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1、第2课电源拓扑形式介绍1第1页，本讲稿共29页开关电源的术语11、电压调整率：输入电压变化时，输出电压的变化率，即 电压调整率=（最高输出电压Voutmax-最低输出电Voutmin）/额定输出电压Vout x 100%2、负载调整率：负载电流从半载到额定负载时，输出电压的变化率，即 负载调整率=（V满 V半）/V额 100%3、效率：电源的输出功率与输入功率的百分比，即 效率=Pout/Pin 100%2023/4/16第2页，本讲稿共29页开关电源的术语2lESR：等效串联电阻，它表示电解电容呈现的电阻值的总合，ESR越小，性能越好。l噪声和纹波：附加在直流输出信号上的交流电压和高频尖峰的
2、峰值，通常为mv级。l占空比：在高频开关电源中，开关元件的导通时间和变换器的工作之比。l输出瞬态响应时间：从输出负载电流产生变化开始，经过整个电路的调节作用，到输出电压恢复额定值所需要的时间。2023/4/16第3页，本讲稿共29页模块化设计的方法l选择合适的技术和拓扑形式 比较熟悉的原则（包括IC、拓扑方式、控制电路、变压器和骨架）；l进行估算 功率的大小、变压器和骨架的大小、选择合理的功率元器件；l设计原理图l搭建简单模块电源中的单元电路：l试验：l确定物理机构 散热片、PCB板、风扇；l对EMI/RFI进行测试（改板和设计的可能）l产品加工生产2023/4/16第4页，本讲稿共29页几种
3、常用的电路形式l主要包括：单端反激式、单端正激式、推挽式、半桥式、全桥式，三点式（介绍）2023/4/16第5页，本讲稿共29页（一）单端反激式l简化原理图：2023/4/16第6页，本讲稿共29页单端反激式电路原理l其变压器T1起隔离和传递储存能量的作用，即在开关管Q开通时Np储存能量，开关管Q关断时Np向Ns释放能量。在输出端要加由电感器Lo和两Co电容组成一个低通滤波器，变压器初级需有Cr、Rr和Dr组成的RCD漏感尖峰吸收电路。输出回路需有一个整流二极管D1。由于其变压器使用有气隙的磁芯，故其磁损较大，变压器温相对较高。并且其输出的纹波电压比较大。但其优点就是电路结构简单，适用于200
4、W以下的电源且多路输出交调特性相对较好。2023/4/16第7页，本讲稿共29页单端反激式变压器计算l单端反激式变压器设计的方法较多，但对于反激式设计来说最难的也就是变压器的设计和调整。一般须视具体工作状态而定，这里我结合自己的调试经验介绍一种快捷的近似计算方法。反激变换器可工作于电流连续模式(CCM)和电流断续模式(DCM)，同样输出功率时，工作于电流断续模式具有较大的峰值电流，此时开关晶体管、整流二极管、变压器和电容上损耗会增加，所以一般效率较低，工作于电流连续模式下，效率较高，但输出二极管反向恢复时易引起振荡和噪声；另外，工作于电流断续模式时，由于变压器电感量较小，体积可以做得小一些，而
5、工作于电流连续模式，变压器体积一般会较大。变压器参数的选取应结合整个电路设计和实际应用情况，在最初的设计中，为取得比较适中的性能，可考虑使电路工作于电流临界连续状态。2023/4/16第8页，本讲稿共29页反激式变压器的设计步骤l初选磁芯型号；l确定初级电感量；l确定初级峰值电流；l确定初级线圈匝数和气隙；l计算并调整初、次级匝数；l计算并确定导线线径；l校核窗口面积和最大磁感性强度。2023/4/16第9页，本讲稿共29页单端反激式两个重要的公式l计算原边（开关管）的峰值电流：IP=5.5POUT/VINMIN=2POUT/VINMIN DMAXl计算开关管的工作电压：VSW=VIN+N1/
6、N2 VOUT2023/4/16第10页，本讲稿共29页单端反激式工作原理1l工作原理：SW导通时，N1储能，VD截止，T1导通；2023/4/16第11页，本讲稿共29页单端反激式工作原理2 SW截止，N2导通，VD导通给C2充电，RL放电；2023/4/16第12页，本讲稿共29页反激式变压器工作原理 变压器T1除了具有初次极间安全隔离的作用外，还有变压器扼流圈的作用，所以反激式输出次级不需要加电感，但在实际中在滤波电容之外加一小电感，用以降低开关噪声。2023/4/16第13页，本讲稿共29页MOS管参数/反激开关电源特点l耐压得选择：Vdss=1.5Vin（max）l电流的选择：Id=
7、2Pout/Vinminl还有几个重要的参数：Rdss、Ciss、Coss等；l元器件少、成本低、结构简单；l功率小（一般150W以内）、纹波大；l开关承受的电流峰值大，不适合大功率的开关电源。2023/4/16第14页，本讲稿共29页双管反激变换器2023/4/16第15页，本讲稿共29页双管反激电路原理l其变压器T1起隔离和传递储存能量的作用，即在开关管Q1、Q2开通时Np储存能量，开关管Q1、Q2关断时Np向Ns释放能量，同时Np的漏感将通过D2、D3返回给输入，可省去RCD漏感尖峰吸收电路。l在输出端要加由电感器Lo和两Co电容组成一个低通滤波器。输出回路需有一个整流二极管D1（最好使
8、用恢复时间快的整流管）。2023/4/16第16页，本讲稿共29页双管反激工作特点1l在任何工作条件下，为使两个调整管所承受的电压不会超过Vs+Vd(Vs：输入电压；Vd:D2、D3的正向压降，)，D2、D3必须是快恢复管（当然用超快恢复管更好）。l在反激开始时，储存在原边Np的漏电感的能量会经D2、D3反馈回输入，系统能量损失会小，效率高。l在与单端反激变换器相比，无需RCD吸收电路；功率器件可选择较低的耐压值；功率等级也会很大。2023/4/16第17页，本讲稿共29页双管反激工作特点2l在轻载时，如果在“开通”周期储存在变压器的原边绕组显得过多的能量，那么在“关断”周期会将过多的能量能量
9、反馈到输入。l两个调整管工作状态一致，我没有调试过这样电路，根据调试过的半桥和双管正激的电路经验，下管的波形会优于上管的波形，在调试过程中只要观察下管波形即可（具体可到“调试经验”中详见）。我个人建议在大功率等级电源中不可选用此种电路。2023/4/16第18页，本讲稿共29页变压器计算l设计方法据参考书籍，与单端反激变换器变换器相同。但变压器漏电感必须小，可以减小D2、D3上的能量损耗，同时增加电源的效率。2023/4/16第19页，本讲稿共29页（二）单端正激式l简化框图（这里的L1不能缺少）：2023/4/16第20页，本讲稿共29页单端正激式电路原理 l其变压器T1起隔离和变压的作用，
10、在输出端要加一个电感器Lo（续流电感）起能量的储存及传递作用，变压器初级需有复位绕组Nr（此点上我对一些参考书籍存疑，当然有是最好，实际应用中考虑到变压器脚位的问题）。在实际使用中，我也发现此绕组也用RCD吸收电路取代亦可，如果芯片的辅助电源用反激供给则也可削去调整管的部分峰值电压（相当一部份复位绕组）。输出回路需有一个整流二极管D1和一个续流二极管D2。由于其变压器使用无气隙的磁芯，故其铜损较小，变压器温升较低。并且其输出的纹波电压较小。2023/4/16第21页，本讲稿共29页单端正激式变压器计算 l选择磁芯材料和磁芯结构形式。l确定工作频率，工作最大磁感应强度Bm。l计算并初选磁芯型号。
11、l计算并调整原、副边匝数。l计算并确定导线线径。l校核窗口面积和最大磁感应强度Bm。2023/4/16第22页，本讲稿共29页单端正激式两个重要公式l开关管的峰值电流：Ip=2.8Pout/Vinminl开关管承受的峰值电压：Vsw=2Vin2023/4/16第23页，本讲稿共29页单端正激式工作原理1l开关闭合：2023/4/16第24页，本讲稿共29页单端正激式工作原理2l开关断开时：2023/4/16第25页，本讲稿共29页单端正激式工作原理3l工作波形图：2023/4/16第26页，本讲稿共29页单端正激式工作原理4l工作原理说明：工作原理说明：1 1）t0-t1t0-t1：在开关闭合
12、期间，：在开关闭合期间，w1w1上正下负，使其耦合绕组也是上上正下负，使其耦合绕组也是上正下负，正下负，D1D1导通，导通，D2D2关闭，关闭，L1L1上电流逐渐加大；上电流逐渐加大；2 2）t1-t2t1-t2：开关打开，：开关打开，L1L1通过通过D2D2续流，续流，D1D1关闭，关闭，L1L1上电流逐渐下降；上电流逐渐下降；这是的变压器励磁电流经箝位绕组这是的变压器励磁电流经箝位绕组W3W3和和D3D3流回电源，使变压器的磁通流回电源，使变压器的磁通复位，也就是设法使励磁电流降回到零，否则下一开关周期中励磁电复位，也就是设法使励磁电流降回到零，否则下一开关周期中励磁电流将在本周期结束的剩
13、余值继续增加，并顺着开关累加，变得越来越流将在本周期结束的剩余值继续增加，并顺着开关累加，变得越来越大，从而变得使变压器的励磁电流饱和，饱和后励磁电流会迅速增加，大，从而变得使变压器的励磁电流饱和，饱和后励磁电流会迅速增加，最终烧坏开关管，因此励磁电流回零很重要，也叫磁芯复位；最终烧坏开关管，因此励磁电流回零很重要，也叫磁芯复位；3 3）t2-t3t2-t3：重复：重复1 1）的操作；）的操作；3 3）t3-t4t3-t4：重复：重复2 2）的操作。）的操作。2023/4/16第27页，本讲稿共29页单端正激式工作原理5l复位绕组说明：复位绕组说明：开关闭合时，W3和D3使励磁为零，W3电流下降到零的时间trst；开关关断时，其时间必须大于trst，以保证下次开关（励磁为零），变压器得到可靠的复位；trst=（N3/N1）Ton 此时输入与输出电压比为：Uo/Ui=（N2/N1）Ton/T=（N2/N1）Dmax 此时开关管承受的电压为：Us=（1+N1/N3）Ui 此时开关管承受的峰值电流为：Ip=6.2Pout/Vin课后作业题：试画出双端正激式开关电源的原理图。试画出双端正激式开关电源的原理图。2023/4/16第28页，本讲稿共29页双端正激示意图2023/4/16第29页，本讲稿共29页