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1、开关电源的基本概念和分析方法,什么是Power Supply?,Power Supply,负载,Vin, Iin,Power Supply是一种提供电力能源的设备，它可以将一种电力能源形式转换成另外一种电力能源形式，并能对其进行控制和调节。,上级电能形式,Vo, Io,f, phase,f, phase,根据转换的形式分类: AD/DC, DC/DC, DC/AC, AC/AC,根据转换的方法分类: 线性电源，相控电源，开关电源,根据调控的效果分类: 稳压， 恒流， 调频，调相,根据调控的方法分类: 传统反馈控制，矢量控制，数位控制,什么是Switching Mode Power Supply
2、?,Vin,Vo,R,Rx,Vo=Vin*Rx/(R+Rx),Vo=?,L,C,L,C,Vo=Vin*D,D,基本电子元件在开关电源中所起的作用,线性电源(Linear Power),开关电源 (Switching Power),开关电源的基本元件：,有源开关(Switch),二极管(Diode),电感(Inductor),电容器(Capacitor),变压器(Transformer),+ u(t) -,i(t),电容的基本方程,1. 当一电流流经电容, 电容两端的电压逐渐增加, 并且电容量越大电流增加越慢.,C,I,+ U -,2. 在稳态工作的开关电源中流经电容的电流对时间的积分为零。,I
3、+,I-,A,B,面积A=面积B,电感的基本方程,1. 当一电感突然加上一个电压时, 其中的电流逐渐增加, 并且电感量越大电流增加越慢.,2. 当一电感上的电流突然中断, 在其两端会产生一瞬时高压, 并且电感量越大该电压越高,U,L,I,+ U -,L,I,电感的伏秒平衡原则：,u(t) i(t),V+,V-,t1,t2,t0,对稳定状态,伏秒平衡原则: 在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值.,V+,V-,A,B,V+,V-,A,B,面积A=面积B,分析开关电源中电容和电感的几条原则：,电容两端的电压不能突变 (当电容足够大时,可认为其电压不变)。 电感中的电流不能突变 (当电
4、感足够大时,可认为其电流恒定不变)。 流经电容的电流平均值在一个开关周期内为零。 电感两端的伏秒积在一个开关周期内必须平衡。,恒流充电,恒压储能,两个有用的公式：,C:,L:,Buck电路工作原理分析：,Vin,Vo,D,L,Io,S,S,UL,IL,Vin-Vo,-Vo,Io,D,1-D,T,根据L的伏秒平衡原则：,(Vin-Vo)*DT=Vo*(1-D)T,Vo=Vin *D,L*Io=Vo *(1-D)T,Is,根据L在1-D时间的基本方程：,Io=Vo *(1-D)T/L,Buck电路的输入输出关系：,Vo/Vin = D,Boost电路工作原理分析：,Vin,Vo,L,Io,S,S,
5、UL,IL,Vin,Vo-Vin,D,1-D,T,根据L的伏秒平衡原则：,Vin*DT=(Vo-Vin)*(1-D)T,Vin *T=(1-D)TVo,Is,D,Vo=Vin/(1-D),ID,Io,Vo/Vin =1/(1-D),Boost电路的输入输出关系：,理想变压器的基本方程：,理想变压器模型： 变压器绕组完全耦合 变压器无气隙且磁芯的导磁率无穷大,I1,电压基本方程:,电流基本方程:,理想变压器个绕组的电压与匝数成正比，且同名端具有相同极性；各绕组电流与匝数乘积之和为零，即电流的变比与匝比成反比，且极性相反（点进点出原则）。,实际变压器的分析方法：,变压器绕组不是完全耦合,I1,I1
6、,N2,N1,1,2,Lk,2. 变压器有气隙或磁芯的导磁率有限,I2,Im,当副边开路时,I2=0,Im即为原边电感Lm（副边不存在或开路时的电感）产生的电流，Lm称为激磁电感或励磁电感,k可以认为是由原边串联的电感Lk产生,其大小为副边短路时原边所测得的电感量， Lk称为变压器的漏感。,实际变压器的等效模型：,变压器的伏秒平衡原则: 在稳态工作过程中变压器绕组两端的正伏秒值等于负伏秒值.,V+,V-,A,B,V+,V-,A,B,面积A=面积B,理想变压器的电路变换关系：,u1,u2,I2,n:1,I1,R,u1,I1,R,u2=I2R,u1=nu2,I1=I2/n,R= u1/I1=(nu
7、2)/(I2/n)=n2R,Ns:Np=n:1,正激变换器（Forward）工作原理分析：,Io,(Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D)T,n:n:1,根据电感的伏秒平衡：,Vo=VinD/n,根据变压器的伏秒衡：,VinDT=VinTr,Tr=DT,Tr (1-D)T,D50%,IL,根据电感的储能关系：,LIL = (1-D)T*Vo,IL = (1-D)T*Vo/L,Ip,IL,正激变换器的输入输出关系:,Vo=VinD/n,反激变换器（Flyback）工作原理分析：,Io,Vin,Vo,G,D S,Vgs,ID,Vds,D,1-D,T,Ip,VL,Io,Vin,-nVo,Lm,Vin,Vin+nVo,根据变压器的伏秒平衡：,D,Im,n:1,反激变换器的输入输出关系：,小 结,开关电源功率电路的五个基本元件：开关, 二极管, 电容, 电感, 变压器,开关电源功率电路分析要点,电容的电压不能突变, 电感的电流不能突变 流经电容的电流平均值为零, 电感两端电压的平均值为零 理想变压器电压与匝数成比且同名同极性, 电流与匝数成反比且点进点出 电容恒流充电的公式为 , 电感恒压储能的公式为 变压器与电感的伏秒积必须平衡,