开关电源电路组成及常见各模块电路分析.pptx
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第三 开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载; 第四 输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制 PWM 占空比,以达到稳
输
入
PFI 滤波
器和浪
涌抑制
器
Vin(DC)
输入 整流 和滤 波
变压器
Vout(DC)
整流 与滤 波
保护 电路
输出
VCC
保
反馈
护
网络
抑
启动、IC
功
驱动
控
制
供电和
率
制
ຫໍສະໝຸດ Baidu
驱动电
2 开关电源的基本原理
1. PWM 开关电源的基本原理
开关电源的工作过程相当容易理解。在线性电源中，让功率晶体管工作在线 性模式，与线性电源不同的是，PWM 开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断 状态。在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏安乘积总是很小的（在导通时， 电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）。功率器件上的伏安乘积就是功率 半导体器件上所产生的损耗。
一寸光阴不可轻
1.1 课题背景
1.1 开关电源的发展历史
开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线 性电源）已有 30 多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线 性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后，脉宽调制（PWM）控制技术有了 发展，用以控制开关变换器，得到 PWM 开关电源，它的特点是用 20kHz 脉冲频率 或脉冲宽度调制—PWM 开关电源效率可达 65～70％，而线性电源的效率只有 30～40％。在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。线性电源工 作于工频，因此用工作频率为 20kHZ 的 PWM 开关电源替代，可大幅度节约能源， 在电源技术发展史上誉为 20kHZ 革命。 随着 ULSI 芯片尺寸不断减小，电源的尺 寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电 子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电源。因此对开 关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开 关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。
控制器的主要目的式保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很
1
一寸光阴不可轻
类似。也就是说控制器的功能模块电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调 节器相同。它们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率 管 之前要经过一个电压脉冲转换单元。
开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部 分的布置差别很少，但是工作过程相差很大，在特定的场合下个有优点。
3.2.2 DC 输入滤波电路原理
3
一 寸 光 阴 不 可轻
① 输入滤波电路：C1、L1、C2 组成的双 π 型滤波网络主要是对输入电源的电 磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频 杂波对电网干扰。C3、C4 为安规电容，L2、L3 为差模电感。 ② R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7 组成抗浪涌电路。在 起机的瞬间，由于 C6 的存在 Q2 不导通，电流经 RT1 构成回路。当 C6 上的电压 充至 Z1 的稳压值时 Q2 导通。如果 C8 漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间 电流在 RT1 上产生的压降增大，Q1 导通使 Q2 没有栅极电压不导通，RT1 将会在 很短的时间烧毁，以保护后级电路。
正激式变换器的优点式：输出电压的纹波峰峰值比升压式变换器低，同时可 以输出比较高的功率，正激式变换器可以提供数千瓦的功率。
升压式变换器中峰值电流较高，因此只适合功率不大于 150W 的应用场合， 在所有拓扑中，这类变换器所用的元器件最小，因而在中小功率的应用场合中和 流行。
开关电源的工作原理是: 第一 交流电源输入经整流滤波成直流; 第二 通过高频 PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变 压器初级上;
与线性电源相比，PWM 开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把 输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比 是开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过 变压器来生高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组 数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。
① 防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由 MOV1、MOV2、MOV3： F1、F2、F3、FDG1 组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工 作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、 F3 会烧毁保护后级电路。 ② 输入滤波电路：C1、L1、C2、C3 组成的双 π 型滤波网络主要是对输入电源 的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的 高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对 C5 充电，由于瞬间电流大，加 RT1 （热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在 RT1 电阻上，一定 时间后温度升高后 RT1 阻值减小（RT1 是负温系数元件），这时它消耗的能量非 常小，后级电路可正常工作。 ③ 整流滤波电路：交流电压经 BRG1 整流后，经 C5 滤波后得到较为纯净的直流 电压。若 C5 容量变小，输出的交流纹波将增大。
开
器
电路
关
地
地
2
一寸光阴不可轻 定输出的目的.
3 PWM 开关电源的组成模块
开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功 率变换电路、PWM 控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压 保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。
1. 输入电路的原理及常见电路 1. AC 输入整流滤波电路原理
3.2 功率变换电路
1、 MOS 管的工作原理：目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是 MOSFET（MOS 管）， 是利用半导体表面的电声效应进行工作的。也称为表面场效应器件。由于它的栅 极处于不导电状态，所以输入电阻可以大大提高，最高可达 105 欧姆，MOS 管是 利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的 大小。 2、 常见的原理图：
输
入
PFI 滤波
器和浪
涌抑制
器
Vin(DC)
输入 整流 和滤 波
变压器
Vout(DC)
整流 与滤 波
保护 电路
输出
VCC
保
反馈
护
网络
抑
启动、IC
功
驱动
控
制
供电和
率
制
ຫໍສະໝຸດ Baidu
驱动电
2 开关电源的基本原理
1. PWM 开关电源的基本原理
开关电源的工作过程相当容易理解。在线性电源中，让功率晶体管工作在线 性模式，与线性电源不同的是，PWM 开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断 状态。在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏安乘积总是很小的（在导通时， 电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）。功率器件上的伏安乘积就是功率 半导体器件上所产生的损耗。
一寸光阴不可轻
1.1 课题背景
1.1 开关电源的发展历史
开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线 性电源）已有 30 多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线 性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后，脉宽调制（PWM）控制技术有了 发展，用以控制开关变换器，得到 PWM 开关电源，它的特点是用 20kHz 脉冲频率 或脉冲宽度调制—PWM 开关电源效率可达 65～70％，而线性电源的效率只有 30～40％。在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。线性电源工 作于工频，因此用工作频率为 20kHZ 的 PWM 开关电源替代，可大幅度节约能源， 在电源技术发展史上誉为 20kHZ 革命。 随着 ULSI 芯片尺寸不断减小，电源的尺 寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电 子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电源。因此对开 关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开 关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。
控制器的主要目的式保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很
1
一寸光阴不可轻
类似。也就是说控制器的功能模块电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调 节器相同。它们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率 管 之前要经过一个电压脉冲转换单元。
开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部 分的布置差别很少，但是工作过程相差很大，在特定的场合下个有优点。
3.2.2 DC 输入滤波电路原理
3
一 寸 光 阴 不 可轻
① 输入滤波电路：C1、L1、C2 组成的双 π 型滤波网络主要是对输入电源的电 磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频 杂波对电网干扰。C3、C4 为安规电容，L2、L3 为差模电感。 ② R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7 组成抗浪涌电路。在 起机的瞬间，由于 C6 的存在 Q2 不导通，电流经 RT1 构成回路。当 C6 上的电压 充至 Z1 的稳压值时 Q2 导通。如果 C8 漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间 电流在 RT1 上产生的压降增大，Q1 导通使 Q2 没有栅极电压不导通，RT1 将会在 很短的时间烧毁，以保护后级电路。
正激式变换器的优点式：输出电压的纹波峰峰值比升压式变换器低，同时可 以输出比较高的功率，正激式变换器可以提供数千瓦的功率。
升压式变换器中峰值电流较高，因此只适合功率不大于 150W 的应用场合， 在所有拓扑中，这类变换器所用的元器件最小，因而在中小功率的应用场合中和 流行。
开关电源的工作原理是: 第一 交流电源输入经整流滤波成直流; 第二 通过高频 PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变 压器初级上;
与线性电源相比，PWM 开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把 输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比 是开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过 变压器来生高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组 数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。
① 防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由 MOV1、MOV2、MOV3： F1、F2、F3、FDG1 组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工 作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、 F3 会烧毁保护后级电路。 ② 输入滤波电路：C1、L1、C2、C3 组成的双 π 型滤波网络主要是对输入电源 的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的 高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对 C5 充电，由于瞬间电流大，加 RT1 （热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在 RT1 电阻上，一定 时间后温度升高后 RT1 阻值减小（RT1 是负温系数元件），这时它消耗的能量非 常小，后级电路可正常工作。 ③ 整流滤波电路：交流电压经 BRG1 整流后，经 C5 滤波后得到较为纯净的直流 电压。若 C5 容量变小，输出的交流纹波将增大。
开
器
电路
关
地
地
2
一寸光阴不可轻 定输出的目的.
3 PWM 开关电源的组成模块
开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功 率变换电路、PWM 控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压 保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。
1. 输入电路的原理及常见电路 1. AC 输入整流滤波电路原理
3.2 功率变换电路
1、 MOS 管的工作原理：目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是 MOSFET（MOS 管）， 是利用半导体表面的电声效应进行工作的。也称为表面场效应器件。由于它的栅 极处于不导电状态，所以输入电阻可以大大提高，最高可达 105 欧姆，MOS 管是 利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的 大小。 2、 常见的原理图：