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1、开关电源原理第一章第1页，共32页，编辑于2022年，星期六 A 开关，开关，电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态；B 高频，高频，电路中的电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频；C 直流，直流，电源输出是直流而不是交流。即，即，利用新型自关断器件通过功率变换技术而制成的高频开关式直流稳压电源。与线性稳压电源相比，与线性稳压电源相比，具有效率高、体积小和重量轻等突出优点；但存在电路复杂、纹波大、干扰大的缺点。4 4 离线式开关变换器离线式开关变换器 是AC/DC变换器，由于交流输入整流后，一般还都需要进行DC/DC变换，变换器中因有高频变压器隔离，故称离线，并不是变换器与市电线
2、路无关的意思。第2页，共32页，编辑于2022年，星期六 5 传统稳压电源技术传统稳压电源技术 6 开关电源的发展动力开关电源的发展动力 7 在我国的发展在我国的发展 需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，成为开关电源技术发展的强大动力。*是一种通过串联晶体管调整稳压、连续性控制的线性稳压电源，技术成熟，已有大量的集成稳压模块生产。*具有稳压性能好、输出纹波小、使用可靠等优点；但需要体积大、笨重的工频变压器以及体积和重量都较大的滤波器。*调整管工作在线性放大状态，功率损耗大、效率低，需要加体积较大的散热器。第3页，共32页，编辑于2022年，星期六2.高可靠性二二 开关电源的发展方向开
3、关电源的发展方向1.小型化 轻量化 高频化3.输入电压通用4.扩大输出电压范围5.提高输入侧的功率因数6.要求安全7.分布式结构增多第4页，共32页，编辑于2022年，星期六 (1)利用无源滤波器三三 相关技术相关技术1.专用集成控制电路2.软开关技术3.电源系统的管理及控制4.CAD技术5.高次谐波的抑制 (2)有源滤波器第5页，共32页，编辑于2022年，星期六1 高可靠性2 可维修性四四 对开关电源的要求开关电源的要求 *用平均故障间隔时间（MTBF）作为衡量开关电源可靠性的标志。一些电源模块的MTBF50万小时。*减少损耗、提高效率、改善散热条件是提高开关电源可靠性的基本方法。*加强生
4、产过程质量控制，保证好的电气绝缘和机械强度等也十分重要。*能及时诊断出故障部位、不用专用工具即能排除故障是可维修性好的衡量标志。*可分为现场维修、车间维修。*现场维修 要求在电源系统运行情况下，快速卸下故障模块、更换新模块，并使新模块方便地投入系统运行。第6页，共32页，编辑于2022年，星期六3 小的体积、重量4 提高市场竞争力 *车间维修 是对电源本身的维修，对于小功率模块有时不再修理。电子设备小型化，对电源提出的要求。*降低电源的生产成本 *降低电源的使用费用五五 与其他课程的关系及内容与其他课程的关系及内容1 1 基础基础 课程课程 *电路分析电路分析 *电力电子技术电力电子技术*电子
5、技术电子技术 *控制理论基础控制理论基础第7页，共32页，编辑于2022年，星期六2 2 相关课程相关课程 *软开关变换技术软开关变换技术3 3 课程内容课程内容 主要讨论主要讨论AC/DCAC/DC和和DC/DCDC/DC两类开关变换器两类开关变换器 *电源的发展方向、技术指标电源的发展方向、技术指标 *开关电源的控制电路开关电源的控制电路 *磁性器件的设计磁性器件的设计*电源基本电路的设计电源基本电路的设计*电力电子电路仿真技术电力电子电路仿真技术*电子设备的电磁兼容技术电子设备的电磁兼容技术*电力电子装置故障自动诊断技术电力电子装置故障自动诊断技术第8页，共32页，编辑于2022年，星期
6、六*开关电源的热设计开关电源的热设计*开关电源的有源功率因数校正技术开关电源的有源功率因数校正技术 （1）张占松 开关电源的原理与设计4 4 参考文献参考文献 （2）王英剑 新型开关电源实用技术 （3）叶慧贞 新颖开关稳压电源 （4）杨 旭 开关电源技术 （5）周志敏 开关电源实用技术-设计与应用第9页，共32页，编辑于2022年，星期六1.2 技术指标 一一 应用领域应用领域 *确定电源技术指标时，首先要明确使用电源的设备或工艺。二二 技术指标技术指标 1 输入参数输入参数 (1)相数 *当开关电源的功率小于5kW时，可以选择单相输入。这样，可降低主电路器件的电压等级，降低成本。*确定应该遵
7、循的各国安全标准。*当开关电源的功率大于5kW时，应选择三相输入。这样，可避免引起电网三相间的不平衡，同时还可以减小主电路中的电流，降低损耗。第10页，共32页，编辑于2022年，星期六 (2)输入电压*国内民用交流电源电压三相380V、单相为220V。*目前，开关电源流行采用国际通用电压范围，即单相85265V，这一范围覆盖了全球各种民用电源标准所限定的电压，但对电源设计提出了较高的要求。*输入电压为直流时情况比较复杂，从24V600V都有可能。*输入电压指标通常包含额定值和变化范围两方面内容。*输入电压范围的下限影响变压器的变比，上限决定了主电路元器件的电压等级。*输入电压变化范围过宽，使
8、设计中必须留过大裕量而造成浪费，应在满足实际要求的前提下，尽量小。*输入电压变化范围一般为10%，考虑配线等因素有时也要求-15%+10%。第11页，共32页，编辑于2022年，星期六 (3)输入频率 (4)输入电流 *我国民用和工业用电的频率均为50Hz，航空、航天、船舶用电经常采用400Hz交流电（通常为115V单相或三相电）。*400Hz交流电压整流后的脉动频率远高于工频，因此整流电路所连接的滤波电容可以减小很多。*输入电流通常包括额定输入电流和最大输入电流两项。*输入电流是输入开关、接线端子、熔断器和整流桥等元器件的设计依据。*额定输入电流是指输入电压和输出电压、输出电流在额定条件时的
9、电流，最大值发生在输入电压下限和输出电压上限、输出电流上限时。*三相输入时，各相电流有时会发生失蘅现象，应取平均值。第12页，共32页，编辑于2022年，星期六 (6)漏电流 (7)效率 (5)冲击电流 指输入电压按规定时间间隔接通或断开时，输入电流达到稳定状态前所通过的最大瞬时电流。*流经输入侧地线的电流，在开关电源中主要是通过静噪滤波器（或称EMI滤波器）的旁路电容泄漏的电流。*一般，规定在0.5mA1mA。*是电源的重要技术指标,一般定义为电源输出功率与电源输入有功功率之比。*通常给出的是在额定输入电压和额定输出电压、额定输出电流条件下的效率。*提高效率，意味着电源损耗功率下降，则可降低
10、电源温升、提高可靠性、节约能源。第13页，共32页，编辑于2022年，星期六 (8)输入功率因数*影响电源效率的因素 与开关频率有关的损耗，包括开关器件的开关损耗、变压器的铁损、电感的铁损以及吸收电路的损耗。电路中的通态损耗，包括开关器件的导通损耗、变压器的铜损、电感的铜损以及线路损耗。其他损耗，包括控制电路损耗、冷却系统的损耗等。*一般来说，输出电压较高的电源的效率高于输出电压低的电源，这与输出侧整流二极管的通态压降与输出电压的比值有关。*指在输入电压为额定值、输出功率为额定值时，输入相移功率因数和畸变因数（失真功率因数）的乘积，即：*PFD是基波电流与基波电流及谐波的总有效值之比。第14页
11、，共32页，编辑于2022年，星期六 *是电压与基波电流的相位差的余弦。其中 *THD也称谐波电流畸变度。*目前，对保护电网环境、降低谐波污染的要求越来越高，许多国家和地区都已出台相应标准，对用电装置的输入谐波和功率因数作出严格规定。2 输出参数输出参数 (1)输出电压 *输出电压通常给出额定值和调节范围两项内容。第15页，共32页，编辑于2022年，星期六 *输出电压上限关系到变压器设计中变比的计算，过高的上限要求会导致过大的设计裕量，在满足实际要求的前提下，上限应尽量靠近额定点。(2)输出电流 *通常给出额定值和一定条件下的过载倍数。*有稳流要求的电源应指定调节范围。*有的电源不允许空载，
12、应指定输出电流下限。*在多路输出电源中，有的如果某一路输出电流增加，则其他路的输出电流会下降，对此要进行说明。(3)稳压（稳流）精度 *通常以正负误差带的形式给出。*影响电源稳压（稳流）精度的主要有输入电压变化、输出负载变化、温度变化以及元器件老化等。*精度可以用以下指标考核：第16页，共32页，编辑于2022年，星期六 负载调整率 输入电压调整率 A 是指开关电源在输入电压不变、输出负载电流变化时，提供其稳定输出电压的能力。B 测试方法：在被测开关电源以额定输入电压及额定负载状况下热机稳定后，测量其输出电压值U0，再测量轻载(如5%I0N)时的输出电压U1，可按下式计算。A 是指开关电源在输
13、入电压变化、输出负载电流不变时，提供其稳定输出电压的能力。B 测试方法：在被测开关电源以额定输入电压及额定负载状况下热机稳定后，测量其输出电压值U0，再分别在低输入电压（如90%Ui）及高输入电压（如110%Ui）下测量其输出电压U01、U02，可按下式计算。第17页，共32页，编辑于2022年，星期六 *影响精度的相关因素有以下几项：基准源精度 检测电路精度 控制电路中运算放大器精度其中或，取最大值。第18页，共32页，编辑于2022年，星期六 (5)纹波 (4)电源的输出特性 *电源输出特性与电源的应用领域的工艺要求有关，如有些场合要求恒压限流、有些场合要求恒流限压等。*设计时需要根据输出
14、特性要求来确定主电路和控制电路的形式。*典型的输出电压纹波波形如下图所示，通常按频带可分为三类：高频噪声，即图中远高于开关频率的尖刺；开关频率纹波，指开关频率附近的频率成分，即图中的锯齿状成分；低频纹波，指频率低于开关频率的成分，即低频波动。第19页，共32页，编辑于2022年，星期六 (6)动态响应 *对输出电压纹波的量化方法，通常有以下几种：纹波系数，取输出电压中交流成分总有效值与直流成分的比值定义为纹波系数。不能反映幅值很高、有效值却很小的尖峰噪声的含量及其影响。由于纹波包含的频率成分从1赫兹以下到数十兆赫，频带极宽，很难精确计量。峰峰电压值，计量纹波电压的峰峰值，可以反映幅值很高、有效
15、值却很小的尖峰噪声的含量，但不能反映纹波有效值的大小，不够全面。按三种频率成分分别计量幅值，该方法最为直观、详细，也容易用示波器直接测量。*输出电压受外界因素干扰后再回到其稳态值，会有一个超调量和恢复时间（有时，也可衡量系统稳定性）。第20页，共32页，编辑于2022年，星期六 (7)温度系数 *超调量一般5%UO、恢复时间510豪秒（多台并联时，时间会长一些）。*恢复时间的长短与电源开关频率、电压反馈环的响应速度、电流瞬态变化幅度及输出滤波电路的容量等因素有关。环境温度升高1度，输出电压的变化量与输出电压之比，单位为1/。第21页，共32页，编辑于2022年，星期六3.附属功能 (1)过流保
16、护 (2)过压保护 *是一种电源负载保护功能，以避免发生包括输出短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。*过流给定值一般是额定值的110%130%。*是一种对输出端子间过大电压进行负载保护的功能，过压给定值一般规定为输出电压的110%130%。*输出电压可变时，要注意不要发生过压给定值以内的误动作。(3)输出欠压保护 是当输出电压下降到标称值以下时，为保护负责或防止误动作而停止电源工作的一种保护功能。第22页，共32页，编辑于2022年，星期六 (4)过热保护 (5)接口 电源内部发生异常或因使用方法不当而使电源温升超标时，停止电源工作并发出报警信号。*要确定电源输入、输出以及信号用端子的
17、形状、排列或连接器名称，并要标明所用端子号。*电源输入、输出以及信号用端子要尽可能分开。4 4 绝缘绝缘 (1)绝缘电阻 *在电源输入端子和壳体间、输入端子和输出端子间，一般用500V兆欧表测，电阻要大于50M。*输出端子和壳体间用100V兆欧表测，电阻要大于10k。(2)绝缘耐压 要符合各种安全标准规定。第23页，共32页，编辑于2022年，星期六三三 结构规定结构规定 (1)形状条件 (2)外形尺寸 (3)安装条件 (4)壳体材料 (5)冷却条件 (6)接口位置 (7)文字提示位置 (8)重量、体积第24页，共32页，编辑于2022年，星期六四四 环境条件环境条件 (1)温度 (2)湿度
18、(3)高度 使用温度范围因使用场所而异，一般规定在5+50、保存温度在25+75。使用湿度范围一般规定在20%85%、保存湿度范围在18%90%。(4)耐振动 (5)耐冲击 (6)其他 抗尘埃、耐腐蚀、耐药性第25页，共32页，编辑于2022年，星期六1.3 开关电源的构成与分类开关电源的构成与分类 一一 构成构成 输入整流滤波输入整流滤波 功率变换功率变换 输出整流滤波输出整流滤波 辅助电源辅助电源 驱动电路驱动电路 过压过流保护过压过流保护 控制电路控制电路 时钟振荡电路时钟振荡电路 检测放大电路检测放大电路 *如果是DC/DC变换系统，则不需要输入整流滤波部分。*整个电源系统可分为主电路
19、和控制电路两部分。*主电路由输入整流滤波、功率变换、输出整流滤波三个环节构成。第26页，共32页，编辑于2022年，星期六*应用电路应用电路 Buck Buck 电路电路 Boost Boost 电路电路 Cuk Cuk 电路电路2.AC/DC类开关电源 脉宽调制方式（PWM）二二 开关电源的分类开关电源的分类 1.DC/DC类开关电源*工作方式工作方式 频率调制方式（PFM）Buck-Boost Buck-Boost 电路电路第27页，共32页，编辑于2022年，星期六 (1)按驱动方式分*自激式 (2)按输入/输出的隔离方式分*隔离式 (3)按控制方式分*PWM3.电路结构电路结构*他激式*非隔离式*PFM*幅度调制*PWM与PFM混合式第28页，共32页，编辑于2022年，星期六 (4)按变换工作方式分*斩波方式 (5)按电路组成分谐振型和非谐振型*拓扑*开关数量第29页，共32页，编辑于2022年，星期六1.4 开关电源的设计过程开关电源的设计过程 确定技术指标 选择拓扑结构 确定开关频率 确定最大导通时间第30页，共32页，编辑于2022年，星期六 二次输出电压计算 匝数比确定 输出滤波电路设计 开关管 二极管的选择 变压器的设计第31页，共32页，编辑于2022年，星期六 控制保护电路设计 散热设计 结构设计第32页，共32页，编辑于2022年，星期六