开关电源的结构和基本原理-上课

L C IC
RL
IR
（b)开关管饱和时的等效电路
• 开关管饱和导通时，300V电源通过开关管Q，电 感L和负载RL形成电流回路，同时向电容器C充电， 在电感L和电容C中同时储能。 • 二极管D处于反向截止状态。 • 由于电感L中突然出现电流，将在L两端产生左正 右负的自感电动势，负载两端电压等于300V电源 电压与L两端自感电动势之差。
2.4.2 单端反激式变压器型开关稳压电源工作过程
• A.能量转换过程
* * T VT
VT导通，D截止，T吸收能量； VT截止，D导通，T释放能量。 传递的能量越多，负载两端形成 的电压就越高。
D
2.4.2 单端反激式变压器型开关稳压电源工作过程
• B.稳压过程
* * T VT
脉冲产 生与脉 宽控制 比较 放大 取样 电路
9
F：二次电源产品的图片（DC/DC）--标准转类
Full Brick
Half Brick
Half Brick
1/4 Brick
1/8 Brick
10
G：二次电源产品的图片（DC/DC）
11
彩电开关稳压电源
1.2 直流稳压电源的发展
直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部 分。传统的串联式线性转换方法设计制作的电源，其效率低， 损耗大，温升高。
+300V
Q
L
IL ID D C
+
IC RL
（c)开关管截止时的等效电路
• 开关管截止时，由于电感线圈中电流的突然中断， 将在电感L两端产生左负右正的自感电动势，该自 感电动势使续流二极管D导通，形成电流回路。 • 同时，电容C也通过RL放电。 • 可见负载电流由电感电流与电容放电电流两路同时 提供。 • 虽然开关管截止了，但是负载电流并没有中断。
2.1 高频变压器开关电源的结构
共轭滤 波器
220V交流 电压输入
整流 滤波
开关调 整管
储能 元件
脉冲整 流滤波
直流电 压输出
比较 放大
取样 电路
功能：将220V交流电 压转换为电路所需要的 各种稳定的直流电压
基准
图2-1 高频变压器开关电源基本功能框图
2.2 输入共轭滤波及整流 2.2.1、进线抗电磁干扰电路EMI
3.2 单端反激式变换器也有三种工作状态
1、磁通临界连续的工作情况：
U0
N P L2U in t on N t 2 on U in N 2 LP t off N P t off
NP uce U in U0 N2
N P U in L2 N P L2 U in t off t on t on N 2 LP U 0 N 2 LP U 0 N 2 U in t on N P U0
无工频变压器开关稳压电源的不足之处：
1.输出纹波较大，约有10～100mV的峰峰值； 2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大； 3.控制电路比较复杂，对元器件要求高； 4.动态响应时间至少要大于一个开关周期，不如串联 式晶体管线性稳压电源。
二、 开关电源工作原理
通过高频开关技术将输入的较高的交流电压(AC) 转换为PC电脑工作所需要的较低的直流电压(DC)
图1-1 晶体管串联式线性稳压电源
随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢 复二极管及其它元器件的电压得到很大的提高，这为取消 稳压电源中的工频变压器，发展高频开关电源创造了条件。
它使电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了 一步。
图1-3 无工频变压器的开关电源原理框图
1.3 无工频变压器开关稳压电源的优点：
但目前只将前两类称为开关电源，而将后两类分别 称为逆变器和变频器。
5
常见开关电源图片
A：一次电源产品的图片（AC/DC）
6
B：工业电源产品的图片—标准产品（AC/DC）
CPCI Series of Lambda
7
C：工业电源产品的图片（AC/DC）
HWS Series of Lambda
8
E：工业电源产品的图片（AC/DC）
220V市 电
S501 C501 0.1u L502 C502 0.1u 至整流滤 波电路
F501 T2.5A
对50Hz低频而言，电容呈开路，而电感则 呈短路。因此，50Hz市电可以顺利通过。
220V市 电
S501 C501 0.1u F501 T2.5A L502 C502 0.1u 至整流滤 波电路
3
1.1.2 串联稳压电源与开关电源的区分
• 串联线性稳压电源：电源调整管工作在放大 状态。
• 开关电源：电源调整管工作在开关状态的电 源 。是具有高功率密度的电源。
电源调整管 开关管K
输入
负载RL
输入
储能元 件
负载 RL
串联稳压电源
开关电源
1.1.3 开关电源的分类：
按变换方式可分为下列四大类： （1）：第一大类：AC/DC开关电源； 开关电源 （2）：第二大类：DC/DC开关电源； （3）：第三大类：DC/AC开关电源；逆变器 （4）：第四大类：AC/AC开关电源。变频器
青岛科技大学
高频开关电源 的结构和基本原理
一、 概述
1.1 电源及开关电源
1.1.1 电源是什么？
将电网或电池的一次电能，转换为符合电子设备要 求的二次电能，这样的变换设备便是电源。 电源是一切电子设备的心脏，没有电源，电子设备 就不可能工作。 电源常 用的连 接方式
串联线性稳压电源 高频开关电源
t on U0 t TS U 0 U in n U0
t U in N 2 t on U in N P t off 1t n
u ce U in
I PK
图8-18 磁通连续时的工作波形
NP U 0 U in tU in U in ( 1 ) 1 t 1 t N2
220V市 电 S501 C501 0.1u L502
C502 0.1u
至整流滤 波电路
F501 T2.5A
• A.电路组成： • B.作用：双向滤波（一方面避免电网供电线引 入高频脉冲影响电子电路，另一方面，防止开 关电源对电网造成污染。）
C.工作原理：
对高频干扰信号而言，电容呈短路，而电 感则呈开路。高频干扰被电容短路。
（a ) 串联型开关电源基本电路 • 电路中Q为开关管，工作于开关状态（Q饱和导通 时相当于一只接通的开关，Q截止时相当于一只断 开的开关）。 • 电感L和电容C为储能元件。 • RL为电源的负载。 • D为续流二极管，它在开关管截止时导通，保证电 感L中的电流不中断。
+300V
Q
+
IQ D IL
U int on 2TS I 0 2I 0 2 P0 LPth (TS t on )n (1 t )n tU in
I P min U int on [
TS 1 ] 2 2 RL n t off 2 LP
3.3、输入电压Uin与导通比αt的对应关系
t min t max nU0 U inH U inL 1 t min 1 t max
2.4变压器型开关电源工作过程
这类电源的共同特点是具有高频变压器、直流稳压是从变 压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。
变压器原副边是隔离的，输入电压是直接从交流市电整流 得到的高压直流。
图2-1 高频变压器开关电源基本结构框图
2.4.1 高频变压器变换电路工作方式分类
按其工作方式可分为五类,每类传输的功率也不相同，应用环境 也稍有不同，如下所示： 电路类型 单端反激式 变换器 单端正激式 变换器 推换式变换 器 半桥式变换 器 全桥式变换 器 传输功率 20～ 100W 50～ 200W 100～ 500Ｗ 100～ 5000W 500W～ 30kW 应用环境 小型仪器、仪表，家用电器等电 源，自动化设备中的控制电源 小型仪器、仪表，家用电器等电 源，自动化设备中的控制电源 控制设备，计算机等电源 焊机，超声电源，计算机电源等

1 U iniP dt TS 0
ton

ton
0
2 2 2 U in U in t on tdt Lp 2TS LP

t
ton
U 0 i2 dt
2 2 U0 U in t on NP [ I P max (t t on )]d (t t on ) N2 L2 2TS LP
图8-16 临界连续状态时的电压电流波形
2、磁通不连续的工作状态
t off
i2 I 2 max
N 2 U in t on NP U0
U0 U N (t t on ) P I P max 0 (t t on ) L2 N2 L2
1 P 1 TS
1 P0 TS
U 0 TS
输入220V交流电压的检测
交流电压500V档 220V交流 输入
共轭滤波器
正常值: 220V±15%(187V~253V)
220V交流电压整流滤波后直流电压的检测
正常值为300V左右
来自共 轭滤波 器的 220V 交流电 压
直流电压500V档
2.3 串联型开关电源工作过程 （降压式BUCK)
+300V Q D L C RL

( t ton )
0
图8-17 磁通不连续时的工作波形
U 0 U int on
RL 2TS LP
3、磁通连续的工作状况
i2 I 2 max

U0 (t t on ) L2
U N P U in ( t on I P min ) 0 (t t on ) N 2 LP L2
开关电源的中心思想：用提高工作频率等手段来 提高电源的功率密度，进而达到减少变压器的体积和 重量的目的。采用开关变换的显著优点是大大提高了 电能的转换效率，典型的PC电源效率为70%-75%， 而相应的线性稳压电源的效率仅有50%左右。
输出电压的稳定则:依赖对脉冲宽度的改变来实 现，这就叫做脉宽调制PWM。
三、单端反激式开关电源理论计算
3.1 工作原理分析
1、在开关VT导通期间：
U in 图2-2 单端反激式变换器 iP (t on ) t on I P min I P max LP
2、在开关VT截止期间
Uo NP U0 N P U in i2 (TS ) I P max t off ( t on I P min ) t off N2 L2 N 2 LP L2
＋300V _ e1′ + VT T + I e2' _
D
C
RL
（ c )开关管截止
• 开关管截止，变压器初级电流中断，于是在 初级绕组产生反方向的自感电动势（上负下 正），次级互感电动势也反一个方向。 • 次级互感电动势使整流二极管D导通，开关 变压器次级电流一方面流入负载，另一方面 向电容器C充电储能，以便开关管再次导通时 向负载释放能量。
D
基准
2.4.3 调整输出电压的方法
Vi Vk Vo
t TON T
t
t
K Vi Vk
电压 变换器
Vo
RL
0N VO = T · Vi =D· Vi T
占空比
பைடு நூலகம்
• 只要改变开关脉冲的“占空比”，就可以 改变输出电压的高低。 • 在具体电路中，可以使开关脉冲频率固定， 改变开关管导通时间而改变输出电压高低。 这种电源称为“调宽式”开关电源。 PWM • 也可以使开关管截止时间不变，只改变开 关管导通时间长短而改变输出电压高低。 这种电源称为“调频调宽”式开关电源。 PFM
1.效率高。一般在70～80%以上。 2.体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。 3.稳压范围广，一般交流输入80～265V，负载作大幅度变 化时，性能很好。 4.噪声低，声频在20kHz以上时，已是人耳听不到的超声 波，而开关电源的工作频率一般都大于此频率； 5.性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到低压大电流、 高压小电流；一个开关控制的一路输入可得到多路输出以 及同号、反号等输出； 6.电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算机、现代 自动化控制设备电源转换的需要，开关电源可在几十毫秒 内保证仍有电压输出。 7.可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压 出现。
焊机、高频感应加热，交换机等
2.4.2 单端反激式变压器型开关稳压电源工作过程
+300V D ＋300V C RL VT （a )基本电路 VT T + e1 e2 + D + _ C
RL
( b )开关管饱和导通
• 开关管饱和导通，开关管电流在开关变压器 初级产生上正下负的自感电动势，次级产生 上负下正的互感电动势。 • 整流二极管D截止，由电容器C放电形成负载 电流。