开关电源的结构和基本原理

1、高频开关电源设计,青岛科技大学,总目录,第一章 概论(1课时),第二章 开关电源的基本原理 (2课时),第三章 开关电路的PWM控制原理(2课时),第四章 电路拓扑的使用选择(2课时),第五章 元器件的实用选择(2课时),第六章 软开关新技术(2课时),高频开关电源设计,自动化与电子工程学院 电子信息科学与技术教研室,21世纪,4,一、 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。,1.1.1 电源是什么？,1.1 电源及开关电源,电源常用的连接方式,串联线性电源,高频开关电源,1.1.2

2、串联线性电源与开关电源的区分,串联线性电源： 电源调整管工作在放大状态; 效率低，损耗大，温升高。 开关电源： 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。,6,1.1.3 开关电源的分类：,按变换方式可分为下列四大类： （1）：第一大类：AC/DC开关电源； （2）：第二大类：DC/DC开关电源； （3）：第三大类：DC/AC开关电源； （4）：第四大类：AC/AC开关电源。,开关电源,逆变器,变频器,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： （1）：第一大类：无变压器的非隔离式； （2）：第二大类：有变压器的隔离式。,1.2 直流稳压电源,直流稳压电源是

3、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串联式线性转换方法设计制作的。,图1-3 晶体管串联式线性稳压电源,1.2.1 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、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。,图1-4 晶体管串联式开关稳压电源,随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢复二极管及其它元器件的电压得到很大的提高，这为取消稳压电源中的工频变压器，发展高频开关电源创造了条件。 它使电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了一步。,图1-5 无工频变压器的开关电源原理框图,10,A：一次

4、电源产品的图片（AC/DC）,常见开关电源图片,11,B：工业电源产品的图片标准产品（AC/DC）,12,C：工业电源产品的图片（AC/DC）,13,E：工业电源产品的图片（AC/DC）,14,F：二次电源产品的图片（DC/DC）-标准转换类,Full Brick,Half Brick,Half Brick,1/4 Brick,1/8 Brick,15,G：二次电源产品的图片（DC/DC）,彩电开关稳压电源,1.3 开关稳压电源的特点 1.3.1 优点 1.效率高。一般在7090%以上。而相应的线性稳压电源的效率仅有50%左右。 2.体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。 3.稳压范围广

5、，一般交流输入80265V，负载作大幅度变化时，性能很好。 4.噪声低，声频在20kHz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； 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； 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。 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。,1.3.2 开关稳压电源的不足之处 1.输出纹波较大，约有10100mV的峰峰值； 2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；

6、 3.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，不如串联式晶体管线性稳压电源。,二、 开关电源的基本工作原理,功能：通过高频开关技术将输入较高的交流电压(AC)转换为电子或电器设备工作所需要的直流电压(DC) 。,中心思想：用提高工作频率等手段来提高电源的功率密度，进而达到减少变压器的体积和重量的目的。采用开关变换的显著优点是大大提高了电能的转换效率，典型的开关电源效率为70%-80%，,稳定原理：依赖对脉冲宽度的改变来实现输出电压的稳定，称做脉宽调制PWM。,共轭滤波器,整流滤波,开关调整管,储能元件,脉冲整流滤波,取样电路,比较放大,基准,220V交流电压

7、输入,功能：将220V交流电压转换为电路所需要的各种稳定的直流电。,2.1 高频开关电源的基本结构,图2-1 高频变压器开关电源基本功能框图,2.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； 防止开关电源对电网造成污染。,2.2.1、进线抗电磁干扰电路（EMI）,2.2 输入共轭滤波及整流,1.电路组成：由一个线圈和两个电容组成,图2-2 EMI原理图,3.工作原理： 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。,对50Hz低频而言，电容呈开路，而电感则呈短路。因此，50Hz市电可以顺利通过。,4.输入220V交流电压的检测,220V交流 输入,交流电压50

8、0V档,正常值: 220V15%(187V253V),共轭滤波器,5.常用EMI电路: 通常有两级EMI,图2.3 两级EMI电路图,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220V交流市电转换成290V直流电。,2.2.2、高压整流滤波电路,1.电路组成：,图2.3单相桥式整流电路,2.整流电路工作原理,当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。,当负半周时二极管D2、D4导通，在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，得到的是同一个方向的单向脉动电压。,3.负载上的直流电压和直流电流,输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直

9、流电压等效。,输出平均电压为,流过负载的平均电流为,流过二极管的平均电流为,二极管所承受的最大反向电压,动画5-4,4.滤波电路,滤波的基本概念： 利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。 电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。 电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。 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，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。,电容滤波电路,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C。,当v2到达90时，v2开始 下降。先假设二极管关断， 电容C就要以指数规律向

10、 负载L放电。指数放电起 始点的放电速率很大。,5.滤波原理,若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦形。,图2.4电容滤波波形图,所以，在t1到t2时刻，二极管导电，充电，vC=vL按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。,在刚过90时，正弦曲线下降 的速率很慢。所以刚过90时 二极管仍然导通。在超过90 后的某个点，正弦曲线下降的 速率越来越快，二极管关断。,需要指出的是，当 放电时间常数RLC增加时， t1点要右移， t2点要左移， 二极管关断时间加长

11、， 导通角减小，见曲线3； 反之，RLC减少时，导通 角增加。显然，当L很 小，即IL很大时，电容滤 波的效果不好，见滤波曲线 中的2。反之，当L很大， 即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好,见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。,图2.5 电容滤波的效果,问题：有无L即空载，此时VC=VO=？,6.电容滤波的计算,电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。一般常采用以下近似估算法：,一种是用锯齿波近似表示，即,另一种是在RLC=(35)T/ 2的条件下，近似认为VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足RLC61

12、0。）,7. 220V交流电压整流滤波后直流电压的检测,直流电压500V档,来自共轭滤波器的220V交流电压,正常值为290V左右,对于输入与输出电压之间不需隔离，只用一个工作开关管VT和电感L、二极管D、电容C组成的变换器电路最基本的为如下三种，其原理电路如图2.6所示。 （1）串联开关或降压 变换器（buck converter） （2）并联开关或升压 变换器（boost converter） （3）串并联开关 或降、升压变换器 （buck-boost converter）,图2.6 非隔离式的DCDC变换电路,2.3非隔离式开关电源工作过程,调整输出电压的方法：,占空比,只要改变开关脉冲

13、的“占空比”，就可以改变输出电压的高低。 在具体电路中，可以使开关脉冲频率固定，改变开关管导通时间ton而改变输出电压高低。这种电源称为“调宽式”开关电源。PWM 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。这种电源称为“调频调宽”式开关电源。PFM,电路中VT为开关管，工作于开关状态（VT饱和导通时相当于一只接通的开关，VT截止时相当于一只断开的开关）。 电感L和电容C为储能元件。 RL为电源的负载。 D为续流二极管，它在开关管截止时导通，保证电感L中的电流不中断。,2.3 .1串联型（Buck） 开关电源工作过程,开关管饱和导通时，290V电源通过开关管Q，电感

14、L和负载RL形成电流回路，同时向电容器C充电，在电感L和电容C中同时储能。 二极管D处于反向截止状态。 由于电感L中突然出现电流，将在L两端产生左正右负的自感电动势，负载两端电压等于290V电源电压与L两端自感电动势之差。,+,-,开关管截止时，由于电感线圈中电流的突然中断，将在电感L两端产生左负右正的自感电动势，该自感电动势使续流二极管D导通，形成电流回路。 同时，电容C也通过RL放电。 可见负载电流由电感电流与电容放电电流两路同时提供。 虽然开关管截止了，但是负载电流并没有中断。,图2.5 （c)开关管截止时的等效电路,2.3.1串联开关（降压）变换器设计计算,a） 电路拓扑 b）工作波形

15、 图2.7 Buck converter,（一）在开关VT导通期间,a） 电路拓扑 b）工作波形 图2.7 Buck converter,（二）在开关VT截止期间,1.临界连续工作状态 2.电流断续的工作状态 3.电流连续的工作状态,(三)电感电流的平均值计算,（四）输出电压纹波值的计算,a）电路拓扑 b）工作波形 图2.8 Boost converter,1.在 期间,2.在 期间,2.3.2并联开关（升压Boost）变换器 设计计算,3.负载电流的平均值,4.输入电流的平均值,5.输出电压 的纹波计算,2.3.3 串-并联BuckBoost converter,图2.9 BuckBoost

16、 converter,图2.10 Buck-Boost converter工作波形图,非隔离式三种开关电源所适用的功率范围表,适用于非隔离的单路输出情况。,图2-1(a) 高频变压器开关电源基本结构框图,共同特点:具有高频变压器,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。 变压器原副方是隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。,2.4变压器型开关电源工作过程,图2.1(b)开关电源原理示意图,2.4.1 高频变压器变换电路工作方式分类 按其工作方式可分为五类,每类传输的功率也不相同，应用环境也稍有不同，如下所示：,2.4.2单端反激式变压器型开关电源工作原理,开关管饱

17、和导通，开关管电流在开关变压器初级产生上正下负的自感电动势，次级产生上负下正的互感电动势。 整流二极管D截止，由电容器C放电形成负载电流。,开关管截止，变压器初级电流中断，于是在初级绕组产生反方向的自感电动势（上负下正），次级互感电动势也反一个方向。 次级互感电动势使整流二极管D导通，开关变压器次级电流一方面流入负载，另一方面向电容器C充电储能，以便开关管再次导通时向负载释放能量。,2.4.3单端反激式开关稳压电源电路工作过程,1.能量转换过程,VT导通，D截止，T吸收能量。VT截止，D导通，T释放能量。传递的能量越多，负载两端 形成的电压就越高,*,*,VT,T,D,2.稳压过程,取样电路,

18、比较放大,基准,脉冲产生与脉宽控制,VT,T,D,2.4.3单端反激式开关稳压电源电路工作过程,*,*,2.4.4 尖峰脉冲防护电路,接在开关变压器初级的R、C、D组成尖峰脉冲防护电路。 在开关管截止瞬间，开关变压器初级电感与分布电容之间形成谐振，产生很高的尖峰脉冲，该尖峰脉冲有可能击穿开关管。 接入R、C、D以后，使这种谐振被“阻尼”，避免了过高尖峰脉冲的出现，保护了开关管。,2.4.5单端反激式开关电源理论分析与计算,2.4.5.1 工作原理分析,1.在开关VT导通期间：,2.在开关VT截止期间,图2.7 单端反激式变换器,2.4.5.2 单端反激式变换器的三种工作状态：,1 磁通临界连续

19、的工作情况：,图2.8 临界连续状态时的电压电流波形,2 磁通不连续的工作状态,图2.9 磁通不连续时的工作波形,3 磁通连续的工作状况,图2.10磁通连续时的工作波形,2.4.6 输入电压Uin与导通比的对应关系,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一一对应，相互制约的。 运行中由于闭环调节，这种相互适应是自动的。但必须指出的是，由控制电路振荡器和PWM门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，否则就会失调。,3.4.7 磁通复位问题,为了不致于出现磁路饱和每个开关周期工作磁通都能复位，因此：

20、 1.单端反激式变换器开关变压器的铁芯都带有气隙 。 2.原边绕组电流实现脉冲限流控制。,2.4.8 间歇振荡问题,当电网电压升到一定值而又负载电阻值很大的情况下，欲维持输出电压恒定，则脉宽调制器可能使脉宽减少到某一极限值时，不能再减小了，只能以最小导通比运行，但由于导通时所储存的能量没有释放回路，就有可能出现： 有的振荡周期没有PWM脉冲输出，开关管不导通，有的振荡周期就很宽，变成了作周期性或非周期性的间歇振荡器，这时输出电压不稳，纹波大，变压器发出刺耳的哨叫声。 克服这一问题的办法之一，也是最安全和可靠的办法是在付绕组中加一固定负载电阻（假负载），以防负载开路，这样电网电压最高，负载开路了

21、，由于有固定的假负载，脉宽保证有一最小的宽度而不致于出现间歇振荡现象。最小的脉宽是由控制电路振荡器的最小导通比决定的。,2.5 单端正激式变换器,图2.19正激式变换器的原理电路图,图2.20 正激式变压器等效电路,2.5 单端正激式变换器,图2.21单端正激式变换器的电压电流波形,2.6 半桥式变换器,2.6.1 工作原理,图2.22 半桥式变换器原理电路,2.6 半桥式变换器,2.6.1 工作原理,图8-23 半桥式变换器的工作波形,图8-24 串联电容半桥式变换器原理电路,（a）串联电容前交流电压，斜格面积表示A1、A2的伏秒值不平衡波形 （b）串联电容、变压器原边的伏秒值得到了平衡图

22、8-25 变压器原边串联电容后的工作波形,图8-23 半桥式变换器的工作波形,图8-24 串联电容半桥式变换器原理电路,（a）串联电容前交流电压，斜格面积表示A1、A2的伏秒值不平衡波形 （b）串联电容、变压器原边的伏秒值得到了平衡图 8-25 变压器原边串联电容后的工作波形,2.6.2 串联耦合电容C3的选择,2.7 全桥式变换器的开关电源,图2.26 全桥式变换器主电路,2.7.1 全桥式变换器的工作原理,2.7 全桥式变换器的开关电源,图226 全桥式变换器主电路,2.7.1 全桥式变换器的工作原理,图8-27 全桥式变换器的工作波形,三、开关电路的PWM控制原理,开关电源的PWM控制原

23、理可用图3.1的电路说明。它由开关管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等部分构成。,图3.1 开关型稳压电源原理图,3.1 PWM控制基本原理,三角波发生器通过比较器产生一个方波vB，去控制开关管的通断。,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。续流二极管D即可起到这个作用，保护开关管。,三角波发生器通过比较器产生一个方波vB，去控制开关管的通断。,为了稳定输出电压，按电压负反馈方式引入反馈。 设输出电压增加，FVO增加，比较放大器的输出Vf减小，比较器方波输出的toff增加，开关管导通时间减小，输出电压下降。起到了稳压作用。,输出波形见

24、图3.2。开关管发射极输出电压VE为方波，由于滤波电感的存在，使输出电流iL为锯齿波，趋于平滑。输出则为带纹波的直流电压。,图3.2开关电源波形图,q称为占空比 方波高电平的时间占整个周期的百分比。,忽略电感的直流电阻，输出电压VO即为vE的平均分量。于是有,在输入电压一定时， 输出电压与占空比成正比。,可以通过改变比较器输出方波的占空比q来控制输出电压值。 改变方波宽度的控制方式称为脉冲宽度调制 (PWM)；改变方波频率的控制方式称为脉冲频率调制 (PFM)；,1开关管工作在开关状态，功耗大大降低， 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， 必须在输出端加滤波器； 3可

25、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 积可大大减小。,由以上分析可以得出如下结论：,3.2 集成开关型控制器,典型的开关电源控制器和开关电源见下表,型号 电源范围/V 最大输出电流 /A 内部参考源 /V 输出级形式 UC3842 1030V 单端 CW34063 单端 TL494 740 0.2 5 推挽或单端 SG3524 835 0.1 5 推挽 SG3525 835 0.5 5 推挽 LM2575 3.535 1 1.23 _,实际上就是一个脉冲宽度调制（PWM）控制器， 经常也用于其它脉宽调制场合。,集成开关稳压器，一般有两大类型。 一

26、类是包括开关管在内的单片集成开关稳压器; 另一类称为开关电源控制器，它不包括开关管。,3.2.1 集成开关稳压器概述,各管脚功能简介如下: 1脚-COMP是内部误差放大器的输出端，通常此脚与2脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。 2脚-FEED BACK是反馈电压输入端，此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压(一般为 2.5V)进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度。,3.2.2 UC3842的工作原理及应用,3.2.2.1 UC3842的内部结构,利用开关电源控制器可以方便地构成开关电源。,3.2.2 UC3842的工作原理及应用,3.2.2.1 UC3842的内部结构,3脚

27、-ISENSE是电流传感端。在外围电路中，在功率开关管(如VMos管)的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入3脚，控制脉宽。此外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过1V时，UC3842就停止输出，有效地保护了功率开关管。,图3.4 PWM工作时序图,PWM信号的上升沿由振荡器下降沿决定，而PWM的下降沿由电感电流限值信号和误差信号Ue共同决定，最大脉宽的下降沿受振荡器上升沿控制。,3.2.2 UC3842的工作原理及应用,3.2.2.1 UC3842的内部结构,4脚-RT/CT是定时端.锯齿波振荡器外接定时电容C和定时电阻R的公共端

28、。 RT 5K f=1.72/RTCT 5脚-GND是接地。,3.2.2 UC3842的工作原理及应用,3.2.2.1 UC3842的内部结构,6脚-OUT是输出端，此脚为图滕柱式输出，驱动能力是lA。,图腾柱结构对被驱动的功率管的关断有利，因为当三极管VTl截止时，VT2导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路，加速功率管的关断。,3.2.2 UC3842的工作原理及应用,3.2.2.1 UC3842的内部结构,7脚-Vcc是电源。当供电电压低于 16V时，UC3824不工作，此时耗电在1mA以下。输入电压可以通过一个大阻值电阻从高压降压获得。芯片工作后，输入电压可在 10 30V

29、之间波动，低于 10V停止工作。工作时耗电约为15mA。,3.2.2 UC3842的工作原理及应用,3.2.2.1 UC3842的内部结构,8脚-VREF是基准电压输出，可输出精确的 5V基准电压，电流可达50mA。,图3.3 CW34063的原理框图,CW34063是一个典型的性能优良的开关电源控制器，其内部的结构框图如图3.3所示。,3.2.3 CW34063的工作原理及应用,(一)降压式应用电路,a）直接用于降压b） 外接NPN晶体管扩流电路 图3.4 CW34063的降压应用电路,3.2.3 CW34063的工作原理及应用,（二）升压式应用电路,（a）（b） a） 直接升压式 b）外接NPN管扩流式 图3.5 CW34063的Boost converter,（三）反转应用电路,(a)(b) a） 直接变换式 b）外接PNP管扩流式 图3.6 CW34063的BuckBoost converter,SG3524开关电源控制器内部的结构框图如图3.7所示。,3.2.2 开关稳压电源控制器SG3524,图3.3 SG3524的内部方框图,它的内部包括误差放大器、限流保护环节、比较器、振荡器、触发器、输出逻辑控制电路和输出三极管等环节。,SG3524构成开关稳压电源的典型电路如图3.4所示。,图3.4 开关稳压电源应用电路,3524从11和