开关电源的分类和结构形式演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,开关电源的分类和结构形式,什么是开关电源？,所谓,AC/DC,就是交流变换为直流；,AC/AC,就是交流变交流，即为,DC/AC,称为逆变，,DC/DC,就是直流变交流后又变为直流；,凡是用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态的电路变换成另一种形态的电路，叫开关变换，以自动控制稳定输出并有各种保护环节电路的电源，叫开关电源（,Switching Power Supply）。,2025/1/3 周五,1,开关电源设计参数,开关电源的重要参数：,Vinmin,：电源运行时输入最低电压；,如：,AC90265V,这里,Vinmin=90V,。,Vinman,：电源运行时输入最高电压；,如：,AC90265V,这里,Vinman=265V,。,噪声和纹波：附加在直流输出信号上的交流电压和高频尖峰的峰值，通常为,mv,级。,占空比：在高频开关电源中，开关元件的导通时间和变换器的工作之比。,ESR,：等效串联电阻，它表示电解电容呈现的电阻值的总合，,ESR,越小，性能越好。,2025/1/3 周五,2,开关电源的术语,1,、电压调整率：输入电压变化时，输出电压的变化率，即,电压调整率,=（,（最高输出电压,Voutmax-,最低输出电,Voutmin,）,/,额定输出电压,Vout）x 100%,2,、负载调整率：负载电流从半载到额定负载时，输出电压的变化率，即,负载调整率,=,（,V,满,V,半）,/V,额,100%,3,、效率：电源的输出功率与输入功率的百分比，即,效率,=Pout/Pin,100%,2025/1/3 周五,3,模块化设计的方法,选择合适的技术和拓扑形式,比较熟悉的原则（包括,IC,、拓扑方式、控制电路、变压器和骨架）；,进行估算,功率的大小、变压器和骨架的大小、选择合理的功率元器件；,设计原理图,搭建简单模块电源中的单元电路：,试验：,确定物理机构,散热片、,PCB,板、风扇；,对,EMI/RFI,进行测试（改板和设计的可能）,产品加工生产,2025/1/3 周五,4,从,市场,的角度设计电源,电源方案的选择：,采用何种工作方式反激、正激、推挽、半桥、全桥等；,产品的工作环境：,主要考虑温度、湿度和灰尘等（例如销往海南的电源和销往黑龙江的就不一样，一个是注意温度和湿度，另一个要注意温度和干燥防尘）；,产品的保护方面考虑。,2025/1/3 周五,5,从设计的角度设计电源,对噪声抑制的控制电路，采用共模（高频,150K,以上，高导磁）还是差模（,150K,以下，磁通密度大）；,结构空间的选择：,主要考虑体积小、形状不同（怪异）、元器件摆放位置的差异、散热的需求、耐压安规的需求。,保护电路：过压、过流、欠压、提示等；,电源的拓扑形式。,2025/1/3 周五,6,电源的基本概念,问题,什么是“离线”开关电源？,什么是差模噪声？什么是共模噪声？,我们在设计电源时，输入保险丝是怎样选择的？,浪涌限制一般采用哪些元器件？,2025/1/3 周五,7,问题的解答1,“离线”开关电源：,直接由交流电源供电，不用体积庞大的,50-60Hz,低频隔离变压器，而线形电源通常采用这种变压器。,差模噪声：,涉及任何两个电源端和输出端之间的高频电磁噪声的分量，如在火线与中线输入端之间或在正极与负极输出端之间可以测得。,2025/1/3 周五,8,问题的解答2,共模噪声：,两条共电线端一起与大地（参考地）公共端之间出现的电磁噪声，对于某些医疗器械要求电源线与大地公共端之间地回路电流是要严格控制的，一般不允许在火线与地之间有超过,0.01uF,的电容，这在许多安全标准中都有规定。,保险丝：,为了最佳的保护，电源输入处使用的保险丝应取最小的额定值，此值应该在最低电源输入电压时能可靠承受浪涌电流和电源的最大工作电流,，一般取额定功率,0.6-0.7,。,浪涌限制,一般用晶闸管、负温度系数的热敏电阻等。,2025/1/3 周五,9,电源在产品中占重要角色,电源是各种电子设备中不可或缺的一部分，它是各种电压和电流的源泉。首先只有电源正常工作，才能谈上其他设备正常工作。,优秀合格的电源，可以避免其他电子设备的干扰（保护自己被干扰）；,良好的电源在任何设备中都不会干扰其他设备（保护干扰其它设备）；,防止自身的干扰（相互）。,2025/1/3 周五,10,从设计的角度设计电源,问题提出：你作为一名电源工程师设计一款手机充电器（,IN,：,90V,，,OUT,：,12V3A,），你将怎样考虑设计此电源呢？,（大约思考,15,分钟的时间，可以讨论）,在能满足技术指标的情况下，选择自己熟悉的元件（,KA3844B,、,UC2845,、,TOP221227,等）；,输出负载（留有,5%,的余量、纹波控制在,1%,以下）；,2025/1/3 周五,11,三种最长用的电源电路,降压电路（Buck）其主要原件为：电压源、压控开关、二极管、电感、电容和负载电阻。,2025/1/3 周五,12,Buck电路原理的分析,左边的,Vin,经,S,变成矩形波，并由,DLC,滤波器输出；,当,S,导通时，电流经,S,、,L,到负载，输出平均直流电压,Vo,；,当,S,截至时，,D,上负下正，是由,L,感应的电压所至，由于没有能量补充，所以电感,I,L,是下降的；,所以：,Vo=,（,Ton/T,）,Vin=D,Vin,2025/1/3 周五,13,计算Buck电路L公式,Buck,的公式很多常用的公式：,L=(5(Vin-Vout)*Vout*T)/Vin*Iout,这里的,Vin,和,Iout,是输入电压和输出电流的额定值。,L=,（,(Vin-Vout)*Vout,）,/(I*f*Vin),，这里的,I,一般取输出电流的,1030%,。,2025/1/3 周五,14,Boost电路原理图,升压电路（Boost）其主要元件：电压源、压控开关、二极管、电感、电容和负载电阻。,2025/1/3 周五,15,Boost电路原理说明,Q,导通时，输入电压,Vin,全部加在电感上，这时,I,L,=I,C,，,I,C,是线性增长的，同时在,L,上储存能量，,R,全靠,C,放电；,Q,截止时，,L,磁能转换为自感电压，电压的极性与原来电流方向相同，这时,L,上的电压为左负右正，,L,上的自感电压和,Vin,相加为输出电压,Vo,，所以,Vo,高于,Vin,，这个高电压经,D,一部分为,R,供电，另一部分为,C,充电，当在导通时再补给,L,，这里的,D,是阻碍,C,的输出电压给,Q,短路烧坏,Q,，这里的,C,在设计时要求大点，用,CLC,滤波，纹波更小。,这里的：,Vo=,（,Ton+Toff,）,/Toff,）*,Vin,又因,Ton+Toff=T,，,所以：,Vo/Vin=1/,（,1-D,）,2025/1/3 周五,16,计算Boost电路L公式,计算,L,的公式很多，我们列出一个：,L=Vin,2,*Ton/0.2Po=Vin,2,*Ton/0.2Io*Vo,也有人用：,L=Vin*Ton/0.2I,i,；,这里也有人取：,L=Vin*(Vout-Vin)/(,I*f*Vout),2025/1/3 周五,17,反转式变换器图,2025/1/3 周五,18,反转式变换器原理说明,定义：,所谓反转式，就是输入电压的正负极性颠倒后输出。,原理是怎样的？,1,、当开关管,Q,导通,Ton,时，输入的直流电压,Vi,全部加在电感,L,两端，电感上的电压是上正下负，电感中的电流方向是由上向下流的，在原来的基础上线性增加，此时的电感储存能量；,2,、当开关管,Q,截止,Toff,时，电感中的磁能变成电能，电感,L,两端相当于一个电源变压器的绕组两端一样向外供电，电感中的电流方向与原来方向相同，仍由上向下流动，但电压极性是上负下正，这个负电压，通过二极管,D,整流和电容器,C2,滤波后，输出负的直流电压加在负载,RL,上。,这里的二极管起到阻碍作用。,2025/1/3 周五,19,输出电压为：,Vo/Vi=-d/1-d,这里给出电感的计算公式：,L=(Vin-Vout)/(,I*f,)*(Vout-Vin),2025/1/3 周五,20,电源的,技术,指标,线形电源：,工作在线形放大区内；纹波小；电路比较简单；,效率低，,3560%,；,形式比较简单，只能用在降压环境下；,开关电源：,效率高。,7095%,；,形式多种多样，升压、降压、升降压等；,适用范围广，,40V480V,；,小巧轻便。,2025/1/3 周五,21,上述两种电源的重要参数,提供能量的范围：,U,输出电压、,I,输出电流、,P,输出功率。,稳定度：,变化量,/,输出量,=,调整率,纹波的大小：（,0.51,）,%,综合功能的要求：,保护、过压、过流等；,2025/1/3 周五,22,开关电源的组成1,输入部分（滤波、整流、稳压）：,2025/1/3 周五,23,开关电源的组成,2,PWM,控制部分,主要包括：取样、供电、辅助供电、开关,2025/1/3 周五,24,开关电源的组成3,输出（滤波、整流、稳压）：,2025/1/3 周五,25,