高頻開關(guān)電源工作原理

高頻開關(guān)電源工作原理

培訓內(nèi)容1、開關(guān)電源的概念2、開關(guān)電源的主要指標3、開關(guān)電源的概念和開關(guān)電源的分類4、開關(guān)電源的工作原理5、通信設(shè)備對開關(guān)電源的要求一、開關(guān)電源的概念1、開關(guān)電源的概念開關(guān)電源是一個能量轉(zhuǎn)換器，作為電源的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)（開關(guān)管、電感、高頻變壓器、電容、整流二極管）－開或關(guān)狀態(tài)，其特點是頻率高、功耗低、工作效率高、體積小、輸入范圍寬(SwitchingRegulator--Aswitchingcircuitthatoperatesinaclosedloopsystemtoregulatethepowersupplyoutput)通過閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)整，使輸出電壓保持穩(wěn)定。一、開關(guān)電源的概念2、開關(guān)電源和線性電源、相控電源的比較①線性電源：線性電源的主要特點就是功率器件工作在放大狀態(tài)，具有穩(wěn)定度高、牢靠性好、成本低等優(yōu)點，但是效率低、笨重和體積大的缺點。只能做中、小功率的電源。②相控電源：是通過限制可控硅的導通角來達到穩(wěn)壓作用，功率因數(shù)比較低、效率低、笨重、體積大。一、開關(guān)電源的概念3、開關(guān)電源（swiching－modepowersupply）開關(guān)電源因為體積小、效率高已經(jīng)充斥了我們的日常生活，從移動電話的充電器，到我們的彩電、音像供電電源；從路邊的霓虹燈，到車站的電子顯示牌，這些都用到了開關(guān)電源；從我們的臺式計算機，到便攜筆記本電腦等等，這些都離不開開關(guān)電源。當然開關(guān)電源的輸入并不限于是溝通（AC/DC電源），還可以是直流（DC/DC電源和DC/AC電源）。開關(guān)電源溝通輸入電壓范圍比較寬，可以從幾十伏到上千伏。就目前而言，開關(guān)電源的限制方式有兩種：脈寬調(diào)制和頻率調(diào)制（PulseFrequencyModulation－PFM）。脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation－PWM）方式比較常見，我們中興通訊電源均接受的是這種方式。

一、開關(guān)電源的概念4、開關(guān)電源的主要指標①無故障運行間隔時間這是開關(guān)電源最重要的指標，衡量了開關(guān)電源的工作牢靠性。一般說的是開關(guān)電源平均無故障運行間隔時間越長約好。②工作效率輸出功率與輸入功率的比值就是開關(guān)電源的工作效率，衡量開關(guān)電源在變換過程中所產(chǎn)生的損耗，對于目前我們的開關(guān)電源工作效率在85%以上。③電壓調(diào)整率指在負載保持不變的狀況下，輸出電壓變更與單位輸出電源和輸入電壓變更量的百分比。Sv＝（△V0÷V0△Vi）％。該參數(shù)表示了電源的穩(wěn)壓特性。一、開關(guān)電源的概念4、開關(guān)電源的主要指標④負載調(diào)整率指的是輸出負載變更時，引起的輸出電壓的變更。SL＝（△V0÷V0）％。⑤輸出紋波（峰－峰值）這個指標衡量了開關(guān)電源的電磁兼容性，紋波越小越好。一般小于輸出電壓的百分之三毫伏，例如對于53.5V電壓來說，輸出紋波就位150毫伏。一、開關(guān)電源的概念５、開關(guān)電源的一些名詞概念①有功功率（Acitivepower):電能轉(zhuǎn)換成其他能量所消耗的功率，單位為瓦（W），用P表示。②無功功率(Unactivepower):沒有消耗功率，只是能量在電感和電容之間轉(zhuǎn)換的功率部分，單位為VA，用Q表示。③視在功率(Aparentpower):指的是溝通輸入功耗，也叫表觀功率，其單位是VA，用S表示。S2=P2+Q2④功率因數(shù)(Powerfactor):有功功率與視在功率的比值，它表示溝通電轉(zhuǎn)化成其他能量的實力。功率因數(shù)＝P/S。功率因數(shù)校正后為0.9999。二、開關(guān)電源的電路組成不管什么樣的開關(guān)電源必需包括以下幾個部分：1、輸入電路D級防雷電路、溝通輸入的EMI電路、輸入整流器濾波電路、輸入緩啟動電路、APFC電路。D級防雷是吸取雷電殘壓，愛護開關(guān)電源不受損壞，一般是由壓敏電阻和放電管組合運用；溝通輸入的EMI電路一般是用來抑制共模噪聲干擾的，是由共模電感、X、Y電容組成，將噪聲吸取到大地（機殼）；輸入緩啟動電路如下圖所示,由于電容電壓不能突變，所以在剛接通電源的瞬間，電容的充電電流比較大，須要實行措施進行限制，否則電源設(shè)備無法供電。二、開關(guān)電源的電路組成1、輸入電路（續(xù)）APFC電路，是有源功率因數(shù)校正電路。它是一個升壓電路，電路結(jié)構(gòu)接受的是BOOT電路，輸出電壓一般規(guī)定在410VDC左右。由于開關(guān)電源所接受的器件全部工作在非線性狀態(tài)，電路上有電感和電容，所以會造成溝通輸入電壓和電流的相位存在相位差，導致溝通電不能全部做功，一部分在電感和電容中轉(zhuǎn)換。另外溝通電壓和電流波形出現(xiàn)畸變，造成諧波重量增加，干擾增加。功率因數(shù)校正電路就是將電壓和電流相位強制到一樣，同時對波形賜予修正。二、開關(guān)電源的電路組成開關(guān)電源APFC電路二、開關(guān)電源的電路組成

輸入緩啟動電路原理圖二、開關(guān)電源的電路組成2、功率變換電路將PFC輸出的410VDC高壓進行變換，變成高頻高壓脈沖電壓，然后驅(qū)動高頻變壓器，變壓器將高壓脈沖電壓變成低壓脈沖電壓。該部分的主要器件是開關(guān)功率器件和高頻變壓器。3、輸出電路輸出電路主要是全波整流電路和濾波電路、輸出EMI電路。全波整流器電路所用的整流二極管不是一般的，一般用接受快復原二極管或肖特基；濾波電容用的是高頻低阻電容。二、開關(guān)電源的電路組成4、限制電路限制電路是開關(guān)電源電路的核心之一。PWM限制芯片確定開關(guān)電源的工作模式，該芯片產(chǎn)生兩路相位相反的驅(qū)動信號來驅(qū)動功率開關(guān)器件工作，通過脈沖寬度來限制開關(guān)管的導通時間，從而調(diào)整能量傳遞的大小。開關(guān)電源的限制電路是一個閉環(huán)限制系統(tǒng)，所以能剛好保證輸出電壓穩(wěn)定不變，閉環(huán)有兩個環(huán)來調(diào)整，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)調(diào)整，確保開關(guān)電源的動態(tài)響應(yīng)時間，速度比較快。外環(huán)是電壓調(diào)整環(huán)，確保電壓的穩(wěn)定，速度相對較慢。輸出過壓愛護、均流電路、過酷愛護、限流愛護、短路愛護以及溝通輸入過欠壓愛護是開關(guān)電源的協(xié)助電路。二、開關(guān)電源的電路組成三、開關(guān)電源的常用電路類型我們一般依據(jù)DC/DC變換的方式來劃分開關(guān)電源的電路類型，包括單端正激電路、單端反激電路、推挽電路、半橋電路和全橋電路。下面我們對每個電路的狀況賜予簡潔的描述。1、單端反激電路反激式開關(guān)電源的核心部分是反激式直流——直流變換器，基本電路如下圖所示：單端反激電路一般用在小功率電源和開關(guān)電源的協(xié)助電源上。其占空比可達100％，限制芯片一般用的是UC3842和UC3843。三、開關(guān)電源的常用電路類型反激式電路原理圖三、開關(guān)電源的常用電路類型3、單端正激電路正激式開關(guān)電源的核心部分是正激式直流——直流變換器，基本電路如下圖所示。正激電路變壓器的利用率比較高，工作時的占空比小于50％，工作頻率是振蕩頻率的一半，所運用的限制芯片一般是UC3844和UC3845。可以做中型功率的開關(guān)電源，運用雙管正激電路，其功率可以做得更高一點。雖然功率變壓器不像反激式電路要開氣隙，但是一般要在變壓器中加去磁繞組，在關(guān)斷時將付邊的能量反射到溝通輸入上。三、開關(guān)電源的常用電路類型正激電路原理圖（單管正激）三、開關(guān)電源的常用電路類型正激電路原理圖（雙管正激）三、開關(guān)電源的常用電路類型4、推挽電路推挽式功率變換電路原理圖，如圖下圖所示。推挽電路要求輸入電壓低，兩個開關(guān)管的耐壓要求是輸入電壓的2倍，所以一般用在DC/DC電源中。推挽電路一般用在中型功率電路上，變壓器雙向激勵，變壓器效率高,但是變壓器簡潔出現(xiàn)磁偏現(xiàn)象。它的功率比正激電路略微大一點，但是存在開關(guān)管“直通”的危急。工作時兩個功率開關(guān)管V1、V2交替導通或截止。當V1和V2分別導通時，W1和W2有相應(yīng)的電流流過，這時變換器次級將有功率輸出。當V1導通，V2截止時，V2集—射兩端承受的電壓為2倍的Uin，而在V1、V2都處于截止時它們所承受的電壓為輸入直流電壓Uin。三、開關(guān)電源的常用電路類型推挽電路原理圖三、開關(guān)電源的常用電路類型5、半橋電路半橋電路有兩個功率開關(guān)管，通過兩個串連的電容器來構(gòu)成工作回路，這兩個功率管交替導通驅(qū)動高頻變壓器進行能量傳遞，變壓器是雙向激勵的。半橋電路同樣存在變壓器磁偏現(xiàn)象，會出現(xiàn)“直通”問題。同樣的變壓器的狀況，半橋的輸出功率大于推挽電路。如下圖所示：C1和C2的作用主要是實現(xiàn)靜態(tài)時分壓，使Ua=1/2Uin。當V1導通，V2截止時，輸入電流方向為圖中虛線方向，向C2充電；當V1截止，V2導通時，輸入電流方向為圖中實線方向，向C1充電。當V1導通，V2截止時，V2兩端承受的電壓為輸入直流電壓Uin。三、開關(guān)電源的常用電路類型半橋型開關(guān)電源原理圖三、開關(guān)電源的常用電路類型6、全橋電路全橋電路是大功率電源常用的電路，有四個開關(guān)管組成兩個橋臂。兩個橋臂分別導通激勵高頻功率變壓器，進行能量變換，但是存在開關(guān)管“直通”的危急。全橋電路原理圖如下圖所示。由四個功率開關(guān)器件V1~V4組成，變壓器T連接在四橋臂中間，相對的兩只功率開關(guān)器件V1、V4和V2、V3分別交替導通或截止，使變壓器T的次級有功率輸出。當功率開關(guān)器件V1、V4導通時，另一對V2、V3則截止，這時V2和V3兩端承受的電壓為輸入電壓Uin在功率開關(guān)器件關(guān)斷過程中產(chǎn)生的尖峰電壓被二極管V5~V8箝位于輸入電壓Uin。三、開關(guān)電源的常用電路類型全橋型電路原理圖三、開關(guān)電源的常用電路類型7、幾種類型電路比較四、通信用開關(guān)電源的基本要求1、開關(guān)電源的均流一套開關(guān)電源系統(tǒng)至少須要兩個開關(guān)電源模塊并聯(lián)工作，大的系統(tǒng)甚至多達數(shù)十個電源模塊并聯(lián)工作，這就要求并聯(lián)工作的電源模塊能夠共同平均分擔負載電流，即均分負載電流。均分負載電流的作用是使系統(tǒng)中的每個模塊有效地輸出功率，使系統(tǒng)中各模塊處于最佳工作狀態(tài)，以保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定、牢靠、高效地工作。負載均分性能一般以不平衡度指標來衡量，不平衡度越小，其均分性能越好，即各模塊實際輸出電流值距系統(tǒng)要求值的偏離點和離散性越小。國家有關(guān)標準和信息產(chǎn)業(yè)部入網(wǎng)要求其均分負載不平衡度≤±5%輸出額定電流值。四、開關(guān)電源的分類一般是依據(jù)開關(guān)電源的輸入和輸出進行分類Ac－dc：把溝通輸入變換成直流輸出，一次電源。Dc－dc：把直流輸入變換成直流輸出，二次電源。Dc－Ac：把直流輸入變換成溝通輸出，逆變器電源。Ac－Ac：把溝通輸入變換成溝通輸出，UPS電源。四、通信用開關(guān)電源的基本要求2、均流在組合開關(guān)電源柜中的體現(xiàn)對于組合電源來說，一般要配置2臺以上的整流器，假如均流效果好，那么每個整流器的輸出電流基本“相近”。但是并不是志向狀態(tài)下的“特別勻整”，當負載比較小的狀況下（負載電流為2A左右，平均狀態(tài)下每個整流器的輸出不超過1A），有可能某一個整流器輸出電流2A，而其他整流器的輸出電流為零，這并不是電源系統(tǒng)不均流，而是在小電流狀況下是否均流對組合電源系統(tǒng)來說意義并不是很大。均流的真正意義在于在整流器輸出電流比較大的狀況下（30％以上負載），各個整流器的輸出電流在小于±5%范圍之內(nèi)，保證整流器的牢靠性。這個指標是以單個整流器的額定輸出電流為依據(jù)的，具體狀況請看下面的例子。五、通信用開關(guān)電源的基本要求3、組合開關(guān)電源柜均流說明舉例例如有一個通信基站用的是一套ZXDU300V2.0電源設(shè)備，配置了5個整流器，負載運用的電流是30A。假如5個整流器的輸出電流分別是：7.5A、6A、6A、7A、4.5A，那么依據(jù)標準狀況該組合電源的整流器均流是符合條件的，即電流最大和最小之間的相差不超過30A×10％＝3A（最大是7.5A，最小是4.5A），偏離中心值6A也符合要求。假如這個基站設(shè)備的電流是3A，那么有可能出現(xiàn)某一個整流器的輸出電流3A，而其他整流器的輸出電流很小，幾乎為零。這種現(xiàn)象是正?，F(xiàn)象，依據(jù)標準計算符合要求。另外對這么小的電流，均流已經(jīng)失去意義。

五、通信用開關(guān)電源的基本要求4、開關(guān)電源的愛護功能對于通信設(shè)備運用的開關(guān)電源來說，須要有以下幾個愛護：輸出過壓愛護、過酷愛護、輸出短路愛護、限流功能、輸入過欠壓愛護。①輸出過壓愛護開關(guān)電源的輸出電壓一般不會超出正常范圍，但是一旦超出正常范圍，那么可能會對通信設(shè)備造成損壞。所以開關(guān)電源整流器設(shè)有輸出過壓愛護，一旦輸出電壓超過設(shè)定值，那么開關(guān)電源會將輸出閉鎖。此閉鎖是不能自復原的，須要斷電重啟才可以。五、通信用開關(guān)電源的基本要求4、開關(guān)電源的愛護功能(續(xù)）②輸入過欠壓愛護輸入過欠壓愛護指的是在溝通電壓過高或過低時關(guān)閉電源輸出，此關(guān)閉是可以自動復原的，一旦條件滿足，開關(guān)電源會自動起先工作的。過壓愛護是避開在輸入電壓高的時候，因功率開關(guān)管工作，而引起其損壞；欠壓愛護是避開在輸入電壓低的時候，因輸入電流過大，而造成輸入器件（整流橋、開關(guān)管、變壓器）通過電流超過額定值而損壞，另外也是保證整流器工作在最佳狀態(tài)。五、通信用開關(guān)電源的基本要求4、開關(guān)電源的愛護功能（續(xù)）③限流愛護開關(guān)電源的限流是通過降低輸出電壓來實現(xiàn)的，這種愛護電路一般設(shè)在開關(guān)電源的付邊。其限流有兩個方面的作用，一個方面就是保證開關(guān)電源輸出功率不超過額定值而損壞，提高牢靠性（開關(guān)電源的限流點為輸出額定電流的110％）；另外一方面就是在給蓄電池充電時限流，確保不過充（依據(jù)設(shè)定的限流值限流）。④短路愛護短路愛護檢測原邊的電流，接受限制芯片自帶的電流檢測電路來進行，短路愛護響應(yīng)速度快，接受的是逐脈沖限流方式，通過封鎖開關(guān)管驅(qū)動脈沖來達到限流的目的。短路愛護是開關(guān)電源必需具備的最基本。

五、通信用開關(guān)電源的基本要求4、開關(guān)電源的愛護功能（續(xù)）⑤過酷愛護（Overheatingprotection)開關(guān)電源在工作時會產(chǎn)生確定的熱量，假如這些熱量釋放不出去或沒有達到發(fā)熱和散熱平衡，那么開關(guān)電源的內(nèi)部的溫度會上升。此時假如沒有愛護，那么會造成功率器件過熱而損壞。我們的過酷愛