第一章开关电源及其技术指标

1、第一章,开关电源及其技术指标,1.1,开关电源及发展方向,一,什么是开关电源,1,电源,*,产生电能的电源：,把其他能源转换成电能,*,变换电能的电源：,对电能形态进行变换,2,变换电能的电源,*,线性电源,*,相控电源,*,开关电源,3,开关电源,*,同时具备以下三个条件的电源，称为开关电源,。,A,开关，,电路中的电力电子器件工作在开关状态,而不是线性状态；,B,高频，,电路中的电力电子器件工作在高频而不,是接近工频的低频；,C,直流，,电源输出是直流而不是交流。,即，,利用新型自关断器件通过功率变换技术而制成的高频,开关式直流稳压电源。,与线性稳压电源相比，,具有效率高、体积小和重量轻等

2、突,出优点；但存在电路复杂、纹波大、干扰大的缺点。,4,离线式开关变换器,是,AC/DC,变换器，由于交流输入整流后，一般还都需要进,行,DC/DC,变换，变换器中因有高频变压器隔离，故称离线，并,不是变换器与市电线路无关的意思。,5,传统稳压电源技术,*,是一种通过串联晶体管调整稳压、连续性控制的线性稳,压电源，技术成熟，已有大量的集成稳压模块生产。,*,具有稳压性能好、输出纹波小、使用可靠等优点；但需,要体积大、笨重的工频变压器以及体积和重量都较大的滤波器。,*,调整管工作在线性放大状态，功率损耗大、效率低，需,要加体积较大的散热器。,6,开关电源的发展动力,需要,体积小、重量轻、效率高、

3、性能好的新型电源，成为,开关电源技术发展的强大动力。,7,在我国的发展,二,开关电源的发展方向,1.,小型化,轻量化,高频化,2.,高可靠性,3.,输入电压通用,4.,扩大输出电压范围,5.,提高输入侧的功率因数,6.,要求安全,7.,分布式结构增多,三,相关技术,1.,专用集成控制电路,2.,软开关技术,3.,电源系统的管理及控制,4. CAD,技术,5.,高次谐波的抑制,(1),利用无源滤波器,(2),有源滤波器,四,对,开关电源的要求,1,高可靠性,*,用平均故障间隔时间（,MTBF,）作为衡量开关电源可靠,性的标志。一些电源模块的,MTBF,50,万小时。,*,减少损耗、提高效率、改善

4、散热条件是提高开关电源可,靠性的基本方法。,*,加强生产过程质量控制，保证好的电气绝缘和机械强度,等也十分重要。,2,可维修性,*,能及时诊断出故障部位、不用专用工具即能排除故障是,可维修性好的衡量标志。,*,可分为现场维修、车间维修。,*,现场维修,要求在电源系统运行情况下，快速卸下故障,模块、更换新模块，并使新模块方便地投入系统运行。,*,车间维修,是对电源本身的维修，对于小功率模块有时,不再修理。,3,小的体积、重量,电子设备小型化，对电源提出的要求。,4,提高市场竞争力,*,降低电源的生产成本,*,降低电源的使用费用,五,与其他课程的关系及内容,1,基础,课程,*,电路分析,*,电子技

5、术,*,电力电子技术,*,控制理论基础,2,相关课程,*,软开关变换技术,*,电力电子电路仿真技术,*,电子设备的电磁兼容技术,*,电力电子装置故障自动诊断技术,3,课程内容,主要讨论,AC/DC,和,DC/DC,两类开关变换器,*,电源的发展方向、技术指标,*,开关电源的控制电路,*,磁性器件的设计,*,电源基本电路的设计,*,开关电源的热设计,*,开关电源的有源功率因数校正技术,4,参考文献,（,1,）张占松,开关电源的原理与设计,（,2,）王英剑,新型开关电源实用技术,（,3,）叶慧贞,新颖开关稳压电源,（,4,）杨,旭,开关电源技术,（,5,）周志敏,开关电源实用技术,-,设计与应用,

6、1.2,技术指标,一,应用领域,*,确定电源技术指标时，首先要明确使用电源的设备或工艺。,*,确定应该遵循的各国安全标准。,二,技术指标,1,输入参数,(1),相数,*,当开关电源的功率小于,5kW,时，可以选择,单相,输入。这,样，可降低主电路器件的电压等级，降低成本。,*,当开关电源的功率大于,5kW,时，应选择,三相,输入。这样，,可避免引起电网三相间的不平衡，同时还可以减小主电路中,的电流，降低损耗。,(2),输入电压,*,国内民用交流电源电压三相,380V,、单相为,220V,。,*,目前，开关电源流行采用国际通用电压范围，即单相,85,265V,，这一范围覆盖了全球各种民用电源标准

7、所限定的,电压，但对电源设计提出了较高的要求。,*,输入电压为直流时情况比较复杂，从,24V,600V,都有可,能。,*,输入电压指标通常包含额定值和变化范围两方面内容。,*,输入电压变化范围一般为,10%,，考虑配线等因素有,时也要求,-15%,+10%,。,*,输入电压范围的下限影响变压器的变比，上限决定了,主电路元器件的电压等级。,*,输入电压变化范围过宽，使设计中必须留过大裕量而,造成浪费，应在满足实际要求的前提下，尽量小。,(3),输入频率,*,我国民用和工业用电的频率均为,50Hz,，航空、航天、,船舶用电经常采用,400Hz,交流电（通常为,115V,单相或三相电）。,*,400

8、Hz,交流电压整流后的脉动频率远高于工频，因此整,流电路所连接的滤波电容可以减小很多。,(4),输入电流,*,输入电流通常包括额定输入电流和最大输入电流两项。,*,输入电流是输入开关、接线端子、熔断器和整流桥等,元器件的设计依据。,*,额定输入电流是指输入电压和输出电压、输出电流在,额定条件时的电流，最大值发生在输入电压下限和输出电压上,限、输出电流上限时。,*,三相输入时，各相电流有时会发生失蘅现象，应取平,均值。,(5),冲击电流,指输入电压按规定时间间隔接通或断开时，输入电流达到,稳定状态前所通过的最大瞬时电流。,(6),漏电流,*,流经输入侧地线的电流，在开关电源中主要是通过静噪,滤波

9、器（或称,EMI,滤波器）的旁路电容泄漏的电流。,*,一般，规定在,0.5mA,1mA,。,(7),效率,*,是电源的重要技术指标,一般定义为电源输出功率与电,源输入有功功率之比。,*,通常给出的是在额定输入电压和额定输出电压、额定输,出电流条件下的效率。,*,提高效率，意味着电源损耗功率下降，则可降低电源温,升、提高可靠性、节约能源。,*,一般来说，输出电压较高的电源的效率高于输出电压低,的电源，这与输出侧整流二极管的通态压降与输出电压的比值,有关。,*,影响电源效率的因素,与开关频率有关的损耗，包括开关器件的开关损耗、变,压器的铁损、电感的铁损以及吸收电路的损耗。,电路中的通态损耗，包括开

10、关器件的导通损耗、变压器,的铜损、电感的铜损以及线路损耗。,其他损耗，包括控制电路损耗、冷却系统的损耗等。,(8),输入功率因数,*,指在输入电压为额定值、输出功率为额定值时，输入相,移功率因数和畸变因数（失真功率因数）的乘积，即：,PF,i,?,PF,D,?,cos,?,*,PF,D,是基波电流与基波电流及谐波的总有效值之比。,*,COS,?,是电压与基波电流的相位差的余弦。,?,其中,I,1,1,PF,D,?,?,2,I,R,1,?,(,THD,),?,I,THD,?,n,?,2,2,n,I,1,*,THD,也称谐波电流畸变度。,*,目前，对保护电网环境、降低谐波污染的要求越来越高，,许多

11、国家和地区都已出台相应标准，对用电装置的输入谐波和,功率因数作出严格规定。,2,输出参数,(1),输出电压,*,输出电压通常给出额定值和调节范围两项内容。,*,输出电压上限关系到变压器设计中变比的计算，过高,的上限要求会导致过大的设计裕量，在满足实际要求的前提下，,上限应尽量靠近额定点。,(2),输出电流,*,通常给出额定值和一定条件下的过载倍数。,*,有稳流要求的电源应指定调节范围。,*,有的电源不允许空载，应指定输出电流下限。,*,在多路输出电源中，有的如果某一路输出电流增加，,则其他路的输出电流会下降，对此要进行说明。,(3),稳压（稳流）精度,*,通常以正负误差带的形式给出。,*,影响

12、电源稳压（稳流）精度的主要有输入电压变化、,输出负载变化、温度变化以及元器件老化等。,*,精度可以用以下指标考核：,负载调整率,A,是指开关电源在输入电压不变、输出负载电流变化时，,提供其稳定输出电压的能力。,B,测试方法：在被测开关电源以额定输入电压及额定负,载状况下热机稳定后，测量其输出电压值,U,0,，再测量轻载,(,如,5%,I,0N,),时的输出电压,U,1,，可按下式计算。,U,0,?,U,1,?,U,0,S,I,?,?,U,0,U,0,输入电压调整率,A,是指开关电源在输入电压变化、输出负载电流不变时，,提供其稳定输出电压的能力。,B,测试方法：在被测开关电源以额定输入电压及额定

13、负,载状况下热机稳定后，测量其输出电压值,U,0,，再分别在低输入,电压（如,90%,U,i,）及高输入电压（如,110%,U,i,）下测量其输出,电压,U,01,、,U,02,，可按下式计算。,?,U,0,S,U,?,U,0,其中,?,U,0,?,U,0,?,U,01,或,?,U,0,?,U,0,?,U,02,，取最大值。,*,影响精度的相关因素有以下几项：,基准源精度,检测电路精度,控制电路中运算放大器精度,(4),电源的输出特性,*,电源输出特性与电源的应用领域的工艺要求有关，如,有些场合要求恒压限流、有些场合要求恒流限压等。,*,设计时需要根据输出特性要求来确定主电路和控制电,路的形式

14、。,(5),纹波,*,典型的输出电压纹波波形如下图所示，通常按频带可,分为三类：,高频噪声，即图中远高于开关频率的尖刺；,开关频率纹波，指开关频率附近的频率成分，即图中,的锯齿状成分；,低频纹波，指频率低于开关频率的成分，即低频波动。,*,对输出电压纹波的量化方法，通常有以下几种：,纹波系数，取输出电压中交流成分总有效值与直流成分,的比值定义为纹波系数。,不能反映幅值很高、有效值却很小的尖峰噪声的含量及其影,响。,由于纹波包含的频率成分从,1,赫兹以下到数十兆赫，频带极,宽，很难精确计量。,峰峰电压值，计量纹波电压的峰峰值，可以反映幅值很,高、有效值却很小的尖峰噪声的含量，但不能反映纹波有效值

15、,的大小，不够全面。,按三种频率成分分别计量幅值，该方法最为直观、详细，,也容易用示波器直接测量。,(6),动态响应,*,输出电压受外界因素干扰后再回到其稳态值，会有一,个超调量和恢复时间（有时，也可衡量系统稳定性）。,*,超调量一般,5%,U,O,、恢复时间,5,10,豪秒（多台并联,时，时间会长一些）。,*,恢复时间的长短与电源开关频率、电压反馈环的响应速,度、电流瞬态变化幅度及输出滤波电路的容量等因素有关。,(7),温度系数,环境温度升高,1,度，输出电压的变化量与输出电压之比，,单位为1/。,3.,附属功能,(1),过流保护,*,是一种电源负载保护功能，以避免发生包括输出短路在,内的过

16、负载输出电流对电源和负载的损坏。,*,过流给定值一般是额定值的,110%,130%,。,(2),过压保护,*,是一种对输出端子间过大电压进行负载保护的功能，过,压给定值一般规定为输出电压的,110%,130%,。,*,输出电压可变时，要注意不要发生过压给定值以内的误,动作。,(3),输出欠压保护,是当输出电压下降到标称值以下时，为保护负责或防止误动,作而停止电源工作的一种保护功能。,(4),过热保护,电源内部发生异常或因使用方法不当而使电源温升超标时，,停止电源工作并发出报警信号。,(5),接口,*,要确定电源输入、输出以及信号用端子的形状、排列或,连接器名称，并要标明所用端子号。,*,电源输

17、入、输出以及信号用端子要尽可能分开。,4,绝缘,(1),绝缘电阻,*,在电源输入端子和壳体间、输入端子和输出端子间，一,般用,500V,兆欧表测，电阻要大于50M。,*,输出端子和壳体间用,100V,兆欧表测，电阻要大于,10,k,。,(2),绝缘耐压,要符合各种安全标准规定。,三,结构规定,(1),形状条件,(2),外形尺寸,(3),安装条件,(4),壳体材料,(5),冷却条件,(6),接口位置,(7),文字提示位置,(8),重量、体积,四,环境条件,(1),温度,使用温度范围因使用场所而异，一般规定在,5,+50,、,保存温度在,25,+75,。,(2),湿度,使用湿度范围一般规定在,20

18、%,85%,、保存湿度范围在,18%,90%,。,(3),高度,(4),耐振动,(5),耐冲击,(6),其他,抗尘埃、耐腐蚀、耐药性,1.3,开关电源的构成与分类,一,构成,输入整流滤波,功率变换,输出整流滤波,辅助电源,时钟振荡电路,驱动电路,控制电路,过压过流保护,检测放大电路,*,整个电源系统可分为主电路和控制电路两部分。,*,主电路由输入整流滤波、功率变换、输出整流滤波三个,环节构成。,*,如果是,DC/DC,变换系统，则不需要输入整流滤波部分。,二,开关电源的分类,1. DC/DC,类开关电源,*,工作方式,脉宽调制方式（,PWM,）,频率调制方式（,PFM,）,*,应用电路,Buck,电路,Boost,电路,Buck-Boost,电路,Cuk