开关电源的结构和基本原理.ppt

青岛科技大学青岛科技大学第一章第一章第一章第一章 概论概论概论概论(1(1课时课时课时课时)第二章第二章第二章第二章 开关电源的开关电源的基本原理基本原理 (2(2课时课时课时课时)第三章第三章第三章第三章 开关电路的PWM控制原理(2(2课时课时课时课时)第四章第四章第四章第四章 电路拓扑的使用选择电路拓扑的使用选择电路拓扑的使用选择电路拓扑的使用选择(2(2课时课时课时课时)第五章第五章第五章第五章 元器件的实用选择元器件的实用选择(2(2课时课时课时课时)第六章第六章第六章第六章 软开关新技术软开关新技术(2(2课时课时课时课时)高频开关电源设计高频开关电源设计自动化与电子工程学院自动化与电子工程学院电子信息科学与技术教研室电子信息科学与技术教研室 4一、一、概论概论将将电网电网或或电池电池的的一次电能一次电能，转换转换为符合电子设备要求为符合电子设备要求的的二次电能二次电能，这样的变换设备便是，这样的变换设备便是电源电源。电源是一切电子设备的心脏，没有电源，电子设备就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。不可能工作。1.1.1 电源是什么？电源是什么？1.1 电源及开关电源电源及开关电源电源常电源常用的连用的连接方式接方式串联线性电源串联线性电源高频开关电源高频开关电源1.1.2 1.1.2 串联线性电源与开关电源的区分串联线性电源与开关电源的区分串联线性电源：串联线性电源：电源调整管工作在放大状态电源调整管工作在放大状态;效率低，损耗大，温升高。效率低，损耗大，温升高。开关电源：开关电源：电源调整管工作在开关状态的电源电源调整管工作在开关状态的电源 ;具有高功率密度、具有高功率密度、重量轻、体积小重量轻、体积小。输入输入开关管开关管K负载负载 RL储能储能元件元件图图1-2开关电源开关电源模型图模型图输入输入电源调整管电源调整管负载负载RL图图1-1串联线性电源模型图串联线性电源模型图61.1.3 开关电源的分类：开关电源的分类：按变换方式可分为下列四大类：按变换方式可分为下列四大类：（1）：第一大类：）：第一大类：AC/DC开关电源开关电源；（2）：第二大类：）：第二大类：DC/DC开关电源开关电源；（3）：第三大类：）：第三大类：DC/AC开关电源；开关电源；（4）：第四大类：）：第四大类：AC/AC开关电源。开关电源。开关电源开关电源逆变器逆变器变频器变频器 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：两大类：（1）：第一大类：无）：第一大类：无变压器的变压器的非隔离式；非隔离式；（2）：第二大类：有）：第二大类：有变压器的变压器的隔离式隔离式。1.2 直流稳压电源 直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。传统的稳压电源是采用传统的稳压电源是采用串联式线性转换方法串联式线性转换方法设计制作的。设计制作的。图图1-3 晶体管串联式线性稳压电源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当今计算机及自动化设备上大多数控制电源都向低压大低压大电流、高效率、重量轻、体积小电流、高效率、重量轻、体积小的方向发展。在这种要求面的方向发展。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。前首先得到发展的是晶体管串联式开关稳压电源。图图1-4 晶体管串联式开关稳压电源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复二极管及其它元器件的电压得到很大的提高元器件的电压得到很大的提高，这为取消，这为取消稳压电源中的稳压电源中的工频变压器工频变压器，发展高频开关电源创造了条件。，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它使电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了一步。一步。图图1-5 无工频变压器的开关电源原理框图无工频变压器的开关电源原理框图 10A：一次电源产品的图片一次电源产品的图片（AC/DC）常见开关电源图片常见开关电源图片11B：工业电源产品的图片工业电源产品的图片标准产品标准产品（AC/DC）12C：工业电源产品的图片工业电源产品的图片（AC/DC）13E：工业电源产品的图片工业电源产品的图片（AC/DC）14F：二次电源产品的图片二次电源产品的图片（DC/DC）-标准转换类标准转换类Full BrickHalf BrickHalf Brick1/4 Brick1/8 Brick15G：二次电源产品的图片二次电源产品的图片（DC/DC）彩电开关稳压电源1.3 1.3 开关稳压电源的特点开关稳压电源的特点1.3.1 1.3.1 优点优点1.1.效率高。一般在效率高。一般在7 70 09 90%0%以上。以上。而相应的线性稳压电源的效率而相应的线性稳压电源的效率仅有仅有50%左右。左右。2.2.体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。3.3.稳压范围广，一般交流输入稳压范围广，一般交流输入8080265265V V，负载作大幅度变化时，负载作大幅度变化时，性能很好。性能很好。4.4.噪声低，声频在噪声低，声频在2020kHzkHz以上时，已是人耳听不到的超声波，而以上时，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；开关电源的工作频率一般都大于此频率；5.5.性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到低压大电流、高压性能灵活，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、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；反号等输出；6.6.电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算机、现代自动电压维持时间长，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。有电压输出。7.7.可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出现。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 1.3.2 开关稳压电源的不足之处开关稳压电源的不足之处1.1.输出纹波较大，约有输出纹波较大，约有1010100100mVmV的峰峰值；的峰峰值；2.2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；3.3.控制电路比较复杂，对元器件要求高；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。式晶体管线性稳压电源。二、二、开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原理功能：功能：通过高频开关技术将输入较高的交流电压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：中心思想：用提高工作频率等手段来提高电源的功率用提高工作频率等手段来提高电源的功率密度，进而达到密度，进而达到减少变压器的体积减少变压器的体积和和重量重量的目的。的目的。采采用开关变换的显著优点是大大提高了电能的转换效率，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典型的开关电源效率为70%-80%，稳定原理稳定原理：依赖对脉冲宽度的改变来实现输出电压依赖对脉冲宽度的改变来实现输出电压的稳定，称做的稳定，称做脉宽调制脉宽调制PWM。共轭滤共轭滤波器波器整流整流滤波滤波开关调开关调整管整管储能储能元件元件脉冲整脉冲整流滤波流滤波取样取样电路电路比较比较放大放大基准基准220V交流交流电压输入电压输入功能：功能：将将220V交流电压交流电压转换为电路所需要的各转换为电路所需要的各种稳定的直流电。种稳定的直流电。2.1 高频开关电源的基本结构 图图2-1 高频变压器开关电源基本功能框图高频变压器开关电源基本功能框图2.作用：作用：双向滤波双向滤波避免电网供电线引入高频脉冲影响电子电路；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防止开关电源对电网造成污染。S1C1 0.1uL2220V市电市电 至整流滤至整流滤波电路波电路F1 T2.5AC02 0.1u2.2.1、进线抗电磁干扰电路（、进线抗电磁干扰电路（EMI）2.2 输入共轭滤波及整流输入共轭滤波及整流1.电路组成：电路组成：由一个线圈和两个电容组成由一个线圈和两个电容组成图图2-2 EMI原理图原理图3.工作原理：工作原理：对高频干扰信号而言，电容呈短路，而电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。感则呈开路。高频干扰被电容短路。对对50Hz低频而言，电容呈开路，而电感则低频而言，电容呈开路，而电感则呈短路。因此，呈短路。因此，50Hz市电可以顺利通过。市电可以顺利通过。S1C1 0.1uL220V市电市电 至整流滤至整流滤波电路波电路F1 T2.5AC2 0.1uF1 T2.5AS1C1 0.1uL220V市电市电 至整流滤至整流滤波电路波电路C2 0.1u4.输入输入220V交流电压的检测交流电压的检测220V交流交流 输入输入交流电压交流电压500V档档正常值正常值:220V15%(187V253V)共轭滤波器共轭滤波器5.常用常用EMI电路电路:通常有两级通常有两级EMI图图2.3 两级两级EMI电路图电路图 由一个由一个全桥全桥（由四个二极管组（由四个二极管组成）和两个成）和两个高压电解电容高压电解电容组成。把组成。把220V交流市电转换成交流市电转换成290V直流电。直流电。2.2.2、高压高压整流滤波整流滤波电路电路1.电路组成：电路组成：图2.3单相桥式整流电路2.2.整流电路工作原理整流电路工作原理 当正半周时，二极管当正半周时，二极管D1、D3导通导通，在负载电阻上得到正弦波的，在负载电阻上得到正弦波的正半周。正半周。当负半周时二极管当负半周时二极管D2、D4导通导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。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，在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是得到的是同一个方向的单向脉动电压同一个方向的单向脉动电压。3.3.负载上的直流电压和直流电流负载上的直流电压和直流电流 输出电压是单相脉动电压。通输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为输出平均电压为 流过负载的平均电流为流过负载的平均电流为流过二极管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二极管所承受的最大反向电压动画5-44.滤波电路滤波的基本概念：滤波的基本概念：利用利用电抗性元件电抗性元件对对交、直流阻抗交、直流阻抗的不同，的不同，实现滤波。实现滤波。电容器电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以对直流开路，对交流阻抗小，所以C应应该并联在负载两端。该并联在负载两端。电感器电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。应与负载串联。经过滤波电路后，既可经过滤波电路后，既可保留直流分量保留直流分量、又可滤、又可滤掉一部分掉一部分交流分量交流分量，改变了改变了交直流成分交直流成分的比例，的比例，减减小了电路的脉动系数小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。，改善了直流电压的质量。电容滤波电路电容滤波电路 单相桥式电容滤波整流电路。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在负载电阻上并联了一个滤波电容C。当当v2到达到达90时时，v2开始开始下降。先假设二极管关断，下降。先假设二极管关断，电容电容C就要以指数规律向就要以指数规律向负载负载L放电。指数放电起放电。指数放电起始点的放电速率很大。始点的放电速率很大。5.5.滤波原理滤波原理 若若电电路路处处于于正正半半周周，二二极极管管D1、D3导导通通，变变压压器器次次端端电电压压v2给给电电容容器器C充充电电。此此时时C相相当当于于并并联联在在v2上上，所所以以输输出波形同出波形同v2，是正弦形。是正弦形。图图2.4电容滤波波形图电容滤波波形图 所以，在所以，在t1到到t2时刻，二极管导时刻，二极管导电，电，充电，充电，vC=vL按正弦规律变按正弦规律变化；化；t2到到t3时刻二极管关断，时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。在刚过在刚过90时时，正弦曲线下降，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过的速率很慢。所以刚过90时时二极管仍然导通。二极管仍然导通。在超过在超过90后的某个点后的某个点，正弦曲线下降的，正弦曲线下降的速率越来越快，二极管关断。速率越来越快，二极管关断。需要指出的是，当需要指出的是，当 放电时间常数放电时间常数RLC增加增加时，时，t1点要右移，点要右移，t2点要左移，点要左移，二极管关断时间加长，二极管关断时间加长，导通角减小，见导通角减小，见曲线曲线3；反之，反之，RLC减少时减少时，导通，导通 角增加。显然，当角增加。显然，当L很很 小，即小，即IL很大时，电容滤很大时，电容滤 波的效果不好，见波的效果不好，见滤波曲线滤波曲线 中的中的2。反之，当。反之，当L很大，很大，即即IL很很小小时时，尽尽管管C较较小小,RLC仍仍很很大大,电电容容滤滤波波的的效效果果也也很很好好,见滤波见滤波曲线中的曲线中的3。所以。所以电容滤波适合输出电流较小的场合电容滤波适合输出电流较小的场合。图图2.5 电容滤波的效果电容滤波的效果问题：问题：有有无无L即空载，此时即空载，此时VC=VO=？6.6.电容滤波的计算电容滤波的计算 电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输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出电压的因素较多。一般常采用以下近似估算法：估算法：一种是用锯齿波近似表示，即一种是用锯齿波近似表示，即 另一种是在另一种是在RLC=(3 5)T/2的条件下，近似的条件下，近似认为认为VO=1.2V2。（。（或者，或者，电容滤波要获得较好电容滤波要获得较好的效果，的效果，工程上也工程上也通常应满足通常应满足 RLC610。）。）7.220V交流电压整流滤波后直流电压的检测交流电压整流滤波后直流电压的检测直流电压直流电压500V档档来自共来自共轭滤波轭滤波器的器的220V交流电交流电压压正常值为正常值为290V左右左右 对于输入与输出电压之间不需隔离，只用一个工作开关管对于输入与输出电压之间不需隔离，只用一个工作开关管VTVT和电感和电感L L、二极管二极管D D、电容电容C C组成的变换器电路最基本的为如组成的变换器电路最基本的为如下三种，其原理电路如图下三种，其原理电路如图2.62.6所示。所示。（1 1）串联开关或降压）串联开关或降压变换器（变换器（buck converterbuck converter）（2 2）并联开关或升压并联开关或升压变换器（变换器（boost converterboost converter）（3 3）串串并联开关并联开关或降、升压变换器或降、升压变换器（buck-boost converterbuck-boost converter）图图2.6 非非隔离式的隔离式的DCDC变换电路变换电路 2.32.3非隔离式开关电源工作过程非隔离式开关电源工作过程调整输出电压的方法：调整输出电压的方法：tVitVktVoVitonTVoVkKR L电压电压 变换器变换器VO=Vi=D VitonT占空比占空比只要改变开关脉冲的只要改变开关脉冲的“占空比占空比”，就可以，就可以改变输出电压的高低。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，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改变开关管导通时间ton而改变输出电压高而改变输出电压高低。这种电源称为低。这种电源称为“调宽式调宽式”开关电源。开关电源。PWM也可以使开关管截止时间不变，只改变开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。关管导通时间长短而改变输出电压高低。这种电源称为这种电源称为“调频调宽调频调宽”式开关电源。式开关电源。PFM电路中电路中VT为开关管，工作于开关状态（为开关管，工作于开关状态（VT饱饱和导通时相当于一只和导通时相当于一只接通的开关接通的开关，VT截止时截止时相当于一只相当于一只断开的开关断开的开关）。）。电感电感L和电容和电容C为储能元件。为储能元件。RL为电源的负载。为电源的负载。D为续流二极管，它在开关管截止时导通，为续流二极管，它在开关管截止时导通，保证电感保证电感L中的电流不中断。中的电流不中断。2.3.12.3.1串联型（串联型（Buck）开关电源工作过程开关电源工作过程LVTDCR L图图2.5（a)串联型开关电源基本电路串联型开关电源基本电路+290V开关管饱和导通时，开关管饱和导通时，290V电源通过开关管电源通过开关管Q，电感电感L和负载和负载RL形成电流回路，同时向电容器形成电流回路，同时向电容器C充电，在充电，在电感电感L和电容和电容C中同时储能。中同时储能。二极管二极管D处于反向截止状态。处于反向截止状态。由于电感由于电感L中突然出现电流，将在中突然出现电流，将在L两端产生左正右两端产生左正右负的自感电动势，负载两端电压等于负的自感电动势，负载两端电压等于290V电源电电源电压与压与L两端自感电动势之差。两端自感电动势之差。IQI LICIRVT图图2.5（b)开关管饱和时的等效电路开关管饱和时的等效电路D+290VR LLC+-开关管截止时，由于电感线圈中电流的突然中断，开关管截止时，由于电感线圈中电流的突然中断，将在电感将在电感L两端产生两端产生左负右正左负右正的自感电动势，该自的自感电动势，该自感电动势使续流二极管感电动势使续流二极管D导通，形成电流回路。导通，形成电流回路。同时，电容同时，电容C也通过也通过RL放电。放电。可见负载电流由可见负载电流由电感电流电感电流与与电容放电电流电容放电电流两路同时两路同时提供。提供。虽然开关管截止了，但是虽然开关管截止了，但是负载电流并没有中断负载电流并没有中断。ICI LIDD图图2.5（c)开关管截止时的等效电路开关管截止时的等效电路VT+290VR LCL2.3.1串联开关（降压）变换器设计计算串联开关（降压）变换器设计计算a）电路拓扑电路拓扑 b）工作波形工作波形图图2.7 Buck converter（一）在开关（一）在开关VTVT导通期间导通期间 a）电路拓扑电路拓扑 b）工作波形工作波形图图2.7 Buck converter（二）在开关（二）在开关VTVT截止期间截止期间 1.1.临界连续工作状态临界连续工作状态2.2.电流断续的工作状态电流断续的工作状态3.3.电流连续的工作状态电流连续的工作状态 (三三)电感电流的平均值计算电感电流的平均值计算（四）输出电压纹波值的计算（四）输出电压纹波值的计算 a）电路拓扑电路拓扑 b）工作波形工作波形图图2.8 Boost converter1.1.在在 期间期间 2.2.在在 期间期间 2.3.2并联开关（升压并联开关（升压BoostBoost）变换器）变换器 设计计算设计计算3.3.负载电流的平均值负载电流的平均值 4.4.输入电流的平均值输入电流的平均值 5.5.输出电压输出电压 的纹波计算的纹波计算 2.3.3 串串-并联并联BuckBoost converter 图2.9 BuckBoost converter图2.10 Buck-Boost converter工作波形图 电路类型电路类型传输功率传输功率升压式变换器升压式变换器30W降压式变换器降压式变换器50W升压升压-降压变换器降压变换器30非隔离式三种开关电源所适用的功率范围表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。适用于非隔离的单路输出情况。图图2-1(a)高频变压器开关电源基本结构框图高频变压器开关电源基本结构框图共同特点共同特点:具有具有高频变压器高频变压器,直流稳压是从变压器次级绕组的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。高频脉冲电压整流滤波而来。变压器变压器原副方是隔离的原副方是隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。得到的高压直流。2.42.4变压器型开关电源工作过程变压器型开关电源工作过程图图2.1(b)开关电源原理示意图开关电源原理示意图2.4.1 高频变压器变换电路高频变压器变换电路工作方式工作方式分分类类按其按其工作方式工作方式可分为可分为五类五类,每类传输的功率也不相同，应用环境每类传输的功率也不相同，应用环境也稍有不同，如下所示：也稍有不同，如下所示：电路类型电路类型传输功率传输功率应用环境应用环境单端反激式单端反激式变换器变换器20100W小小型型仪仪器器、仪仪表表，家家用用电电器器等等电电源，自动化设备中的控制电源源，自动化设备中的控制电源单端正激式单端正激式变换器变换器50200W小小型型仪仪器器、仪仪表表，家家用用电电器器等等电电源，自动化设备中的控制电源源，自动化设备中的控制电源推挽变换器推挽变换器100500控制设备，计算机等电源控制设备，计算机等电源半桥式变换半桥式变换器器1005000W焊机，超声电源，计算机电源等焊机，超声电源，计算机电源等全桥式变换全桥式变换器器500W30kW焊机、高频感应加热，交换机等焊机、高频感应加热，交换机等2.4.2单端反激式单端反激式变压器型开关电源工作原理开关管饱和导通，开关管电流在开关变压器开关管饱和导通，开关管电流在开关变压器初级初级产生产生上正下负上正下负的自感电动势，的自感电动势，次级次级产生产生上负下正上负下正的互感电动势。的互感电动势。整流二极管整流二极管D截止，由电容器截止，由电容器C放电形成负载放电形成负载电流。电流。290VVTDRL（a)基本电路基本电路C+290V e1+e2VT+_RL(b)开关管饱和导开关管饱和导通通DCT开关管截止，变压器初级电流中断，于是在开关管截止，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（初级绕组产生反方向的自感电动势（上负下上负下正正），次级互感电动势也反一个方向。），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次级互感电动势使整流二极管D导通，开关变导通，开关变压器次级电流一方面流入负载，另一方面向压器次级电流一方面流入负载，另一方面向电容器电容器C充电储能，以便开关管再次导通时向充电储能，以便开关管再次导通时向负载释放能量。负载释放能量。e1_+IRL290VCVTD（c)开关管截止开关管截止T_+e2290VVTDRL（a)基本电路基本电路C2.4.3单端反激式单端反激式开关稳压电源电路工作过程开关稳压电源电路工作过程1.能量转换过程能量转换过程VT导通，导通，D截止，截止，T吸收能量。吸收能量。VT截止，截止，D导通，导通，T释放能量。释放能量。传递的能量越多，负载两端传递的能量越多，负载两端形成的电压就越高形成的电压就越高*VTTD2.稳压过程稳压过程取样取样电路电路比较比较放大放大基准基准脉冲产脉冲产生与脉生与脉宽控制宽控制VTTD2.4.3单端反激式单端反激式开关稳压电源电路工作过程开关稳压电源电路工作过程*2.4.4 尖峰脉冲防护电路尖峰脉冲防护电路接在开关变压器初级的接在开关变压器初级的R、C、D组成尖峰脉冲防护电组成尖峰脉冲防护电路。路。在开关管截止瞬间，开关在开关管截止瞬间，开关变压器初级电感与分布电变压器初级电感与分布电容之间形成谐振，产生很容之间形成谐振，产生很高的尖峰脉冲，该尖峰脉高的尖峰脉冲，该尖峰脉冲有可能击穿开关管。冲有可能击穿开关管。接入接入R、C、D以后，使这以后，使这种谐振被种谐振被“阻尼阻尼”，避免，避免了过高尖峰脉冲的出现，了过高尖峰脉冲的出现，保护了开关管。保护了开关管。开关管开关管VTR 68C 680P/2KV开关开关 变压器变压器 T+300V D2.4.5单端反激式开关电源理论分析与计算单端反激式开关电源理论分析与计算 2.4.5.1 2.4.5.1 工作原理分析 1.1.在开关在开关VTVT导通期间：导通期间：2.2.在开关在开关VT截止期间截止期间 图图2.7 单端反激式变换器单端反激式变换器2.4.5.2 2.4.5.2 单端反激式变换器的三种工作状态：单端反激式变换器的三种工作状态：1 1 磁通临界连续的工作情况：磁通临界连续的工作情况：图图2.8 临界连续状态时的电压电流波形临界连续状态时的电压电流波形2 2 磁通不连续的工作状态磁通不连续的工作状态 图图2.9 磁通不连续时的工作波形磁通不连续时的工作波形3 3 磁通连续的工作状况磁通连续的工作状况图图2.10磁通连续时的工作波形磁通连续时的工作波形 2.4.6 2.4.6 输入电压输入电压U Uinin与导通比与导通比的对应关系的对应关系 由由于于输输入入电电压压最最高高时时，相相应应的的导导通通比比是是最最小小，输输入入电电压压最最低低时时，相相应应的的导导通通比比是是最最大大。因因此此，输输入入电电压压与与导导通通比比是是一一对应一一对应，相互制约相互制约的。的。运运行行中中由由于于闭闭环环调调节节，这这种种相相互互适适应应是是自自动动的的。但但必必须须指指出出的的是是，由由控控制制电电路路振振荡荡器器和和PWMPWM门门闩闩电电路路本本身身固固有有的的最最大大最最小小导导通通比比，一一定定要要与与运运行行条条件件所所需需的的最最大大最最小小导导通通比比不不矛盾，否则就会失调矛盾，否则就会失调。3.4.7 3.4.7 磁通复位问题磁通复位问题 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：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：1.1.单端反激式变换器开关变压器的铁芯都带有单端反激式变换器开关变压器的铁芯都带有气隙气隙 。2.2.原边绕组电流实现原边绕组电流实现脉冲限流控制脉冲限流控制。2.4.82.4.8 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，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：由于导通时所储存的能量没有释放回路，就有可能出现：有的振荡周期没有有的振荡周期没有PWMPWM脉冲输出，开关管不导通，有脉冲输出，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荡器，这时输出电压不稳，纹波大，变压器发出刺耳的哨叫声。叫声。克服这一问题的办法之一，也是最安全和可靠的办法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（是在付绕组中加一固定负载电阻（假负载假负载），以防负载开），以防负载开路，这样电网电压最高，负载开路了，由于有固定的假负路，这样电网电压最高，负载开路了，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。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。最小的脉宽是由控制电路振荡器的最小导通比决定的。2 2.5 .5 单端正激式变换器单端正激式变换器 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 2.5 .5 单端正激式变换器单端正激式变换器 图图2.21单端正激式变换器的单端正激式变换器的电压电流波形电压电流波形 2 2.6 .6 半桥式变换器半桥式变换器 2.6.1 工作原理 图图2.22 半桥式变换器原理电路半桥式变换器原理电路2 2.6 .6 半桥式变换器半桥式变换器 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 2.7.7 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 2.7 .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 图图8-27 全桥式变换器的工作波形全桥式变换器的工作波形三、开关电路的PWM控制原理 开开关关电电源源的的PWM控控制制原原理理可可用用图图3 3.1.1的的电电路路说说明明。它它由由开开关关管管、滤滤波波电电路路、比比较较器器、三三角角波波发发生生器器、比较放大器比较放大器和和基准源基准源等部分构成。等部分构成。图图3 3.1.1 开关型稳压电源原理图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三角波发生器通过比较器产生一个方波vB，去控去控制开关管的通断。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，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。必须给电感中的电流提供一个泄放通路。续流二极管续流二极管D即可起到这个作用，保护开关管。即可起到这个作用，保护开关管。三角波三角波发生器通过发生器通过比较器产生比较器产生一个方波一个方波vB，去控制开去控制开关管的通断。关管的通断。为了稳定输为了稳定输出电压，按出电压，按电压电压负反馈方式负反馈方式引入引入反馈。反馈。设输出电压设输出电压增加增加，FVO增加，增加，比较放大器的输比较放大器的输出出Vf减小，比较减小，比较器方波输出的器方波输出的toff增加，开关管增加，开关管导通时间减小，导通时间减小，输出电压输出电压下降下降。起到了稳压作用。起到了稳压作用。输输出出波波形形见见 图图 3.2。开开关关管管发发射射极极输输出出电电压压VE为为方方波波，由由于于滤滤波波电电感感的的存存在在，使使输输出出电电流流iL为为锯锯齿齿波波，趋趋于于平平滑滑。输输出出则则为为带带纹纹波波的的直直流流电压。电压。图图3.2开关电源波形图开关电源波形图q q称为占空比称为占空比 方波高电平的时方波高电平的时间占整个周期的间占整个周期的百分比。百分比。忽略电感的直流电阻，输出电压忽略电感的直流电阻，输出电压VO即为即为vE的平均分的平均分量。于是有量。于是有在输入电压一定时，在输入电压一定时，输出电压与占空比成正比。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可以通过改变比较器输出方波的占空比占空比q来控制来控制输出电压值。输出电压值。改变方波改变方波宽度的宽度的控制方式称为控制方式称为脉冲宽度调制脉冲宽度调制(PWM)；改变方波改变方波频率的频率的控制方式称为控制方式称为脉冲频率调制脉冲频率调制(PFM)；1开关管工作在开关状态，功耗大大降低，开关管工作在开关状态，功耗大大降低，电源效率大为提高；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，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；必须在输出端加滤波器；3可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值；可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。积可大大减小。由以上分析可以得出如下结论：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典型的开关电源控制器和开关电源见下表 型号型号 电源范围电源范围/V 最大输出电流最大输出电流/A 内部参考源内部参考源/V 输出级形式输出级形式 UC3842 UC3842 1030V 单端单端CW34063 单端单端 TL494 7 TL494 740 0.2 5 40 0.2 5 推挽或单端推挽或单端 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 _ 实际上就是一个脉冲宽度调制（实际上就是一个脉冲宽度调制（PWM）控制器，控制器，经常也用于其它脉宽调制场合。经常也用于其它脉宽调制场合。集成开关稳压器，集成开关稳压器，一般有两大类型一般有两大类型。一类是包括开关管在内的一类是包括开关管在内的单片集成开关稳压器单片集成开关稳压器;另另一类称为一类称为开关电源控制器开关电源控制器，它不包括开关管。，它不包括开关管。3.2.1 3.2.1 集成集成开关稳压器概述开关稳压器概述各管脚功能简介如下各管脚功能简介如下:1脚脚-COMP是内部误差放大器的输出端，通常此脚与是内部误差放大器的输出端，通常此脚与2脚之脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。2脚脚-FEED BACK是反馈电压输入端，此脚与内部误差放大是反馈电压输入端，此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压器同向输入端的基准电压(一般为一般为 2.5V)进行比较，产生控制进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度。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 利用开利用开关电源控关电源控制器可以制器可以方便地构方便地构成开关电成开关电源。源。3.2.2 UC3842的工作原理及应用 3.2.2.1 UC3842的内部结构3脚脚-ISENSE是电流传感端。在外围电路中，在功率开关管是电流传感端。在外围电路中，在功率开关管(如如VMos管管)的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电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，流转换成电压，此电压送入此电压送入3脚，控制脉宽脚，控制脉宽。此外，当电源电压。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，时，UC3842就停止输出，有效地就停止输出，有效地保护了功率开关管保护了功率开关管。图图3.4 PWM工作时序图工作时序图PWM信号的上升沿由振荡器下降沿决定，而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共同决定，最大脉宽的下降沿受振荡器上升沿控制。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脚脚-RT/CT是定时端是定时端.锯齿波振荡器外接定时电容锯齿波振荡器外接定时电容C和定时和定时电阻电阻R的公共端。的公共端。RT 5K f=1.72/RTCT5脚脚-GND是接地。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脚脚-OUT是输出端，此脚为图滕柱式输出，驱动能力是是输出端，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，截止时，VT2导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反导通，为功率管关断时提供