《開關(guān)電源培訓(xùn)講義》課件

開關(guān)電源基本原理開關(guān)電源是電力電子技術(shù)的核心應(yīng)用之一,廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的供電系統(tǒng)中。它們通過高頻開關(guān)來實(shí)現(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)換,為各種電子產(chǎn)品提供穩(wěn)定可靠的電源。了解開關(guān)電源的基本工作原理對于設(shè)計(jì)和維護(hù)這些電源非常重要。開關(guān)電源概述開關(guān)電源是一種利用開關(guān)管高速開關(guān)來實(shí)現(xiàn)電能變換的電源裝置。它能夠有效地將輸入的直流或交流電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓和電流,廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、家用電器和工業(yè)控制等領(lǐng)域。開關(guān)電源憑借其體積小、效率高、功率密度大等特點(diǎn),正逐步取代傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源。什么是開關(guān)電源高能效轉(zhuǎn)換開關(guān)電源通過高頻開關(guān)工作模式實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率,相比傳統(tǒng)變壓器式電源更加節(jié)能。靈活設(shè)計(jì)開關(guān)電源可以根據(jù)不同應(yīng)用需求進(jìn)行靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),滿足各種電壓變換和功率需求。體積小巧利用高頻開關(guān)技術(shù),開關(guān)電源的體積和重量可以大幅縮小,方便集成應(yīng)用。成本低廉開關(guān)電源的元器件成本相對較低,有利于降低整體系統(tǒng)成本。開關(guān)電源的特點(diǎn)高效率采用開關(guān)變換技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)90%以上的功率轉(zhuǎn)換效率。體積小使用高頻開關(guān)可以大幅減小電感和電容的體積，從而實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì)。低發(fā)熱由于開關(guān)狀態(tài)下的損耗較低，開關(guān)電源整體發(fā)熱量較小。成本低與線性電源相比，開關(guān)電源的元件成本和制造成本更低。開關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域電源適配器開關(guān)電源廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備的電源適配器,為筆記本電腦、手機(jī)、相機(jī)等提供便捷穩(wěn)定的電源供應(yīng)。家用電器開關(guān)電源可以為洗衣機(jī)、電冰箱等家用電器提供所需的直流電源,提高能源轉(zhuǎn)換效率。工業(yè)設(shè)備各類工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、儀器儀表等對穩(wěn)定可靠的電源有很高要求,開關(guān)電源則能夠滿足這些需求。開關(guān)電源的工作原理開關(guān)電源通過高頻開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓變換,其基本結(jié)構(gòu)包括輸入濾波、開關(guān)變換、變壓器繞組、輸出濾波等部分。能量儲(chǔ)存元件在能量轉(zhuǎn)換中起到重要作用,確保輸出電壓的穩(wěn)定性和可靠性。開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)包括整流電路、開關(guān)變換電路、反饋控制電路和輸出濾波電路。整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，開關(guān)變換電路通過高頻開關(guān)改變電壓大小，反饋控制電路調(diào)節(jié)輸出電壓穩(wěn)定性，濾波電路去除電壓紋波。這些模塊協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的功能。電壓變換的原理開關(guān)電源結(jié)構(gòu)開關(guān)電源由開關(guān)管、能量儲(chǔ)存元件和控制電路組成。通過開關(guān)管的快速切換實(shí)現(xiàn)電壓和電流的變換。電壓變換過程當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),電源電壓通過能量儲(chǔ)存元件充電。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí),能量儲(chǔ)存元件將能量釋放到負(fù)載。電壓變換控制通過調(diào)整開關(guān)管的占空比和開關(guān)頻率,可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)制和穩(wěn)定。這就是開關(guān)電源的基本工作原理。能量儲(chǔ)存元件的作用電感電感元件可以在電流變化時(shí)儲(chǔ)存能量,在開關(guān)過程中調(diào)節(jié)電流,提供穩(wěn)定的輸出電壓。電容電容可以在電壓變化時(shí)儲(chǔ)存能量,在開關(guān)過程中調(diào)節(jié)電壓,提供平滑的輸出電壓。變壓器變壓器可以改變電壓電流的比例,并且能夠?qū)崿F(xiàn)電源的絕緣隔離,提高電源的安全性。常見的開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)電源采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)不同的電壓變換特性,滿足各種應(yīng)用場景的需求。以下介紹幾種常見的開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Buck變換器1降壓電路Buck變換器是一種降壓型開關(guān)電源,輸出電壓可以小于輸入電壓。2基本結(jié)構(gòu)由開關(guān)管、二極管、電感和濾波電容等組成,利用開關(guān)管周期性導(dǎo)通與截止來實(shí)現(xiàn)電壓下降。3效率高采用開關(guān)調(diào)節(jié)方式,理論上可以達(dá)到很高的轉(zhuǎn)換效率,適合對功率密度和效率敏感的應(yīng)用。4可靠性強(qiáng)由于結(jié)構(gòu)簡單,使用可靠性高,是最常見的一種開關(guān)電源拓?fù)洹oost變換器boost變換器拓?fù)鋌oost變換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括電源、開關(guān)管、電感、二極管和輸出濾波電容。通過開關(guān)管的通斷控制來實(shí)現(xiàn)電壓逐步提升。工作原理在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感吸收并儲(chǔ)存能量；當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，電感釋放能量到負(fù)載，從而使輸出電壓高于輸入電壓。性能特點(diǎn)輸出電壓恒定高于輸入電壓輸出電流小于輸入電流具有高變換效率和穩(wěn)定性Buck-boost變換器雙向變換Buck-boost變換器兼具buck和boost的功能,可對輸入電壓進(jìn)行升壓或降壓變換。它在需要輸出電壓高于或低于輸入電壓的應(yīng)用中非常實(shí)用。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Buck-boost變換器由開關(guān)管、二極管、電感和電容等元件組成,可連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單,但要求較高的開關(guān)管性能。工作原理在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),電感存儲(chǔ)能量;斷開時(shí),電感釋放能量給負(fù)載。通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間,可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變換。應(yīng)用場景Buck-boost變換器廣泛應(yīng)用于電動(dòng)工具、電動(dòng)車、太陽能等領(lǐng)域,滿足各種輸入輸出電壓需求。飛躍式變換器1工作原理飛躍式變換器通過一個(gè)高頻開關(guān)管和一個(gè)電感電容網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電壓的升降變換。它可以既升壓又降壓，具有較高的變換效率。2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)飛躍式變換器由開關(guān)管、電感、電容和二極管四個(gè)基本元件構(gòu)成,結(jié)構(gòu)簡單緊湊,便于集成。3應(yīng)用場景飛躍式變換器廣泛應(yīng)用于電源轉(zhuǎn)換、變頻調(diào)速、電池充電等領(lǐng)域,能夠?qū)崿F(xiàn)high/low/reverse等多種電壓變換。4設(shè)計(jì)要點(diǎn)需要注意元件參數(shù)的合理選擇、高頻開關(guān)的高效驅(qū)動(dòng)、EMI抑制等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),確保安全可靠運(yùn)行。開關(guān)管的選擇與驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源的核心部件是開關(guān)管,其選擇和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)直接影響到開關(guān)電源的性能和可靠性。了解開關(guān)管的特性以及如何進(jìn)行合理選型和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵常見的開關(guān)管類型MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）MOSFET廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源設(shè)計(jì),具有開關(guān)速度快、小信號(hào)驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)?？煞譃楣β蔒OSFET和低功率MOSFET。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）IGBT集成了MOSFET和雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn),具有高輸入阻抗、低導(dǎo)通壓降、高開關(guān)頻率等特點(diǎn)。常用于中高功率開關(guān)電源。BJT（雙極型晶體管）BJT雖然開關(guān)速度較慢,但成本低廉,通常用于低功率開關(guān)電源中。如2N2222、2N3055等型號(hào)。JFET（結(jié)型場效應(yīng)晶體管）JFET雖然開關(guān)速度和開關(guān)損耗比MOSFET高,但成本較低,在某些低功率電路中仍有應(yīng)用。開關(guān)管的選擇標(biāo)準(zhǔn)電壓額定值開關(guān)管的器件電壓額定值應(yīng)高于系統(tǒng)的工作電壓,通常需要有一定的安全余量。電流額定值開關(guān)管的電流額定值應(yīng)大于系統(tǒng)的工作電流,以保證工作時(shí)不會(huì)過載燒毀。開關(guān)速度開關(guān)管的切換速度應(yīng)快于系統(tǒng)要求,以保證開關(guān)效率和控制精度。開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路1開關(guān)管選擇根據(jù)電壓、電流、頻率等參數(shù)選擇合適的開關(guān)管2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)采用專用的驅(qū)動(dòng)芯片或自制電路3優(yōu)化驅(qū)動(dòng)波形確保開關(guān)管能正常工作,避免過大的驅(qū)動(dòng)電流/電壓開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。首先需要根據(jù)具體工作條件選擇合適的開關(guān)管型號(hào),確保其能承受工作電壓和電流。然后設(shè)計(jì)相應(yīng)的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路,以確保其能得到正確的開關(guān)驅(qū)動(dòng)波形,從而保證開關(guān)電源的可靠運(yùn)行。反饋控制電路設(shè)計(jì)反饋控制是開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流的核心部分。它通過檢測輸出電壓或電流并與目標(biāo)值進(jìn)行比較,從而調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間,實(shí)現(xiàn)輸出的精確控制。反饋控制的作用穩(wěn)定輸出反饋控制可以保持輸出電壓在目標(biāo)值附近穩(wěn)定波動(dòng),減小因負(fù)載和輸入電壓變化造成的輸出波動(dòng)。精準(zhǔn)輸出反饋控制可以提高輸出電壓的精度,使其更加接近期望值,滿足負(fù)載的要求。快速響應(yīng)反饋控制可以提高開關(guān)電源對負(fù)載變化的響應(yīng)速度,確保輸出在瞬時(shí)負(fù)載變化時(shí)能快速恢復(fù)。常見的反饋控制方式電壓反饋通過檢測輸出電壓并與設(shè)定值進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。電流反饋通過檢測輸出電流并與設(shè)定值進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)對輸出電流的調(diào)節(jié)和限制。功率反饋通過檢測輸出功率并與設(shè)定值進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)對輸出功率的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。反饋環(huán)路的設(shè)計(jì)1確定反饋點(diǎn)確定需要保持穩(wěn)定的電壓或電流點(diǎn),通常選擇輸出端作為反饋點(diǎn)。2選擇反饋方式常見的反饋方式包括電壓反饋、電流反饋和功率反饋等,根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適的方式。3設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)通過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)調(diào)整反饋環(huán)路的增益和相位特性,確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。EMI抑制技術(shù)在高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中,電磁干擾(EMI)問題是一個(gè)需要特別關(guān)注的重點(diǎn)。通過分析EMI的產(chǎn)生機(jī)理并采取有效的抑制方法,可以有效地減小電磁輻射,確保電源設(shè)備的可靠運(yùn)行。EMI的產(chǎn)生機(jī)理1瞬態(tài)過程開關(guān)電路中的瞬態(tài)過程會(huì)產(chǎn)生高頻的電磁干擾信號(hào)。例如開關(guān)管的快速導(dǎo)通和截止就會(huì)產(chǎn)生尖峰脈沖。2高頻諧波開關(guān)電路的高頻開關(guān)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生豐富的高頻諧波,這些諧波也是EMI的主要來源。3寄生元件電路中的寄生電感和寄生電容會(huì)形成諧振電路,加劇EMI問題。需要通過合理的布線設(shè)計(jì)來減小這些寄生元件的影響。EMI抑制方法被動(dòng)濾波采用電感和電容的LC濾波電路，可有效吸收和隔離高頻噪聲。合理設(shè)計(jì)濾波器的截止頻率對消除EMI非常關(guān)鍵。屏蔽技術(shù)在PCB板和電源線路周圍增加金屬屏蔽層，可有效阻隔電磁輻射。同時(shí)還可采用雙層PCB設(shè)計(jì)隔離信號(hào)通路。布線優(yōu)化合理規(guī)劃電源線和信號(hào)線的走線路徑和長度，可降低回路面積從而減小電磁輻射。同時(shí)應(yīng)避免形成噪聲環(huán)路。EMI濾波器采用專門的EMI濾波器件，如共模電感、雙通濾波器等，可有效吸收高頻噪聲并隔離EMI。EMI測試標(biāo)準(zhǔn)不同的市場和應(yīng)用領(lǐng)域都制定了自己的EMI測試標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了電磁輻射限值、測試方法、測試頻率范圍等內(nèi)容。主要包括如下幾種:15KIEC6060110KFCCPart158KCISPR225KGB17626.3這些標(biāo)準(zhǔn)針對不同的產(chǎn)品類別和應(yīng)用場景提出了具體的EMI限制要求,確保電子設(shè)備在實(shí)際使用中不會(huì)對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的電磁干擾。開關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),通過適當(dāng)?shù)腅MI抑制措施來滿足認(rèn)證要求。功率級(jí)設(shè)計(jì)要點(diǎn)開關(guān)電源的功率級(jí)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到其性能和可靠性,需要注意幾個(gè)關(guān)鍵方面。功率器件的選擇功率半導(dǎo)體器件開關(guān)電源中常用的功率半導(dǎo)體器件包括MOSFET、IGBT、功率三極管等。需根據(jù)電路的工作條件(電壓、電流、頻率等)選擇合適的器件。電源管理芯片為了實(shí)現(xiàn)電源的自動(dòng)化管理和保護(hù),需要選用可靠的電源管理芯片,如恒壓恒流控制芯片、過壓過流保護(hù)芯片等。電源變壓器開關(guān)電源的變壓器需考慮工作頻率、功率容量、繞組設(shè)計(jì)等因素,選用優(yōu)質(zhì)的變壓器可提高電源的效率和可靠性。散熱設(shè)計(jì)熱量計(jì)算正確評估開關(guān)電源產(chǎn)生的熱量非常重要,包括器件損耗、導(dǎo)線電阻等因素。準(zhǔn)確的熱量計(jì)算有助于選擇合適的散熱方案。散熱器選型根據(jù)功率損耗和環(huán)境條件選擇合適的散熱器尺寸和類型,如鋁制散熱片、風(fēng)扇散熱等,確保電路可靠工作。布局設(shè)計(jì)合理布局電路板元件,將發(fā)熱元件靠近散熱器,并保證氣流通暢。適當(dāng)增加散熱面積有助于提高散熱效率。濾波電路設(shè)計(jì)1選擇合適的濾波電容根據(jù)開關(guān)電源的電壓和電流波動(dòng)情況選擇合適容值和耐壓的濾波電容，確保平滑輸出電壓。2合理布線設(shè)計(jì)將高頻噪聲信號(hào)的回路保持盡可能短，減小串聯(lián)電感，降低EMI干擾。3采用EMI濾波器在電源輸入端加裝共模電感和差模電容的EMI濾波器，有效抑制來自電網(wǎng)的高頻噪聲。4設(shè)置合理的接地將接地點(diǎn)設(shè)計(jì)合理，避免出現(xiàn)接地環(huán)路電流，減少對系統(tǒng)的干擾。開關(guān)電源的可靠性設(shè)計(jì)為了確保開關(guān)電源能夠長期穩(wěn)定可靠地工作,需要充分考慮可靠性設(shè)計(jì)。主要涉及溫度應(yīng)力、振動(dòng)與機(jī)械應(yīng)力以及環(huán)境因素等方面的設(shè)計(jì)。溫度應(yīng)力器件溫升開關(guān)電源在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量,導(dǎo)致內(nèi)部器件溫度上升,這會(huì)加速器件老化并影響可靠性。散熱設(shè)計(jì)合理的散熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要,能有效降低器件溫度,延長開關(guān)電源的使用壽命。常見的措施包括采用散熱片、風(fēng)扇等。溫度循環(huán)開關(guān)電源在工作和停止運(yùn)行之間會(huì)經(jīng)歷溫度循環(huán),導(dǎo)致器件產(chǎn)生熱應(yīng)力,也會(huì)加速老化。需要考慮溫度循環(huán)對可靠性的影響。振動(dòng)與機(jī)械應(yīng)力振動(dòng)測試對開關(guān)電源進(jìn)行振動(dòng)測試,可檢測其在實(shí)際環(huán)境下的耐用性和可靠性。需考慮不同頻率和加速度下的振動(dòng)特性。機(jī)械應(yīng)力開關(guān)電源在安裝、運(yùn)輸和使用過程中可能會(huì)受到各種機(jī)械應(yīng)力,如壓力、扭力和沖擊等,需要進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度分析和測試?？煽啃栽O(shè)計(jì)通過科學(xué)的可靠性分析