开关电源概述.ppt
1.开关电源概述,主要内容,1.1线性稳压电源与开关稳压电源1.2降压型开关电源1.3升压型开关电源 1.4极性反转型开关电源1.5开关电源中的控制、驱动和保护电路1.6开关电源中的器件1.7开关电源中的材料,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,1.1.1 线性稳压电源,图1-1线性稳压电源原理图,1.1.2 开关稳压电源,图1-2开关稳压电源原理图,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,逆变器,直流变换器,1.开关稳压电源的结构,1.1.2 开关稳压电源,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,2.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，线性调整率高,(4)滤波电容小,(5)电路形式灵活多样,3.开关稳压电源的缺点,(1)存在较严重的开关噪声和干扰,(2)电路复杂，不便于维修,(3)成本高，可靠性低,1.1.3 开关稳压电源的发展,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,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：,1.1.3 开关稳压电源的发展,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,1.小型化、薄型化、轻量化、高频化,发展趋势：,2.高可靠性、集成化,3.低噪声，采用谐振回路技术,4.提高电磁兼容性(EMC),5.提高智能化程度,1.1.4 开关稳压电源的种类,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,1.按激励方式分类,1.1.4 开关稳压电源的种类,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,2.按调制方式分类,(1)脉宽调制型开关电源,(2)脉频调制型开关电源,(3)混合型开关电源,1.1.4 开关稳压电源的种类,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,3.按功率开关管的类型分类,(1)晶体管型开关电源,(2)晶闸管型开关电源,(3)MOSFET型开关电源,(4)IGBT型开关电源,图1-4 按功率开关管的类型分类,(1)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释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。,1.1.4 开关稳压电源的种类,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,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,(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。,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。,1.1.4 开关稳压电源的种类,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,4.按储能电感的连接方式分类,(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TOP221TOP227,1.1.4 开关稳压电源的种类,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,4.按储能电感的连接方式分类,1.1.4 开关稳压电源的种类,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,3.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,图1-6 按功率开关管的连接方式分类(a)(b),(5)全桥式,(1)单端正激式,(2)单端反激式,1.1.4 开关稳压电源的种类,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,3.按功率开关管的连接方式分类,(1)单端正激式,(2)单端正激式,(3)推挽式,(4)全桥式,图1-6 按功率开关管的连接方式分类(c),(5)半桥式,(3)推挽式,1.1.4 开关稳压电源的种类,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,3.按功率开关管的连接方式分类,(1)单端正激式,(2)单端正激式,(3)推挽式,(4)全桥式,图1-6 按功率开关管的连接方式分类(e),(5)半桥式,(4)全桥式,1.1.4 开关稳压电源的种类,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,3.按功率开关管的连接方式分类,(1)单端正激式,(2)单端正激式,(3)推挽式,(4)全桥式,图1-6 按功率开关管的连接方式分类(d),(5)半桥式,(5)半桥式,1.1.4 开关稳压电源的种类,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,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,图1-7升压式开关电源,1.1.4 开关稳压电源的种类,1.1线性稳压电源与开关稳压电源,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.按电路结构分类,(1)分立式开关电源,(2)集成式开关电源,1.2.1降压型开关稳压电源的电路结构,1.2降压型开关稳压电源,图1-8降压式开关电源,1.2.2降压型开关稳压电源的工作原理,1.2降压型开关稳压电源,图1-8降压式开关电源,(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：,1.2.3降压型开关稳压电源重要参数的计算,1.2降压型开关稳压电源,1.输出纹波UO 的计算,UO1：开关管V导通时间内滤波电容C上电压的变化量,UO2：开关管V截止时间内滤波电容C上电压的变化量,图1-2,1.2.3降压型开关稳压电源重要参数的计算,1.2降压型开关稳压电源,1.输出纹波UO 的计算,实际输出的纹波还包括电网工频纹波电压和高频功率转换产生的寄生纹波电压,减少纹波电压的方法：,(1).采用肖特基二极管或快恢复二极管,(2).采用阻容吸收网络,图1-10采用阻容吸收网络,(3).串接小容量电感,1.2.3降压型开关稳压电源重要参数的计算,1.2降压型开关稳压电源,2.功率开关管V功率损耗P的计算(四段计算),3.功率开关管V功率损耗P的计算(四段计算),.转换效率与开关管V的功率损耗PZ成反比,.转换效率与储能电感L上的功率损耗成反比,.转换效率与输入电流Ii 和输入电压Ui成正比,1.2.4降压型开关稳压电源的设计(P.22),1.2降压型开关稳压电源,1.功率开关管V的选择,2.续流二极管VD的选择,3.储能电感L的选择,4输出滤波电容C的选择,IGBT或MOSFET或GTR,1.3.1升压型开关稳压电源的电路结构,1.3升压型开关稳压电源,图1-14升压型开关电源,1.3.2升压型开关稳压电源的工作原理,1.3升压型开关稳压电源,图1-14升压型开关电源,(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：,1.3.3升压型开关稳压电源的设计(P.28),1.3升压型开关稳压电源,1.功率开关管V的选择,2.续流二极管VD的选择,4.储能电感L的选择,3.输出滤波电容C的选择,Uceo、Ic、Pc,1.4.1极性反转型开关稳压电源的电路结构,1.4极性反转型开关稳压电源,图1-15极性反转型开关电源,(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：,图1-15极性反转型开关电源,1.4.3极性反转型开关稳压电源的设计(P.33),1.4极性反转型开关稳压电源,图1-14升压型开关电源(a),图1-15极性反转型开关电源(a),有关极性反转型开关稳压电源的设计与升压型开关稳压电源除极性相反外，其它基本相同。,1.5.1控制电路,1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路,1.组成,2.作用,3.要求,1.5.2驱动电路,1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路,1.对驱动信号波形的要求,P.35,1.5.2驱动电路,1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路,2.驱动电路的种类,1.5.2驱动电路,1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路,3.驱动电路的设计,P.37,1.5.3保护电路(P.37),1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路,1.对保护电路的要求,2.保护电路的种类,(1).过流保护电路,(2).过压保护电路,(3).欠压保护电路,(4).过热保护电路,(5).开机软启动保护电路,1.5.3保护电路,1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路,3.实际应用中的保护电路,(1).实际应用中的过流保护电路,图1-26MT230SE计算机开关电源中的过流保护电路,1.5.3保护电路,1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路,3.实际应用中的保护电路,(2).实际应用中的过压保护电路,图1-27彩电开关电源中的过压保护电路,1.5.3保护电路,1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路,3.实际应用中的保护电路,(3).实际应用中的欠压保护电路,图1-28 MT230SE计算机开关电源中的欠压保护电路,(4).实际应用中的过热保护电路,1.5.3保护电路,1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路,3.实际应用中的保护电路,(5).实际应用中的开机软启动保护电路,图1-29 MT230SE计算机开关电源中的 开机软启动保护电路,图1-30 投影仪溴钨灯开关电源中的 开机软启动保护电路,1.6.1功率开关管的二次击穿问题(P.42),1.6开关电源中的几个重要问题,图1-31 功率开关管的击穿特性曲线,1.6.2开关稳压电源中的整流和滤波问题(P.45),1.一次整流和滤波问题,(1).一次整流电路,图1-35(a)一次整流和一次滤波电路,1.6开关电源中的几个重要问题,1.6.2开关稳压电源中的整流和滤波问题(P.45),1.一次整流和滤波问题,(2).一次滤波电路,图1-35(b)一次整流和一次滤波电路,2.二次整流和滤波问题,2.二次整流和滤波问题(P.55),1.6开关电源中的几个重要问题,1.6.2开关稳压电源中的整流和滤波问题,图1-39(a)(b)二次整流和二次滤波电路,2.二次整流和滤波问题(P.55),1.6开关电源中的几个重要问题,1.6.2开关稳压电源中的整流和滤波问题,图1-39(c)(d)(e)(f)二次整流电路,2.二次整流和滤波问题(P.56),1.6开关电源中的几个重要问题,1.6.2开关稳压电源中的整流和滤波问题,图1-40 各种各样的二次整流电路,2.二次整流和滤波问题(P.58),1.6开关电源中的几个重要问题,1.6.2开关稳压电源中的整流和滤波问题,图1-41 有源滤波器电路,1.接地问题(P.58),1.6开关电源中的几个重要问题,1.6.3开关稳压电源中的接地、隔离和屏蔽问题,2.隔离与耦合技术(P.60),(1).光电耦合技术,图1-44 具有一路光耦合器的开关稳压电源电路,1.6开关电源中的几个重要问题,1.6.3开关稳压电源中的接地、隔离和屏蔽问题,2.隔离与耦合技术(P.60),(1).光电耦合技术,图1-45 具有两路光耦合器的开关稳压电源电路,1.6开关电源中的几个重要问题,1.6.3开关稳压电源中的接地、隔离和屏蔽问题,2.隔离与耦合技术(P.60),(2).变压器磁耦合技术,图1-46 使用一个单独变压器进行耦合的开关稳压电源电路,1.6开关电源中的几个重要问题,1.6.3开关稳压电源中的接地、隔离和屏蔽问题,2.隔离与耦合技术(P.60),(2).变压器磁耦合技术,图1-47 具有耦合变压器，又具有副激励绕组的开关稳压电源电路,1.6开关电源中的几个重要问题,1.6.3开关稳压电源中的接地、隔离和屏蔽问题,2.隔离与耦合技术(P.65),(3).光电与磁混合耦合技术,图1-50 具有光电和磁混合耦合技术的开关稳压电源电路,1.6开关电源中的几个重要问题,1.6.3开关稳压电源中的接地、隔离和屏蔽问题,2.隔离与耦合技术(P.65),(4).直接耦合技术,图1-51 采用直接耦合技术的DC/DC变换器电路,1.6开关电源中的几个重要问题,1.6.3开关稳压电源中的接地、隔离和屏蔽问题,2.隔离与耦合技术(P.65),(4).直接耦合技术,图1-52 采用直接耦合技术构成的多路输出的开关稳压电源,1.6开关电源中的几个重要问题,1.6.3开关稳压电源中的接地、隔离和屏蔽问题,3.屏蔽技术(P.67),(1).软屏蔽技术,设计时，采取有效的电路技术(如共模滤波技术、差模滤波技术、双向滤波技术、低通滤波技术等),图1-53 单级双向滤波器,(2).硬屏蔽技术(P.72),设计一个屏蔽罩实现较完善的屏蔽。,1.6开关电源中的几个重要问题,1.6.4开关稳压电源中的PCB布线问题(P.75),1.PCB布线 的设计流程术,2.参数设置,3.无器件布局,4.PCB设计原则,5.散热问题的解决,6.接地极的设计,7.PCB漏电流的考虑,8.开关稳压电源中几种基本电路的布线方法(P.80),1.7.1功率开关变压器的工作状态(P.83),1.7磁性材料、磁性结构、漆包线、功率开关变压器,1.7.2磁性材料与磁性结构的选择(P.84),1.7.3漏感和分布电容的计算(P.91),1.7.4趋肤效应(P.96),1.7.5磁性的材料的磁特性(P.98),1.7.6功率开关变压器绕组导线规格的确定(P.83),1.7.7绝缘材料以及功率开关变压器所选骨架材料(P.117),1.7.8功率开关变压器的装配与绝缘处理(P.121),1.8开关电源中的主要元器件,1.8.1二极管,开关电源中的主要元器件,1.8.2功率晶体管,开关电源中的主要元器件,1.8.3功率MOS场效应管,开关电源中的主要元器件,1.8.4绝缘栅双极型晶体管,开关电源中的主要元器件,1.8.4绝缘栅双极型晶体管,开关电源中的主要元器件,1.8.5光电耦合器,开关电源中的主要元器件,1.8.5光电耦合器,开关电源中的主要元器件,1.8.6精密可调基准电源TL431,开关电源中的主要元器件,1.8.6精密可调基准电源TL431,开关电源中的主要元器件,1.8.7厚膜电路,开关电源中的主要元器件,1.8.7厚膜电路,开关电源中的主要元器件,1.8.8开关电源中的电容器,
