开关电源的结构和基本原理 - Luna

电容滤波电路
单相桥式电容滤波整流电路。 在负载电阻上并联了一个滤波电容C。
5.滤波原理
若电路处于正半周，二极管 D1、D3 导通，变压器次 端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以 输出波形同v2 ，是正弦形。 当v2到达 °时，v2开始 在刚过 9090 °时，正弦曲线下降 下降。先假设二极管关断， 的速率很慢。所以刚过 90°时 二极管仍然导通。在超过 电容C就要以指数规律向 90° 后的某个点，正弦曲线下降的 负载ＲL放电。指数放电起 速率越来越快，二极管关断。 始点的放电速率很大。 所以，在t1到t2时刻，二极管 导电，Ｃ充电，vC=vL按正弦规律 变化；t2到t3时刻二极管关断， vC=vL按指数曲线下降，放电时间 常数为RLC。 图2.4电容滤波波形图
图1-1串联线性电源模型图
图1-2开关电源模型图
1.1.2 串联线性电源与开关电源的区分
• 串联线性电源：
Uo=Ui×RL/(RW+RL) Uo随RW变化线性可调， 故称作串联线性电源
可变电阻用三极管或场效应管替代， 并检测输出电压大小，来控制这个 “变阻器”阻值的大小，使输出电 压保持恒定，这样我们就实现了稳 压的目的。这个三极管或者场效应 管是用来调整电压输出大小的，所 以叫做调整管。
（3）串—并联开关 或降、升压变换器 （buck-boost converter）
图2.6 非隔离式的DC→DC变换电路
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
占空比
ton VO = T ·Vi =D·Vi
• 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ton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
需要指出的是，当 放电时间常数RLC增加时， t1点要右移， t2点要左移， 二极管关断时间加长，
导通角减小，见曲线3；
反之，RLC减少时，导通 角增加。显然，当ＲL很 小，即IL很大时，电容滤 波的效果不好，见滤波曲线 中的2。反之，当ＲL很大，
图2.5 电容滤波的效果
即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好, 见滤波曲线中的 3 。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。
+290V
VT
+
IQ D IL
L C IC
RL
IR
图2.5 （b)开关管饱和时的等效电路
• 开关管饱和导通时，290V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290V电源 电压与L两端自感电动势之差。
L +290V VT IL ID D C IC RL
图2.5 （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。
S1 L C1 0.1u C2 0.1u
至整流滤 波电路
F1 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
S1 C1 0.1u F1 T2.5A L C2 0.1u 至整流滤 波电路
4.输入220V交流电压的检测
交流电压500V档 220V交流 输入
220V 市电 S1 C1 0.1u L2
C02 0.1u
至整流滤 波电路
F1 T2.5A
图2-2 EMI原理图
• 2.作用：双向滤波
– 避免电网供电线引入高频脉冲影响电子电路； – 防止开关电源对电网造成污染。
3.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。
220V 市电
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；
（2）：第二大类：DC/DC开关电源；
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
• 按开关管和输出之间是否有变压器隔离可分为下列 两大类：
（1）：第一大类：无变压器的非隔离式； （2）：第二大类：有变压器的隔离式。
1.3.2 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、 开关电源的基本工作原理
功能：通过高频开关技术将输入较高的交流电压(AC) 转换为电子或电器设备工作所需要的直流电压(DC) 。
共轭滤波器
正常值: 220V±15%(187V~253V)
5.常用EMI电路:
通常有两级EMI
图2.3 两级EMI电路图
2.2.2、高压整流滤波电路
1.电路组成：
由一个全桥（由四个二极管组 成）和两个高压电解电容组成。把 220V交流市电转换成311V直流电。
图2.3单相桥式整流电路
2.整流电路工作原理
2.3.1串联开关（降压）变换器设计计算
（一）在开关VT导通期间
a） 电路拓扑
Ts为信号周期，信号频率fs=1/Ts Ton为导通时间，Toff为关断时间 占空比D=Ton/Ts
b）工作波形
图2.7 Buck converter
（二）在开关VT截止期间
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
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， 典型的开关电源效率为70%-80%，
稳定原理：依赖对脉冲宽度的改变来实现输出电压 的稳定，称做脉宽调制PWM。
2.1 高频开关电源的基本结构
共轭滤 波器
高频开关电源设计
Luan Chen
总目录
第一章 概论 第二章 开关电源的基本原理 第三章 开关电路的PWM控制原理
一、 概论
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
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1.2 直流稳压电源 1.2.1 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。 传统的稳压电源是采用串联式线性转换方法设计制作的。
图1-3 晶体管串联式线性稳压电源
当今计算机及自动化设备上大多数控制电源都向低压 大电流、高效率、重量轻、体积小的方向发展。在这种要 求面前首先得到发展的是晶体管串联式开关稳压电源。
A：一次电源产品的图片（AC/DC）
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B：工业电源产品的图片—标准产品（AC/DC）
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C：工业电源产品的图片（AC/DC）
12ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
E：工业电源产品的图片（AC/DC）
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F：二次电源产品的图片（DC/DC）--标准转换类
Full Bridge
Half Bridge
Half Bridge
1/4 Bridge
2.3 .1串联型（Buck） 开关电源工作过程
+290V VT L
D
C
RL
图2.5（a)串联型开关电源基本电路
• 电路中VT为开关管，工作于开关状态（VT饱 和导通时相当于一只接通的开关，VT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。
串联线性电源 高频开关电源
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1.1.2 串联线性电源与开关电源的区分
• 串联线性电源：
– 电源调整管工作在放大状态; – 效率低，损耗大，温升高。
• 开关电源：
– 电源调整管工作在开关状态的电源 ; – 具有高功率密度、重量轻、体积小。
电源调整管 开关管K 储能 输入 负载RL 负载 RL
输入
元件
a） 电路拓扑
b）工作波形
图2.7 Buck converter
(三)伏秒特性
伏秒平衡原理：在稳态工 作的开关电源中电感两端 的正伏秒值等于负伏秒值； 即加在电感两端的电压乘 以导通时间等于关断时刻 电感两端电压乘以关断时 间
2.3.2并联开关（升压Boost）变换器 设计计算
工作原理介绍： 当晶体管VT导通时，二极管VD截止。 输入电压Uin在电感L上充电，负载电压 Uo靠滤波电容C维持； 当晶体管VT截止时，二极管VD导通。 电感把前一阶段储存的能量全部释放给 负载和电容。 当晶体管导通时间越长，即占空比D越 大，负载获得的能量越多，输出电压越 高。 由电感电压伏秒平衡原理有： Vin*Ton=（Vo-Vin）Toff
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
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。
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）
• 1.电路组成：由一个线圈和两个电容组成
图1-4 晶体管串联式开关稳压电源
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1-5 无工频变压器的开关电源原理框图
常见开关电源图片
1/8 Bridge
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G：二次电源产品的图片（DC/DC）
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1.3 开关稳压电源的特点 1.3.1 优点
1.效率高。一般在70～90%以上。而相应的线性稳压电源的效 率仅有50%左右。 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。
当正半周时，二极管D1、D3 导通，在负载电阻上得到正弦波的 正半周。 当负半周时二极管D2、D4导通， 在负载电阻上得到正弦波的负半周。 在负载电阻上正负半周经过合成， 得到的是同一个方向的单向脉动电压。
3.负载上的直流电压和直流电流
输出电压是单相脉动电压。通 常用它的平均值与直流电压等效。 输出平均电压为 π 1 2 2 VO 2V2 sin td t V2 0.9V2 π0 π 流过负载的平均电流为 2 2V2 0.9V2 VO IO πRL RL RL 流过二极管的平均电流为
2.3非隔离式开关电源工作过程
对于输入与输出电压之间不需隔离，只用一个工作开关管 VT和电感L、二极管D、电容C组成的变换器电路最基本的为如 下三种，其原理电路如图2.6所示。 （1）串联开关或降压 变换器（buck converter）
（2）并联开关或升压 变换器（boost converter）
IL 2V2 0.45V2 ID 2 πRL RL
二极管所承受的最大反向电压
VDmax 2V2
动画5-4
4.滤波电路
滤波的基本概念：
利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。 电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应 该并联在负载两端。
电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。 经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤 掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减 小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。