高效率开关电源的设计及应用

ib
0 t
Vce
图1-5-a 增加开通和关断时间将增大开关损耗
0
t
90% 90%
➢ 纯电阻负载的开关损耗大小与开关管的 4 个开关时间大小成正比，增加开关管的开通 时间和关断时间，会降低开关电路的电压、 电流上升率，对降低开关电源的辐射干扰也 很有利，但会增加开关管的开关损耗。 ➢ 在感性负载中，正激式和反激式输出开关 电源，两种开关损耗均不相同。
铁氧体
-Hm B Bm Br
钴基
➢ 在变压器铁芯所有参数中，
最大磁通密度Bm（或磁饱和 磁通密度 Bs ）、以及最大导
o
Hm H
玻莫合金
铁基纳米晶
-Br -Bm
m 磁率 或有效导磁率
e Hm、涡流损耗等，这 矫顽力
些都是我们设计开关电源应 该考虑的参数。
、和
硅钢片
图1-9 各种变压器铁芯技术性能比较 14
源的工作频率成正比。
➢ 开关变压器的涡流损耗、以及变压器线圈的铜阻损耗，与工作频率的平方成正比；而
磁滞损耗除了与工作频率成正比外，还与磁通密度的1.6 次方成正比。
➢ 整流二极管的正向损耗与整流二极管的正向压降有关，反向恢复损耗则与二极管的反
向恢复时间有关。
➢ 上面3项损耗大约占开关电源总损耗的20%以上，如何降低开关管和变压器的损耗，
−
t RC
) t =on + (U p e
−
t RC
) t =off
0
0
ic
0
图1-1-a 晶体管开关电路
Vcc Rc
➢ 晶体管（或 MOS 管）导通时输出端可等 效成一个电感与电阻串联；关断时可等效成 一个电容与一电阻串联；其输出电压为：
uc Vcc (e
off
R − t L
) t =on + Vcc (1 − e
Vin
0
t
VT Rb Vce Vin
ib
0 t
Vce
图1-2-a 纯电阻负载开关电路 晶体管的开关特性参数：
1、延时时间 td ：从输入信号Vin 变正起，到集电极电 流Ic上升到最大值Icm的10%所需时间。
0
t
90% 90%
ic
2 、 上升时间 tr ：集电极电流 Ic 从 10% 上升到最大值
Bm
c
d 0.5 B
2 P b 1
B
Br
a
B
0
0.5H
H
Hs
H
的，但在脉冲宽度不断变化的情况下，磁
图1-8 单激式开关电源变压器的磁滞回线 回线的两个端点，时刻都在变化。 13
1.2.3 各种变压器铁芯的磁滞回线
➢ 图 1-9 是各种变压器铁芯 的磁化曲线（磁滞回线）图。 它代表各种磁性材料在开关 电源设计中对不同技术要求 的应用。
Ph = K h f ( Bm ) n V
（1-1）
➢ 变压器铁芯的涡流损耗与磁感强 度的平方成正比：
o x
A
-Hm
c
-Hc
o
f
Hc Hm
H
2 Pe = K e f 2 Bm V
（1-2）
➢上面式中，Kh和Ke分别为与变压器 铁芯材料和结构相关的系数，Bm为 磁感应强度，f为工作频率，V为铁 芯的体积。指数n为与磁感应强度Bm
2.2 单激式变压器开关电源原理分析-2
➢ 如果用Ø1来表示变压器初级线圈电流产生的磁通量，用Ø2来表示变压器次级线圈 电流产生的磁通量，由于变压器初、次级线圈电流产生的磁场方向总是相反，则在控 制开关K接通期间，流过变压器初、次级线圈电流在变压器铁心中产生的合成磁场的 总磁通量为：
= 1 − 2
m 、有效导磁率 e 、以及矫顽力Hm、涡流损耗等参数，这
Pe
和磁滞损耗
Ph
与工作频率
高效开关电源的设计与应用 ♫ 2.0
单激式开关电源工作原理
励磁电流、正激输出、反激
输出、半波平均值、平均值
16
2.1 单激式变压器开关电源
u1 u2 T
M
Upa
Up Ua

u1 Ui
L1 N1
L2 N2
1.2.4 各种变压器铁芯的选择
C 铁 非晶 玻 莫 合 金 硅 钢 片 铁 基 纳 米 晶 氧 钴基 体
0
10 100 1K 10K 20K 50K 100K 200K 500K 1M F
图1-10 各种变压器铁芯工作频率范围 ➢ 变压器铁芯的选用主要是从体积、工作效率、可靠性、成本，等方面来考虑，从 而会涉及到变压器铁芯的很多参数，例如：最大磁通密度度 Bm、或磁饱和磁通密度 Bs、以及最大导磁率 的关系最大。 些参数基本上都与工作频率有关，特别是涡流损耗 15
2018电源网工程师巡回研讨会
2018年7月 沈阳站
巡回城市：北京 | 南京 | 宁波 | 西安 | 佛山 | 沈阳 | 成都 | 上海 | 重庆 | 深圳 | 天津
高效率开关电源的设计及应用
陶显芳
2018.05.19
高效开关电源的设计与应用
♫ 1.0
开关电源的损耗与效率
开关电源的损耗主要是开关管的损耗 和变压器的损耗及整流二极管的损耗
变压器的次级线圈也正好向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为正激式开关 电源；当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提 供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这 种变压器开关电源称为反激式开关电源。 ➢ 一般，单激式变压器开关电源输出电压大多是由变压器的次级输出，因此，在输出 电压u2中完全没有直流成份，输出电压正半波的面积与负半波的面积完全相等，这是 单激式变压器开关电源输出电压波形的特点。 18
值相关，n约等于1.6～2（与磁回线的 矩形系数相关）。
e d
-Br -Bm
图1-7 开关电源变压器的磁滞损耗和涡流损耗
➢ 变压的铜损与选用漆包线的直径大 小有关，一般漆包线的电流密度不能 超过5A/mm2。
12
1.2.2 单激式开关变压器铁芯中的磁滞回线
B Bs B
➢ 图 1-8 为单激式开关电源进入正常工作
−
t RC
) t =off
on
rb
➢ 集电极电流为：
Lo Co Vce
Vin
Ci
ri
ro
ro
− t Vcc Vcc − RC L ic (1 − e ) t =on + (e ) t =off R R
R
t
图1-1-b 晶体管开关等效电路
5
1.1.2 开关管的导通与关断过程-纯电阻负载
Vcc Rc
Vce
0
t
90% 90%
ic
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0
10%
10%
tr td
Pdr
tf ts
Psf
t
Pc
0
t
10
图1-6-b 缩短开关时间可减小开关损耗
高效开关电源的设计与应用
♫ 1.2
开关电源变压器的损耗
开关电源变压器的磁 滞损耗和涡流损耗
11
1.2.1 开关电源变压器的损耗
B Bm Br
a b
z H H y
➢ 开关变压器的磁滞损耗的大小与 磁滞回线的面积成正比：
Icm的90%所需时间。 3 、 储存时间 ts:从输入信号变负起，集电极电流最大 值Icm下降到90%所需时间。 4 、 下 降 时 间 tf ： 集 电 极 电 流 Ic 从 90%Icm 下 降 到 10%Icm所需时间。
0
10%
10%
tr td Pdr ts
tf
t
Pc
Psf
t
0
图1-2-b 纯电阻负载的开关损耗
6
1.1.3 开关管的导通与关断过程-反激输出电源
Vin
Vcc
0
N2
t
N1
ib
VT Rb
0
t
V
Vce
Vce Ic Vc
Vin
i
图1-3-a 反激式开关电源 ➢ 在反激式开关电源中，流过开关管的的电 流是个锯齿波，开关管刚接通时，流过变压 器初级线圈的电流非常小，而在开关管关断 前，流过变压器初级线圈的电流却很大；因 此，开关管开始导通期间（ td 、 tr) 的损耗非 常小，而关断期间（ts、tf) 的损耗却非常大， 两者相差数十倍。 7
——K接通期间
（2-1）
➢ 其中，变压器初级线圈电流产生的磁通Ø1还可以分成两个部分，一部分用来抵消变 压器次级线圈电流产生的磁通Ø2，记为Ø10，另一部分是由励磁电流产生的磁通，记 为ΔØ1。显然Ø10 =－Ø2，ΔØ1=Ø 。即：变压器铁心中产生的磁通量 Ø，只与流过 变压器初级线圈中的励磁电流有关，而与流过变压器次级线圈中的电流无关；流过变 压器次级线圈中的电流产生的磁通，完全被流过变压器初级线圈中的另一部分电流产
Ic
t
➢ 降低开关损耗的方法一个是尽量减小开关管的
开通时间和关断时间，特别是要尽量减小关断时 间，另一个是降低工作频率。
0 Pdr
Psf
t
8
图1-4-b 正激式开关电源的开关损耗
1.1.5 开关时间对损耗的影响
Vin
在基极接一电容会降 低开通和关断时间
Vcc Rc
0
t
VT Rb Vce Vin Cb
2
♫ 1.0 何来的开关电源损耗
➢ 开关电源损耗主要有三个部分：
1、开关管的损耗；2、开关变压器的损耗；3、整流二极管的损耗。
➢ 开关管的损耗主要有：开通损耗和关断损耗两个部分。
➢ 开关变压器的损耗主要有：磁滞损耗和涡流损耗以及铜阻损耗三个部分。 ➢ 整流二极管的损耗主要有：正向导通损耗和反向恢复损耗两个部分。 ➢ 开关管的损耗主要与开关管的开通和关断时间有关，还与工作频率和负载特性有关。 ➢ 开关管的开通和关断时间增大一倍，其损耗会增大约2～3倍；开关管的损耗与开关电
提高工作效率，这是每个设计师必须考虑的问题。
3
高效开关电源的设计与应用
♫ 1.1
开关管的损耗
开关管的损耗主要有开通损
耗和关断损耗两个部分
4
1.1.1 开关管的等效电路
Vcc Rc
➢ 晶体管（或 MOS 管）输入端可等效成 一个电容与一电阻并联，其输入电压为：
Vce
VT Rb
0
ub
Vin
Vce
ub U P (1 − e
Vcc
Ic
0
t
Pc
Psf 0 Pdr
图1-3-b 反激式开关电源的开关损耗
t
1.1.4 开关管的导通与关断过程-正激输出电源
Vcc
Vin 0
t
N1
N2
ib
VT Rb
V
Vce
0
t
Vin
i
Vce Ic Vc
图1-4-a 正激式开关电源
➢ 在正激式开关电源中，流过开关管的电流是个 Vcc 梯形波，开关管刚接通时，流过变压器初级线圈 的电流相对比较大；在开关管关断前，流过变压 0 器初级线圈的电流比开关管刚接通时更大；因此， Pc 开关管开始导通期间（ td 、 tr) 的损耗和关断期间 （ts、tf) 的损耗都要比反激式开关电源大。
能量（磁能）也会产生反电动势e1（反激）；同时，通过互感M的作用，在变压器次
级线圈N2绕组中也会产生感应电动势e2（反激）。 ➢ 所谓单激式变压器开关电源，是指开关电源在一个工作周期之内，变压器的初级线 圈只被直流电压激励一次。一般单激式变压器开关电源在一个工作周期之内，只有半
个周期向负载提供功率（或电压）输出。当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，
V
状态后，变压器铁芯的磁化曲线（磁滞回
线）图。当励磁电流对铁芯进行磁化时， 磁感应强度沿着磁化曲线 abc 变化，此时 ，磁感应强度是随着磁场强度增大而增大 ；而退磁时，磁感应强度与磁场强度是沿 着磁化曲线 cda 变化，此时，磁感应强度 会随着磁场强度减小而减小。 ➢ 在脉冲宽度不变的情况下，励磁电流产 生的磁场强度与退磁电流产生的磁场强度 在数值上是相等的，但方向相反，因此， 磁滞回线的两个端点（a和c）是基本稳定
9
ic
0
10%
10%
t
Pc
tr td
Pdr
tf ts
Psf t
0
图1-5-b 开关电路各点波形及损耗
1.1.6 缩短开关时间的方法
Vcc Rc C D2
Vin
0
VT
t
D1
Rb
ib
Vce Vin
0
t
图1-6-a 一种缩短开关时间的方法
➢ 降低开关管的损耗最有效的方法是减小开关管的开通时间 和关断时间。上图是一种降低开关管的开通时间和关断时间 的方法。 ➢ 图中，C为加速电容，当信号为正时，可以给开关管瞬间提 供较大的基极电流，以加速开关管导通；当信号为负时，电 容两端的电压可以向开关管反向放电，以加速开关管截止； D1的作用是阻止电容通过Rb放电，使电容的反向电压全部被 加到开关管的B-E极；D2为抗饱和二极管，当基极电位高于集 电极电位时，D2导通，防止开关管深度饱和，使开关管在关 断时刻迅速退出饱和区，如果开关电源的工作频率比较低， D2可以取消，因为饱和压降偏高也会增大开关损耗。
17
2.2 单激式变压器开关电源原理分析-1
➢ 当控制开关K接通的时候，直流输入电压Ui首先对变压器T的初级线圈N1绕组供电，
电流在变压器初级线圈N1绕组的两端会产生自感电动势e1（正激）；同时，通过互感 M的作用，在变压器次级线圈N2绕组的两端也会产生感应电动势e2（正激）；当控制 开关K由接通状态突然转为关断状态的时候，电流在变压器初级线圈N1绕组中存储的
u2
R
uo
Io
0
UaUpaUp-
t

K
Ton T
Toff
a
图2-1
b
➢ 图2-1-a 是单激式变压器开关电源的工作原理图；图2-1-b是开关变压器初、次
级线圈的输出波形。
➢ 图中，u2为输出电压脉冲，Up为正脉冲幅值，Up-为负脉冲幅值，Upa为正脉冲 的半波平均值，Upa-为负脉冲的半波平均值，Ua为输出正脉冲的平均值（整个周 期），Ua-为负脉冲的平均值，Ton为开关接通时间，Toff为开关断开时间。