高频开关电源..

1、王丽琼2一、一、 概论概论将电网或电池的一次电能，转换为符合电子设备要求的二次电能，这样的变换设备便是电源。电源是一切电子设备的心脏，没有电源，电子设备就不可能工作。电源及开关电源电源及开关电源电源常用电源常用的连接方的连接方式式串联线性电源串联线性电源高频开关电源高频开关电源串联线性电源与开关电源的区分串联线性电源与开关电源的区分 串联线性电源：串联线性电源： 电源调整管工作在放大状态电源调整管工作在放大状态; ; 效率低，损耗大，温升高。效率低，损耗大，温升高。 开关电源：开关电源： 电源调整管工作在开关状态的电源电源调整管工作在开关状态的电源 ; ; 具有高功率密度、重量轻、体积小。具有

2、高功率密度、重量轻、体积小。 输入输入开关管开关管K负载负载 RL储能储能元件元件 开关电源开关电源模型图模型图输入输入电源调整管电源调整管负载负载RL 串联线性电源模型图串联线性电源模型图4开关电源的分类：开关电源的分类： 按变换方式可分为下列四大类：按变换方式可分为下列四大类：（1）：第一大类：）：第一大类：AC/DC开关电源；开关电源；（2）：第二大类：）：第二大类：DC/DC开关电源；开关电源；（3）：第三大类：）：第三大类：DC/AC开关电源；开关电源；（4）：第四大类：）：第四大类：AC/AC开关电源。开关电源。开关电源开关电源逆变器逆变器变频器变频器 按开关管和输出之间是否有变压

3、器隔离可分为下列两大按开关管和输出之间是否有变压器隔离可分为下列两大类：类：（1）：第一大类：无）：第一大类：无变压器的变压器的非隔离式；非隔离式；（2）：第二大类：有）：第二大类：有变压器的变压器的隔离式。隔离式。直流稳压电源 直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。传统直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。传统的稳压电源是采用的稳压电源是采用串联式线性转换方法串联式线性转换方法设计制作的。设计制作的。晶体管串联式线性稳压电源晶体管串联式线性稳压电源 直流稳压电源的发展 当今计算机及自动化设备上大多数控制电源都向低压大电流、当今计算机及自动化设备上大多数控制电源都向

4、低压大电流、高效率、重量轻、体积小的方向发展。在这种要求面前首先得到高效率、重量轻、体积小的方向发展。在这种要求面前首先得到发展的是晶体管串联式开关稳压电源。发展的是晶体管串联式开关稳压电源。 晶体管串联式开关稳压电源晶体管串联式开关稳压电源图中输入回路的作用是将交流输入电压整流滤波变为平滑的高图中输入回路的作用是将交流输入电压整流滤波变为平滑的高压直流电压；功率变换器的作用是将高压直流电压转换为频率大于压直流电压；功率变换器的作用是将高压直流电压转换为频率大于20KHZ的高频脉冲电压；整流滤波电路的作用是将高频的脉冲电压转的高频脉冲电压；整流滤波电路的作用是将高频的脉冲电压转换为稳定的直流输

5、出电压；开关电源控制器的作用是将输出直流电压换为稳定的直流输出电压；开关电源控制器的作用是将输出直流电压取样，来控制功率开关器件的驱动脉冲的宽度，从而调整开通时间以取样，来控制功率开关器件的驱动脉冲的宽度，从而调整开通时间以使输出电压可调且稳定。从框图中可见，由于高频变压器取代了笨重使输出电压可调且稳定。从框图中可见，由于高频变压器取代了笨重的工频（的工频（50HZ）变压器，从而使稳压电源的体积和重量大大减小。）变压器，从而使稳压电源的体积和重量大大减小。开关稳压电源的特点开关稳压电源的特点优点优点1.1.效率高。一般在效率高。一般在7 70 09 90%0%以上。以上。而相应的线性稳压电源的

6、效率仅有而相应的线性稳压电源的效率仅有50%左右。左右。 2.2.体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。 3.3.稳压范围广，一般交流输入稳压范围广，一般交流输入8080265265V V，负载作大幅度变化时，性负载作大幅度变化时，性能很好。能很好。 4.4.噪声低，声频在噪声低，声频在2020kHzkHz以上时，已是人耳听不到的超声波，而开关以上时，已是人耳听不到的超声波，而开关电源的工作频率一般都大于此频率；电源的工作频率一般都大于此频率； 5.5.性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到低压大电流、高压小电性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到

7、低压大电流、高压小电流；一个开关控制的一路输入可得到多路输出以及同号、反号等输流；一个开关控制的一路输入可得到多路输出以及同号、反号等输出；出； 6.6.电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算机、现代自动化控电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算机、现代自动化控制设备电源转换的需要，开关电源可在几十毫秒内保证仍有电压输制设备电源转换的需要，开关电源可在几十毫秒内保证仍有电压输出。出。 7.7.可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出现可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出现。 开关稳压电源的不足之处开关稳压电源的不足之处1.1.输出纹波较大，约有输出纹波较大，约有10

8、10100100mVmV的峰峰值；的峰峰值； 2.2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；3.3.控制电路比较复杂，对元器件要求高；控制电路比较复杂，对元器件要求高；4.动态响应时间至少要大于一个开关周期，不如串联式动态响应时间至少要大于一个开关周期，不如串联式晶体管线性稳压电源。晶体管线性稳压电源。 2.作用：双向滤波作用：双向滤波 避免电网供电线引入高频脉冲影响电子电路；避免电网供电线引入高频脉冲影响电子电路； 防止开关电源对电网造成污染防止开关电源对电网造成污染。S1C1L2220V市电市电 至整流滤波至整流滤波电路电路 FUC02进线

9、抗电磁干扰电路（进线抗电磁干扰电路（EMI）输入共轭滤波及整流输入共轭滤波及整流 1.电路组成：电路组成：由一个线圈和两个电容组成由一个线圈和两个电容组成EMI原理图原理图工作原理：工作原理： 对高频干扰信号而言，电容呈短路，而电对高频干扰信号而言，电容呈短路，而电感则呈开路。高频干扰被电容短路。感则呈开路。高频干扰被电容短路。 对对50Hz低频而言，电容呈开路，而电感则呈低频而言，电容呈开路，而电感则呈短路。因此，短路。因此，50Hz市电可以顺利通过。市电可以顺利通过。S1C1 0.1uL220V市电市电 至整流滤波至整流滤波电路电路 FUC2 0.1u FUS1C1L220V市电市电 至整

10、流滤波至整流滤波电路电路C2 由一个全桥（由四个二极管组成）由一个全桥（由四个二极管组成）和两个高压电解电容组成。把和两个高压电解电容组成。把220V交交流市电转换成流市电转换成400V左右的直流电。左右的直流电。高压整流滤波电路高压整流滤波电路1.电路组成：电路组成：单相桥式整流电路整流电路工作原理整流电路工作原理 当正半周时，二极管当正半周时，二极管D1、D3导通导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。在负载电阻上得到正弦波的正半周。 当负半周时二极管当负半周时二极管D2、D4导通导通，在，在负载电阻上得到正弦波的负半周。负载电阻上得到正弦波的负半周。 在负载电阻上正负半周经过合成，得到在负

11、载电阻上正负半周经过合成，得到的是的是同一个方向的单向脉动电压同一个方向的单向脉动电压。滤波电路滤波的基本概念：滤波的基本概念：利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。实现滤波。 电容器电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并应该并联在负载两端。联在负载两端。 电感器电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与应与负载串联。负载串联。 经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电

12、路改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。的脉动系数，改善了直流电压的质量。电容滤波电路电容滤波电路 单相桥式电容滤波整流电路。单相桥式电容滤波整流电路。在负载电阻上并联了一个滤波电容在负载电阻上并联了一个滤波电容C。当当v2到达到达90时时，v2开始开始下降。先假设二极管关断，下降。先假设二极管关断，电容电容C就要以指数规律向就要以指数规律向负载负载L放电。指数放电起放电。指数放电起始点的放电速率很大。始点的放电速率很大。滤波原理滤波原理 若电路处于正半周，二极管若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压导通，变压器次端电压v2给电容器给电容器C充电。

13、此时充电。此时C相当于并联在相当于并联在v2上，所以输出波形同上，所以输出波形同v2 ，是正弦形。是正弦形。 电容滤波波形图电容滤波波形图 所以，在所以，在t1到到t2时刻，二极管导电，时刻，二极管导电，充电，充电，vC=vL按正弦规律变化；按正弦规律变化；t2到到t3时刻二极管关断，时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线按指数曲线下降，放电时间常数为下降，放电时间常数为RLC。 在刚过在刚过90时时，正弦曲线下降，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过的速率很慢。所以刚过90时时二极管仍然导通。二极管仍然导通。在超过在超过90后的某个点后的某个点，正弦曲线下降的，正弦曲线下降的速率越来越快，二极管关

14、断。速率越来越快，二极管关断。 对于输入与输出电压之间不需隔离，只用一个工作开关管对于输入与输出电压之间不需隔离，只用一个工作开关管VTVT和和电感电感L L、二极管二极管D D、电容电容C C组成的变换器电路最基本的为如下三种，组成的变换器电路最基本的为如下三种，其原理电路如图其原理电路如图2.62.6所示。所示。（1 1）串联开关或降压）串联开关或降压变换器（变换器（buck converterbuck converter）（2 2）并联开关或升压并联开关或升压变换器（变换器（boost converterboost converter）（3 3）串串并联开关并联开关或降、升压变换器或降、

15、升压变换器（buck-boost converterbuck-boost converter）非非隔离式的隔离式的DCDC变换电路变换电路 非隔离式开关电源工作过程非隔离式开关电源工作过程调整输出电压的方法：调整输出电压的方法：tVitVktVoVitonTVoVkKR L电压电压 变换器变换器VO = Vi =D VitonT占空比占空比 只要改变开关脉冲的只要改变开关脉冲的“占空比占空比”，就可以改，就可以改变输出电压的高低。变输出电压的高低。 在具体电路中，可以使开关脉冲频率固定，在具体电路中，可以使开关脉冲频率固定，改变开关管导通时间改变开关管导通时间ton而改变输出电压高低。而改变输

16、出电压高低。这种电源称为这种电源称为“调宽式调宽式”开关电源。开关电源。PWM 也可以使开关管截止时间不变，只改变开关也可以使开关管截止时间不变，只改变开关管导通时间长短而改变输出电压高低。这种管导通时间长短而改变输出电压高低。这种电源称为电源称为“调频调宽调频调宽”式开关电源。式开关电源。PFM 电路中电路中VT为开关管，工作于开关状态（为开关管，工作于开关状态（VT饱和饱和导通时相当于一只接通的开关，导通时相当于一只接通的开关，VT截止时相当于截止时相当于一只断开的开关）。一只断开的开关）。 电感电感L和电容和电容C为储能元件。为储能元件。 RL为电源的负载。为电源的负载。 D为续流二极管

17、，它在开关管截止时导通，保证为续流二极管，它在开关管截止时导通，保证电感电感L中的电流不中断。中的电流不中断。串联型（串联型（Buck） 开关电源工作过程开关电源工作过程LVTDCR L串联型开关电源基本电路串联型开关电源基本电路高频变压器开关电源基本结构框图高频变压器开关电源基本结构框图共同特点共同特点: :具有具有高频变压器高频变压器, ,直流稳压是从变压器次级绕组的高频直流稳压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。脉冲电压整流滤波而来。变压器变压器原副方是隔离的原副方是隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。的高压直流。 变压器型

18、开关电源工作过程变压器型开关电源工作过程 开关电源原理示意图开关电源原理示意图输入电压输入电压U Uinin与导通比与导通比的对应关系的对应关系 00UUUin 由于输入电压最高时，相应的导通比是最小，输入电压最低由于输入电压最高时，相应的导通比是最小，输入电压最低时，相应的导通比是最大。因此，输入电压与导通比是时，相应的导通比是最大。因此，输入电压与导通比是一一对应一一对应，相互制约相互制约的。的。 运行中由于闭环调节，这种相互适应是自动的。但必须指出运行中由于闭环调节，这种相互适应是自动的。但必须指出的是，由控制电路振荡器和的是，由控制电路振荡器和PWMPWM门闩电路本身固有的最大最小导门

19、闩电路本身固有的最大最小导通比，一定要与运行条件所需的最大最小导通比不矛盾，否则就通比，一定要与运行条件所需的最大最小导通比不矛盾，否则就会失调会失调。PoffoninNNttUU20inLttinHttUUUmaxmaxminmin011 全桥式变换器的开关电源 全桥式变换器的工作波形全桥式变换器的工作波形开关电路的PWM控制原理 开关电源的开关电源的PWM控制原理可用图控制原理可用图3 3.1.1的电路说明。它的电路说明。它由开关管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放由开关管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等部分构成。大器和基准源等部分构成。 开关型稳压电源原理图开

20、关型稳压电源原理图PWM控制基本原理 三角波发生器通过比较器产生一个方波三角波发生器通过比较器产生一个方波vB，去控制开去控制开关管的通断。关管的通断。 开关管导通时，向电感充电。当开关管截止时，必开关管导通时，向电感充电。当开关管截止时，必须给电感中的电流提供一个泄放通路。须给电感中的电流提供一个泄放通路。续流二极管续流二极管D即可即可起到这个作用，保护开关管。起到这个作用，保护开关管。 为了稳定输出为了稳定输出电压，按电压负电压，按电压负反馈方式引入反反馈方式引入反馈。馈。 设输出电压增设输出电压增加，加，FVO增加，增加，比较放大器的输比较放大器的输出出Vf减小，比较减小，比较器方波输出

21、的器方波输出的toff增加，开关管导增加，开关管导通时间减小，输通时间减小，输出电压下降。起出电压下降。起到了稳压作用。到了稳压作用。 输 出 波 形输 出 波 形见见图图。开关。开关管发射极输管发射极输出电压出电压VE为为方波，由于方波，由于滤波电感的滤波电感的存在，使输存在，使输出电流出电流iL为锯为锯齿波，趋于齿波，趋于平滑。输出平滑。输出则为带纹波则为带纹波的直流电压。的直流电压。 开关电源波形图开关电源波形图qVTtVtVVTtVTtvTtvTVTttIonIonCESIoffDE0EO)(1+)(1d1d1=11 q q称为占空比称为占空比 方方波高电平的时间占波高电平的时间占整个

22、周期的百分比。整个周期的百分比。 忽略电感的直流电阻，输出电压忽略电感的直流电阻，输出电压VO即为即为vE的平均分量。的平均分量。于是有于是有在输入电压一定时，在输入电压一定时， 输出电压与占空比成正比。输出电压与占空比成正比。1开关管工作在开关状态，功耗大大降低，开关管工作在开关状态，功耗大大降低， 电源效率大为提高；电源效率大为提高；2开关管在开关状态下工作，为得到直流输出，开关管在开关状态下工作，为得到直流输出， 必须在输出端加滤波器；必须在输出端加滤波器；3可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值；可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值；4由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体 积可大大减小。积可大大减小。由以上分析可以得出如下结论：由以上分析可以得出如下结论：保护电路保护电