開關電源基本原理與設計介紹.ppt

1、,開關電源基本原理與設計介紹,Summary,基本原理介紹 開關電源中的相關設計,基本原理介紹,DC-DC變換器主要架構及其拓補 EMI 部分 PFC 部分 同步整流部分 均流技術 保護與控制線路,SPS基本原理框圖,基本原理簡介,一般由三部分組成:一是輸入回路.二是輸出回路.三是控制回路. 輸入回路由EMI濾波電路.高壓整流濾波.隔離變壓器初級和高壓方波切割元件所組成，其與電網(wǎng)直接連接高電壓.輸出回路由隔離變壓器次級.低壓整流濾波 電路所組成，其與控制回路都由低壓電子元器件組成.輸入回路與輸出回路兩者 間採用隔離變壓器進行隔離確保人身與低壓電子器件之安全，這樣不僅達到高 低電壓隔離,還做到高

2、低電壓的轉換功能. 工作原理 交流輸入電壓(AC)經(jīng)EMI濾波電路濾波一些電網(wǎng)來的干擾與雜訊後, 直接予以整流與濾波得到高壓直流(DC).再將直流高壓進入方波切割器件(MOSFET)中,切割成20200KHZ的高頻電壓方波信號.該方波信號進入隔離變壓器初級,而由次級所感應出的低壓交流電勢經(jīng)整流濾波後,得到低壓穩(wěn)定直流輸出,供給負載.不管輸入電壓有無變化或輸出負載是否變動,都要保持輸出直流電壓的穩(wěn)定.因此,經(jīng)直流輸出監(jiān)控電路對輸出電壓加以監(jiān)控,並把信號回饋給PWM邏輯控制電路調(diào)整占空比.從而調(diào)整輸出電壓達到穩(wěn)定效果.當負載發(fā)生故障(如:短路,過載等)時可通過保護電路把信號迅速回饋給PWM邏輯控制

3、電路使方波切換元件停止工作,達到保護的功能.,Boost DC-DC變換器主要架構,peak drain current,.peak drain voltage,2. Boost (step up),Ideal transfer function,Diode voltages (vrm,Average diode currents,Boost變換器工作狀態(tài),Boost DC-DC變換器主要架構,DPS-350MB A BOOST CIRCUIT,Buck DC-DC變換器主要架構,1.Buck (step down),peak drain current,Ideal transfer func

4、tion,peak drain voltage,Average diode currents,Diode voltages (vrm),Buck變換器工作狀態(tài),Buck變換器工作原理,當S關閉時,電流就會順向地流經(jīng)電感器L,此時在負載上就會有帶極性的輸出電壓產(chǎn)生,如上面圖2所示,當開關打開時,電感器L會改變磁場,二級體D則為順向偏壓狀態(tài),因此在電容器C中就會有電流流過,因此在負載RL上輸出電壓的極性仍是相同的,一般我們稱此二級體D為飛輪二級體. 由于此種轉換動作,使得輸出電源是一種連續(xù)而非脈動電流形式,相對的由于開關S在ON/OFF之間改變,所以輸入電流則為不連續(xù)形式,也就是所謂的脈動電流形式

5、.,Buck DC-DC變換器主要架構,實際舉例,DPS-350MB A BUCK CIRCUIT,Buck&Boost DC-DC變換器主要架構,Voltage and current waveforms,Buck,Boost,BUCK-BUST(FLYBACK)變換器,原理圖,BUCK-BUST(FLYBACK)變換器,工作狀態(tài),BUCK-BUST(FLYBACK)變換器,工作原理,當電路中的開關S關閉時,電流就會流經(jīng)電感L,並將能量儲存于其中,由于電壓極性的關系,二級體D是在逆向偏壓狀態(tài),此時負載電阻RL上就沒有電壓輸出. 當開關S打開時,由于磁場的消失,電感L呈逆向極性,二級體D為順向

6、偏壓,環(huán)路中則有Ic感應電流產(chǎn)生,因此負載RL上的輸出電壓極性正好和輸入電壓極性相反,由于開關ON/OFF的作用,使得電感器的電流交替地在輸入與輸出間,連續(xù)不斷的改變其方向,不過這二者電流都是屬于脈動電流形式. 所以該變換器電路中,當開關是在導通周期時,能量是儲存在電感器裏,反之,當開關是在打開周期時能量會轉移至負載上.,Isolated Forward DC-DC變換器拓補,3. Isolated Forward,Ideal transfer function,Peak drain current,Peak drain voltage,Average diode currents,Diode

7、 voltages (vrm),Isolated Forward 工作原理,由于該轉換器中使用的隔離元件是一個真正的變壓器,因此為了獲得正確有效的能量轉移,必須在輸出端有電感器,作為次級感應的能量儲存元件.而變壓器的初級繞組和次級繞組有相同的極性. 當電晶體Q1在ON時,初級繞組漸漸會有電流流過,并將能量轉移至輸出,且同時經(jīng)由順向偏壓二級體D2,儲存與電感器L中,此時的二級體D3為逆向偏壓狀態(tài).當Q1換成OFF狀態(tài)時,變壓器的繞組電壓會反向,D2二級體此時就處于逆向偏壓的狀況,此時與飛輪二級體D3則為順向偏壓,在輸出回路上有導通電流流過,並經(jīng)由電感器L,將能量傳導至負載上. 變壓器上的第三個繞

8、組與D1互相串聯(lián)在一起,可達到變壓器消磁的作用,如此可避免Q1在OFF時,變壓器的磁能會轉回至輸入直流匯流排上.,Forward,實際舉例,300LB A FORWARD CIRCUIT,Isolated Flyback DC-DC變換器拓補,4. Isolated Flyback,Ideal transfer function,Peak drain current,Peak drain voltage,Diode voltages (vrm),Average diode currents,Isolated Flyback 工作原理,當電晶體Q1導通時,變壓器的初級繞組漸漸會有初級電流流過,並

9、將能量儲存與其中,由于變壓器扼流圈的輸入與輸出繞組,其極性是相反的,因此二級體被逆向偏壓,此時沒有能量轉移至負載,當電晶體不導通時,由于磁場的消失導致繞組的極性反向,此時二級體D會被導通,輸出電容器C會被充電,負載RL上有IL的電流流過. 由于此種隔離元件的動作就象是變壓器與扼流圈,因此在反擊式轉換器輸出部分,就不需要額外的電感器了,但是在實際應用中,為了抑制高頻的轉換電訊波尖,還是會在整流器與輸出電容之間加裝小型電感器.,Flyback,實際舉例,DPS-200PB-135 B FLYBACK CIRCUIT,Voltage and current waveforms,Forward,Fly

10、back,Forward&Flyback DC-DC變換器拓補,TWO- SWITCH FORWARD,Ideal transfer function,Peak drain current,Peak drain voltage,Average diode currents,Average diode currents,Tow Switch Forward DC-DC變換器拓補,DC-DC變換器拓補,Voltage and current waveforms 實際舉例,DC-DC變換器拓補,HALF BRIDGE,Ideal transfer function,Peak drain curren

11、t,Peak drain voltage,Average diode currents,Diode voltages (vrm),DC-DC變換器拓補,FULL BRIDGE,Ideal transfer function,Peak drain current,Peak drain voltage,Average diode currents,Diode voltages (vrm),DC-DC變換器拓補,Voltage and current waveforms,HALF BRIDGE FULL BRIDGE,FULL BRIDGE circuit,DPS-1001AB C FULLBRID

12、GE CIRCUIT,零電流開關變換器,軟開關 ZCS變換器,在大功率的開關電源中,為了降低電路的開關損耗及提高開關器件的電壓應力和電流應力,軟開關技術也就得到了研究並得到了迅速發(fā)展.所謂軟開關通常指的是零電壓開關ZVS和零電流開關ZCS.軟開關的實現(xiàn)主要是借助于附加的電感L和電容C的諧振,使開關器件中電流(或電壓)按正弦規(guī)律來變化,當電流過零時,使器件關斷,當電壓下降到零時,使器件導通.此次討論零電流開關變換器- ZCS-PWM. ZCS-PWM變換器是ZCS-QRC和PWM開關變換器的綜合,同時兼有二者的特點.在一個周期內(nèi),電路有時以ZCS準諧振方式運行,有時又以PWM方式運行.以Buck

13、 ZCS-PWM為例,對此電路的工作過程進行討論和分析.,基本電路,BUCK 變換器基本電路,在此電路中將開關S用零電流諧振開關代替后,就構成了下圖的零電流開關諧振Buck變換電路.,基本變換電路,BUCK ZCS-QRS變換電路,在Buck ZCS-QRS變換電路的基礎上增加一個功率開關管Q2以及與其反并聯(lián)的二極體D2就構成了Buck ZCS-PWM變換電路.,基本變換電路,Buck ZCS-PWM變換器,基本變換電路,Buck ZCS-PWM變換器工作原理,設初始時刻主開關管Q1和輔助開關管Q2均處于關斷狀態(tài),輸出負載電流Io從續(xù)流二極管D上流過,電容Cr兩端的電壓為零.一個開關從主開關管

14、Q1的導通開始.當Q1在Snubber電感Lr作用下零電流導通後,電感電流 將在電源電壓 作用下線性上升,當 上升倒等於IO時,續(xù)流二極體D關斷.之後,D2導通,LR與CR諧振.經(jīng)過半個諧振週期, 以諧振方式再次達到IO, 以諧振方式上升到 ,此時由於輔助開關管Q2處於關斷狀態(tài),故 與 將保持在該值上,無法繼續(xù)諧振.這個狀態(tài)的持續(xù)時間由電路輸出的PWM控制要求確定.如果這一段時間等於零,則ZCS-PWM電路就完全等同於ZCS-QRC電路了.當電路的輸出PWM控制要求關斷主開關管Q1時,首先應導通開關管Q2(在SNUBBER電感LR的作用下零電流導通),之後 與 再次諧振.當電感電流諧振到零時,

15、二極體D1導通,之後, 繼續(xù)向反方向諧振並再次諧振到零.在電感電流反方向運行期間,主開關管Q1可在零電流零電壓下完成關斷過程.在此之後,電容電壓 將在輸出電流的作用下線性衰減到零,使續(xù)流二極體D自然導通,直到下一個開關週期到來.輔助開關管Q2可以在D到同之後及下一個開關週期到來之前的任何,以下分析都是在下列條件成立時進行的: a.所有元器件都是理想的,即開通時管壓降為零,關斷時漏電流為零,開通與關斷瞬間完成. b.濾波電感 足夠大,故濾波器 及負載 在一個開關週期中,可用其值等於該週期輸出電流Io的恆流源代替. Buck ZCS-PWM 變換電路的開關周期可分為六個時間段來描述,對應于六種基本

16、的電路拓撲模式,如下圖所示.設電路初始狀態(tài)為主電路開關Q1關斷,輔助開關Q2關斷,續(xù)流二極管D導通,輸出電流全部通過D續(xù)流,電感電流 =0,電容電壓 =0.,工作過程分析,.,時刻,以零電壓零電流方式完成關斷過程. 從上述工作原理可看出,在ZCS-PWM電路中,所有開關管及二極體都是在零電壓或零電流下完成通斷的.同時,電路可以以恆定頻率通過調(diào)節(jié)輸出脈寬占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓.,各時間段的電路拓補圖,主要電量波形,半橋式轉換器介紹,雙輸入電壓半橋式轉換器,二個主要優(yōu)點,第一點就是它能在數(shù)放交流電壓115V或230Vac的工作情況下,不需使用到高壓晶體管.第二點就是我們只需使用到簡單的方法就能來平衡

17、每一轉換晶體管的伏特-秒(volt-senconds)區(qū)間,而功率變壓器不需有間隙且不需使用到價格高的對稱修正電路,雙輸入電壓半橋式轉換器,在半橋式轉換器結構中,功率變壓器有一端點連接到由串聯(lián)電容器C1與C2所産生的浮點電壓值端點,其浮點電壓值爲Vin/2,所以在標準的輸入電壓下,其值爲160Vdc.變壓器的另一端點則經(jīng)由串聯(lián)電容器C3連接到Q1的射極與Q2的集極接頭處,當Q1電晶體ON時,此處變壓器端點會産生正的160V電壓脈波,當Q1電晶體OFF,Q2電晶體ON時,變壓器的初級圈會極性反轉,因此,會産生負的160V電壓脈波,在這Q1與Q2電晶體ON-OFF動作中,其産生的峰對方波電壓值爲3

18、20V,經(jīng)由變器轉換降低爲次級電壓,再經(jīng)過整流,濾波而得到直流輸出電壓.,工作原理,RCC(Ringing choke converter)電路,RCC電路的工作原理,以DPS-180KB-1 D 的STANDBY電路為例 如圖所示,Q902的控制極(G極)由R914AR914C得到啟動電壓后,Q902開始導通,電流經(jīng)過T901的8,10腳,Q902的漏源極和R906到地,同時T901開始儲能,R906的電壓也同時升高,當R906的電壓達到一定值的時候,Q901導通,使得Q902的G極電壓拉低,Q902截止.在Q902截止的期間內(nèi),由開關變壓器T901向負載提供能量,在T901次級繞組的電流經(jīng)過LC濾波后得到直流輸出.當Q901由導通變?yōu)榻刂箷r,Q902再次導通,如此反復的循環(huán),形成自激振蕩.,RCC電路舉例,Input EMI Section,EMI的定義 EMI 的產(chǎn)生和傳播及處理方式 在SPS中的架構模型 EMI的處理及量測裝置 LISN的原理與使用 開關電源的雜訊分析 EMI濾波器的組成元件,EMI的定義,EMI:Electromagnetic interference 電磁干擾 EMI包括傳導(conduction)和輻射