电源工作原理与设计指南

电子设计竞赛讲座电源工作原理与设计指南电气信息学院四川．成都．6100652023/2/62参考书目开关电源简介一些基本问题元器件介绍开关电源的调试目录2023/2/63开关电源设计与制作基础蔡宣三，倪本来编著，电子工业出版社开关电源设计（第三版）（美）普利斯曼，莫瑞，王志强等译，电子工业出版社精通开关电源设计（美）SanjayaManiktala著，王志强等译,人民邮电出版社参考书目2023/2/64SwitchmodePowerSupplyReferenceManualSwitchmodePowerSupplyHandbook,ThirdEdition参考书目2023/2/65开关电源电路组成AC/DC开关电源DC/DC开关电源开关电源简介2023/2/66开关电源电路组成DC/DC开关电源开关电源简介2023/2/67开关电源电路组成开关电源简介2023/2/68开关电源设计与制作的一般流程1）确定电路结构：根据输入电压、输出电压、输出功率大小及是否需要电气隔离，选择合适的电路结构。举例：2007年国赛开关稳压电源2009年国赛光伏并网模拟装置2010年省赛高效数控恒流电源2011年国赛开关电源模块并联供电系统2012年省赛简易直流电子负载开关电源简介2023/2/69基本要求：输出电压Uo

可调范围：30~36V最大输出电流:Iomax=2AU2从15V变到21V时，电压调整率小于等于2%IO从0A变到2A时，负载调整率小于等于5%输出噪声纹波电压峰-峰值小于等于1VDC-DC变换器效率大于等于70%具有过流保护功能，动作电流IO(th)=2.5±0.2A开关电源（2007）2023/2/610发挥部分：进一步提高电压调整率，小于等于0.2%进一步提高负载调整率，小于等于0.5%进一步提高效率，大于等于85%排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值为1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能其他开关电源（2007）2023/2/611利用PWM控制IC与带有隔离变压器的推挽变换器的解决方案利用SEPIC变换器的解决方案解决方案：2023/2/6电力系统中的电力电子技术12题目要求：设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图1所示。用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池，US=60V，RS=30Ω~36Ω；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频率fREF为45Hz~55Hz；T为工频隔离变压器，变比为n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，将uF作为输出电流的反馈信号；负载电阻RL=30Ω~36Ω。

光伏并网模拟装置（2009）2023/2/613光伏并网模拟装置（2009）2023/2/614基本要求：最大功率点跟踪（MPPT）功能频率跟踪功能uF的频率fF=fREF

DC-AC变换器的效率输出电压uo的失真度THD输入欠压保护功能输出过流保护功能光伏并网模拟装置（2009）2023/2/615发挥部分：提高DC-AC变换器的效率降低输出电压uo的失真度THD实现相位跟踪功能，保证uF与uREF同相过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复为正常状态其他光伏并网模拟装置（2009）2023/2/616开关电源设计与制作的一般流程2）选择控制电路：常用方式为PWM控制，可用专用集成电路实现，也可以用数控芯片实现。举例：IC:

TL494、SG3525、UC3842等等（刘建华）数控芯片：TI430系列、51系列、TIDSP2000系列等（王小红）开关电源简介2023/2/617开关电源设计与制作的一般流程3）确定辅助电路举例：电压反馈电路尖峰电压吸收电路输入滤波电路整流滤波电路输出过电压、过电流保护电路辅助电源、键盘、显示电路声、光告警电路。。。开关电源简介2023/2/618开关电源设计与制作的一般流程4）整理、绘制电路原理图举例：确定元器件型号、参数和数量，完成各元件引脚之间的电路连接电路原理图要求布线清晰、整洁、密度分配合理，信号流向清楚确定元器件封装计算机辅助设计、仿真（张洁）开关电源简介2023/2/619开关电源设计与制作的一般流程5）制作高频变压器步骤：计算一次电感量LP选择磁芯和骨架计算一次绕组匝数NP计算二次绕组匝数NS计算气隙长度检验最大磁通密度Bm。。。开关电源简介2023/2/620开关电源设计与制作的一般流程6）设计印制板（PCB)（李小根）举例：元件布局问题地线布线问题采样点选择问题开关电源简介2023/2/621开关电源设计与制作的一般流程7）安装调试举例：安装顺序：1体积小、高度低的电阻和二极管元件；2集成电路、晶体管、电容器等；3大尺寸散热器。注意极性，防止虚焊。调试步骤：准备调试仪器、通电前检查、通电后观察、性能测试。强调：养成良好的测试习惯：安全、有效、事半功倍！！！开关电源简介2023/2/6221电流源or电压源？2010年省赛题目为电流源，意味着不管所接负载和输入电压如何变化，输出将为恒定电流。举例：假定输出电流为2000mA，负载电阻分别为1Ω和5Ω两种情况，此时的输出电压为多少？应该分别为2000mA*1Ω=2V和2000mA*5Ω=10V。注意此时输出电压是随负载变化而变化的。一些基本问题2023/2/6231电流源or电压源？2011年国赛题目要求将电压稳定在8V，则意味着不管所接负载和输入如何变化，输出将为恒定电压。假定输出电压为10V，负载电阻分别为1Ω和5Ω两种情况，则此时的输出电流将发生变化，应该分别为10V/1Ω=10A和10V/5Ω=2A。注意此时输出电流是随负载变化而变化的。一些基本问题2023/2/6241电流源or电压源？电流源与电压源的区分将确定被控量是电流还是电压，在电路中相应采集输出电流或输出电压信号，作为系统闭环控制的输入信号。当闭环系统正常工作，修改参考值后，输出将按参考值的要求输出对应电流或电压。一些基本问题2023/2/6252负载调整率？负载调整率，反映的是系统对输出负载变化（系统扰动）的容忍程度。由于输出的变化，也应调整PWM输出，进而控制开关器件的通断时间，使输出保持不变。（举例：2007、2010年题）负载调整率指标的达到，主要取决与系统的反馈环节是否能正常工作。若负反馈系统能正常工作（不管是由专用芯片还是微控制器来实现），均可以达到调整率的要求。一些基本问题2023/2/6263电流调整率、电压调整率？关于电流调整率或电压调整率，反映的是系统对输入电压变化（系统扰动）的容忍程度。题目一般要求当输入电压在某个范围内变化时，输出电流（电流源）或电压（电压源）维持在恒定的水平，波动很小。如2010省赛中要求：Ui从12V变到18V时，电流调整率SI≤4%（Io＝1000mA，负载为5Ω的条件下测试）；

2007国赛要求U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%（IO=2A）。一些基本问题2023/2/6274电路功率、主要元器件选型？以2010省赛题为例：输出电流Io可调范围：200mA～2000mA；最大输出电压Uomax：10V。说明最大输出功率将为2000mA*10V=20W。一些基本问题2023/2/6284电路功率、主要元器件选型？对于上图电路，意味着电感L2、L3上最大将分别流过2000mA/2=1000mA的电流（决定了电感绕线粗细），C9~C14将承受最大10V的电压，因此C9~C14至少要选20V以上的电容一些基本问题2023/2/6294电路功率、主要元器件选型？电感量、电容量的大小决定了电路的滤波性能，根据纹波要求、开关频率等确定（见噪声纹波电流、纹波电压）一些基本问题2023/2/6304电路功率、主要元器件选型？Ui从12V变到18V，意味着图中的MOSFETQ1、Q2截止时将承受最大18V的电压（D1、D2导通时），因此至少要选择50V的MOSFET（因为开关关断时通常有较大过冲电压，如果线路布局不合理，升至高至100%~200%以上，本例中为18*200%=36V，再加上本身的18V将超过50V，MOSFET将过压击穿）。D1、D2的选择同理，Q1、Q2导通时，D1、D2至少要承受18V的反压，选择18V以上的二极管，并留有裕量。一些基本问题2023/2/6315输出噪声纹波电流、纹波电压峰-峰值？2010省赛电流源：输出纹波电流要求≤30mA，测量条件为（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA），对应负载电阻Uo/Io=5Ω。由于电流纹波较难观测，实际测量时可用示波器观察负载电阻的电压纹波，应在30mA*5Ω=0.15V以内。2007国赛稳压电压源：输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）。一些基本问题2023/2/6325输出噪声纹波电流、纹波电压峰-峰值？一些基本问题2023/2/6335输出噪声纹波电流、纹波电压峰-峰值？纹波电流、电压的大小，取决与1）开关频率、2）滤波电感的电感量、3）滤波电容的容值、4）电路运行时的占空比。一般可取占空比D=0.5计算纹波（在多数电路中D=0.5对应纹波最大的情况）。建议用仿真来确定电感量和电容量，速度快且不易出错。一些基本问题2023/2/6345输出噪声纹波电流、纹波电压峰-峰值？以降压斩波电路为例，说明电感量的计算方法：图2为降压斩波电路对电池充电(VB)的示意图，Gdp导通时对VB充电，电感电流上升；Gdp

截止时Idc通过二极管D续流，电感电流下降。一些基本问题2023/2/6355输出噪声纹波电流、纹波电压峰-峰值？稳定状态下，电流上升与下降量相等，电流平均值Idc不变，如下图所示一些基本问题2023/2/6365输出噪声纹波电流、纹波电压峰-峰值？占空比D=0.5时电感纹波电流最大，计算纹波的通式为：其中fs为开关频率，单位Hz；

Vdc、VB分别为降压电路的输入和输出电压，单位V；D为占空比；Idc

为电路输出平均电流，可由系统输出功率/输出电压计算。值得指出的是：Idc的大小和

的大小没有直接关系。一些基本问题2023/2/6376交流输出指标THD？一些基本问题THD小的电流波形THD大的电流波形，畸变明显2023/2/6386交流输出指标THD？一些基本问题2023/2/6397电源or负载？2012年省赛电子负载一些基本问题2023/2/6407电源or负载？本质一致，基本控制要求一致，功率方向相反电源：输出功率负载：吸收功率Generallyspeaking:制作可控电源或负载，都要求实现闭环控制，都要求控制电压、电流、功率三项指标中的一项，或者多项。一些基本问题2023/2/6418效率！电路效率提高是一项综合任务电路拓扑和方案（2011年题目）元器件参数、选型电路布局开关频率电感、变压器设计制作工艺工作点调制方式、软开关技术。。。一些基本问题牵一发而动全身2023/2/642开关器件POWER

MOSFET元器件介绍2023/2/643驱动HowtodriveaPOWER

MOSFET?参考：MatchingMOSFETDriverstoMOSFETsDesignAndApplicationGuideforHighSpeedMOSFETGateDriveCircuits元器件介绍2023/2/644电感元器件介绍思考：1DC/DC变换电路中，要求减小输出纹波，需要选用大电感量还是小电感量？2开关频率越大，电路需要的电感量越大还是越小？为什么？3电感值的大小由什么决定？4电感匝数与电感值的关系？2023/2/645电感的设计电磁感应安培环路定律2023/2/646电感的设计法拉第定律:变化的磁通感应电动势.自感:andand2023/2/647电感设计的重要因素：损耗铁芯损耗：CoreLoss滞环损耗Hysteresisloss涡流损耗Eddycurrentloss趋肤效应Skineffect铜损：CopperLoss绕线电阻产生，交流阻值大于直流阻值，随温度的增加而升高2023/2/648电感设计的重要因素：气隙思考1:为什么绝大多数的电感磁路需要设置气隙？思考2:下图中，磁芯还是气隙部分磁场强度更大？2023/2/649电感设计综合电感设计需综合考虑匝数和气隙的因素.为了减少铁损，需要设计较大的气隙长度：但气隙长度增加，气隙磁阻增大，需要更多的匝数来获得相同的电感量，导致铜损增加：2023/2/650电感绕制变压器的设计对绝大多数的变