开关电源工作原理介绍(详细)

1、2022-3-26ChongQing JiaoTong University第二篇第二篇 电子新技术电子新技术&新产品新产品2022-3-26ChongQing JiaoTong University第三章第三章 开关电源开关电源第一节第一节 概述概述第三节第三节 工作原理（调宽式）工作原理（调宽式）第四节第四节 开关电源的分类开关电源的分类第五节第五节 开关电源与线性电源的比较开关电源与线性电源的比较第二节第二节 开关电源基础电路开关电源基础电路第六节第六节 开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原理 2022-3-26ChongQing JiaoTong University20

2、22-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University第三章第三章 开关电源开关电源绪论绪论2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University 开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止。将通与截止。将直流电转化为高频率的交流直流电转化为高频率的交流电提供给变压电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压！器进行变压，从而产生所需要的一组

3、或多组电压！第三章第三章 开关电源开关电源 转换为高频交流电的原因是高频交流在变压器变转换为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比压电路中的效率要比50Hz高很多。所以开关变压器可高很多。所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热！成本很低。如果以做的很小，而且工作时不是很热！成本很低。如果不将不将50Hz变为高频那开关电源就没有意义。变为高频那开关电源就没有意义。 第一节第一节 概述概述2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University开关电源基本构成框图开关电源基本构成

4、框图整整 流流滤滤 波波功率变换器功率变换器UinUout2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong UniversitymsVdtdUDC/52022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong Univ

5、ersity2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong

6、University2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University第三节第三节 工作原理：工作原理：（调宽式）（调宽式）1、输入和输出之间接开关调整管和储能电路。调整管周期性开、关，输入和输出之间接开关调整管和储能电路。调整管周期性开、关， 将能量输入储能电路，经均

7、衡滤波后成为电压输出，输出电压的大将能量输入储能电路，经均衡滤波后成为电压输出，输出电压的大 小，取决于调整管开关时间的长短。小，取决于调整管开关时间的长短。2、调整管的开关状态受脉冲电压的控制，脉冲电压则由方波发生电路调整管的开关状态受脉冲电压的控制，脉冲电压则由方波发生电路 产生，并经脉冲调宽电路调制后得到。产生，并经脉冲调宽电路调制后得到。3、取样比较电路将一部分输出电压和基准电压进行比较，当输出电压取样比较电路将一部分输出电压和基准电压进行比较，当输出电压 偏离正常值时，输出误差信号，对开关脉冲宽度进行调制。偏离正常值时，输出误差信号，对开关脉冲宽度进行调制。123例如：输出电压升高，

8、脉宽变窄（即占空比例如：输出电压升高，脉宽变窄（即占空比D减小），调整管开启减小），调整管开启时间缩短，输入储能电路的能量减小，输出电压降低。时间缩短，输入储能电路的能量减小，输出电压降低。 反之亦然。反之亦然。2022-3-26ChongQing JiaoTong University一个具体的开关一个具体的开关稳压电源工作原理：稳压电源工作原理：储能电路：储能电路：即续流滤波电路即续流滤波电路储能电路组成：储能电路组成：续流二极管续流二极管储能电感储能电感储能滤波电容储能滤波电容2022-3-26ChongQing JiaoTong University储能电路：储能电路：1、串联型：储能

9、电感、串联型：储能电感 和负载相串联和负载相串联、V饱和导通时，饱和导通时，VD截止，截止，UI经经V在在L中产生电流中产生电流iL向电容向电容C充电。充电。、V截止时，截止时， L中的电流不能突变，产生左负中的电流不能突变，产生左负右正右正 的自感电动的自感电动势，势，VD导通，续流电流导通，续流电流 iZ 向电容向电容C充电充电，将，将L中的磁能转换为电中的磁能转换为电 容容C中的电能。中的电能。总之，调整管总之，调整管V导通期间，导通期间，L储存磁能，并给电容储存磁能，并给电容C充电，同时向负载供电；充电，同时向负载供电；调整管调整管V截止期间，截止期间，L释放磁能，转变为释放磁能，转变

10、为C的电能，同时向负载供电。的电能，同时向负载供电。根据储能电感的连接方式可分为：根据储能电感的连接方式可分为：串联型并联型并联独立输出型串联型并联型并联独立输出型2022-3-26ChongQing JiaoTong University2、并联型：储能电感、并联型：储能电感 和负载相并联和负载相并联、V饱和导通时，饱和导通时，VD截止，截止，UI经经V在在L中产生电流中产生电流iL，L储能。储能。、V截止时，截止时， L中的电流不能突变，产生上负中的电流不能突变，产生上负 下下正正 的自感电动的自感电动势，势，VD导通，续流电流导通，续流电流iZ 向电容向电容C充电充电，将，将L中的磁能转

11、换为电中的磁能转换为电 容容C中的电能。中的电能。总之，调整管总之，调整管V导通期间，导通期间，L储存磁能，负载由电容储存磁能，负载由电容C供电；供电；调整管调整管V截止期间，截止期间，L释放磁能，转变为释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。的电能，同时向负载供电。并联型电路中，调整管承受的反峰电压为并联型电路中，调整管承受的反峰电压为2UI ，为串联型的两倍。，为串联型的两倍。2022-3-26ChongQing JiaoTong University3、并联独立输出型：通过续流电感的电磁耦合，实现隔离输出。、并联独立输出型：通过续流电感的电磁耦合，实现隔离输出。（电源输入端不使用变压器

12、、实现多种电压输出）（电源输入端不使用变压器、实现多种电压输出）应用最多的一种电路形式应用最多的一种电路形式三极管三极管V可使用功率场效应管可使用功率场效应管脉冲调宽、脉冲发生及误差信号的产生等可集成化例如脉冲调宽、脉冲发生及误差信号的产生等可集成化例如TOP221 TOP2272022-3-26ChongQing JiaoTong University1. 按激励方式分类按激励方式分类第四节第四节 开关电源的分类开关电源的分类2022-3-26ChongQing JiaoTong University2. 按控制原理按控制原理(调制方式调制方式)分类分类(1)脉宽调制型脉宽调制型(PWM)开

13、关电源开关电源(2)脉频调制型脉频调制型(PFM)开关电源开关电源(3)混合型开关电源混合型开关电源(4)脉冲密度调制型脉冲密度调制型(PDM)开关电源开关电源脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压。稳压。2022-3-26ChongQing JiaoTong University3. 按功率开关管的类型分类按功率开关管的类型分类(1)晶体管型开关电源晶体管型开关电源 (GTR)(2)晶闸管型开关电源晶闸管型开关电源(3)MOSFET型开关电源型开关电源(4)IGBT型开关电源型开关电源2022-3-26ChongQing JiaoTong Univers

14、ity串联型：串联型： 储能电感和负载相串联储能电感和负载相串联 V饱和导通时，饱和导通时，VD截止，截止，UI经经V在在L中产生电流中产生电流iL向电容向电容C充电。充电。 V截止时，截止时， L中的电流不能突变，产生左负中的电流不能突变，产生左负右正右正 的自感电动的自感电动势，势，VD导通，续流电流导通，续流电流 iZ 向电容向电容C充电充电，将，将L中的磁能转换为电中的磁能转换为电 容容C中的电能。中的电能。总之，调整管总之，调整管V导通期间，导通期间，L储存磁能，并给电容储存磁能，并给电容C充电，同时向负载供电；充电，同时向负载供电；调整管调整管V截止期间，截止期间，L释放磁能，转变

15、为释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。的电能，同时向负载供电。4. 按储能电感的连接方式分类按储能电感的连接方式分类串联型并联型并联独立输出型串联型并联型并联独立输出型2022-3-26ChongQing JiaoTong University(2)、并联型：、并联型： 储能电感和负载相并联储能电感和负载相并联 V饱和导通时，饱和导通时，VD截止，截止，UI经经V在在L中产生电流中产生电流iL，L储能。储能。 V截止时，截止时， L中的电流不能突变，产生上负中的电流不能突变，产生上负下下正正 的自感电动的自感电动势，势，VD导通，续流电流导通，续流电流iZ 向电容向电容C充电充电，将，将

16、L中的磁能转换为电中的磁能转换为电 容容C中的电能。中的电能。总之，调整管总之，调整管V导通期间，导通期间，L储存磁能，负载由电容储存磁能，负载由电容C供电；供电；调整管调整管V截止期间，截止期间，L释放磁能，转变为释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。的电能，同时向负载供电。4. 按储能电感的连接方式分类按储能电感的连接方式分类2022-3-26ChongQing JiaoTong University(3) 并联独立输出型：通过续流电感的电磁耦合，实现隔离并联独立输出型：通过续流电感的电磁耦合，实现隔离输出。输出。（电源输入端不使用变压器、实现多种电压输出）（电源输入端不使用变压器、实

17、现多种电压输出）应用最多的一种电路形式应用最多的一种电路形式三极管三极管V可使用功率场效应管可使用功率场效应管脉冲调宽、脉冲发生及误差信号的产生等可集成化例如脉冲调宽、脉冲发生及误差信号的产生等可集成化例如TOP221 TOP2274. 按储能电感的连接方式分类按储能电感的连接方式分类2022-3-26ChongQing JiaoTong University5. 按功率开关管的连接方式分类按功率开关管的连接方式分类(1)单端正激式单端正激式(2)单端反激式单端反激式(3)推挽式推挽式(4)半桥式半桥式(5)全桥式全桥式2022-3-26ChongQing JiaoTong Universit

18、yT1+_Uin+_UoutRL+R2R1C2V2W1W2V3iLC1W1V4R3V12022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University+_+_+UinUoutV2iRLIoLoV3V4iLW2TCV1W1”W1i12022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University(3)推挽式推挽式2022-3-26ChongQing

19、 JiaoTong University(4)全桥式全桥式2022-3-26ChongQing JiaoTong University+V3V4V1V2V7V8V5V6LVinVout(4)全桥式全桥式2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University(5)半桥式半桥式2022-3-26ChongQing JiaoTong University(5)半桥式半桥式+C1C2V1V2V4V4LVinVoutUa2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3

20、-26ChongQing JiaoTong University6. 按输入和输出电压的大小分类按输入和输出电压的大小分类(1)升压式开关电源升压式开关电源(2)降压式开关电源降压式开关电源(3)输出极性反转式开关电源输出极性反转式开关电源2022-3-26ChongQing JiaoTong University7. 按工作方式分类按工作方式分类(1)可控硅整流型开关电源可控硅整流型开关电源(2)斩波型开关电源斩波型开关电源(3)隔离型开关电源隔离型开关电源8. 按电路结构分类按电路结构分类(1)分立式开关电源分立式开关电源(2)集成式开关电源集成式开关电源2022-3-26ChongQin

21、g JiaoTong University第五节第五节 开关电源与线性电源的比较开关电源与线性电源的比较 一、开关稳压电源的特点一、开关稳压电源的特点 1. 开关稳压电源的优点开关稳压电源的优点(1) 功耗小，转换效率高；功耗小，转换效率高；(2) 体积小，重量轻；体积小，重量轻；(3) 稳压范围宽；稳压范围宽；(4) 滤波电容小；滤波电容小；(5) 电路形式灵活多样。电路形式灵活多样。2. 开关稳压电源的缺点开关稳压电源的缺点(1)电压调整率和负载调整率较差；电压调整率和负载调整率较差；(2)存在较严重的开关噪声和干扰；存在较严重的开关噪声和干扰；(3)电路复杂，不便于维修。电路复杂，不便于

22、维修。2022-3-26ChongQing JiaoTong University二、开关电源与线性电源的比较二、开关电源与线性电源的比较第五节第五节 开关电源与线性电源的比较开关电源与线性电源的比较 2022-3-26ChongQing JiaoTong University第六节第六节 开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原理 一、开关电源的工作方式一、开关电源的工作方式 (调制方式调制方式)(1)脉宽调制型脉宽调制型(PWM)开关电源开关电源(2)脉频调制型脉频调制型(PFM)开关电源开关电源(3)混合调制型混合调制型(PWM+PFM)开关电源开关电源(4)脉冲密度调制型脉冲密度调制

23、型(PDM)开关电源开关电源脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压。脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压。2022-3-26ChongQing JiaoTong University二、脉宽调制控制器的基本原理二、脉宽调制控制器的基本原理第六节第六节 开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原理 2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong University2022-3-26ChongQing JiaoTong Univer

24、sity二、脉宽调制控制器的基本原理二、脉宽调制控制器的基本原理1.降压型开关稳压电源的降压型开关稳压电源的PWM控制控制(1).开关管开关管V的导通期内，储能电感中的导通期内，储能电感中 电流的最大变化量为电流的最大变化量为(2).开关管开关管V的截止期内，储能电感中的截止期内，储能电感中 电流的最大变化量为电流的最大变化量为(3).开关管开关管V导通期与截止期能量转换的条件：导通期与截止期能量转换的条件：OFFOLtLUI2maxONOiLtLUUI1maxOFFOONOitLUtLUUiONiiOFFONONOUTtUDUtttU即第六节第六节 开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原

25、理 2022-3-26ChongQing JiaoTong University2.升压型开关稳压电源的升压型开关稳压电源的PWM控制控制(1).开关管开关管V的导通期内，储能电感中的导通期内，储能电感中 电流的变化量为电流的变化量为(2).开关管开关管V的截止期内，储能电感中的截止期内，储能电感中 电流的变化量为电流的变化量为(3).开关管开关管V导通期与截止期能量转换的条件：导通期与截止期能量转换的条件：OFFdOiLtLUUUI2ONiLtLUI1OFFdOiONitLUUUtLU1(1)1ONOiiOFFtUUUDtD二、脉宽调制控制器的基本原理二、脉宽调制控制器的基本原理2022-3-26ChongQing JiaoTong University(1).开关管开关管V的导通期内，电感储存的的导通期内，电感储存的能量：能量：(2).开关管开关管V的截止期内，电感中的能量的截止期内，电感中的能量传给负载：传给负载： 3.极性反转型开关稳压电源的极性反转型开关稳压电源的PWM控制控制结论：结论：.UO与与Ui极性相反极性相反 .改变改变D可改变可改变UO，稳定，稳定D可稳定可稳定UO.D1-D时，即时，即D0