开关电源基础知识讲义

1、第一部分：开关电源基础 一、 什么是开关电源标志电源特性的参数有功率、电压、频率、噪声等等；在同一参数要求下，又有体积、重时、形态、功率、可靠性等指标。凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成另一种形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源（switching power supply）。开关电源主要组成部分是dc-dc变换器，因为它是转换的核心，涉及频率变换，目前dc-dc变换中所用的频率提高最快。它要提高频率中碰到的开关过程、损失机制，为提高效率而采用的方法，也可为其它转换方法参考。值得指出，常见到离线式开关变换器（off-line s

2、witching converter）名称，是ac-dc变换，也常称开关整流器；它不单是整流的意义，而且整流后又作了dc-dc变换。所以说离线并不是变换器与市电线路无关的意思，只是变换器中因有高频变压器隔离，故称离线。二、 开关电源设计总原则及总要求：1. 设计总原则：产品的设计和结构必须符合适用国家适用类别的安规及emc。2. 设计总要求：产品的设计和结构必须能够保证在正常使用和可能的失败条件下，不会对使用者产生触电和其它危险, 及不会对周围环境产生危害,如火灾等.3. 设计具体要求：满足客户的需求（如电气、安规、价格及其它特殊需求）。三、 开关电源分类：1. 按激励形式不同，可分为自激式与

3、他激式两种自激式：单管式与推挽式（开关晶体管的激励信号如来自本身输出负载藕合而得，称之为自激）他激式：调频，调宽，调幅，谐振目前应用较广的为调宽型，它又包括正激，反激，半桥，全桥四种。2. 以应用线路分类：顺向式( forward ) - 60w600w返驰式 ( flyback ) - 100w半桥式 ( half-bridge ) - 200w 500w全桥式( full-bridge ) - 500w推挽式( push-pull ) - 500w铃流扼制式( ringing choke converter ) - 20wcuk式 - 无输出连波(output ripple-less)se

4、pic式 - 无输入连波(input ripple-less)共振式 ( resonant ) - 低损失(loss-less)四开关电源中的常用术语效率：电源的输出功率和输入功率的百分比。esr：等效串联电阻，作为电解电容的指标之一，在选择输出滤波电容时会考量。一般来说，esr越低，电容性能越好。输出电压保持时间：指在开关电源的输入电压撤消以后，开关电源依然保持其额定输出电压的时间。启动浪涌电流限制电路：属于保护线路。对电源启动时产生的尖峰电流起限制作用。隔离电压：电源电路中的任何一部分与电源基板地（一般称之为保护地或大地）之间的最大电压。或者能够加在开关电源的输入端与输出端之间的最大电压。

5、电压调整率：也称之为线性调整率，指输出电压随输入电压变化而变化的百分率，条件是负载和环境温度保持恒定。负载调整率：指输出电压随负载变化而变化的百分率，条件是输入电压和环境温度保持恒定。噪声和纹波：指附加在直流输出信号上的交流电压和高频尖峰信号的峰值。通常是以mv为单位。输出瞬态响应时间：从输出负载电流产生变化开始，经过整个电路的调节作用，到输出电压恢复额定值所需要的时间。远程检测：电压检测的一种方法。为了补偿电源输出的电压降，直接从负载上检测输出电压的一种方法。软启动：系统启动时，一种延长开关电源的输出从零到正常值所需要的时间的方法。电磁干扰：指那些由开关电源的开关元件引起的，不希望传输和发射

6、的高频能量频谱。占空比：在高频开关电源中，开关元件的导通时间和工作周期的比值。在输入电压或输出负载变化时，开关电源一般是通过调整占空比来达到稳定输出电压的目的。五 开关电源方块图及图块功能emi线路：主要由共模电感、差模电感、x电容和y电容组成，其目的是为了保护开关电源能正常工作不受外部电磁干扰的影响以及防止开关电源本身制造的电磁噪声干扰其它电子设备。输入整流滤波线路：主要由桥式整流器和输入电容组成，其目的是将输入的交流电进行初步的整流滤波得到一个初步的直流电。初级开关转换线路和次级整流滤波线路：是开关电源的主要组成部分，主要由隔离变压器，半导体开关和二次侧的整流半导体、滤波电容组成，作用是将

7、初步整流滤波所得的直流电转化为输出所需要的直流电并满足部分输出特性，比如输出纹波电压。pwm控制线路：由pwm控制集成电路和其周边的起辅助作用的电阻电容组成，是开关电源的核心，其作用是通过控制半导体开关来得到所希望的输出电压。输出反馈线路：由输出电压采样线路、反馈光耦、提供独立参考电压的辅助线路和其它一些闭环控制所需的电容电阻组成，作用是将输出的电压转化为某种特定的信号传送给初级的pwm控制线路。输出保护线路：由输出采样线路、反馈光耦、提供独立参考电压的辅助线路和其它一些辅助的电容电阻组成，其作用是在某些异常情况下保护输出端连接的电子设备和开关电源本身，比如输出过电压和输出过载。交流电源输入d

8、c输出次级整流滤波线路初级开关转换线路输入整流滤波线路隔离变压器emi线路光电耦合器输出反馈线路pwm控制线路输出保护线路光电耦合器第二部分：开关电源中的关键零部件与设计一、开关管(电晶体特性（characteristics）、损耗计算与测量（loss）、保护电路（protection）应力设计1. ）要具有快速地开通、快速地关断这两种状态，并且快速地进和转换。只有力求快速，使开关快速地滤过线性放大工作区，状态转换引起的损耗才小。目前使用的开关管主要有双极型晶体管、功率场效应管；逐渐普及的有各种特性较好的新式的大功率开关组件，例如sith（静电感应晶闸管）和mct（场控制晶体闸流管）。值得指出

9、，主回路也不是绝对不出现电阻组件。出现的前提是极有利于控制性能而又不引起多大的损耗，而且限于几十瓦以下的小功率变换器中应用。一般其阻值在毫欧级，其上得到的mv电压可用来作为当前工作周期进行电流控制或保护的信号。二、 电感(电磁原理(electromagnetic)、磁性材料(magnetic material)、绕线设计(winding) 电感是开关电源中常见到的组件，由于它的电流、电压相位不同，因此理论损耗为零。常为储能组件，通常与电容共享在输入滤波器上。用于平滑电流，也称它为扼流圈。其特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。换句话说，由于“磁通连续”性，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生

10、很大的电压尖峰波。电感为磁性组件，自然有磁饱和的问题。应用中允许有其饱和的，有允许其从一定电流值起开始进入饱和的，也有不允许其出现饱和的。在具体线路中要注意区分。在多数情况下，电感工作在“线性区”，此时电感值为一常数，不随端电压与流过电流而变化。但是，在开关电源中电感，有一个不可忽视的问题，就是电感的绕线所引起两个分布参数（可称寄生参数）的现象。其一是绕线电阻，这是不可避免的。其二是分布式杂散电容，随线制工艺、材料而定。杂散电容在低频时影响不大，随着频率的提高而渐显出来，到某一频率以上时，电感也许变成了电容的特性了。如果将杂散电容“集成”为一个，则从电感的等效电路，也可以明白地看出在某一频率后

11、的电容性。在分析电感的线路工艺中工作或绘波形图时，不妨考虑下面几个特点：（1）在电感l中有电流i流过时，储存有1/2li2的能量；（2）当电感l两端的电压v为不变时， v=ldi/dt 公式可知，忽略内阻r时，电感电流变化率 di/dt=v/l，表明是感电流线性增加；（3）正在储能的电感器，因为能量不能瞬时突变，若切断电感在变压器原边回路时，能量绝大部分经变压器副边出现的电流输送至负载，原、副边耦合中保持相同的安匝数，维持磁场不变，或每匝伏·秒值不变；（4）就像电容有充、放电流一样，电感器也有充、放电电压。电容上的电压与电流通渠道积分称电感器电压变化，其电流斜率di/dt也变化；正向

12、电压，使电流从零线性上升；反向电压，电流线性下降，根据能量守恒原理在电感器伏.秒值面积相等的某一时间点上，线性变化的电流重新降到零。三、电容（整流原理(rectifier)、生命周期(life time)、稳定度考量(stability)）电容是开关电源中常用的组件，它与电感一样也是储存电能和传递电能的组件，但对频率的特性却刚好相反。应用上，主要是“吸收”纹波，具有平滑电压波形的作用。实际的电容并不是理想的组件。电容器由于有介质、接点与引出线，造成一个等效电阻。这种等效电阻在开关电源中小信号反馈控制上，以及输出纹波抑制的设计上，起着不可忽视的作用。另外电容等效电路上有一个串联的电感，它在分析电

13、容器滤波效果时，非常重要。有时加大电容容量并不能使电压波平直，就是因为这个串联寄生电感起着副作用。电容的串联电阻是与起点的引线有关，也与电解液有关。常见电解电容电解质的成分为al2o3，导电率比空气约大七倍，为了续继提高电容量，把铝箔表面做成有规律的凸凹不平状，使氧化膜表面积加大（因为电容量与表面积成正比）。加入 的电解液可在凸凹面上流动。电解液受温度影响，温度下降，电阻加大，即电容串联电阻加大。温度下降，等效串联电阻（esr）加大，导致电容寿命减短，这是铝电解电容的缺点。为了改善这一缺点，将电解液覆盖在氧化膜表面后将其干燥，形成固体式电解质电容，即“钽电容”。止前又用有机半导体代替电解液，也

14、是固体式电解质电容称为“os电容”。os电容的串联电阻小了许多。在开关电源中的电容器，工作时平均电流为零，但因充电、放电电流波形不同，有效值电流是很大的。例如，市电整流输入到开关电源的滤波电路电容，其充电只是在市电正弦半波瞬时值高于电容上直流电压一个短时间内才发生，而且是低频的（50hz），由电容放大电供给开关电源，入电频率是高频的（与开关频率相同）。有效值电流ic（rms）比负载电流i0大，其计算式为ic（r m s）=1.12 i0电容器的选择，除考虑有效值外尚要考虑纹波电压和耐压的要求。4、开关电源变压器(电磁原理(electromagnetic)、磁性材料(magnetic mater

15、ial)、绕线设计(winding)开关电源变压器是开关型功率变换器中的核心部件，其作用有三：磁能转换、电压变换和绝缘隔离。在开关晶体管的开关作用下，将直流电转变成方波施加于开关电源变压器上，经开关电源变压器的电磁转换，将输入功率传递到负载，输出所需要的电压。由于开关变压器的工作频率很高，因此它的体积和重量比工频变压器大为缩小，同时变压器的分布参数亦不能忽略。开关变压器的性能好坏，不仅影响变压器本身的发热和效率等，而且还会影响到开关电源的技术性能和可靠性。所以在设计制作时，对磁心材料的选择，磁心与线圈的结构，绕制工艺等都要有周密考虑。开关电源变压器工作于高频状态，分布参数的影响不能忽略，这些分

16、布参数有漏感、分布电容和电流在导体中流动的趋肤效应。一般根据开关电源电路设计的要求提出漏感和分布电容限定值，在变压器的线圈结构设计中实现，而趋肤效应影响则作为选择导线规格的条件之一。a: 单极性开关电源变压器单极性开关电源变压器即激励源是一个单向方波脉冲电压，单端正激式和单端反激式变换器即属此类。开关变压器工作时磁心中磁通沿着交流磁滞回线的第一象限部分上下移动，变压器磁心受单向励磁，磁感应强度从最大值bm到剩磁br之间变化。单极性开关变压器由于磁心工作于其磁滞回线单象限，磁心损耗较小，约为双极性开关变压器的磁心损耗的一半。交变磁感应为b（b= bm- br），为了降低剩磁br，除了可采用宽恒磁

17、性材料外，一般采取磁路中加气隙的办法来降低剩余磁感应强度并使磁化曲线倾斜，提高直流工作磁场。b: 双极性开关电源变压器双极性开关变压器可看成是方波激励的高频电源变压器，磁性材料工作于整个磁滞回线，变压器效率较单极性开关变压器相比高出一倍以上，适合大功率电源采用。c: 磁性材料(1).概述磁性材料有软磁和硬磁之分，在开关变压器中使用的是软磁材料。磁性材料的性能是决定开关变压器性能的重要因素，选择适合的磁性材料是开关变压器设计制作的关键。开关变压器通常工作在20khz以上的频率，它要求磁性材料在工作频率下功耗尽可能小，此外，还要求磁性材料和饱和磁感应强度高，温度稳定性好。对应不同工作状态的开关电源

18、变压器，由于磁心工作在磁化曲线的不同区域，应选用相应特性的磁性材料。双极性开关电源变压器要求磁性材料具有高的动态磁导率，较低的高频损耗。单极性开关电源变压器要求磁性材料具有高的磁感应强度和较低的剩余磁感应强度，也就是要求磁性材料具有大的脉冲磁感应增量。表示磁性材料磁性能并适应于开关电源变压器的参数有：饱和磁感应强度bm、剩磁br、比损耗pb、增量磁导率、振幅磁导率a等。(2).铁氧体材料铁氧体材料的技术特性：铁氧体又称铁淦氧或亚铁酸盐，是由几种金属氧化物与铁的氧化物在高温烧结中产生的复合氧化物。铁氧体磁性材料可分为软磁铁氧体、硬磁铁氧体、旋磁铁氧体、矩磁铁氧体和压磁铁氧体等，同时，它们又具有单

19、晶、多晶、薄膜等形式。软磁铁氧体按其成分和使用频率有锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两大类，锰锌铁氧体的组成部分是fe2o3、mnco3、zno三种氧化物的反应物，它主要应用在1mhz以下各类电感器、变压器中。镍锌铁氧体其组成成分为fe2o3、nio、zno等，主要用于1mhz以上的高频电感器。在开关变压器中应用最为广泛的铁氧体材料是一种功率型锰锌铁氧体。根据使用要求不同，铁氧体材料有各种不同牌号可供选用。铁氧体材料的技术性能：适用于开关变压器的锰锌铁氧体具有适中的饱和磁感应强度，约为350500mt；剩余磁感应强度约在50200mt间；有较高的体积电阻，在50100·cm间，高频下较低的涡流

20、损耗和磁滞损耗，2030mw/g（温度t=100，测试频率f=25khz，工作磁感应强度b=200mt时）。铁氧体材料最大缺点是磁性能受温度影响很大。软磁铁氧体材料是在开关变压器中使用得最多的磁性材料。虽然它有饱和磁感应强度值低，温度稳定性差，易碎等缺点，但由于价格便宜，易于加工成所需形状，高频损耗小，在中小功率开关变压器中得到广泛应用。(3).铁氧体磁芯铁氧体材料很容易加工成各种形状，可根据开关变压器的电路类型、使用要求、功率等级、经济指标等选用合适的磁心形状。开关电源变压器制作工艺：由于开关电源变压器的特殊性，它的制作工艺与工频变压器不完全相同。而主要是围绕降低漏感（将所有次级、辅助绕组全部短路后，测得初级此时的电感值）、分布电容（如层与层之间、组与组之间的电容值），满足耐压和电流趋肤效应、抗磁饱和而制定的特殊工艺。1. 降低漏感:漏感是开关电源工作的一大敌人，漏感大则产生反峰电压高、输出纹波大、电磁干