开关电源设计_高效率开关电源设计实例(ppt55页)
开关电源原理设计及实例变压器隔离的DCDC变换器拓扑结构课堂课件
对电源进行充电；另一方面，流过反馈线圈 N3 绕组中的电流产生的磁场可以使
变压器的铁心退磁，使变压器铁心中医的学磁知识场！强度恢复到初始状态。
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4.3 单端反激式结构
4.3.1 简介
所谓单端反激式变压器开关电源，是指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。单端反激变换器是在反极性(Buck--Boost)变 换器基础上演变而来的，因此具有反极性变换器的特性。
医学知识！
4
4.1 概述
直流
逆变 电路
交流
变压器
交流
整流 电路
脉动
直流
直流
滤波器
图 4-1 隔离DC-DC变换器功能示意图
医学知识！
5
4.1 概述
升压和降压等变换器可以完成直流电压的变换。但实际上存在着转换功能上的局
限性，例如，输入输出不隔离，输入输出电压比或电流比不能过大以及无法实现多路 输出等。这种局限性只能用另一种开关变换器中的重要组件—变压隔离器来克服。下 面列出采用变压器隔离结构的原因： 输出端与输入端之间需要隔离； 变压器可以同时输出多组不同数值的电压，改变输出电压和输出电流很容易，只需 改变变压器的匝数比和漆包线截面积的大小即可；
4.2.3 电路关键节点波形
医学知识！
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4.2 单端正激式结构
变压器的磁心复位：开关 S 导通后，变压器的励磁电流由零开始，随着时
间的增加而线性的增长，直到 S 关断。为防止变压器的励磁电感饱和，必须设
法使励磁电流在 S 关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一过程称为
《开关电源资料》课件
《开关电源资料》ppt课件
• 开关电源概述 • 开关电源的工作原理 • 开关电源的类型 • 开关电源的设计与优化 • 开关电源的测试与验证 • 开关电源的发展趋势与展望
目录
CONTENTS
01
开关电源概述
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
小型化、轻量化、薄型化
总结词
随着电子设备的便携化和轻薄化，对开关电源的小型 化、轻量化、薄型化的需求也日益迫切。
详细描述
为了满足这一需求，开关电源不断探索新的材料、新的 工艺和新的设计理念。例如，采用新型的磁性材料和绝 缘材料，减小了电源的体积和重量；采用薄膜工艺和微 加工技术，实现了电源的薄型化设计；同时，通过优化 电路拓扑和控制算法，进一步减小了电源的体积和重量 。此外，一些新型的开关电源拓扑结构如LLC谐振半桥 等也在不断发展，为开关电源的小型化、轻量化、薄型 化提供了更多的可能性。
温湿度循环测试
模拟实际使用环境中的温湿度变化，检验开 关电源的适应性和可靠性。
短路与过载保护测试
验证开关电源在短路和过载情况下的保护功 能和可靠性。
开关电源的环境适应性测试
温度适应性测试
在不同温度条件下测试开关电源的性 能表现，确保满足宽温范围的工作需 求。
湿度适应性测试
在湿度环境下测试开关电源的性能表 现，确保满足湿度要求。
输入电压通过输入电路进入开关电源 。
输出电路将开关管输出的脉动电压平 滑为稳定的输出电压，供给负载使用 。
控制电路根据输入电压和输出电压的 反馈信号，调节开关管的通断时间， 从而调节输出电压和电流。
保护电路实时监测电源的工作状态， 在异常情况下及时切断电源或降低输 出，保护电源不受损害。
开关电源设计入门培训资料(ppt48张)
保险丝(Fuse)
保险丝的工作原理
保险丝通电时，由电能转换的热量使可熔体的 温度上升。正常工作电流或允许的过载电流通 过时，产生的热量通过可熔体、外壳体向周围 环境辐射，通过对流、传导等方式散发的热量 与产生的热量逐渐达到平衡。如果产生的热量 大于散发的热量，多余的热量就逐渐积聚在可 熔体上，使可熔体温度上升；当温度达到和超 过可熔体的熔点时，就会使可熔体熔化、熔断 而切断电流，起到了安全保护电路的作用。
功率二极管
功率场二极管选择及应用降额. 1)平均连续电流:80% 2) 浪涌电流: 90% 3)浪涌I2t: 80% 4)反向电压: 80% 5)雪崩能量: 不允许 6)最大的结温: 80%
功率二极管
功率二极管规格书
保险丝(Fuse)
保险丝的作用 1）正常情况下，保险丝在电路中起连接电 路的作用。 2）非正常情况下，保险丝作为电路中的安 全保护元件，通过自身熔断安全切断并 保护电路。
如上图所式，栅极电压从0V上升到10V过程中，栅极电流Ig包括I1和I2两 部分，
功率场效应管 (Mosfet)
Hale Waihona Puke 需要栅极的总电流Ig为Ig=I1+I2=0.36+0.564=0.924A
功率场效应管 (Mosfet)
功率场效应管栅极驱动上升和下降时间 导通延迟时间：Trd=Vgsth（2.5V)-（0V） 关断延迟时间: Tfd=Vgl（10V)-Vgsth（2.5V)
功率场效应管 (Mosfet)
功率场效应管 (Mosfet)
功率场效应管 (Mosfet)
功率场效应管栅极驱动电路
10 R1
12 V1 1u C1 V2 1K R2
《开关电源教案》课件
《开关电源教案》PPT课件第一章：开关电源概述1.1 教学目标让学生了解开关电源的定义、特点和应用领域让学生掌握开关电源的基本工作原理1.2 教学内容开关电源的定义和特点开关电源的应用领域开关电源的基本工作原理1.3 教学方法采用PPT课件展示开关电源的相关图片和示意图，帮助学生直观理解通过案例分析，让学生了解开关电源在实际应用中的重要性第二章：开关电源的组件和工作原理2.1 教学目标让学生掌握开关电源的主要组件及其功能让学生了解开关电源的工作原理2.2 教学内容开关电源的主要组件及其功能开关电源的工作原理示意图开关电源的输入和输出特性2.3 教学方法通过PPT课件展示开关电源组件的实物图片和功能介绍，帮助学生理解和记忆利用示意图和电路图，讲解开关电源的工作原理，引导学生思考和理解第三章：开关电源的设计和应用3.1 教学目标让学生了解开关电源的设计原则和方法让学生掌握开关电源在实际应用中的注意事项3.2 教学内容开关电源的设计原则和方法开关电源在实际应用中的注意事项开关电源的常见问题和解决方法3.3 教学方法通过PPT课件展示开关电源的设计案例，让学生了解设计原则和方法结合实际情况，讲解开关电源在应用中的注意事项，引导学生思考和讨论第四章：开关电源的测试和维护4.1 教学目标让学生掌握开关电源的测试方法和工具让学生了解开关电源的维护和保养知识4.2 教学内容开关电源的测试方法和工具开关电源的维护和保养知识开关电源的故障诊断和排除方法4.3 教学方法通过PPT课件展示开关电源的测试方法和工具，让学生了解测试过程讲解开关电源的维护和保养知识，引导学生掌握维护技巧第五章：开关电源的最新发展5.1 教学目标让学生了解开关电源的最新发展动态让学生掌握开关电源的未来发展趋势5.2 教学内容开关电源的最新发展动态开关电源的未来发展趋势开关电源的技术创新和应用前景5.3 教学方法通过PPT课件展示开关电源的最新发展成果，让学生了解行业动态引导学生思考开关电源的未来发展趋势，激发学生的创新意识第六章：开关电源的效率和稳定性6.1 教学目标让学生理解开关电源的效率概念让学生掌握提高开关电源稳定性的方法6.2 教学内容开关电源的效率及其影响因素开关电源稳定性的重要性提高开关电源效率和稳定性的方法和技术6.3 教学方法通过PPT课件展示开关电源效率的计算方法和实例，帮助学生理解分析实际案例，讲解提高开关电源稳定性的常见措施，引导学生思考第七章：开关电源的环保和节能7.1 教学目标让学生了解开关电源在环保和节能方面的意义让学生掌握开关电源的环保和节能技术7.2 教学内容开关电源在环保和节能方面的作用开关电源的环保和节能技术开关电源的能效标准和认证7.3 教学方法通过PPT课件展示开关电源在环保和节能方面的优势，帮助学生认识其重要性讲解环保和节能技术，引导学生关注开关电源的可持续发展第八章：开关电源的安全性和保护措施8.1 教学目标让学生理解开关电源安全性的重要性让学生掌握开关电源的保护措施8.2 教学内容开关电源安全性分析开关电源的保护措施及其作用开关电源的安全标准和规范8.3 教学方法通过PPT课件展示开关电源安全性问题和案例，帮助学生认识到安全性的重要性讲解保护措施，分析其原理和应用，引导学生理解并掌握第九章：开关电源的实例分析9.1 教学目标让学生通过实例了解开关电源的实际应用让学生掌握开关电源的性能评估方法9.2 教学内容开关电源的实例解析开关电源性能评估方法和指标实例中开关电源的优缺点分析9.3 教学方法通过PPT课件展示实例，让学生了解开关电源在实际中的应用情况引导学生分析实例中的性能指标，评估开关电源的性能第十章：开关电源的的未来挑战和机遇10.1 教学目标让学生了解开关电源面临的挑战让学生掌握开关电源的机遇和发展方向10.2 教学内容开关电源面临的挑战和问题开关电源的机遇和发展方向开关电源行业的发展趋势和前景10.3 教学方法通过PPT课件展示开关电源面临的挑战和问题，帮助学生认识到问题的存在讲解开关电源的机遇和发展方向，引导学生思考未来的发展潜力重点和难点解析一、开关电源的定义和特点：理解开关电源的基本概念和区别于其他电源的特点是理解后续内容的基础。
《开关电源仿真设计》课件
由MathWorks公司开发，适用于多种领域的系统仿真，包括电 力电子、控制系统等。
专门针对电力电子系统的仿真软，具有强大的元件库和模型 库。
由Mentor Graphics公司开发，适用于电子系统的仿真，具有 广泛的元件库和模型库。
由National Instruments公司开发，适用于电子电路的仿真， 具有直观的用户界面和丰富的元件库。
05
开关电源仿真设计常见问题与解决方
案
仿真结果不准确的原因与解决方法
01
仿真模型建立不准 确
确保电路模型参数准确，元件参 数和实际电路一致，考虑寄生参 数和耦合效应。
02
仿真算法选择不当
根据电路特性和精度要求选择合 适的仿真算法，如时域仿真、频 域仿真等。
03
初始条件设置不合 理
为电路元件设置合理的初始条件 ，以避免仿真结果出现不稳定或 错误。
提高仿真效率的方法与技巧
使用合适的仿真算法
选择高效、精确的仿真算法，如快速傅里叶 变换、有限元法等。
优化电路模型
简化电路模型，去除不必要的元件和连接， 减少仿真计算量。
合理设置仿真参数
调整仿真时间步长、收敛精度等参数，以提 高仿真速度和准确性。
常见电路模型建立问题与解决方法
1 2
元件模型不准确
查找元件的准确模型，或根据实际测试数据建立 元件模型。
重复仿真
在优化设计后，重复仿真过程，直至达到满 意的设计效果。
记录和整理
将每次仿真的结果进行记录和整理，以便后 续的总结和归纳。
04
开关电源仿真设计案例分析
案例一：Boost电路仿真设计
总结词
Boost电路是一种常用的开关电源拓扑结 构，通过改变开关管的占空比来调节输 出电压。
开关电源设计举例
开关电源设计举例电源是各类产品中很重要的一部分，可以算是最基础的部分，任何电子器件缺少了电源都无法工作。
本人从事电路设计相关工作（不涉及电源设计），但需要了解电源的设计原理、性能、测试等信息。
通过收集资料整理出一份AC-DC开关电源的设计过程。
仙童半导体官网提供了较为详细的开关电源设计方案，本文以仙童的FSL1x6xRN系列芯片为例,介绍采用FPS的反激式隔离AC-DC开关电源的设计开发流程。
开关模式电源（SMPS）设计本质上就是一项费时的工作，需要作出许多权衡取舍并采用大量的设计变量进行迭代运算。
本文所描述的步进式设计程序能够帮助工程师完成SMPS的设计。
为了使设计效率更高，还提供了一个包含本文所述全部公式的软件设计工具—FPS设计助手（FPS design assistant）。
该设计助手是用电子表格将全部变量、公式集于一个工作表，通过参数的改变实现相关参数的更新，提高设计开发的进度。
图1 采用FPS的基本反激式隔离AC-DC转换器一、引言图1示出了采用FPS的基本反激式隔离AC-DC转换器的原理图，它同时也是本文所描述的设计程序的参考电路。
由于MOSFET和PWM控制器以及各附加电路都被集成在了一个封装中，因此，SMPS的设计比分立型的MOSFET和PWM控制器解决方案要容易得多。
本文提供了针对基于FPS的反激式隔离AC-DC转换器的进步式设计程序，也包括变压器设计、输出滤波器设计、元件选择和反馈闭合环路设计。
这里描述的设计程序具有足够的通用性，可适用于不同的应用。
本文介绍的设计程序还可以由一个软件设计工具（FPS设计助手）来实现，从而使得设计师能够在一个很短的时间内完成SMPS设计。
本文的附录给出了一个采用软件工具的步进式设计实例。
二、步进式设计程序在这一节中，我们以图1所示的原理为参考来介绍设计程序。
一般而言，如图1所示，大多数FPS 引脚1到引脚4的配置都是相同的。
(1)第一步：确定系统规格输入电压范围(V line min 和V line max )。
《开关电源设计》课件
电感的计算
根据电路要求计算合适的电 感值，需要考虑输入输出电 压、电流、开关频率等参数 。
电阻的选择与计算
根据电路要求选择合适的电 阻，需要考虑其阻值、功率 、精度等参数，并根据电路 参数计算出所需的阻值。
开关电源的优化设计方法
提高效率
采用低损耗元件、优化电路结构、降低热损 耗等方法提高效率。
降低噪音
3
AFR（年度故障率）
设备在单位时间内发生故障的概率。
影响开关电源可靠性的因素
元器件质量
元器件的品质和可靠性直接影响开关电源的寿命和稳定性。
电路设计
合理的电路设计能够提高开关电源的稳定性和可靠性。
制造工艺
制造工艺的精细程度和质量控制影响产品的可靠性和稳定性。
环境因素
温度、湿度、灰尘等环境因素对开关电源的可靠性产生影响。
全桥式开关电源
适用于大功率、要求输出电压 较高的场合。具有输出电压高
、效率高的特点。
开关电源的元件选择与计算
开关管的选择
根据电路要求选择合适的开 关管，如MOSFET、IGBT等 ，需要考虑其额定电压、电 流、开关频率等参数。
滤波电容的选择
根据输出电压的要求选择合 适的滤波电容，需要考虑其 容量、耐压、温度系数等参 数。
详细描述
开关电源是一种将电能进行高效转换的设备，通过控制开关管的工作状态，实 现电压和电流的调节。它具有高效率、高可靠性、体积小、重量轻等特点，因 此在许多领域得到广泛应用。
开关电源的应用领域
总结词
开关电源广泛应用于通信、计算机、工业控制、医疗器械等 领域。
详细描述
开关电源具有高效率、高可靠性、体积小、重量轻等特点， 因此在许多领域得到广泛应用。它广泛应用于通信、计算机 、工业控制、医疗器械等领域，为各种电子设备提供稳定的 电源供应。
开关电源设计.ppt
第6章 开关电源设计
2) 开关管、 整流二极管和续流二极管的选择
由于开关管断开时原边线圈N1两端的感应电动势限制到 eL≈300 V，交流输入电压经全波整流、 电容滤波后，直流 输入电压的最大值
Uimax 240
N2 N1
339 V
所以整流二极管所承受的最高反向电压为
(6-10)
UD
e
N2 N1
60 V
续流二极管所承受的最高反向电压为
UP
Uimax
N2 N1
68 V
(6-11) (6-12)
第6章 开关电源设计
流过整流二极管和续流二极管的最大电流为
ID=I2P=Io+0.5 A
(6-13)
得ID＝2.75 A。根据以上计算选择肖特基半桥MBR25120CT,
Uo
TON
式中, U2为副边线圈最小ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ压。 计算得
(6-8)
U2
Uo
U DF D
UL
25.4 V
(6-9)
第6章 开关电源设计
取UDF＝0.5 V，Uo＝3 V，代入式(6-8)可得L＝140 μH。 根据输出电感上的电流IL＝Io，所需绕组导线截面积应为 2.5/4＝0.625 mm2，故选择截面积为0.6362 mm2导线
第6章 开关电源设计
第6章 开关电源设计
6.1 小功率开关电源设计 6.2 大功率高稳定度开关电源设计 6.3 模块化逆变电源设计 6.4 便携式开关电源设计 6.5 多输出高精度直流稳压电源系统 6.6 通信系统电源设计 6.7 基于交错并联技术的励磁电源 6.8 多重变换技术 6.9 电磁兼容技术与噪声
开关电源设计
一、开关式稳压电源的基本工作原理开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。
因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。
调宽式开关稳压电源的基本原理可参见下图。
对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。
直流平均电压Ｕ。
可由公式计算，即Uo=Um×T1/T式中Um为矩形脉冲最大电压值；T为矩形脉冲周期；T1为矩形脉冲宽度。
从上式可以看出，当Um 与T 不变时，直流平均电压Uo 将与脉冲宽度T1 成正比。
这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。
二、开关式稳压电源的原理电路1、基本电路图二开关电源基本电路框图开关式稳压电源的基本电路框图如图二所示。
交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。
控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。
这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。
控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。
２．单端反激式开关电源单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。
电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。
所谓的反激，是指当开关管VT1 导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。
当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1 整流和电容Ｃ滤波后向负载输出。
单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20－100Ｗ，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。
唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。
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开关电源的效率要素
稳压的效率不如不稳压的； 隔离的不如不隔离的； 宽电压范围不如窄电压范围。
设计实例
1. 应用常规控制芯片的实现方法； 2. 准谐振反激式开关电源的实现方法； 3. LLC半桥谐振变换器设计； 4. 自然零电压开关变换器与直流母线变换 器的实现； 5. 有源箝位变换器的设计实例
0.38 0.555
频率
（kHz）
390 227 309 406 415
开通损 导通损 耗（mW）耗
（mW）
135 1115
88
365
110 766
111 798
108 461
关断损 耗
（mW）
170
787
214
221
367
总损耗
（mW）
1420 1240 1090 1130 936
MOSFET大幅度降额的问题
主回路
控制电路
主电路板的元件排布图
主电路板顶层PCB图
主电路板底层PCB图
控制电路电路板图
磁性元件设计
功率因数校正电感设计 功率变压器设计 输出滤波电感设计
功率因数校正电感设计
选择金属粉环：epcos的77930 - A7
电感量：L = 490 μH
功率变压器设计
变压器结构
变压器参数
实现高效率的要点： 利用TOP Swtch的漏源极低寄生电容的特 点大幅度降低TOP Swtch的应用电流来获 得比较高的电源效率。 利用肖特基二极管的低导通电压和大幅度 电流降额使用可以降低导通电压的特点降 低输出整流器的损耗，提高整个电路的效 率。
70W反激式开关电源电路
评估电路外观
评估电路电路板图片
输出整流器效率的在本设计实例中，为了降低输出整流器的 导通损耗而采用肖特基二极管；
采用了大幅度电流降额使用，输出电流为 3.6A却用了两只20A/100V的肖特基二极管 ，使得电流降额达90%！ 这样肖特基二极管的导通电压将从约0.7V 降低到0.4V。
70W反激式开关电源电路电路板图
变压器设计
变压器的相关参数
变压器绕组结构
变压器次级绕组采用铜箔绕制
测试结果 （输入电压与效率的关系）
测试结果 （输出功率与效率的关系）
测试结果 （待机损耗与输入电压的关系）
测试结果 （电源电压调整率）
测试结果 （负载电流调整率）
过电流保护与输入电压的关系
功率
WWWW
很显然，应用输出功率250W的TOP250实现70W的电 源，几乎降额到约28%使用，这样就可以大幅度降低导 通损耗。
开关管降额使用的意义
电流断续型反激式开关电源在220V输入电压等 级时70W输出功率大概需要2.3A的开关管电流 。 在占空比为0.4的条件下，2.3A峰值电流对应的 有效值电流为0.84A； 在100℃结温下，TOP249的导通电阻为2.15Ω； 对应的导通损耗为1.52W，如果不降额使用，将 采用TOP245，在100℃结温导通电阻为6.45Ω； 对应的导通损耗为4.55W。 显然，通过开关管的降额使用可以使导通损耗降
磁芯在电路板的安装尺寸
输出滤波电感设计
输出滤波电感绕组结构
输出滤波电感参数
效率分析
效率分析
损耗分析
损耗分析
知识回顾
Knowledge 祝您成功！
Review
3. 应用TDA16888实现双管箝位 正激式开关电源的设计实例
设计实例
应用infineon的TDA16888是功率因数校正 与单端正激变换器二合一的控制IC。 可以方便的构成的具有功率因数校正功能 的双管箝位的双管正激开关电源。
评估板照片
电路特点
通过功率因数校正，将开关电源的输入功 率因数校正到接近于1。同时得到整流输出 电压得到与稳定，有利于DC/DC变换器的 工作状态； DC/DC变换器部分采用双管箝位变换器； 5V输出采用同步整流技术可以有效提高电 源效率； 由于DC/DC变换器的输入电压基本稳定， 同步整流器可以采用电路简单，成本低廉 的自供电同步整流驱动电路。
MOSFET大幅度降额的问题
输入电压35~75V输出5V/6A的DC/DC变换器 开关管的损耗
器件
IRFR2 20 IRF64 0NS IRF63 4S DPA4 24 DPA4 25
导通电 最大占 阻（Ω） 空比
（%）
0.60 0.367
0.18 0.508
0.45 0.438
0.75 0.558
（一）应用常规控制芯片实现高效 率开关电源
采用无源无损耗缓冲电路的UC3842应 用电路
应用TOP Switch的高效率开关电源
1. 应用普通的控制芯片UC3842的 设计实例
采用无源无损耗缓冲电路的UC3842应用电路
采用无源无损耗缓冲电路的UC3842应用电路板图
2. 应用TOP Switch的高效率开关电源
很明显，采用MOSFET从5.2A的IRF220提 升到18A的IRF640，导通电阻从0.8Ω降低 到0.18Ω。在IRF640降低开关频率下的开 通损耗降低67mW，导通损耗降低约 650mW，但是开关损耗却增加了700mW ，总损耗仅降低14%。
由此可见，当开关频率比较高时，低寄生 电容的TOP Switch大幅度降额使用比 MOSFET更具有意义
电路图
高效率的获得
TOP Swtch的降额应用。 按Power int公司给出的TOP Swtch的规格与输出电压 的关系。
型号 TOP TOP TOP TOP TOP TOP TOP TOP 242 243 244 245 246 247 248 249
输出 22W 45W 65W 85W 125 165 205 250