开关电源的原理与设计

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。
图8-5 高频变压器开关电源基本功能框图
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。变压器原副方是隔离 的，或是部分隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的 高压直流。
输出电压UO为 T=ton+toff是开关的周期; ton是导通时间; toff是截止时间; q=ton/T 是脉冲占空系数。
T
L
+
uE
iL
+ IO
U I uB
D C RL UO
-
如何稳压
电路根据输出电压的变化情况自动调节
uB的脉冲占空系数q,调节UO的大小，达到
稳定输出电压的目的。
电路缺点
输出电压UO的脉动成分与负载电流的大小和 滤波电路L、C的取值有关。L、C的取值越大，输
2、半桥式变换器
图8-22 半桥式变换器原理电路
图8-23 半桥式变换器的工作波形
三角波 发生电路
基准电压 电路
UO
UO UF uA q
uA ,uT
uA
uT
UO
(a)
0
稳压调节过程就是在保持调
整管周期T不变的情况下，通过改
uB
变调整管导通时间ton来调节脉冲
占空比，从而达到稳压的目的。 (b)
0
这种电源又称之为脉宽调制型开
t off
t on
关电源。
L
iL
C D
+
R1 RL UO R2
uO
UO
0
ton
toff
调整 管
+
t
UI
-
T
uE
uB
储能电 感
L
iL
DC
+
IO
RL UO
-
续流二极管
t
uB为高电平时
滤波电 路
T饱和导通
D截止，电感L储存能量,电容C充电
发射极电位UE =UI-UCES = UI
t
uB为低电平时
T截止
电感L储存能量通过续流二极管D
对负载释放能量。感生电动势使
t
D导通，C通过RL放电。UE ≈- UD
100～5000W 焊机，超声电源，计算机电源等
全桥式变换器
500W～ 30kW
焊机、高频感应加热，交换机等
1、单端反激式
图8-15 单端反激式变换器 （1） 磁通临界连续的工作情况：
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 图8-17 磁通不连续时的工作波形
（3） 磁通连续的工作状况 图8-18 磁通连续时的工作波形
1.临界连续工作状态 2.电流断续的工作状态 3.电流连续的工作状态
2、升压型DC/DC变换电路
3、反转型DC/DC变换电路
五、由MC34036构成的DC/DC开关电源
CW34063的原理框图
(一)降压式电路
a）直接用于降压b） 外接NPN晶体管扩流电路 图8-12 CW34063的降压应用电路
-
t
t
四、 DC/DC变换的开关电源
对于输入与输出电压不需隔离 时，用一个开关管和L、D、C 组成的变换器电路，最基本的 有如下三种： （1）降压变换器（buck）； （2）升压变换器（boost）； （3）降、升压变换器（buckboost）。
无隔离的DC→DC变换电路
1、降压型DC/DC变换电路
用高频变压器的变换电路按其工作方式可分为五类：
电路类型
传输功率
应用环境
单端反激式变换 器
单端正激式变换 器
推换式变换器
20～100W
50～200W 100～500Ｗ
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
半桥式变换器
出电压UO越平滑。通常脉动成分比线性稳压电源
要大一些。这就是开关稳压电路的缺点之一。
第三节
三、串联型开关稳压电路
T
+
uE
稳压原理
UI
uB
UO增大时减小uB的占空比，而 -
在UO减小时增大uB的占空比，那么
输出电压就可稳定。
比较器
(一)
T
比较放大 器L
电
+
uE
iL
路 结
U I uB
uu +
A
C -
T
调整管工作在线性放大区，管子集电极电流IC和管压降 UCE都很大，耗散功率PC=IC·UCE很大。
开关电源的基本思想： 晶体管工作在饱和导通和截止状态时，管耗很小。开 关电源指调整管工作在开关状态。
二、开关电源的原理
晶体管串联式开关稳压电源结构
uB
(a) 0
uE
UI
(b)
Un
iL
(c) I L
0
开关电源的原理与设计
第一部分：开关稳压电源的基本原理 一、线性稳压电源的特点
晶体管串联式线性稳压电源
线性调整式直流稳压电源的优点： 稳定度高、输出电压连续可调、输出纹波小。
线性调整式直流稳压电源的最大缺点：
功耗大、效率低，为了解决散热问题须加散热片， 增加了电源体积和重量。另外抗干扰能力较差。
造成这些缺点的原因：
（二）升压式电路
（a）
（b）
a） 直接升压式 b）外接NPN管扩流式
图8-13 CW34063的Boost converter
（三）反转电路
(a)
(b)
a） 直接变换式 b）外接PNP管扩流式
图8-14 CW34063的Buck—Boost converter
六、无工频变压器开关电源
图8-3 无工频变压器的开关电源原理框图
无工频变压器开关稳压电源，有如下的优点： 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。
- UF
A +
U REF
C
D
构
三角波 发生电路
基准电压电 路
-
L
iL
DC
+
IO RL UO
Baidu Nhomakorabea
-
采样电路
+
R1
RL UO R2
-
(二)工作原理
uA与uB占空比之间关系如图。 uA越大，uB的占空比越大。
T
+
uE
比较器
U I uB
比较放大器
u +
A
U -
F
A
C -
uT
+
U REF
UO UF uA q -