電源工作原理與設(shè)計(jì)指南

電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽講座電源工作原理與設(shè)計(jì)指南電氣信息學(xué)院四川．成都．6100652023/2/62參考書目開關(guān)電源簡(jiǎn)介一些基本問(wèn)題元器件介紹開關(guān)電源的調(diào)試目錄2023/2/63開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作基礎(chǔ)蔡宣三，倪本來(lái)編著，電子工業(yè)出版社開關(guān)電源設(shè)計(jì)（第三版）（美）普利斯曼，莫瑞，王志強(qiáng)等譯，電子工業(yè)出版社精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)（美）SanjayaManiktala著，王志強(qiáng)等譯,人民郵電出版社參考書目2023/2/64SwitchmodePowerSupplyReferenceManualSwitchmodePowerSupplyHandbook,ThirdEdition參考書目2023/2/65開關(guān)電源電路組成AC/DC開關(guān)電源DC/DC開關(guān)電源開關(guān)電源簡(jiǎn)介2023/2/66開關(guān)電源電路組成DC/DC開關(guān)電源開關(guān)電源簡(jiǎn)介2023/2/67開關(guān)電源電路組成開關(guān)電源簡(jiǎn)介2023/2/68開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作的一般流程1）確定電路結(jié)構(gòu)：根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、輸出功率大小及是否需要電氣隔離，選擇合適的電路結(jié)構(gòu)。舉例：2007年國(guó)賽開關(guān)穩(wěn)壓電源2009年國(guó)賽光伏并網(wǎng)模擬裝置2010年省賽高效數(shù)控恒流電源2011年國(guó)賽開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)2012年省賽簡(jiǎn)易直流電子負(fù)載開關(guān)電源簡(jiǎn)介2023/2/69基本要求：輸出電壓Uo

可調(diào)范圍：30~36V最大輸出電流:Iomax=2AU2從15V變到21V時(shí)，電壓調(diào)整率小于等于2%IO從0A變到2A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率小于等于5%輸出噪聲紋波電壓峰-峰值小于等于1VDC-DC變換器效率大于等于70%具有過(guò)流保護(hù)功能，動(dòng)作電流IO(th)=2.5±0.2A開關(guān)電源（2007）2023/2/610發(fā)揮部分：進(jìn)一步提高電壓調(diào)整率，小于等于0.2%進(jìn)一步提高負(fù)載調(diào)整率，小于等于0.5%進(jìn)一步提高效率，大于等于85%排除過(guò)流故障后，電源能自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)能對(duì)輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，步進(jìn)值為1V，同時(shí)具有輸出電壓、電流的測(cè)量和數(shù)字顯示功能其他開關(guān)電源（2007）2023/2/611利用PWM控制IC與帶有隔離變壓器的推挽變換器的解決方案利用SEPIC變換器的解決方案解決方案：2023/2/6電力系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)12題目要求：設(shè)計(jì)并制作一個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。用直流穩(wěn)壓電源US和電阻RS模擬光伏電池，US=60V，RS=30Ω~36Ω；uREF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號(hào)，其峰峰值為2V，頻率fREF為45Hz~55Hz；T為工頻隔離變壓器，變比為n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，將uF作為輸出電流的反饋信號(hào)；負(fù)載電阻RL=30Ω~36Ω。

光伏并網(wǎng)模擬裝置（2009）2023/2/613光伏并網(wǎng)模擬裝置（2009）2023/2/614基本要求：最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能頻率跟蹤功能uF的頻率fF=fREF

DC-AC變換器的效率輸出電壓uo的失真度THD輸入欠壓保護(hù)功能輸出過(guò)流保護(hù)功能光伏并網(wǎng)模擬裝置（2009）2023/2/615發(fā)揮部分：提高DC-AC變換器的效率降低輸出電壓uo的失真度THD實(shí)現(xiàn)相位跟蹤功能，保證uF與uREF同相過(guò)流、欠壓故障排除后，裝置能自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)其他光伏并網(wǎng)模擬裝置（2009）2023/2/616開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作的一般流程2）選擇控制電路：常用方式為PWM控制，可用專用集成電路實(shí)現(xiàn)，也可以用數(shù)控芯片實(shí)現(xiàn)。舉例：IC:

TL494、SG3525、UC3842等等（劉建華）數(shù)控芯片：TI430系列、51系列、TIDSP2000系列等（王小紅）開關(guān)電源簡(jiǎn)介2023/2/617開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作的一般流程3）確定輔助電路舉例：電壓反饋電路尖峰電壓吸收電路輸入濾波電路整流濾波電路輸出過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)電路輔助電源、鍵盤、顯示電路聲、光告警電路。。。開關(guān)電源簡(jiǎn)介2023/2/618開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作的一般流程4）整理、繪制電路原理圖舉例：確定元器件型號(hào)、參數(shù)和數(shù)量，完成各元件引腳之間的電路連接電路原理圖要求布線清晰、整潔、密度分配合理，信號(hào)流向清楚確定元器件封裝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、仿真（張潔）開關(guān)電源簡(jiǎn)介2023/2/619開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作的一般流程5）制作高頻變壓器步驟：計(jì)算一次電感量LP選擇磁芯和骨架計(jì)算一次繞組匝數(shù)NP計(jì)算二次繞組匝數(shù)NS計(jì)算氣隙長(zhǎng)度檢驗(yàn)最大磁通密度Bm。。。開關(guān)電源簡(jiǎn)介2023/2/620開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作的一般流程6）設(shè)計(jì)印制板（PCB)（李小根）舉例：元件布局問(wèn)題地線布線問(wèn)題采樣點(diǎn)選擇問(wèn)題開關(guān)電源簡(jiǎn)介2023/2/621開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作的一般流程7）安裝調(diào)試舉例：安裝順序：1體積小、高度低的電阻和二極管元件；2集成電路、晶體管、電容器等；3大尺寸散熱器。注意極性，防止虛焊。調(diào)試步驟：準(zhǔn)備調(diào)試儀器、通電前檢查、通電后觀察、性能測(cè)試。強(qiáng)調(diào)：養(yǎng)成良好的測(cè)試習(xí)慣：安全、有效、事半功倍?。?！開關(guān)電源簡(jiǎn)介2023/2/6221電流源or電壓源？2010年省賽題目為電流源，意味著不管所接負(fù)載和輸入電壓如何變化，輸出將為恒定電流。舉例：假定輸出電流為2000mA，負(fù)載電阻分別為1Ω和5Ω兩種情況，此時(shí)的輸出電壓為多少？應(yīng)該分別為2000mA*1Ω=2V和2000mA*5Ω=10V。注意此時(shí)輸出電壓是隨負(fù)載變化而變化的。一些基本問(wèn)題2023/2/6231電流源or電壓源？2011年國(guó)賽題目要求將電壓穩(wěn)定在8V，則意味著不管所接負(fù)載和輸入如何變化，輸出將為恒定電壓。假定輸出電壓為10V，負(fù)載電阻分別為1Ω和5Ω兩種情況，則此時(shí)的輸出電流將發(fā)生變化，應(yīng)該分別為10V/1Ω=10A和10V/5Ω=2A。注意此時(shí)輸出電流是隨負(fù)載變化而變化的。一些基本問(wèn)題2023/2/6241電流源or電壓源？電流源與電壓源的區(qū)分將確定被控量是電流還是電壓，在電路中相應(yīng)采集輸出電流或輸出電壓信號(hào)，作為系統(tǒng)閉環(huán)控制的輸入信號(hào)。當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)正常工作，修改參考值后，輸出將按參考值的要求輸出對(duì)應(yīng)電流或電壓。一些基本問(wèn)題2023/2/6252負(fù)載調(diào)整率？負(fù)載調(diào)整率，反映的是系統(tǒng)對(duì)輸出負(fù)載變化（系統(tǒng)擾動(dòng)）的容忍程度。由于輸出的變化，也應(yīng)調(diào)整PWM輸出，進(jìn)而控制開關(guān)器件的通斷時(shí)間，使輸出保持不變。（舉例：2007、2010年題）負(fù)載調(diào)整率指標(biāo)的達(dá)到，主要取決與系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)是否能正常工作。若負(fù)反饋系統(tǒng)能正常工作（不管是由專用芯片還是微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)），均可以達(dá)到調(diào)整率的要求。一些基本問(wèn)題2023/2/6263電流調(diào)整率、電壓調(diào)整率？關(guān)于電流調(diào)整率或電壓調(diào)整率，反映的是系統(tǒng)對(duì)輸入電壓變化（系統(tǒng)擾動(dòng)）的容忍程度。題目一般要求當(dāng)輸入電壓在某個(gè)范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電流（電流源）或電壓（電壓源）維持在恒定的水平，波動(dòng)很小。如2010省賽中要求：Ui從12V變到18V時(shí)，電流調(diào)整率SI≤4%（Io＝1000mA，負(fù)載為5Ω的條件下測(cè)試）；

2007國(guó)賽要求U2從15V變到21V時(shí)，電壓調(diào)整率SU≤2%（IO=2A）。一些基本問(wèn)題2023/2/6274電路功率、主要元器件選型？以2010省賽題為例：輸出電流Io可調(diào)范圍：200mA～2000mA；最大輸出電壓Uomax：10V。說(shuō)明最大輸出功率將為2000mA*10V=20W。一些基本問(wèn)題2023/2/6284電路功率、主要元器件選型？對(duì)于上圖電路，意味著電感L2、L3上最大將分別流過(guò)2000mA/2=1000mA的電流（決定了電感繞線粗細(xì)），C9~C14將承受最大10V的電壓，因此C9~C14至少要選20V以上的電容一些基本問(wèn)題2023/2/6294電路功率、主要元器件選型？電感量、電容量的大小決定了電路的濾波性能，根據(jù)紋波要求、開關(guān)頻率等確定（見(jiàn)噪聲紋波電流、紋波電壓）一些基本問(wèn)題2023/2/6304電路功率、主要元器件選型？Ui從12V變到18V，意味著圖中的MOSFETQ1、Q2截止時(shí)將承受最大18V的電壓（D1、D2導(dǎo)通時(shí)），因此至少要選擇50V的MOSFET（因?yàn)殚_關(guān)關(guān)斷時(shí)通常有較大過(guò)沖電壓，如果線路布局不合理，升至高至100%~200%以上，本例中為18*200%=36V，再加上本身的18V將超過(guò)50V，MOSFET將過(guò)壓擊穿）。D1、D2的選擇同理，Q1、Q2導(dǎo)通時(shí)，D1、D2至少要承受18V的反壓，選擇18V以上的二極管，并留有裕量。一些基本問(wèn)題2023/2/6315輸出噪聲紋波電流、紋波電壓峰-峰值？2010省賽電流源：輸出紋波電流要求≤30mA，測(cè)量條件為（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA），對(duì)應(yīng)負(fù)載電阻Uo/Io=5Ω。由于電流紋波較難觀測(cè)，實(shí)際測(cè)量時(shí)可用示波器觀察負(fù)載電阻的電壓紋波，應(yīng)在30mA*5Ω=0.15V以內(nèi)。2007國(guó)賽穩(wěn)壓電壓源：輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）。一些基本問(wèn)題2023/2/6325輸出噪聲紋波電流、紋波電壓峰-峰值？一些基本問(wèn)題2023/2/6335輸出噪聲紋波電流、紋波電壓峰-峰值？紋波電流、電壓的大小，取決與1）開關(guān)頻率、2）濾波電感的電感量、3）濾波電容的容值、4）電路運(yùn)行時(shí)的占空比。一般可取占空比D=0.5計(jì)算紋波（在多數(shù)電路中D=0.5對(duì)應(yīng)紋波最大的情況）。建議用仿真來(lái)確定電感量和電容量，速度快且不易出錯(cuò)。一些基本問(wèn)題2023/2/6345輸出噪聲紋波電流、紋波電壓峰-峰值？以降壓斬波電路為例，說(shuō)明電感量的計(jì)算方法：圖2為降壓斬波電路對(duì)電池充電(VB)的示意圖，Gdp導(dǎo)通時(shí)對(duì)VB充電，電感電流上升；Gdp

截止時(shí)Idc通過(guò)二極管D續(xù)流，電感電流下降。一些基本問(wèn)題2023/2/6355輸出噪聲紋波電流、紋波電壓峰-峰值？穩(wěn)定狀態(tài)下，電流上升與下降量相等，電流平均值Idc不變，如下圖所示一些基本問(wèn)題2023/2/6365輸出噪聲紋波電流、紋波電壓峰-峰值？占空比D=0.5時(shí)電感紋波電流最大，計(jì)算紋波的通式為：其中fs為開關(guān)頻率，單位Hz；

Vdc、VB分別為降壓電路的輸入和輸出電壓，單位V；D為占空比；Idc

為電路輸出平均電流，可由系統(tǒng)輸出功率/輸出電壓計(jì)算。值得指出的是：Idc的大小和

的大小沒(méi)有直接關(guān)系。一些基本問(wèn)題2023/2/6376交流輸出指標(biāo)THD？一些基本問(wèn)題THD小的電流波形THD大的電流波形，畸變明顯2023/2/6386交流輸出指標(biāo)THD？一些基本問(wèn)題2023/2/6397電源or負(fù)載？2012年省賽電子負(fù)載一些基本問(wèn)題2023/2/6407電源or負(fù)載？本質(zhì)一致，基本控制要求一致，功率方向相反電源：輸出功率負(fù)載：吸收功率Generallyspeaking:制作可控電源或負(fù)載，都要求實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，都要求控制電壓、電流、功率三項(xiàng)指標(biāo)中的一項(xiàng)，或者多項(xiàng)。一些基本問(wèn)題2023/2/6418效率！電路效率提高是一項(xiàng)綜合任務(wù)電路拓?fù)浜头桨福?011年題目）元器件參數(shù)、選型電路布局開關(guān)頻率電感、變壓器設(shè)計(jì)制作工藝工作點(diǎn)調(diào)制方式、軟開關(guān)技術(shù)。。。一些基本問(wèn)題牽一發(fā)而動(dòng)全身2023/2/642開關(guān)器件POWER

MOSFET元器件介紹2023/2/643驅(qū)動(dòng)HowtodriveaPOWER

MOSFET?參考：MatchingMOSFETDriverstoMOSFETsDesignAndApplicationGuideforHighSpeedMOSFETGateDriveCircuits元器件介紹2023/2/644電感元器件介紹思考：1DC/DC變換電路中，要求減小輸出紋波，需要選用大電感量還是小電感量？2開關(guān)頻率越大，電路需要的電感量越大還是越?。繛槭裁?？3電感值的大小由什么決定？4電感匝數(shù)與電感值的關(guān)系？2023/2/645電感的設(shè)計(jì)電磁感應(yīng)安培環(huán)路定律2023/2/646電感的設(shè)計(jì)法拉第定律:變化的磁通感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).自感:andand2023/2/647電感設(shè)計(jì)的重要因素：損耗鐵芯損耗：CoreLoss滯環(huán)損耗Hysteresisloss渦流損耗Eddycurrentloss趨膚效應(yīng)Skineffect銅損：CopperLoss繞線電阻產(chǎn)生，交流阻值大于直流阻值，隨溫度的增加而升高2023/2/648電感設(shè)計(jì)的重要因素：氣隙思考1:為什么絕大多數(shù)的電感磁路需要設(shè)置氣隙？思考2:下圖中，磁芯還是氣隙部分磁場(chǎng)強(qiáng)度更大？2023/2/649電感設(shè)計(jì)綜合電感設(shè)計(jì)需綜合考慮匝數(shù)和氣隙的因素.為了減少鐵損，需要設(shè)計(jì)較大的氣隙長(zhǎng)度：但氣隙長(zhǎng)度增加，氣隙磁阻增大，需要更多的匝數(shù)來(lái)獲得相同的電感量，導(dǎo)致銅損增加：2023/2/650電感繞制變壓器的設(shè)計(jì)對(duì)絕大多數(shù)的變