开关电源技术 (复习)课件

2023/1/171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。2023/1/1721.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TestPlan。二、开关电源的内容(知识点）2023/1/173二、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.熟悉电路中元件布局的一些简单规则。2023/1/175

离线式电源电路图模块电源电路图1模块电源电路图22023/1/176

3.功率器件之一：MOS管

MOS管的等效电路（输入输出电容CgsCds，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），VdsIds（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datasheet2023/1/177B.MOS管的门极驱动电路：

1)直接驱动

V147R1Q1IRF53020kR2D1D4D3

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。2023/1/179

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。2023/1/1710

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、halfbridge、fullbridge、push-pull2.分析拓扑的工作原理（稳态分析）（CCM和DCM）：Buck、Boost和doubleforward等。2023/1/1711

降压式变换器（BuckConverter）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：2023/1/1713

(a)

(b)

(c)

Buck变换器工作在不同模态的等效电路2023/1/1714Buck变换器在连续模式和不连续模式的主要波形2023/1/1715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。2023/1/1717(2)

模态2[Ton—Ts][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ΔiLf（-）=

在t=Ts时，Q1又导通，开始下一个开关周期。2023/1/1718

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：2023/1/1719

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ILfmin2023/1/1721

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：

升压式变换器（BoostConverter）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：

2.Boost变换器的工作原理分析

Boost变换器存在两种导电模式，即连续导电模式CCM(ContinuousConductionMode)和不连续导电模式DCM(DiscontinuousConductionMode)。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)。

Boost变换器在连续模式和不连续模式的主要波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。(1)

模态1[0—Ton][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，iLf的增长量ΔiLf（+）=

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.Boost变换器的基本关系式

由前面的分析可以得到：

化简得到：

在一个开关周期中，电感Lf都有一个储能和能量通过D的释放过程，也就是说必然有能量送到负载端。因此，如果该变换器没有接负载，则这部分能量不能消耗掉，必会使V0不断升高，最后使变换器损坏。这是Boost变换器与Buck变换器的本质不同点。

若Boost变换器的损耗可忽略，则有

式中，I0和Ii分别为变换器输出电流和输入电流平均值。通过D的电流平均值ID等于负载电流I0

。

通过Q的电流平均值IQ为：

通过Q和D的电流最大值与电感电流最大值相等。

Q和D分别截止时加在它们上的电压均为输出电压V0。2023/1/1732

学习网址

2023/1/1733反激式变换器（FlybackConverter）的介绍

反激变换中变压器有两个绕组：原边绕组W1和副边绕组W2，两绕组要紧密耦合。反激式变换器的电路图如下图所示：2023/1/1734原边副边W1W2+-Vout1.反激式变换器的拓扑结构/电路图

图中绕组符号标有“***”号的一端，表示变压器各绕组的同名端，也就是该绕组的始端。

Flyback变换器由于电路简洁，所用元器件少，适合多路输出。2023/1/1735

2.和Boost、Buck变换器一样，Flyback变换器也有电流连续和断续两种工作方式。对Flyback变换器来说，电流连续是指变压器两个绕组的合成安匝在一个开关周期中不为零，而电流断续是指合成安匝在Q截止期间有一段时间为零。图中a、b、c给出了变换器在不同开关模态下的等效电路图。

(a)Q导通

(b)Q关断

(C)Q关断，电流断续

2023/1/1736

3.

反激变换器的工作原理分析下面讨论flyback工作在电流连续模式下的工作原理：

2023/1/17374.基本关系式

稳态工作时，Q1导通期间磁通Ø增长量等于它在截止期间磁通Ø的减小量。即：

Vin/W1*D*Ts=Vo/W2*(1-D)*Ts，则Vo=Vin/K12*D/(1-D).式中，K12=W1/W2是原边与副边绕组的匝比。

2023/1/1738

作业

画出Buck、Boost、双管正激、反激变换器的拓扑结构，并列出输入和输出电压之间的关系式。2023/1/17395.磁性元器件（变压器和电感）的特性2023/1/1740第二部分：控制电路的介绍PartⅡ：ControlCircuitIntroduction

控制电路的作用：1.对输出电压进行采样，稳定所需要的输出电压；

2.设置电路工作的频率。

3.保护功能：如OCP、OVP、OTP等。

4.实现电路中其他的一些功能：如控制LED指示灯的颜色：正常工作时灯的颜色，报警时灯的颜色。6.PWM（或PFM）控制方法--UC3842的应用（PFC芯片）2023/1/1741控制芯片通常有两种工作方式：1.PWM；2.PFMPWM控制方式主要用在DC-DC变换器和PFC变换器中。而PFM主要用在功率因数校正（PFC）和谐振变换器中，如谐振半桥（Half-bridgeLLCresonantconverter）。

本课程主要讲述电流模式的PWM控制方法：最基本的特点：频率不变（fs)，调制脉冲宽度。2023/1/1742

电流模式PWM控制方法

电流模式PWM控制器电路有两个控制环：外环检测输出电压并提供一个误差信号给内环；内环比较误差信号与电感电流，决定关断功率开关管的时刻。最终结果是改变脉冲宽度，达到输出电压稳定。以UC384X系列为例讲解电流模式的PWM控制方法

Datasheet见UC3842.pdf文档

2023/1/1743UC384X系列的结构框图VFB检测输出电压–电压误差放大器

比较器---电压误差放大器的输出与检测电感电流的大小进行比较，输出PWM波去控制MOS的导通与关断。升压式电源电路图如下图：

检测电感电流2023/1/1745UC384X系列PWM控制芯片，首先要掌握以下几个知识要点：1.每个的引脚的名称；2.每个引脚的作用，以及它在电路中的连接；3.弄懂一些简单的曲线图（参数之间的函数关系）比如振荡频率与RT、CT之间的关系。

2023/1/1746VFBG1(S)G2(S)H(S)VrefVout

-

+

开关电源控制环路的结构框图2023/1/1747

PWM控制芯片UC3842的介绍PinConnection---脚分布（脚连接）Minidip/SO8-----封装2023/1/1748引脚功能描述1补偿误差放大器的输出，可用于环路补偿2电压反馈误差放大器的反相输入端，通过一个电阻分压器连接到输出端3电流取样一个正比于电感电流的电压接至此输入端，PWM用此信息停止开关管的导通2023/1/17494RT/CT通过连接RT到Vref和电容CT到地使振荡器频率和最大占空比可调，输出频率可达到500KHz。5地此管脚是控制电路和功率电路公共的地。6输出输出可直接驱动功率MOS管的门极，高达1A峰值电流经过此引脚拉和灌。7Vcc此引脚是控制IC的正电源（工作电压）8Vref该管脚是参考输出（基准电压输出）它通过RT给CT提供充电电流。2023/1/1750

启动电压X842B/4B/3B/5B的差别：

最小的工作电压

最大占空比、开关频率与振荡频率最大占空比fs开关频率UC3842/4396%振荡频率foscUC3844/4548%1/2fosc2023/1/1751

振荡电阻和振荡频率之间的关系

振荡电阻与最大占空比之间的关系（CT固定）2023/1/1752

振荡器和输出波形

电阻和电容的值决定最大占空比2023/1/1753

欠电压锁定（Vcc）

迟滞（hysteresis）2023/1/1754

电流检测电路2023/1/1755

隔离MOS管驱动和电流变压器检测

隔离MOS管驱动

电流变压器检测

电流变压器的基本知识2023/1/1756

关闭----IC停止工作（通过Pin1实现保护功能）

高电平----IC停止工作；低电平----IC正常工作2023/1/1757

误差放大器的补偿

采样电阻—电阻分压器

补偿网络

补偿网络的作用及测试（相角裕度和幅值裕度）（1）稳定输出电压；（2）改善动态响应。2023/1/1758

外部时钟同步

外部时钟同步:UC3842工作的频率与另外一个UC3842工作的频率相一致。2023/1/1759Soft-Start————

软启动通过1Mohm电阻给C充电，实现软启动，二极管起箝位作用。电容电压逐渐增加，Pin1的电压逐渐增加，占空比逐渐增加。积分电路或者微分电路？2023/1/1760（7）Vcc---芯片的工作电压启动电压16V/启动电流0.3mA---启动电路如右图：工作电压12V/工作电流12mA---工作电压由变压器的辅助绕组来提供。2023/1/1761UC3842与UCC2800的比较：

Pin兼容，每一个引脚的功能和作用一样。替代品：primarypart和secondpart

（secondsource）首要的元件替代的元件比如：电阻（KOAPHYCOMP）和电容（AVXTHDVishay）2023/1/1762

7、同步整流

为什么要采用同步整流？

电源输出1.8V/50A。用肖特基二极管进行整流，而肖特基二极管的正向压降一般为0.3v。副边电路二极管的损耗：0.3*50=15W，而输出才90W。损耗占副边总的功率为：15/(15+90)=14.3%。因此，必须采用同步整流技术，用MOS管来替代二极管。2023/1/1763

副边整流输出电路（二极管整流）如下：

两个二极管总的功率损耗近似：P=I*U=0.67*120=80.4WVf增加，增大D，保持Vout不变。增大D会影响电路的其它性能。由于上述原因，二极管的压降大，引入了同步整流技术。2023/1/1764

如：二极管43CTQ的部分数据资料如下：MOS管HAT2165的部分数据资料如下：

两个MOS管并联2023/1/1765副边输出同步整流电路如下：2023/1/1766

一、同步整流技术的意义：

集成电路工作电压的不断降低对其供电电源（主要是DC-DC整流模块）提出了新的要求。

1.用肖特基二极管进行整流，而肖特基二极管的正向压降一般为0.3v，若输出电压降低到2v以下，仅损耗在肖特基管的正向导通压降上的功率就相当于电源模块输出功率的10%以上。因此，要想取得较高的功率密度几乎是不可能的。

2.同步整流技术采用同步整流管来代替肖特基二极管进行输出整流，解决了因二极管正向压降引起的功率损耗问题，使得输出整流的损耗减少到最小，大大提高了低压大电流DC-DC整流模块的效率。2023/1/1767

二、同步整流管的datasheet分析同步整流管与普通的功率MOS管工作原理一样，只是参数上有点差别，驱动电压也有点差别而已，具体可以参考MOS管的datasheet。

HAT2165的datasheet

IRFP460的datasheet2023/1/1768

同步整流技术的核心问题是同步整流管的驱动问题，根据同步整流管的驱动信号来源，可以将同步整流管的驱动方式分为外部驱动式（controllerdriven）和自驱动式（self－driven），相对于自驱动方式，外部驱动方式不仅需要额外的器件，增加电路的复杂性，提高电路的成本，而且其对于电路效率的贡献也很少，因此在实际的电路中很少采用外部驱动方法。

三、副边同步整流管的驱动技术分析与研究

在2000年的APEC上，电压驱动同步整流技术出现了很大的发展和提高，有人提出了栅极电荷保持技术(Gatechargeretention)和栅极电荷转换技术(Gatechargecommutation)技术，较好地解决了电压驱动的死区问题。下面将就两种方法进行详细的分析，并对他们应用于有源箝位同步整流正激变换器的可行性进行探讨。2023/1/17691.栅极电荷转换技术(Gatechargecommutation)栅极电荷转换技术的原理

该技术的电路简单，只需要一个附加的绕组，充分利用了同步整流管的门-源电容。两个二极管在此的作用是用来箝位SR门源电压。当不接这两个二极管时，SR开通时的驱动电压为附加绕组上电压的一半，关断后门源电压为相应的负值，很明显这将加大SR的驱动损耗，当接了两个二极管后，SR开通时的驱动电压为附加绕组上的电压，并且在SR关断后，门源电压箝位为-0.7左右，可以大大减少驱动损耗。这个技术有两个优点：第一，因为一个SR管门极电容的放电荷被利用来给另外一个SR管门极充电，减少了损耗；第二，当变压器附加绕组上电压为零时，两个SR管仍然能够导通。下面将分析绕组电压为零时段的工作过程。

2023/1/1770如图4-4所示，在时刻t1之前，变压器辅助绕组电压为Vaux=V，t1时刻之后，Vaux=0必然对应Cgs1放电，对Cgs2充电，如果不考虑充放电过程中的损耗，则两个电容的充放电电荷量相等。则Vgs1=Vgs2。同理，在t3-t4时段可以得到：Vgs1=Vgs2

由此可见，在变压器绕组电压为零时段内，两个同步整流管上的电压近似等于辅助绕组电压幅值的一半，这说明只要足够的大，两个同步整流管能够同时导通，从而避免了同步整流管体二极管导通的问题。2023/1/1771仿真电路

仿真结果：同步整流管驱动波形栅极电荷转换技术应用在半桥变换器中2023/1/1772

2.栅极电荷保持技术(Gatechargeretention)栅极电荷保持技术的原理

如图上图所示，在t1时刻以前，辅助开关管Sa是导通的，Cgs上的电荷通过辅助管Sa释放掉，开关管S上的没有驱动电压。t1时刻，辅助管关断，开关管S上出现正的驱动电压，这个电压通过二极管对Cgs充电，开关管S导通。在t2时刻，当开关管S上的驱动电压消失，(比如正激变换器中变压器磁复位结束)。此时，辅助开关管仍然处于关断状态，二极管D1由于承受反向电压而截止。开关管S导通直到t3时刻。当Sa驱动信号到来时，才截止。

应用实例：变压器绕组来驱动同步整流管22023/1/1773

四、副边同步整流驱动方式

1.驱动芯片来驱动同步整流管

2.用变压器绕组来驱动同步整流管13.用变压器绕组来驱动同步整流管22023/1/17748、功率因数校正（PFC）1、为什么采用功率因数校正？2、Boost功率因数校正的原理。3、控制芯片类型（CCM和CRM模式）4、电路图的分析。2023/1/1775为什么要用功率因数校正及其方法

从220V交流电网经整流供给直流是电力电子及电子仪器中应用极为广泛的一种基本变流方案。例如离线式开关电源的输入端，AC电源经全波整流后，一般接一个大电容，如图下图所示：2023/1/1776

输入电流和电压波形如下图所示，输入交流电压Vi是正弦的，但是交流电流ii波形却严重畸变，呈脉冲状。

由此可见，大量应用整流电路，要求电网供给严重畸变的非正弦电流，造成严重的后果，谐波电流对电网有危害作用，并且输入端功率因数下降。2023/1/1777谐波电流对电网的危害

脉冲状的输入电流，含有大量谐波。右图给出了输入电流波形及电流谐波频谱分析，其中电流的三次谐波分量达77.5%，五次谐波分量达50.3%，……总的谐波分量（或称总谐波畸变TotalHarmonicDistortion，用THD表示）为95.6%，输入端功率因数仅有0.683，非常的低。输入电流波形及其谐波分量频谱分析2023/1/1778

欧盟已经通过IEC555、EN61000-3-2等标准。这些标准实际上限制了各类电源系统的谐波含量。综上所述，功率因数校正则是满足这些要求的手段。功率因数校正：采用适当的电路，减小输入电流的谐波含量，使输入电流接近于正弦波；提高输入端的功率因数

提高AC-DC电路输入端功率因数和减小输入电流谐波的主要方法有以下两种：2023/1/1779

1.无源功率因数校正

在整流器和电容之间串联一个滤波电感（如课本图3-6），或者交流侧接入谐振滤波器。LC谐振整流滤波电路如下图所示：

主要优点：简单、成本低、可靠性高

。

主要缺点：尺寸、重量大，难以得到高的功率因数工作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关，电感和电容之间有较大的充放电电流等。2023/1/1780

2.有源功率因数校正

在整流器和负载之间接入一个DC-DC变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流i波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使i接近正弦。从而使输入端THD小于5%，而功率因数可提高到0.99或更高。由于这个方案中，应用了有源器件，故称为有源功率因数校正（Active-Power-FactorCorrection），简称APFC。

优点：较高的功率因数，如0.97~0.99，甚至接近1；THD小；可在较宽的输入电压范围（如90~264Vac）和宽频带下工作；体积小、重量轻，输出电压保持恒定。

缺点：电路复杂；MTBF下降，成本高。2023/1/1781

带有源功率因数校正的电源系统输入电流电压的波形如下左图，相应的谐波含量的成分如下右图：

从上图可以看出，电流和电压的相位及形状都极为相似。各次谐波含量都非常的小。2023/1/1782

用控制芯片MC33260（安森美）的PFC电路如下图：2023/1/1783功率因数校正的控制芯片：连续模式（CCM---continuousconductionmode)ATI公司：UC3854、UCC3817B英飞凌：ICE2PCS01GC赛意法：LT4981D国际整流：IR1150临界模式（TM—Transitionmodeorcriticalconductionmode)A赛意法：LT6563B飞兆：FAN7529CTI公司：UC28050

2023/1/1784

功率因数校正的控制芯片：连续模式（CCM---continuousconductionmode)ATI公司：UC3854、UCC3817B英飞凌：ICE2PCS01GC赛意法：LT4981D国际整流：IR1150临界模式（TM—Transitionmodeorcriticalconductionmode)A赛意法：L6563B飞兆：FAN7529CTI公司：UC28050

2023/1/1785Boost功率因数校正的原理PFC结构框图如下：

Multiplier(乘法器）

CA：currentamplifier电流误差放大器

VA：voltageamplifier电压误差放大器2023/1/1786PFC的工作原理如下：

主电路的输出电压Vo和基准电压Vr比较后，输入给电压误差放大器VA，整流电压Vdc检测值和VA的输出电压信号共同加到乘法器M的输入端，乘法器M的输出则作为电流反馈控制的基准信号，与开关电流is检测值比较后，经过电流误差放大器CA加到PWM及驱动器，以控制MOS管的导通与关断，从而使输入电流（即电感电流）il的波形与整流电压Vdc的波形基本一致，使电流谐波大为减小，提高了输入端功率因数。由于功率因数校正器同时保持输出电压恒定，使下一级开关电源设计更容易些。2023/1/1787ILIAC

ONMOSFETOFFILIACONMOSFETOFF"CCM"type"TM"type

固定的频率，占空比调节，连续的电流模式，也是平均电流模式控制，适用于大功率输出的场合>200W

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PFC预调整器

CCM和TM式，应该使用哪一种？FF-CCMTMEMI滤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