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1、第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 第第1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 开关电源在计算机、通信设备、仪器仪表以及家电产品方面都得到了越来越广泛的应用，发挥了巨大的作用，也大大促进了开关电源的发展，目前，开关电源技术已成为电子技术中备受人们关注的领域。本章主要讲述开关电源技术基础，包括开关电源的基本概念、基本工作原理；开关电源的性能特点、基本组成、结构类型和技术指标；开关电源的基本电路以及开关电源中的重要元器件等相关基础知识。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 1.1.1 开关电源的基本概念开关电源的基本概念 1电源变换的类型电源变换的类型 电源是变换电能的
2、装置，各种电子仪器和设备所用的电，一般都需要经过变换才能适合使用要求，即需要将一种电能形态变换成另一种形态，例如把交流电变换成直流电，高电压变成低电压等。电源有各种各样的类型，电源变换的方式也是多种多样的，按基本变换方式分类可分为四大类。1.1 开关电源的基础知识开关电源的基础知识 第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 (1)AC/DC变换 把交流电变换为直流电，并稳定输出电压，这是各种电子产品和仪器设备中应用最多的类型。(2)DC/DC变换 改变直流电的电压或极性，又称为直流变换，它通常应用在便携式的电子产品和仪器设备中。(3)DC/AC变换 把直流电变换为交流电，又称为逆变，它
3、通常应用在直流供电而又需要交流电的电子设备中。(4)AC/AC变换 改变交流电的电压或频率，又称为交流变换，它通常应用在对交流电进行变压或变频的场合。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 开关电源的实质就是电源变换。采用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态变换成另一种形态的电路，叫做开关变换器，最常用的变换器就是AC/DC变换器。在变换中，能自动稳定输出电压并有各种保护环节的电路，称为开关电源。当今，开关电源以其突出特点，被 誉为高效节能电源，代表着今后电源的发展方向。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 2.开关电源的工作原理开关电源的工作原理 开关电源的基本工作原
4、理可以用图1-1进行说明。图中输入的直流不稳定电压 Ui 经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关 S 按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压 Ui 变成矩形脉冲电压，这个脉冲电压经平滑滤波后，就可得到稳定的直流输出电压 Uo。(a)原理图 (b)波形图 开关电源的工作原理 第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 1.1.2 开关电源的性能特点开关电源的性能特点 1开关电源的主要优点开关电源的主要优点 (1)功耗小，效率高 (2)体积小，重量轻 (3)稳压范围宽 (4)滤波效率高 (5)电路形式多样 2开关电源存在的问题开关电源存在的问题
5、(1)电磁干扰大 (2)功率因数低 (3)生产技术难度大 (4)对元器件要求高 第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 1.1.3 开关电源的结构组成开关电源的结构组成 220VUi脉冲振荡电路基准电压驱动电路比较放大电路取样反馈电路Uo脉冲调制电路控制电路控制电路干扰抑制滤波输入整流滤波主电路主电路干扰抑制滤波输出整流滤波开关功率变换保护电路图1-2 开关电源的基本组成框图第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 1.1.4 开关电源的基本类型开关电源的基本类型 1按开关电源的激励方式分类按开关电源的激励方式分类 (1)自激式 (2)它激式 2按开关电源的调制方式分类按开关
6、电源的调制方式分类 (1)脉宽调制型 (2)频率调制型 (3)混合调制型3按开关电源的连接方式分类按开关电源的连接方式分类 (1)串联型 (2)并联型 (3)变压器耦合型第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 1.1.5 开关电源的技术指标开关电源的技术指标 1开关电源的基本性能参数开关电源的基本性能参数(1)输入电压变化范围(2)输出电压调节范围(3)最大输出功率 PO(4)最大输出电流 IO 第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 2开关电源的主要技术指标开关电源的主要技术指标(1)电源效率(2)电压调整率SD(3)负载调整率SL(4)交流输出阻抗ZO(5)输出纹波电压
7、(6)输出电压时间漂移(7)输出电压温度漂移(8)工作可靠性第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 1.2 开关电源的基本电路开关电源的基本电路 1.2.1 开关电源的开关电源的输入电路输入电路(a)输入抗干扰滤波电路 (b)输入整流滤波电路 图1-3 开关电源的输入电路 第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 1.2.2 开关电源的开关电源的变换电路变换电路1.开关功率变换电路的类型开关功率变换电路的类型(a)串联型 (b)并联型 图1-4 非隔离型开关变换电路 第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 图1-5 变压器耦合型开关变换电路第第1 1章章 开关电源技
8、术基础开关电源技术基础 2.各种变换电路的性能比较各种变换电路的性能比较 表表1-1 变压器耦合型变换电路的性能比较变压器耦合型变换电路的性能比较电路优点缺点功率范围应用领域正激式电路较简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单 变压器单向激磁，利用率低几十瓦到几百瓦 中、小功率电源 反激式电路简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单 仅适合小功率，变压器单向激磁，利用率低 几瓦到几十瓦小功率电子设备、计算机设备、家电产品电源 推挽式变压器双向激磁，一次侧通态损耗小，驱动电路简单有偏磁问题几百瓦到几千瓦 低输入电压电源半桥式变压器双向激磁，没有变压器偏磁问题，成本较低 有直通问题，需要隔离驱动电路几
9、百瓦到几千瓦 工业用电源，计算机电源 全桥式变压器双向激磁，容易达到很大功率结构复杂，成本高，需要复杂的隔离驱动电路几百瓦到几千瓦 大功率工业用电源，焊接电源，电解电源等 第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 3.开关变换电路的两种工作模式开关变换电路的两种工作模式 开关变换电路有两种工作模式：即电流连续模式(CUM)和电流断续模式(DUM)，其主要区别是在振荡周期中电感上是否有电流存在。这两种模式的开关电流波形分别如图1-6所示。(a)电流连续模式 (b)电流断续模式图1-6 开关电源的开关电流波形第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 1.2.2 开关电源的开关电源的
10、输出电路输出电路1输出整流滤波电路输出整流滤波电路 (1)输出整流电路 图1-7 不同型式的输出整流电路第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 (2)输出平滑滤波电路2输出端高频辐射干扰的抑制和滤除 图1-9 加入共模电感的输出抗干扰滤波电路 图1-8 有源滤波电路第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 1.2.3 开关电源的开关电源的控制电路控制电路 不论是哪种类型的开关稳压电源，要能够保证其正常工作，都需要有相应的、要求严格的控制信号来控制和调节驱动脉冲信号，从而使功率开关管能够安全、可靠地按照我们对输出电压的要求导通与截止。产生这种控制信号的电路即为控制电路。控制电路
11、包括取样电路、基准电压源、比较放大器、脉冲振荡器、脉宽调制器（或频率调制器）等，它们把输出端的不确定因素检测出来并放大后送到调制电路中，最后使调制电路通过调节脉冲宽度或频率来消除这些不稳定因素，整个电路形成一个自动控制的闭环反馈回路，其基本原理框图如图1-10所示。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 图1-10 控制电路的原理框图 为了保证输出电压的稳定，需要将输出电压的变化反馈给控制电路，通过调节脉冲宽度或频率来稳定输出电压的幅度保持不变。开关电源的取样反馈方式可分为直接取样和间接取样，直接取样是直接对输出电压取样，间接取样是通过开关变压器的取样绕组进行取样，反馈电路的基本类型
12、常见有4种，如图1-11所示。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 (1)基本反馈电路 这种电路在小功率开关电源中应用得较多，电路 简单，成本低廉，有利于电源小型化，缺点是稳压性能差，电压调整率和负载调整率都不太理想。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 (2)改进型基本反馈电路 它是在基本反馈电路的基础上加一只稳压二极管VS2和电阻R2而组成的。这样可使反馈电压稳定，负载调整率降低，输出电压的稳定性得到提高。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 (3)配稳压管的光耦合反馈电路 当输出电压VO发生变化时，光耦合器的发光二极管将发出不同亮度的光，外部电压与基准
13、电压的差值经光耦合器接收后送集成控制器UC38，调整控制输出电压。该电路能使电源的负载调整率达到1以下。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 (4)配TL431的精密光耦合反馈电路 该电路在开关电源中应用得最多。它的效果最好，稳压性能最佳。用TL431代替稳压管VS2构成外部误差放大器，对输出电压VO作精细调整，组成精密开关电源，使电压调整率和负调整率均能达到0.2以下，应用十分广泛。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 1.2.4 开关电源的开关电源的保护电路保护电路 1对保护电路的要求对保护电路的要求 软启动保护电路的延迟时间一定要大于开关电源电路中输入整流和滤波电
14、路的恢复时间，主要是指整流后的滤波电容的充电时间。过流、过压、欠压和过热等保护电路中的取样处理、反馈控制和关断功率开关管等过程所用的时间总和要小于转换周期，也就是要求这些保护电路的关断控制速度一定要快。只有这样才能够做到既保护了负载系统，又保护了开关电源电路本身免遭破坏。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 对于过流保护电路来说，当导致产生过流现象的故障被排除后，或过流现象消失后，开关电源要能够自动恢复正常工作。另外，对于先进的电子设备中的电源系统，不但要求具有各种保护电路，而且还要求具有各种保护状态的显示以及自诊断功能。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 2保护电路
15、的种类保护电路的种类 开关电源的保护主要有过流保护、过压保护、过热保护、软启动保护电路等。虽然自激式开关电源电路本身就已经具备了一定的自保护功能，一旦负载电流过大，必然破坏反馈条件，振荡将因损耗过大而减少或消失，这是自激式开关稳压电源电路的一大优点，但实际上仅靠破坏振荡条件而被迫停振的保护作用是不够可靠的，故还需要设置专门的保护电路。各种保护电路的主要作用和功能特点如下。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 (1)输出过流保护电路 输出过流保护电路的作用是当开关电源输出电流超过额定值或负载出现短路时，能输出一个控制信号，使电源中的开关管停止工作，保护电源自身不受破坏。这种保护电路的
16、特点是只保护电源的自身或自身的一部分，不保护供电系统。它又可分为限流式保护和截止式保护两种形式。限流式保护电路在过流现象消除后，可自动地让电源恢复工作；截止式则不能，必须等过流现象消除后再重新启动。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 (2)输出过压保护电路 输出过压保护电路的作用是当电源的输出电压超过所要求的额定电压值时，能输出一个控制信号，使电源中的开关管立即停止工作，以免使负载系统其因过压而遭到破坏。这种过压保护电路是保护负载系统，但不保护电源自身。(3)输入过压保护电路 输入过压保护电路的作用是当开关电源的输入电压超过规定值时，切断输入电源或使电源中的开关管停止工作，保护电
17、源自身不受破坏。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 (4)欠压保护电路 欠压保护电路的作用是当开关电源的输入电压或输出电压低于规定值时，使电源中的开关管停止工作，保护负载系统不致因欠压而受到破坏。(5)过热保护电路 过热保护电路的作用是保护开关电源中的功率开关管和续流二极管，当开关电源满负荷工作时间过长，或超负荷工作，或功率开关管和续流二极管的散热面积不足，或散热条件变差等原因而导致其温度迅速上升，并且超过所规定的最高温度限度时，能够将功率开关管关断，而使开关电源停止工作。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 (6)软启动保护电路 软启动保护电路的作用是在开机的瞬间能
18、够产生一个延迟时间，等开关电源输入整流和滤波电路工作稳定以后，再让功率变换电路启动工作的延迟启动电路。这种软启动保护电路的保护对象有两个，一个是开关电源输入端的整流二极管，另一个就是负载电路系统。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 1.3 开关电源的重要元器件开关电源的重要元器件 开关电源中所使用的重要元器件有功率开关晶体管、各种二极管、开关变压器和电感、各种电容器等。元器件质量的差异是影响开关电源质量的一个重要原因，选用好元器件，是决定开关电源质量的关键。了解开关电源中重要元器件的规格、性能和检测方法对开关电源的应用和维修是非常重要的。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技
19、术基础 1.3.1 开关电源中的开关电源中的功率开关管功率开关管开关电源中使用的功率开关管目前主要有：(1)双极型功率晶体管(GTR)(a)NPN型内部结构示意图 (b)电气图形符号图1-13 GTR的结构和电气图形符号第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 (2)绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)(a)N沟道内部结构示意图 (b)电气图形符号图1-14 MOSFET的结构和电气图形符号第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 (3)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(a)内部结构示意图 (b)电气图形符号图1-15 IGBT的结构和电气图形符号第第1 1章章 开关电源技术基础开
20、关电源技术基础 表表1-2 开关晶体管的性能比较开关晶体管的性能比较 器件 区别性能双极型大功率晶体管GTR绝缘栅场效应晶体管MOSFET绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动方式电流驱动电路较复杂，驱动条件会影响开关速度 电压驱动，驱动电路较简单，驭动功率很小 电压驱动，输入阻抗大，驭动功率很小 开关速度少数载流子存储时间限制其开关速度，工作频率一般不超过50kHz 无少数载流子存储效应，温度影响小，工作频率达150kHz以上 开关速度快，关断时间很短(0.2s)，工作频率高达500kHz 安全工作区存在二次击穿现象，限制了安全工作区 无二次击穿，安全工作区大，损耗低耐压为1kV，安全工作区大，损耗
21、低 导通电压无论耐电压高低，导通电压均较低，具有负温度系数 高压型导通电压较高，具有正温度系数 电流为100400A，导通电压小于3V，有负温度系数峰值电流在启动和稳态工作时，峰值电流较高 在启动和稳态工作时，峰值电流较低 在大功率开关电源中，峰值电流高达1kA 产品价格稍低 略高 较高 产品种类品种繁多，进一步发展受到限制 品种日益增加，更新潜力大 适用于大功率开关电源，新产品越来越多，市场广阔 第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 1.3.2 开关电源中的开关电源中的磁性元件磁性元件 电源电源中的磁性元件包括功率开关变压器、脉冲耦合变压器、低通滤波电感、平滑滤波电感，储能电感、
22、升压电感等。磁性元件的功能和作用，对开关电源的性能质量起着至关重要的作用。1磁性元件的磁心材料磁性元件的磁心材料 磁性元件是由磁心和线圈组成，对磁心材料的要求是：磁导率高 在一定线圈匝数时，通过较小的激磁电流就能有较高的磁感应强度，因此在输出一定功率的要求下，可减小磁心体积；矫顽力低 即磁滞回环面积小，则铁耗小。电阻率高 内部涡流小，则铁耗小。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 2.磁性元件的磁心结构磁性元件的磁心结构 使用磁芯时，除了需要考虑材料的性能参数外，还要考虑磁芯的结构，图1-16是常用铁氧体磁芯的结构形状图。图1-16 常用铁氧体磁芯的结构形状第第1 1章章 开关电源
23、技术基础开关电源技术基础 第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 1.3.3 开关电源中的各种开关电源中的各种二极管二极管 二极管在电子电路中用得较多，功能各异。按结构分有：点接触型和面接触型二极管按功能分有：整流二极管、稳压二极管、开关二极管等；按特性分有：快速恢复二极管、肖特基二极管等。开关电源中常用的二极管有：1开关二极管开关二极管 2稳压二极管稳压二极管 3快速恢复及超快速恢复二极管快速恢复及超快速恢复二极管4肖特基二极管肖特基二极管5.瞬态电压抑制二极管瞬态电压抑制二极管第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 1.3.4 开关电源中的集成控制器开关电源中的集成控制
24、器 目前，它激式开关电源的控制电路都是采用开关电源集成控制器，集成控制器的种类很多：按调制方式不同：分有脉宽调制型(PWM)和频率调制型(PFM)，目前应用最多是脉宽调制型；按控制方式不同：分有电压控制型和电流控制型；按输出驱动方式不同：分有单端驱动型和半桥驱动型。在变压器隔离型它激式开关电源中，常用的集成控制器的产品型号见表1-11。第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 1.3.5 各种电容器各种电容器 电容器有隔离直流信号，传递交流信号的作用，它对滤除噪声和高频电磁干扰以及稳定电气性能起着十分重要的作用。开关电源中使用的电容器要求体积小、寿命长、频率高和耐高温。开关电源中常用的
25、电容器有：1陶瓷电容器陶瓷电容器 2薄膜电容器薄膜电容器 3电解电容器电解电容器第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 4.各类电容器在开关电源中的应用各类电容器在开关电源中的应用 各类电容器在开关电源电路中的功能各不相同，这里以开关电源主回路为例，介绍各类电容器在开关电源中的应用，开关电源主回路如图1-17所示。图1-17 各类电容器在开关电源主回路中的应用第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 1.3.6 开关电源中的其它元器件开关电源中的其它元器件 开关电源中的其它元器件还有：1.精密稳压源精密稳压源 2.光电耦合器光电耦合器3.热敏电阻热敏电阻 4.压敏电阻压敏电阻 第第1 1章章 开关电源技术基础开关电源技术基础 思考题思考题1.常见自激式开关电源的类型有哪些？2.简述自激式开关电源的基本工作原理。3.开关电源的故障检测方法有哪些？4.开关电源无高压300V的原因有哪些？5.开关电源无低压输出的原因有哪些？6.自激式开关电源的常见故障有哪些？