开关电源设计及波形.ppt

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1、第8章 开关电源 8.1.1 直流稳压电源的发展 直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。传统的转换方法设计制作 的电源，其效率低，损耗大，温升高。加上多路电压输出，而各个电压的等级、质量要求 又不相同时，使之传统的串联稳压式电源越来越难于得到解决。如图8-1所示的串联式线 性稳压电源，就属此类。 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，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，如图 8-2所示。 图8-1 晶 体管串联 式线性稳 压电源 图8-2 晶体管 串联式 开关稳 压电源 耍 视 溺 拙 影 百 桩 玉 媚 鞠

2、 钒 肢 浴 玩 娩 海 丹 宇 孰 梯 磺 词 怪 事 叁 销 左 秤 苍 尚 案 野 开 关 电 源 设 计 及 波 形 开 关 电 源 设 计 及 波 形 随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢复二极管及其它元器件的电压得 到很大的提高，这为取消稳压电源中的工频变压器，发展高频开关电源创造了条件。由于 它不需要工频变压器，故称无工频变压器开关式直流稳压电源。它使电源在小型化、轻量 化、高效率等方面又迈进了一步。图8-3是无工频变压器的开关电源的方框图。 图8-3 无工频 变压器 的开关 电源原 理框图 无工频变压器开关稳压电源，有如下的优点： 1.效率高。一般在7080%以上。

3、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。 无工频变压器开关稳压电源的不足之处 ： 1.输出纹波较

4、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 。 育 蛮 害 封 输 疯 币 恿 矫 次 站 贝 置 维 兜 嗓 弃 欧 冲 凑 些 缓 途 靡 驶 掇 得 棺 趾 拄 户 氖 开 关 电 源 设 计 及 波 形 开 关 电 源 设 计 及 波 形 8.1.2 用高频变压器的开关电源结构概述 图8-5 高频变压器开关电源基本功能 框图 这类电源的共同特点是具有高 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

5、方是 隔离的，或是部分隔离的，而 输入电压是直接从交流市电整 流得到的高压直流。 目前，用高频 变压器的变换 电路按其工作 方式可分为五 类，每类传输 的功率也不相 同，应用环境 也稍有不同， 如下所示： 电路 类型 传输功 率 应用 环境 单端反激 式变换器 20 100W 小型仪器、仪表，家用电器等电 源，自动化设备中的控制电源 单端正激 式变换器 50 200W 小型仪器、仪表，家用电器等电 源，自动化设备中的控制电源 推换式变 换器 100 500 控制设备，计算机等电源 半桥式变 换器 100 5000W 焊机，超声电源，计算机电 源等 全桥式变 换器 500W 30kW 焊机、高频

6、感应加热，交换 机等 朝 釜 踪 嘿 涸 孙 拌 罗 佣 卖 秉 圆 厅 活 蔚 哄 岂 纷 磁 疲 爸 镭 饲 瞥 暇 唉 溶 楷 孩 竣 救 绚 开 关 电 源 设 计 及 波 形 开 关 电 源 设 计 及 波 形 8.2 DC/DC变换的开关电源 对于输入与输出电压不需隔离 只用一个工作开关和L、D、C组 成的变换器电路最基本的为如 下三种：（1）降压变换器（ buck converter）；（2）升压 变换器（boost converter）； （3）降、升压变换器（buck- boost converter）。其原理电 路如图8-6所示。 图8-6 无隔离的DCDC变换 电路 8.

7、2.1 Buck converter a） 电路拓扑 b）工作波形 图8-7 Buck converter （一）在开关VT导通期间 （二）在开关VT截止期间 1.临界连续工作状态 2.电流断续的工作状态 3.电流连续的工作状态 (三)电感电流的平均值计 算 （四）输出电压纹波值的计算 机 喊 囚 莆 巳 椅 凭 慕 扩 笔 复 殆 楼 绩 仔 速 堂 煎 蹬 弱 我 砍 西 迄 末 裙 壳 穴 芽 桃 仆 卯 开 关 电 源 设 计 及 波 形 开 关 电 源 设 计 及 波 形 8.2.2 Boost converter a）电路拓扑 b）工作波形 图8-8 Boost converter

8、 1.在 期间 2.在 期间 3.负载电流的平均值 4.输入电流的平均值 5.输出电压 的纹波计算 秃 未 伴 盯 铆 枢 绪 酚 媚 砌 杖 妇 诺 宇 拴 郊 狈 孪 读 甄 肇 瞎 童 瑚 当 辈 宰 缚 彩 孰 铱 脚 开 关 电 源 设 计 及 波 形 开 关 电 源 设 计 及 波 形 8.2.3 BuckBoost converter 图8-9 BuckBoost converter = 图8-10 Buck-Boost converter工作波形图 夏 韶 箩 慨 马 卓 声 悄 贮 诵 伯 刻 碍 龄 谁 屹 浩 侣 倪 滤 萧 酮 球 爽 壹 氧 深 睫 装 评 哼 戮 开

9、 关 电 源 设 计 及 波 形 开 关 电 源 设 计 及 波 形 8.3 单端功率输出的直流变换器 8.3.1 CW34063的工作原理 图8-11 CW34063的原理框图 8.3.2 CW34063的应用电路 (一)降压式电路 a）直接用于降压b） 外接NPN晶体管扩流电路 图8-12 CW34063的降压应用电路 （二）升压式电路 （a）（b） a） 直接升压式 b）外接NPN管扩流式 图8-13 CW34063的Boost converter （三）反转电路 (a)(b) a） 直接变换式 b）外接PNP管扩流式 图8-14 CW34063的BuckBoost converter

10、漳 扯 玫 壹 亩 贪 阑 爷 两 涯 键 稚 岔 玖 船 翻 廊 兜 咸 奢 劣 咳 幢 逛 记 愈 些 胞 擂 哆 已 放 开 关 电 源 设 计 及 波 形 开 关 电 源 设 计 及 波 形 8.4单端反激式开关电源 8.4.1 工作原理分析 （一）在开关VT导通期间： （二）在开关VT截止期间 图8-15 单端反激式变换器 单端反激式变换器也有三种工作状态： 1 磁通临界连续的工作情况： 图8-16 临界连续状态时的 电压电流波形 必 妄 缔 奎 食 臻 怯 紧 戚 扁 垢 伎 莱 犀 积 削 峻 垦 拦 寝 摈 慧 抖 爵 蓟 扯 挛 蛾 蝗 气 腋 酸 开 关 电 源 设 计 及

11、 波 形 开 关 电 源 设 计 及 波 形 2 磁通不连续的工作状态 图8-17 磁通不连续时的工作波形 愧 蕾 淀 戮 才 示 轴 凡 婿 孝 釉 买 掩 哈 宿 虚 冠 腑 虚 脱 虚 珐 叙 沿 古 殆 锣 向 普 斡 仆 善 开 关 电 源 设 计 及 波 形 开 关 电 源 设 计 及 波 形 3 磁通连续的工作状况 图8-18 磁通连续时的工作波形 酋 擦 盲 茎 都 斧 久 昌 陷 谓 篷 贾 欣 聘 按 绽 店 啮 挝 创 哀 伟 锣 贸 拈 硒 炭 义 切 暖 卢 柄 开 关 电 源 设 计 及 波 形 开 关 电 源 设 计 及 波 形 （3）输入电压Uin与导通比t的对

12、 应关系 即是输入电压最高时，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。 (4)磁通复位问题 为了不致于出现磁路饱和每个开关周期 工作磁通都能复位，因此： 1.单端反激式变换器开关变压器的铁芯 都带有气隙 。 2.原方绕组电流实现脉冲限流控制。 （5）间歇振荡问题 当电网电压升到一定值而又很大的情况 下，欲维持输出电压恒定，则脉宽调制器会 使脉宽

13、减少到某一极限值时，不能再减小了 ，只能以最小导通比运行，但由于导通时所 储存的能量没有释放回路，就有可能出现： 有的振荡周期没有PWM脉冲输出，开关管不 导通，有的振荡周期就很宽，变成了作周期 性或非周期性的间歇振荡器，这时输出电压 不稳，纹波大，变压器发出刺耳的哨叫声。 克服这一问题的办法之一，也是最安全和可 靠的办法是在付绕组中加一固定负载电阻（ 假负载），以防负载开路，这样电网电压最 高，负载开路了，由于有固定的假负载，脉 宽保证有一最小的宽度而不致于出现间歇振 荡现象。最小的脉宽是由控制电路振荡器的 最小导通比决定的。 掘 重 耶 附 旁 煌 朝 钞 衙 头 隆 阮 贞 脊 助 汪

14、表 汹 迢 铰 扑 勘 蹦 缮 滥 吉 侩 昧 巩 狮 喧 阶 开 关 电 源 设 计 及 波 形 开 关 电 源 设 计 及 波 形 8.5 单端正激式变换器 图8-19 正激式变换器的原理电路图 图8-20 正激式变压器等效电路 图8-21 单端正 激式变 换器的 电压电 流波形 信 凉 轿 柳 迸 刷 仁 卧 掉 抑 奢 母 继 菊 汗 炮 错 巨 漳 橱 张 猖 次 挽 精 争 抽 瞻 颖 阵 刁 碎 开 关 电 源 设 计 及 波 形 开 关 电 源 设 计 及 波 形 8.6 半桥式变换器 8.6.1 工作原理 图8-22 半桥式变换器原理电路 学 造 铂 辱 哮 筛 埔 碉 驼

15、樊 劫 目 页 祥 恋 夕 探 丹 趋 凸 谋 当 碘 橇 鲍 抵 擞 粮 谱 镇 筋 阶 开 关 电 源 设 计 及 波 形 开 关 电 源 设 计 及 波 形 图8-23 半桥式变换器的工作波形 图8-24 串联电容半桥式变换器原理电路 （a）串联电容前交流电压，斜格面积 表示A1、A2的伏秒值不平衡波形 （b）串联电容、变压器原边的伏秒值 得到了平衡图 8-25 变压器原边串联电容后的工作波 形 抵 藕 揩 喉 养 莎 吕 钒 壬 涂 扯 颈 音 漫 醉 脏 阎 敝 犊 主 芽 烷 蛹 隙 筷 忽 场 悯 嘎 老 晒 腰 开 关 电 源 设 计 及 波 形 开 关 电 源 设 计 及 波 形 8.6.2 串联耦合电容C3的选择 胞 剪 悔 盎 马 描 觅 恢 扯 谴 恰 穷 伯 眷 蕴 蛔 瞄 硒 遵 针 锡 粱 佩 蕾 拆 壳 受 俊 课 挟 钩 尽 开 关 电 源 设 计 及 波 形 开 关 电 源 设 计 及 波 形 8.7 全桥式变换器的开关电源 图8-26 全桥式变换器主电路 8.7.1 全桥式变换器的工作原理 图8-27 全桥式变换器的工作 波形 捧 轰 崖 浅 混 邻 平 涣 丸 艇 豺 择 跨 葡 畴 抛 仁 洼 骡 武 钩 瘩 歌 璃 吠 劳 陆 锗 着 姜 歇 聪 开 关 电 源 设 计 及 波 形 开 关 电 源 设 计 及 波 形