开关电源技术__(复习).

1、2022-4-111复习：开关电源的内容复习：开关电源的内容一、一、 电源的重要性：电源的重要性： 一切设备需要电源；设备的更新，电源也跟随更新一切设备需要电源；设备的更新，电源也跟随更新 。 电源无法集成：电源无法集成： （1）电源的功率很大；）电源的功率很大； （2）不同的设备需要不同的电源，包括电压、电流、功率密度、）不同的设备需要不同的电源，包括电压、电流、功率密度、体积、效率、体积、效率、EMI等等。等等。 （3）变压器、电感、大的电解电容也无法集成。）变压器、电感、大的电解电容也无法集成。 （4）电源的功率大，损耗也很大，散热也是一个问题。）电源的功率大，损耗也很大，散热也是一个问

2、题。2022-4-112 1. 1. 了解开关电源的应用。了解开关电源的应用。 2. 2. 开关电源的结构（组成部分）。开关电源的结构（组成部分）。 3. 3. 元器件的选择元器件的选择MOSMOS管、二极管、电阻和电容管、二极管、电阻和电容 4. 4. 掌握拓扑结构的工作原理，能画出原理图。掌握拓扑结构的工作原理，能画出原理图。 5. 5. 磁性元器件（变压器和电感）的特性。磁性元器件（变压器和电感）的特性。 6. PWM6. PWM控制方法控制方法-UC3842-UC3842的应用。的应用。 7.7.电源输入级电路的介绍。电源输入级电路的介绍。 8. 8. 功率因数校正（功率因数校正（PF

3、CPFC）。）。 9.9.同步整流及其控制方法。同步整流及其控制方法。 10. 10. 用用UC3842UC3842控制的反激电路的工作原理，每个元器件在电路中的作控制的反激电路的工作原理，每个元器件在电路中的作用，每一部分电路的作用。用，每一部分电路的作用。 11. 11. 规格说明书规格说明书-IPS和和Test Plan。二、二、 开关电源的内容开关电源的内容 (知识点）知识点）2022-4-113二、二、 开关电源的内容开关电源的内容 (技能和能力）技能和能力） 1. 1. 学会分析电路工作原理。学会分析电路工作原理。 2. 2. 掌握调试电路的方法，明白每一步调试的作用。掌握调试电路

4、的方法，明白每一步调试的作用。 3. 3. 掌握测试电路的方法。掌握测试电路的方法。 4. 4. 学会如何分析电路故障和排除电路故障。学会如何分析电路故障和排除电路故障。 5. 5. 熟悉电路中元件布局的一些简单规则。熟悉电路中元件布局的一些简单规则。 2022-4-114 2、电源电路的结构框图和完整的电路图、电源电路的结构框图和完整的电路图 a. a. 离线式开关电源的结构框图：离线式开关电源的结构框图： direct-off-line switching power supply 功率因数功率因数校正校正EMIEMI滤波器滤波器隔离的隔离的降压电路降压电路 AC AC input inp

5、ut DC DC output output 隔离的隔离的降压电路降压电路或者或者BoostBoostBuckBuck变换器变换器 DC DC input input DC DC output output b. b. 模块开关电源的结构框图：模块开关电源的结构框图： module switching power supply 2022-4-115 离线式电源电路图离线式电源电路图模块电源电路图模块电源电路图1模块电源电路图模块电源电路图22022-4-116 3. 3. 功率器件之一：功率器件之一：MOSMOS管管 MOSMOS管的等效电路管的等效电路 （输入输出电容（输入输出电容 Cgs

6、CdsCgs Cds，反并联二极管），反并联二极管）2. MOS2. MOS管的三个工作区域条件管的三个工作区域条件MOSMOS管的参数：管的参数：RdsRds（onon），），Vds IdsVds Ids（与温度有关）（与温度有关） 功率损耗功率损耗等等MOSMOS管的驱动：三种驱动方法（管的驱动：三种驱动方法（MOSMOS管属于电压型控制器件，管属于电压型控制器件，GSGS之之间的电压来控制间的电压来控制D D、S S之间的导通情况。）之间的导通情况。）4. MOS4. MOS管的封装以及生产的公司管的封装以及生产的公司 HAT2140HAT2140的的datasheet1datashee

7、t1 STD5NM50T4STD5NM50T4的的datasheetdatasheet2022-4-117B. MOSB. MOS管的门极驱动电路：管的门极驱动电路： 1) 1) 直接驱动直接驱动V147 R1Q1IRF53020kR2D1D4D3电阻电阻R1R1的作用是限流和抑制的作用是限流和抑制寄生振荡，一般为寄生振荡，一般为10ohm10ohm到到100ohm100ohm，R2R2是为关断时提供放电是为关断时提供放电回路的；稳压二极管回路的；稳压二极管D1D1和和D2D2是保是保护护MOSMOS管的门极和源极；二极管管的门极和源极；二极管D3D3是加速是加速MOSMOS的关断。的关断。2

8、022-4-118 2) 2) 互补三极管驱动互补三极管驱动 电阻电阻R1R1和和R3R3的作用是限流和抑制寄生振荡，一般的作用是限流和抑制寄生振荡，一般为为10ohm10ohm到到100ohm100ohm，R2R2是为关断时提供放电回路的；二是为关断时提供放电回路的；二极管极管D1D1是加速是加速MOSMOS的关断。的关断。当当MOSMOS管的功率很大管的功率很大时，而时，而PWMPWM控制芯片输出控制芯片输出的的PWMPWM信号不足已驱动信号不足已驱动MOSMOS管时，加互补三极管来提管时，加互补三极管来提供较大的驱动电流来驱动供较大的驱动电流来驱动MOSMOS管。管。2022-4-119

9、 3)3) 耦合驱动（利用驱动变压器耦合驱动）耦合驱动（利用驱动变压器耦合驱动） 当驱动信号和功率当驱动信号和功率MOS管不共地或者管不共地或者MOS管的源极管的源极浮地的时候，比如浮地的时候，比如Buck变换器或者双管正激变换器中的变换器或者双管正激变换器中的MOS管，利用变压器进行耦合驱动。驱动变压器的作用：管，利用变压器进行耦合驱动。驱动变压器的作用：1. 解决驱动解决驱动MOS管浮地的问题；管浮地的问题；2. 减少干扰。减少干扰。2022-4-1110 4. 4. 拓扑结构拓扑结构1. 1. 拓扑结构的类型：非隔离：拓扑结构的类型：非隔离：Buck Buck 、BoostBoost和和

10、Buck-BoostBuck-Boost； 隔离的：隔离的：flybackflyback、forwardforward、half bridgehalf bridge、full bridgefull bridge、 push-pullpush-pull2. 2. 分析拓扑的工作原理（稳态分析）（分析拓扑的工作原理（稳态分析）（CCMCCM和和DCMDCM）：）：BuckBuck、Boost Boost 和和double forward double forward 等。等。2022-4-1111 降压式变换器（降压式变换器（Buck Converter）的介绍）的介绍 MOS MOS管；续流二极

11、管（管；续流二极管（freewheelfreewheel）D D；滤波电感；滤波电感L L； 滤波电容滤波电容C C；负载；负载R RL L。 1. Buck变换器的结构变换器的结构47 R212 Pulse(0 1 0 39.604n 39.604n 3.9604u 10u)V2L1470uR1D1D1N414848 V1Q1IRF530C1 Buck Buck变换器的结变换器的结构如右图所示：构如右图所示：2022-4-1112 2. Buck变换器的工作原理分析变换器的工作原理分析 BuckBuck变换器存在两种导电模式，即连续导电模式变换器存在两种导电模式，即连续导电模式CCM CCM

12、 (Continuous Conduction Mode)(Continuous Conduction Mode)和不连续导电模式和不连续导电模式DCM DCM (Discontinuous Conduction Mode)(Discontinuous Conduction Mode)。连续导电模式是。连续导电模式是指在一个周期内电感电流是连续的（两种开关模态指在一个周期内电感电流是连续的（两种开关模态a a和和b)b)；而不连续导电模式是指电感电流在一个周期内是断；而不连续导电模式是指电感电流在一个周期内是断续的也就是有一段时间电感电流为零续的也就是有一段时间电感电流为零( (三种开关模态三

13、种开关模态a a、b b 和和c)c)。 2022-4-111347 R212 Pulse(0 1 0 39.604n 39.604n 3.9604u 10u)V2L1470uR148 V1Q1IRF530C1D1D1N4148L1470uR1C1C1R1 (a) (b) (c) Buck Buck变换器工作在不同模态的等效电路变换器工作在不同模态的等效电路 2022-4-1114 Buck Buck变换器在连续模式和不连续模式的主要波形变换器在连续模式和不连续模式的主要波形 2022-4-1115讨论电感电流连续时变换器的讨论电感电流连续时变换器的工作原理工作原理( (稳态稳态）：）： 分析

14、之前作如下假设：分析之前作如下假设： （1 1） 所有有源器件所有有源器件Q Q和和D D导通和关断时间为零导通和关断时间为零。导通。导通时电压为零，关断时时电压为零，关断时漏电流漏电流为零。为零。 （2 2） 在一个开关周期中，滤波电容电压，即输出电在一个开关周期中，滤波电容电压，即输出电压压V Voutout，有，有很小纹波很小纹波( (电压）电压），但可认为基本保持不变，但可认为基本保持不变, ,其值为其值为V Vo o。 （3 3） 电感和电容均为电感和电容均为无损耗无损耗的储能元件。的储能元件。2022-4-1116 (1) (1) 模态模态1 01 0T Tonon 对应于图对应于

15、图 (a) (a) 在在t=0t=0时，时，Q1Q1导通，导通，V Vinin通过通过Q Q1 1 加到二极管加到二极管D D1 1 和输出滤和输出滤波电感波电感L Lf f 、输出滤波电容、输出滤波电容C Cf f上以及给负载供电，因此续上以及给负载供电，因此续流二极管流二极管D1D1截止，电源截止，电源V Vinin对电感对电感L Lf f充电，其电流充电，其电流i iLfLf线性线性上升，上升斜率为上升，上升斜率为 (V(Vinin-V-Vo o)/L)/Lf f。 在在t=Tont=Ton时，时，i iLfLf达到最大值达到最大值I ILfmaxLfmax。在。在Q Q导通期间，导通期

16、间，i iLfLf的增长量的增长量i iLfLf（+ +）= =syfinonfinTDLVVTLVV*002022-4-1117 (2) (2) 模态模态2 2 TonT Ts s 对应于图对应于图 (b) (b) 在在t=t=Ton时，时，Q1Q1关断，关断， iLf 通过二极管通过二极管D D1 1 继续流通。加继续流通。加在在L Lf f 上的电压为上的电压为-V-V0 0， iLf线性减小。线性减小。下降斜率为下降斜率为-V-Vo o/L/Lf f。 在在t=Tst=Ts时，时，i iLfLf达到最小值达到最小值I ILfminLfmin。在。在Q Q截止期间，截止期间，i iLfL

17、f的减小量的减小量i iLfLf（- -）= =syfonsfTDLVTTLV*)1 (*)(*00 在在t=t=Ts时，时，Q1Q1又导通，开始下一个开关周期。又导通，开始下一个开关周期。2022-4-1118 稳态工作时，电感电流稳态工作时，电感电流i iLfLf的波形为一个三角波，周的波形为一个三角波，周期性地在期性地在I ILfminLfmin到到I ILfmaxLfmax的范围内变化。的范围内变化。Q Q导通期间导通期间I ILfLf的增长的增长量等于它在量等于它在Q Q截止期间的减小量。即：截止期间的减小量。即：3. Buck3. Buck变换器的基本关系式变换器的基本关系式LfL

18、fLfiii)()(syfsyfinTDLVTDLVV*)1 (*00 由前面的分析可以得到：由前面的分析可以得到： 化简得到：化简得到：yinDVV02022-4-1119 稳态时，一个开关周期内输出滤波电容稳态时，一个开关周期内输出滤波电容C Cf f的平均充电的平均充电与放电电流为零，故变换器输出电流与放电电流为零，故变换器输出电流I I0 0就是就是i iLfLf的平均值，的平均值，即即2maxmin0LfLfIII 假定变换器的损耗为零，那么输出功率假定变换器的损耗为零，那么输出功率P P0 0=V=V0 0* *I I0 0等于等于输入功率输入功率P Pinin=V=Vinin*

19、*I Iinin ，即，即yiDII0 推导推导 I ILfmaxLfmax 和和 I ILfminLfmin2022-4-1120 电感电流最大值和最小值分别为：电感电流最大值和最小值分别为： 通过开关管通过开关管Q Q和二极管和二极管D D的平均电流为：的平均电流为：2022-4-1121 实际电容有损耗，即具有等效串联电阻实际电容有损耗，即具有等效串联电阻ESRESR，这时输出电，这时输出电压脉动的计算公式为：压脉动的计算公式为： 升压式变换器（升压式变换器（Boost Converter）的介绍）的介绍 MOS MOS管；升压二极管（管；升压二极管（step-upstep-up）D D

20、；滤波电感；滤波电感L L； 滤滤波电容波电容C C；负载；负载R RL L。 1. Boost 变换器的结构变换器的结构 Boost Boost变换器的变换器的结构如右图所结构如右图所示：示：47 R212 Pulse(0 1 0 39.604n 39.604n 3.9604u 10u)V2L1470uR1D1D1N414836 V1Q1IRF530C1 2. Boost变换器的工作原理分析变换器的工作原理分析 BoostBoost变换器存在两种导电模式，即连续导电模式变换器存在两种导电模式，即连续导电模式CCM (Continuous Conduction Mode)CCM (Contin

21、uous Conduction Mode)和不连续导电模和不连续导电模式式DCM (Discontinuous Conduction Mode)DCM (Discontinuous Conduction Mode)。连续导电。连续导电模式是指在一个周期内电感电流是连续的（两种开关模式是指在一个周期内电感电流是连续的（两种开关模态模态a a和和b)b)；而不连续导电模式是指电感电流在一个周；而不连续导电模式是指电感电流在一个周期内是断续的也就是有一段时间电感电流为零期内是断续的也就是有一段时间电感电流为零( (三种开三种开关模态关模态a a、b b 和和c)c)。 (a) (b) (c) Boo

22、st Boost变换器工作在不同模态的等效电路变换器工作在不同模态的等效电路 C2Q2IRF53036 V3R3L2470u12 Pulse(0 1 0 39.604n 39.604n 3.9604u 10u)V447 R4L3470uR5D2D1N414836 V5C3C2R3 Boost Boost变换器在连续模式和不连续模式的主要波变换器在连续模式和不连续模式的主要波形形 讨论电感电流连续时变换器的讨论电感电流连续时变换器的工作原理工作原理( (稳态稳态）：）： 分析之前作如下假设：分析之前作如下假设： （1 1） 所有有源器件所有有源器件Q Q和和D D导通和关断时间为零导通和关断时间

23、为零。导通。导通时电压为零，关断时时电压为零，关断时漏电流漏电流为零。为零。 （2 2） 在一个开关周期中，滤波电容电压，即输出电在一个开关周期中，滤波电容电压，即输出电压压V Voutout，有，有很小纹波很小纹波( (电压）电压），但可认为基本保持不变，但可认为基本保持不变, ,其值为其值为V Vo o。 （3 3） 电感和电容均为电感和电容均为无损耗无损耗的储能元件。的储能元件。 (1) (1) 模态模态1 01 0T Tonon 对应于图对应于图 (a) (a) 在在t=0t=0时，时，Q1Q1导通，导通，V Vinin通过通过Q Q1 1 升压电感升压电感L Lf f，其电流，其电流

24、i iLfLf线性上升，上升斜率为线性上升，上升斜率为 V Vinin/L/Lf f。负载由滤波电容。负载由滤波电容C Cf f供电。供电。 在在t=Tont=Ton时，时，i iLfLf达到最大值达到最大值I ILfmaxLfmax。在。在Q Q导通期间，导通期间，i iLfLf的增长量的增长量i iLfLf（+ +）= =syfinonfinTDLVTLV* (2) (2) 模态模态2 2 TonT Ts s 对应于图对应于图 (b) (b) 在在t=t=Ton时，时，Q1Q1关断，关断， iLf 通过二极管通过二极管D D向输出侧流动，向输出侧流动， 继续流通。电源和电感继续流通。电源和

25、电感L Lf f的储能向负载和电容的储能向负载和电容C Cf f转移，给转移，给C Cf f充电。此时加在充电。此时加在L Lf f上的电压为上的电压为V Vinin-V-V0 0，因为，因为V VininV200W200W 固定的导通时间，可变的固定的导通时间，可变的开光频率。峰值电流模式开光频率。峰值电流模式控制，适用于小和中等功控制，适用于小和中等功率输出的场合率输出的场合 200W200W，工，工作在临界模式作在临界模式 控制方法主要有两种：控制方法主要有两种：1. 1. 平均电流模式平均电流模式 2. 2. 峰值电流模式峰值电流模式 PFC 预调整器预调整器 CCM 和和 TM 式，

26、应该使用哪一种？式，应该使用哪一种？FF-CCMTMEMI 滤波器滤波器必须对通常占线路电流必须对通常占线路电流20-40%的的纹波电流进行滤波处理。纹波电流进行滤波处理。必须对高达线路电流必须对高达线路电流2倍的纹波电流进行滤倍的纹波电流进行滤波处理波处理升压电感器升压电感器电感通常较高，饱和电流较低，电感通常较高，饱和电流较低，铁芯和铜线功耗较低。铁芯和铜线功耗较低。电感通常较低，饱和电流较高，铁芯和铜线电感通常较低，饱和电流较高，铁芯和铜线功耗较高，功耗较高， 使用绞合线或多股导线使用绞合线或多股导线 。MOSFET管管传导功耗较低（电流形状因数较传导功耗较低（电流形状因数较好），电容和

27、开关功耗较大，升好），电容和开关功耗较大，升压二极管反向恢复还产生额外功压二极管反向恢复还产生额外功耗。耗。传导功耗较高（电流形状因数较差），只有传导功耗较高（电流形状因数较差），只有在线路电流很大时（在导通时失去在线路电流很大时（在导通时失去ZVS时）时）电容和开关功耗较大。电容和开关功耗较大。二极管二极管反向恢复特性是关键因素：二极反向恢复特性是关键因素：二极管本身和管本身和MOSFET都会产生额外都会产生额外功耗，功耗，EMI干扰较强。干扰较强。 VF电压和电压和传导功耗较高。传导功耗较高。无需反向恢复：没有额外功耗，无需反向恢复：没有额外功耗，EMI较低，较低，VF电压和传导功耗较低。

28、电压和传导功耗较低。控制控制平均电流模式平均电流模式:比较复杂，组件数比较复杂，组件数量多，控制量多，控制IC成本高成本高峰值电流模式峰值电流模式: 比较简单，组件数量少，控比较简单，组件数量少，控制制IC成本低廉。成本低廉。F结论结论: 如果如果Pout400-500W，肯定选择，肯定选择FF-CCM; 如果最大输出功率介于两者之间，那就需要你认真权衡（复杂）找出最佳的如果最大输出功率介于两者之间，那就需要你认真权衡（复杂）找出最佳的解决方案。解决方案。2022-4-1189 CCMCCM：平均电流模式控制，与：平均电流模式控制，与UCC3817UCC3817比较有如下优点：比较有如下优点：

29、芯片的引脚只有芯片的引脚只有8 8个，外围电路结构简单；个，外围电路结构简单；2. 2. 芯片内部结构中，没有乘法器，用一个电容就实现采芯片内部结构中，没有乘法器，用一个电容就实现采样电流的平均值。样电流的平均值。2022-4-1190ICE2PCS01G 的结构框图：的结构框图： ICE2PCS01GICE2PCS01G与与02G02G的区别：的区别：01G01G是可设置频率；是可设置频率；02G02G是固定频率的。是固定频率的。 2022-4-1191典型应用：典型应用： DatasheetDatasheet PFCPFC实际工程电路图实际工程电路图l启机和关机电压启机和关机电压lPF_enable and Load_enable