开关电源原理 ppt课件

1、高频开关电源任务原理高频开关电源任务原理培训内容1、开关电源的概念2、开关电源的主要目的3、开关电源的概念和开关电源的分类4、开关电源的任务原理5、通讯设备对开关电源的要求一、开关电源的概念1 1、开关电源的概念、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任务开关电源是一个能量转换器，作为电源的功率器件任务在开关形状在开关形状开关管、电感、高频变压器、电容、整流二极管开或开关管、电感、高频变压器、电容、整流二极管开或关形状，其关形状，其特点是频率高、功耗低、任务效率高、体积小、输入范围宽特点是频率高、功耗低、任务效率高、体积小、输入范围宽(Switching (Switchi

2、ng Regulator - A switching circuit that operates in a Regulator - A switching circuit that operates in a closed loopclosed loopsystem to regulate the power supply output)system to regulate the power supply output)经过闭环经过闭环系统调理，使系统调理，使输出电压坚持稳定。输出电压坚持稳定。 一、开关电源的概念2 2、开关电源和线性电源、相控电源的比较、开关电源和线性电源、相控电源的比较

3、 线性电源：线性电源的主要特点就是功率器件任务在放线性电源：线性电源的主要特点就是功率器件任务在放大形状，具有大形状，具有稳定度高、可靠性好、本钱低等优点，但是效率低、笨重和稳定度高、可靠性好、本钱低等优点，但是效率低、笨重和体积大的缺体积大的缺点。只能做中、小功率的电源。点。只能做中、小功率的电源。 相控电源：是经过控制可控硅的导通角来到达稳压作用，相控电源：是经过控制可控硅的导通角来到达稳压作用，功率因数比功率因数比较低、效率低、笨重、体积大。较低、效率低、笨重、体积大。一、开关电源的概念3 3、开关电源、开关电源swichingswichingmode power supplymode

4、power supply 开关电源由于体积小、效率高曾经充斥了我们的日常生活，开关电源由于体积小、效率高曾经充斥了我们的日常生活，从挪动电从挪动电话的充电器，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，到便携机，到便携笔记本电脑等等，这些都离不开开关电源。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当然开关电源的输入并不限于是交流AC/DCAC/DC电源，还电源，还可以是直流可以是直流DC/D

5、CDC/DC电源和电源和DC/ACDC/AC电源。开关电源交流输入电压范围比电源。开关电源交流输入电压范围比较宽，可较宽，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：脉宽两种：脉宽调制和频率调制调制和频率调制Pulse Frequency Modulation Pulse Frequency Modulation PFMPFM。脉宽调制脉宽调制Pulse Width ModulationPulse Width ModulationPWMPWM方式比较常见，我们中方式比较常见，我们中兴通讯电源兴通讯电源均采用的是这种方式。均采用

6、的是这种方式。 一、开关电源的概念4 4、开关电源的主要目的、开关电源的主要目的无缺点运转间隔时间无缺点运转间隔时间 这是开关电源最重要的目的，衡量了开关电源的任务可靠这是开关电源最重要的目的，衡量了开关电源的任务可靠性。普通说性。普通说的是开关电源平均无缺点运转间隔时间越长约好。的是开关电源平均无缺点运转间隔时间越长约好。任务效率任务效率 输出功率与输入功率的比值就是开关电源的任务效率，衡输出功率与输入功率的比值就是开关电源的任务效率，衡量开关电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任源在变换过程中所产生的损耗，对于目前我们的开关电源任务效率在务效率在85%85%以上。以

7、上。电压调整率电压调整率 指在负载坚持不变的情况下，输出电压变化与单位输出电指在负载坚持不变的情况下，输出电压变化与单位输出电源和输入源和输入电压变化量的百分比。电压变化量的百分比。SvSvV0V0V0 V0 ViVi。该参数表。该参数表示了电源的示了电源的稳压特性。稳压特性。一、开关电源的概念4 4、开关电源的主要目的、开关电源的主要目的负载调整率负载调整率 指的是输出负载变化时，引起的输出电压的变化。指的是输出负载变化时，引起的输出电压的变化。 SL SLV0V0V0 V0 。 输出纹波峰峰值输出纹波峰峰值 这个目的衡量了开关电源的电磁兼容性，纹波越小越好。这个目的衡量了开关电源的电磁兼容

8、性，纹波越小越好。普通小于输普通小于输出电压的百分之三毫伏，例如对于出电压的百分之三毫伏，例如对于53.5V53.5V电压来说，输出纹电压来说，输出纹波就位波就位150150毫毫伏。伏。一、开关电源的概念、开关电源的一些名词概念有功功率Acitive power):电能转换成其他能量所耗费的功率，单位为瓦W，用P表示。无功功率(Unactive power):没有耗费功率，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。视在功率(Aparent power):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+Q2功率因数(Power factor):有功功率

9、与视在功率的比值，它表示交流电转化成其他能量的才干。功率因数P/S。功率因数校正后为0.9999。二、开关电源的电路组成 不论什么样的开关电源必需包括以下几个部分：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，维护开关电源不受损坏，普通是由压敏电阻和放电管组合运用；交流输入的EMI电路普通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；输入缓启动电路如以下图所示,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，需求采取措施进展限制，否那么电源设备无法供电。二、开关电

10、源的电路组成1 1、输入电路续、输入电路续 APFC APFC电路，是有源功率因数校正电路。它是一个升压电电路，是有源功率因数校正电路。它是一个升压电路，电路构造路，电路构造采用的是采用的是BOOTBOOT电路，输出电压普通规定在电路，输出电压普通规定在410VDC410VDC左右。由于左右。由于开关电源所开关电源所采用的器件全部任务在非线性形状，电路上有电感和电容，采用的器件全部任务在非线性形状，电路上有电感和电容，所以会呵斥所以会呵斥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，一部做功，一部分在电感和电容中转换。另外交流电

11、压和电流波形出现畸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，呵斥谐变，呵斥谐波分量添加，干扰添加。功率因数校正电路就是将电压和电波分量添加，干扰添加。功率因数校正电路就是将电压和电流相位强迫流相位强迫到一致，同时对波形给予修正。到一致，同时对波形给予修正。二、开关电源的电路组成 开关电源APFC电路二、开关电源的电路组成 输入缓启动电路原理图二、开关电源的电路组成2、功率变换电路、功率变换电路 将将PFC输出的输出的410VDC高压进展变换，变成高频高压脉冲高压进展变换，变成高频高压脉冲电压，然后驱电压，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。动高频变压器，变压

12、器将高压脉冲电压变成低压脉冲电压。该部分的主该部分的主要器件是开关功率器件和高频变压器。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 输出电路主要是全波整流电路和滤波电路、输出输出电路主要是全波整流电路和滤波电路、输出EMI电路。电路。全波整流全波整流器电路所用的整流二极管不是普通的，普通用采用快恢复二器电路所用的整流二极管不是普通的，普通用采用快恢复二极管或肖特极管或肖特基；滤波电容用的是高频低阻电容。基；滤波电容用的是高频低阻电容。二、开关电源的电路组成4、控制电路、控制电路 控制电路是开关电源电路的中心之一。控制电路是开关电源电路的中心之一。PWM控制芯片决控制芯片决议开关电

13、源的议开关电源的任务方式，该芯片产生两路相位相反的驱动信号来驱动功率任务方式，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开关器件工作，经过脉冲宽度来控制开关管的导通时间，从而调理能量作，经过脉冲宽度来控制开关管的导通时间，从而调理能量传送的大传送的大小。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保证输出电压稳定不变，闭环有两个环来调理，内环是电流环调理，确压稳定不变，闭环有两个环来调理，内环是电流环调理，确保开关电源保开关电源的动态呼应时间，速度比较快。外环是电压调理环，确保电的动态呼应时间，速度比较快。外环是电压调

14、理环，确保电压的稳定，压的稳定，速度相对较慢。输出过压维护、均流电路、过热维护、限流速度相对较慢。输出过压维护、均流电路、过热维护、限流维护、短路维护、短路维护以及交流输入过欠压维护是开关电源的辅助电路。维护以及交流输入过欠压维护是开关电源的辅助电路。二、开关电源的电路组成三、开关电源的常用电路类型 我们普通按照DC/DC变换的方式来划分开关电源的电路类型，包括单端正激电路、单端反激电路、推挽电路、半桥电路和全桥电路。下面我们对每个电路的情况给予简单的描述。1、单端反激电路 反激式开关电源的中心部分是反激式直流直流变换器，根本电路如以下图所示：单端反激电路普通用在小功率电源和开关电源的辅助电源

15、上。其占空比可达100，控制芯片普通用的是UC3842和UC3843。三、开关电源的常用电路类型 反激式电路原理图三、开关电源的常用电路类型3、单端正激电路 正激式开关电源的中心部分是正激式直流直流变换器，根本电路如以下图所示。正激电路变压器的利用率比较高，任务时的占空比小于50，任务频率是振荡频率的一半，所运用的控制芯片普通是UC3844和UC3845。可以做中型功率的开关电源，运用双管正激电路，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，但是普通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。三、开关电源的常用电路类型 正激电路原理图单管正激+-Ui n R

16、L UO +-+IO LO V3 V4 C T V1 V2 W2 i iL 1W 1W 1i 三、开关电源的常用电路类型 正激电路原理图双管正激+-Uin +-+C LT1T2K1K2K3K4V1V2V3V4三、开关电源的常用电路类型4、推挽电路 推挽式功率变换电路原理图，如图以下图所示。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，所以普通用在DC/DC电源中。推挽电路普通用在中型功率电路上，变压器双向鼓励，变压器效率高,但是变压器容易出现磁偏景象。它的功率比正激电路略微大一点，但是存在开关管“直通的危险。 任务时两个功率开关管V1、V2交替导通或截止。当V1和V2分别导通时

17、，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集射两端接受的电压为2倍的Uin，而在V1、V2都处于截止时它们所接受的电压为输入直流电压Uin。三、开关电源的常用电路类型 推挽电路原理图+Uin-LV1V2W1W2Uce2Uin Uintt Ic00TonToffT三、开关电源的常用电路类型5、半桥电路 半桥电路有两个功率开关管，经过两个串连的电容器来构成任务回路，这两个功率管交替导通驱动高频变压器进展能量传送，变压器是双向鼓励的。半桥电路同样存在变压器磁偏景象，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。如以下图所示：C1和C2的

18、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，V2两端接受的电压为输入直流电压Uin。三、开关电源的常用电路类型 半桥型开关电源原理图+-LV1V2Uce Uin Uin/2tt Ic00TonToffT+-C1C2V3V4 Uin Ua三、开关电源的常用电路类型6 6、全桥电路、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。两两个桥臂。两个桥臂分别导通鼓励高频功率变压器，

19、进展能量变换，但是个桥臂分别导通鼓励高频功率变压器，进展能量变换，但是存在开关管存在开关管“直通的危险。直通的危险。 全桥电路原理图如以下图所示。由四个功率开关器件全桥电路原理图如以下图所示。由四个功率开关器件V1V4V1V4组成，变压器组成，变压器T T衔接在四桥臂中间，相对的两只功率开关器件衔接在四桥臂中间，相对的两只功率开关器件V1V1、V4V4和和V2V2、V3V3分别交替分别交替导通或截止，使变压器导通或截止，使变压器T T的次级有功率输出。当功率开关器的次级有功率输出。当功率开关器件件V1V1、V4V4导通导通时，另一对时，另一对V2V2、V3V3那么截止，这时那么截止，这时V2V

20、2和和V3V3两端接受的电压为两端接受的电压为输入电压输入电压UinUin在在功率开关器件关断过程中产生的尖峰电压被二极管功率开关器件关断过程中产生的尖峰电压被二极管V5V8V5V8箝箝位于输入电压位于输入电压UinUin。三、开关电源的常用电路类型 全桥型电路原理图+-LV1V2Uce Uin Uin/2tt Ic00TonToffTT+-V3V4V7V8V5V6三、开关电源的常用电路类型7 7、几种类型电路比较、几种类型电路比较四、通讯誉开关电源的根本要求1 1、开关电源的均流、开关电源的均流 一套开关电源系统至少需求两个开关电源模块并联任务，一套开关电源系统至少需求两个开关电源模块并联任

21、务，大的系统大的系统甚至多达数十个电源模块并联任务，这就要求并联任务的电甚至多达数十个电源模块并联任务，这就要求并联任务的电源模块可以源模块可以共同平均分担负载电流，即均分负载电流。均分负载电流的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正统中的每个模块有效地输出功率，使系统中各模块处于最正确任务形状，确任务形状，以保证电源系统的稳定、可靠、高效地任务。负载均分性能以保证电源系统的稳定、可靠、高效地任务。负载均分性能普通以不平普通以不平衡度目的来衡量，不平衡度越小，其均分性能越好，即各模衡度目的来衡量，不平衡度越小

22、，其均分性能越好，即各模块实践输出块实践输出电流值距系统要求值的偏离点和离散性越小。国家有关规范电流值距系统要求值的偏离点和离散性越小。国家有关规范和信息产业和信息产业部入网要求其均分负载不平衡度部入网要求其均分负载不平衡度5%5%输出额定电流值。输出额定电流值。四、开关电源的分类 普通是按照开关电源的输入和输出进展分类 Acdc：把交流输入变换成直流输出，一次电源。 Dcdc：把直流输入变换成直流输出，二次电源。 DcAc：把直流输入变换成交流输出，逆变器电源。 AcAc：把交流输入变换成交流输出，UPS电源。四、通讯誉开关电源的根本要求2 2、均流在组合开关电源柜中的表达、均流在组合开关电

23、源柜中的表达 对于组合电源来说，普通要配置对于组合电源来说，普通要配置2 2台以上的整流器，假设台以上的整流器，假设均流效果好，均流效果好，那么每个整流器的输出电流根本那么每个整流器的输出电流根本“相近。但是并不是理想相近。但是并不是理想形状下的形状下的“非常均匀，当负载比较小的情况下负载电流为非常均匀，当负载比较小的情况下负载电流为2A2A左右，左右，平均形状平均形状下每个整流器的输出不超越下每个整流器的输出不超越1A1A，有能够某一个整流器输出，有能够某一个整流器输出电流电流2A2A，而，而其他整流器的输出电流为零，这并不是电源系统不均流，而其他整流器的输出电流为零，这并不是电源系统不均流

24、，而是在小电流是在小电流情况下能否均流对组合电源系统来说意义并不是很大。均流情况下能否均流对组合电源系统来说意义并不是很大。均流的真正意义的真正意义在于在整流器输出电流比较大的情况下在于在整流器输出电流比较大的情况下3030以上负载，以上负载，各个整流器各个整流器的输出电流在小于的输出电流在小于5%5%范围之内，保证整流器的可靠性。这范围之内，保证整流器的可靠性。这个目的是以个目的是以单个整流器的额定输出电流为根据的，详细情况请看下面的单个整流器的额定输出电流为根据的，详细情况请看下面的例子。例子。五、通讯誉开关电源的根本要求3 3、组合开关电源柜均流阐明举例、组合开关电源柜均流阐明举例 例如

25、有一个通讯基站用的是一套例如有一个通讯基站用的是一套ZXDU300 V2.0ZXDU300 V2.0电源设备，电源设备，配置了配置了5 5个个整流器，负载运用的电流是整流器，负载运用的电流是30A30A。假设。假设5 5个整流器的输出电流个整流器的输出电流分别是：分别是：7.5A7.5A、6A6A、6A6A、7A7A、4.5A4.5A，那么按照规范情况该组合电源的，那么按照规范情况该组合电源的整流器均流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越是符合条件的，即电流最大和最小之间的相差不超越30A30A10103A3A最最大是大是7.5A7.5A，最小是，最小是4.5A4.5A，偏

26、离中心值，偏离中心值6A6A也符合要求。也符合要求。 假设这个基站设备的电流是假设这个基站设备的电流是3A3A，那么有能够出现某一个，那么有能够出现某一个整流器的输出整流器的输出电流电流3A3A，而其他整流器的输出电流很小，几乎为零。这种景，而其他整流器的输出电流很小，几乎为零。这种景象是正常现象是正常现象，按照规范计算符合要求。另外对这么小的电流，均流曾象，按照规范计算符合要求。另外对这么小的电流，均流曾经失去意经失去意义。义。 五、通讯誉开关电源的根本要求4 4、开关电源的维护功能、开关电源的维护功能 对于通讯设备运用的开关电源来说，需求有以下几个维对于通讯设备运用的开关电源来说，需求有以

27、下几个维护：输出过护：输出过压维护、过热维护、输出短路维护、限流功能、输入过欠压压维护、过热维护、输出短路维护、限流功能、输入过欠压维护。维护。输出过压维护输出过压维护 开关电源的输出电压普通不会超出正常范围，但是一旦开关电源的输出电压普通不会超出正常范围，但是一旦超出正常范超出正常范围，那么能够会对通讯设备呵斥损坏。所以开关电源整流器围，那么能够会对通讯设备呵斥损坏。所以开关电源整流器设有输出过设有输出过压维护，一旦输出电压超越设定值，那么开关电源会将输出压维护，一旦输出电压超越设定值，那么开关电源会将输出闭锁。此闭闭锁。此闭锁是不能自恢复的，需求断电重启才可以。锁是不能自恢复的，需求断电重

28、启才可以。五、通讯誉开关电源的根本要求4 4、开关电源的维护功能、开关电源的维护功能( (续续输入过欠压维护输入过欠压维护 输入过欠压维护指的是在交流电压过高或过低时封锁输入过欠压维护指的是在交流电压过高或过低时封锁电源输出，此关电源输出，此关闭是可以自动恢复的，一旦条件满足，开关电源会自动开场闭是可以自动恢复的，一旦条件满足，开关电源会自动开场任务的。过任务的。过压维护是防止在输入电压高的时候，因功率开关管任务，而压维护是防止在输入电压高的时候，因功率开关管任务，而引起其损引起其损坏；欠压维护是防止在输入电压低的时候，因输入电流过大，坏；欠压维护是防止在输入电压低的时候，因输入电流过大，而呵

29、斥输而呵斥输入器件整流桥、开关管、变压器经过电流超越额定值而入器件整流桥、开关管、变压器经过电流超越额定值而损坏，另外损坏，另外也是保证整流器任务在最正确形状。也是保证整流器任务在最正确形状。五、通讯誉开关电源的根本要求4 4、开关电源的维护功能续、开关电源的维护功能续限流维护限流维护 开关电源的限流是经过降低输出电压来实现的，这种维开关电源的限流是经过降低输出电压来实现的，这种维护电路普通设护电路普通设在开关电源的付边。其限流有两个方面的作用，一个方面就在开关电源的付边。其限流有两个方面的作用，一个方面就是保证开关是保证开关电源输出功率不超越额定值而损坏，提高可靠性开关电源电源输出功率不超越

30、额定值而损坏，提高可靠性开关电源的限流点为的限流点为输出额定电流的输出额定电流的110110；另外一方面就是在给蓄电池充电；另外一方面就是在给蓄电池充电时限流，确保时限流，确保不过充按照设定的限流值限流。不过充按照设定的限流值限流。短路维护短路维护 短路维护检测原边的电流，采用控制芯片自带的电流检短路维护检测原边的电流，采用控制芯片自带的电流检测电路来进测电路来进行，短路维护呼应速度快，采用的是逐脉冲限流方式，经过行，短路维护呼应速度快，采用的是逐脉冲限流方式，经过封锁开关管封锁开关管驱动脉冲来到达限流的目的。短路维护是开关电源必需具备驱动脉冲来到达限流的目的。短路维护是开关电源必需具备的最根

31、本。的最根本。 五、通讯誉开关电源的根本要求4 4、开关电源的维护功能续、开关电源的维护功能续过热维护过热维护Overheating protection)Overheating protection) 开关电源在任务时会产生一定的热量，假设这些热量释开关电源在任务时会产生一定的热量，假设这些热量释放不出去或没放不出去或没有到达发热和散热平衡，那么开关电源的内部的温度会上升。有到达发热和散热平衡，那么开关电源的内部的温度会上升。此时假设此时假设没有维护，那么会呵斥功率器件过热而损坏。我们的过热维没有维护，那么会呵斥功率器件过热而损坏。我们的过热维护是和冷却护是和冷却风扇配合起来的，当温度到达风扇配合起来的，当温度到达6565时将电源降半载任务，当时将电源降半载任务，当温度继续上温度继续上升到升到7575时整流器会封锁输出，这种维护是可以自恢复的。时整流器会封锁输出，这种维护是可以自恢复的。 当然过热维护并不能完全维护一切元器件，所以我们要当然过热维护并不能完全维护一切元器件，所以我们要尽量保证机房尽量保证机房环境温度在适宜范围内，确保通讯设备