開關電源的結構和基本原理

1、青島科技大學青島科技大學總目錄總目錄開關電源的開關電源的基本原理基本原理開關電路的PWM控制原理元器件的實用選擇元器件的實用選擇軟開關新技術軟開關新技術高頻開關電源設計高頻開關電源設計自動化與電子工程學院自動化與電子工程學院電子信息科學與技術教研室電子信息科學與技術教研室 4一、一、 概論概論將將電網電網或或電池電池的的一次電能一次電能，轉換轉換為符合電子設備要求為符合電子設備要求的的二次電能二次電能，這樣的變換設備便是，這樣的變換設備便是電源電源。電源是一切電子設備的心臟，沒有電源，電子設備就電源是一切電子設備的心臟，沒有電源，電子設備就不可能工作。不可能工作。1.1.1 電源是什么？電源是

2、什么？1.1 電源及開關電源電源及開關電源電源常電源常用的連用的連接方式接方式串聯線性電源串聯線性電源高頻開關電源高頻開關電源1.1.2 1.1.2 串聯線性電源與開關電源的區(qū)分串聯線性電源與開關電源的區(qū)分 串聯線性電源：串聯線性電源： 電源調整管工作在放大狀態(tài)電源調整管工作在放大狀態(tài); ; 效率低，損耗大，溫升高。效率低，損耗大，溫升高。 開關電源：開關電源： 電源調整管工作在開關狀態(tài)的電源電源調整管工作在開關狀態(tài)的電源 ; ; 具有高功率密度、具有高功率密度、重量輕、體積小重量輕、體積小。 輸入輸入開關管開關管K負載負載 RL儲能儲能元件元件圖圖1-2開關電源開關電源模型圖模型圖輸入輸入電

3、源調整管電源調整管負載負載RL圖圖1-1串聯線性電源模型圖串聯線性電源模型圖61.1.3 開關電源的分類：開關電源的分類： 按變換方式可分為下列四大類：按變換方式可分為下列四大類：（1）：第一大類：）：第一大類：AC/DC開關電源開關電源；（2）：第二大類：）：第二大類：DC/DC開關電源開關電源；（3）：第三大類：）：第三大類：DC/AC開關電源；開關電源；（4）：第四大類：）：第四大類：AC/AC開關電源。開關電源。開關電源開關電源逆變器逆變器變頻器變頻器 按開關管和輸出之間是否有變壓器隔離可分為下列按開關管和輸出之間是否有變壓器隔離可分為下列兩大類：兩大類：（1）：第一大類：無）：第一大

4、類：無變壓器的變壓器的非隔離式；非隔離式；（2）：第二大類：有）：第二大類：有變壓器的變壓器的隔離式隔離式。1.2 直流穩(wěn)壓電源 直流穩(wěn)壓電源是電子、電器、自動化設備中最基本的部分。直流穩(wěn)壓電源是電子、電器、自動化設備中最基本的部分。傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源是采用傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源是采用串聯式線性轉換方法串聯式線性轉換方法設計制作的。設計制作的。圖圖1-3 晶體管串聯式線性穩(wěn)壓電源晶體管串聯式線性穩(wěn)壓電源 1.2.1 直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展 當今計算機及自動化設備上大多數控制電源都向當今計算機及自動化設備上大多數控制電源都向低壓低壓大電流、高效率、重量輕、體積小大電流、高效率、重量輕、體積小的方向發(fā)展。在這種要

5、的方向發(fā)展。在這種要求面前首先得到發(fā)展的是晶體管串聯式開關穩(wěn)壓電源。求面前首先得到發(fā)展的是晶體管串聯式開關穩(wěn)壓電源。 圖圖1-4 晶體管串聯式開關穩(wěn)壓電源晶體管串聯式開關穩(wěn)壓電源隨著電力電子技術的發(fā)展，大功率開關晶體管、快恢隨著電力電子技術的發(fā)展，大功率開關晶體管、快恢復二極管及其它復二極管及其它元器件的電壓得到很大的提高元器件的電壓得到很大的提高，這為取消，這為取消穩(wěn)壓電源中的穩(wěn)壓電源中的工頻變壓器工頻變壓器，發(fā)展高頻開關電源創(chuàng)造了條件。，發(fā)展高頻開關電源創(chuàng)造了條件。它使電源在小型化、輕量化、高效率等方面又邁進了它使電源在小型化、輕量化、高效率等方面又邁進了一步。一步。圖圖1-5 無工頻變壓

6、器的開關電源原理框圖無工頻變壓器的開關電源原理框圖 10A：一次電源產品的圖片一次電源產品的圖片（AC/DC）常見開關電源圖片常見開關電源圖片11B：工業(yè)電源產品的圖片工業(yè)電源產品的圖片標準產品標準產品（AC/DC）12C：工業(yè)電源產品的圖片工業(yè)電源產品的圖片（AC/DC）13E：工業(yè)電源產品的圖片工業(yè)電源產品的圖片（AC/DC）14F：二次電源產品的圖片二次電源產品的圖片（DC/DC）-標準轉換類標準轉換類Full BrickHalf BrickHalf Brick1/4 Brick1/8 Brick15G：二次電源產品的圖片二次電源產品的圖片（DC/DC）彩電開關穩(wěn)壓電源1.3 1.3 開

7、關穩(wěn)壓電源的特點開關穩(wěn)壓電源的特點1.3.1 1.3.1 優(yōu)點優(yōu)點1.1.效率高。一般在效率高。一般在7 70 09 90%0%以上。以上。而相應的線性穩(wěn)壓電源的效而相應的線性穩(wěn)壓電源的效率僅有率僅有50%左右。左右。 2.2.體積小、重量輕，隨著頻率的提高，收效更顯著。體積小、重量輕，隨著頻率的提高，收效更顯著。 3.3.穩(wěn)壓范圍廣，一般交流輸入穩(wěn)壓范圍廣，一般交流輸入8080265265V V，負載作大幅度變化時，負載作大幅度變化時，性能很好。性能很好。 4.4.噪聲低，聲頻在噪聲低，聲頻在2020kHzkHz以上時，已是人耳聽不到的超聲波，以上時，已是人耳聽不到的超聲波，而開關電源的工作

8、頻率一般都大于此頻率；而開關電源的工作頻率一般都大于此頻率； 5.5.性能靈活，通過輸出隔離變壓器，可得到低壓大電流、高壓性能靈活，通過輸出隔離變壓器，可得到低壓大電流、高壓小電流；一個開關控制的一路輸入可得到多路輸出以及同號、小電流；一個開關控制的一路輸入可得到多路輸出以及同號、反號等輸出；反號等輸出； 6.6.電壓維持時間長，為了適應交流停電時，計算機、現代自動電壓維持時間長，為了適應交流停電時，計算機、現代自動化控制設備電源轉換的需要，開關電源可在幾十毫秒內保證仍化控制設備電源轉換的需要，開關電源可在幾十毫秒內保證仍有電壓輸出。有電壓輸出。 7.7.可靠性大，當開關損壞時，也不會有危及負

9、載的高電壓出現。可靠性大，當開關損壞時，也不會有危及負載的高電壓出現。 1.3.2 1.3.2 開關穩(wěn)壓電源的不足之處開關穩(wěn)壓電源的不足之處1.1.輸出紋波較大，約有輸出紋波較大，約有1010100100mVmV的峰峰值；的峰峰值； 2.2.脈沖寬度調制式的電路中，電壓、電流變化率大；脈沖寬度調制式的電路中，電壓、電流變化率大；3.3.控制電路比較復雜，對元器件要求高；控制電路比較復雜，對元器件要求高；4.動態(tài)響應時間至少要大于一個開關周期，不如串聯動態(tài)響應時間至少要大于一個開關周期，不如串聯式晶體管線性穩(wěn)壓電源。式晶體管線性穩(wěn)壓電源。 二、二、 開關電源的基本工作原理開關電源的基本工作原理功

10、能：功能：通過高頻開關技術將輸入較高的交流電壓通過高頻開關技術將輸入較高的交流電壓(AC)轉換為電子或電器設備工作所需要的直流電壓轉換為電子或電器設備工作所需要的直流電壓(DC) 。中心思想：中心思想：用提高工作頻率等手段來提高電源的功率用提高工作頻率等手段來提高電源的功率密度，進而達到密度，進而達到減少變壓器的體積減少變壓器的體積和和重量重量的目的。的目的。采采用開關變換的顯著優(yōu)點是大大提高了電能的轉換效率，用開關變換的顯著優(yōu)點是大大提高了電能的轉換效率，典型的開關電源效率為典型的開關電源效率為70%-80%，穩(wěn)定原理穩(wěn)定原理：依賴對脈沖寬度的改變來實現輸出電壓依賴對脈沖寬度的改變來實現輸出

11、電壓的穩(wěn)定，稱做的穩(wěn)定，稱做脈寬調制脈寬調制PWM。共軛濾共軛濾波器波器整流整流濾波濾波開關調開關調整管整管儲能儲能元件元件脈沖整脈沖整流濾波流濾波取樣取樣電路電路比較比較放大放大基準基準220V交流交流電壓輸入電壓輸入功能：功能：將將220V交流電交流電壓轉換為電路所需要的壓轉換為電路所需要的各種穩(wěn)定的直流電。各種穩(wěn)定的直流電。2.1 高頻開關電源的基本結構 圖圖2-1 高頻變壓器開關電源基本功能框圖高頻變壓器開關電源基本功能框圖 2.作用：作用：雙向濾波雙向濾波 避免電網供電線引入高頻脈沖影響電子電路；避免電網供電線引入高頻脈沖影響電子電路； 防止開關電源對電網造成污染防止開關電源對電網造

12、成污染。S1C1 0.1uL2220V市電市電 至整流濾至整流濾波電路波電路F1 T2.5AC02 0.1u2.2.1、進線抗電磁干擾電路（、進線抗電磁干擾電路（EMI）2.2 輸入共軛濾波及整流輸入共軛濾波及整流 1.電路組成：電路組成：由一個線圈和兩個電容組成由一個線圈和兩個電容組成圖圖2-2 EMI原理圖原理圖3.工作原理：工作原理： 對高頻干擾信號而言，電容呈短路，而電對高頻干擾信號而言，電容呈短路，而電感則呈開路。高頻干擾被電容短路。感則呈開路。高頻干擾被電容短路。 對對50Hz低頻而言，電容呈開路，而電感則低頻而言，電容呈開路，而電感則呈短路。因此，呈短路。因此，50Hz市電可以順

13、利通過。市電可以順利通過。S1C1 0.1uL220V市電市電 至整流濾至整流濾波電路波電路F1 T2.5AC2 0.1uF1 T2.5AS1C1 0.1uL220V市電市電 至整流濾至整流濾波電路波電路C2 0.1u4.輸入輸入220V交流電壓的檢測交流電壓的檢測220V交流交流 輸入輸入交流電壓交流電壓500V檔檔正常值正常值:220V15%(187V253V)共軛濾波器共軛濾波器5.常用常用EMI電路電路: 通常有兩級通常有兩級EMI圖圖2.3 兩級兩級EMI電路圖電路圖 由一個由一個全橋全橋（由四個二極管組（由四個二極管組成）和兩個成）和兩個高壓電解電容高壓電解電容組成。把組成。把22

14、0V交流市電轉換成交流市電轉換成290V直流電。直流電。2.2.2、高壓高壓整流濾波整流濾波電路電路1.電路組成：電路組成：圖2.3單相橋式整流電路2.2.整流電路工作原理整流電路工作原理 當正半周時，二極管當正半周時，二極管D1、D3導通導通，在負載電阻上得到正弦波的，在負載電阻上得到正弦波的正半周。正半周。 當負半周時二極管當負半周時二極管D2、D4導通導通，在負載電阻上得到正弦波的負半周。在負載電阻上得到正弦波的負半周。 在負載電阻上正負半周經過合成，在負載電阻上正負半周經過合成，得到的是得到的是同一個方向的單向脈動電壓同一個方向的單向脈動電壓。3.3.負載上的直流電壓和直流電流負載上的

15、直流電壓和直流電流 輸出電壓是單相脈動電壓。通輸出電壓是單相脈動電壓。通常用它的平均值與直流電壓等效。常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為輸出平均電壓為2202O9 . 022dsin21VVttVV 流過負載的平均電流為流過負載的平均電流為LORVRVRVI L2L2O9 . 022L2L2LD45. 022RVRVII 流過二極管的平均電流為流過二極管的平均電流為2Dmax2VV 二極管所承受的最大反向電壓二極管所承受的最大反向電壓動畫5-44.濾波電路濾波的基本概念：濾波的基本概念：利用利用電抗性元件電抗性元件對對交、直流阻抗交、直流阻抗的不同，的不同，實現濾波。實現濾波。 電容

16、器電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以對直流開路，對交流阻抗小，所以C應應該并聯在負載兩端。該并聯在負載兩端。 電感器電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L 應與負載串聯。應與負載串聯。 經過濾波電路后，既可經過濾波電路后，既可保留直流分量保留直流分量、又可濾、又可濾掉一部分掉一部分交流分量交流分量，改變了改變了交直流成分交直流成分的比例，的比例，減減小了電路的脈動系數小了電路的脈動系數，改善了直流電壓的質量。，改善了直流電壓的質量。電容濾波電路電容濾波電路 單相橋式電容濾波整流電路。單相橋式電容濾波整流電路。在負載電阻上并聯了一個濾波電容在負載電阻上并聯

17、了一個濾波電容C。當當v2到達到達90時時，v2開始開始下降。先假設二極管關斷，下降。先假設二極管關斷，電容電容C就要以指數規(guī)律向就要以指數規(guī)律向負載負載L放電。指數放電起放電。指數放電起始點的放電速率很大。始點的放電速率很大。5.5.濾波原理濾波原理 若電路處于正半周，二極管若電路處于正半周，二極管D1、D3導通，變壓器次導通，變壓器次端電壓端電壓v2給電容器給電容器C充電。此時充電。此時C相當于并聯在相當于并聯在v2上，所以上，所以輸出波形同輸出波形同v2 ，是正弦形。是正弦形。 圖圖2.4電容濾波波形圖電容濾波波形圖 所以，在所以，在t1到到t2時刻，二極管導時刻，二極管導電，電，充電，

18、充電，vC=vL按正弦規(guī)律變按正弦規(guī)律變化；化；t2到到t3時刻二極管關斷，時刻二極管關斷，vC=vL按指數曲線下降，放電時間常數為按指數曲線下降，放電時間常數為RLC。 在剛過在剛過90時時，正弦曲線下降，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過的速率很慢。所以剛過90時時二極管仍然導通。二極管仍然導通。在超過在超過90后的某個點后的某個點，正弦曲線下降的，正弦曲線下降的速率越來越快，二極管關斷。速率越來越快，二極管關斷。 需要指出的是，當需要指出的是，當 放電時間常數放電時間常數RLC增加增加時，時， t1點要右移，點要右移， t2點要左移，點要左移， 二極管關斷時間加長，二極管關斷時間加長， 導

19、通角減小，見導通角減小，見曲線曲線3； 反之，反之，RLC減少時減少時，導通，導通 角增加。顯然，當角增加。顯然，當L很很 小，即小，即IL很大時，電容濾很大時，電容濾 波的效果不好，見波的效果不好，見濾波曲線濾波曲線 中的中的2。反之，當。反之，當L很大，很大， 即即IL很小時，盡管很小時，盡管C較小較小, RLC仍很大仍很大,電容濾波的效果也很好電容濾波的效果也很好,見濾波見濾波曲線中的曲線中的3。所以。所以電容濾波適合輸出電流較小的場合電容濾波適合輸出電流較小的場合。 圖圖2.5 電容濾波的效果電容濾波的效果問題：問題：有有無無L即空載，此時即空載，此時VC=VO=？6.6.電容濾波的計

20、算電容濾波的計算 電容濾波的計算比較麻煩，因為決定輸電容濾波的計算比較麻煩，因為決定輸出電壓的因素較多。一般常采用以下近似出電壓的因素較多。一般常采用以下近似估算法：估算法：)41(2L2OCRTVV 一種是用鋸齒波近似表示，即一種是用鋸齒波近似表示，即 另一種是在另一種是在RLC=(3 5)T/ 2的條件下，近似的條件下，近似認為認為VO=1.2V2。（。（或者，或者，電容濾波要獲得較好電容濾波要獲得較好的效果，的效果，工程上也工程上也通常應滿足通常應滿足 RLC610。）。）7. 220V交流電壓整流濾波后直流電壓的檢測交流電壓整流濾波后直流電壓的檢測直流電壓直流電壓500V檔檔來自共來自

21、共軛濾波軛濾波器的器的220V交流電交流電壓壓正常值為正常值為290V左右左右 對于輸入與輸出電壓之間不需隔離，只用一個工作開關管對于輸入與輸出電壓之間不需隔離，只用一個工作開關管VTVT和電感和電感L L、二極管二極管D D、電容電容C C組成的變換器電路最基本的為如組成的變換器電路最基本的為如下三種，其原理電路如圖下三種，其原理電路如圖2.62.6所示。所示。（1 1）串聯開關或降壓）串聯開關或降壓變換器（變換器（buck converterbuck converter）（2 2）并聯開關或升壓并聯開關或升壓變換器（變換器（boost converterboost converter）（3

22、 3）串串并聯開關并聯開關或降、升壓變換器或降、升壓變換器（buck-boost converterbuck-boost converter）圖圖2.6 非非隔離式的隔離式的DCDC變換電路變換電路 2.32.3非隔離式開關電源工作過程非隔離式開關電源工作過程調整輸出電壓的方法：調整輸出電壓的方法：tVitVktVoVitonTVoVkKR L電壓電壓 變換器變換器VO = Vi =D VitonT占空比占空比 只要改變開關脈沖的只要改變開關脈沖的“占空比占空比”，就可以，就可以改變輸出電壓的高低。改變輸出電壓的高低。 在具體電路中，可以使開關脈沖頻率固定，在具體電路中，可以使開關脈沖頻率固定

23、，改變開關管導通時間改變開關管導通時間ton而改變輸出電壓高而改變輸出電壓高低。這種電源稱為低。這種電源稱為“調寬式調寬式”開關電源。開關電源。PWM 也可以使開關管截止時間不變，只改變開也可以使開關管截止時間不變，只改變開關管導通時間長短而改變輸出電壓高低。關管導通時間長短而改變輸出電壓高低。這種電源稱為這種電源稱為“調頻調寬調頻調寬”式開關電源。式開關電源。PFM 電路中電路中VT為開關管，工作于開關狀態(tài)（為開關管，工作于開關狀態(tài)（VT飽飽和導通時相當于一只和導通時相當于一只接通的開關接通的開關，VT截止時截止時相當于一只相當于一只斷開的開關斷開的開關）。）。 電感電感L和電容和電容C為儲

24、能元件。為儲能元件。 RL為電源的負載。為電源的負載。 D為續(xù)流二極管，它在開關管截止時導通，為續(xù)流二極管，它在開關管截止時導通，保證電感保證電感L中的電流不中斷。中的電流不中斷。2.3 .12.3 .1串聯型（串聯型（Buck） 開關電源工作過程開關電源工作過程LVTDCR L圖圖2.5（a)串聯型開關電源基本電路串聯型開關電源基本電路+290V 開關管飽和導通時，開關管飽和導通時，290V電源通過開關管電源通過開關管Q，電電感感L和負載和負載RL形成電流回路，同時向電容器形成電流回路，同時向電容器C充電，充電，在電感在電感L和電容和電容C中同時儲能。中同時儲能。 二極管二極管D處于反向截止

25、狀態(tài)。處于反向截止狀態(tài)。 由于電感由于電感L中突然出現電流，將在中突然出現電流，將在L兩端產生左正兩端產生左正右負的自感電動勢，負載兩端電壓等于右負的自感電動勢，負載兩端電壓等于290V電源電源電壓與電壓與L兩端自感電動勢之差。兩端自感電動勢之差。IQI LICIRVT圖圖2.5 （b)開關管飽和時的等效電路開關管飽和時的等效電路D+290VR LLC+- 開關管截止時，由于電感線圈中電流的突然中斷，開關管截止時，由于電感線圈中電流的突然中斷，將在電感將在電感L兩端產生兩端產生左負右正左負右正的自感電動勢，該自的自感電動勢，該自感電動勢使續(xù)流二極管感電動勢使續(xù)流二極管D導通，形成電流回路。導通

26、，形成電流回路。 同時，電容同時，電容C也通過也通過RL放電。放電。 可見負載電流由可見負載電流由電感電流電感電流與與電容放電電流電容放電電流兩路同時兩路同時提供。提供。 雖然開關管截止了，但是雖然開關管截止了，但是負載電流并沒有中斷負載電流并沒有中斷。ICI LIDD圖圖2.5 （c)開關管截止時的等效電路開關管截止時的等效電路VT+290VR LCL2.3.1串聯開關（降壓）變換器設計計算串聯開關（降壓）變換器設計計算a） 電路拓撲電路拓撲 b）工作波形工作波形圖圖2.7 Buck converter （一）在開關（一）在開關VTVT導通期間導通期間 min01LinLItLUUi min

27、0maxLoninLItLUUI a） 電路拓撲電路拓撲 b）工作波形工作波形圖圖2.7 Buck converter （二）在開關（二）在開關VTVT截止期間截止期間 max02)(LonLIttLUi 1.1.臨界連續(xù)工作狀態(tài)臨界連續(xù)工作狀態(tài)2.2.電流斷續(xù)的工作狀態(tài)電流斷續(xù)的工作狀態(tài)3.3.電流連續(xù)的工作狀態(tài)電流連續(xù)的工作狀態(tài) ( (三三) )電感電流的平均值計算電感電流的平均值計算 0IIL min02LoffItLU （四）輸出電壓紋波值的計算（四）輸出電壓紋波值的計算 ononttoninindttLUUtLUUCU2/)2(1000120020)(88inSinoninUTULC

28、UUtLCUU02U208offtCLUa）電路拓撲電路拓撲 b）工作波形工作波形圖圖2.8 Boost converter1.1.在在 期間期間 ontmin1LinLItLUi minmaxLoninLItLUI 2.2.在在 期間期間 offtmax02)(LoninLIttLUUi 2.3.2并聯開關（升壓并聯開關（升壓BoostBoost）變換器）變換器 設計計算設計計算3.3.負載電流的平均值負載電流的平均值 0ISoffninothTtLtUI 204.4.輸入電流的平均值輸入電流的平均值 1I onSontTtVDSLSLdtiTdtiTII0111121minmaxLLII

29、5.5.輸出電壓輸出電壓 的紋波計算的紋波計算 0UCtIuUonC00 SinTUUUCI000 2.3.3 串串-并聯并聯BuckBoost converter 圖2.9 BuckBoost converter ttininoffonUUUUtt 10002202LITtUUSonin SoffoninthTtLtUI 20offSoninPKtTILtUI02SoffoninPKoninTtItUItUL 0min22000)(2ininSUUUITU 圖2.10 Buck-Boost converter工作波形圖 CtIuonc0 SinTUUUCI 000電路類型電路類型傳輸功率傳輸

30、功率升壓式變換器升壓式變換器30W降壓式變換器降壓式變換器50W升壓升壓-降壓變換器降壓變換器30非隔離式三種開關電源所適用的功率范圍表非隔離式三種開關電源所適用的功率范圍表適用于非隔離的單路輸出情況。適用于非隔離的單路輸出情況。圖圖2-1(a) 高頻變壓器開關電源基本結構框圖高頻變壓器開關電源基本結構框圖共同特點共同特點: :具有具有高頻變壓器高頻變壓器, ,直流穩(wěn)壓是從變壓器次級繞組直流穩(wěn)壓是從變壓器次級繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。的高頻脈沖電壓整流濾波而來。變壓器變壓器原副方是隔離的原副方是隔離的，而輸入電壓是直接從交流市電整，而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。流得到的高

31、壓直流。 2.42.4變壓器型開關電源工作過程變壓器型開關電源工作過程 圖圖2.1(b)開關電源原理示意圖開關電源原理示意圖2.4.1 高頻變壓器變換電路高頻變壓器變換電路工作方式工作方式分分類類按其按其工作方式工作方式可分為可分為五類五類,每類傳輸的功率也不相同，應用環(huán)境每類傳輸的功率也不相同，應用環(huán)境也稍有不同，如下所示：也稍有不同，如下所示：電路類型電路類型傳輸功率傳輸功率應用環(huán)境應用環(huán)境單端反激式單端反激式變換器變換器20100W小型儀器、儀表，家用電器等電小型儀器、儀表，家用電器等電源，自動化設備中的控制電源源，自動化設備中的控制電源單端正激式單端正激式變換器變換器50200W小型儀

32、器、儀表，家用電器等電小型儀器、儀表，家用電器等電源，自動化設備中的控制電源源，自動化設備中的控制電源推挽變換器推挽變換器100500控制設備，計算機等電源控制設備，計算機等電源半橋式變換半橋式變換器器1005000W焊機，超聲電源，計算機電源等焊機，超聲電源，計算機電源等全橋式變換全橋式變換器器500W30kW焊機、高頻感應加熱，交換機等焊機、高頻感應加熱，交換機等2.4.2單端反激式單端反激式變壓器型開關電源工作原理 開關管飽和導通，開關管電流在開關變壓器開關管飽和導通，開關管電流在開關變壓器初級初級產生產生上正下負上正下負的自感電動勢，的自感電動勢，次級次級產生產生上負下正上負下正的互感

33、電動勢。的互感電動勢。 整流二極管整流二極管D截止，由電容器截止，由電容器C放電形成負載放電形成負載電流。電流。290VVTDRL（a )基本電路基本電路C+290V e1+e2VT+_RL( b )開關管飽和導通開關管飽和導通DCT 開關管截止，變壓器初級電流中斷，于是在開關管截止，變壓器初級電流中斷，于是在初級繞組產生反方向的自感電動勢（初級繞組產生反方向的自感電動勢（上負下上負下正正），次級互感電動勢也反一個方向。），次級互感電動勢也反一個方向。 次級互感電動勢使整流二極管次級互感電動勢使整流二極管D導通，開關導通，開關變壓器次級電流一方面流入負載，另一方面變壓器次級電流一方面流入負載，

34、另一方面向電容器向電容器C充電儲能，以便開關管再次導通時充電儲能，以便開關管再次導通時向負載釋放能量。向負載釋放能量。e1_+IRL290VCVTD（ c )開關管截止開關管截止T_+e2290VVTDRL（a )基本電路基本電路C2.4.3單端反激式單端反激式開關穩(wěn)壓電源電路工作過程開關穩(wěn)壓電源電路工作過程 1.能量轉換過程能量轉換過程VT導通，導通，D截止，截止，T吸收能量。吸收能量。VT截止，截止，D導通，導通，T釋放能量。釋放能量。傳遞的能量越多，負載兩端傳遞的能量越多，負載兩端形成的電壓就越高形成的電壓就越高*VTTD 2.穩(wěn)壓過程穩(wěn)壓過程取樣取樣電路電路比較比較放大放大基準基準脈沖

35、產脈沖產生與脈生與脈寬控制寬控制VTTD2.4.3單端反激式單端反激式開關穩(wěn)壓電源電路工作過程開關穩(wěn)壓電源電路工作過程*2.4.4 尖峰脈沖防護電路尖峰脈沖防護電路 接在開關變壓器初級的接在開關變壓器初級的R、C、D組成尖峰脈沖防護電組成尖峰脈沖防護電路。路。 在開關管截止瞬間，開關在開關管截止瞬間，開關變壓器初級電感與分布電變壓器初級電感與分布電容之間形成諧振，產生很容之間形成諧振，產生很高的尖峰脈沖，該尖峰脈高的尖峰脈沖，該尖峰脈沖有可能擊穿開關管。沖有可能擊穿開關管。 接入接入R、C、D以后，使這以后，使這種諧振被種諧振被“阻尼阻尼”，避免，避免了過高尖峰脈沖的出現，了過高尖峰脈沖的出現

36、，保護了開關管。保護了開關管。開關管開關管VTR 68C 680P/2KV開關開關 變壓器變壓器 T+300V D2.4.5單端反激式開關電源理論分析與計算單端反激式開關電源理論分析與計算 2.4.5.1 2.4.5.1 工作原理分析 1.1.在開關在開關VTVT導通期間：導通期間： maxmin)(PPonPinonPIItLUti 2.2.在開關在開關VT截止期間截止期間 offOPPofftLUINNti2max22)( offPonPinPtLUItLUNN20min2 圖圖2.7 單端反激式變換器單端反激式變換器2.4.5.2 2.4.5.2 單端反激式變換器的三種工作狀態(tài)：單端反激

37、式變換器的三種工作狀態(tài)： 1 1 磁通臨界連續(xù)的工作情況：磁通臨界連續(xù)的工作情況： 02UNNUuPince oninPoninPPonPinPofftUUNNtUULLNNtULLNUNt02022022 0UinoffonPoffonPinPUttNNttLULNN 222 圖圖2.8 臨界連續(xù)狀態(tài)時的電壓電流波形臨界連續(xù)狀態(tài)時的電壓電流波形2 2 磁通不連續(xù)的工作狀態(tài)磁通不連續(xù)的工作狀態(tài) 圖圖2.9 磁通不連續(xù)時的工作波形磁通不連續(xù)時的工作波形oninPofftUUNNt02 )()(20max220max22onPPonttLUINNttLUIi ontPinSdtiUTP011 on

38、tPSoninpinSLTtUtdtLUT022221 ttSont diUTP2001PSoninttononPPSLTtUttdttLUINNTUon2)()(22)(020max20 PSLoninLTRtUU20 3 3 磁通連續(xù)的工作狀況磁通連續(xù)的工作狀況圖圖2.10磁通連續(xù)時的工作波形磁通連續(xù)時的工作波形 )(20max22onttLUIi )()(20min2onPonPinPttLUItLUNN nUUttNNUnUUUTtinttinoffonPtinSon 1200002UNNUuPince )11(1tintintinUUU inttonSSPthoninPKUPnInt

39、TITLtUI 0002)1(2)(2 2122minPoffLSoninPLtnRTtUI 2.4.6 2.4.6 輸入電壓輸入電壓U Uinin與導通比與導通比的對應關系的對應關系 00UUUin 由于輸入電壓最高時，相應的導通比是最小，輸入電由于輸入電壓最高時，相應的導通比是最小，輸入電壓最低時，相應的導通比是最大。因此，輸入電壓與導通壓最低時，相應的導通比是最大。因此，輸入電壓與導通比是比是一一對應一一對應，相互制約相互制約的。的。 運行中由于閉環(huán)調節(jié)，這種相互適應是自動的。但必運行中由于閉環(huán)調節(jié)，這種相互適應是自動的。但必須指出的是，由控制電路振蕩器和須指出的是，由控制電路振蕩器和P

40、WMPWM門閂電路本身固有的門閂電路本身固有的最大最小導通比，一定要與運行條件所需的最大最小導通最大最小導通比，一定要與運行條件所需的最大最小導通比不矛盾，否則就會失調比不矛盾，否則就會失調。3.4.7 3.4.7 磁通復位問題磁通復位問題 PoffoninNNttUU20為了不致于出現磁路飽和每個開關周期工作磁通都能復位，因此：為了不致于出現磁路飽和每個開關周期工作磁通都能復位，因此： 1.1.單端反激式變換器開關變壓器的鐵芯都帶有單端反激式變換器開關變壓器的鐵芯都帶有氣隙氣隙 。2.2.原邊繞組電流實現原邊繞組電流實現脈沖限流控制脈沖限流控制。 inLttinHttUUUmaxmaxmin

41、min011 2.4.82.4.8 間歇振蕩問題 當電網電壓升到一定值而又負載電阻值很大的情況下，當電網電壓升到一定值而又負載電阻值很大的情況下，欲維持輸出電壓恒定，則脈寬調制器可能使脈寬減少到某欲維持輸出電壓恒定，則脈寬調制器可能使脈寬減少到某一極限值時，不能再減小了，只能以最小導通比運行，但一極限值時，不能再減小了，只能以最小導通比運行，但由于導通時所儲存的能量沒有釋放回路，就有可能出現：由于導通時所儲存的能量沒有釋放回路，就有可能出現：有的振蕩周期沒有有的振蕩周期沒有PWMPWM脈沖輸出，開關管不導通，有脈沖輸出，開關管不導通，有的振蕩周期就很寬，變成了作周期性或非周期性的間歇振的振蕩周

42、期就很寬，變成了作周期性或非周期性的間歇振蕩器，這時輸出電壓不穩(wěn)，紋波大，變壓器發(fā)出刺耳的哨蕩器，這時輸出電壓不穩(wěn)，紋波大，變壓器發(fā)出刺耳的哨叫聲。叫聲?？朔@一問題的辦法之一，也是最安全和可靠的辦法克服這一問題的辦法之一，也是最安全和可靠的辦法是在付繞組中加一固定負載電阻（是在付繞組中加一固定負載電阻（假負載假負載），以防負載開），以防負載開路，這樣電網電壓最高，負載開路了，由于有固定的假負路，這樣電網電壓最高，負載開路了，由于有固定的假負載，脈寬保證有一最小的寬度而不致于出現間歇振蕩現象。載，脈寬保證有一最小的寬度而不致于出現間歇振蕩現象。最小的脈寬是由控制電路振蕩器的最小導通比決定的。最

43、小的脈寬是由控制電路振蕩器的最小導通比決定的。 2 2.5 .5 單端正激式變換器單端正激式變換器 圖2.19正激式變換器的原理電路圖圖2.20 正激式變壓器等效電路2 2.5 .5 單端正激式變換器單端正激式變換器 nUTtnUUUnUUttintSonininoffon000onontfinSintfinSLdttLUUITUdtiUTP00min00120min0onfinSonintLUUITtUmaxPPKPKIIIonpintintLUUP02PSmLoninLTKRtUU20圖圖2.21單端正激式變換器的單端正激式變換器的電壓電流波形電壓電流波形 2 2.6 .6 半橋式變換器半

44、橋式變換器 2.6.1 工作原理 圖圖2.22 半橋式變換器原理電路半橋式變換器原理電路2 2.6 .6 半橋式變換器半橋式變換器 2.6.1 工作原理 002UnUUttinoffon tinoffononinnUtttnUU )(20 onontfinSintfinSLdttLUUITUdtiUTP00min00)21(2122210min0onfinSonintLUUITtU 00220)(2)21(2)21(nItUTPntUnUULonintSonininthf mSPLoninKTLRtUU40 圖8-23 半橋式變換器的工作波形 圖8-24 串聯電容半橋式變換器原理電路 （a）串

45、聯電容前交流電壓，斜格面積表示A1、A2的伏秒值不平衡波形（b）串聯電容、變壓器原邊的伏秒值得到了平衡圖8-25 變壓器原邊串聯電容后的工作波形圖8-23 半橋式變換器的工作波形 圖8-24 串聯電容半橋式變換器原理電路 （a）串聯電容前交流電壓，斜格面積表示A1、A2的伏秒值不平衡波形（b）串聯電容、變壓器原邊的伏秒值得到了平衡圖8-25 變壓器原邊串聯電容后的工作波形2.6.2 串聯耦合電容C3的選擇 fSfLnfLnfC2222223441)1(2100mtinPKtonPKonKUPItdttItIon)1 ()1 (30303minSontinmCKCUPTtCUKPU33CUtIC

46、202016075. 0)1 (inSinmSUPTUKTP2 2.7 .7 全橋式變換器的開關電源 圖2.26 全橋式變換器主電路2.7.1 全橋式變換器的工作原理 nUTtnUUintSonin 0dttLUUITUdtiUTPfintSinfintSLonon)(10min00020min0onfinSonintLUUITtUonfinoninStLUUtUPTI200min0tinoninSonfinPKUPtUPTtLUUI 00022 0220222PKTUKPtULmStinmtoninP mSPLoninKTLRtUU20 2 2.7 .7 全橋式變換器的開關電源 圖226 全

47、橋式變換器主電路2.7.1 全橋式變換器的工作原理 nUTtnUUintSonin0dttLUUITUdtiUTPfintSinfintSLonon)(10min00020min0onfinSonintLUUITtUonfinoninStLUUtUPTI200min0圖圖8-27 全橋式變換器的工作波形全橋式變換器的工作波形三、開關電路的PWM控制原理 開關電源的開關電源的PWM控制原理可用圖控制原理可用圖3 3.1.1的電路說明的電路說明。它由它由開關管開關管、濾波電路濾波電路、比較器比較器、三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器、比較放大器比較放大器和和基準源基準源等部分構成。等部分構成。 圖圖3 3.

48、1 .1 開關型穩(wěn)壓電源原理圖開關型穩(wěn)壓電源原理圖3.1 PWM控制基本原理 三角波發(fā)生器通過比較器產生一個方波三角波發(fā)生器通過比較器產生一個方波vB，去控去控制開關管的通斷。制開關管的通斷。 開關管導通時，向電感充電。當開關管截止時，開關管導通時，向電感充電。當開關管截止時，必須給電感中的電流提供一個泄放通路。必須給電感中的電流提供一個泄放通路。續(xù)流二極續(xù)流二極管管D即可起到這個作用，保護開關管。即可起到這個作用，保護開關管。 三角波三角波發(fā)生器通過發(fā)生器通過比較器產生比較器產生一個方波一個方波vB，去控制開關去控制開關管的通斷。管的通斷。 為了穩(wěn)定輸為了穩(wěn)定輸出電壓，按出電壓，按電壓電壓負

49、反饋方式負反饋方式引入引入反饋。反饋。 設輸出電壓設輸出電壓增加增加，FVO增加，增加，比較放大器的輸比較放大器的輸出出Vf減小，比較減小，比較器方波輸出的器方波輸出的toff增加，開關增加，開關管導通時間減小，管導通時間減小，輸出電壓輸出電壓下降下降。起到了穩(wěn)壓作用。起到了穩(wěn)壓作用。 輸出波形輸出波形見見圖圖3.2。開關管發(fā)射開關管發(fā)射極輸出電壓極輸出電壓VE為方波，為方波，由于濾波電由于濾波電感的存在，感的存在，使輸出電流使輸出電流iL為鋸齒波，為鋸齒波，趨于平滑。趨于平滑。輸出則為帶輸出則為帶紋波的直流紋波的直流電壓。電壓。 圖圖3.2開關電源波形圖開關電源波形圖qVTtVtVVTtVT

50、tvTtvTVTttIonIonCESIoffDE0EO)(1+)(1d1d1=11 q q稱為占空比稱為占空比 方波高電平的時方波高電平的時間占整個周期的間占整個周期的百分比。百分比。 忽略電感的直流電阻，輸出電壓忽略電感的直流電阻，輸出電壓VO即為即為vE的平均分的平均分量。于是有量。于是有在輸入電壓一定時，在輸入電壓一定時， 輸出電壓與占空比成正比。輸出電壓與占空比成正比。 可以通過改變比較器輸出方波的可以通過改變比較器輸出方波的占空比占空比q來控制來控制輸出電壓值。輸出電壓值。改變方波改變方波寬度的寬度的控制方式稱為控制方式稱為脈沖寬度調制脈沖寬度調制 (PWM)；改變方波改變方波頻率

51、的頻率的控制方式稱為控制方式稱為脈沖頻率調制脈沖頻率調制 (PFM)；1開關管工作在開關狀態(tài)，功耗大大降低，開關管工作在開關狀態(tài)，功耗大大降低， 電源效率大為提高；電源效率大為提高；2開關管在開關狀態(tài)下工作，為得到直流輸出，開關管在開關狀態(tài)下工作，為得到直流輸出， 必須在輸出端加濾波器；必須在輸出端加濾波器；3可通過脈沖寬度的控制方便地改變輸出電壓值；可通過脈沖寬度的控制方便地改變輸出電壓值；4由于開關頻率較高，濾波電容和濾波電感的體由于開關頻率較高，濾波電容和濾波電感的體 積可大大減小。積可大大減小。由以上分析可以得出如下結論：由以上分析可以得出如下結論：3.2 集成開關型控制器典型的開關電

52、源控制器和開關電源見下表典型的開關電源控制器和開關電源見下表 型號型號 電源范圍電源范圍/ /V 最大輸出電流最大輸出電流 /A 內部參考源內部參考源 /V 輸出級形式輸出級形式 UC3842 UC3842 1030V 單端單端CW34063 單端單端 TL494 7 TL494 740 0.2 5 40 0.2 5 推挽或單端推挽或單端 SG3524 8 SG3524 835 0.1 5 35 0.1 5 推挽推挽 SG3525 8SG3525 835 0.5 5 35 0.5 5 推挽推挽 LM2575 3.5LM2575 3.535 1 1.23 _35 1 1.23 _ 實際上就是一個

53、脈沖寬度調制（實際上就是一個脈沖寬度調制（PWM）控制器，控制器，經常也用于其它脈寬調制場合。經常也用于其它脈寬調制場合。集成開關穩(wěn)壓器，集成開關穩(wěn)壓器，一般有兩大類型一般有兩大類型。一類是包括開關管在內的一類是包括開關管在內的單片集成開關穩(wěn)壓器單片集成開關穩(wěn)壓器; ;另另一類稱為一類稱為開關電源控制器開關電源控制器，它不包括開關管。，它不包括開關管。3.2.1 3.2.1 集成集成開關穩(wěn)壓器概述開關穩(wěn)壓器概述LEDR105100R/0.25WR106R112R103R10427K/0.25WFU1D102D2C102C103C101Z1VCC7VR8RT/CT4GND5OUT6CS3COMP

54、1VF2IC102D10112345XS1XS5GNDDZNRTUR104RTNTC5D-11L10mHC1104J630BD12AC2471/2KC3471/2KGNDDC5471/2KVGNDDDC1100U/400VC40.01uD1FR107R147K-1/2TAR2180K-1Q1SSH5N50AR31.5RR41.5RR510KR61K123p11234p2IC101PC817R102R101R108560/0.25WR1101kR109560RR1111KIC103WL431C1042.2UR1072.2KC1052200P+5VR71K+5VGNDGNDVR1KDC250U/2

55、5VGNDD3E83-004*L10.150+5DC33300U/16VR851RDC41000U16V12345XS2XS5+5GNDGND1+12-12*D4SF34D5SF34Vin1GND2+12V3IC2UA7812UCVin2GND1-12V3IC3LM7912CT-12+12DC71000U/25VDC51000U/25VDC6470U/25VDC8470U/25VGND1C6222/2KVGNDDC9222/2KVGNDtV各管腳功能簡介如下各管腳功能簡介如下: 1腳腳-COMP是內部誤差放大器的輸出端，通常此腳與是內部誤差放大器的輸出端，通常此腳與2腳之腳之間接有反饋網絡，以

56、確定誤差放大器的增益和頻響。間接有反饋網絡，以確定誤差放大器的增益和頻響。 2腳腳-FEED BACK是反饋電壓輸入端，此腳與內部誤差放大是反饋電壓輸入端，此腳與內部誤差放大器同向輸入端的基準電壓器同向輸入端的基準電壓(一般為一般為 2.5V)進行比較，產生控制進行比較，產生控制電壓，控制脈沖的寬度。電壓，控制脈沖的寬度。 3.2.2 UC3842的工作原理及應用 3.2.2.1 UC3842的內部結構 利用開利用開關電源控關電源控制器可以制器可以方便地構方便地構成開關電成開關電源。源。 3.2.2 UC3842的工作原理及應用 3.2.2.1 UC3842的內部結構3腳腳-ISENSE是電流

57、傳感端。在外圍電路中，在功率開關管是電流傳感端。在外圍電路中，在功率開關管(如如VMos管管)的源極串接一個小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電的源極串接一個小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉換成電壓，流轉換成電壓，此電壓送入此電壓送入3腳，控制脈寬腳，控制脈寬。此外，當電源電壓。此外，當電源電壓異常時，功率開關管的電流增大，當取樣電阻上的電壓超過異常時，功率開關管的電流增大，當取樣電阻上的電壓超過1V時，時，UC3842就停止輸出，有效地就停止輸出，有效地保護了功率開關管保護了功率開關管。圖圖3.4 PWM工作時序圖工作時序圖PWM信號的上升沿由振蕩器下降沿決定，而信號的上升沿由振蕩器下降

58、沿決定，而PWM的下降沿由電感電流限值信號和誤差信號的下降沿由電感電流限值信號和誤差信號Ue共同決定，最大脈寬的下降沿受振蕩器上升共同決定，最大脈寬的下降沿受振蕩器上升沿控制。沿控制。3.2.2 UC3842的工作原理及應用 3.2.2.1 UC3842的內部結構4腳腳-RT/CT是定時端是定時端.鋸齒波振蕩器外接定時電容鋸齒波振蕩器外接定時電容C和定時和定時電阻電阻R的公共端。的公共端。 RT 5K f=1.72/RTCT5腳腳-GND是接地。是接地。 3.2.2 UC3842的工作原理及應用 3.2.2.1 UC3842的內部結構6腳腳-OUT是輸出端，此腳為圖滕柱式輸出，驅動能力是是輸出

59、端，此腳為圖滕柱式輸出，驅動能力是lA。圖騰柱結構對被驅動的功率管的關斷有利，因為當三極管圖騰柱結構對被驅動的功率管的關斷有利，因為當三極管VTl截止時，截止時，VT2導通，為功率管關斷時提供了低阻抗的反導通，為功率管關斷時提供了低阻抗的反向抽取電流回路，加速功率管的關斷。向抽取電流回路，加速功率管的關斷。3.2.2 UC3842的工作原理及應用 3.2.2.1 UC3842的內部結構7腳腳-Vcc是電源。當供電電壓低于是電源。當供電電壓低于 16V時，時，UC3824不工作不工作，此時耗電在，此時耗電在1mA以下。輸入電壓可以通過一個大阻值電阻從以下。輸入電壓可以通過一個大阻值電阻從高壓降壓

60、獲得。芯片工作后，輸入電壓可在高壓降壓獲得。芯片工作后，輸入電壓可在 10 30V之間波動之間波動，低于，低于 10V停止工作。工作時耗電約為停止工作。工作時耗電約為15mA。3.2.2 UC3842的工作原理及應用 3.2.2.1 UC3842的內部結構8腳腳-VREF是基準電壓輸出，可輸出精確的是基準電壓輸出，可輸出精確的 5V基準電壓基準電壓，電流可達，電流可達50mA。 圖圖3.3 CW34063的原理框圖的原理框圖CW34063是一個典型的性能優(yōu)良的開關電源控制器，其內部是一個典型的性能優(yōu)良的開關電源控制器，其內部的結構框圖如圖的結構框圖如圖3.3所示。所示。3.2.3 CW3406