开关电源原理讲解

开关电源原理讲解Navy_Liu2008/6/12概论•电源供应器（SPS)是所有电子产品中不可或缺的动力来源，它提供各式源源不断的能量以供应电子产品中的每一个元件所需要的电压或电流。近年来，为了符合现代电子产品小型化及高功率密度的需求，电源供应器的研究与发展均朝轻，薄，短，小的趋势发展。开关电源的结构与特征•1开关电源介绍•2.开关电源的工作原理•3.开关电源的类型•4.开关电源的组成部分•5.开关电源各部分功能介绍•6.实例讲解1.开关电源介绍•開關電源(交換式電源供應器):簡稱SPS(SwitchPowerSupply)它是將現有交流或直流利用回路的ON/OFF反覆變化,將輸入電壓整流濾波后之直流電壓,作一定頻率的切換.其結果再進行濾波,得到一固定輸出電壓,也可稱之為換流器.(其動作原理是利用其回路內的截波器使得輸入及輸出回路形成兩個獨立的回路.)2.开关电源的工作原理•为获得稳定的输出电压，用晶体管等作为开关器件，反复执行通（ON)，断（OFF)操作方式的电源，称之为开关电源。接通关断电源灯亮灯灭电流iSW接通tSW断开反复执行通断平均电流tt灯泡明亮i灯泡暗淡断开开关开关操作1，小型轻量；2，效率高；3，输入的电压范围宽。开关电源的基本操作：上图所示的SW执行ON操作时，灯泡点亮，执行OFF操作时，灯泡熄灭。一般灯泡仅有点亮与熄灭两种状态，且是周期性反复执行ON及OFF操作，若使ON与OFF两者的时间比进行连续改变时，则灯泡的亮度也随之发生变化。如此所执行的操作，既是脉宽控制方式（PWM:pulsewidthmodulation),PWM:使开关操作频率固定，1/f=T,为定值，只改变ON时宽度.3.开关电源的类型•1，返激式（Flyback)•2.正激式（Forward）•3.谐振式（分电压谐振&电流谐振）•4.自激式（RCC)目前电源的主流种类为以上4种，现以使用较多的Flyback&Forward类型作进一步探讨。1，返激式（Flyback)•1，返激式（Flyback)•概述：返馳式(Flyback)轉換器又稱單端反激式或Buck-Boost轉換器.因其輸出端在原邊繞組斷開電源時獲得能量故而得名.•返激式转换器主电路的基本架构：1，返激式（Flyback)1，返激式（Flyback)1，返激式（Flyback)1，返激式（Flyback)1，返激式（Flyback)•一、返馳式轉換器的優點有:•1.電路簡單,能高效提供多路直流輸出,因此適合多組輸出要求.•2.轉換效率高,損失小.•3.變壓器匝數比值較小.•4.輸入電壓在很大的範圍內波動時,仍可有較穩定的輸出,目前已可實現交流輸入在85~265V間.無需切換而達到穩定輸出的要求.•二、返馳式轉換器的缺點有:•1.輸出電壓中存在較大的紋波,負載調整精度不高,因此輸出功率受到限制,通常應用於150W以下.•2.轉換變壓器在電流連續(CCM)模式下工作時,有較大的直流分量,易導致磁芯飽和,所以必須在磁路中加入氣隙,從而造成變壓器體積變大.•3.變壓器有直流電流成份,且同時會工作於CCM/DCM兩種模式,故變壓器在設計時較困難,反復調整次數較順向式多,迭代過程較复雜.2.正激式（Forward）•正激式（Forward）•概述:順向式(Forward)轉換器又稱單端正激式或buck式轉換器.因其在原邊繞組接通電源VIN的同時繞組把能量傳遞到輸出端故而得名.Forward變換器中的變壓器是一個純粹的隔離變壓器.因此,在副邊輸出端須附加儲能電感器L,用以儲存及傳送能量.•正激式转换器主电路的基本架构：2.正激式（Forward）•状态1：Q1導通•Q1導通時原邊繞組Np有電流Ip流過,因副邊繞組Ns与Np有相同的同銘端.故副邊繞組通過DS1把能量傳遞到輸出端,對次級電感L1充電.次級電感的電流波形、工作Duty…則與Buck線路一模一樣………該Buck的輸入電壓則是變壓器T1的次級電壓Vs，能量先轉存到L1及輸出負載.Ip2.正激式（Forward）•状态1：Q1OFF•初級及次級Ds1都沒有電流流動，輸出電感原先儲存的能量經由Ds2放電到Cs1及輸出負載，完成能量傳遞的目的2.正激式（Forward）•一、正激式轉換器的優點有:轉換功率通常在50~500W之間.•1.正激式變壓器通常使用無氣隙的CORE,電感值L較高,原副邊繞組之峰值電流較小(Φ=LI),而銅損較小.•2.開關管的峰值電流較低,開關損耗小.•3.适用于低壓.大電流.功率較大的場合.•二、正激式轉換器的缺點有:•1.在开关管ton時,變壓器原邊電流Ip=Im+Iload.其中磁化電流Im是無法傳送到副邊的能量.在开关toff期間此磁能無法被泄放,磁化能量將引起較高的反壓加在开关管之C.E极間而損壞晶体.另一方面磁化能量的存在將使變壓器CORE趨于飽和,產生很大的集電极電流Ic,使晶体損壞.為解決上述問題,通常在變壓器中設置一消磁繞組NR,將磁化能量反饋到電源輸入端.•2.成本高于反激式电源4.开关电源的组成部分EMI滤波电路高压整流滤波ACIN隔離變壓器整流濾波電路直流輸出高壓方波切割元件PWM邏輯控制電路保護電路控制電路1、SPS原理方框图：5.开关电源各部分功能介绍•以270W为例：270W线路柜架5.开关电源各部分功能介绍•线路图5.开关电源各部分功能介绍卸放电阻NTC浪涌电流限制fuse电路保护EMIcomponentEMIcomponent输入电路EMI5.开关电源各部分功能介绍PS/on-offcontrolcircuit5.开关电源各部分功能介绍•-12VSCPCircuit(-12V*18K)/(13K+18K)=-6.96V(5*13K)/(13K+18K)=2V(-6.96)+2=-4.96V(Veb=-4.96V,Q702Cut-Off)如果-12V短路到地.+5V经R702给Q702b极提供电压，此电压为Vb=(5*13K)/(18K+13K)=2VIb=(+5V-Veb)/R702=(5V-2V)/18K=166uA.5.开关电源各部分功能介绍•发热风速控制&OTP线路NTC温度侦测风扇速度控制电阻5.开关电源各部分功能介绍•5VsbCircuitVccOutput+5VsbOutputOVPdeviceHi-VinputPWM+MosfetIC5.开关电源各部分功能介绍•电压回授电路U403工作电流计算ReftoU403SpecIka1mA.Ika=+5V-Vf-Vka/R421=5V-1V-2.5V/390=3.85mA.回授电阻计算U403Vref=2.5VIref=Vref/(R418+R426//VR401)假设Iref=1mA.假设回授的比值是：60%for+5V44%for+12VR416=(5V-Vref)/0.6Iref=(5V-2.5V)/600uA=4166Used3.9KR417=(12V-Vref)/0.4Iref=(12V-2.5V)/400uA=23750Used22.6K5.开关电源各部分功能介绍•PG,OVP,OCPPS-ONControlCircuitPG触发信号输入+12V电流检测电阻PS.控制IC