高频开关电源的工作原理

高频开关电源工作原理作者：湖南常德分公司传动中心郝书韬1、开关电源的概念2、开关电源的组成3、开关电源的常用电路类型与原理4、通信用开关电源的基本要求1、开关电源的概念开关电源是一个能量转换器，作为电源的功率器件工作在开关状态（开关管、电感、高频变压器、电容、整流二极管）－开或关状态，其特点是频率高、功耗低、工作效率高、体积小、输入范围宽(SwitchingRegulator--Aswitchingcircuitthatoperatesinaclosedloopsystemtoregulatethepowersupplyoutput)通过闭环系统调节，使输出电压保持稳定。2、开关电源和线性电源、相控电源的比较①线性电源：线性电源的主要特点就是功率器件工作在放大状态，具有稳定度高、可靠性好、成本低等优点，但是效率低、笨重和体积大的缺点。只能做中、小功率的电源。②相控电源：是通过控制可控硅的导通角来达到稳压作用，功率因数比较低、效率低、笨重、体积大。3、开关电源（swiching－modepowersupply）开关电源因为体积小、效率高已经充斥了我们的日常生活，从移动电话的充电器，到我们的彩电、音像供电电源；从路边的霓虹灯，到车站的电子显示牌，这些都用到了开关电源；从我们的台式计算机，到便携笔记本电脑等等，这些都离不开开关电源。当然开关电源的输入并不限于是交流（AC/DC电源），还可以是直流（DC/DC电源和DC/AC电源）。开关电源交流输入电压范围比较宽，可以从几十伏到上千伏。就目前而言，开关电源的控制方式有两种：脉宽调制和频率调制（PulseFrequencyModulation－PFM）。脉宽调制（PulseWidthModulation－PWM）方式比较常见。4、开关电源的主要指标①无故障运行间隔时间这是开关电源最重要的指标，衡量了开关电源的工作可靠性。一般说是开关电源平均无故障运行间隔时间越长约好。②工作效率输出功率与输出功率的比值就是开关电源的工作效率，衡量开关电源在变换过程中所产生的损耗，对于目前我们的开关电源工作效率在85%以上。③电压调整率指在负载保持不变的情况下，输出电压变化与单位输出电源和输入电压变化量的百分比。Sv＝（△V0÷V0△Vi）％。该参数表示了电的稳压特性。4、开关电源的主要指标④负载调整率指的是输出负载变化时，引起的输出电压的变化。SL＝（△V0÷V0）％。⑤输出纹波（峰－峰值）这个指标衡量了开关电源的电磁兼容性，纹波越小越好。一般小于输出电压的百分之三毫伏，例如对于53.5V电压来说，输出纹波就位150毫伏。５、开关电源的一些名词概念①有功功率（Acitivepower):电能转换成其他能量所消耗的功率，单位为瓦（W），用P表示。②无功功率(Unactivepower):没有消耗功率，只是能量在电感和电容之间转换的功率部分，单位为VA，用Q表示。③视在功率(Aparentpower):指的是交流输入功耗，也叫表观功率，其单位是VA，用S表示。S2=P2+Q2④功率因数(Powerfactor):有功功率与是在功率的比值，它表示交流电转化成其他能量的能力。功率因数＝P/S。功率因数校正后为0.9999。1、输入电路D级防雷电路、交流输入的EMI电路、输入整流器滤波电路、输入缓启动电路、APFC电路。D级防雷是吸收雷电残压，保护开关电源不受损坏，一般是由压敏电阻和放电管组合使用；交流输入的EMI电路一般是用来抑制共模噪声干扰的，是由共模电感、X、Y电容组成，将噪声吸收到大地（机壳）；输入缓启动电路如下图所示,由于电容电压不能突变，所以在刚接通电源的瞬间，电容的充电电流比较大，需要采取措施进行限制，否则电源设备无法供电。APFC电路，是有源功率因数校正电路。它是一个升压电路，电路结构采用的是BOOT电路，输出电压一般规定在410VDC左右。由于开关电源所采用的器件全部工作在非线性状态，电路上有电感和电容，所以会造成交流输入电压和电流的相位存在相位差，导致交流电不能全部做功，一部分在电感和电容中转换。另外交流电压和电流波形出现畸变，造成谐波分量增加，干扰增加。功率因数校正电路就是将电压和电流相位强制到一致，同时对波形给予修正。开关电源APFC电路DC310vDC410V输入缓启动电路原理图直流输入410VDC2、功率变换电路将PFC输出的410VDC高压进行变换，变成高频高脉冲电压，然后驱动高频变压器，变压器将高压脉冲电压变成低压脉冲电压。该部分的主要器件是开关功率器件和高频变压器。3、输出电路输出电路主要是全波整流电路和滤波电路、输出EMI电路。全波整流器电路所用的整流二极管不是普通的，一般用采用快恢复二极管或肖特基；滤波电容用的是高频低阻电容。4、控制电路控制电路是开关电源电路的核心之一。PWM控制芯片决定开关电源的工作模式，该芯片产生两路相位相反的驱动信号来驱动功率开关器件工作，通过脉冲宽度来控制开关管的导通时间，从而调节能量传递的大小。开关电源的控制电路是一个闭环控制系统，所以能及时保证输出电压稳定不变，闭环有两个环来调节，内环是电流环调节，确保开关电源的动态响应时间，速度比较快。外环是电压调节环，确保电压的稳定，速度相对较慢。输出过压保护、均流电路、过热保护、限流保护、短路保护以及交流输入过欠压保护是开关电源的辅助电路。Ui滤波整流及滤波功率开关器件高频变压器整流滤波控制电路输入回路功率变换器UoAC/DCDC/DC包含：EMI、缓启动和APFC电路电路包含：输出整流、滤波和输出EMI电路变换电路有：反激、正激、推挽、半桥、全桥输出电路PWM控制电路、均流电路、保护电路、辅助电源电路控制电路图1、单端反激电路反激式开关电源的核心部分是反激式直流——直流变换器，基本电路如下图所示：单端反激电路一般用在小功率电源和开关电源的辅助电源上。其占空比可达100％，控制芯片一般用的是UC3842和UC3843。反激式电路原理图+-Uini1R1R2C2V2V4R3T1W1`W1W2V3V1CRL+-U0iL+0abIbV1导通V1开启V1关断V1截止cUceI2（a）（b）2、单端正激电路正激式开关电源的核心部分是正激式直流——直流变换器，基本电路如下图所示。正激电路变压器的利用率比较高，工作时的占空比小于50％，工作频率是振荡频率的一半，所使用的控制芯片一般是UC3844和UC3845。可以做中型功率的开关电源，使用双管正激电路，其功率可以做得更高一点。虽然功率变压器不像反激式电路要开气隙，但是一般要在变压器中加去磁绕组，在关断时将付边的能量反射到交流输入上。正激电路原理图（单管正激）+-UinRLUO+-+IOLOV3V4CTV1V2W2iiL1W1W1i正激电路原理图（双管正激）+-Uin+-+CLT1T2K1K2K3K4V1V2V3V43、推挽电路推挽式功率变换电路原理图，如图下图所示。推挽电路要求输入电压低，两个开关管的耐压要求是输入电压的2倍，所以一般用在DC/DC电源中。推挽电路一般用在中型功率电路上，变压器双向激励，变压器效率高,但是变压器容易出现磁偏现象。它的功率比正激电路稍微大一点，但是存在开关管“直通”的危险。工作时两个功率开关管V1、V2交替导通或截止。当V1和V2分别导通时，W1和W2有相应的电流流过，这时变换器次级将有功率输出。当V1导通，V2截止时，V2集—射两端承受的电压为2倍的Uin，而在V1、V2都处于截止时它们所承受的电压为输入直流电压Uin。推挽电路原理图++Uin-LV1V2W1W2Uce2UinUinttIc00TonToffT4、半桥电路半桥电路有两个功率开关管，通过两个串连的电容器来构成工作回路，这两个功率管交替导通驱动高频变压器进行能量传递，变压器是双向激励的。半桥电路同样存在变压器磁偏现象，会出现“直通”问题。同样的变压器的情况，半桥的输出功率大于推挽电路。如下图所示：C1和C2的作用主要是实现静态时分压，使Ua=1/2Uin。当V1导通，V2截止时，输入电流方向为图中虚线方向，向C2充电；当V1截止，V2导通时，输入电流方向为图中实线方向，向C1充电。当V1导通，V2截止时，V2两端承受的电压为输入直流电压Uin。半桥型开关电源原理图+-LV1V2UceUinUin/2ttIc00TonToffT+-C1C2V3V4UinUa5、全桥电路全桥电路是大功率电源常用的电路，有四个开关管组成两个桥臂。两个桥臂分别导通激励高频功率变压器，进行能量变换，但是存在开关管“直通”的危险。全桥电路原理图如下图所示。由四个功率开关器件V1~V4组成，变压器T连接在四桥臂中间，相对的两只功率开关器件V1、V4和V2、V3分别交替导通或截止，使变压器T的次级有功率输出。当功率开关器件V1、V4导通时，另一对V2、V3则截止，这时V2和V3两端承受的电压为输入电压Uin在功率开关器件关断过程中产生的尖峰电压被二极管V5~V8箝位于输入电压Uin。全桥型电路原理图+-LV1V2UceUinUin/2ttIc00TonToffTT+-V3V4V7V8V5V66、几种类型电路比较变换电路方式主开关管耐压主开关管电流峰值输出电压Uo适合容量单端反激式2UinoninoTTUP2offoninTTNNU12几W~几百W单端正激式2UinoninoTTUPTTNNUonin12几百W~几千W变形双管串联正激式UinTTNNUonin12几百W~几千W推挽式2UinonoffinoTTUP1TTNNUonin12几百W~几千W半桥式UinonoffinoTTUP12TTNNUonin1221几百W~几千W串联型半桥式21UinTTNNUonin1221几百W~几千W全桥式UinonoffinoTTUP1TTNNUonin12几百W~几千W1、开关电源的均流一套开关电源系统至少需要两个开关电源模块并联工作，大的系统甚至多达数十个电源模块并联工作，这就要求并联工作的电源模块能够共同平均分担负载电流，即均分负载电流。均分负载电流的作用是使系统中的每个模块有效地输出功率，使系统中各模块处于最佳工作状态，以保证电源系统的稳定、可靠、高效地工作。负载均分性能一般以不平衡度指标来衡量，不平衡度越小，其均分性能越好，即各模块实际输出电流值距系统要求值的偏离点和离散性越小。国家有关标准和信息产业部入网要求其均分负载不平衡度≤±5%输出额定电流值。2、均流在组合开关电源柜中的体现对于组合电源来说，一般要配置2台以上的整流器，如果均流效果好，那么每个整流器的输出电流基本“相近”。但是并不是理想状态下的“非常均匀”，当负载比较小的情况下（负载电流为2A左右，平均状态下每个整流器的输出不超过1A），有可能某一个整流器输出电流2A，而其他整流器的输出电流为零，这并不是电源系统不均流，而是在小电流情况下是否均流对组合电源系统来说意义并不是很大。均流的真正意义在于在整流器输出电流比较大的情况下（30％以上负载），各个整流器的输出电流在小于±5%范围之内，保证整流器的可靠性。这个指标是以单个整流器的额定输出电流为依据的，详细情况请看下面的例子。3、组合开关电源柜均流说明举例例如有一个通信基站用的是一套ZXDU300V2.0电源设备，配置了5个整流器，负载使用的电流是30A。假如5个整流器的输出电流分别是：7.5A、6A、6A、7A、4.5A，那么按照标准情况该组合电源的整流器均流是符合条件的，即电流最大和最小之间的相差不超过30A×10％＝3A（最大是7.5A，最小是4.5A），偏离中心值6A也符合要求。假如这个基站设备的电流是3A，那么有可能出现某一个整流器的输出电流3A，而其他整流器的输出电流很小，几乎为零。这种现象是正常现象，按照标准计算符合要求。另外对这么小的电流，均流已经失去意义。4、开关电源的保护功能对于通信设备使用的开关电源来说，需要有以下几个保护：输出过压保护、过热保护、输出短路保护、限流功能