开关电源技术课件

1、2022/9/241复习：开关电源的内容一、 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 。 电源无法集成： （1）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、体积、效率、EMI等等。 （3）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。2022/9/241复习：开关电源的内容一、 电源的重要性：2022/9/242 1. 了解开关电源的应用。 2. 开关电源的结构（组成部分）。 3. 元器件的选择MOS管、二极管、电阻和电容 4. 掌握拓扑结构的工作原理，能画出原理图。 5. 磁性元器件（变压器和电

2、感）的特性。 6. PWM控制方法-UC3842的应用。 7.电源输入级电路的介绍。 8. 功率因数校正（PFC）。 9.同步整流及其控制方法。 10. 用UC3842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。 11. 规格说明书-IPS和Test Plan。二、 开关电源的内容 (知识点）2022/9/242 1. 了解开关电源的应用。二、 2022/9/243二、 开关电源的内容 (技能和能力） 1. 学会分析电路工作原理。 2. 掌握调试电路的方法，明白每一步调试的作用。 3. 掌握测试电路的方法。 4. 学会如何分析电路故障和排除电路故障。 5. 熟悉电路

3、中元件布局的一些简单规则。 2022/9/243二、 开关电源的内容 (技能和能力） 2022/9/244 2、电源电路的结构框图和完整的电路图 a. 离线式开关电源的结构框图： direct-off-line switching power supply 功率因数校正EMI滤波器隔离的降压电路 AC input DC output 隔离的降压电路或者BoostBuck变换器 DC input DC output b. 模块开关电源的结构框图： module switching power supply 2022/9/244 2、电源电路的结构框图和完整的电路图 2022/9/245 离线式电

4、源电路图模块电源电路图1模块电源电路图22022/9/245 离线式电源电路图模块电源电路图1模块电2022/9/246 3. 功率器件之一：MOS管 MOS管的等效电路 （输入输出电容 Cgs Cds，反并联二极管）2. MOS管的三个工作区域条件MOS管的参数：Rds（on），Vds Ids（与温度有关） 功率损耗等MOS管的驱动：三种驱动方法（MOS管属于电压型控制器件，GS之间的电压来控制D、S之间的导通情况。）4. MOS管的封装以及生产的公司 HAT2140的datasheet1 STD5NM50T4的datasheet2022/9/246 3. 功率器件之一：MOS管 2022/

5、9/247B. MOS管的门极驱动电路： 1) 直接驱动V147 R1Q1IRF53020kR2D1D4D3电阻R1的作用是限流和抑制寄生振荡，一般为10ohm到100ohm，R2是为关断时提供放电回路的；稳压二极管D1和D2是保护MOS管的门极和源极；二极管D3是加速MOS的关断。2022/9/247B. MOS管的门极驱动电路： V1472022/9/248 2) 互补三极管驱动 电阻R1和R3的作用是限流和抑制寄生振荡，一般为10ohm到100ohm，R2是为关断时提供放电回路的；二极管D1是加速MOS的关断。当MOS管的功率很大时，而PWM控制芯片输出的PWM信号不足已驱动MOS管时，

6、加互补三极管来提供较大的驱动电流来驱动MOS管。2022/9/248 2) 互补三极管驱动 电阻R12022/9/249 3) 耦合驱动（利用驱动变压器耦合驱动） 当驱动信号和功率MOS管不共地或者MOS管的源极浮地的时候，比如Buck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：1. 解决驱动MOS管浮地的问题；2. 减少干扰。2022/9/249 3) 耦合驱动（利用驱动变压器耦合驱2022/9/2410 4. 拓扑结构1. 拓扑结构的类型：非隔离：Buck 、Boost和Buck-Boost； 隔离的：flyback、forward、half bridg

7、e、full bridge、 push-pull2. 分析拓扑的工作原理（稳态分析）（CCM和DCM）：Buck、Boost 和double forward 等。2022/9/2410 4. 拓扑结构2022/9/2411 降压式变换器（Buck Converter）的介绍 MOS管；续流二极管（freewheel）D；滤波电感L； 滤波电容C；负载RL。 1. Buck变换器的结构 Buck变换器的结构如右图所示：2022/9/2411 降压式变换器（Buck Conver2022/9/2412 2. Buck变换器的工作原理分析 Buck变换器存在两种导电模式，即连续导电模式CCM (Co

8、ntinuous Conduction Mode)和不连续导电模式DCM (Discontinuous Conduction Mode)。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a和b)；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(三种开关模态a、b 和c)。 2022/9/2412 2. Buck变换器的工作原理分析2022/9/2413 (a) (b) (c) Buck变换器工作在不同模态的等效电路 2022/9/2413 2022/9/2414 Buck变换器在连续模式和不连续模式的主要波形 2022/9/2414 Buck变换器在连续

9、模式和不连续模式2022/9/2415讨论电感电流连续时变换器的工作原理(稳态）： 分析之前作如下假设： （1） 所有有源器件Q和D导通和关断时间为零。导通时电压为零，关断时漏电流为零。 （2） 在一个开关周期中，滤波电容电压，即输出电压Vout，有很小纹波(电压），但可认为基本保持不变,其值为Vo。 （3） 电感和电容均为无损耗的储能元件。2022/9/2415讨论电感电流连续时变换器的工作原理(稳2022/9/2416 (1) 模态1 0Ton 对应于图 (a) 在t=0时，Q1导通，Vin通过Q1 加到二极管D1 和输出滤波电感Lf 、输出滤波电容Cf上以及给负载供电，因此续流二极管D1

10、截止，电源Vin对电感Lf充电，其电流iLf线性上升，上升斜率为 (Vin-Vo)/Lf。 在t=Ton时，iLf达到最大值ILfmax。在Q导通期间，iLf的增长量iLf（+）=2022/9/2416 (1) 模态1 0Ton 2022/9/2417 (2) 模态2 TonTs 对应于图 (b) 在t=Ton时，Q1关断， iLf 通过二极管D1 继续流通。加在Lf 上的电压为-V0， iLf线性减小。下降斜率为-Vo/Lf。 在t=Ts时，iLf达到最小值ILfmin。在Q截止期间，iLf的减小量iLf（-）= 在t=Ts时，Q1又导通，开始下一个开关周期。2022/9/2417 (2)

11、模态2 TonTs 2022/9/2418 稳态工作时，电感电流iLf的波形为一个三角波，周期性地在ILfmin到ILfmax的范围内变化。Q导通期间ILf的增长量等于它在Q截止期间的减小量。即：3. Buck变换器的基本关系式 由前面的分析可以得到： 化简得到：2022/9/2418 稳态工作时，电感电2022/9/2419 稳态时，一个开关周期内输出滤波电容Cf的平均充电与放电电流为零，故变换器输出电流I0就是iLf的平均值，即 假定变换器的损耗为零，那么输出功率P0=V0*I0等于输入功率Pin=Vin*Iin ，即 推导 ILfmax 和 ILfmin2022/9/2419 稳态时，一

12、个开关周2022/9/2420 电感电流最大值和最小值分别为： 通过开关管Q和二极管D的平均电流为：2022/9/2420 电感电流最大值和最小值分别为： 通过2022/9/2421 实际电容有损耗，即具有等效串联电阻ESR，这时输出电压脉动的计算公式为：2022/9/2421 实际电容有损耗，即具有等效串联电阻E 升压式变换器（Boost Converter）的介绍 MOS管；升压二极管（step-up）D；滤波电感L； 滤波电容C；负载RL。 1. Boost 变换器的结构 Boost变换器的结构如右图所示： 升压式变换器（Boost Converter）的介绍 2. Boost变换器的工

13、作原理分析 Boost变换器存在两种导电模式，即连续导电模式CCM (Continuous Conduction Mode)和不连续导电模式DCM (Discontinuous Conduction Mode)。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a和b)；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(三种开关模态a、b 和c)。 2. Boost变换器的工作原理分析 Boost (a) (b) (c) Boost变换器工作在不同模态的等效电路 Boost变换器在连续模式和不连续模式的主要波形 Boost变换器在连续模式和不连续模式的主要波

14、形 讨论电感电流连续时变换器的工作原理(稳态）： 分析之前作如下假设： （1） 所有有源器件Q和D导通和关断时间为零。导通时电压为零，关断时漏电流为零。 （2） 在一个开关周期中，滤波电容电压，即输出电压Vout，有很小纹波(电压），但可认为基本保持不变,其值为Vo。 （3） 电感和电容均为无损耗的储能元件。讨论电感电流连续时变换器的工作原理(稳态）： 分析之前 (1) 模态1 0Ton 对应于图 (a) 在t=0时，Q1导通，Vin通过Q1 升压电感Lf，其电流iLf线性上升，上升斜率为 Vin/Lf。负载由滤波电容Cf供电。 在t=Ton时，iLf达到最大值ILfmax。在Q导通期间，iL

15、f的增长量iLf（+）= (1) 模态1 0Ton 对应于图 (a) (2) 模态2 TonTs 对应于图 (b) 在t=Ton时，Q1关断， iLf 通过二极管D向输出侧流动， 继续流通。电源和电感Lf的储能向负载和电容Cf转移，给Cf充电。此时加在Lf上的电压为Vin-V0，因为Vin200W 固定的导通时间，可变的开光频率。峰值电流模式控制，适用于小和中等功率输出的场合 200W，工作在临界模式PFC的控制方法 控制方法主要有两种：1. 平均电流模式 2. 峰值电流模式2022/9/2487ILIAC O PFC 预调整器 CCM 和 TM 式，应该使用哪一种？FF-CCMTMEMI 滤

16、波器必须对通常占线路电流20-40%的纹波电流进行滤波处理。必须对高达线路电流2倍的纹波电流进行滤波处理升压电感器电感通常较高，饱和电流较低，铁芯和铜线功耗较低。电感通常较低，饱和电流较高，铁芯和铜线功耗较高， 使用绞合线或多股导线 。MOSFET管传导功耗较低（电流形状因数较好），电容和开关功耗较大，升压二极管反向恢复还产生额外功耗。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ZVS时）电容和开关功耗较大。二极管反向恢复特性是关键因素：二极管本身和MOSFET都会产生额外功耗，EMI干扰较强。 VF电压和传导功耗较高。无需反向恢复：没有额外功耗，EMI较低，VF电压和

17、传导功耗较低。控制平均电流模式:比较复杂，组件数量多，控制IC成本高峰值电流模式: 比较简单，组件数量少，控制IC成本低廉。结论: 如果Pout400-500W，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）找出最佳的解决方案。 PFC 预调整器FF-CCMTMEMI 滤波器必须对通常占2022/9/2489PFC控制比较新的方法-逐周控制（cycle by cycle）ICE2PCS01G CCM：平均电流模式控制，与UCC3817比较有如下优点：芯片的引脚只有8个，外围电路结构简单；2. 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。202

18、2/9/2489PFC控制比较新的方法-逐周控制（2022/9/2490ICE2PCS01G 的结构框图： ICE2PCS01G与02G的区别：01G是可设置频率；02G是固定频率的。 2022/9/2490ICE2PCS01G 的结构框图： 2022/9/2491典型应用： Datasheet 2022/9/2491典型应用： DatashPFC模块电源实物PFC实际工程电路图PFC模块电源实物PFC实际工程电路图 PFC模块测试项目启机和关机电压PF_enable and Load_enable)输出电压的设置(300VDC到393VDC)负载-输入调整率(1%Vout)功率因数(PF)输入电流谐波(THD)效率温度的监测浪涌电流(Inrush Current) PFC模块测试项目启机和关机电压2022/9/2494UCC3817控制的PFC电路分析 分析电路的工作原理： 1、解读控制芯片的资料：UCC3817（引脚说明、功能及每个引脚的参数）；2、分析电路的工作原理，每个器件在电路中的作用；3