開關電源原理、設計及實例[陳純鍇][電子教案(PPT版本)]第1章_第1頁
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文檔簡介

1、本章首先對電源、開關電源概念作了簡單介紹,同時給出了開關電本章首先對電源、開關電源概念作了簡單介紹,同時給出了開關電源發(fā)展歷程以及目前開關電源技術發(fā)展方向與最新技術。其次重點闡源發(fā)展歷程以及目前開關電源技術發(fā)展方向與最新技術。其次重點闡述了線性電源與開關電源及其區(qū)別,包括線性電源結構原理、開關電述了線性電源與開關電源及其區(qū)別,包括線性電源結構原理、開關電源結構和原理,對基準電壓源、簡單分立元件組成的穩(wěn)壓電路和集成源結構和原理,對基準電壓源、簡單分立元件組成的穩(wěn)壓電路和集成穩(wěn)壓電源原理均作了詳細說明。最后給出開關電源的主要技術指標和穩(wěn)壓電源原理均作了詳細說明。最后給出開關電源的主要技術指標和應該

2、掌握的技術術語,為更好的進行開關電源設計打下堅實基礎。本應該掌握的技術術語,為更好的進行開關電源設計打下堅實基礎。本章要求了解開關電源概念及相關知識,重點掌握線性電源和開關電源章要求了解開關電源概念及相關知識,重點掌握線性電源和開關電源原理及其區(qū)別。原理及其區(qū)別。電源有交流電源和直流電源兩種。由交流發(fā)電機提供的是交流電源,直流電源有交流電源和直流電源兩種。由交流發(fā)電機提供的是交流電源,直流電源一般由電池或蓄電池供電的。由于直流電源成本較高,交流電源成本低,電源一般由電池或蓄電池供電的。由于直流電源成本較高,交流電源成本低,所以多數大功率設備采用交流電源供電。開關電源和線性電源相比,二者的所以多

3、數大功率設備采用交流電源供電。開關電源和線性電源相比,二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長,但二者增長速率各異。線性電源成本在成本都隨著輸出功率的增加而增長,但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上,反而高于開關電源,這一成本反轉點。隨著電力電子技某一輸出功率點上,反而高于開關電源,這一成本反轉點。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新,使得開關電源技術在不斷地創(chuàng)新,這一成本反轉點日益向術的發(fā)展和創(chuàng)新,使得開關電源技術在不斷地創(chuàng)新,這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動,這為開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。開關電源高頻化低輸出電力端移動,這為開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。開關電源高頻化是其發(fā)展的方

4、向,高頻化使開關電源小型化,并使開關電源進入更廣泛的應是其發(fā)展的方向,高頻化使開關電源小型化,并使開關電源進入更廣泛的應用領域,特別是在高新技術領域的應用,推動了高新技術產品的小型化、輕用領域,特別是在高新技術領域的應用,推動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。具有重要的意義。1.1.1 1.1.1 開關電源的發(fā)展歷史開關電源的發(fā)展歷史 開關穩(wěn)壓電源開關穩(wěn)壓電源( (以下簡稱開關電源以下簡稱開關電源) )取代晶體管線性穩(wěn)壓電源取代晶體管線性穩(wěn)壓電源( (以下

5、簡稱以下簡稱線性電源線性電源) )已有已有3030多年歷史,最早出現的是串聯型開關電源,其主電路拓撲多年歷史,最早出現的是串聯型開關電源,其主電路拓撲與線性電源相仿,但功率晶體管工作于開關狀態(tài)后,脈寬調制與線性電源相仿,但功率晶體管工作于開關狀態(tài)后,脈寬調制(PWM)(PWM)控制技控制技術有了發(fā)展,用以控制開關變換器,得到術有了發(fā)展,用以控制開關變換器,得到PWMPWM開關電源,它的特點是用開關電源,它的特點是用20kHz20kHz脈沖頻率或脈沖寬度調制,脈沖頻率或脈沖寬度調制,PWMPWM開關電源效率可達開關電源效率可達 65 657070,而線性,而線性電源的效率只有電源的效率只有303

6、04040。在發(fā)生世界性能源危機的年代,引起了人們的。在發(fā)生世界性能源危機的年代,引起了人們的廣泛關往。線性電源工作于工頻,因此用工作頻率為廣泛關往。線性電源工作于工頻,因此用工作頻率為20kHZ20kHZ的的PWMPWM開關電源開關電源替代,可大幅度節(jié)約能源,在電源技術發(fā)展史上譽為替代,可大幅度節(jié)約能源,在電源技術發(fā)展史上譽為20kHZ20kHZ革命。革命。 隨著隨著ULSIULSI芯片尺寸不斷減小,電源的尺寸與微處理器相比要大得多;航天,潛芯片尺寸不斷減小,電源的尺寸與微處理器相比要大得多;航天,潛艇,軍用開關電源以及用電池的便攜式電子設備艇,軍用開關電源以及用電池的便攜式電子設備( (如

7、手提計算機,移動電話如手提計算機,移動電話等等) )更需要小型化,輕量化的電源。因此對開關電源提出了小型輕量要求,更需要小型化,輕量化的電源。因此對開關電源提出了小型輕量要求,包括磁性元件和電容的體積重量要小。此外要求開關電源效率要更高,性包括磁性元件和電容的體積重量要小。此外要求開關電源效率要更高,性能更好,可靠性更高等。能更好,可靠性更高等。表表1-1 1-1 開關電源應用領域開關電源應用領域圖圖1-1 1-1 幾種開關電源實物圖幾種開關電源實物圖1.1.21.1.2開關電源技術發(fā)展方向開關電源技術發(fā)展方向1.1.小型、薄型、輕量化小型、薄型、輕量化2.2.高效率高效率3.3.高可靠性高可

8、靠性4.4.模塊化模塊化5.5.低噪聲低噪聲6.6.電源系統(tǒng)的管理和控制電源系統(tǒng)的管理和控制7.7.計算機輔助設計計算機輔助設計(CAD) (CAD) 1.2.11.2.1線性穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓電源1.1.線性穩(wěn)壓電源原理線性穩(wěn)壓電源原理 線性穩(wěn)壓電源通常包括:調整管、比較放大部分線性穩(wěn)壓電源通常包括:調整管、比較放大部分(誤差放大器誤差放大器)、反饋、反饋采樣部分以及基準電壓部分,它的典型原理框圖如圖采樣部分以及基準電壓部分,它的典型原理框圖如圖1-2 2所示。調整管與負所示。調整管與負載串聯分壓,因此只要將它們之間的分壓比隨時調節(jié)到適當值,就能保證載串聯分壓,因此只要將它們之間的分壓比隨時調

9、節(jié)到適當值,就能保證輸出電壓不變。輸出電壓不變。 這個調節(jié)過程是通過一個反饋控制過程來實現的。反饋采樣部分監(jiān)測這個調節(jié)過程是通過一個反饋控制過程來實現的。反饋采樣部分監(jiān)測輸出電壓,然后通過比較放大器與基準電壓進行比較判斷:輸出電壓是偏輸出電壓,然后通過比較放大器與基準電壓進行比較判斷:輸出電壓是偏高了還是偏低了,偏差多少?再把這個偏差量放大去控制調整管,如果輸高了還是偏低了,偏差多少?再把這個偏差量放大去控制調整管,如果輸出電壓偏高,則將調整管上的壓降調高,使負載的分壓減??;如果輸出電出電壓偏高,則將調整管上的壓降調高,使負載的分壓減小;如果輸出電壓偏低,則將調整管上的壓降調低,使負載的分壓增

10、大,從而實現輸出穩(wěn)壓偏低,則將調整管上的壓降調低,使負載的分壓增大,從而實現輸出穩(wěn)壓。壓。圖圖1-2 1-2 線性串聯穩(wěn)壓電源原理框圖線性串聯穩(wěn)壓電源原理框圖線性穩(wěn)壓電源的線路簡單、干擾小,對輸入電壓和負載變化的響應非線性穩(wěn)壓電源的線路簡單、干擾小,對輸入電壓和負載變化的響應非???,穩(wěn)壓性能非常好。但是,線性穩(wěn)壓電源功率調整管始終工作在線性???,穩(wěn)壓性能非常好。但是,線性穩(wěn)壓電源功率調整管始終工作在線性放大區(qū),調整管上功率損耗很大,導致線性穩(wěn)壓電源效率較低,只有放大區(qū),調整管上功率損耗很大,導致線性穩(wěn)壓電源效率較低,只有20%40%,發(fā)熱損耗嚴重,所需的散熱器體積大,重量重,因而功率體,發(fā)熱損

11、耗嚴重,所需的散熱器體積大,重量重,因而功率體積系數只有積系數只有2030W/dm3;另外線性電源對電網電壓大范圍變化的適應性;另外線性電源對電網電壓大范圍變化的適應性較差,輸出電壓保持時間僅有較差,輸出電壓保持時間僅有5ms。因此線性電源主要用在小功率、對穩(wěn)。因此線性電源主要用在小功率、對穩(wěn)壓精度要求很高的場合,如:一些為通信設備內部的集成電路供電的輔助壓精度要求很高的場合,如:一些為通信設備內部的集成電路供電的輔助電源等。電源等。圖圖1-3 1-3 串聯反饋式穩(wěn)壓電路結構圖串聯反饋式穩(wěn)壓電路結構圖2 2基準電壓源基準電壓源 基準電壓源一般可以用穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓源來承擔,但目前有很多基準電壓

12、源一般可以用穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓源來承擔,但目前有很多基準電壓集成電路,這些電路穩(wěn)壓性能非常好,被廣泛用作高性能穩(wěn)壓基準電壓集成電路,這些電路穩(wěn)壓性能非常好,被廣泛用作高性能穩(wěn)壓電源的基準電源,或電源的基準電源,或A/D和和D/A轉換器的參考電源。常用的型號是轉換器的參考電源。常用的型號是MC1403、MC1503和和TL431。 TL431是一個性能優(yōu)良的基準電壓集成電路。該器件主要應用于穩(wěn)壓、是一個性能優(yōu)良的基準電壓集成電路。該器件主要應用于穩(wěn)壓、儀器儀表、可調電源和開關電源中,是穩(wěn)壓二極管的良好替代品,其主儀器儀表、可調電源和開關電源中,是穩(wěn)壓二極管的良好替代品,其主要特點是:可調輸出電壓要

13、特點是:可調輸出電壓2.536V,典型輸出阻抗,典型輸出阻抗0.2,吸收電流,吸收電流1100mA,溫度系數,溫度系數30ppm/,多種封裝形式。,多種封裝形式。 該器件的圖形符號見圖該器件的圖形符號見圖1-4a。圖。圖1-4b是使用是使用TL431的穩(wěn)壓電路。最大的穩(wěn)壓電路。最大穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流2A,輸出電壓的調節(jié)范圍為,輸出電壓的調節(jié)范圍為2.524V。在圖中發(fā)光二極管作為穩(wěn)。在圖中發(fā)光二極管作為穩(wěn)壓管使用,使壓管使用,使T2 2的發(fā)射結恒定,從而使電流的發(fā)射結恒定,從而使電流I1 1恒定,保證當輸入電壓變化恒定,保證當輸入電壓變化時,時,TL431不會因電流過大而損壞。當輸入電壓變化時,

14、不會因電流過大而損壞。當輸入電壓變化時,TL431的參考電的參考電壓壓VREF隨之變化,當輸出電壓上升時,隨之變化,當輸出電壓上升時,TL431的陰極電壓隨的陰極電壓隨VREF上升而上升而下降,輸出電壓隨之下降。下降,輸出電壓隨之下降。圖圖1-4 基準集成電路基準集成電路TL431及其應用電路及其應用電路3 3簡單分立元件組成的穩(wěn)壓電路簡單分立元件組成的穩(wěn)壓電路 分立元件組成的穩(wěn)壓電源電路如圖分立元件組成的穩(wěn)壓電源電路如圖1-5所示,該電路就是典所示,該電路就是典型的串聯穩(wěn)壓電源,其中變壓器用于將型的串聯穩(wěn)壓電源,其中變壓器用于將220V市電降成需要的電市電降成需要的電壓后,進行橋式整流和濾波

15、,將交流電變成直流電并濾去紋波,壓后,進行橋式整流和濾波,將交流電變成直流電并濾去紋波,經過簡單的串聯穩(wěn)壓電路,輸出端得到穩(wěn)定的直流電壓。經過簡單的串聯穩(wěn)壓電路,輸出端得到穩(wěn)定的直流電壓。圖圖1-5 簡單的串聯穩(wěn)壓電源簡單的串聯穩(wěn)壓電源1.2.2 1.2.2 集成穩(wěn)壓電源集成穩(wěn)壓電源 三端集成穩(wěn)壓電路的外部只有三個端子:輸入、輸出和公共端。在三端穩(wěn)三端集成穩(wěn)壓電路的外部只有三個端子:輸入、輸出和公共端。在三端穩(wěn)壓電源芯片內有過流、過熱及短路保護電路。該種芯片具有使用安全可靠,接壓電源芯片內有過流、過熱及短路保護電路。該種芯片具有使用安全可靠,接線簡單,維護方便、價格低廉等優(yōu)點,當前正被廣泛采用

16、。線簡單,維護方便、價格低廉等優(yōu)點,當前正被廣泛采用。1 1 三端固定集成穩(wěn)壓電路三端固定集成穩(wěn)壓電路 三端固定集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓是固定的,常用的是三端固定集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓是固定的,常用的是CW7800/CW7900/CW7900系系列。列。W7800系列輸出正電壓,其輸出電壓有系列輸出正電壓,其輸出電壓有5、6、7、8、9、10、12、15、18、20和和24V共共11個檔次。該系列的輸出電流分個檔次。該系列的輸出電流分5檔,檔,7800系列是系列是1.5A,78M00是是0.5A,78 L00和是和是0.1 A,78T00是是3A,78H00是是5A。 W7900系列與系列與W7

17、800系列系列所不同的是輸出電壓為負值。所不同的是輸出電壓為負值。 三端穩(wěn)壓器的工作原理與前述串聯反饋式穩(wěn)壓電源的工作原理基本相同,三端穩(wěn)壓器的工作原理與前述串聯反饋式穩(wěn)壓電源的工作原理基本相同,由采樣、基準、放大和調整等單元組成。集成穩(wěn)壓器只有三個引出端子:由采樣、基準、放大和調整等單元組成。集成穩(wěn)壓器只有三個引出端子: 輸入、輸入、輸出和公共端。輸入端接整流濾波電路,輸出端接負載;公共端接輸入、輸出輸出和公共端。輸入端接整流濾波電路,輸出端接負載;公共端接輸入、輸出的公共連接點。為使它工作穩(wěn)定,在輸入和輸出端與公共端之間并接一個電容。的公共連接點。為使它工作穩(wěn)定,在輸入和輸出端與公共端之間

18、并接一個電容。使用三端穩(wěn)壓器時注意一定要加散熱器,否則是不能工作到額定電流。使用三端穩(wěn)壓器時注意一定要加散熱器,否則是不能工作到額定電流。圖圖1-6三端穩(wěn)壓電路的典型應用電路三端穩(wěn)壓電路的典型應用電路VV+_+_ioCC12.IN(TAB)2OUT 3LM7905VV+_+_ioCC12.1IN1OUT3LM780521.2.31.2.3開關型穩(wěn)壓電源原理開關型穩(wěn)壓電源原理 線性穩(wěn)壓電源的動態(tài)響應非常快,穩(wěn)壓性能好,只可惜功率轉換效線性穩(wěn)壓電源的動態(tài)響應非??欤€(wěn)壓性能好,只可惜功率轉換效率太低。要提高效率,就必須使圖率太低。要提高效率,就必須使圖1-2中的功率調整器件處于開關工作狀中的功率調

19、整器件處于開關工作狀態(tài),電路相應地稍加變化即成為開關型穩(wěn)壓電源。轉變后的原理框圖如圖態(tài),電路相應地稍加變化即成為開關型穩(wěn)壓電源。轉變后的原理框圖如圖1-8所示。調整管作為開關而言,導通時所示。調整管作為開關而言,導通時(壓降小壓降小)幾乎不消耗能量,關斷時幾乎不消耗能量,關斷時漏電流很小,也幾乎不消耗能量,從而大大提高了轉換效率,其功率轉換漏電流很小,也幾乎不消耗能量,從而大大提高了轉換效率,其功率轉換效率可達效率可達80%以上。以上。圖圖1-8 1-8 降壓型開關電源原理圖降壓型開關電源原理圖 隨著電力電子技術的發(fā)展,大功率開關晶體管、快恢復二極管及其隨著電力電子技術的發(fā)展,大功率開關晶體管

20、、快恢復二極管及其它元器件的電壓得到很大的提高,這為取消穩(wěn)壓電源中的工頻變壓器,發(fā)它元器件的電壓得到很大的提高,這為取消穩(wěn)壓電源中的工頻變壓器,發(fā)展高頻開關電源創(chuàng)造了條件。由于它不需要工頻變壓器,故稱無工頻變壓展高頻開關電源創(chuàng)造了條件。由于它不需要工頻變壓器,故稱無工頻變壓器開關式直流穩(wěn)壓電源。它使電源在小型化、輕量化、高效率等方面又邁器開關式直流穩(wěn)壓電源。它使電源在小型化、輕量化、高效率等方面又邁進了一步。圖進了一步。圖1-9是無工頻變壓器的開關電源的方框圖。而圖是無工頻變壓器的開關電源的方框圖。而圖1-10則是從則是從工作波形角度的開關電源原理框圖。工作波形角度的開關電源原理框圖。圖圖1-

21、91-9無工頻變壓器的開關電源的方框圖無工頻變壓器的開關電源的方框圖 這類電源的共同特點是具有高頻變壓器、直流穩(wěn)壓是從變壓器次級繞這類電源的共同特點是具有高頻變壓器、直流穩(wěn)壓是從變壓器次級繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。變壓器原副邊是隔離的,或部分隔離的,組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。變壓器原副邊是隔離的,或部分隔離的,而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。 圖圖1-10 1-10 帶高頻變壓器耦合的開關電源原理框圖帶高頻變壓器耦合的開關電源原理框圖R1RPR2C1NE55584267351R3C3D1R4R5D2C3C4C5RLuCUiU

22、ouaub130059013u1uu12D3圖圖1-111-11 開關電源電路原理圖開關電源電路原理圖1.2.41.2.4線性穩(wěn)壓電源與開關型穩(wěn)壓電源比較線性穩(wěn)壓電源與開關型穩(wěn)壓電源比較 開關電源主要包括輸入電網濾波器、輸入整流濾波器、逆變器、輸出整流開關電源主要包括輸入電網濾波器、輸入整流濾波器、逆變器、輸出整流濾波器、控制電路、保護電路。它們的功能是:濾波器、控制電路、保護電路。它們的功能是: 1 1輸入電網濾波器:消除來自電網,如電動機的啟動、電器的開關、雷擊等輸入電網濾波器:消除來自電網,如電動機的啟動、電器的開關、雷擊等產生的干擾,同時也防止開關電源產生的高頻噪聲向電網擴散。產生的干

23、擾,同時也防止開關電源產生的高頻噪聲向電網擴散。 2 2輸入整流濾波器:將電網輸入電壓進行整流濾波,為變換器提供直流電壓。輸入整流濾波器:將電網輸入電壓進行整流濾波,為變換器提供直流電壓。 3 3逆變器:是開關電源的關鍵部分。它把直流電壓變換成高頻交流電壓,并逆變器:是開關電源的關鍵部分。它把直流電壓變換成高頻交流電壓,并且起到將輸出部分與輸入電網隔離的作用。且起到將輸出部分與輸入電網隔離的作用。 4 4輸出整流濾波器:將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的輸出整流濾波器:將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的直流電壓,同時還防止高頻噪聲對負載的干擾。直流電壓,同時還防止高頻噪聲對

24、負載的干擾。 5 5控制電路:檢測輸出直流電壓,并將其與基準電壓比較,進行放大??刂齐娐罚簷z測輸出直流電壓,并將其與基準電壓比較,進行放大。調制振蕩器的脈沖寬度,從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。調制振蕩器的脈沖寬度,從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。 6 6保護電路:當開關電源發(fā)生過電壓、過電流短路時,保護電路使開關保護電路:當開關電源發(fā)生過電壓、過電流短路時,保護電路使開關電源停止工作以保護負載和電源本身。電源停止工作以保護負載和電源本身。線性電源一般是將輸出電壓取樣然后與參考電壓送入比較電壓放大器,此線性電源一般是將輸出電壓取樣然后與參考電壓送入比較電壓放大器,此電壓放大器的輸出作為

25、電壓調整管的輸入,用以控制調整管使其結電壓隨電壓放大器的輸出作為電壓調整管的輸入,用以控制調整管使其結電壓隨輸入的變化而變化,從而調整其輸出電壓。但開關電源是通過改變調整管輸入的變化而變化,從而調整其輸出電壓。但開關電源是通過改變調整管的開和關的時間即占空比來改變輸出電壓的。的開和關的時間即占空比來改變輸出電壓的。表表1-2 1-2 開關穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源的主要性能比較開關穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源的主要性能比較總之,開關穩(wěn)壓電源和線性穩(wěn)壓電源相比,功率轉換效率高,可達總之,開關穩(wěn)壓電源和線性穩(wěn)壓電源相比,功率轉換效率高,可達65%90%,發(fā)熱少,體積小、重量輕,功率體積系數可達,發(fā)熱少,體積

26、小、重量輕,功率體積系數可達60100W/dm3,對電網電壓大范圍變化具有很強的適應性,電壓、負載穩(wěn)定度高,輸出電對電網電壓大范圍變化具有很強的適應性,電壓、負載穩(wěn)定度高,輸出電壓保持時間長達壓保持時間長達20ms。但是線路復雜,電磁干擾和射頻干擾大。具體性能。但是線路復雜,電磁干擾和射頻干擾大。具體性能指標對比如表指標對比如表1-2 2所示。與線性穩(wěn)壓電源相比,開關電源不需要工頻變壓器,所示。與線性穩(wěn)壓電源相比,開關電源不需要工頻變壓器,工作頻率高,所需的濾波電容、電感小,因而體積小,重量輕,動態(tài)響應工作頻率高,所需的濾波電容、電感小,因而體積小,重量輕,動態(tài)響應速度快。開關電源的開關頻率都

27、在速度快。開關電源的開關頻率都在20kHz以上,超出人耳的聽覺范圍,沒以上,超出人耳的聽覺范圍,沒有令人心煩的噪聲。開關電源可以采用有效的功率因數較正技術,使功率有令人心煩的噪聲。開關電源可以采用有效的功率因數較正技術,使功率因數達因數達0.9以上,高的甚至達到以上,高的甚至達到0.99( (安圣的安圣的HD4850整流模塊整流模塊)。這些使得開。這些使得開關電源的性能幾乎全面超過相控電源,在通信電源領域已大量取代線性電關電源的性能幾乎全面超過相控電源,在通信電源領域已大量取代線性電源。源。1.2.51.2.5單片開關電源單片開關電源1. 1. 概述概述單片開關電源自單片開關電源自20世紀世紀

28、90年代中期問世以來便顯示出強大的生命力,作為一年代中期問世以來便顯示出強大的生命力,作為一項頗具發(fā)展前景和影響力的新產品,引起了國內外電源界的普遍關注。單片項頗具發(fā)展前景和影響力的新產品,引起了國內外電源界的普遍關注。單片開關電源具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等特點,開關電源具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等特點,現己成為開發(fā)中、小功率開關電源、精密開關電源及開關電源模塊的優(yōu)選集現己成為開發(fā)中、小功率開關電源、精密開關電源及開關電源模塊的優(yōu)選集成電路。目前,單片開關電源正朝著短、小、輕、薄、節(jié)能、安全的方向發(fā)成電路。目前,單片開關電源正朝著短、小、輕、薄

29、、節(jié)能、安全的方向發(fā)展,涌現出許多單片開關電源的新技術和新產品展,涌現出許多單片開關電源的新技術和新產品。2. 2. 單片開關電源的產品分類單片開關電源的產品分類目前生產的單片開關電源主要有:目前生產的單片開關電源主要有:TOPSwitch、TOPSwitch-共共80 余種型余種型號。其中,號。其中,TOPSwitch、TOPSwitch-、TinySwitch、TNY256 和和TOPSwitch-FX、TOPSwitch-GX系列,均為美國系列,均為美國PI公司產品;公司產品;MC33370 系系列是列是Motorola 公司產品;公司產品;L4960、L4970L4970A 系列為意系

30、列為意-法半導體有限法半導體有限公司(公司(SGS-Thomson)產品。根據引出端的數量,單片開關電源可劃分成)產品。根據引出端的數量,單片開關電源可劃分成三端、四端、五端、多端共三端、四端、五端、多端共4種。種。3. 3. 三端單片開關電源芯片的性能特點三端單片開關電源芯片的性能特點三端單片開關電源是目前國際上正在流行的新型開關電源芯片。專業(yè)從事電源半導體芯三端單片開關電源是目前國際上正在流行的新型開關電源芯片。專業(yè)從事電源半導體芯片設計和生產的美國片設計和生產的美國Power Integration 公司在世界上率先研制成功的三端隔離式脈寬調公司在世界上率先研制成功的三端隔離式脈寬調制單

31、片開關電源集成電路,被譽為制單片開關電源集成電路,被譽為“頂級開關電源頂級開關電源”。4. 4. TOPSwitch-系列芯片的管腳排列和封裝系列芯片的管腳排列和封裝TOPSwitch-系列芯片有三種封裝形式:系列芯片有三種封裝形式:TO- -220型、型、DIP- -8型和型和SMD- -8型等。其中最型等。其中最常見的為三引腳的常見的為三引腳的TO- -220封裝,如圖封裝,如圖1-121-12所示。所示??刂茦O控制極C:占空比控制誤差放大器輸入端和反饋電流輸入腳。啟動時由內部高壓電流:占空比控制誤差放大器輸入端和反饋電流輸入腳。啟動時由內部高壓電流源提供內部偏置電流,在正常工作時,流入反

32、饋控制電流。同時用作電源旁路電容器和源提供內部偏置電流,在正常工作時,流入反饋控制電流。同時用作電源旁路電容器和自動啟動自動啟動/補償電容器的接入點。補償電容器的接入點。源極源極S:在:在TO- -220封裝中,既是封裝中,既是MOSFET管的源極接點,也是開關電源初級回路的管的源極接點,也是開關電源初級回路的公共點和參考點。公共點和參考點。漏極漏極D:MOSFET管漏極接入點。在啟動時,提供內部偏置電流。管漏極接入點。在啟動時,提供內部偏置電流。圖圖1-121-12 TO-220 封裝封裝5. 5. 單片開關電源的基本原理單片開關電源的基本原理6. 6. 單片開關電源的應用領域單片開關電源的

33、應用領域通用開關電源通用開關電源各種通用開關電源;開關電源模塊;精密開關電源模塊;智能化開關電各種通用開關電源;開關電源模塊;精密開關電源模塊;智能化開關電源模塊。源模塊。專用開關電源專用開關電源 微機、微機、USB接口電源、彩電、錄像機接口電源、彩電、錄像機(VCR)、攝錄像機、攝錄像機(CVCR)等高等高檔家用電器中的待機電源;電子儀器儀表中的電源;調制解調器電源;檔家用電器中的待機電源;電子儀器儀表中的電源;調制解調器電源;輔助電源;輔助電源;IC卡付費電度表中的小型化開關電源模塊;機頂盒卡付費電度表中的小型化開關電源模塊;機頂盒(Set-topBox)電源;手機電池充電器;電源;手機電

34、池充電器;AC/ /DC 電源適配器等。電源適配器等。特種開關電源特種開關電源 復合型開關電源;恒壓恒流型開關電源;截流輸出型開關電源;復合型開關電源;恒壓恒流型開關電源;截流輸出型開關電源;恒功率輸出型開關電源;功率因數校正器恒功率輸出型開關電源;功率因數校正器(PFC)。1.1.按驅動方式分,有自勵式和它勵式。按驅動方式分,有自勵式和它勵式。在自勵式開關電源中由開關管和高頻變壓器構成正反饋環(huán)路來完成自在自勵式開關電源中由開關管和高頻變壓器構成正反饋環(huán)路來完成自激振蕩;它勵式開關穩(wěn)壓電源必須附加一個振蕩器,振蕩器產生的開關激振蕩;它勵式開關穩(wěn)壓電源必須附加一個振蕩器,振蕩器產生的開關脈沖加在

35、開關管上,控制開關管的導通和截止。脈沖加在開關管上,控制開關管的導通和截止。2.2.按按DC/DCDC/DC變換器的工作方式分:變換器的工作方式分:單端正激式和反激式、推挽式、單端正激式和反激式、推挽式、半橋式、全橋式等;半橋式、全橋式等;降壓型、升壓型和升降壓型等。降壓型、升壓型和升降壓型等。3.3.按電路組成分,有諧振型和非諧振型。按電路組成分,有諧振型和非諧振型。4.4.按控制方式分:按控制方式分:脈沖寬度調制脈沖寬度調制(PWM)(PWM)式;式;脈沖頻率調制脈沖頻率調制(PFM)(PFM)式;式;PWMPWM與與PFMPFM混合式。混合式。5.5.按電源是否隔離和反饋控制信號耦合方式

36、分,有隔離式、非隔離式按電源是否隔離和反饋控制信號耦合方式分,有隔離式、非隔離式和變壓器耦合式、光電耦合式等。和變壓器耦合式、光電耦合式等。1 1開關電源電氣技術參數開關電源電氣技術參數輸入電源的相數、頻率輸入電源的相數、頻率根據輸出功率的不同,可采用單相或三相電源供電。在輸出功率高于根據輸出功率的不同,可采用單相或三相電源供電。在輸出功率高于5KW5KW時,通常采用三相電源供電,以使時,通常采用三相電源供電,以使三相負載平衡。我國工頻電源頻率為三相負載平衡。我國工頻電源頻率為50Hz50Hz。輸入額定電壓、容許電壓波動范圍。我國工頻電源額定電壓為輸入額定電壓、容許電壓波動范圍。我國工頻電源額

37、定電壓為220V220V,線電壓為,線電壓為380V380V。在容許的輸入電壓。在容許的輸入電壓波動范圍內都要保證額定輸出功率。波動范圍內都要保證額定輸出功率。額定輸入電流。指在額定輸入電壓、額定輸出功率時的輸入電流。額定輸入電流。指在額定輸入電壓、額定輸出功率時的輸入電流。最大輸入電流。指在容許的下限輸入電壓、額定輸出功率時的輸入電流。最大輸入電流。指在容許的下限輸入電壓、額定輸出功率時的輸入電流。輸入功率因數。指輸入有功功率與視在功率的比值。輸入功率因數。指輸入有功功率與視在功率的比值。額定輸出直流電壓額定輸出直流電壓( (標稱輸出直流電壓標稱輸出直流電壓) )。指在。指在 額定輸出電流的

38、狀態(tài)下,滿足規(guī)定的穩(wěn)壓精度及紋波指標額定輸出電流的狀態(tài)下,滿足規(guī)定的穩(wěn)壓精度及紋波指標時的最大輸出直流電壓。時的最大輸出直流電壓。輸出電壓紋波與噪聲。紋波指輸出中與輸入電源頻率同步的交流成分,用峰輸出電壓紋波與噪聲。紋波指輸出中與輸入電源頻率同步的交流成分,用峰- -峰值表示。噪聲指輸出中除峰值表示。噪聲指輸出中除紋波以外的交流成分,也用峰紋波以外的交流成分,也用峰- -峰值表示。也常用紋波和噪聲的總和值減去輸出中交流成分的峰峰值表示。也常用紋波和噪聲的總和值減去輸出中交流成分的峰- -峰值來表峰值來表示輸出中交流分量的大小。示輸出中交流分量的大小。額定輸出電流。指額定輸出電壓時供給負載的最大

39、平均電流。額定輸出電流。指額定輸出電壓時供給負載的最大平均電流。效率。指輸出有功功率與輸入有功功率之比。效率。指輸出有功功率與輸入有功功率之比。2. 穩(wěn)壓器質量指標(1)電壓調整率(2)電流調整率(3)紋波抑制比(4)溫度穩(wěn)定性3. 3. 穩(wěn)壓器的工作指標穩(wěn)壓器的工作指標穩(wěn)壓器的工作指標是指穩(wěn)壓器能夠正常工作的工作區(qū)域,以及保證正常工作所必須的工作條穩(wěn)壓器的工作指標是指穩(wěn)壓器能夠正常工作的工作區(qū)域,以及保證正常工作所必須的工作條件,這些工作參數取決于構成穩(wěn)壓器的元件性能。件,這些工作參數取決于構成穩(wěn)壓器的元件性能。(1)(1)輸出電壓范圍輸出電壓范圍 符合穩(wěn)壓器工作條件情況下,穩(wěn)壓器能夠正常工

40、作的輸出電壓范圍,該指標的上限是由符合穩(wěn)壓器工作條件情況下,穩(wěn)壓器能夠正常工作的輸出電壓范圍,該指標的上限是由最大輸入電壓和最小輸入最大輸入電壓和最小輸入-輸出電壓差所規(guī)定,而其下限由穩(wěn)壓器內部的基準電壓值決定。輸出電壓差所規(guī)定,而其下限由穩(wěn)壓器內部的基準電壓值決定。(2)(2)最大輸入最大輸入-輸出電壓差輸出電壓差 該指標表征在保證穩(wěn)壓器正常工作條件下穩(wěn)壓器所允許的最大輸入輸出之間的電壓差該指標表征在保證穩(wěn)壓器正常工作條件下穩(wěn)壓器所允許的最大輸入輸出之間的電壓差值,其值主要取決于于穩(wěn)壓器內部調整晶體管的耐壓指標。值,其值主要取決于于穩(wěn)壓器內部調整晶體管的耐壓指標。(3)(3)最小輸入最小輸入

41、-輸出電壓差輸出電壓差該指標表征在保證穩(wěn)壓器正常工作條件下,穩(wěn)壓器所需的最小輸入輸出之間的電壓差值。該指標表征在保證穩(wěn)壓器正常工作條件下,穩(wěn)壓器所需的最小輸入輸出之間的電壓差值。(4)(4)輸出負載電流范圍輸出負載電流范圍輸出負載電流范圍又稱為輸出電流范圍,在這一電流范圍內,穩(wěn)壓器應能保證符合指標規(guī)范輸出負載電流范圍又稱為輸出電流范圍,在這一電流范圍內,穩(wěn)壓器應能保證符合指標規(guī)范征所給出的指標。征所給出的指標。4. 4. 極限參數極限參數(1)(1)最大輸入電壓最大輸入電壓該電壓是保證穩(wěn)壓器安全工作的最大輸入電壓。該電壓是保證穩(wěn)壓器安全工作的最大輸入電壓。(2)(2)最大輸出電流最大輸出電流是保證穩(wěn)壓器安全工作所允許的最大輸出電流。是保證穩(wěn)壓器安全工作所允許的最大輸出電流。5.

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