第一章开关电源的基础知识

1、第一章开关电源的基础知识,1.1开关电源组成及开关电源实例开关电源名词解释,1.2开关稳压电源的分类,1.3开关稳压电源的特点,1.4开关稳压电源的基本原理,1.5开关电源集成电路产品,1.1开关电源组成及开关电源实例,1.20世纪50年代：美国宇航局用于搭载火箭,2.20世纪80年代：计算机全面实现开关电源化,3.20世纪90年代：电子电器、家电广泛应用,发展史：,一、组成(脉宽调制型)：,调整管工作在开关状态,1.1开关电源组成及开关电源实例,二、工作原理：（调宽式）,1、输入和输出之间接开关调整管和储能电路。调整管周期性开、关，将能量输入储能电路，经均衡滤波后成为电压输出，输出电压的大小

2、，取决于调整管开关时间的长短。,2、调整管的开关状态受脉冲电压的控制，脉冲电压则由方波发生电路产生，并经脉冲调宽电路调制后得到。,3、取样比较电路将一部分输出电压和基准电压进行比较，当输出电压偏离正常值时，输出误差信号，对开关脉冲宽度进行调制。,例如：输出电压升高，脉宽变窄（即占空比D减小），调整管开启时间缩短，输入储能电路的能量减小，输出电压降低。反之亦然。,1.1开关电源组成及开关电源实例,三、一个具体的开关稳压电源工作原理：,储能电路：即续流滤波电路,储能电路组成：续流二极管储能电感储能滤波电容,1.1开关电源组成及开关电源实例,四、储能电路：,1、串联型：储能电感和负载相串联,、V饱和

3、导通时，VD截止，UI经V在L中产生电流iL向电容C充电。,、V截止时，L中的电流不能突变，产生左负右正的自感电动势，VD导通，续流电流iZ向电容C充电，将L中的磁能转换为电容C中的电能。,总之，调整管V导通期间，L储存磁能，并给电容C充电，同时向负载供电；调整管V截止期间，L释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。,根据储能电感的连接方式可分为：串联型并联型并联独立输出型,1.1开关电源组成及开关电源实例,2、并联型：储能电感和负载相并联,、V饱和导通时，VD截止，UI经V在L中产生电流iL，L储能。,、V截止时，L中的电流不能突变，产生上负下正的自感电动势，VD导通，续流电流iZ向电容C

4、充电，将L中的磁能转换为电容C中的电能。,总之，调整管V导通期间，L储存磁能，负载由电容C供电；调整管V截止期间，L释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。,并联型电路中，调整管承受的反峰电压为2UI，为串联型的两倍。,1.1开关电源组成及开关电源实例,3、并联独立输出型：通过续流电感的电磁耦合，实现隔离输出。（电源输入端不使用变压器、实现多种电压输出）,应用最多的一种电路形式,三极管V可使用功率场效应管,脉冲调宽、脉冲发生及误差信号的产生等可集成化例如TOP221TOP227,1.1开关电源组成及开关电源实例,五、三端单片开关集成稳压器及其应用,1.TOPSwitch简介：（TOP221T

5、OP227）,2.TOPSwitch工作原理：(参考开关电源原理方框图),三端器件,DIP8或SMT8封装,1.1开关电源组成及开关电源实例,3.TOPSwitch的应用电路：,并联独立输出型,1.1开关电源组成及开关电源实例,五、三端单片开关集成稳压器及其应用,工作原理说明：,1、单端型反激式开关电源：开关管导通时储能，开关管截止时，储能释放给负载。开关管和脉宽调制采用三端单片集成稳压器TOP221P，当221P内开关功率管导通时，N1上产生上正下负电压，N1储存能量。开关功率管截止时，N1上产生上负下正电压，N2产生上正下负电压，VD2导通，经C2、L、C3滤波后提供5V输出电压。UO1U

6、ZUF（LED正向压降）,2、N3上感应的交流电压经VD3整流、C4滤波，获12V电压为IC2中的光电三极管供电。稳压原理：例UO1IF（LED正向电流）IC（IC1控制电流)D（占空比）UO1,3、保护电路：R3、C1和VD1,4、自动启动时间控制：C50.83S,1.1开关电源组成及开关电源实例,五、三端单片开关集成稳压器及其应用,另一种并联独立输出型开关电源,开关由一个功率场效应管构成（兼脉冲发生），也称为单端型。脉宽调制等由集成电路UC3842完成。,开关管导通时储能，开关截止时，储能释放给负载，称为单端型反激式。开关管导通时间长，传输电能多，变压器次级绕组输出电压高、电流大。用PWM

7、控制功率开关管，就可以改变次级绕组输出的电压和电流，同时，使用闭环反馈可以稳定电压、电流或限制功率。,单端型反激式电路结构及工作原理：,D1：续流二极管,C：滤波电容,1.1开关电源组成及开关电源实例,V导通时，电流I通过L1，电流逐渐增加，产生变化磁场，L1中自感电动势上正下负，在次级绕组L2产生感应电压为上负下正，D1截止L1.储能,V截止时L1中电流不能突变，产生自感电动势下正上负，经电磁耦合，在L2中产生感应电压为上正下负，D1导通，感生电流从D1、RL构成闭合回路，L1储能得到释放。,另一种并联独立输出型开关电源,1.1开关电源组成及开关电源实例,脉宽调制集成电路UC3842简介,3

8、脚为最大电流限制，调整输出最大电流,7脚为电源正极,5脚为电源负极,6脚为脉冲输出直接驱动场效应管,2、4脚为电压反馈，可调节输出电压,4、8脚外接振荡电阻和振荡电容,另一种并联独立输出型开关电源,1.1开关电源组成及开关电源实例,单端反激式开关电源的应用智能型充电器（36V）,1.1开关电源组成及开关电源实例,1.1开关电源组成及开关电源实例,六、开关电源名词解释P.1-P.7,1.线性稳压电源：效率仅为35%45%,2.线性稳压器,3.开关电源：SMPS效率为75%90%,4.单片开关电源：,5.DC/DC变换器：,6.开关稳压器：,7.单片开关电源：,8.电压调整率Sv：输入电压在规定范

9、围内变化时，输出电压的变化率,9.负载调整率(电流调整率)SI：负载电流变化时，使输出电压保持恒定的能力。,10.输出电压精度：,11.电源效率：开关电源输出功率与输入功率的比值,12.待机电流：,13.占空比D：,1.1开关电源组成及开关电源实例,六、开关电源名词解释P.1-P.7,14.结温：,15.最高结温：,16.过热保护：,17.过压保护：,18.欠压保护：,19.过流保护：,20.电池极性反接保护：,21.瞬态响应：,1.1开关电源组成及开关电源实例,六、开关电源名词解释P.1-P.7,22.电源抑制比(纹波抑制比)：,23.输出噪声电压：,24.电磁干扰滤波器(EMI)：,25.

10、散热器：,(1).滤除从交流电网引入的外部电磁干扰,(2).避免开关电源本身向外部发出噪声干扰,作业,1.1画出调宽式开关电源的方框图，并简要其工作原理。,1.2什么叫电压调整率、负载调整率和电源效率？,1.2稳压电源的分类,一、集成稳压电源的分类,1.2稳压电源的分类,从电路原理划分，稳压器可分为：,(1).串联调整式线性性稳压器,(2).并联调整式线性性稳压器,(3).开关式稳压器,1.2稳压电源的分类,1.按激励方式分类,二、开关电源的分类,2.按控制原理(调制方式)分类,(1)脉宽调制型(PDM)开关电源,(2)脉频调制型(PFM)开关电源,(3)混合型开关电源,1.2稳压电源的分类,

11、二、开关电源的分类,(4)脉冲密度调制型(PDM)开关电源,脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压。,3.按功率开关管的类型分类,(1)晶体管型开关电源(GTR),(2)晶闸管型开关电源,(3)MOSFET型开关电源,1.2稳压电源的分类,(4)IGBT型开关电源,二、开关电源的分类,串联型：储能电感和负载相串联,V饱和导通时，VD截止，UI经V在L中产生电流iL向电容C充电。,V截止时，L中的电流不能突变，产生左负右正的自感电动势，VD导通，续流电流iZ向电容C充电，将L中的磁能转换为电容C中的电能。,总之，调整管V导通期间，L储存磁能，并给电容C充电，同时向负载供电；调整管V截止期间，L

12、释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。,4.按储能电感的连接方式分类,串联型并联型并联独立输出型,1.2稳压电源的分类,二、开关电源的分类,(2)、并联型：储能电感和负载相并联,V饱和导通时，VD截止，UI经V在L中产生电流iL，L储能。,V截止时，L中的电流不能突变，产生上负下正的自感电动势，VD导通，续流电流iZ向电容C充电，将L中的磁能转换为电容C中的电能。,总之，调整管V导通期间，L储存磁能，负载由电容C供电；调整管V截止期间，L释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。,4.按储能电感的连接方式分类,1.2稳压电源的分类,二、开关电源的分类,(3)并联独立输出型：通过续流电感的电

13、磁耦合，实现隔离输出。（电源输入端不使用变压器、实现多种电压输出）,应用最多的一种电路形式,三极管V可使用功率场效应管,脉冲调宽、脉冲发生及误差信号的产生等可集成化例如TOP221TOP227,4.按储能电感的连接方式分类,1.2稳压电源的分类,二、开关电源的分类,5.按功率开关管的连接方式分类,(1)单端正激式,(2)单端反激式,(3)推挽式,(4)半桥式,(5)全桥式,(1)单端正激式,(2)单端反激式,1.2稳压电源的分类,二、开关电源的分类,5.按功率开关管的连接方式分类,(3)推挽式,1.2稳压电源的分类,二、开关电源的分类,(1)单端正激式,(2)单端反激式,(3)推挽式,(4)半

14、桥式,(5)全桥式,5.按功率开关管的连接方式分类,(1)单端正激式,(2)单端反激式,(3)推挽式,(4)全桥式,(5)半桥式,(4)全桥式,1.2稳压电源的分类,二、开关电源的分类,5.按功率开关管的连接方式分类,(5)半桥式,1.2稳压电源的分类,二、开关电源的分类,(1)单端正激式,(2)单端反激式,(3)推挽式,(4)半桥式,(5)全桥式,6.按输入和输出电压的大小分类,(1)升压式开关电源,(2)降压式开关电源,(3)输出极性反转式开关电源,1.2稳压电源的分类,二、开关电源的分类,7.按工作方式分类,(1)可控硅整流型开关电源,(2)斩波型开关电源,(3)隔离型开关电源,8.按电

15、路结构分类,(1)分立式开关电源,(2)集成式开关电源,1.2稳压电源的分类,二、开关电源的分类,1.3开关电源与线性电源的比较,一、开关稳压电源的特点,1.开关稳压电源的优点,(1)功耗小，转换效率高,(2)体积小，重量轻,(3)稳压范围宽,(4)滤波电容小,(5)电路形式灵活多样,2.开关稳压电源的缺点,(1)电压调整率和负载调整率较差,(2)存在较严重的开关噪声和干扰,(3)电路复杂，不便于维修,1.3开关电源与线性电源的比较,二、开关电源与线性电源的比较P.14,作业,1.3按输入和输出电压的大小划分，开关电源有哪几类？,1.4开关电源有哪些优缺点？,1.4开关电源的基本工作原理,一、

16、开关电源的工作方式(调制方式),(1)脉宽调制型(PWM)开关电源,(2)脉频调制型(PFM)开关电源,(3)混合调制型(PWM+PFM)开关电源,(4)脉冲密度调制型(PDM)开关电源,脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压。,1.4开关电源的基本工作原理,二、脉宽调制控制器的基本原理,1.降压型开关稳压电源的PWM控制,(1).开关管V的导通期内，储能电感中电流的最大变化量为,(2).开关管V的截止期内，储能电感中电流的最大变化量为,(3).开关管V导通期与截止期能量转换的条件：,2.升压型开关稳压电源的PWM控制,(1).开关管V的导通期内，储能电感中电流的变化量为,(2).开关管V的

17、截止期内，储能电感中电流的变化量为,(3).开关管V导通期与截止期能量转换的条件：,1.4开关电源的基本工作原理,二、脉宽调制控制器的基本原理,(1).开关管V的导通期内，电感储存的能量：,(2).开关管V的截止期内，电感中的能量传给负载：,3.极性反转型开关稳压电源的PWM控制,结论：,.UO与Ui极性相反,.改变D可改变UO，稳定D可稳定UO,.D1-D时，即D0.5时，UOUiD1-D时，即D0.5时，UOUi,1.4开关电源的基本工作原理,二、脉宽调制控制器的基本原理,1.4开关电源的基本工作原理,降压、升压、极性反转式开关电源电路结构的比较,1.4开关电源的基本工作原理,二、脉宽调制控制器的基本原理,4.并联独立型开关稳压电源的PWM控制P.17,1.4开关电源的基本工作原