开关电源技术
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开关电源:
➢ 转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节。
开关电源基本构成框图
输入回路
Uin
滤波
整流及 滤波
功率变换器
功率开 高频 关器件 变压器
整流
滤 波 Uout
AC/DC
DC/DC
开关电源控制器
开关电源的特点
1.重量轻，体积小:
– 是相控电源体积的1/10
2. 功率因数高:
– 相控 0.7 ,小负载 0.3， 有功率因数的开关电源在0.93以上
用计算机进行监控
通信中对开关电源的要求
欧洲通信标准化委员会制定的第二级电源与通信设 备界面上的技术规范(ETS300132)
➢ 直流电压允许变化范围 -40.5 ~ -57 VDC ➢ 直流电压变化
dU DC 5V / ms dt
➢ 直流冲击电流 < 5I 额定 (10ms) ➢ 杂音电压 ➢ 无线电频率干扰符合EN55022或IEC CISPR22标准 ➢ 安全、接地要求等
验B：高温试验方法 GB/T 2423.9-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试验Cb：
设备用恒定湿热试验方法 GB/T 2423.10-1995 电工电子产品基本环境试验第二部分，试
验方法试验Fc和导则：振动(正弦)
相关国家标准
GB/T 2828-1987 逐批检查计数抽样程序及抽样表
二、开关电源 基础电路
开关电源的功率转换电路模型 控制电路 谐振变换器 功率因数校正电路
基本电路模型 -- Buck 变换器
降压变换器、串联开关稳压电源 开关闭合时，电能储存于电感和电容中(同时也馈 向负载)。 开关打开后，储存于电感和电容中的能量继续供 给负载。 二极管构成电流回路
降压型转换器
– 电话衡重杂音: 2mv – 峰峰值杂音: 0 ~ 300Hz, 400mv – 宽频杂音电压: – 3.4KHz ~ 150 KHz, 100mv有效值 – 150KHz ~ 30MHz, 30mv有效值
离散频率杂音电压:
– 3.4 ~ 150KHz 5mv 有效值; – 150 ~ 200KHz 3mv 有效值; – 200 ~ 500KHz 2mv 有效值; – 0.5 ~ 30MHz 1mv 有效值;
3. 开关频率 : 40 KHz 4. 效率 @ 满负荷 : 70 % 5. 输出电压 :
– A. + 5 V, 5 % : 1 A to 4 A load – 纹波 : 50 mV P-P Max. – B. + 12 V, 3 % : 0.1 A to 0.3 A load – 纹波 : 100 mV P-P Max. – C. -12 V, 3 % : 0.1 A to 0.3 A load – 纹波 : 100 mV P-P Max.
➢ ZVS(零电压开通): 电子开关器件两端电压振荡为零时， 使电子开关导通流过电流。
➢ ZCS(零电流关断): 流过电子开关器件的电流振荡到零 时，使电子开关断开。
3.开关电源变换器的基本手段
谐振变换器:
➢ 利用谐振现象，使电子开关器件上电压或电流按 正弦规律变化，以创造零电压开通或零电流关断 的条件，以这种技术为主导的变换器。
+
K1
V3
Lo
Io +
Uin
iL
+
C
V4
Uout
RL
T
_
K2
_
双正激开关电路
电路特点
(1) 两个正激电路并联，T1和T2反相180驱动， 功率增大一倍，输出频率增加一倍，纹波及 动态响应改善。
(2) K1和K2串联(K3、K4), 开关管耐压减半; (3) 取消了反馈线圈，V1、V2、V3、V4为馈
耐压:
– 单管正激，开关管最大电压为2Uin – 双管正激，开关管最大电压为 Uin
变压器:
– 单管变压器利用率不高，工艺制作上要求加馈能线圈
用途:
– 双管正激并联电路输出功率大，输出方波频率加倍，易 于能滤线波圈。等开优关点管。耐因压此减，半广约泛为应输用入大电功压率变Uin换,取电消路变中压，器可馈 靠性高，简单的电路。
谐波电流要求:
IEC1000-3-2, IEC 1000-3-4
安全、接地要求
通信中对开关电源的要求
直流输出电压及其调节范围
– 48V系统 : 48.00V ~ 57.60 (充电)
静态稳压精度 整流器输出限流和电池充电限流 功率限制/恒功率输出特性
通信中对开关电源的要求
输出端杂音电压
Isolation Boundary
TPS5904 Primary Secondary
隔离低损耗 容易实现多种电源输出 高效率 在较高工作频率下(例如
400KHz以上)体积小巧
开关电源的功率转换电路
1.单端反激式变换器
+
Uin V2
_
R2
W1’
R1
V4
C2
V3
iL
+
W1
W2
+ C1 RL Uout
➢ 串联谐振变换器 ➢ 并联谐振变换器
3.开关电源变换器的基本手段
准谐振:
➢ 当正向和反向LC回路值不一样，即振荡频率不同， 电流幅值也不同，所以振荡频率不对称，一般正 向正弦半波大于负向正弦半波。
准谐振变换器:
➢ 利用准谐振现象，使电子开关器件上的电压或电 流按正弦规律变化，从而创造了零电压或零电流 的条件，以这种技术为主导的变换器
控
设备
GB/T 16821-1997 通信用电源设备通用试验方法
相关国家标准
YDN 023-1996 通信电源设备和空调集中监控系统 技术要求
YD/T 638.3-93 通信电源设备型号命名方法
YD/T 944-1998 通信电源设备的防雷技术要求和测 试方法
YD/T 983-1998 通信电源设备电磁兼容性限值及测 量方法
通信设备 通信设备
第一级电源
第二级电源
第三级电源
(Primary Power Supply) (Secondary Power Supply) (Tertiary Power Supply)
2.开关电源的定义
开关变换器:
➢ 凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态 转变为另一形态的主电路都叫做开关变换器电路。
通信中对开关电源的要求
动态响应 EMC要求 并联运行 效率 功率因数
– 电流谐波
可靠性
相关国家标准
GB/T 762-1996 标准电流 GB/T 2423.1-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试
验A：低温试验方法 GB/T 2433.2-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试
2.谐振变换器:
谐振:
➢ 串联谐振:正弦电压加在理想的(无寄生电阻)电感和电 容串联电路上，当正弦频率为某一值时，容抗与感抗 相等，电路的阻抗为零，电路电流达无穷大
➢ 并联谐振:正弦电压加在理想的电感和电容并联电路上， 当正弦频率为某一值时，容抗与感抗相等，电路的总 导纳为零，电感、电容元件上的电压为无穷大
_
T1
V1 I2
b
Ib
V1导通
V1关断
R3
V1开启
a
cV1截止
0
Uce
电路特点
变压器初级磁通是单向的，故称该变压器为 单端变压器
输出电容器C和负载在开关管截止时从变压 器次级获得能量，故称为反激式。
Uce
Ton Toff
i1
t1 T
t2
i2
Uv3 Uin/n+Uo
t反
激
t式
变
t换
波
t
形 器
t
开关电源技术
北京邮电大学培训中心 闫石
课程内容
一、概论 二、开关电源变换器原理技术 三、开关电源变换器实例 实验
参考文献
1. 《开关电源的原理与设计》
– 张占松、蔡宣三 编著
2. 《智能型高频开关电源系统的原理使用与 维护》
– ---王家庆 主编 人民邮电出版社
3. 《通信用高频开关电源 》
开关接通，电感中流过电流，储存能量。 开关断开，电感中电流流向负载。 由于二极管的接法，负载得到反极性的电压。 负载电压跌落时，电容再向负载放电。
基本电路模型 – Flyback (回扫型)
回扫型变换器
回扫型开关电源
简化的电路原理图
特性分析
VI
+
PWM
Q1
Controller
FB REF
+ VO2 + VO1
4.开关变换器的分类
按输入和输出的隔离性: 有隔离和无隔离
按拓扑结构分:
– Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta
按激励形式:
– 自激式: 单管式、推挽式 – 他激式: 调频、调宽、调幅、谐振
PWM: 正激式、反激式、半桥式和全桥式
谐振:
– 串联谐振、并联谐振、串并联谐振 – 零电压开关和零电压开关
特性分析
反激式:
– 在V1导通期间V3反偏，V1截止时V3正偏，供给 负载功率
耐压:
– V1集电极承受最大电压值: – Vcemax = Uin+nUomax
变压器: 利用率不高 应用: 一般利用在小功率场合
实际电路举例
单端他激式开关电源
UC3842
保护环节
电路特性
1. 输入电压 : 95 VAC to 130 VAC(50 Hz/60 Hz) 2. 隔离电压 : 3750 V
SJ2811.2-87
通用直流稳定电源测试方法
3.开关电源变换器的基本手段
1. PWM变换器: 脉宽调制法( Pulse Width Modulation ):
➢ 保持开关频率恒定但改变接通时间长短(脉冲的宽 度)，使负载变化时，负载电压变化不大
PWM开关变换器:
➢ 用脉宽调制方式控制电子开关的开关变换器
多谐振变换器:
➢ 谐振回路、参数超过两个的变换器
3.开关电源变换器的基本手段
3.零开关--PWM变换器
➢ 在准谐振变换器中，增加一个辅助开关控制的电 路，使变换器一周期内，一部分时间按ZCS或 ZVS准谐振变换器，另一部分时间按PWM变换器 工作，称为ZCS-PWM变换器或ZVS-PWM变换器
VIN
IT
VGate Vdiode
控制电路
VIN
IL
VOUT
0
VIN
-VD Imax 0
DI
基本电路模型 -- Boost 变换器(升压型)
开关闭合，电感中储存能量。 开关打开时，电感中储存的能量通过二极管供给负载，同时 对电容充电。 负载电压跌落时，电容再放电，输出可获得高于输入的电压。
基本电路模型 – Buck-Boost (反转电路)
VIPer100 典型应用
2.单端正激变换电路
i
V2
+
V3
Lo
Io +
W1’
W1”
Uin
i1’
W2
iL
+
C
V4
Uout
RL
T
_
V1
_
TUin/Lip’
ILMAX/4
i
TUin/Lp 2UinUv1 Uin
Uw’’ Uin
iL
Ton Toff
t
t
t
正
激
t
式
变
t
换
器
波
t
形
t
特性分析
正激:
– 导通时输入馈电给负载，截止时L供电给负载。
3.开关电源变换器的基本手段
PWM开关变换器实现的优点和不足
➢ 优点:控制容易，技术成熟，适应范围广，
➢ 输入电流突然停电时，输出电压保持时间长:例如计算 机系统
➢ 不足:开关损耗大，频率不能很高
软开关:
➢用控制方法使电子开关在其两端电压 为零时导通电流，或使流过电子开关 电流为零时关断。
3.开关电源变换器的基本手段
(适
用于连续批的检查)GB/来自 2829-1987 周期检查计数抽样程序及抽样表 (适用于生产过程稳定性的检查)
GB/T 3859.1-1993 半导体变流器 基本要求的规定
GB/T 3873-1993 通信设备产品包装通用技术条件
GB/T 4720-1984 电控设备 第一部分 低压电器电
通信中对开关电源的要求
主要技术要求: 电压变动范围要求、频率变化要求、波形要求。 电压暂降、短时中断和电压变化的要求:
IEC1000-4-11;GB/T17626.11
浪涌耐量要求(雷击):
IEC801-5; IEC1000-4-5; GB/T 17626.5
无线电频率干扰要求:
EN55022,CISRR22; GB9254
– 人民邮电出版社
4. 《电力电子技术 》
– 丁道宏 主编 航空工业出版社
5. 《现代通信电源技术》
参考文献
电工学报 电力电子技术 电信科学研究院情报所:
–
一、开关电源概论
1.通信电源的分级
变电站 市
电
市电
油
机
转
备用发
换
电机组
整流器 直流屏 蓄电池
交流不间断电源
3.可闻噪声低:
– 工频变压器 大于60 dB ,开关电源 45dB
4. 效率高:
– 一般88%以上，
5. 冲击电流小: 可接近额定电流 6.模块式结构: 可更换模块，
– 2M的19英寸机架 48V/1000A, 输出功率60KW
开关电源的特点
7. 稳压精度高 : 可达0.2% 8. 维护、监控方便: 对与较大的电源系统可采
➢ 转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节。
开关电源基本构成框图
输入回路
Uin
滤波
整流及 滤波
功率变换器
功率开 高频 关器件 变压器
整流
滤 波 Uout
AC/DC
DC/DC
开关电源控制器
开关电源的特点
1.重量轻，体积小:
– 是相控电源体积的1/10
2. 功率因数高:
– 相控 0.7 ,小负载 0.3， 有功率因数的开关电源在0.93以上
用计算机进行监控
通信中对开关电源的要求
欧洲通信标准化委员会制定的第二级电源与通信设 备界面上的技术规范(ETS300132)
➢ 直流电压允许变化范围 -40.5 ~ -57 VDC ➢ 直流电压变化
dU DC 5V / ms dt
➢ 直流冲击电流 < 5I 额定 (10ms) ➢ 杂音电压 ➢ 无线电频率干扰符合EN55022或IEC CISPR22标准 ➢ 安全、接地要求等
验B：高温试验方法 GB/T 2423.9-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试验Cb：
设备用恒定湿热试验方法 GB/T 2423.10-1995 电工电子产品基本环境试验第二部分，试
验方法试验Fc和导则：振动(正弦)
相关国家标准
GB/T 2828-1987 逐批检查计数抽样程序及抽样表
二、开关电源 基础电路
开关电源的功率转换电路模型 控制电路 谐振变换器 功率因数校正电路
基本电路模型 -- Buck 变换器
降压变换器、串联开关稳压电源 开关闭合时，电能储存于电感和电容中(同时也馈 向负载)。 开关打开后，储存于电感和电容中的能量继续供 给负载。 二极管构成电流回路
降压型转换器
– 电话衡重杂音: 2mv – 峰峰值杂音: 0 ~ 300Hz, 400mv – 宽频杂音电压: – 3.4KHz ~ 150 KHz, 100mv有效值 – 150KHz ~ 30MHz, 30mv有效值
离散频率杂音电压:
– 3.4 ~ 150KHz 5mv 有效值; – 150 ~ 200KHz 3mv 有效值; – 200 ~ 500KHz 2mv 有效值; – 0.5 ~ 30MHz 1mv 有效值;
3. 开关频率 : 40 KHz 4. 效率 @ 满负荷 : 70 % 5. 输出电压 :
– A. + 5 V, 5 % : 1 A to 4 A load – 纹波 : 50 mV P-P Max. – B. + 12 V, 3 % : 0.1 A to 0.3 A load – 纹波 : 100 mV P-P Max. – C. -12 V, 3 % : 0.1 A to 0.3 A load – 纹波 : 100 mV P-P Max.
➢ ZVS(零电压开通): 电子开关器件两端电压振荡为零时， 使电子开关导通流过电流。
➢ ZCS(零电流关断): 流过电子开关器件的电流振荡到零 时，使电子开关断开。
3.开关电源变换器的基本手段
谐振变换器:
➢ 利用谐振现象，使电子开关器件上电压或电流按 正弦规律变化，以创造零电压开通或零电流关断 的条件，以这种技术为主导的变换器。
+
K1
V3
Lo
Io +
Uin
iL
+
C
V4
Uout
RL
T
_
K2
_
双正激开关电路
电路特点
(1) 两个正激电路并联，T1和T2反相180驱动， 功率增大一倍，输出频率增加一倍，纹波及 动态响应改善。
(2) K1和K2串联(K3、K4), 开关管耐压减半; (3) 取消了反馈线圈，V1、V2、V3、V4为馈
耐压:
– 单管正激，开关管最大电压为2Uin – 双管正激，开关管最大电压为 Uin
变压器:
– 单管变压器利用率不高，工艺制作上要求加馈能线圈
用途:
– 双管正激并联电路输出功率大，输出方波频率加倍，易 于能滤线波圈。等开优关点管。耐因压此减，半广约泛为应输用入大电功压率变Uin换,取电消路变中压，器可馈 靠性高，简单的电路。
谐波电流要求:
IEC1000-3-2, IEC 1000-3-4
安全、接地要求
通信中对开关电源的要求
直流输出电压及其调节范围
– 48V系统 : 48.00V ~ 57.60 (充电)
静态稳压精度 整流器输出限流和电池充电限流 功率限制/恒功率输出特性
通信中对开关电源的要求
输出端杂音电压
Isolation Boundary
TPS5904 Primary Secondary
隔离低损耗 容易实现多种电源输出 高效率 在较高工作频率下(例如
400KHz以上)体积小巧
开关电源的功率转换电路
1.单端反激式变换器
+
Uin V2
_
R2
W1’
R1
V4
C2
V3
iL
+
W1
W2
+ C1 RL Uout
➢ 串联谐振变换器 ➢ 并联谐振变换器
3.开关电源变换器的基本手段
准谐振:
➢ 当正向和反向LC回路值不一样，即振荡频率不同， 电流幅值也不同，所以振荡频率不对称，一般正 向正弦半波大于负向正弦半波。
准谐振变换器:
➢ 利用准谐振现象，使电子开关器件上的电压或电 流按正弦规律变化，从而创造了零电压或零电流 的条件，以这种技术为主导的变换器
控
设备
GB/T 16821-1997 通信用电源设备通用试验方法
相关国家标准
YDN 023-1996 通信电源设备和空调集中监控系统 技术要求
YD/T 638.3-93 通信电源设备型号命名方法
YD/T 944-1998 通信电源设备的防雷技术要求和测 试方法
YD/T 983-1998 通信电源设备电磁兼容性限值及测 量方法
通信设备 通信设备
第一级电源
第二级电源
第三级电源
(Primary Power Supply) (Secondary Power Supply) (Tertiary Power Supply)
2.开关电源的定义
开关变换器:
➢ 凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态 转变为另一形态的主电路都叫做开关变换器电路。
通信中对开关电源的要求
动态响应 EMC要求 并联运行 效率 功率因数
– 电流谐波
可靠性
相关国家标准
GB/T 762-1996 标准电流 GB/T 2423.1-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试
验A：低温试验方法 GB/T 2433.2-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试
2.谐振变换器:
谐振:
➢ 串联谐振:正弦电压加在理想的(无寄生电阻)电感和电 容串联电路上，当正弦频率为某一值时，容抗与感抗 相等，电路的阻抗为零，电路电流达无穷大
➢ 并联谐振:正弦电压加在理想的电感和电容并联电路上， 当正弦频率为某一值时，容抗与感抗相等，电路的总 导纳为零，电感、电容元件上的电压为无穷大
_
T1
V1 I2
b
Ib
V1导通
V1关断
R3
V1开启
a
cV1截止
0
Uce
电路特点
变压器初级磁通是单向的，故称该变压器为 单端变压器
输出电容器C和负载在开关管截止时从变压 器次级获得能量，故称为反激式。
Uce
Ton Toff
i1
t1 T
t2
i2
Uv3 Uin/n+Uo
t反
激
t式
变
t换
波
t
形 器
t
开关电源技术
北京邮电大学培训中心 闫石
课程内容
一、概论 二、开关电源变换器原理技术 三、开关电源变换器实例 实验
参考文献
1. 《开关电源的原理与设计》
– 张占松、蔡宣三 编著
2. 《智能型高频开关电源系统的原理使用与 维护》
– ---王家庆 主编 人民邮电出版社
3. 《通信用高频开关电源 》
开关接通，电感中流过电流，储存能量。 开关断开，电感中电流流向负载。 由于二极管的接法，负载得到反极性的电压。 负载电压跌落时，电容再向负载放电。
基本电路模型 – Flyback (回扫型)
回扫型变换器
回扫型开关电源
简化的电路原理图
特性分析
VI
+
PWM
Q1
Controller
FB REF
+ VO2 + VO1
4.开关变换器的分类
按输入和输出的隔离性: 有隔离和无隔离
按拓扑结构分:
– Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta
按激励形式:
– 自激式: 单管式、推挽式 – 他激式: 调频、调宽、调幅、谐振
PWM: 正激式、反激式、半桥式和全桥式
谐振:
– 串联谐振、并联谐振、串并联谐振 – 零电压开关和零电压开关
特性分析
反激式:
– 在V1导通期间V3反偏，V1截止时V3正偏，供给 负载功率
耐压:
– V1集电极承受最大电压值: – Vcemax = Uin+nUomax
变压器: 利用率不高 应用: 一般利用在小功率场合
实际电路举例
单端他激式开关电源
UC3842
保护环节
电路特性
1. 输入电压 : 95 VAC to 130 VAC(50 Hz/60 Hz) 2. 隔离电压 : 3750 V
SJ2811.2-87
通用直流稳定电源测试方法
3.开关电源变换器的基本手段
1. PWM变换器: 脉宽调制法( Pulse Width Modulation ):
➢ 保持开关频率恒定但改变接通时间长短(脉冲的宽 度)，使负载变化时，负载电压变化不大
PWM开关变换器:
➢ 用脉宽调制方式控制电子开关的开关变换器
多谐振变换器:
➢ 谐振回路、参数超过两个的变换器
3.开关电源变换器的基本手段
3.零开关--PWM变换器
➢ 在准谐振变换器中，增加一个辅助开关控制的电 路，使变换器一周期内，一部分时间按ZCS或 ZVS准谐振变换器，另一部分时间按PWM变换器 工作，称为ZCS-PWM变换器或ZVS-PWM变换器
VIN
IT
VGate Vdiode
控制电路
VIN
IL
VOUT
0
VIN
-VD Imax 0
DI
基本电路模型 -- Boost 变换器(升压型)
开关闭合，电感中储存能量。 开关打开时，电感中储存的能量通过二极管供给负载，同时 对电容充电。 负载电压跌落时，电容再放电，输出可获得高于输入的电压。
基本电路模型 – Buck-Boost (反转电路)
VIPer100 典型应用
2.单端正激变换电路
i
V2
+
V3
Lo
Io +
W1’
W1”
Uin
i1’
W2
iL
+
C
V4
Uout
RL
T
_
V1
_
TUin/Lip’
ILMAX/4
i
TUin/Lp 2UinUv1 Uin
Uw’’ Uin
iL
Ton Toff
t
t
t
正
激
t
式
变
t
换
器
波
t
形
t
特性分析
正激:
– 导通时输入馈电给负载，截止时L供电给负载。
3.开关电源变换器的基本手段
PWM开关变换器实现的优点和不足
➢ 优点:控制容易，技术成熟，适应范围广，
➢ 输入电流突然停电时，输出电压保持时间长:例如计算 机系统
➢ 不足:开关损耗大，频率不能很高
软开关:
➢用控制方法使电子开关在其两端电压 为零时导通电流，或使流过电子开关 电流为零时关断。
3.开关电源变换器的基本手段
(适
用于连续批的检查)GB/来自 2829-1987 周期检查计数抽样程序及抽样表 (适用于生产过程稳定性的检查)
GB/T 3859.1-1993 半导体变流器 基本要求的规定
GB/T 3873-1993 通信设备产品包装通用技术条件
GB/T 4720-1984 电控设备 第一部分 低压电器电
通信中对开关电源的要求
主要技术要求: 电压变动范围要求、频率变化要求、波形要求。 电压暂降、短时中断和电压变化的要求:
IEC1000-4-11;GB/T17626.11
浪涌耐量要求(雷击):
IEC801-5; IEC1000-4-5; GB/T 17626.5
无线电频率干扰要求:
EN55022,CISRR22; GB9254
– 人民邮电出版社
4. 《电力电子技术 》
– 丁道宏 主编 航空工业出版社
5. 《现代通信电源技术》
参考文献
电工学报 电力电子技术 电信科学研究院情报所:
–
一、开关电源概论
1.通信电源的分级
变电站 市
电
市电
油
机
转
备用发
换
电机组
整流器 直流屏 蓄电池
交流不间断电源
3.可闻噪声低:
– 工频变压器 大于60 dB ,开关电源 45dB
4. 效率高:
– 一般88%以上，
5. 冲击电流小: 可接近额定电流 6.模块式结构: 可更换模块，
– 2M的19英寸机架 48V/1000A, 输出功率60KW
开关电源的特点
7. 稳压精度高 : 可达0.2% 8. 维护、监控方便: 对与较大的电源系统可采