開關(guān)電源的基本概念和分析方法

1、什么是什么是Power Supply?Power Supply負(fù)載Vin, IinPower Supply是一種提供電力能源的設(shè)備，它可以將一種電力能源形式轉(zhuǎn)換成另外一種電力能源形式，并能對(duì)其進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。上級(jí)電能形式Vo, Io f, phasef, phase根據(jù)轉(zhuǎn)換的形式分類: AD/DC, DC/DC, DC/AC, AC/AC根據(jù)轉(zhuǎn)換的方法分類: 線性電源，相控電源，開關(guān)電源根據(jù)調(diào)控的效果分類: 穩(wěn)壓， 恒流， 調(diào)頻，調(diào)相根據(jù)調(diào)控的方法分類: 傳統(tǒng)反饋控制，矢量控制，數(shù)位控制什么是什么是Switching Mode Power Supply?有源開關(guān)有源開關(guān)(Switch)二極管二

2、極管(Diode)電感器電感器(Inductor)電容器電容器(Capacitor)電阻器電阻器(Resistor)開關(guān)電源開關(guān)電源(Switching Power)開關(guān)工作主動(dòng)控制功率流向與流量單向?qū)щ姳粍?dòng)控制功率流向以電流形式儲(chǔ)能以電壓形式儲(chǔ)能不在功率回路中除出現(xiàn)線性電源線性電源 (Linear Power)線性工作控制功率流量單向?qū)щ姳粍?dòng)控制濾波等輔助作用濾波等輔助作用消耗功率調(diào)節(jié)電壓VinVoVinVoRRxVo=Vin*Rx/(R+Rx)Vo=?LCLCVo=Vin*DD基本電子元件在開關(guān)電源中所起的作用線性電源線性電源(Linear Power)開關(guān)電源開關(guān)電源 (Switchin

3、g Power)開關(guān)電源的基本元件：開關(guān)電源的基本元件：有源開關(guān)有源開關(guān)(Switch)二極管二極管(Diode)電感電感(Inductor)電容器電容器(Capacitor)變壓器變壓器(Transformer)+ u(t) -i(t)dttduCti)(1)(電容的基本方程電容的基本方程1. 當(dāng)一電流流經(jīng)電容當(dāng)一電流流經(jīng)電容, 電容兩端的電壓逐漸增加電容兩端的電壓逐漸增加, 并且電容量越大電流增加并且電容量越大電流增加越慢越慢.CItU CI+U- 2. 在穩(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中流經(jīng)電容的電流對(duì)時(shí)間的積分為零。在穩(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中流經(jīng)電容的電流對(duì)時(shí)間的積分為零。I+I-AB面積A=面積B+

4、 u(t) -i(t)dttdiLtu)()(電感的基本方程電感的基本方程1. 當(dāng)一電感突然加上一個(gè)電壓時(shí)當(dāng)一電感突然加上一個(gè)電壓時(shí), 其中的電流逐漸增加其中的電流逐漸增加, 并且電感量越大電并且電感量越大電流增加越慢流增加越慢.2. 當(dāng)一電感上的電流突然中斷當(dāng)一電感上的電流突然中斷, 在其兩端會(huì)產(chǎn)生一瞬時(shí)高壓在其兩端會(huì)產(chǎn)生一瞬時(shí)高壓, 并且電感量越并且電感量越大該電壓越高大該電壓越高LUtI ULI+U-LItLIU電感的伏秒平衡原則：電感的伏秒平衡原則：dttdiLtu)()(u(t)i(t)V+V-t1t2LttVdttuLItt)()(10110t0)()(1201ttVttVII對(duì)穩(wěn)

5、定狀態(tài)IILttVdttuLItt)()(11221伏秒平衡原則伏秒平衡原則: 在穩(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中電感兩端的正伏秒值等于負(fù)伏秒值在穩(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中電感兩端的正伏秒值等于負(fù)伏秒值.V+V-ABV+V-AB面積A=面積B分析開關(guān)電源中電容和電感的幾條原則：分析開關(guān)電源中電容和電感的幾條原則：電容兩端的電壓不能突變 (當(dāng)電容足夠大時(shí),可認(rèn)為其電壓不變)。電感中的電流不能突變 (當(dāng)電感足夠大時(shí),可認(rèn)為其電流恒定不變)。流經(jīng)電容的電流平均值在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)為零。電感兩端的伏秒積在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)必須平衡。dttduCti)(1)(dttdiLtu)()(TUIL*TIUC*恒流充電恒壓儲(chǔ)能兩個(gè)有用

6、的公式：兩個(gè)有用的公式：C:L:Buck電路工作原理分析：電路工作原理分析：VinVoDLIoSSULILVin-Vo-VooIIoD1-DT根據(jù)L的伏秒平衡原則：(Vin-Vo)*DT=Vo*(1-D)TVo=Vin *DL*Io=Vo *(1-D)TIs根據(jù)L在1-D時(shí)間的基本方程：Io=Vo *(1-D)T/LBuck電路的輸入輸出關(guān)系：電路的輸入輸出關(guān)系：00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.10.20.30.40.50.60.70.80.9110Vo D()10DVo/Vin = DBoost電路工作原理分析：電路工作原理分析：VinVoLIoSSULILV

7、inVo-VinD1-DT根據(jù)L的伏秒平衡原則：Vin*DT=(Vo-Vin)*(1-D)TVin *T=(1-D)TVoIsDVo=Vin/(1-D)IDIo00.10.20.30.40.50.60.70.80.91012345678910101Vo D()10DVo/Vin =1/(1-D)Boost電路的輸入輸出關(guān)系：電路的輸入輸出關(guān)系：理想變壓器的基本方程：理想變壓器的基本方程：理想變壓器模型：變壓器繞組完全耦合1.變壓器無氣隙且磁芯的導(dǎo)磁率無窮大I1N1N2u1u2I2電壓基本方程:dtdNu111N2N1dtdNu222212121NNuu電流基本方程:HdlINiiiBH 0ii

8、iIN1221NNII理想變壓器個(gè)繞組的電壓與匝數(shù)成正比，且同名端具有相同極性；各繞組電流與匝數(shù)乘積之和為零，即電流的變比與匝比成反比，且極性相反（點(diǎn)進(jìn)點(diǎn)出原則）。實(shí)際變壓器的分析方法：實(shí)際變壓器的分析方法：變壓器繞組不是完全耦合I1I1N2N112k21LkLmkkL2. 變壓器有氣隙或磁芯的導(dǎo)磁率有限0HdlINiiiI2Im當(dāng)副邊開路時(shí)I2=0mINHdl1Im即為原邊電感Lm（副邊不存在或開路時(shí)的電感）產(chǎn)生的電流，Lm稱為激磁電感或勵(lì)磁電感k可以認(rèn)為是由原邊串聯(lián)的電感Lk產(chǎn)生,其大小為副邊短路時(shí)原邊所測(cè)得的電感量， Lk稱為變壓器的漏感。實(shí)際變壓器的等效模型：實(shí)際變壓器的等效模型：理想

9、變壓器漏感Lk激磁電感Lm變壓器的伏秒平衡原則變壓器的伏秒平衡原則: 在穩(wěn)態(tài)工作過程中變壓器繞組兩端的正伏在穩(wěn)態(tài)工作過程中變壓器繞組兩端的正伏秒值等于負(fù)伏秒值秒值等于負(fù)伏秒值.V+V-ABV+V-AB面積A=面積B理想變壓器的電路變換關(guān)系：理想變壓器的電路變換關(guān)系：u1u2I2n:1I1Ru1I1Ru2=I2Ru1=nu2I1=I2/nR= u1/I1=(nu2)/(I2/n)=n2R電壓電流電阻電容電感功率副邊數(shù)值UIRCLP原邊等校值nUI/nn2Rn2Cn2LPNs:Np=n:1正激變換器（正激變換器（Forward）工作原理分析：工作原理分析：Io(Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D

10、)Tn:n:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVin2VinTr根據(jù)電感的伏秒平衡：Vo=VinD/n根據(jù)變壓器的伏秒平衡：VinDT=VinTrTr=DTTr (1-D)TD50%IL 根據(jù)電感的儲(chǔ)能關(guān)系：LIL = (1-D)T*Vo IL = (1-D)T*Vo/L IpIL00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.10.20.30.40.50.60.70.80.9110Vo D()10D正激變換器的輸入輸出關(guān)系正激變換器的輸入輸出關(guān)系:Vo=VinD/n反激變換器（反激變換器（Flyback）工作原理分析：工作原理分析：IoVinVoGDSVgsIDVdsD1-DTIpVLIoVin-nVoLmVinVin+nV o根據(jù)變壓器的伏秒平衡：DImn:1TDnVoDTVin)1 (*)1 (*DnDVinVo)1 (DVinnVoVinVdsVdsVoD,00.10.20.30.40.50.60.70.80.91012345678910100Vo D()Vds D()10D反激變換器的輸入輸出關(guān)系反激變換器的輸入輸出關(guān)系：)1 (*DnDVinVo)1 (DVinnVoVinVds小小 結(jié)結(jié)開關(guān)電源功率電路的五個(gè)基本元件