高频开关电源 王丽琼

1、高频开关电源,王丽琼,2,一、 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,电源常用的连接方式,串联线性电源,高频开关电源,串联线性电源与开关电源的区分,串联线性电源： 电源调整管工作在放大状态; 效率低，损耗大，温升高。 开关电源： 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。,4,开关电源的分类：,按变换方式可分为下列四大类： （1）：第一大类：AC/DC开关电源； （2）：第二大类：DC/DC开关电源； （3）：第三大类：DC/AC开关电源； （4）：第四大类：AC/AC开关电源。,开关电源,逆变器,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： （1）：第一大类：无变压器的非隔离式； （2）：第二大类：有变压器的隔离式。,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。传统的稳压电源是采用串联式线性转换方法设计制作的。,晶体管串联式线性稳压电源,直流稳压电源的发展,当今计算机及自动化设备上大多数控制电源

2、都向低压大电流、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。,晶体管串联式开关稳压电源,图中输入回路的作用是将交流输入电压整流滤波变为平滑的高压直流电压；功率变换器的作用是将高压直流电压转换为频率大于20KHZ的高频脉冲电压；整流滤波电路的作用是将高频的脉冲电压转换为稳定的直流输出电压；开关电源控制器的作用是将输出直流电压取样，来控制功率开关器件的驱动脉冲的宽度，从而调整开通时间以使输出电压可调且稳定。从框图中可见，由于高频变压器取代了笨重的工频（50HZ）变压器，从而使稳压电源的体积和重量大大减小。,开关稳压电源的特点 优点 1.效率高。一般在7090%以上。而相应的线性稳压电源的效率仅有50%左右。 2.体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。 3.稳压范围广，一般交流输入80265V，负载作大幅度变化时，性能很好。 4.噪声低，声频在20kHz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； 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

3、出； 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。 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。,开关稳压电源的不足之处 1.输出纹波较大，约有10100mV的峰峰值； 2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大； 3.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，不如串联式晶体管线性稳压电源。,2.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； 防止开关电源对电网造成污染。,进线抗电磁干扰电路（EMI）,输入共轭滤波及整流,1.电路组成：由一个线圈和两个电容组成,EMI原理图,工作原理： 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。,对50Hz低频而言，电容呈开路，而电感则呈短路。因此，50Hz市电可以顺利通过。,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220V交流市电转换成400V左右的直流电。,高压整流滤波电路,1.电路组成：,单相桥式整流电路,整流电路工作原理,当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电

4、阻上得到正弦波的正半周。,当负半周时二极管D2、D4导通，在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，得到的是同一个方向的单向脉动电压。,滤波电路,滤波的基本概念： 利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。 电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。 电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。 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，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。,电容滤波电路,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C。,当v2到达90时，v2开始 下降。先假设二极管关断， 电容C就要以指数规律向 负载L放电。指数放电起 始点的放电速率很大。,滤波原理,若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦形。,电容滤波波形图,所以，在t1到t2时刻，二极管导电，充电，vC=vL按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。,在刚过90

5、时，正弦曲线下降 的速率很慢。所以刚过90时 二极管仍然导通。在超过90 后的某个点，正弦曲线下降的 速率越来越快，二极管关断。,对于输入与输出电压之间不需隔离，只用一个工作开关管VT和电感L、二极管D、电容C组成的变换器电路最基本的为如下三种，其原理电路如图2.6所示。 （1）串联开关或降压 变换器（buck converter） （2）并联开关或升压 变换器（boost converter） （3）串并联开关 或降、升压变换器 （buck-boost converter）,非隔离式的DCDC变换电路,非隔离式开关电源工作过程,调整输出电压的方法：,占空比,只要改变开关脉冲的“占空比”，就可以改变输出电压的高低。 在具体电路中，可以使开关脉冲频率固定，改变开关管导通时间ton而改变输出电压高低。这种电源称为“调宽式”开关电源。PWM 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。这种电源称为“调频调宽”式开关电源。PFM,电路中VT为开关管，工作于开关状态（VT饱和导通时相当于一只接通的开关，VT截止时相当于一只断开的开关）。 电感L和电容C为储能元件。 R

6、L为电源的负载。 D为续流二极管，它在开关管截止时导通，保证电感L中的电流不中断。,串联型（Buck） 开关电源工作过程,高频变压器开关电源基本结构框图,共同特点:具有高频变压器,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。 变压器原副方是隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。,变压器型开关电源工作过程,开关电源原理示意图,输入电压Uin与导通比的对应关系,由于输入电压最高时，相应的导通比是最小，输入电压最低时，相应的导通比是最大。因此，输入电压与导通比是一一对应，相互制约的。 运行中由于闭环调节，这种相互适应是自动的。但必须指出的是，由控制电路振荡器和PWM门闩电路本身固有的最大最小导通比，一定要与运行条件所需的最大最小导通比不矛盾，否则就会失调。,全桥式变换器的开关电源,全桥式变换器的工作波形,开关电路的PWM控制原理,开关电源的PWM控制原理可用图3.1的电路说明。它由开关管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等部分构成。,开关型稳压电源原理图,PWM控制基本原理,三角波发生器通过比较器产生一个方波vB，去控制开关管的通断。,开关管导通时

7、，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。续流二极管D即可起到这个作用，保护开关管。,为了稳定输出电压，按电压负反馈方式引入反馈。 设输出电压增加，FVO增加，比较放大器的输出Vf减小，比较器方波输出的toff增加，开关管导通时间减小，输出电压下降。起到了稳压作用。,输出波形见图。开关管发射极输出电压VE为方波，由于滤波电感的存在，使输出电流iL为锯齿波，趋于平滑。输出则为带纹波的直流电压。,开关电源波形图,q称为占空比 方波高电平的时间占整个周期的百分比。,忽略电感的直流电阻，输出电压VO即为vE的平均分量。于是有,在输入电压一定时， 输出电压与占空比成正比。,1开关管工作在开关状态，功耗大大降低， 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， 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； 4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。,由以上分析可以得出如下结论：,保护电路六重保护 1、输入端过压保护：压敏电阻（耐压值） 2、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 应动作，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变化，并通过驱动变压器、PWM关断开关管的输出。 6、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。,开关稳压电源电路故障分析,故障,检测保险管处交流电压,检修电源线或电源插座,不正常,检测220V交流整流滤波电容两端电压,检查保险管是否烧断,检查启动电路是否正常,检修脉冲产生电路,正常,正常,正常,检修启动电路,不正常,不正常,检修整流桥,否,是,检查开关管是否击穿,查找击穿原因,检查相关元件是否击穿,更换相关元件,更换保险管,无元件击穿,有元件击穿,否,是,

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