间不变，只改变开关管导通时间长短而改变输出电压高低。这种电源称为“调频调宽”式开关电源。PFM三、单端反激式开关电源理论计算3.1工作原理分析1、在开关VT导通期间：maxmin)(PPonPinonPIItLUti2、在开关VT截止期间off2oP2PS2tLUINNTimax)(off20PonPin2PtLUItLUNN)(min图2-2单端反激式变换器3.2单端反激式变换器也有三种工作状态1、磁通临界连续的工作情况：02UNNUuPinceoninPoninPPonPinPofftUUNNtUULLNNtULLNUNt020220220UinoffonPoffonPinPUttNNttLULNN222图8-16临界连续状态时的电压电流波形2、磁通不连续的工作状态图8-17磁通不连续时的工作波形oninPofftUUNNt02)()(20max220max22onPPonttLUINNttLUIiontPinSdtiUTP011ontPSoninpinSLTtUtdtLUT022221ttSontdiUTP2001PSoninttononPPSLTtUttdttLUINNTUon2)()]([22)(020max20PSLoninLTRtUU203、磁通连续的工作状况图8-18磁通连续时的工作波形)(20max22onttLUIi)()(20min2onPonPinPttLUItLUNNnUUttNNUnUUUTtinttinoffonPtinSon1200002UNNUuPince)11(1tintintinUUUinttonSSPthoninPKUPnIntTITLtUI0002)1(2)(2]21[22minPoffLSoninPLtnRTtUI3.3、输入电压Uin与导通比αt的对应关系inLttinHttUUnUmaxmaxminmin011即：输入电压最高时，相应的导通比是最小，输入电压最低时，相应的导通比是最大。因此，输入电压与导通比是一一对应，相互制约的。运行中由于闭环调节，这种相互适应是自动的。但必须指出的是，由控制电路振荡器和PWM门闩电路本身固有的最大最小导通比，一定要与运行条件所需的最大最小导通比不矛盾，否则就会失调。3.4磁通复位问题PoffoninNNttUU20为了不致于出现磁路饱和每个开关周期工作磁通都能复位，因此：1.单端反激式变换器开关变压器的铁芯都带有气隙。2.初级绕组电流实现脉冲限流控制。3.5间歇振荡问题当电网电压升到一定值而又很大的情况下，欲维持输出电压恒定，则脉宽调制器会使脉宽减少到某一极限值时，不能再减小了，只能以最小导通比运行，但由于导通时所储存的能量没有释放回路，就有可能出现：有的振荡周期没有PWM脉冲输出，开关管不导通，有的振荡周期就很宽，变成了作周期性或非周期性的间歇振荡器，这时输出电压不稳，纹波大，变压器发出刺耳的哨叫声。克服这一问题的办法之一，也是最安全和可靠的办法是在付绕组中加一固定负载电阻（假负载），以防负载开路，这样电网电压最高，负载开路了，由于有固定的假负载，脉宽保证有一最小的宽度而不致于出现间歇振荡现象。最小的脉宽是由控制电路振荡器的最小导通比决定的。3.2尖峰脉冲防护电路•接在开关变压器初级的R、C、D组成尖峰脉冲防护电路。•在开关管截止瞬间，开关变压器初级电感与分布电容之间形成谐振，产生很高的尖峰脉冲，该尖峰脉冲有可能击穿开关管。•接入R、C、D以后，使这种谐振被“阻尼”，避免了过高尖峰脉冲的出现，保护了开关管。③⑦