开关电源的基本概念和分析方法

1、什么是什么是Power Supply?Power Supply负载Vin, IinPower Supply是一种提供电力能源的设备，它可以将一种电力能源形式转换成另外一种电力能源形式，并能对其进行控制和调节。上级电能形式Vo, Io f, phasef, phase根据转换的形式分类: AD/DC, DC/DC, DC/AC, AC/AC根据转换的方法分类: 线性电源，相控电源，开关电源根据调控的效果分类: 稳压， 恒流， 调频，调相根据调控的方法分类: 传统反馈控制，矢量控制，数位控制什么是什么是Switching Mode Power Supply?有源开关有源开关(Switch)二极管二

2、极管(Diode)电感器电感器(Inductor)电容器电容器(Capacitor)电阻器电阻器(Resistor)开关电源开关电源(Switching Power)开关工作主动控制功率流向与流量单向导电被动控制功率流向以电流形式储能以电压形式储能不在功率回路中除出现线性电源线性电源 (Linear Power)线性工作控制功率流量单向导电被动控制滤波等辅助作用滤波等辅助作用消耗功率调节电压VinVoVinVoRRxVo=Vin*Rx/(R+Rx)Vo=?LCLCVo=Vin*DD基本电子元件在开关电源中所起的作用线性电源线性电源(Linear Power)开关电源开关电源 (Switchin

3、g Power)开关电源的基本元件：开关电源的基本元件：有源开关有源开关(Switch)二极管二极管(Diode)电感电感(Inductor)电容器电容器(Capacitor)变压器变压器(Transformer)+ u(t) -i(t)dttduCti)(1)(电容的基本方程电容的基本方程1. 当一电流流经电容当一电流流经电容, 电容两端的电压逐渐增加电容两端的电压逐渐增加, 并且电容量越大电流增加并且电容量越大电流增加越慢越慢.CItU CI+U- 2. 在稳态工作的开关电源中流经电容的电流对时间的积分为零。在稳态工作的开关电源中流经电容的电流对时间的积分为零。I+I-AB面积A=面积B+

4、 u(t) -i(t)dttdiLtu)()(电感的基本方程电感的基本方程1. 当一电感突然加上一个电压时当一电感突然加上一个电压时, 其中的电流逐渐增加其中的电流逐渐增加, 并且电感量越大电并且电感量越大电流增加越慢流增加越慢.2. 当一电感上的电流突然中断当一电感上的电流突然中断, 在其两端会产生一瞬时高压在其两端会产生一瞬时高压, 并且电感量越并且电感量越大该电压越高大该电压越高LUtI ULI+U-LItLIU电感的伏秒平衡原则：电感的伏秒平衡原则：dttdiLtu)()(u(t)i(t)V+V-t1t2LttVdttuLItt)()(10110t0)()(1201ttVttVII对稳

5、定状态IILttVdttuLItt)()(11221伏秒平衡原则伏秒平衡原则: 在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值.V+V-ABV+V-AB面积A=面积B分析开关电源中电容和电感的几条原则：分析开关电源中电容和电感的几条原则：电容两端的电压不能突变 (当电容足够大时,可认为其电压不变)。电感中的电流不能突变 (当电感足够大时,可认为其电流恒定不变)。流经电容的电流平均值在一个开关周期内为零。电感两端的伏秒积在一个开关周期内必须平衡。dttduCti)(1)(dttdiLtu)()(TUIL*TIUC*恒流充电恒压储能两个有用

6、的公式：两个有用的公式：C:L:Buck电路工作原理分析：电路工作原理分析：VinVoDLIoSSULILVin-Vo-VooIIoD1-DT根据L的伏秒平衡原则：(Vin-Vo)*DT=Vo*(1-D)TVo=Vin *DL*Io=Vo *(1-D)TIs根据L在1-D时间的基本方程：Io=Vo *(1-D)T/LBuck电路的输入输出关系：电路的输入输出关系：00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.10.20.30.40.50.60.70.80.9110Vo D()10DVo/Vin = DBoost电路工作原理分析：电路工作原理分析：VinVoLIoSSULILV

7、inVo-VinD1-DT根据L的伏秒平衡原则：Vin*DT=(Vo-Vin)*(1-D)TVin *T=(1-D)TVoIsDVo=Vin/(1-D)IDIo00.10.20.30.40.50.60.70.80.91012345678910101Vo D()10DVo/Vin =1/(1-D)Boost电路的输入输出关系：电路的输入输出关系：理想变压器的基本方程：理想变压器的基本方程：理想变压器模型：变压器绕组完全耦合1.变压器无气隙且磁芯的导磁率无穷大I1N1N2u1u2I2电压基本方程:dtdNu111N2N1dtdNu222212121NNuu电流基本方程:HdlINiiiBH 0ii

8、iIN1221NNII理想变压器个绕组的电压与匝数成正比，且同名端具有相同极性；各绕组电流与匝数乘积之和为零，即电流的变比与匝比成反比，且极性相反（点进点出原则）。实际变压器的分析方法：实际变压器的分析方法：变压器绕组不是完全耦合I1I1N2N112k21LkLmkkL2. 变压器有气隙或磁芯的导磁率有限0HdlINiiiI2Im当副边开路时I2=0mINHdl1Im即为原边电感Lm（副边不存在或开路时的电感）产生的电流，Lm称为激磁电感或励磁电感k可以认为是由原边串联的电感Lk产生,其大小为副边短路时原边所测得的电感量， Lk称为变压器的漏感。实际变压器的等效模型：实际变压器的等效模型：理想

9、变压器漏感Lk激磁电感Lm变压器的伏秒平衡原则变压器的伏秒平衡原则: 在稳态工作过程中变压器绕组两端的正伏在稳态工作过程中变压器绕组两端的正伏秒值等于负伏秒值秒值等于负伏秒值.V+V-ABV+V-AB面积A=面积B理想变压器的电路变换关系：理想变压器的电路变换关系：u1u2I2n:1I1Ru1I1Ru2=I2Ru1=nu2I1=I2/nR= u1/I1=(nu2)/(I2/n)=n2R电压电流电阻电容电感功率副边数值UIRCLP原边等校值nUI/nn2Rn2Cn2LPNs:Np=n:1正激变换器（正激变换器（Forward）工作原理分析：工作原理分析：Io(Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D

10、)Tn:n:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVin2VinTr根据电感的伏秒平衡：Vo=VinD/n根据变压器的伏秒平衡：VinDT=VinTrTr=DTTr (1-D)TD50%IL 根据电感的储能关系：LIL = (1-D)T*Vo IL = (1-D)T*Vo/L IpIL00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.10.20.30.40.50.60.70.80.9110Vo D()10D正激变换器的输入输出关系正激变换器的输入输出关系:Vo=VinD/n反激变换器（反激变换器（Flyback）工作原理分析：工作原理分析：IoVinVoGDSVgsIDVdsD1-DTIpVLIoVin-nVoLmVinVin+nV o根据变压器的伏秒平衡：DImn:1TDnVoDTVin)1 (*)1 (*DnDVinVo)1 (DVinnVoVinVdsVdsVoD,00.10.20.30.40.50.60.70.80.91012345678910100Vo D()Vds D()10D反激变换器的输入输出关系反激变换器的输入输出关系：)1 (*DnDVinVo)1 (DVinnVoVinVds小小 结结开关电源功率电路的五个基本元件