開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和基本原理

1、高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì),青島科技大學(xué),總目錄,第一章 概論(1課時(shí)),第二章 開(kāi)關(guān)電源的基本原理 (2課時(shí)),第三章 開(kāi)關(guān)電路的PWM控制原理(2課時(shí)),第四章 電路拓?fù)涞氖褂眠x擇(2課時(shí)),第五章 元器件的實(shí)用選擇(2課時(shí)),第六章 軟開(kāi)關(guān)新技術(shù)(2課時(shí)),高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì),自動(dòng)化與電子工程學(xué)院 電子信息科學(xué)與技術(shù)教研室,21世紀(jì),4,一、 概論,將電網(wǎng)或電池的一次電能，轉(zhuǎn)換為符合電子設(shè)備要求的二次電能，這樣的變換設(shè)備便是電源。 電源是一切電子設(shè)備的心臟，沒(méi)有電源，電子設(shè)備就不可能工作。,1.1.1 電源是什么？,1.1 電源及開(kāi)關(guān)電源,電源常用的連接方式,串聯(lián)線性電源,高頻開(kāi)關(guān)電源,1.1.2

2、串聯(lián)線性電源與開(kāi)關(guān)電源的區(qū)分,串聯(lián)線性電源： 電源調(diào)整管工作在放大狀態(tài); 效率低，損耗大，溫升高。 開(kāi)關(guān)電源： 電源調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的電源 ; 具有高功率密度、重量輕、體積小。,6,1.1.3 開(kāi)關(guān)電源的分類：,按變換方式可分為下列四大類： （1）：第一大類：AC/DC開(kāi)關(guān)電源； （2）：第二大類：DC/DC開(kāi)關(guān)電源； （3）：第三大類：DC/AC開(kāi)關(guān)電源； （4）：第四大類：AC/AC開(kāi)關(guān)電源。,開(kāi)關(guān)電源,逆變器,變頻器,按開(kāi)關(guān)管和輸出之間是否有變壓器隔離可分為下列兩大類： （1）：第一大類：無(wú)變壓器的非隔離式； （2）：第二大類：有變壓器的隔離式。,1.2 直流穩(wěn)壓電源,直流穩(wěn)壓電源是

3、電子、電器、自動(dòng)化設(shè)備中最基本的部分。傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源是采用串聯(lián)式線性轉(zhuǎn)換方法設(shè)計(jì)制作的。,圖1-3 晶體管串聯(lián)式線性穩(wěn)壓電源,1.2.1 直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展,當(dāng)今計(jì)算機(jī)及自動(dòng)化設(shè)備上大多數(shù)控制電源都向低壓大電流、高效率、重量輕、體積小的方向發(fā)展。在這種要求面前首先得到發(fā)展的是晶體管串聯(lián)式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。,圖1-4 晶體管串聯(lián)式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率開(kāi)關(guān)晶體管、快恢復(fù)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)展高頻開(kāi)關(guān)電源創(chuàng)造了條件。 它使電源在小型化、輕量化、高效率等方面又邁進(jìn)了一步。,圖1-5 無(wú)工頻變壓器的開(kāi)關(guān)電源原理框圖,10,A：一次

4、電源產(chǎn)品的圖片（AC/DC）,常見(jiàn)開(kāi)關(guān)電源圖片,11,B：工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（AC/DC）,12,C：工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片（AC/DC）,13,E：工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片（AC/DC）,14,F：二次電源產(chǎn)品的圖片（DC/DC）-標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換類,Full Brick,Half Brick,Half Brick,1/4 Brick,1/8 Brick,15,G：二次電源產(chǎn)品的圖片（DC/DC）,彩電開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源,1.3 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的特點(diǎn) 1.3.1 優(yōu)點(diǎn) 1.效率高。一般在7090%以上。而相應(yīng)的線性穩(wěn)壓電源的效率僅有50%左右。 2.體積小、重量輕，隨著頻率的提高，收效更顯著。 3.穩(wěn)壓范圍廣

5、，一般交流輸入80265V，負(fù)載作大幅度變化時(shí)，性能很好。 4.噪聲低，聲頻在20kHz以上時(shí)，已是人耳聽(tīng)不到的超聲波，而開(kāi)關(guān)電源的工作頻率一般都大于此頻率； 5.性能靈活，通過(guò)輸出隔離變壓器，可得到低壓大電流、高壓小電流；一個(gè)開(kāi)關(guān)控制的一路輸入可得到多路輸出以及同號(hào)、反號(hào)等輸出； 6.電壓維持時(shí)間長(zhǎng)，為了適應(yīng)交流停電時(shí)，計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代自動(dòng)化控制設(shè)備電源轉(zhuǎn)換的需要，開(kāi)關(guān)電源可在幾十毫秒內(nèi)保證仍有電壓輸出。 7.可靠性大，當(dāng)開(kāi)關(guān)損壞時(shí)，也不會(huì)有危及負(fù)載的高電壓出現(xiàn)。,1.3.2 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的不足之處 1.輸出紋波較大，約有10100mV的峰峰值； 2.脈沖寬度調(diào)制式的電路中，電壓、電流變化率大；

6、 3.控制電路比較復(fù)雜，對(duì)元器件要求高； 4.動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間至少要大于一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，不如串聯(lián)式晶體管線性穩(wěn)壓電源。,二、 開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理,功能：通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)將輸入較高的交流電壓(AC)轉(zhuǎn)換為電子或電器設(shè)備工作所需要的直流電壓(DC) 。,中心思想：用提高工作頻率等手段來(lái)提高電源的功率密度，進(jìn)而達(dá)到減少變壓器的體積和重量的目的。采用開(kāi)關(guān)變換的顯著優(yōu)點(diǎn)是大大提高了電能的轉(zhuǎn)換效率，典型的開(kāi)關(guān)電源效率為70%-80%，,穩(wěn)定原理：依賴對(duì)脈沖寬度的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，稱做脈寬調(diào)制PWM。,共軛濾波器,整流濾波,開(kāi)關(guān)調(diào)整管,儲(chǔ)能元件,脈沖整流濾波,取樣電路,比較放大,基準(zhǔn),220V交流電壓

7、輸入,功能：將220V交流電壓轉(zhuǎn)換為電路所需要的各種穩(wěn)定的直流電。,2.1 高頻開(kāi)關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu),圖2-1 高頻變壓器開(kāi)關(guān)電源基本功能框圖,2.作用：雙向?yàn)V波 避免電網(wǎng)供電線引入高頻脈沖影響電子電路； 防止開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)造成污染。,2.2.1、進(jìn)線抗電磁干擾電路（EMI）,2.2 輸入共軛濾波及整流,1.電路組成：由一個(gè)線圈和兩個(gè)電容組成,圖2-2 EMI原理圖,3.工作原理： 對(duì)高頻干擾信號(hào)而言，電容呈短路，而電感則呈開(kāi)路。高頻干擾被電容短路。,對(duì)50Hz低頻而言，電容呈開(kāi)路，而電感則呈短路。因此，50Hz市電可以順利通過(guò)。,4.輸入220V交流電壓的檢測(cè),220V交流 輸入,交流電壓50

8、0V檔,正常值: 220V15%(187V253V),共軛濾波器,5.常用EMI電路: 通常有兩級(jí)EMI,圖2.3 兩級(jí)EMI電路圖,由一個(gè)全橋（由四個(gè)二極管組成）和兩個(gè)高壓電解電容組成。把220V交流市電轉(zhuǎn)換成290V直流電。,2.2.2、高壓整流濾波電路,1.電路組成：,圖2.3單相橋式整流電路,2.整流電路工作原理,當(dāng)正半周時(shí)，二極管D1、D3導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周。,當(dāng)負(fù)半周時(shí)二極管D2、D4導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。,在負(fù)載電阻上正負(fù)半周經(jīng)過(guò)合成，得到的是同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓。,3.負(fù)載上的直流電壓和直流電流,輸出電壓是單相脈動(dòng)電壓。通常用它的平均值與直

9、流電壓等效。,輸出平均電壓為,流過(guò)負(fù)載的平均電流為,流過(guò)二極管的平均電流為,二極管所承受的最大反向電壓,動(dòng)畫(huà)5-4,4.濾波電路,濾波的基本概念： 利用電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。 電容器C對(duì)直流開(kāi)路，對(duì)交流阻抗小，所以C應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。 電感器L對(duì)直流阻抗小，對(duì)交流阻抗大，因此L 應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。 經(jīng)過(guò)濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動(dòng)系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。,電容濾波電路,單相橋式電容濾波整流電路。 在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容C。,當(dāng)v2到達(dá)90時(shí)，v2開(kāi)始 下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷， 電容C就要以指數(shù)規(guī)律向

10、 負(fù)載L放電。指數(shù)放電起 始點(diǎn)的放電速率很大。,5.濾波原理,若電路處于正半周，二極管D1、D3導(dǎo)通，變壓器次端電壓v2給電容器C充電。此時(shí)C相當(dāng)于并聯(lián)在v2上，所以輸出波形同v2 ，是正弦形。,圖2.4電容濾波波形圖,所以，在t1到t2時(shí)刻，二極管導(dǎo)電，充電，vC=vL按正弦規(guī)律變化；t2到t3時(shí)刻二極管關(guān)斷，vC=vL按指數(shù)曲線下降，放電時(shí)間常數(shù)為RLC。,在剛過(guò)90時(shí)，正弦曲線下降 的速率很慢。所以剛過(guò)90時(shí) 二極管仍然導(dǎo)通。在超過(guò)90 后的某個(gè)點(diǎn)，正弦曲線下降的 速率越來(lái)越快，二極管關(guān)斷。,需要指出的是，當(dāng) 放電時(shí)間常數(shù)RLC增加時(shí)， t1點(diǎn)要右移， t2點(diǎn)要左移， 二極管關(guān)斷時(shí)間加長(zhǎng)

11、， 導(dǎo)通角減小，見(jiàn)曲線3； 反之，RLC減少時(shí)，導(dǎo)通 角增加。顯然，當(dāng)L很 小，即IL很大時(shí)，電容濾 波的效果不好，見(jiàn)濾波曲線 中的2。反之，當(dāng)L很大， 即IL很小時(shí)，盡管C較小, RLC仍很大,電容濾波的效果也很好,見(jiàn)濾波曲線中的3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場(chǎng)合。,圖2.5 電容濾波的效果,問(wèn)題：有無(wú)L即空載，此時(shí)VC=VO=？,6.電容濾波的計(jì)算,電容濾波的計(jì)算比較麻煩，因?yàn)闆Q定輸出電壓的因素較多。一般常采用以下近似估算法：,一種是用鋸齒波近似表示，即,另一種是在RLC=(35)T/ 2的條件下，近似認(rèn)為VO=1.2V2。（或者，電容濾波要獲得較好的效果，工程上也通常應(yīng)滿足RLC61

12、0。）,7. 220V交流電壓整流濾波后直流電壓的檢測(cè),直流電壓500V檔,來(lái)自共軛濾波器的220V交流電壓,正常值為290V左右,對(duì)于輸入與輸出電壓之間不需隔離，只用一個(gè)工作開(kāi)關(guān)管VT和電感L、二極管D、電容C組成的變換器電路最基本的為如下三種，其原理電路如圖2.6所示。 （1）串聯(lián)開(kāi)關(guān)或降壓 變換器（buck converter） （2）并聯(lián)開(kāi)關(guān)或升壓 變換器（boost converter） （3）串并聯(lián)開(kāi)關(guān) 或降、升壓變換器 （buck-boost converter）,圖2.6 非隔離式的DCDC變換電路,2.3非隔離式開(kāi)關(guān)電源工作過(guò)程,調(diào)整輸出電壓的方法：,占空比,只要改變開(kāi)關(guān)脈沖

13、的“占空比”，就可以改變輸出電壓的高低。 在具體電路中，可以使開(kāi)關(guān)脈沖頻率固定，改變開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton而改變輸出電壓高低。這種電源稱為“調(diào)寬式”開(kāi)關(guān)電源。PWM 也可以使開(kāi)關(guān)管截止時(shí)間不變，只改變開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短而改變輸出電壓高低。這種電源稱為“調(diào)頻調(diào)寬”式開(kāi)關(guān)電源。PFM,電路中VT為開(kāi)關(guān)管，工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)（VT飽和導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于一只接通的開(kāi)關(guān)，VT截止時(shí)相當(dāng)于一只斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)）。 電感L和電容C為儲(chǔ)能元件。 RL為電源的負(fù)載。 D為續(xù)流二極管，它在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)導(dǎo)通，保證電感L中的電流不中斷。,2.3 .1串聯(lián)型（Buck） 開(kāi)關(guān)電源工作過(guò)程,開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，290V電源通過(guò)開(kāi)關(guān)管Q，電感

14、L和負(fù)載RL形成電流回路，同時(shí)向電容器C充電，在電感L和電容C中同時(shí)儲(chǔ)能。 二極管D處于反向截止?fàn)顟B(tài)。 由于電感L中突然出現(xiàn)電流，將在L兩端產(chǎn)生左正右負(fù)的自感電動(dòng)勢(shì)，負(fù)載兩端電壓等于290V電源電壓與L兩端自感電動(dòng)勢(shì)之差。,+,-,開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，由于電感線圈中電流的突然中斷，將在電感L兩端產(chǎn)生左負(fù)右正的自感電動(dòng)勢(shì)，該自感電動(dòng)勢(shì)使續(xù)流二極管D導(dǎo)通，形成電流回路。 同時(shí)，電容C也通過(guò)RL放電。 可見(jiàn)負(fù)載電流由電感電流與電容放電電流兩路同時(shí)提供。 雖然開(kāi)關(guān)管截止了，但是負(fù)載電流并沒(méi)有中斷。,圖2.5 （c)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)的等效電路,2.3.1串聯(lián)開(kāi)關(guān)（降壓）變換器設(shè)計(jì)計(jì)算,a） 電路拓?fù)?b）工作波形

15、 圖2.7 Buck converter,（一）在開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通期間,a） 電路拓?fù)?b）工作波形 圖2.7 Buck converter,（二）在開(kāi)關(guān)VT截止期間,1.臨界連續(xù)工作狀態(tài) 2.電流斷續(xù)的工作狀態(tài) 3.電流連續(xù)的工作狀態(tài),(三)電感電流的平均值計(jì)算,（四）輸出電壓紋波值的計(jì)算,a）電路拓?fù)?b）工作波形 圖2.8 Boost converter,1.在 期間,2.在 期間,2.3.2并聯(lián)開(kāi)關(guān)（升壓Boost）變換器 設(shè)計(jì)計(jì)算,3.負(fù)載電流的平均值,4.輸入電流的平均值,5.輸出電壓 的紋波計(jì)算,2.3.3 串-并聯(lián)BuckBoost converter,圖2.9 BuckBoost

16、 converter,圖2.10 Buck-Boost converter工作波形圖,非隔離式三種開(kāi)關(guān)電源所適用的功率范圍表,適用于非隔離的單路輸出情況。,圖2-1(a) 高頻變壓器開(kāi)關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)框圖,共同特點(diǎn):具有高頻變壓器,直流穩(wěn)壓是從變壓器次級(jí)繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來(lái)。 變壓器原副方是隔離的，而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。,2.4變壓器型開(kāi)關(guān)電源工作過(guò)程,圖2.1(b)開(kāi)關(guān)電源原理示意圖,2.4.1 高頻變壓器變換電路工作方式分類 按其工作方式可分為五類,每類傳輸?shù)墓β室膊幌嗤?，?yīng)用環(huán)境也稍有不同，如下所示：,2.4.2單端反激式變壓器型開(kāi)關(guān)電源工作原理,開(kāi)關(guān)管飽

17、和導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管電流在開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)產(chǎn)生上正下負(fù)的自感電動(dòng)勢(shì)，次級(jí)產(chǎn)生上負(fù)下正的互感電動(dòng)勢(shì)。 整流二極管D截止，由電容器C放電形成負(fù)載電流。,開(kāi)關(guān)管截止，變壓器初級(jí)電流中斷，于是在初級(jí)繞組產(chǎn)生反方向的自感電動(dòng)勢(shì)（上負(fù)下正），次級(jí)互感電動(dòng)勢(shì)也反一個(gè)方向。 次級(jí)互感電動(dòng)勢(shì)使整流二極管D導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)電流一方面流入負(fù)載，另一方面向電容器C充電儲(chǔ)能，以便開(kāi)關(guān)管再次導(dǎo)通時(shí)向負(fù)載釋放能量。,2.4.3單端反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路工作過(guò)程,1.能量轉(zhuǎn)換過(guò)程,VT導(dǎo)通，D截止，T吸收能量。VT截止，D導(dǎo)通，T釋放能量。傳遞的能量越多，負(fù)載兩端 形成的電壓就越高,*,*,VT,T,D,2.穩(wěn)壓過(guò)程,取樣電路,

18、比較放大,基準(zhǔn),脈沖產(chǎn)生與脈寬控制,VT,T,D,2.4.3單端反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路工作過(guò)程,*,*,2.4.4 尖峰脈沖防護(hù)電路,接在開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)的R、C、D組成尖峰脈沖防護(hù)電路。 在開(kāi)關(guān)管截止瞬間，開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)電感與分布電容之間形成諧振，產(chǎn)生很高的尖峰脈沖，該尖峰脈沖有可能擊穿開(kāi)關(guān)管。 接入R、C、D以后，使這種諧振被“阻尼”，避免了過(guò)高尖峰脈沖的出現(xiàn)，保護(hù)了開(kāi)關(guān)管。,2.4.5單端反激式開(kāi)關(guān)電源理論分析與計(jì)算,2.4.5.1 工作原理分析,1.在開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通期間：,2.在開(kāi)關(guān)VT截止期間,圖2.7 單端反激式變換器,2.4.5.2 單端反激式變換器的三種工作狀態(tài)：,1 磁通臨界連續(xù)

19、的工作情況：,圖2.8 臨界連續(xù)狀態(tài)時(shí)的電壓電流波形,2 磁通不連續(xù)的工作狀態(tài),圖2.9 磁通不連續(xù)時(shí)的工作波形,3 磁通連續(xù)的工作狀況,圖2.10磁通連續(xù)時(shí)的工作波形,2.4.6 輸入電壓Uin與導(dǎo)通比的對(duì)應(yīng)關(guān)系,由于輸入電壓最高時(shí)，相應(yīng)的導(dǎo)通比是最小，輸入電壓最低時(shí)，相應(yīng)的導(dǎo)通比是最大。因此，輸入電壓與導(dǎo)通比是一一對(duì)應(yīng)，相互制約的。 運(yùn)行中由于閉環(huán)調(diào)節(jié)，這種相互適應(yīng)是自動(dòng)的。但必須指出的是，由控制電路振蕩器和PWM門(mén)閂電路本身固有的最大最小導(dǎo)通比，一定要與運(yùn)行條件所需的最大最小導(dǎo)通比不矛盾，否則就會(huì)失調(diào)。,3.4.7 磁通復(fù)位問(wèn)題,為了不致于出現(xiàn)磁路飽和每個(gè)開(kāi)關(guān)周期工作磁通都能復(fù)位，因此：

20、 1.單端反激式變換器開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯都帶有氣隙 。 2.原邊繞組電流實(shí)現(xiàn)脈沖限流控制。,2.4.8 間歇振蕩問(wèn)題,當(dāng)電網(wǎng)電壓升到一定值而又負(fù)載電阻值很大的情況下，欲維持輸出電壓恒定，則脈寬調(diào)制器可能使脈寬減少到某一極限值時(shí)，不能再減小了，只能以最小導(dǎo)通比運(yùn)行，但由于導(dǎo)通時(shí)所儲(chǔ)存的能量沒(méi)有釋放回路，就有可能出現(xiàn)： 有的振蕩周期沒(méi)有PWM脈沖輸出，開(kāi)關(guān)管不導(dǎo)通，有的振蕩周期就很寬，變成了作周期性或非周期性的間歇振蕩器，這時(shí)輸出電壓不穩(wěn)，紋波大，變壓器發(fā)出刺耳的哨叫聲。 克服這一問(wèn)題的辦法之一，也是最安全和可靠的辦法是在付繞組中加一固定負(fù)載電阻（假負(fù)載），以防負(fù)載開(kāi)路，這樣電網(wǎng)電壓最高，負(fù)載開(kāi)路了

21、，由于有固定的假負(fù)載，脈寬保證有一最小的寬度而不致于出現(xiàn)間歇振蕩現(xiàn)象。最小的脈寬是由控制電路振蕩器的最小導(dǎo)通比決定的。,2.5 單端正激式變換器,圖2.19正激式變換器的原理電路圖,圖2.20 正激式變壓器等效電路,2.5 單端正激式變換器,圖2.21單端正激式變換器的電壓電流波形,2.6 半橋式變換器,2.6.1 工作原理,圖2.22 半橋式變換器原理電路,2.6 半橋式變換器,2.6.1 工作原理,圖8-23 半橋式變換器的工作波形,圖8-24 串聯(lián)電容半橋式變換器原理電路,（a）串聯(lián)電容前交流電壓，斜格面積表示A1、A2的伏秒值不平衡波形 （b）串聯(lián)電容、變壓器原邊的伏秒值得到了平衡圖

22、8-25 變壓器原邊串聯(lián)電容后的工作波形,圖8-23 半橋式變換器的工作波形,圖8-24 串聯(lián)電容半橋式變換器原理電路,（a）串聯(lián)電容前交流電壓，斜格面積表示A1、A2的伏秒值不平衡波形 （b）串聯(lián)電容、變壓器原邊的伏秒值得到了平衡圖 8-25 變壓器原邊串聯(lián)電容后的工作波形,2.6.2 串聯(lián)耦合電容C3的選擇,2.7 全橋式變換器的開(kāi)關(guān)電源,圖2.26 全橋式變換器主電路,2.7.1 全橋式變換器的工作原理,2.7 全橋式變換器的開(kāi)關(guān)電源,圖226 全橋式變換器主電路,2.7.1 全橋式變換器的工作原理,圖8-27 全橋式變換器的工作波形,三、開(kāi)關(guān)電路的PWM控制原理,開(kāi)關(guān)電源的PWM控制原

23、理可用圖3.1的電路說(shuō)明。它由開(kāi)關(guān)管、濾波電路、比較器、三角波發(fā)生器、比較放大器和基準(zhǔn)源等部分構(gòu)成。,圖3.1 開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源原理圖,3.1 PWM控制基本原理,三角波發(fā)生器通過(guò)比較器產(chǎn)生一個(gè)方波vB，去控制開(kāi)關(guān)管的通斷。,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，向電感充電。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，必須給電感中的電流提供一個(gè)泄放通路。續(xù)流二極管D即可起到這個(gè)作用，保護(hù)開(kāi)關(guān)管。,三角波發(fā)生器通過(guò)比較器產(chǎn)生一個(gè)方波vB，去控制開(kāi)關(guān)管的通斷。,為了穩(wěn)定輸出電壓，按電壓負(fù)反饋方式引入反饋。 設(shè)輸出電壓增加，F(xiàn)VO增加，比較放大器的輸出Vf減小，比較器方波輸出的toff增加，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間減小，輸出電壓下降。起到了穩(wěn)壓作用。,輸出波形見(jiàn)

24、圖3.2。開(kāi)關(guān)管發(fā)射極輸出電壓VE為方波，由于濾波電感的存在，使輸出電流iL為鋸齒波，趨于平滑。輸出則為帶紋波的直流電壓。,圖3.2開(kāi)關(guān)電源波形圖,q稱為占空比 方波高電平的時(shí)間占整個(gè)周期的百分比。,忽略電感的直流電阻，輸出電壓VO即為vE的平均分量。于是有,在輸入電壓一定時(shí)， 輸出電壓與占空比成正比。,可以通過(guò)改變比較器輸出方波的占空比q來(lái)控制輸出電壓值。 改變方波寬度的控制方式稱為脈沖寬度調(diào)制 (PWM)；改變方波頻率的控制方式稱為脈沖頻率調(diào)制 (PFM)；,1開(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功耗大大降低， 電源效率大為提高； 2開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下工作，為得到直流輸出， 必須在輸出端加濾波器； 3可

25、通過(guò)脈沖寬度的控制方便地改變輸出電壓值； 4由于開(kāi)關(guān)頻率較高，濾波電容和濾波電感的體 積可大大減小。,由以上分析可以得出如下結(jié)論：,3.2 集成開(kāi)關(guān)型控制器,典型的開(kāi)關(guān)電源控制器和開(kāi)關(guān)電源見(jiàn)下表,型號(hào) 電源范圍/V 最大輸出電流 /A 內(nèi)部參考源 /V 輸出級(jí)形式 UC3842 1030V 單端 CW34063 單端 TL494 740 0.2 5 推挽或單端 SG3524 835 0.1 5 推挽 SG3525 835 0.5 5 推挽 LM2575 3.535 1 1.23 _,實(shí)際上就是一個(gè)脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器， 經(jīng)常也用于其它脈寬調(diào)制場(chǎng)合。,集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，一般有兩大類型。 一

26、類是包括開(kāi)關(guān)管在內(nèi)的單片集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器; 另一類稱為開(kāi)關(guān)電源控制器，它不包括開(kāi)關(guān)管。,3.2.1 集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器概述,各管腳功能簡(jiǎn)介如下: 1腳-COMP是內(nèi)部誤差放大器的輸出端，通常此腳與2腳之間接有反饋網(wǎng)絡(luò)，以確定誤差放大器的增益和頻響。 2腳-FEED BACK是反饋電壓輸入端，此腳與內(nèi)部誤差放大器同向輸入端的基準(zhǔn)電壓(一般為 2.5V)進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制電壓，控制脈沖的寬度。,3.2.2 UC3842的工作原理及應(yīng)用,3.2.2.1 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu),利用開(kāi)關(guān)電源控制器可以方便地構(gòu)成開(kāi)關(guān)電源。,3.2.2 UC3842的工作原理及應(yīng)用,3.2.2.1 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu),3腳

27、-ISENSE是電流傳感端。在外圍電路中，在功率開(kāi)關(guān)管(如VMos管)的源極串接一個(gè)小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉(zhuǎn)換成電壓，此電壓送入3腳，控制脈寬。此外，當(dāng)電源電壓異常時(shí)，功率開(kāi)關(guān)管的電流增大，當(dāng)取樣電阻上的電壓超過(guò)1V時(shí)，UC3842就停止輸出，有效地保護(hù)了功率開(kāi)關(guān)管。,圖3.4 PWM工作時(shí)序圖,PWM信號(hào)的上升沿由振蕩器下降沿決定，而PWM的下降沿由電感電流限值信號(hào)和誤差信號(hào)Ue共同決定，最大脈寬的下降沿受振蕩器上升沿控制。,3.2.2 UC3842的工作原理及應(yīng)用,3.2.2.1 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu),4腳-RT/CT是定時(shí)端.鋸齒波振蕩器外接定時(shí)電容C和定時(shí)電阻R的公共端

28、。 RT 5K f=1.72/RTCT 5腳-GND是接地。,3.2.2 UC3842的工作原理及應(yīng)用,3.2.2.1 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu),6腳-OUT是輸出端，此腳為圖滕柱式輸出，驅(qū)動(dòng)能力是lA。,圖騰柱結(jié)構(gòu)對(duì)被驅(qū)動(dòng)的功率管的關(guān)斷有利，因?yàn)楫?dāng)三極管VTl截止時(shí)，VT2導(dǎo)通，為功率管關(guān)斷時(shí)提供了低阻抗的反向抽取電流回路，加速功率管的關(guān)斷。,3.2.2 UC3842的工作原理及應(yīng)用,3.2.2.1 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu),7腳-Vcc是電源。當(dāng)供電電壓低于 16V時(shí)，UC3824不工作，此時(shí)耗電在1mA以下。輸入電壓可以通過(guò)一個(gè)大阻值電阻從高壓降壓獲得。芯片工作后，輸入電壓可在 10 30V

29、之間波動(dòng)，低于 10V停止工作。工作時(shí)耗電約為15mA。,3.2.2 UC3842的工作原理及應(yīng)用,3.2.2.1 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu),8腳-VREF是基準(zhǔn)電壓輸出，可輸出精確的 5V基準(zhǔn)電壓，電流可達(dá)50mA。,圖3.3 CW34063的原理框圖,CW34063是一個(gè)典型的性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源控制器，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.3所示。,3.2.3 CW34063的工作原理及應(yīng)用,(一)降壓式應(yīng)用電路,a）直接用于降壓b） 外接NPN晶體管擴(kuò)流電路 圖3.4 CW34063的降壓應(yīng)用電路,3.2.3 CW34063的工作原理及應(yīng)用,（二）升壓式應(yīng)用電路,（a）（b） a） 直接升壓式 b）外接NPN管擴(kuò)流式 圖3.5 CW34063的Boost converter,（三）反轉(zhuǎn)應(yīng)用電路,(a)(b) a） 直接變換式 b）外接PNP管擴(kuò)流式 圖3.6 CW34063的BuckBoost converter,SG3524開(kāi)關(guān)電源控制器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.7所示。,3.2.2 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源控制器SG3524,圖3.3 SG3524的內(nèi)部方框圖,它的內(nèi)部包括誤差放大器、限流保護(hù)環(huán)節(jié)、比較器、振蕩器、觸發(fā)器、輸出邏輯控制電路和輸出三極管等環(huán)節(jié)。,SG3524構(gòu)成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如圖3.4所示。,圖3.4 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源應(yīng)用電路,3524從11和