高頻開關電源

1、高頻開關電源第1頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五2一、 概論將電網或電池的一次電能，轉換為符合電子設備要求的二次電能，這樣的變換設備便是電源。電源是一切電子設備的心臟，沒有電源，電子設備就不可能工作。電源及開關電源電源常用的連接方式串聯線性電源高頻開關電源第2頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五串聯線性電源與開關電源的區(qū)分串聯線性電源：電源調整管工作在放大狀態(tài);效率低，損耗大，溫升高。開關電源：電源調整管工作在開關狀態(tài)的電源 ;具有高功率密度、重量輕、體積小。 輸入開關管K負載 RL儲能元件 開關電源模型圖輸入電源調整管負載RL 串聯線性電源模型圖第

2、3頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五4開關電源的分類： 按變換方式可分為下列四大類：（1）：第一大類：AC/DC開關電源；（2）：第二大類：DC/DC開關電源；（3）：第三大類：DC/AC開關電源；（4）：第四大類：AC/AC開關電源。開關電源逆變器變頻器 按開關管和輸出之間是否有變壓器隔離可分為下列兩大類：（1）：第一大類：無變壓器的非隔離式；（2）：第二大類：有變壓器的隔離式。第4頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五直流穩(wěn)壓電源 直流穩(wěn)壓電源是電子、電器、自動化設備中最基本的部分。傳統的穩(wěn)壓電源是采用串聯式線性轉換方法設計制作的。晶體管串聯式線性穩(wěn)

3、壓電源 直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展 第5頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五 當今計算機及自動化設備上大多數控制電源都向低壓大電流、高效率、重量輕、體積小的方向發(fā)展。在這種要求面前首先得到發(fā)展的是晶體管串聯式開關穩(wěn)壓電源。 晶體管串聯式開關穩(wěn)壓電源第6頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五圖中輸入回路的作用是將交流輸入電壓整流濾波變?yōu)槠交母邏褐绷麟妷海还β首儞Q器的作用是將高壓直流電壓轉換為頻率大于20KHZ的高頻脈沖電壓；整流濾波電路的作用是將高頻的脈沖電壓轉換為穩(wěn)定的直流輸出電壓；開關電源控制器的作用是將輸出直流電壓取樣，來控制功率開關器件的驅動脈沖的寬度，從

4、而調整開通時間以使輸出電壓可調且穩(wěn)定。從框圖中可見，由于高頻變壓器取代了笨重的工頻（50HZ）變壓器，從而使穩(wěn)壓電源的體積和重量大大減小。第7頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五開關穩(wěn)壓電源的特點優(yōu)點1.效率高。一般在7090%以上。而相應的線性穩(wěn)壓電源的效率僅有50%左右。 2.體積小、重量輕，隨著頻率的提高，收效更顯著。 3.穩(wěn)壓范圍廣，一般交流輸入80265V，負載作大幅度變化時，性能很好。 4.噪聲低，聲頻在20kHz以上時，已是人耳聽不到的超聲波，而開關電源的工作頻率一般都大于此頻率； 5.性能靈活，通過輸出隔離變壓器，可得到低壓大電流、高壓小電流；一個開關控制的

5、一路輸入可得到多路輸出以及同號、反號等輸出； 6.電壓維持時間長，為了適應交流停電時，計算機、現代自動化控制設備電源轉換的需要，開關電源可在幾十毫秒內保證仍有電壓輸出。 7.可靠性大，當開關損壞時，也不會有危及負載的高電壓出現。 第8頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五開關穩(wěn)壓電源的不足之處1.輸出紋波較大，約有10100mV的峰峰值； 2.脈沖寬度調制式的電路中，電壓、電流變化率大；3.控制電路比較復雜，對元器件要求高；4.動態(tài)響應時間至少要大于一個開關周期，不如串聯式晶體管線性穩(wěn)壓電源。 第9頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五2.作用：雙向濾波避免

6、電網供電線引入高頻脈沖影響電子電路；防止開關電源對電網造成污染。S1C1L2220V市電 至整流濾波電路 FUC02進線抗電磁干擾電路（EMI）輸入共軛濾波及整流1.電路組成：由一個線圈和兩個電容組成EMI原理圖第10頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五工作原理： 對高頻干擾信號而言，電容呈短路，而電感則呈開路。高頻干擾被電容短路。 對50Hz低頻而言，電容呈開路，而電感則呈短路。因此，50Hz市電可以順利通過。S1C1 0.1uL220V市電 至整流濾波電路 FUC2 0.1u FUS1C1L220V市電 至整流濾波電路C2第11頁，共32頁，2022年，5月20日，1點

7、16分，星期五 由一個全橋（由四個二極管組成）和兩個高壓電解電容組成。把220V交流市電轉換成400V左右的直流電。高壓整流濾波電路1.電路組成：單相橋式整流電路第12頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五整流電路工作原理 當正半周時，二極管D1、D3導通，在負載電阻上得到正弦波的正半周。 當負半周時二極管D2、D4導通，在負載電阻上得到正弦波的負半周。 在負載電阻上正負半周經過合成，得到的是同一個方向的單向脈動電壓。第13頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五濾波電路濾波的基本概念：利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現濾波。 電容器C對直流開路，對交流

8、阻抗小，所以C應該并聯在負載兩端。 電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L 應與負載串聯。 經過濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數，改善了直流電壓的質量。第14頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五電容濾波電路 單相橋式電容濾波整流電路。在負載電阻上并聯了一個濾波電容C。第15頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五當v2到達90時，v2開始下降。先假設二極管關斷，電容C就要以指數規(guī)律向負載L放電。指數放電起始點的放電速率很大。濾波原理 若電路處于正半周，二極管D1、D3導通，變壓器次端電壓v

9、2給電容器C充電。此時C相當于并聯在v2上，所以輸出波形同v2 ，是正弦形。 電容濾波波形圖 所以，在t1到t2時刻，二極管導電，充電，vC=vL按正弦規(guī)律變化；t2到t3時刻二極管關斷，vC=vL按指數曲線下降，放電時間常數為RLC。 在剛過90時，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過90時二極管仍然導通。在超過90后的某個點，正弦曲線下降的速率越來越快，二極管關斷。第16頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五 對于輸入與輸出電壓之間不需隔離，只用一個工作開關管VT和電感L、二極管D、電容C組成的變換器電路最基本的為如下三種，其原理電路如圖2.6所示。（1）串聯開關或降壓變換器

10、（buck converter）（2）并聯開關或升壓變換器（boost converter）（3）串并聯開關或降、升壓變換器（buck-boost converter）非隔離式的DCDC變換電路 非隔離式開關電源工作過程第17頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五調整輸出電壓的方法：tVitVktVoVitonTVoVkKR L電壓 變換器VO = Vi =D VitonT占空比第18頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五只要改變開關脈沖的“占空比”，就可以改變輸出電壓的高低。在具體電路中，可以使開關脈沖頻率固定，改變開關管導通時間ton而改變輸出電壓高低。

11、這種電源稱為“調寬式”開關電源。PWM也可以使開關管截止時間不變，只改變開關管導通時間長短而改變輸出電壓高低。這種電源稱為“調頻調寬”式開關電源。PFM第19頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五電路中VT為開關管，工作于開關狀態(tài)（VT飽和導通時相當于一只接通的開關，VT截止時相當于一只斷開的開關）。電感L和電容C為儲能元件。RL為電源的負載。D為續(xù)流二極管，它在開關管截止時導通，保證電感L中的電流不中斷。串聯型（Buck） 開關電源工作過程LVTDCR L串聯型開關電源基本電路第20頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五高頻變壓器開關電源基本結構框圖共同特

12、點:具有高頻變壓器,直流穩(wěn)壓是從變壓器次級繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。變壓器原副方是隔離的，而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。 變壓器型開關電源工作過程第21頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五 開關電源原理示意圖第22頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五輸入電壓Uin與導通比的對應關系 由于輸入電壓最高時，相應的導通比是最小，輸入電壓最低時，相應的導通比是最大。因此，輸入電壓與導通比是一一對應，相互制約的。 運行中由于閉環(huán)調節(jié)，這種相互適應是自動的。但必須指出的是，由控制電路振蕩器和PWM門閂電路本身固有的最大最小導通比，一定要與運行條

13、件所需的最大最小導通比不矛盾，否則就會失調。第23頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五全橋式變換器的開關電源 全橋式變換器的工作波形第24頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五開關電路的PWM控制原理 開關電源的PWM控制原理可用圖3.1的電路說明。它由開關管、濾波電路、比較器、三角波發(fā)生器、比較放大器和基準源等部分構成。 開關型穩(wěn)壓電源原理圖PWM控制基本原理第25頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五 三角波發(fā)生器通過比較器產生一個方波vB，去控制開關管的通斷。 開關管導通時，向電感充電。當開關管截止時，必須給電感中的電流提供一個泄放

14、通路。續(xù)流二極管D即可起到這個作用，保護開關管。第26頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五 為了穩(wěn)定輸出電壓，按電壓負反饋方式引入反饋。 設輸出電壓增加，FVO增加，比較放大器的輸出Vf減小，比較器方波輸出的toff增加，開關管導通時間減小，輸出電壓下降。起到了穩(wěn)壓作用。第27頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五 輸出波形見圖。開關管發(fā)射極輸出電壓VE為方波，由于濾波電感的存在，使輸出電流iL為鋸齒波，趨于平滑。輸出則為帶紋波的直流電壓。 開關電源波形圖第28頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五q稱為占空比 方波高電平的時間占整個周期

15、的百分比。 忽略電感的直流電阻，輸出電壓VO即為vE的平均分量。于是有在輸入電壓一定時， 輸出電壓與占空比成正比。第29頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五1開關管工作在開關狀態(tài)，功耗大大降低， 電源效率大為提高；2開關管在開關狀態(tài)下工作，為得到直流輸出， 必須在輸出端加濾波器；3可通過脈沖寬度的控制方便地改變輸出電壓值；4由于開關頻率較高，濾波電容和濾波電感的體 積可大大減小。由以上分析可以得出如下結論：第30頁，共32頁，2022年，5月20日，1點16分，星期五保護電路六重保護1、輸入端過壓保護：壓敏電阻（耐壓值）2、輸入端過流保護：保險絲、熱敏電阻3、輸出端過流保護：通過導線反饋，驅動變壓器就會相 應動作，關斷電源的輸出。 4、輸出端過壓保護：當比較器檢測到的輸出電壓與基準電壓偏差較大時，穩(wěn)壓管就會對電壓進行調整。 5、輸出端短路保護：輸出端短路時，比較器會偵測到電流的變化，并通過驅動變壓器、PWM關斷開關管的輸出。 6、溫度控制：通過溫度探頭檢測電源