开关电源的原理与设计课件.ppt

1、开关电源的原理与设计开关电源的原理与设计一、线性稳压电源的特点一、线性稳压电源的特点 第一部分：开关稳压电源的基本原理第一部分：开关稳压电源的基本原理 晶体管串联式线性稳压电源 线性调整式直流稳压电源的线性调整式直流稳压电源的 稳定度高、输出电压连续可调、输出纹波小。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线性调整式直流稳压电源的最大功耗大、效率低，为了解决散热问题须加散热片，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。增加了电源体积和重量。另外抗干扰能力较差。造成这些缺点的造成这些缺点的：调整管工作在线性放大区，管子集电极

2、电流调整管工作在线性放大区，管子集电极电流I IC C和管压降和管压降U UCECE都很大，耗散功率都很大，耗散功率P PC C= =I IC CU UCECE很大。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。关电源指调整管工作在开关状态。二、开关电源的原理二、开关电源的原理 晶体管串联式开关稳压电源结构 UO+ -+ -UIRLLDTiLuEIOCuB调整调整管管续流二极管续流二极管滤波电滤波电路路储能电储能电感感0tuBtonUIUn t(a)(b)toffiL(c)IL0tt0uEuO

3、UOu uB B为高电平时为高电平时T T饱和导通饱和导通D D截止，电感截止，电感L L储存能量储存能量, ,电容电容C C充电充电发射极电位发射极电位U UE E = =U UI I- -U UCES CES = = U UI Iu uB B为低电平时为低电平时T T截止截止电感电感L L储存能量通过续流二极管储存能量通过续流二极管D D对负载释放能量。感生电动势使对负载释放能量。感生电动势使D D导通，导通，C C通过通过R RL L放电。放电。U UE E - - U UD D UO+ -+ -UIRLLDTiLuEIOC如何稳压输出电压输出电压U UO O为为IonIDoffCESI

4、onO)()(qUTtUUTTUUTTU电路根据输出电压的变化情况自动调节电路根据输出电压的变化情况自动调节u uB B的脉冲占空系数的脉冲占空系数q q, ,调节调节U UO O的大小，达到稳的大小，达到稳定输出电压的目的。定输出电压的目的。电路缺点 输出电压输出电压U UO O的脉动成分与负载电流的大小和滤的脉动成分与负载电流的大小和滤波电路波电路L L、C C的取值有关。的取值有关。L L、C C的取值越大，输出的取值越大，输出电压电压U UO O越平滑。通常脉动成分比线性稳压电源要大越平滑。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。一些。这就是开关稳压电路的缺点

5、之一。uBT T= =t tonon+ +t toffoff是开关的周期是开关的周期; ;t tonon是导通时间是导通时间; ;t toffoff是截止时间是截止时间; ;q q= =t tonon/ /T T 是脉冲占空系数。是脉冲占空系数。 U UO O增大时减小增大时减小u uB B的占空比，而的占空比，而在在U UO O减小时增大减小时增大u uB B的占空比，那么的占空比，那么输出电压就可稳定。输出电压就可稳定。 -+ -+ 三角波三角波发生电路发生电路基准电压电基准电压电路路R2+ -+ -UILTiLuBCAuAUFUREFCDR1RLUO(一)电路结构比较放大器比较器采样电路

6、稳压原理第三节第三节 UO+ -+ -UIRLLDTiLuEIOCuBuEuT三、串联型开关稳压电路三、串联型开关稳压电路 (二)工作原理 -+ -+ 三角波三角波发生电路发生电路基准电压基准电压电路电路R2+ -+ -UILTiLuB比较器比较器比较放大器比较放大器CAuAUFUREFCDR1RLUO0t(a)t0tofftonuB(b)uuTA,uAuT OU FU Au q OU OU FU Au q OU 稳压调节过程就是在保持调稳压调节过程就是在保持调整管周期整管周期T T不变的情况下，通过改不变的情况下，通过改变调整管导通时间变调整管导通时间t tonon来调节脉冲来调节脉冲占空比

7、，从而达到稳压的目的。占空比，从而达到稳压的目的。这种电源又称之为脉宽调制型开这种电源又称之为脉宽调制型开关电源。关电源。u uA A与与u uB B占空比之间关系如图。占空比之间关系如图。u uA A越大，越大，u uB B的占空比越大。的占空比越大。uEuT对于输入与输出电压不需隔离对于输入与输出电压不需隔离时，用一个开关管和时，用一个开关管和L L、D D、C C组成的变换器电路，最基本的组成的变换器电路，最基本的有如下三种：有如下三种：（1 1）降压变换器（）降压变换器（buckbuck）；）；（2 2）升压变换器（）升压变换器（boostboost）；）；（3 3）降、升压变换器（）

8、降、升压变换器（buck-buck-boostboost）。）。无隔离的DCDC变换电路 四、四、 DC/DCDC/DC变换的开关电源变换的开关电源 1、降压型、降压型DC/DC变换电路变换电路1.1.临界连续工作状态临界连续工作状态2.2.电流断续的工作状态电流断续的工作状态3.3.电流连续的工作状态电流连续的工作状态 2、升压型、升压型DC/DC变换电路变换电路3、反转型、反转型DC/DC变换电路变换电路五、由五、由MC34036MC34036构成的构成的DC/DCDC/DC开关电源开关电源 CW34063的原理框图( (一一) )降压式电路降压式电路 a）直接用于降压b） 外接NPN晶体

9、管扩流电路图8-12 CW34063的降压应用电路（二）升压式电路（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（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BuckBoost converter六、无工频变压器开关电源六、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，有如下的无工频变压器开关稳压电源，有如下的优点优点：1.1.效率高。一般在效率高。一般在707080%80%以上。以上。 2.2.体积小、

10、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。 3.3.稳压范围广，一般交流输入稳压范围广，一般交流输入8080265V265V，负载作大幅度变化时，性能，负载作大幅度变化时，性能很好。很好。 4.4.噪声低，声频在噪声低，声频在20kHz20kHz以上时，已是人耳听不到的超声波，而开关以上时，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；电源的工作频率一般都大于此频率； 5.5.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；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、

11、反号等输出；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； 6.6.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。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。 7.7.可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出现。可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出现。 无工频变压器开关稳压电源的无工频变压器开关稳压电源的不足之处不足之处：1.1.输出纹波较大，约有输出纹波较大，约有1010100mV100mV的峰峰值；的峰峰值；

12、2.2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；3.3.控制电路比较复杂，对元器件要求高；控制电路比较复杂，对元器件要求高； 4.4.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。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。 用高频变压器的变换电路按其工作方式可分为五类：用高频变压器的变换电路

13、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20100W小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备中的控制电源单端正激式变换器50200W小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备中的控制电源推换式变换器100500控制设备，计算机等电源半桥式变换器1005000W焊机，超声电源，计算机电源等全桥式变换器500W30kW焊机、高频感应加热，交换机等1、单端反激式、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 2 2、半桥式变换器、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 3 3、全桥式变换器、全桥式变换器 图8-26 全桥式变换器主电路图8-27 全桥式变换器的工作波形