开关电源原理

开关电源原理蒋恢(Fisher)第一章现代电源技术概述1－1电源技术的现状与开展1-1-1功率半导体技术的现状与开展1-1-2电源技术的新进展1－2电源的构成及特点1-2-1现代电源的构成原理及特点1-2-2开关电源的分类第二章电源中的电力电子器件与根底电路2－1电力电子器件2－2根底电路2-2-1EMI滤波电路2-2-2整流与滤波电路2-2-3功率变换电路2-2-4控制与驱动电路2-2-5保护电路第三章现代电源领域新技术3－1PFC技术3－2同步整流技术3－3软开关技术3－4高频磁技术第四章开关电源产生的EMI问题第一章现代电源技术概述1－1现代电源技术的现状与开展现状：先进的电路技术－PFC技术，同步整流技术，软开关技术高频磁技术，均流技术，DC/DC技术先进的半导体技术－PIC器件，模块器件

水平：效率－高达93％稳压精度－0。5功率因数－单相0。97－0。999噪声电压－宽频噪声，衡重噪声

开展方向：高效率，小型化，集成化，智能化高可靠性1-1-1功率半导体技术新进展

功率开关器件开展阶段50年代60年代70年代80年代90年代可控硅SCR快速晶闸管可关断晶闸管GTO1高压GTO大容量大功率高性能〔晶闸管〕2IGCT省吸收与IGBT结合3MCT优势互补〔MOS晶闸管〕电力晶体管GTR1IGBT1高速IGBT2功率MOSFET2低电荷功率MOSFET1－2电源的构成与分类1开关电源的根本构成开关电源的根本电路如图2－1所示输入回路→功率变换器→整流及滤波电路→输出↑↓PWM控制器输入回路－将交流输入电压整流成为较平滑的直流高压功率变换器－将直流高压变换为频率大于20KHZ的高频脉冲电压整流及滤波电路－将高频脉冲电压转换稳定的直流输出电压PWM控制器——将输出直流电压进行取样控制功率器件的驱动脉冲宽度，从而调整开通时间以使输出电压可调且稳定。2开关电源的特点〔1〕重量轻，体积小采用高频技术，去掉了工频变压器，在同等的输出功率下，体积、重量可缩减10/1

〔2〕功率因数高经PFC的开关电源功率因数一般都在0。93以上而且不受负载的变化影响。

〔3〕可听噪声低在线性电源中，工频变压器及滤波电感产生噪声大于60分贝，而开关电源仅为45分贝左右。开关电源的分类主要分为五类单端反激式单端正激式推挽式半桥式全桥式第二章电源中的电力电子器件与根底电路2－1电力电子器件POWER-IC器件的开展PWM/MOSFET二合一IC集功率开关，控制电路，保护电路与一体，性价比较高。TOPSwich系列二合一功率ICTOP220,TOP230,TOP250,仙童公司5L系列03801M系列0880广泛应用于小家电，通讯设备等2－2根底电路2-2-1EMI滤波电路开关电源设计应考虑抑制干扰，而滤波是一种抑制干扰有效方法，不仅可以抑制传输线上传导干扰，同时对辐射发射也具有显著抑制效果，图2-2-1是开关电源输入级常用一种EMI滤波器电路分析：以下图是对共模噪声和差模噪声都有效的滤波器电路。其中，C3、C4为抑制差模噪声回路，L1、L2、C1、C2构成抑制共模噪声回路。C1使用陶瓷电容或聚酯薄膜电容，应有足够的耐压值，其容量一般取0.22～0.47uF。L1、L2为共模电感，对共模噪声具有较高的阻抗、较好的抑制效果。R是C3、C4的放电电阻。整流及滤波电路2-2-3功率变换电路在高频开关电源功率转换电路中，单断变换器(正激、反激式)与双端变换器〔推挽式、半桥、全桥式〕的本质区别，在于其高频变压器的磁芯只工作在第一象限，即处于磁滞回线一边。按变压器的副边开关整流二极管的不同接线方式，单断变换器有两种类型：a.单端正激式变换电路b.单端反激式变换电路单端反激式变换电路1.根本工作原理〔以下图〕ton时，Q1通，E+加在原边Lp两端，ip线形增加，储能；副边Ls电压上正下负，D1反偏截止。toff时，Q1截止，ip降为０，原边Lp两端电压极性反向，副边Ls电压随着变为上负下正，D1正向导通。此后，储存在变压器中的磁能向负载传递释放电能。

当单断反激式变换器在原边开关管导通时储存能量，开关管截止时才向负载释放能量，故高频变压器既起到变压隔离作用，又是电感储能元件。因此，又称单端反激式变换器为“电感储能式变换器〞。2.电路特点a.由于原边、副边的电感量为常数，使原边和副边电流按线形规律升降，其电流工作状态有三种：非连续态、临界态及连续状态；b一般用在小功率场合c利用率不高注意设计原那么：必须使高频变压器磁芯的磁通复位。即：必须让高压开关管在一个周期内的导通和截止期间，加在高频变压器原边绕组上的伏－秒数相等。单端正激式变换电路1.根本工作原理 Q1导通时，D1导通，电路向负载RL输送能量，同时输出滤波电感L0储存能量；Q1截止时，电感L0储存能量通过续流二极管D2向负载释放2.电路特点a.导通时输入馈电给负载，截止时Ｌ供电给负载；b.N3起到去磁复位功能外，同时，与二极管D3一起组成箍位电路防止Q1截止期间及瞬态过程中高频变压器漏感引起电压尖峰叠加在Q1上；c.假设去磁绕组与原边绕组匝数相等，并保持紧耦合，Q1承受的电压最大为2E设计中注意原那么：由于高频变压器工作在磁滞回线的一侧，必须遵守磁通复位原那么，即导通脉宽不能超出周期的一半。推挽式功率变换电路〔34〕1.根本工作原理VT1、VT2中交替导通时，W1和W2有相应的电流流过，变换器二次侧将有功率输出。2.电路特点a由于功率开关器件的发射极共地，无须隔离基极驱动电路，简化b两个功率开关器件轮流导通可获得较大的功率输出；c功率开关的耐压值应当大于2Vin全桥式功率变换电路1.根本工作原理变压器连接在四桥臂中间，相对的两对功率开关器件VT1-VT4和VT2-VT3交替导通或截止，使变压器的二次侧有功率输出。当功率开关器件VT1-VT4导通时，VT2-VT3那么截止，这时，VT2-VT3两端承受的电压为输入电压Vin，在功率开关器件关断过程中产生的尖峰电压被二极管VD1~VD4钳位于输入电压Vin。2.电路特点1〕全桥式功率开关器件的耐压值只要大于Vinmax即可2〕使用钳位二极管VD1~VD4，有利于提高电源效率；3〕电路使用了四个功率开关器件，四组驱动电路需要隔离。应用：主要应用于大功率变换电路中，由于驱动电路复杂且均需隔离，因此在电路设计和工艺结构布局中要有足够的考虑。半桥式功率变换电路1.根本工作原理与全桥功率变换电路相比，两个功率器件改为两个容量相等的电容代替。C1和C2的主要作用是实现静态时的分压，使Va=Vin/2。2.电路特点当VT1导通、VT2截止时，电源向C2充电；当VT2导通、VT1截止时，输入电流向C1充电。VT1导通、VT2截止时，VT2两端承受的电压为输入直流电压Vin 。这也是开关管承受的最大电压。2.电路特点a.在高频变压器上施加的电压只有全桥功率变换电路的一半，在同等功率输出的条件下，半桥开关管的工作电流需要增加一倍；b.突出优点，具有抗不平衡能力；应用：中等功率容量的电源；串联型半桥功率变换电路，可降低耐压要求；采用并联方式，可增大输出电流的容量２.２.３.６功率变换电路的比较与应用１.变压器利用率单端正激－反激变换器次芯中磁滞回线仅在第一象限内变化，变压器利用率底；推挽式、全桥式、半桥式功率变换电路用的磁芯在全磁滞回线工作。利用率高，在输出同等功率的条件下所用的磁芯体积相应缩小；２.对功率器件的要求推挽式、全桥式、半桥式功率变换电路的功率开关器件在一个周期内各导通一次承受的电流相对较小，并且在功率变换电路二次输出整流后的准方波也将成倍增加，使直流脉动成分相应减少。在单端式和推挽式功率变换电路中，功率开关器件的耐压值为输入直流电压的两倍；在桥式功率变换电路中，耐压值仅等于输入电压值。３.对控制驱动电路的要求推挽式、全桥式、半桥式变换电路其驱动脉冲必须小于Ｔ／２，同时要有一定的死区。死区持续时间应当略微大于功率开关器件的存储时间，以防止直通。单端正激－反激变换器无需专门的死区控制。从驱动电路的要求看，桥式功率变换电路需要隔离，故工艺结构和布局设计考虑较为复杂。第三章电源领域技术新进展

功率因数校正〔PFC〕技术

PFC的概念起源于1980年，重视和推广在80年代末，主要制定了IEC555-－2，IEC1000-3-2

使得研究PFC术研究成为电源界热点

现在关注：一是二级PFC技术，二是单级PFC技术

同步整流技术

同步整流的概念：当输出为低电压大电流时整流损耗成为功率变换器主要损耗所以提出采用低导通电阻的MOSFET进行整流。

同步整流－是通过控制MOSFET的驱动电路来利用功率MOSFET实现整流功能的技术

开展：同步整流技术出现得较早，但早期的技术很难转换为产品，这是由于当时驱动

技术不成熟，可靠性不高。经过几年的开展，同步整流技术已经成熟。由于开发本钱

的原因，目前只在技术含量较高的开关电源模块中得到应用。

优势：同步整流技术提高了电源效率，它同时给电源模块带来了许多新的进步。

同步整流技术符合高效节能的要求，适应新一代芯片电压的要求，有着非常广阔的应

用前景。但目前只有较少的公司掌握了该项技术，并且实现的本钱也很高，而且还有

很多应用领域未得到开拓。随着用于同步整流的MOSFET批量投入市场，专用驱动芯片

的出现，以及控制技术的不断完善，同步整流技术将成为一种主流电源技术，逐步应

用于广泛的工业生产领域。

软开关技术

软开关技术的概念：是利用电容于电感谐振使得开关器件中电流〔电压〕按正弦或准正弦规律

变化。当电流过另时，器件关断；当电压过另时，器件开通，实现开关损耗为另

软开关技术：可分为1，PFM2,PWM3,PS方式

开展动态：自20世纪80年代中期起，采用PWM控制技术的高功率密度DC/DC变换器模块走进了世界市场。如今，已广泛应用在各种领域中。1997年，在已经行了将近30年的世界范围的软开关根底理论研究之后，美国Vicor开关电源公司最先推出了VI－300系列软开关高密度DC/DC产品。第二代产品是以Vicor公司有专利权的零电流开关〔ZCS〕和零电压开关〔ZVS〕软开关控制技术为根底，结合了控制集成、封装、铁氧体、噪音和散热技术等方面的最新成果，产品到达了与理想功率器件极为接近的境地。第二代产品与第一代产品相比，功率密度增加了两倍，即为120W/in3。第二代产品的出现预示着它们将是DC/DC变换器未来的主流产品。

DC/DC技术研究热点：低电压大电流高频磁技术：电力电子高频磁技术是将电力电子技术与磁技术结合起来高频磁技术是电力电子技术中的重要内容。功率磁元件是所有电源中必不可少的关键器件。它担负着磁能传递，储存以及滤波功能。其体积和重量一般占到电路20－30％

10年内重点开展：高频低功耗高磁导率材料和片式化的外表贴装软磁材料在非晶软磁金金属和磁记录材料方面，开展纳米材料70年代初20KHZ电子变压器取代了工频变压器使得变压器体积减小60－80％重量减轻75％，目前开关频率已从20KHZ提高到10MHZ,开关电源的EMI问题4－1开关电源的干扰源分析开关电源产生电磁干扰最根本的原因，就是其在工作过程中产生的高di/dt和高dv/dt，它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。工频整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换、输出整流二极管的反向恢复电流都是这类干扰源。开关电源中的电压电流波形大多为接近矩形的周期波，比方开关管的驱动波形、MOSFET漏源波形等。对于矩形波，周期的倒数决定了波形的基波频率；两倍脉冲边缘上升时间或下降时间的倒数决定了这些边缘引起的频率分量的频率值，典型的值在MHz范围，而它的谐波频率就更高了。这些高频信号都对开关电源根本信号，尤其是控制电路的信号造成干扰。开关电源的电磁噪声从噪声源来说可以分为两大类。一类是外部噪声，例如，通过电网传输过来的共模和差模噪声、外部电磁辐射对开关电源控制电路的干扰等。另一类是开关电源自身产生的电磁噪声，如开关管和整流管的电流尖峰产生的谐涉及电磁辐射干扰。如图1所示，电网中含有的共模和差模噪声对开关电源产生干扰，开关电源在受到电磁干扰的同时也对电网其他设备以及负载产生电磁干扰〔如图中的返回噪声、输出噪声和辐射干扰〕。进行开关电源EMI/EMC设计时一方面要防止开关电源对电网和附近的电子设备产生干扰，另一方面要加强开关电源本身对电磁骚扰环境的适应能力。下面具体分析开关电源噪声产生的原因和途径。1.1电源线引入的电磁噪声电源线噪声是电网中各种用电设备产生的电磁骚扰沿着电源线传播所造成的。电源线噪声分为两大类：共模干扰、差模干扰。共模干扰定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差；差模干扰定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。两种干扰的等效电路如以下图所示。图中CP1为变压器初、次级之间的分布电容，CP2为开关电源与散热器之间的分布电容〔即开关管集电极与地之间的分布电容〕。如下图，开关管V1由导通变为截止状态时，其集电极电压突升为高电压，这个电压会引起共模电流Icm2向CP2充电和共模电流Icm1向CP1充电，分布电容的充电频率即开关电源的工作频率。那么线路中共模电流总大小为〔Icm1＋Icm2〕。如图2〔b〕所示，当V1导通时，差模电流Idm和信号电流IL沿着导线、变压器初级、开关管组成的回路流通。由等效模型可知，共模干扰电流不通过地线，而通过输入电源线传输。而差模干扰电流通过地线和输入电源线回路传输。所以，我们设置电源线滤波器时要考虑到差模干扰和共模干扰的区别，在其传输途径上使用差模或共模滤波元件抑制它们的干扰，以到达最好的滤波效果。1.2输入电流畸变造成的噪声开关电源的输入普遍采用桥式整流、电容滤波型整流电源。如图3所示，在没有PFC功能的输入级，由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，使得二极管的导通角变小，输入电流i成为一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流。这种畸变的电流实质上除了包含基波分量以外还含有丰富的高次谐波分量。这些高次谐波分量注入电网，引起严重的谐波污染，对电网上其他的电器造成干扰。为了控制开关电源对电网的污染以及实现高功率因数，PFC电路是不可或缺的局部。1.3开关管及变压器产生的干扰主开关管是开关电源的核心器件，同时也是干扰源。其工作频率直接与电磁干扰的强度相关。随着开关管的工作频率升高，开关管电压、电流的切换速度加快，其传导干扰和辐射干扰也随之增加。此外，主开关管上反并联的钳位二极管的反向恢复特性不好，或者电压尖峰吸收电路的参数选择不当也会造成电磁干扰。开关电源