開關(guān)電源原理

1、1 開關(guān)電源及發(fā)展方向開關(guān)電源及發(fā)展方向 一一 什么是開關(guān)電源什么是開關(guān)電源 2 變換電能的電源變換電能的電源* * 同時(shí)具備以下三個(gè)條件的電源，稱為開關(guān)電源。 1 電源電源 * * 產(chǎn)生電能的電源：產(chǎn)生電能的電源：把其他能源轉(zhuǎn)換成電能3 開關(guān)電源開關(guān)電源 * * 線性電源 * * 相控電源 * * 開關(guān)電源* * 變換電能的電源：變換電能的電源：對電能形態(tài)進(jìn)行變換 A 開關(guān)，開關(guān)，電路中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)而不是線性狀態(tài)； B 高頻，高頻，電路中的電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻；C 直流，直流，電源輸出是直流而不是交流。 即，即，利用新型自關(guān)斷器件通過功率變換技術(shù)而制成的

2、高頻開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源。 與線性穩(wěn)壓電源相比，與線性穩(wěn)壓電源相比，具有效率高、體積小和重量輕等突出優(yōu)點(diǎn)；但存在電路復(fù)雜、紋波大、干擾大的缺點(diǎn)。4 4 離線式開關(guān)變換器離線式開關(guān)變換器 是AC/DC變換器，由于交流輸入整流后，一般還都需要進(jìn)行DC/DC變換，變換器中因有高頻變壓器隔離，故稱離線，并不是變換器與市電線路無關(guān)的意思。 5 傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術(shù)傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術(shù) 6 開關(guān)電源的發(fā)展動(dòng)力開關(guān)電源的發(fā)展動(dòng)力 需要體積小、重量輕、效率高、性能好的新型電源，成為開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。 * * 是一種通過串聯(lián)晶體管調(diào)整穩(wěn)壓、連續(xù)性控制的線性穩(wěn)壓電源，技術(shù)成熟，已有大量的集成穩(wěn)壓模塊生產(chǎn)。 * *

3、 具有穩(wěn)壓性能好、輸出紋波小、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)；但需要體積大、笨重的工頻變壓器以及體積和重量都較大的濾波器。 * * 調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，功率損耗大、效率低，需要加體積較大的散熱器。2. 高可靠性二二 開關(guān)電源的發(fā)展方向開關(guān)電源的發(fā)展方向1. 小型化 輕量化 高頻化3. 輸入電壓通用4. 擴(kuò)大輸出電壓范圍5. 提高輸入側(cè)的功率因數(shù)6. 要求安全7. 分布式結(jié)構(gòu)增多 (1) 利用無源濾波器三三 相關(guān)技術(shù)相關(guān)技術(shù)1. 專用集成控制電路2. 軟開關(guān)技術(shù)3. 電源系統(tǒng)的管理及控制4. CAD技術(shù)5. 高次諧波的抑制 (2) 有源濾波器1 高可靠性2 可維修性四四 對開關(guān)電源的要求開關(guān)電源的要求 *

4、 * 用平均故障間隔時(shí)間（MTBF）作為衡量開關(guān)電源可靠性的標(biāo)志。一些電源模塊的MTBF50萬小時(shí)。 * * 減少損耗、提高效率、改善散熱條件是提高開關(guān)電源可靠性的基本方法。 * * 加強(qiáng)生產(chǎn)過程質(zhì)量控制，保證好的電氣絕緣和機(jī)械強(qiáng)度等也十分重要。 * * 能及時(shí)診斷出故障部位、不用專用工具即能排除故障是可維修性好的衡量標(biāo)志。 * * 可分為現(xiàn)場維修、車間維修。 * * 現(xiàn)場維修 要求在電源系統(tǒng)運(yùn)行情況下，快速卸下故障模塊、更換新模塊，并使新模塊方便地投入系統(tǒng)運(yùn)行。3 小的體積、重量4 提高市場競爭力 * * 車間維修 是對電源本身的維修，對于小功率模塊有時(shí)不再修理。 電子設(shè)備小型化，對電源提出

5、的要求。 * * 降低電源的生產(chǎn)成本 * * 降低電源的使用費(fèi)用五五 與其他課程的關(guān)系及內(nèi)容與其他課程的關(guān)系及內(nèi)容1 1 基礎(chǔ)基礎(chǔ) 課程課程 * * 電路分析電路分析 * * 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)* * 電子技術(shù)電子技術(shù) * * 控制理論基礎(chǔ)控制理論基礎(chǔ)2 2 相關(guān)課程相關(guān)課程 * * 軟開關(guān)變換技術(shù)軟開關(guān)變換技術(shù)3 3 課程內(nèi)容課程內(nèi)容 主要討論開關(guān)變換器主要討論開關(guān)變換器 * * 電源的發(fā)展方向、技術(shù)指標(biāo)電源的發(fā)展方向、技術(shù)指標(biāo) * * 開關(guān)電源的控制電路開關(guān)電源的控制電路 * * 磁性器件的設(shè)計(jì)磁性器件的設(shè)計(jì)* * 電源基本電路的設(shè)計(jì)電源基本電路的設(shè)計(jì)* * 電力電子電路仿真技術(shù)電力

6、電子電路仿真技術(shù)* * 電子設(shè)備的電磁兼容技術(shù)電子設(shè)備的電磁兼容技術(shù)* * 電力電子裝置故障自動(dòng)診斷技術(shù)電力電子裝置故障自動(dòng)診斷技術(shù)* * 開關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)開關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)* * 開關(guān)電源的有源功率因數(shù)校正技術(shù)開關(guān)電源的有源功率因數(shù)校正技術(shù) （1）張占松 開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)4 4 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) （2）王英劍 新型開關(guān)電源實(shí)用技術(shù) （3）葉慧貞 新穎開關(guān)穩(wěn)壓電源 （4）楊 旭 開關(guān)電源技術(shù) （5）周志敏 開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)-設(shè)計(jì)與應(yīng)用2 技術(shù)指標(biāo) 一一 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域 * * 確定電源技術(shù)指標(biāo)時(shí)，首先要明確使用電源的設(shè)備或工藝。二二 技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo) 1 輸入?yún)?shù)輸入?yún)?shù) (1) 相數(shù) *

7、 * 當(dāng)開關(guān)電源的功率小于5kW時(shí)，可以選擇單相輸入。這樣，可降低主電路器件的電壓等級，降低成本。* * 確定應(yīng)該遵循的各國安全標(biāo)準(zhǔn)。 * * 當(dāng)開關(guān)電源的功率大于5kW時(shí)，應(yīng)選擇三相輸入。這樣，可避免引起電網(wǎng)三相間的不平衡，同時(shí)還可以減小主電路中的電流，降低損耗。 (2) 輸入電壓 * * 國內(nèi)民用交流電源電壓三相380V、單相為220V。 * * 目前，開關(guān)電源流行采用國際通用電壓范圍，即單相85265V，這一范圍覆蓋了全球各種民用電源標(biāo)準(zhǔn)所限定的電壓，但對電源設(shè)計(jì)提出了較高的要求。 * * 輸入電壓為直流時(shí)情況比較復(fù)雜，從24V600V都有可能。 * * 輸入電壓指標(biāo)通常包含額定值和變化

8、范圍兩方面內(nèi)容。 * * 輸入電壓范圍的下限影響變壓器的變比，上限決定了主電路元器件的電壓等級。 * * 輸入電壓變化范圍過寬，使設(shè)計(jì)中必須留過大裕量而造成浪費(fèi)，應(yīng)在滿足實(shí)際要求的前提下，盡量小。 * * 輸入電壓變化范圍一般為10%，考慮配線等因素有時(shí)也要求-15%+10%。 (3) 輸入頻率 (4) 輸入電流 * * 我國民用和工業(yè)用電的頻率均為50Hz，航空、航天、船舶用電經(jīng)常采用400Hz交流電（通常為115V單相或三相電）。 * * 400Hz交流電壓整流后的脈動(dòng)頻率遠(yuǎn)高于工頻，因此整流電路所連接的濾波電容可以減小很多。 * * 輸入電流通常包括額定輸入電流和最大輸入電流兩項(xiàng)。 *

9、* 輸入電流是輸入開關(guān)、接線端子、熔斷器和整流橋等元器件的設(shè)計(jì)依據(jù)。 * * 額定輸入電流是指輸入電壓和輸出電壓、輸出電流在額定條件時(shí)的電流，最大值發(fā)生在輸入電壓下限和輸出電壓上限、輸出電流上限時(shí)。 * * 三相輸入時(shí)，各相電流有時(shí)會發(fā)生失蘅現(xiàn)象，應(yīng)取平均值。 (6) 漏電流 (7) 效率 (5) 沖擊電流 指輸入電壓按規(guī)定時(shí)間間隔接通或斷開時(shí)，輸入電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前所通過的最大瞬時(shí)電流。 * * 流經(jīng)輸入側(cè)地線的電流，在開關(guān)電源中主要是通過靜噪濾波器（或稱EMI濾波器）的旁路電容泄漏的電流。* * 一般，規(guī)定在0.5mA1mA。 * * 是電源的重要技術(shù)指標(biāo),一般定義為電源輸出功率與電源輸入

10、有功功率之比。 * * 通常給出的是在額定輸入電壓和額定輸出電壓、額定輸出電流條件下的效率。 * * 提高效率，意味著電源損耗功率下降，則可降低電源溫升、提高可靠性、節(jié)約能源。 (8) 輸入功率因數(shù)* * 影響電源效率的因素 與開關(guān)頻率有關(guān)的損耗，包括開關(guān)器件的開關(guān)損耗、變壓器的鐵損、電感的鐵損以及吸收電路的損耗。 電路中的通態(tài)損耗，包括開關(guān)器件的導(dǎo)通損耗、變壓器的銅損、電感的銅損以及線路損耗。 其他損耗，包括控制電路損耗、冷卻系統(tǒng)的損耗等。 * * 一般來說，輸出電壓較高的電源的效率高于輸出電壓低的電源，這與輸出側(cè)整流二極管的通態(tài)壓降與輸出電壓的比值有關(guān)。 * * 指在輸入電壓為額定值、輸出

11、功率為額定值時(shí)，輸入相移功率因數(shù)和畸變因數(shù)（失真功率因數(shù)）的乘積，即：cosDiPFPF * * PFD是基波電流與基波電流及諧波的總有效值之比。 * * 是電壓與基波電流的相位差的余弦。COS其中21)(11THDIIPFRD122IITHDnn * * THD也稱諧波電流畸變度。 * * 目前，對保護(hù)電網(wǎng)環(huán)境、降低諧波污染的要求越來越高，許多國家和地區(qū)都已出臺相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，對用電裝置的輸入諧波和功率因數(shù)作出嚴(yán)格規(guī)定。2 輸出參數(shù)輸出參數(shù) (1) 輸出電壓 * * 輸出電壓通常給出額定值和調(diào)節(jié)范圍兩項(xiàng)內(nèi)容。 * * 輸出電壓上限關(guān)系到變壓器設(shè)計(jì)中變比的計(jì)算，過高的上限要求會導(dǎo)致過大的設(shè)計(jì)裕量，在

12、滿足實(shí)際要求的前提下，上限應(yīng)盡量靠近額定點(diǎn)。 (2) 輸出電流 * * 通常給出額定值和一定條件下的過載倍數(shù)。 * * 有穩(wěn)流要求的電源應(yīng)指定調(diào)節(jié)范圍。 * * 有的電源不允許空載，應(yīng)指定輸出電流下限。 * * 在多路輸出電源中，有的如果某一路輸出電流增加，則其他路的輸出電流會下降，對此要進(jìn)行說明。 (3) 穩(wěn)壓（穩(wěn)流）精度 * * 通常以正負(fù)誤差帶的形式給出。 * * 影響電源穩(wěn)壓（穩(wěn)流）精度的主要有輸入電壓變化、輸出負(fù)載變化、溫度變化以及元器件老化等。 * * 精度可以用以下指標(biāo)考核： 負(fù)載調(diào)整率 輸入電壓調(diào)整率 A 是指開關(guān)電源在輸入電壓不變、輸出負(fù)載電流變化時(shí)，提供其穩(wěn)定輸出電壓的能力

13、。 B 測試方法：在被測開關(guān)電源以額定輸入電壓及額定負(fù)載狀況下熱機(jī)穩(wěn)定后，測量其輸出電壓值U0，再測量輕載(如5%I0N)時(shí)的輸出電壓U1，可按下式計(jì)算。00010UUUUUSI A 是指開關(guān)電源在輸入電壓變化、輸出負(fù)載電流不變時(shí)，提供其穩(wěn)定輸出電壓的能力。 B 測試方法：在被測開關(guān)電源以額定輸入電壓及額定負(fù)載狀況下熱機(jī)穩(wěn)定后，測量其輸出電壓值U0，再分別在低輸入電壓（如90% Ui ）及高輸入電壓（如110% Ui ）下測量其輸出電壓U01、 U02 ，可按下式計(jì)算。 * * 影響精度的相關(guān)因素有以下幾項(xiàng)： 基準(zhǔn)源精度 檢測電路精度 控制電路中運(yùn)算放大器精度00UUSU0100UUU0200

14、UUU其中或，取最大值。 (5) 紋波 (4) 電源的輸出特性 * * 電源輸出特性與電源的應(yīng)用領(lǐng)域的工藝要求有關(guān)，如有些場合要求恒壓限流、有些場合要求恒流限壓等。 * * 設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)輸出特性要求來確定主電路和控制電路的形式。 * 典型的輸出電壓紋波波形如下圖所示，通常按頻帶可分為三類： 高頻噪聲，即圖中遠(yuǎn)高于開關(guān)頻率的尖刺； 開關(guān)頻率紋波，指開關(guān)頻率附近的頻率成分，即圖中的鋸齒狀成分； 低頻紋波，指頻率低于開關(guān)頻率的成分，即低頻波動(dòng)。 (6) 動(dòng)態(tài)響應(yīng) * 對輸出電壓紋波的量化方法，通常有以下幾種： 紋波系數(shù)，取輸出電壓中交流成分總有效值與直流成分的比值定義為紋波系數(shù)。 不能反映幅值很高

15、、有效值卻很小的尖峰噪聲的含量及其影響。 由于紋波包含的頻率成分從1赫茲以下到數(shù)十兆赫，頻帶極寬，很難精確計(jì)量。 峰峰電壓值，計(jì)量紋波電壓的峰峰值，可以反映幅值很高、有效值卻很小的尖峰噪聲的含量，但不能反映紋波有效值的大小，不夠全面。 按三種頻率成分分別計(jì)量幅值，該方法最為直觀、詳細(xì)，也容易用示波器直接測量。 * 輸出電壓受外界因素干擾后再回到其穩(wěn)態(tài)值，會有一個(gè)超調(diào)量和恢復(fù)時(shí)間（有時(shí)，也可衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性）。 (7) 溫度系數(shù) * 超調(diào)量一般5%UO、恢復(fù)時(shí)間510豪秒（多臺并聯(lián)時(shí)，時(shí)間會長一些）。 * 恢復(fù)時(shí)間的長短與電源開關(guān)頻率、電壓反饋環(huán)的響應(yīng)速度、電流瞬態(tài)變化幅度及輸出濾波電路的容量等因

16、素有關(guān)。 環(huán)境溫度升高1度，輸出電壓的變化量與輸出電壓之比，單位為1/。3. 附屬功能 (1) 過流保護(hù) (2) 過壓保護(hù) * 是一種電源負(fù)載保護(hù)功能，以避免發(fā)生包括輸出短路在內(nèi)的過負(fù)載輸出電流對電源和負(fù)載的損壞。 * 過流給定值一般是額定值的110%130%。 * 是一種對輸出端子間過大電壓進(jìn)行負(fù)載保護(hù)的功能，過壓給定值一般規(guī)定為輸出電壓的110%130%。 * 輸出電壓可變時(shí)，要注意不要發(fā)生過壓給定值以內(nèi)的誤動(dòng)作。 (3) 輸出欠壓保護(hù) 是當(dāng)輸出電壓下降到標(biāo)稱值以下時(shí)，為保護(hù)負(fù)責(zé)或防止誤動(dòng)作而停止電源工作的一種保護(hù)功能。 (4) 過熱保護(hù) (5) 接口 電源內(nèi)部發(fā)生異?；蛞蚴褂梅椒ú划?dāng)而使

17、電源溫升超標(biāo)時(shí)，停止電源工作并發(fā)出報(bào)警信號。 * 要確定電源輸入、輸出以及信號用端子的形狀、排列或連接器名稱，并要標(biāo)明所用端子號。 * 電源輸入、輸出以及信號用端子要盡可能分開。4 4 絕緣絕緣 (1) 絕緣電阻 * 在電源輸入端子和殼體間、輸入端子和輸出端子間，一般用500V兆歐表測，電阻要大于50M。 * 輸出端子和殼體間用100V兆歐表測，電阻要大于10k。 (2) 絕緣耐壓 要符合各種安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。三三 結(jié)構(gòu)規(guī)定結(jié)構(gòu)規(guī)定 (1) 形狀條件 (2) 外形尺寸 (3) 安裝條件 (4) 殼體材料 (5) 冷卻條件 (6) 接口位置 (7) 文字提示位置 (8) 重量、體積四四 環(huán)境條件環(huán)境

18、條件 (1) 溫度 (2) 濕度 (3) 高度 使用溫度范圍因使用場所而異，一般規(guī)定在5+50、保存溫度在25+75。 使用濕度范圍一般規(guī)定在20%85%、保存濕度范圍在18%90%。 (4) 耐振動(dòng) (5) 耐沖擊 (6) 其他 抗塵埃、耐腐蝕、耐藥性lGB/T 762-1996 標(biāo)準(zhǔn)電流lGB/T 2423.1-1989 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程 試 驗(yàn)A：低溫試驗(yàn)方法lGB/T 2433.2-1989 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程 試 驗(yàn)B：高溫試驗(yàn)方法lGB/T 2423.9-1989 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程 試驗(yàn)Cb：設(shè)備用恒定濕熱試驗(yàn)方法lGB/T 2423.10-199

19、5 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)第二部分，試驗(yàn)方法試驗(yàn)Fc和導(dǎo)則：振動(dòng)(正弦)lGB/T 2828-1987 逐批檢查計(jì)數(shù)抽樣程序及抽樣表(適 用于連續(xù)批的檢查)lGB/T 2829-1987 周期檢查計(jì)數(shù)抽樣程序及抽樣表(適用于生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的檢查)lGB/T 3859.1-1993 半導(dǎo)體變流器 基本要求的規(guī)定lGB/T 3873-1993 通信設(shè)備產(chǎn)品包裝通用技術(shù)條件lGB/T 4720-1984 電控設(shè)備 第一部分 低壓電器電控 設(shè)備lGB/T 16821-1997 通信用電源設(shè)備通用試驗(yàn)方法lYDN 023-1996 通信電源設(shè)備和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求lYD/T 638.3-93 通

20、信電源設(shè)備型號命名方法lYD/T 944-1998 通信電源設(shè)備的防雷技術(shù)要求和測試方法lYD/T 983-1998 通信電源設(shè)備電磁兼容性限值及測量方法lSJ2811.2-87 通用直流穩(wěn)定電源測試方法整整 流流濾濾 波波開關(guān)電源控制器開關(guān)電源控制器濾濾 波波整流及整流及濾波濾波AC/DC輸入回路輸入回路功率開功率開關(guān)器件關(guān)器件高頻高頻變壓器變壓器DC/DC功率變換器功率變換器UinUout3 開關(guān)電源的構(gòu)成與分類開關(guān)電源的構(gòu)成與分類 一一 構(gòu)成構(gòu)成 輸入整流濾波輸入整流濾波 功率變換功率變換 輸出整流濾波輸出整流濾波 輔助電源輔助電源 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路 過壓過流保護(hù)過壓過流保護(hù) 控制電路控

21、制電路 時(shí)鐘振蕩電路時(shí)鐘振蕩電路 檢測放大電路檢測放大電路 * 如果是DC/DC變換系統(tǒng)，則不需要輸入整流濾波部分。 * 整個(gè)電源系統(tǒng)可分為主電路和控制電路兩部分。 * 主電路由輸入整流濾波、功率變換、輸出整流濾波三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。 脈寬調(diào)制方式（PWM, Pulse Width Modulation ):保持開關(guān)頻率恒定但改變接通時(shí)間長短(脈沖的寬度)，使負(fù)載變化時(shí)，負(fù)載電壓變化不大lPWM開關(guān)變換器:用脈寬調(diào)制方式控制電子開關(guān)的開關(guān)變換器二二 開關(guān)電源的分類開關(guān)電源的分類 1. DC/DC類開關(guān)電源* * 工作方式工作方式(控制方式控制方式) 頻率調(diào)制方式（PFM）二、工作原理：二、工作原理：（調(diào)寬式）（調(diào)寬式）1 1、輸入和輸出之間接開關(guān)調(diào)整管和儲能電路。調(diào)整管周期性開、關(guān)，輸入和輸出之間接開關(guān)調(diào)整管和儲能電路。調(diào)整管周期性開、關(guān)， 將能量輸入儲能電路，經(jīng)均衡濾波后成為電壓輸出，輸出電壓的大將能量輸入儲能電路，經(jīng)均衡濾波后成為電壓輸出，輸出電壓的大 小，取決于調(diào)整管開關(guān)時(shí)間的長短。小，取決于調(diào)整管