(完整版)开关电源的结构和基本原理
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青岛科技大学
总目录
第一章 概论(1课时) 第二章 开关电源的基本原理 (2课时) 第三章 开关电路的PWM控制原理(2课时) 第四章 电路拓扑的使用选择(2课时) 第五章 元器件的实用选择(2课时) 第六章 软开关新技术(2课时)
高频开关电源设计
自动化与电子工程学院 电子信息科学与技术教研室
一、 概论
交流电压500V档
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290V直流电。
图2.3单相桥式整流电路
2.整流电路工作原理
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。
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
基准
各种稳定的直流电。
图2-1 高Байду номын сангаас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
220V 市电
S1
（1）：第一大类：AC/DC开关电源； 开关电源
（2）：第二大类：DC/DC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) 。
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
Half Brick
14
G：二次电源产品的图片（DC/DC）
15
彩电开关稳压电源
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。
A：一次电源产品的图片（AC/DC）
10
B：工业电源产品的图片—标准产品（AC/DC）
11
C：工业电源产品的图片（AC/DC）
12
E：工业电源产品的图片（AC/DC）
13
F：二次电源产品的图片（DC/DC）--标准转换类
Full Brick
Half Brick
1/4 Brick
1/8 Brick
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。
– 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
输入
负载RL
输入
储能 元件
负载 RL
图1-1串联线性电源模型图
图1-2开关电源模型图
1.1.3 开关电源的分类：
• 按变换方式可分为下列四大类：
L2
C1 0.1u
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
S1
L C1 0.1u
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
220V交流 电压输入
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
L
C1 0.1u
C2 0.1u
至整流滤 波电路
F1 T2.5A
4.输入220V交流电压的检测
220V交流 输入
共轭滤波器
正常值: 220V±15%(187V~253V)
6
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。
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
串联线性电源 高频开关电源
4
1.1.2 串联线性电源与开关电源的区分
• 串联线性电源：
总目录
第一章 概论(1课时) 第二章 开关电源的基本原理 (2课时) 第三章 开关电路的PWM控制原理(2课时) 第四章 电路拓扑的使用选择(2课时) 第五章 元器件的实用选择(2课时) 第六章 软开关新技术(2课时)
高频开关电源设计
自动化与电子工程学院 电子信息科学与技术教研室
一、 概论
交流电压500V档
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290V直流电。
图2.3单相桥式整流电路
2.整流电路工作原理
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。
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
基准
各种稳定的直流电。
图2-1 高Байду номын сангаас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
220V 市电
S1
（1）：第一大类：AC/DC开关电源； 开关电源
（2）：第二大类：DC/DC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) 。
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
Half Brick
14
G：二次电源产品的图片（DC/DC）
15
彩电开关稳压电源
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。
A：一次电源产品的图片（AC/DC）
10
B：工业电源产品的图片—标准产品（AC/DC）
11
C：工业电源产品的图片（AC/DC）
12
E：工业电源产品的图片（AC/DC）
13
F：二次电源产品的图片（DC/DC）--标准转换类
Full Brick
Half Brick
1/4 Brick
1/8 Brick
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。
– 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
输入
负载RL
输入
储能 元件
负载 RL
图1-1串联线性电源模型图
图1-2开关电源模型图
1.1.3 开关电源的分类：
• 按变换方式可分为下列四大类：
L2
C1 0.1u
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
S1
L C1 0.1u
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
220V交流 电压输入
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
L
C1 0.1u
C2 0.1u
至整流滤 波电路
F1 T2.5A
4.输入220V交流电压的检测
220V交流 输入
共轭滤波器
正常值: 220V±15%(187V~253V)
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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。
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
串联线性电源 高频开关电源
4
1.1.2 串联线性电源与开关电源的区分
• 串联线性电源：