开关电源工作原理分析

2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity第二篇电子新技术&新产品LED石墨烯开关电源2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity第三章开关电源第一节概述第三节工作原理（调宽式）第四节开关电源的分类第五节开关电源与线性电源的比较第二节开关电源基础电路第六节开关电源的基本工作原理2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity参考文献1.《开关电源的原理与设计》张占松、蔡宣三编著2.《智能型高频开关电源系统的原理使用与维护》---王家庆主编人民邮电出版社3.《通信用高频开关电源》人民邮电出版社4.《电力电子技术》丁道宏主编航空工业出版社5.《现代通信电源技术》2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity参考文献电工学报电力电子技术电信科学研究院情报所:通信电源的分级变电站备用发电机组市电油机转换整流器直流屏蓄电池交流不间断电源通信设备通信设备市电第一级电源(PrimaryPowerSupply)第二级电源(SecondaryPowerSupply)第三级电源(TertiaryPowerSupply)第三章开关电源绪论2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity2、开关电源的定义转开关变换器:凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变为另一形态的主电路都叫做开关变换器电路。开关电源:转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节。2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止。将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压！第三章开关电源转换为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多。所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热！成本很低。如果不将50Hz变为高频那开关电源就没有意义。第一节概述2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity（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。1发展史：第一节概述2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity开关电源基本构成框图整流滤波开关电源控制器滤波整流及滤波AC/DC输入回路功率开关器件高频变压器DC/DC功率变换器UinUout2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity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＋－RL2、组成(脉宽调制型)：调整管工作在开关状态2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity开关电源的特点1.重量轻，体积小:是相控电源体积的1/102.功率因数高:相控0.7,小负载0.3，有功率因数的开关电源在0.93以上3.可闻噪声低:工频变压器大于60dB,开关电源45dB4.效率高:一般88%以上；5.冲击电流小:可接近额定电流6.模块式结构:可更换模块2M的19英寸机架48V/1000A,输出功率60KW；7.稳压精度高:可达0.2%；8.维护、监控方便:对与较大的电源系统可采用计算机进行监控。2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity通信中对开关电源的要求欧洲通信标准化委员会制定的第二级电源与通信设备界面上的技术规范(ETS300132)msVdtdUDC/5◆直流电压允许变化范围-40.5~-57VDC◆直流电压变化◆直流冲击电流5I额定(10ms)◆无线电频率干扰符合EN55022或IECCISPR22标准◆安全、接地要求等◆杂音电压2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity通信中对开关电源的要求主要技术要求:电压变动范围要求、频率变化要求、波形要求。电压暂降、短时中断和电压变化的要求:IEC1000-4-11;GB/T17626.11浪涌耐量要求(雷击):IEC801-5;IEC1000-4-5;GB/T17626.5无线电频率干扰要求:EN55022,CISRR22;GB9254谐波电流要求:IEC1000-3-2,IEC1000-3-4安全、接地要求2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity通信中对开关电源的要求直流输出电压及其调节范围48V系统:48.00V~57.60(充电)静态稳压精度整流器输出限流和电池充电限流功率限制/恒功率输出特性2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity通信中对开关电源的要求输出端杂音电压电话衡重杂音:2mv峰峰值杂音:0~300Hz,400mv宽频杂音电压:3.4KHz~150KHz,100mv有效值150KHz~30MHz,30mv有效值离散频率杂音电压:3.4~150KHz5mv有效值;150~200KHz3mv有效值;200~500KHz2mv有效值;0.5~30MHz1mv有效值;2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity相关国家标准GB/T762-1996标准电流GB/T2423.1-1989电工电子产品基本环境试验规程试验A：低温试验方法GB/T2433.2-1989电工电子产品基本环境试验规程试验B：高温试验方法GB/T2423.9-1989电工电子产品基本环境试验规程试验Cb：设备用恒定湿热试验方法GB/T2423.10-1995电工电子产品基本环境试验第二部分，试验方法试验Fc和导则：振动(正弦)2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversityGB/T2828-1987逐批检查计数抽样程序及抽样表(适用于连续批的检查)GB/T2829-1987周期检查计数抽样程序及抽样表(适用于生产过程稳定性的检查)GB/T3859.1-1993半导体变流器基本要求的规定GB/T3873-1993通信设备产品包装通用技术条件GB/T4720-1984电控设备第一部分低压电器电控设备GB/T16821-1997通信用电源设备通用试验方法相关国家标准2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversityYDN023-1996通信电源设备和空调集中监控系统技术要求；YD/T638.3-93通信电源设备型号命名方法；YD/T944-1998通信电源设备的防雷技术要求和测试方法；YD/T983-1998通信电源设备电磁兼容性限值及测量方法；SJ2811.2-87通用直流稳定电源测试方法。相关国家标准2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity3.开关电源变换器的基本手段（1）PWM变换器:脉宽调制法(PulseWidthModulation):保持开关频率恒定但改变接通时间长短(脉冲的宽度)，使负载变化时，负载电压变化不大。PWM开关变换器:用脉宽调制方式控制电子开关的开关变换器。2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity3.开关电源变换器的基本手段PWM开关变换器实现的优点和不足优点:控制容易，技术成熟，适应范围广输入电流突然停电时，输出电压保持时间长:例如计算机系统不足:开关损耗大，频率不能很高软开关:用控制方法使电子开关在其两端电压为零时导通电流，或使流过电子开关电流为零时关断。2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity（2）谐振变换器:3.开关电源变换器的基本手段谐振:串联谐振:正弦电压加在理想的(无寄生电阻)电感和电容串联电路上，当正弦频率为某一值时，容抗与感抗相等，电路的阻抗为零，电路电流达无穷大；并联谐振:正弦电压加在理想的电感和电容并联电路上，当正弦频率为某一值时，容抗与感抗相等，电路的总导纳为零，电感、电容元件上的电压为无穷大；ZVS(零电压开通):电子开关器件两端电压振荡为零时，使电子开关导通流过电流；ZCS(零电流关断):流过电子开关器件的电流振荡到零时，使电子开关断开。2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity（2）谐振变换器:3.开关电源变换器的基本手段利用谐振现象，使电子开关器件上电压或电流按正弦规律变化，以创造零电压开通或零电流关断的条件，以这种技术为主导的变换器。串联谐振变换器并联谐振变换器2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity准谐振:当正向和反向LC回路值不一样，即振荡频率不同，电流幅值也不同，所以振荡频率不对称，一般正向正弦半波大于负向正弦半波。3.开关电源变换器的基本手段准谐振变换器:利用准谐振现象，使电子开关器件上的电压或电流按正弦规律变化，从而创造了零电压或零电流的条件，以这种技术为主导的变换器。多谐振变换器:谐振回路、参数超过两个的变换器2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity准谐振变换器中，增加一个辅助开关控制的电路，使变换器一周期内，一部分时间按ZCS或ZVS准谐振变换器，另一部分时间按PWM变换器工作，称为ZCS-PWM变换器或ZVS-PWM变换器。3.开关电源变换器的基本手段零开关--PWM变换器:2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity第二节开关电源基础电路开关电源的功率转换电路模型控制电路谐振变换器功率因数校正电路2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity基本电路模型--Buck变换器降压变换器、串联开关稳压电源开关闭合时，电能储存于电感和电容中(同时也馈向负载)。开关打开后，储存于电感和电容中的能量继续供给负载。二极管构成电流回路2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity基本电路模型--Boost变换器(升压型)开关闭合，电感中储存能量。开关打开时，电感中储存的能量通过二极管供给负载，同时对电容充电。负载电压跌落时，电容再放电，输出可获得高于输入的电压。2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity基本电路模型–Buck-Boost(反转电路)开关接通，电感中流过电流，储存能量。开关断开，电感中电流流向负载。由于二极管的接法，负载得到反极性的电压。负载电压跌落时，电容再向负载放电。2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity第三节工作原理：（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。2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity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2020/2/7ChongQingJiaoTongUniversity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