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1、王丽琼1一、一、概论概论将电网或电池的一次电能，转换为符合电子设备要求的二次电能，这样的变换设备便是电源。电源是一切电子设备的心脏，没有电源，电子设备就不可能工作。电源及开关电源电源及开关电源电源常用电源常用的连接方的连接方式式串联线性电源串联线性电源高频开关电源高频开关电源2串联线性电源与开关电源的区分串联线性电源与开关电源的区分串联线性电源：串联线性电源：电源调整管工作在放大状态电源调整管工作在放大状态;效率低，损耗大，温升高。效率低，损耗大，温升高。开关电源：开关电源：电源调整管工作在开关状态的电源电源调整管工作在开关状态的电源 ;具有高功率密度、重量轻、体积小。具有高功率密度、重量轻、
2、体积小。输入输入开关管开关管K负载负载 RL储能储能元件元件 开关电源开关电源模型图模型图输入输入电源调整管电源调整管负载负载RL 串联线性电源模型图串联线性电源模型图3开关电源的分类：开关电源的分类：按变换方式可分为下列四大类：按变换方式可分为下列四大类：（1）：第一大类：）：第一大类：AC/DC开关电源；开关电源；（2）：第二大类：）：第二大类：DC/DC开关电源；开关电源；（3）：第三大类：）：第三大类：DC/AC开关电源；开关电源；（4）：第四大类：）：第四大类：AC/AC开关电源。开关电源。开关电源开关电源逆变器逆变器变频器变频器 按开关管和输出之间是否有变压器隔离可分为下列两大类：
3、按开关管和输出之间是否有变压器隔离可分为下列两大类：（1）：第一大类：无）：第一大类：无变压器的变压器的非隔离式；非隔离式；（2）：第二大类：有）：第二大类：有变压器的变压器的隔离式。隔离式。4直流稳压电源 直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。传统直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。传统的稳压电源是采用的稳压电源是采用串联式线性转换方法串联式线性转换方法设计制作的。设计制作的。晶体管串联式线性稳压电源晶体管串联式线性稳压电源 直流稳压电源的发展 5 当今计算机及自动化设备上大多数控制电源都向低压大电流、当今计算机及自动化设备上大多数控制电源都向低压大电流、高效率
4、、重量轻、体积小的方向发展。在这种要求面前首先得到高效率、重量轻、体积小的方向发展。在这种要求面前首先得到发展的是晶体管串联式开关稳压电源。发展的是晶体管串联式开关稳压电源。晶体管串联式开关稳压电源晶体管串联式开关稳压电源6图图中中输输入入回回路路的的作作用用是是将将交交流流输输入入电电压压整整流流滤滤波波变变为为平平滑滑的的高高压压直直流流电电压压；功功率率变变换换器器的的作作用用是是将将高高压压直直流流电电压压转转换换为为频频率率大大于于20KHZ的的高高频频脉脉冲冲电电压压；整整流流滤滤波波电电路路的的作作用用是是将将高高频频的的脉脉冲冲电电压压转转换换为为稳稳定定的的直直流流输输出出电
5、电压压；开开关关电电源源控控制制器器的的作作用用是是将将输输出出直直流流电电压压取取样样，来来控控制制功功率率开开关关器器件件的的驱驱动动脉脉冲冲的的宽宽度度，从从而而调调整整开开通通时时间间以以使使输输出出电电压压可可调调且且稳稳定定。从从框框图图中中可可见见，由由于于高高频频变变压压器器取取代代了了笨笨重重的工频（的工频（50HZ）变压器，从而使稳压电源的体积和重量大大减小。）变压器，从而使稳压电源的体积和重量大大减小。7开关稳压电源的特点开关稳压电源的特点优点优点1.1.效率高。一般在效率高。一般在7 70 09 90%0%以上。以上。而相应的线性稳压电源的效率仅有而相应的线性稳压电源的
6、效率仅有50%左右。左右。2.2.体积小、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8080265265V V，负载作大幅度变化时，性负载作大幅度变化时，性能很好。能很好。4.4.噪声低，声频在噪声低，声频在2020kHzkHz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
7、一路输入可得到多路输出以及同号、反号等输流；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；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。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。8开关稳压电源的不足之处开关稳压电源的不足之处1.1.输出纹波较大，约有输出纹波较大，约有1010100100mVmV的峰峰值；的峰峰值
8、；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.动态响应时间至少要大于一个开关周期，不如串联式晶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。体管线性稳压电源。92.2.作用：双向滤波作用：双向滤波避免电网供电线引入高频脉冲影响电子电路；避免电网供电线引入高频脉冲影响电子电路；防止开关电源对电网造成污染防止开关电源对电网造成污染。S1C1L2220V市电市电 至整流滤波至整流滤波电路电路 FUC02进线抗电磁干扰电路（进线抗电磁干扰电路（EMI）
9、输入共轭滤波及整流输入共轭滤波及整流1.电路组成：电路组成：由一个线圈和两个电容组成由一个线圈和两个电容组成EMI原理图原理图10工作原理：工作原理：对高频干扰信号而言，电容呈短路，而电对高频干扰信号而言，电容呈短路，而电感则呈开路。高频干扰被电容短路。感则呈开路。高频干扰被电容短路。对对50Hz低频而言，电容呈开路，而电感则呈低频而言，电容呈开路，而电感则呈短路。因此，短路。因此，50Hz市电可以顺利通过。市电可以顺利通过。S1C1 0.1uL220V市电市电 至整流滤波至整流滤波电路电路 FUC2 0.1u FUS1C1L220V市电市电 至整流滤波至整流滤波电路电路C211 由一个全桥（
10、由四个二极管组成）由一个全桥（由四个二极管组成）和两个高压电解电容组成。把和两个高压电解电容组成。把220V交交流市电转换成流市电转换成400V左右的直流电。左右的直流电。高压整流滤波电路高压整流滤波电路1.电路组成：电路组成：单相桥式整流电路12整流电路工作原理整流电路工作原理 当正半周时，二极管当正半周时，二极管D1、D3导通导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。在负载电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时二极管当负半周时二极管D2、D4导通导通，在，在负载电阻上得到正弦波的负半周。负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正负半周经过合成，得到在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是的是同一
11、个方向的单向脉动电压同一个方向的单向脉动电压。13滤波电路滤波的基本概念：滤波的基本概念：利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。实现滤波。电容器电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并应该并联在负载两端。联在负载两端。电感器电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与应与负载串联。负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系
12、数，改善了直流电压的质量。的脉动系数，改善了直流电压的质量。14电容滤波电路电容滤波电路 单相桥式电容滤波整流电路。单相桥式电容滤波整流电路。在负载电阻上并联了一个滤波电容在负载电阻上并联了一个滤波电容C。15当当v2到达到达90时时，v2开始开始下降。先假设二极管关断，下降。先假设二极管关断，电容电容C就要以指数规律向就要以指数规律向负载负载L放电。指数放电起放电。指数放电起始点的放电速率很大。始点的放电速率很大。滤波原理滤波原理 若若电电路路处处于于正正半半周周，二二极极管管D1、D3导导通通，变变压压器器次次端端电电压压v2给给电电容容器器C充充电电。此此时时C相相当当于于并并联联在在v
13、2上上，所所以以输输出出波波形形同同v2，是正弦形。是正弦形。电容滤波波形图电容滤波波形图 所以，在所以，在t1到到t2时刻，二极管导电，时刻，二极管导电，充电，充电，vC=vL按正弦规律变化；按正弦规律变化；t2到到t3时刻二极管关断，时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线按指数曲线下降，放电时间常数为下降，放电时间常数为RLC。在刚过在刚过90时时，正弦曲线下降，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过的速率很慢。所以刚过90时时二极管仍然导通。二极管仍然导通。在超过在超过90后的某个点后的某个点，正弦曲线下降的，正弦曲线下降的速率越来越快，二极管关断。速率越来越快，二极管关断。16 对于输入与输出
14、电压之间不需隔离，只用一个工作开关管对于输入与输出电压之间不需隔离，只用一个工作开关管VTVT和和电感电感L L、二极管二极管D D、电容电容C C组成的变换器电路最基本的为如下三种，其组成的变换器电路最基本的为如下三种，其原理电路如图原理电路如图2.62.6所示。所示。（1 1）串联开关或降压）串联开关或降压变换器（变换器（buck converterbuck converter）（2 2）并联开关或升压并联开关或升压变换器（变换器（boost converterboost converter）（3 3）串串并联开关并联开关或降、升压变换器或降、升压变换器（buck-boost conver
15、terbuck-boost converter）非非隔离式的隔离式的DCDC变换电路变换电路 非隔离式开关电源工作过程非隔离式开关电源工作过程17调整输出电压的方法：调整输出电压的方法：tVitVktVoVitonTVoVkKR L电压电压 变换器变换器VO=Vi=D VitonT占空比占空比18只要改变开关脉冲的只要改变开关脉冲的“占空比占空比”，就可以改，就可以改变输出电压的高低。变输出电压的高低。在具体电路中，可以使开关脉冲频率固定，在具体电路中，可以使开关脉冲频率固定，改变开关管导通时间改变开关管导通时间t tonon而改变输出电压高低。而改变输出电压高低。这种电源称为这种电源称为“调
16、宽式调宽式”开关电源。开关电源。PWMPWM也可以使开关管截止时间不变，只改变开关也可以使开关管截止时间不变，只改变开关管导通时间长短而改变输出电压高低。这种管导通时间长短而改变输出电压高低。这种电源称为电源称为“调频调宽调频调宽”式开关电源。式开关电源。PFMPFM19电路中电路中VTVT为开关管，工作于开关状态（为开关管，工作于开关状态（VTVT饱和导饱和导通时相当于一只接通的开关，通时相当于一只接通的开关，VTVT截止时相当于一截止时相当于一只断开的开关）。只断开的开关）。电感电感L L和电容和电容C C为储能元件。为储能元件。R RL L为电源的负载。为电源的负载。D D为续流二极管，
17、它在开关管截止时导通，保证为续流二极管，它在开关管截止时导通，保证电感电感L L中的电流不中断。中的电流不中断。串联型（串联型（BuckBuck）开关电源工作过程开关电源工作过程LVTDCR L串联型开关电源基本电路串联型开关电源基本电路20高频变压器开关电源基本结构框图高频变压器开关电源基本结构框图共同特点共同特点:具有具有高频变压器高频变压器,直流稳压是从变压器次级绕组的高频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。脉冲电压整流滤波而来。变压器变压器原副方是隔离的原副方是隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。的高压直流。变压器
18、型开关电源工作过程变压器型开关电源工作过程21 开关电源原理示意图开关电源原理示意图22输入电压输入电压U Uinin与导通比与导通比的对应关系的对应关系 由由于于输输入入电电压压最最高高时时，相相应应的的导导通通比比是是最最小小，输输入入电电压压最最低低时时，相相应应的的导导通通比比是是最最大大。因因此此，输输入入电电压压与与导导通通比比是是一一一一对对应应，相互制约相互制约的。的。运运行行中中由由于于闭闭环环调调节节，这这种种相相互互适适应应是是自自动动的的。但但必必须须指指出出的的是是，由由控控制制电电路路振振荡荡器器和和PWMPWM门门闩闩电电路路本本身身固固有有的的最最大大最最小小导
19、导通通比比，一一定定要要与与运运行行条条件件所所需需的的最最大大最最小小导导通通比比不不矛矛盾盾，否否则则就就会失调会失调。23全桥式变换器的开关电源 全桥式变换器的工作波形全桥式变换器的工作波形24开关电路的PWM控制原理 开开关关电电源源的的PWM控控制制原原理理可可用用图图3 3.1.1的的电电路路说说明明。它它由由开开关关管管、滤滤波波电电路路、比比较较器器、三三角角波波发发生生器器、比比较较放放大器和基准源等部分构成。大器和基准源等部分构成。开关型稳压电源原理图开关型稳压电源原理图PWM控制基本原理25 三角波发生器通过比较器产生一个方波三角波发生器通过比较器产生一个方波vB，去控制
20、开去控制开关管的通断。关管的通断。开关管导通时，向电感充电。当开关管截止时，必开关管导通时，向电感充电。当开关管截止时，必须给电感中的电流提供一个泄放通路。须给电感中的电流提供一个泄放通路。续流二极管续流二极管D即可即可起到这个作用，保护开关管。起到这个作用，保护开关管。26 为了稳定输出为了稳定输出电压，按电压负电压，按电压负反馈方式引入反反馈方式引入反馈。馈。设输出电压增设输出电压增加，加，FVO增加，增加，比较放大器的输比较放大器的输出出Vf减小，比较减小，比较器方波输出的器方波输出的toff增加，开关管导增加，开关管导通时间减小，输通时间减小，输出电压下降。起出电压下降。起到了稳压作用
21、。到了稳压作用。27 输输出出波波形形见见图图。开开关关管管发发射射极极输输出出电电压压VE为为方方波波，由由于于滤滤波波电电感感的的存存在在，使使输输出出电电流流iL为为锯锯齿齿波波，趋趋于于平平滑滑。输输出出则则为为带带纹纹波波的直流电压。的直流电压。开关电源波形图开关电源波形图28q q称为占空比称为占空比 方方波高电平的时间占波高电平的时间占整个周期的百分比。整个周期的百分比。忽略电感的直流电阻，输出电压忽略电感的直流电阻，输出电压VO即为即为vE的平均分量。的平均分量。于是有于是有在输入电压一定时，在输入电压一定时，输出电压与占空比成正比。输出电压与占空比成正比。291开关管工作在开
22、关状态，功耗大大降低，开关管工作在开关状态，功耗大大降低，电源效率大为提高；电源效率大为提高；2开关管在开关状态下工作，为得到直流输出，开关管在开关状态下工作，为得到直流输出，必须在输出端加滤波器；必须在输出端加滤波器；3可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值；可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值；4由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体 积可大大减小。积可大大减小。由以上分析可以得出如下结论：由以上分析可以得出如下结论：30保护电路保护电路六重保护六重保护1、输入端过压保护：压敏电阻（耐压值）、输入端过压保护：压敏电阻（耐压值）2、输入端过流保
23、护：保险丝、热敏电阻、输入端过流保护：保险丝、热敏电阻3、输出端过流保护：通过导线反馈，驱动变压器就会相、输出端过流保护：通过导线反馈，驱动变压器就会相 应动应动作，关断电源的输出。作，关断电源的输出。4、输出端过压保护：当比较器检测到的输出电压与基准电压、输出端过压保护：当比较器检测到的输出电压与基准电压偏差较大时，稳压管就会对电压进行调整。偏差较大时，稳压管就会对电压进行调整。5、输出端短路保护：输出端短路时，比较器会侦测到电流的、输出端短路保护：输出端短路时，比较器会侦测到电流的变化，并通过驱动变压器、变化，并通过驱动变压器、PWM关断开关管的输出。关断开关管的输出。6、温度控制：通过温
24、度探头检测电源内部温度，并智能调整、温度控制：通过温度探头检测电源内部温度，并智能调整风扇转速，对电源内部温度进行控制。风扇转速，对电源内部温度进行控制。31开关稳压电源电路故障分析开关稳压电源电路故障分析故障故障检测保险管检测保险管处交流电压处交流电压检修电源线或检修电源线或电源插座电源插座不正常不正常检测检测220V交流交流整流滤波电容整流滤波电容两端电压两端电压检查保险管检查保险管是否烧断是否烧断检查启动电检查启动电路是否正常路是否正常检修脉冲产检修脉冲产生电路生电路正正常常正常正常正常正常检修启检修启动电路动电路不不正正常常不不正正常常检修整检修整流桥流桥否否是是检查开关管检查开关管是否击穿是否击穿查找击穿查找击穿原因原因检查相关元检查相关元件是否击穿件是否击穿更换相更换相关元件关元件更换保险管更换保险管无元件击穿无元件击穿有有元元件件击击穿穿否否是是32