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1、开关电源拓朴结构分析开关电源拓朴结构分析FAE NAME：CARY.CHENSZ2电源的分类电源的分类什么是什么是Power Supply?Power Supply负载Vin,IinPower Supply是一种提供电力能源的设备，它可以将一种电力能源形式转换成另外一种电力能源形式，并能对其进行控制和调节。上级电能形式Vo,Io f,phasef,phase根据转换的形式分类:AC/DC,DC/DC,DC/AC,AC/AC根据转换的方法分类:线性电源，相控电源，开关电源根据调控的效果分类:稳压，恒流，调频，调相根据调控的方法分类:传统反馈控制，矢量控制，数位控制2开关电源的元件构成开关电源的元
2、件构成开关电源的基本元件：开关电源的基本元件：有源开关有源开关(Switch)二极管二极管(Diode)电感电感(Inductor)电容器电容器(Capacitor)变压器变压器(Transformer)3三种基本的非隔离开关电源三种基本的非隔离开关电源VinVoLIoSDVinVoDLIoS1DS2VinVoDLIoSVo=Vin*D/(1-D)Vo=Vin*DVo=Vin/(1-D)VoVin,Boost 升压型电路4三种基本的隔离开关电源三种基本的隔离开关电源VinVoSLmDVinVoLSD1D2VinVoLS1D1D2S2正激型变换器反激型变换器桥式变换器5反激变换器（反激变换器（F
3、lyback）工作原理工作原理（电流连续模式）（电流连续模式）根据变压器的伏秒平衡：IoVinVoGDSLmDn:1CoVgsIDVdsD1-DTIpIoVinVin+nVoImVLVin-nVoID-p6反激变换器（反激变换器（Flyback）工作原理工作原理（电流断续模式）（电流断续模式）根据变压器的伏秒平衡：IoVinVoGDSLmDn:1CoVgsIDVdsD1-DTIoVinVin+nVoImVLVin-nVoID-p-nVo根据能量守恒：7反激变换器（反激变换器（Flyback）工作原理（工作原理（1）VgsIDVdsD1-DTIpIoVinVin+nVoImVrVLVin-nVo
4、ID-pVr=？IoVinVoGDSLmDn:1LkCo8反激变换器（反激变换器（Flyback）工作原理（工作原理（2）VcIoVinVoGDSLmDn:1LkCoVcRPloss=(Vc-Vin)2/RGDSLkVcRPloss=(Vc)2/R9反激变换器（反激变换器（Flyback）工作原理（工作原理（3）Vo=？IoVinVoGDSLmDn:1LkCoVgsIDVdsD1-DTIpIoVinVin+nVoImVrICoID-p-IoVo根据Co在DT时间的基本方程：10反激变换器（反激变换器（Flyback）工作原理（工作原理（4）多路输出的反激变换器：多路输出的反激变换器：减小交叉调
5、整率的措施：减小交叉调整率的措施：1.尽量减少两个绕组之间的漏感。2.在辅助输出一路中加入尖峰抑制器（饱和电感）3.主路输出工作于电流连续模式。4.采用双路加权反馈的控制方式VinVo1GLmNpLkVo2Ns2Ns1反馈控制11反激变换器（反激变换器（Flyback）特征总结特征总结缺点：缺点：1.输出纹波电流大。2.输出控制特性非线性。3.通常需要辅助的吸收回路。4.转换效率较低。VinVo1GLmNpLkVo2Ns2Ns1反馈控制优点：优点：1.电路简单。2.输入电压范围广。3.容易实现多路输出。12谐振复位正激变换器（谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（
6、1）Ion:1VinVoLoGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1 t2 t3t4Ipt0,t1t513谐振复位正激变换器（谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（2）Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1 t2 t3t4Ipt1,t2t514谐振复位正激变换器（谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（3）Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-
7、Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1 t2 t3t4Ipt2,t3t515谐振复位正激变换器（谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（4）Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1 t2 t3t4Ipt3,t4t5Lm,Cr的选取原则：16谐振复位正激变换器（谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（5）Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1 t2 t3
8、t4Ipt4,t5t5(Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D)T根据电感的伏秒平衡：Vo=VinD/n17谐振复位正激变换器（谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)特征特征VinVoCr缺点：缺点：1.原边开管电压应力较高。2.谐振电容的损耗大。3.宽范围输入效率很难兼顾。优点：优点：1.电路简单。2.线性输出控制特性。3.不需要辅助的吸收回路。VinVoCrVinVoCr18有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（1）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDTIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL IL
9、LmLkCrt0t1 t2 t3t4Ipt0,t1t5S1S1Sa1-D+VT-19有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（2）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1 t2 t3t4Ipt1,t2t5S1S1Sa1-D+VT-*副边电压的死区跟Lk和Io有关，跟原边开管的死区无关20有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（3）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL
10、 ILLmLk-Vc+t0t1 t2 t3t4Ipt2,t3t5S1S1Sa1-D+VT-Sa在零电压条件下开通*原边开管的死区时间需满足：21有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（4）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1 t2 t3t4Ipt3,t4t5S1S1Sa1-D+VT-激磁电流反向，变压器被复位22有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（5）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoV
11、in/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1 t2 t3t4Ipt4,t5t5S1S1Sa1-D+VT-激磁电流对主开关的输出电容放电。t6=t023有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（6）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1 t2 t3t4Ipt4,t5t5S1S1Sa1-D+VT-激磁电流对主开关的输出电容放电。t6=t024有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（7）Ion:1VinVo
12、LoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1 t2 t3t4Ipt5,t6t5S1S1Sa1-D+VT-t5时刻副边二极管钳位主开关的输出电容放电结束。t6时刻新的周期开始t6=t025有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（8）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1 t2 t3t4Ipt5S1S1Sa1-D+VT-t6=t0(Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D)T根据电感的伏秒平衡：Vo=VinD/nV
13、inDT=Vc(1-D)T根据变压器的伏秒平衡：Vc=VinD/(1-D)Vds=Vc+VinVds=Vin/(1-D)26有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（9）Vc=VinD/(1-D)Vds=Vin/(1-D)Vin27有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（10）VinVoVinVoVinVoSaSaSa缺点：缺点：1.钳位电压建立较慢，启动过程变压器易偏磁。2.对输入电压的动态响应慢。优点：优点：1.变压器最优化复位（电压应力低）。2.输入电压范围宽。3.线性输出控制特性。4.不需要辅
14、助的吸收回路。28桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)VinVoLS1D1D2S2半桥变换器VinVoLS1D1D2S2全桥变换器VinVoLS1D1D2S2推挽变换器VinVoS1D2S2半桥变换器（倍流整流）29桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（1）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoCBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3 t4 t5S2Dt6=t0T/2T/2Vct0,t1变换器正半周工作，Ip,Im增加；Vc减少。C1C130桥式变换器（桥式
15、变换器（Bridge Type Converter)（2）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3 t4 t5S2Dt6=t0T/2T/2VcC1CC1Vin/2t1,t2S1关断，变压器副边续流，原边漏感能量被S2体二极管钳位。31桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（3）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3 t4 t5S2Dt6=t0T/
16、2T/2VcC1CC1Vin/2t2,t3S1，S2全部关断，变压器副边续流，Lm保持不变，D1,D2电流之差为Lm。32桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（4）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoABS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3 t4 t5S2Dt6=t0T/2T/2Vin/2VTVct3,t4变换器负半周工作，Ip,Im减少；Vc增加。33桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（5）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoABS1I
17、LVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3 t4 t5S2Dt6=t0T/2T/2Vin/2VTVct4,t5S2关断，变压器副边续流，原边漏感能量被S1体二极管钳位。34桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（6）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3 t4 t5S2Dt6=t0T/2T/2VcC1CC1Vin/2t5,t6S1，S2全部关断，变压器副边续流，Lm保持不变，D1,D2电流之差为Lm。t0,t1t1
18、,t335桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（7）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoBVTC1CC1缺点：缺点：1.变压器结构复杂。2.输入电压范围较小。优点：优点：1.变压器正负工作，不需要辅助的复位电路。2.输出纹波频率是开关频率的两倍，所需电感量小。3.线性输出控制特性。4.电路平衡对称。36几种隔离式变换器之比较几种隔离式变换器之比较变压器复位方式原边开管电压应力输出特性占空比范围输出纹波频率输出纹波电流适用范围反激输出电压复位Vds=Vin/(1-D)0D1f小功率，宽范围输入，多路输出谐振复位正激谐振电容电压复位Vds=Vin+Vc0D1f小功率，低电压输入有源钳位正激钳位电容电压复位Vds=Vin/(1-D)0D1f中小功率，宽范围输入，高效率半桥正负半周工作，自动复位Vin0D0.52f较大功率，较小输入范围，快速响应37AC/DC Application Block DiagramBridgeDiodeVinVoSLmDPFCPWMPHCVrefLM431AZ431LM5021AZ384338