开关电源基础教材

1、开关电源基础引言电源发展是趋于轻小。而关键是既要小又要高效。近几年的优秀半导体、磁材和无源器 件，使得功率变换的选择余地越来越大。线性和开关电压线性电源和开关电压都是把不稳定的输入变换成稳定的输出，但是却是完全不同的技 术，它们各有优缺点。线性电源只能是降压型的。它们是用双极型晶体管或 MOSFET的线性工作，保持输出电压的稳定。半导体调整器件上的电压就是输入输出电压差，半导体损耗就是调整器件上的电压乘负载电流，即Vdrl。所以，变换效率只在 35-65%。例如，把12V输入变换成5V输出， 输出电流100mA，输出功率只有500mW，而损耗是700mW，效率是42%。所以，散热片的 体积大成

2、本高。但是线性电源在输入电压变化范围小的小功率应用场合，也有它的优点，比如电路简单，没有开关电压的开关噪音。开关电压的开关器件，只工作在截止和饱和导通状态，损耗低，效率可到65-95%。开关电压即可降压也可升压。 但是，开关电压电路复杂， 输出电压包含着开关噪音，必须虑除。开关电源基础PWM开关电压有两种基本结构，即正激型和升压型。正激型变换器正激变换器的输出LC滤波器给出DC输出电压。输出电压为Vo VinD降压变换器是最简单的正激型变换器，如图1所示。5TilMESJJlg 山也芒10A山口Q0TIMEcfldns图1基本正激型（降压）变换器及其波形它的工作可以分成两个不同的方式，即开关导

3、通和关断。当开关导通时，输入电压加到LC滤波器的输入端。假设变换器工作在稳态，滤波器输出端的电压就是输出电压。电感电 流开始由开关周期开始时的初始值线性上升。电感电流为i LonVinVoLt - iinitOton在这个时期里，电感磁芯里存储能量。当功率开关关断时，磁芯存储的能量传输到负载。 当功率开关关断时，电感输入端的电压被拉到地，被正向偏置的二极管D而箝位。电感磁芯储能通过续流二极管 D传向负载。电感电流由初始的峰值ipk而减小为i Loff 一 | pkOtoff关断阶段一直持续到开关在控制电路控制下开启，下一个开关周期开始。 降压变换器可输出超过kW的功率，当典型应用是用作负载点变

4、换器，输出功率小于 1OOW。与反激型变换 器相比，正激变换器输出电压纹波较低。 缺点是它不是隔离拓扑， 出于安全考虑，这种降压 变换器最好不用在输入电压大于 42.5V的应用。反激型变换器但结构是不同的，所以工基本的反激型变换器与基本的正激型变换器所用器件一样多,作原理也是不一样的。反激型变换器最基本的是升压变换器，如图2所示。亠 BTIOAlUJQnoAONSvrtWltime0MPtTWWSMbehOHON茁 dHV当功率开关导通时，电感直接联到输入电压源，电感电流由零开始上升，为V in tI Lon0 ton电感磁芯存储着能量，在开关关断的瞬间，达到峰值电流Ipk,为Vmt L to

5、n当功率开关关断时，电感的开关边电压上升，单被输出电压箝位。存储在电感磁芯的能 量传输到输出。开关关断期间电感电流减小，为Vin-Vo i LoffLton+Ts当电感中的储能完全放到输出电容， 分布电感和电容，此时回产生振荡。如果在开关开启时，电感里还有能量，(t ton电感与开关连接端的电压回到输入电压。但因存在这样的工作就叫做连续工作模式，如图3,着就要在开关开启和关断时电感中都有存储能量。存储能量为2EL = o.5Li pk为了保证输出电压的稳定，在一个开关周期里，升压电感必须存储足够的能量。所以， 升压变换器占空比典型情况限制在50%。这种升压变换器用于板级变换器使用，因为峰值电流

6、问题，最大输出功率限制在 100-150W。因为它是不隔离变换器，输入电压限制在小于42.5V。如果用变压器代替电感,就是反激变换器，这样既可降压也可升压。图3 连续导通型升压变换器Power Switch ONsdws山0VL1OA Hofc弓 5电源拓扑拓扑是功率器件和磁性器件的组成结构。每种拓扑都有自己适用的应用。 选择拓扑要考 虑五个主要因素。1.有无输入输出电隔离要求；2 .有无多输出要求；3. 相应拓扑的功率处理能力；4. 相应拓扑的半导体开关电压应力；5. 变压器主边绕组或电感的输入电压。图1电路的问题是安全问题，从这个角度考虑，输入电压最好不要超过42.5V。所以，在较高输入电

7、压情况下都要用变压器隔离拓扑。 如离线电源。多输出电源都要用变压器。如果 输入电压低于42.5V，输入输出地可接在一起，除非有完全电隔离要求。因素3、4和5直接影响着系统的稳定性。开关电源传输着稳定的功率到输出，所以如果 输入电压较低，输入电流就较大。而对于较高的输入电压，输入电流就较小。设计的目的是 要使输入电流尽可能小。升压型拓扑峰值电流约是正激型变换器的两倍。着使得输出功率不要大于100-150W。成本是拓扑选择的一个关键因素。 两个拓扑之间具有较大的重叠特性。 在综合特性重叠 区，选择什么拓扑是任意的。图4是对于给定的DC输入电压和输出功率情况下，可以通用的拓扑。图5到12是常用拓扑。

8、还有其它拓扑，如 Sepic和Cuk变换器，不过不是常用的。1000 Haff-Biidge10 100OUTPUT POWER (W)10002 5 7 0CS-w1 42UJtsYTKM Jndhl-呂图4 各种常用的开关电压拓扑20-s 6 屮mm箱聃T_MET_Mm0&+TIME图7降升压（反向）变换器FeedbackTIMETIME图8 反激变换器图9单管正激变换器30VswPFil图10推挽变换器图11半桥变换器TIMESW2OTIMEmin图12全桥变换器多相重叠变换器增加输出功率减小半导体应力的一种方法是变换器重叠。任何拓扑都可重叠。对于一个n相重叠，两相之间的相位差是 360

9、/n。所有相的输出电流在输出端合在一起，每一相的电流 疋1 o/n。输入输出电容是共用的。输入电容的RMS纹波电流减小了，因为峰值电流减小了，有效占空比比单相大。输出电容减小了，因为电流波形的应力增加了 n倍，有效占空比变大了。 半导体电流应力也减小了。图13是多相降压变换器重叠框图。这是一个两相重叠拓扑。图13两相降压变换器重叠控制方法开关电压有三种这样控制方法。这些控制方法还可以根据保护特性而变化。 表1列出了每种控制方法的特性小结。表1 通用控制方法控制方法过流保护响应适用拓扑电压型平均型慢正激型 周波型慢正激型电流型立即型快升压型混合型快升压和正激混合型平均型慢升压和正激电压型控制（见

10、图14）典型的适用拓扑是正激型拓扑。在电压型控制中，只要检测输出电压。 电压误差是实际输出电压与期望的输出电压之差。这个误差信号与振荡电路产生的斜坡信号比较，产生功率开关的PWM驱动信号。因为控制参数只是输出电压，因为功率电路的固有延时，所以电压 型控制响应慢。电压型控制的过流保护，可用平均输出电流，也可用周波电流。平均过流保护检测DC输出电流，如果超过阀值，就减小功率开关的脉冲宽度。周波过流保护检测开关导通的峰值 电流，超过阀值就关断开关。电流型控制（见图佝典型的应用拓扑是升压拓扑。 电流型控制不仅检测输出电压， 还检测输出电流。 电压误 差用来控制功率开关导通期间磁性器件的峰值电流。 电流

11、型控制输入输出响应非常快， 具有 固有的过流保护。混合型控制这个控制方法试图检测一个参数,限制两个参数。有混合型电压和电流方法， 但不通用。图14电压型控制图15电流型控制开关的选择开关选择要考虑多方面的因素，如成本、峰值电压电流、工作频率和热处理。功率开关主要有三种，即双极型晶体管(BJT)、功率MOSFET和IGBT。BJT是第一种功率开关，至今仍属于低成本器件。在低成本和大功率应用场合仍然使用。BJT的最大开关频率低于80-100kHz。IGBT用于大功率应用，它们的开关频率限制在30kHz左右，有些达到100kHz。在同样的功率情况下，IGBT比MOSFET体积小，成本低。功率 MOS

12、FET主要用于 高频应用。BJTBJT是电流驱动器件。驱动电流正比于集电极电流。所以诽(8)功率晶体管电流较大，电流增益在5到 20之间。所以驱动损耗较大。设计时，首先考虑驱动电压最好约为0.7V，这样有利于减小驱动损耗。第二要考虑关断瞬变的集电极电流存储时间。过驱动情况下集电极电流会延迟0.3-2US，正比于过驱动程度。 虽然存储时间不是损耗的主要原因，但是限制开关频率。 减小存储时间的方法有两种。第一种方法是与基极限流电阻并联加速电容，典型值是100pF,如图16a。第二种方法是比例驱动，如图16b。最后要考虑BJT的二次击穿问题。WO pFControl IC4Power Ground

13、(a )固定偏置驱动电路1-T33屛Power Ground F 100 pFWv(b )比例驱动驱动电路图16 BJT驱动功率MOSFET开关电源的功率开关和同步整流器都可选用MOSFET。最简单的MOSFET模型如图17所示，图中所示的电容都是数据手册中给出的，但是它们都是非线性的， 随着所加电压变化。图17 MOSFET模型与栅极相关的有两个电容，即栅极输入电容Ciss和漏极栅极反馈电容 Crss。输入电容值是固定的，在800-3200pF，取决于MOSFET的物理结构。反馈电容值在 60-150pF。虽然反馈电 容值较小，但对栅极驱动的影响非常大。典型栅极驱动波形如图18。匕期间只是输

14、入电容充电，t2期间是漏极电压变化的影响，这个期间的栅极电压是MOSFET驱动真正需要的电压，t2期间是过驱动时间，过驱动电压是驱动电路提供的，它不是MOSFET驱动真正需要的。图18 典型的MOSFET驱动波形MOSFET开启和关断的时间取决于栅极驱动电路阻抗。非常重要的一点是在栅极驱动电路上并联一个电容，保证驱动期间驱动电压的恒定，一般这个电容的值是约0.1uF。MOSFET驱动驱动高频MOSFET驱动要求主要有三个， 要有图腾柱驱动电路， 驱动电压要加以旁路, 器件要能提供瞬间大电流。图 19是常用的驱动电路。(b )(c)有时MOSFET需要隔离栅极驱动。可用变压器实现。由DC源驱动变

15、压器，必须加耦合电容。变压器次级也要用电容耦合到MOSFET栅极。两个串联电容都要大于 MOSFET的Gss的10倍，电路图如图20。变压器隔离栅极驱动整流器整流器的损耗约占开关电源损耗的60%。它们的选择对电源的效率影响非常大。整流器的主要参数是：正向压降Vf：即整流二极管流有正向电流的导通电压。反向恢复时间0：它的长短取决于清除结面积的少子时间。正向恢复时间tfrr:它的长短取决于正向电流。整流器选择有四种。即标准整流器、快恢复整流器、超快恢复整流器和肖特基整流器。 标准整流器关断缓慢，只适用于50-60周应用。快恢复二极管是早期用于开关电源的，但对大多数的现代应用，它的关断速度还是太慢。

16、超快恢复二极管正向压降在 0.8-1.3V，反向电压额定值可到 1000V。肖特基二极管关断非常迅速，平均正向压降在0.35-0.8V，但反向击穿电压低，反向漏电流大。输出电压低于12V时最好选用肖特基二极管。输出整流电路的主要损耗是导通损耗和开关损耗。导通损耗是导通时间里正向压降乘电流。开关损耗取决于二极管关断速度。磁性器件开关电源中的磁性器件主要用作变压和储能。在正激型拓扑中，变压器用来实现变压, 滤波电感只用于储能，在反激型拓扑中，变压器既用于变压又用于储能。磁性器件的一般设计过程是：1.根据工作频率选择适当的磁芯材料；2 .选择适当的磁芯系数；3.根据功率确定磁芯的横截面积；4 .确定

17、气隙和绕组匝数；5 .采用适当的技术绕制绕组；6 .通过样机验证和调整。PCB布局PCB布局对开关电源是三大重点之一，即电路设计、器件选择和设计、PCB设计。布局适当会影响RFI、器件安全性、效率和系统稳定性。虽然每个电源的布局不是不同 的，但如考虑好一些开关电源的共性，将会使设计简化。所有的PCB印制线都存在电感和电阻。当流过它的电流高速变化时，就会产生高瞬变电 压。运算放大器接到这样的功率线上，就会出现工作不稳定。如果印制线太窄，电流流过时就会产生较大的电压降，以及 RFI。另外，印制线之间的容性耦合也会影响电路的工作。PCB设计的两个原则是：功率线要宽短，系统地接一点。印制线宽短可减小印

18、制线的电 阻和电感，从而减小电路的损耗和噪音。单点接地可使噪音源与敏感的控制电路隔离。在所有的开关电源中，都有四个主要的电流环。两个环传导着幅度大的AC电流，即功率开关AC电流环和输出整流器 AC电流环。典型情况下，这些电流都是脉冲电流，峰值高， di/dt非常高。另外两个电流环是输入源电流环和输出负载电流环，载的是低频电流。对于功率开关AC电流环，电流通过电感或变压器绕组流过输入滤波电容，。类似的， 输出整流器电流环的电流流过电感或变压器次边绕组，到输出滤波电容。 在开关电源里，滤波电容只是在需要时提供或吸收大的AC电流。PCB印制线应尽可能的宽短，最大限度地减小印制线电阻和电感的影响。布线

19、时应首先将这些线布出来。输入电流环和输出负载电流环都必须直接连到相应的滤波电容上，否则开关噪音就会旁路电容的滤波作用。这些噪音就成为传导干扰。图21中示出了这些电流环。Guivt Loop(a ) 不隔离DC/DC变换器4| II 4：I I I IILJInfMii BourcSGirnrriInpul Cunwrl LdqpCkrnanl LdouuipixLMd CurTwntLoopOufutLcdC Pcww 吿 Hch GmifKlJfiifl0b|SAIl J RAT IONVOLTAGE IA ISE DYNAMICSTORAGETIME SATURATIONTIMECLEAR

20、INGLrSATURATION | f|TURN-ON CURRENTpjFlN-OFFCURRENTCURRENTCUHHENTTAILN 恺 HnoWHhl-QFF LOSSSWITCHING LOSS旳山 InoM MSO1HOH 山ZUJsno 山 hi-zL1JEJVL1OA控制电压尖峰和/或RFI的通用万法CLAMPORIGINALWAVEFORMt.图28阻尼和箝位的影响无损阻尼器无损阻尼电路，由功率电路回收能量。无损阻尼电路由开关AC电压节点吸收能量。这个能量存储在电容里，一个典型的实现方法如图29。设计无损阻尼电路的要点是：1. 阻尼电路必须具有初始条件，使得它工作于期望的瞬变。如果阻尼器复位到输入电压，因此它作为无源箝位，而且消除了任何尖峰。2. 无损阻尼电路复位时，能量应返回输入源或送到输出级。送到输入源就成了下一个 周期的输入能量。3.复位电路要加串联电感，防止附加的EMI。可用2-3匝的PCB电感减小无损阻尼电路能量卸放的di/dt。图29单管正激变换器无损阻尼器有源箝位图30是有源箝位反激变换器。在图30中，有源箝位复位调节了关断瞬变。