開關(guān)電源基本原理與設(shè)計(jì)介紹

1、開關(guān)電源基本原理與設(shè)計(jì)介紹開關(guān)電源基本原理與設(shè)計(jì)介紹 Summaryn基本原理介紹n開關(guān)電源中的相關(guān)設(shè)計(jì) 基本原理介紹基本原理介紹 DC-DC變換器主要架構(gòu)及其拓補(bǔ) EMI 部分 PFC 部分 同步整流部分 均流技術(shù) 保護(hù)與控制線路SPS基本原理框圖基本原理簡(jiǎn)介 一般由三部分組成:一是輸入回路.二是輸出回路.三是控制回路. 輸入回路由EMI濾波電路.高壓整流濾波.隔離變壓器初級(jí)和高壓方波切割元件所組成，其與電網(wǎng)直接連接高電壓.輸出回路由隔離變壓器次級(jí).低壓整流濾波電路所組成，其與控制回路都由低壓電子元器件組成.輸入回路與輸出回路兩者間採(cǎi)用隔離變壓器進(jìn)行隔離確保人身與低壓電子器件之安全，這樣不僅

2、達(dá)到高低電壓隔離,還做到高低電壓的轉(zhuǎn)換功能. 工作原理工作原理 交流輸入電壓(AC)經(jīng)EMI濾波電路濾波一些電網(wǎng)來的干擾與雜訊後, 直接予以整流與濾波得到高壓直流(DC).再將直流高壓進(jìn)入方波切割器件(MOSFET)中,切割成20200KHZ的高頻電壓方波信號(hào).該方波信號(hào)進(jìn)入隔離變壓器初級(jí),而由次級(jí)所感應(yīng)出的低壓交流電勢(shì)經(jīng)整流濾波後,得到低壓穩(wěn)定直流輸出,供給負(fù)載.不管輸入電壓有無變化或輸出負(fù)載是否變動(dòng),都要保持輸出直流電壓的穩(wěn)定.因此,經(jīng)直流輸出監(jiān)控電路對(duì)輸出電壓加以監(jiān)控,並把信號(hào)回饋給PWM邏輯控制電路調(diào)整占空比.從而調(diào)整輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定效果.當(dāng)負(fù)載發(fā)生故障(如:短路,過載等)時(shí)可通過保護(hù)

3、電路把信號(hào)迅速回饋給PWM邏輯控制電路使方波切換元件停止工作,達(dá)到保護(hù)的功能. Boost DC-DC變換器主要架構(gòu)peak drain current .peak drain voltage 2. Boost (step up)Ideal transfer function Diode voltages (vrm Average diode currentsBoost變換器工作狀態(tài)Boost DC-DC變換器主要架構(gòu)DPS-350MB A BOOST CIRCUITBuck DC-DC變換器主要架構(gòu)1.Buck (step down) peak drain current Ideal tra

4、nsfer function peak drain voltageAverage diode currents Diode voltages (vrm) Buck變換器工作狀態(tài)Buck變換器工作原理 當(dāng)S關(guān)閉時(shí),電流就會(huì)順向地流經(jīng)電感器L,此時(shí)在負(fù)載上就會(huì)有帶極性的輸出電壓產(chǎn)生,如上面圖2所示,當(dāng)開關(guān)打開時(shí),電感器L會(huì)改變磁場(chǎng),二級(jí)體D則為順向偏壓狀態(tài),因此在電容器C中就會(huì)有電流流過,因此在負(fù)載RL上輸出電壓的極性仍是相同的,一般我們稱此二級(jí)體D為飛輪二級(jí)體. 由于此種轉(zhuǎn)換動(dòng)作,使得輸出電源是一種連續(xù)而非脈動(dòng)電流形式,相對(duì)的由于開關(guān)S在ON/OFF之間改變,所以輸入電流則為不連續(xù)形式,也就是所

5、謂的脈動(dòng)電流形式.Buck DC-DC變換器主要架構(gòu)n實(shí)際舉例 DPS-350MB A BUCK CIRCUITBuck&Boost DC-DC變換器主要架構(gòu)Voltage and current waveforms BuckBoostBUCK-BUST(FLYBACK)變換器n原理圖BUCK-BUST(FLYBACK)變換器n工作狀態(tài)BUCK-BUST(FLYBACK)變換器n工作原理 當(dāng)電路中的開關(guān)S關(guān)閉時(shí),電流就會(huì)流經(jīng)電感L,並將能量?jī)?chǔ)存于其中,由于電壓極性的關(guān)系,二級(jí)體D是在逆向偏壓狀態(tài),此時(shí)負(fù)載電阻RL上就沒有電壓輸出. 當(dāng)開關(guān)S打開時(shí),由于磁場(chǎng)的消失,電感L呈逆向極性,二級(jí)體D為順

6、向偏壓,環(huán)路中則有Ic感應(yīng)電流產(chǎn)生,因此負(fù)載RL上的輸出電壓極性正好和輸入電壓極性相反,由于開關(guān)ON/OFF的作用,使得電感器的電流交替地在輸入與輸出間,連續(xù)不斷的改變其方向,不過這二者電流都是屬于脈動(dòng)電流形式. 所以該變換器電路中,當(dāng)開關(guān)是在導(dǎo)通周期時(shí),能量是儲(chǔ)存在電感器裏,反之,當(dāng)開關(guān)是在打開周期時(shí)能量會(huì)轉(zhuǎn)移至負(fù)載上. Isolated Forward DC-DC變換器拓補(bǔ)3. Isolated ForwardIdeal transfer function Peak drain current Peak drain voltage Average diode currents Diode

7、voltages (vrm) Isolated Forward 工作原理 由于該轉(zhuǎn)換器中使用的隔離元件是一個(gè)真正的變壓器,因此為了獲得正確有效的能量轉(zhuǎn)移,必須在輸出端有電感器,作為次級(jí)感應(yīng)的能量?jī)?chǔ)存元件.而變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組有相同的極性. 當(dāng)電晶體Q1在ON時(shí),初級(jí)繞組漸漸會(huì)有電流流過,并將能量轉(zhuǎn)移至輸出,且同時(shí)經(jīng)由順向偏壓二級(jí)體D2,儲(chǔ)存與電感器L中,此時(shí)的二級(jí)體D3為逆向偏壓狀態(tài).當(dāng)Q1換成OFF狀態(tài)時(shí),變壓器的繞組電壓會(huì)反向,D2二級(jí)體此時(shí)就處于逆向偏壓的狀況,此時(shí)與飛輪二級(jí)體D3則為順向偏壓,在輸出回路上有導(dǎo)通電流流過,並經(jīng)由電感器L,將能量傳導(dǎo)至負(fù)載上. 變壓器上的第三個(gè)繞組

8、與D1互相串聯(lián)在一起,可達(dá)到變壓器消磁的作用,如此可避免Q1在OFF時(shí),變壓器的磁能會(huì)轉(zhuǎn)回至輸入直流匯流排上.Forwardn實(shí)際舉例300LB A FORWARD CIRCUIT Isolated Flyback DC-DC變換器拓補(bǔ)4. Isolated Flyback Ideal transfer functionPeak drain current Peak drain voltage Diode voltages (vrm)Average diode currentsIsolated Flyback 工作原理當(dāng)電晶體Q1導(dǎo)通時(shí),變壓器的初級(jí)繞組漸漸會(huì)有初級(jí)電流流過,並將能量?jī)?chǔ)存與其中

9、,由于變壓器扼流圈的輸入與輸出繞組,其極性是相反的,因此二級(jí)體被逆向偏壓,此時(shí)沒有能量轉(zhuǎn)移至負(fù)載,當(dāng)電晶體不導(dǎo)通時(shí),由于磁場(chǎng)的消失導(dǎo)致繞組的極性反向,此時(shí)二級(jí)體D會(huì)被導(dǎo)通,輸出電容器C會(huì)被充電,負(fù)載RL上有IL的電流流過.由于此種隔離元件的動(dòng)作就象是變壓器與扼流圈,因此在反擊式轉(zhuǎn)換器輸出部分,就不需要額外的電感器了,但是在實(shí)際應(yīng)用中,為了抑制高頻的轉(zhuǎn)換電訊波尖,還是會(huì)在整流器與輸出電容之間加裝小型電感器.Flybackn實(shí)際舉例DPS-200PB-135 B FLYBACK CIRCUIT Voltage and current waveformsForward FlybackForward&

10、Flyback DC-DC變換器拓補(bǔ)nTWO- SWITCH FORWARD Ideal transfer functionPeak drain currentPeak drain voltageAverage diode currentsAverage diode currentsTow Switch Forward DC-DC變換器拓補(bǔ)DC-DC變換器拓補(bǔ)Voltage and current waveforms 實(shí)際舉例DC-DC變換器拓補(bǔ)nHALF BRIDGE Ideal transfer function Peak drain current Peak drain voltage

11、Average diode currents Diode voltages (vrm) DC-DC變換器拓補(bǔ)nFULL BRIDGE Ideal transfer function Peak drain current Peak drain voltageAverage diode currentsDiode voltages (vrm)DC-DC變換器拓補(bǔ)nVoltage and current waveformsHALF BRIDGE FULL BRIDGE FULL BRIDGE circuitDPS-1001AB C FULLBRIDGE CIRCUIT 零電流開關(guān)變換器n軟開關(guān) ZC

12、S變換器 在大功率的開關(guān)電源中,為了降低電路的開關(guān)損耗及提高開關(guān)器件的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力,軟開關(guān)技術(shù)也就得到了研究並得到了迅速發(fā)展.所謂軟開關(guān)通常指的是零電壓開關(guān)ZVS和零電流開關(guān)ZCS.軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)主要是借助于附加的電感L和電容C的諧振,使開關(guān)器件中電流(或電壓)按正弦規(guī)律來變化,當(dāng)電流過零時(shí),使器件關(guān)斷,當(dāng)電壓下降到零時(shí),使器件導(dǎo)通.此次討論零電流開關(guān)變換器- ZCS-PWM.ZCS-PWM變換器是ZCS-QRC和PWM開關(guān)變換器的綜合,同時(shí)兼有二者的特點(diǎn).在一個(gè)周期內(nèi),電路有時(shí)以ZCS準(zhǔn)諧振方式運(yùn)行,有時(shí)又以PWM方式運(yùn)行.以Buck ZCS-PWM為例,對(duì)此電路的工作過程進(jìn)行討論和分析

13、. 基本電路nBUCK 變換器基本電路在此電路中將開關(guān)S用零電流諧振開關(guān)代替后,就構(gòu)成了下圖的零電流開關(guān)諧振Buck變換電路.基本變換電路nBUCK ZCS-QRS變換電路在Buck ZCS-QRS變換電路的基礎(chǔ)上增加一個(gè)功率開關(guān)管Q2以及與其反并聯(lián)的二極體D2就構(gòu)成了Buck ZCS-PWM變換電路.基本變換電路nBuck ZCS-PWM變換器 基本變換電路nBuck ZCS-PWM變換器工作原理Lri 設(shè)初始時(shí)刻主開關(guān)管Q1和輔助開關(guān)管Q2均處于關(guān)斷狀態(tài),輸出負(fù)載電流Io從續(xù)流二極管D上流過,電容Cr兩端的電壓為零.一個(gè)開關(guān)從主開關(guān)管Q1的導(dǎo)通開始.當(dāng)Q1在Snubber電感Lr作用下零電

14、流導(dǎo)通後,電感電流 將在電源電壓 作用下線性上升,當(dāng) 上升倒等於IO時(shí),續(xù)流二極體D關(guān)斷.之後,D2導(dǎo)通,LR與CR諧振.經(jīng)過半個(gè)諧振週期, 以諧振方式再次達(dá)到IO, 以諧振方式上升到 ,此時(shí)由於輔助開關(guān)管Q2處?kù)蛾P(guān)斷狀態(tài),故 與 將保持在該值上,無法繼續(xù)諧振.這個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間由電路輸出的PWM控制要求確定.如果這一段時(shí)間等於零,則ZCS-PWM電路就完全等同於ZCS-QRC電路了.當(dāng)電路的輸出PWM控制要求關(guān)斷主開關(guān)管Q1時(shí),首先應(yīng)導(dǎo)通開關(guān)管Q2(在SNUBBER電感LR的作用下零電流導(dǎo)通),之後 與 再次諧振.當(dāng)電感電流諧振到零時(shí),二極體D1導(dǎo)通,之後, 繼續(xù)向反方向諧振並再次諧振到零.

15、在電感電流反方向運(yùn)行期間,主開關(guān)管Q1可在零電流零電壓下完成關(guān)斷過程.在此之後,電容電壓 將在輸出電流的作用下線性衰減到零,使續(xù)流二極體D自然導(dǎo)通,直到下一個(gè)開關(guān)週期到來.輔助開關(guān)管Q2可以在D到同之後及下一個(gè)開關(guān)週期到來之前的任何inVLriLricrvinV2LricrvrLrCLricrV以下分析都是在下列條件成立時(shí)進(jìn)行的:a.所有元器件都是理想的,即開通時(shí)管壓降為零,關(guān)斷時(shí)漏電流為零,開通與關(guān)斷瞬間完成.b.濾波電感 足夠大,故濾波器 及負(fù)載 在一個(gè)開關(guān)週期中,可用其值等於該週期輸出電流Io的恆流源代替. Buck ZCS-PWM 變換電路的開關(guān)周期可分為六個(gè)時(shí)間段來描述,對(duì)應(yīng)于六種基

16、本的電路拓?fù)淠Ｊ?如下圖所示.設(shè)電路初始狀態(tài)為主電路開關(guān)Q1關(guān)斷,輔助開關(guān)Q2關(guān)斷,續(xù)流二極管D導(dǎo)通,輸出電流全部通過D續(xù)流,電感電流 =0,電容電壓 =0.工作過程分析 .fLffCL LRLricrv時(shí)刻,以零電壓零電流方式完成關(guān)斷過程. 從上述工作原理可看出,在ZCS-PWM電路中,所有開關(guān)管及二極體都是在零電壓或零電流下完成通斷的.同時(shí),電路可以以恆定頻率通過調(diào)節(jié)輸出脈寬占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓.各時(shí)間段的電路拓補(bǔ)圖主要電量波形半橋式轉(zhuǎn)換器介紹n雙輸入電壓半橋式轉(zhuǎn)換器 二個(gè)主要優(yōu)點(diǎn),第一點(diǎn)就是它能在數(shù)放交流電壓115V或230Vac的工作情況下,不需使用到高壓晶體管.第二點(diǎn)就是我們只需使用

17、到簡(jiǎn)單的方法就能來平衡每一轉(zhuǎn)換晶體管的伏特-秒(volt-senconds)區(qū)間,而功率變壓器不需有間隙且不需使用到價(jià)格高的對(duì)稱修正電路, 雙輸入電壓半橋式轉(zhuǎn)換器 在半橋式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)中,功率變壓器有一端點(diǎn)連接到由串聯(lián)電容器C1與C2所産生的浮點(diǎn)電壓值端點(diǎn),其浮點(diǎn)電壓值爲(wèi)Vin/2,所以在標(biāo)準(zhǔn)的輸入電壓下,其值爲(wèi)160Vdc.變壓器的另一端點(diǎn)則經(jīng)由串聯(lián)電容器C3連接到Q1的射極與Q2的集極接頭處,當(dāng)Q1電晶體ON時(shí),此處變壓器端點(diǎn)會(huì)産生正的160V電壓脈波,當(dāng)Q1電晶體OFF,Q2電晶體ON時(shí),變壓器的初級(jí)圈會(huì)極性反轉(zhuǎn),因此,會(huì)産生負(fù)的160V電壓脈波,在這Q1與Q2電晶體ON-OFF動(dòng)作中,其

18、産生的峰對(duì)方波電壓值爲(wèi)320V,經(jīng)由變器轉(zhuǎn)換降低爲(wèi)次級(jí)電壓,再經(jīng)過整流,濾波而得到直流輸出電壓.工作原理RCC(Ringing choke converter)電路nRCC電路的工作原理 以DPS-180KB-1 D 的STANDBY電路為例 如圖所示,Q902的控制極(G極)由R914AR914C得到啟動(dòng)電壓后,Q902開始導(dǎo)通,電流經(jīng)過T901的8,10腳,Q902的漏源極和R906到地,同時(shí)T901開始儲(chǔ)能,R906的電壓也同時(shí)升高,當(dāng)R906的電壓達(dá)到一定值的時(shí)候,Q901導(dǎo)通,使得Q902的G極電壓拉低,Q902截止.在Q902截止的期間內(nèi),由開關(guān)變壓器T901向負(fù)載提供能量,在T9

19、01次級(jí)繞組的電流經(jīng)過LC濾波后得到直流輸出.當(dāng)Q901由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí),Q902再次導(dǎo)通,如此反復(fù)的循環(huán),形成自激振蕩. RCC電路舉例Input EMI SectionnEMI的定義nEMI 的產(chǎn)生和傳播及處理方式n在SPS中的架構(gòu)模型nEMI的處理及量測(cè)裝置nLISN的原理與使用n開關(guān)電源的雜訊分析nEMI濾波器的組成元件EMI的定義EMI:Electromagnetic interference 電磁干擾EMI包括傳導(dǎo)(conduction)和輻射(radiation)兩個(gè)部分.傳導(dǎo)EMI是待測(cè)物經(jīng)由導(dǎo)線(電源線)所傳遞出來的雜訊.輻射EMI是直接由開放空間傳遞的.Input EMI

20、Section 架構(gòu)架構(gòu)EMI的產(chǎn)生傳播及處理方式的產(chǎn)生傳播及處理方式 噪聲傳遞的主要方式為 （1）傳導(dǎo)耦合2）公共阻抗耦合（3）輻射耦合 根據(jù)電磁干擾的傳播途徑開關(guān)電源中的電磁干擾可以分為輻射干擾和傳導(dǎo)干擾兩種干擾可以相互轉(zhuǎn)換 傳導(dǎo)干擾可以分為共模（Common ModeCM）干擾和差模（Differential ModeDM）干擾由于寄生參數(shù)的存在以及開關(guān)電源中開關(guān)器件的高頻開通和關(guān)斷使得開關(guān)電源在其輸入端（即交流電網(wǎng)側(cè)）產(chǎn)生較大的共模干擾和差模干擾 傳導(dǎo)EMI經(jīng)由介質(zhì)進(jìn)行傳導(dǎo)因此在電路上經(jīng)常是加濾波器的方式抑制雜訊但是輻射EMI不經(jīng)由介質(zhì)雜訊可以bypass EMI而影響其他系統(tǒng)因此其處

21、理方式多為屏蔽（shielding）接地（grounding）濾波等開關(guān)電源的雜訊分析開關(guān)電源的雜訊分析由LISN所取得的雜訊中,都包含有CM雜訊(common-mode noise)及DM雜訊(differential-mode noise)兩個(gè)分量CM雜訊由CM雜訊電流產(chǎn)生,DM雜訊有DM雜訊電流產(chǎn)生.其中CM雜訊電流ICM是L,N相對(duì)于接地線共同的雜訊,而DM雜訊電流IDM是直接經(jīng)L,N而不經(jīng)過接地線的雜訊分量.此兩分量用數(shù)學(xué)表示如下:DMCMtotalIIItotalI為總雜訊電流,它是流經(jīng)LISN的50ohm阻抗所產(chǎn)生的雜訊電壓50*totaltotalIV開關(guān)電源的雜訊分析開關(guān)電源

22、的雜訊分析 CM雜訊電流與DM雜訊電流由什么造成的? 根據(jù)前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)CM雜訊主要是由Power MOSFET及變壓器上的寄生電容及雜散電容造成的.而DM雜訊電流則由電源電路初級(jí)端的非連續(xù)電流機(jī)輸入端濾波大電容(bulk capacitor)上的寄生電感所造成的.EMI濾波器的組成元件n常見的EMI濾波元件共有四種: CM電感 DM電感 X電容 Y電容1. CM電感 CM電感是將兩組線圈繞在一個(gè)鐵芯上製成的.且其繞線的方嚮能使得其DM電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)HDM相互抵消, 而對(duì)CM電流而言,由于其是對(duì)地而言的,因此兩組線圈可看成是L,N對(duì)地獨(dú)立電感,其所產(chǎn)生的磁場(chǎng)HCM是相同方嚮的. 同時(shí)由

23、于DM的磁場(chǎng)相互抵消的關(guān)系,CM電感比較不易飽和,因此一選用u值較高的ferrite core作為鐵芯.2. DM電感 DM電感的濾波原理和電源供應(yīng)器輸出端的濾波電感並無不同,由于需要流經(jīng)大電流,因此材質(zhì)多用u值較低的powder core以避免飽和.EMI濾波器的組成元件3.X電容 X電容是跨接于電源的L,N兩端.一般為金屬皮鏌(metal film)為材質(zhì),其容值規(guī)格為0.015uF 0.1uF 0.22uF 0.33uF 0.47uF 0.68uF 最大為1uF.4.Y電容 Y電容扮演的是CM電容的角色.其最大的特點(diǎn)是以兩個(gè)為一組而存在.一般Y電容均為高壓陶瓷電容,其電容容值較小,從47

24、0pF 1000pF 2200pF 3300pF到最大為4700pF.Active Power Factor CorrectionACInBridge+To PWMRLL1D2PFCControlPFC SectionWhat is Power Factor Correction?020406080100120140160180Voltage0123456789CurrentV ( I N)I ( I N)V ( CAP)02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 0Voltage0123456789CurrentV ( I N)I ( I N)WithoutPF

25、CWithPFCPFC工作原理How does PFC work?CsCdLdDfSRRect.KiKoRsVref UC3854, UC3855PFC section功率因數(shù)校正 功率因數(shù)校正是一非線性負(fù)載,從AC 電壓來看就象一個(gè)負(fù)阻特性的負(fù)載.對(duì)于一個(gè)電阻來說,其電流與電壓同相位并且成正比.所以功率因數(shù)是一非線性負(fù)載.通常是大多數(shù)電源的輸入,這些電源用橋式整流和輸入濾波電容來補(bǔ)償.輸入濾波電容最大充電結(jié)果導(dǎo)致短暫的很大幅度的電流脈沖流過電源.而不是同電壓同相位的正鉉電流.這樣的電源其功率因數(shù)小于一.如果輸入電流被這樣的電源汲取,其功率因數(shù)將小于一.含有PFC工能的IC ML4824 ML

26、4824 的PFC 部分采用升壓模式的DC-DC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了輸入電流同輸入電壓同相位并且成比例.轉(zhuǎn)換器的輸入是全波整流交流電壓,用于跟隨橋式整流起器,所以升壓變換器輸入電壓的范圍從零到交流電壓最大值又回到零,.通過使升壓變換器滿足兩個(gè)同時(shí)存在的狀況,保証變換器從電源電壓得到的電流與瞬間線電壓一致就成為可能.狀況之一是升壓變換器的輸出電壓必須設(shè)定的高于線電壓的最大值,通常使用的是385VDC來滿足高壓的275VACrms.另一狀況為轉(zhuǎn)換器在任一給定時(shí)刻所得電流必須與線電壓成比例.第一個(gè)要求通過對(duì)轉(zhuǎn)換器建立一個(gè)合適的電壓環(huán)可以被滿足.接著驅(qū)動(dòng)電流誤差放大器和輸出驅(qū)動(dòng)開關(guān).第二個(gè)要求通過運(yùn)用整流過的交流電壓來調(diào)制電壓環(huán)的輸出