高效率开关电源设计实例.pdf
开关电源设计-高效率开关电源设计实例共57页
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
Байду номын сангаас
一种多路输出的高效率开关电源设计
一种多路输出的高效率开关电源设计李文豪;杜培德;尹华【摘要】With the development trend of the electronic system based on diversiifed functions, and the more compact structure, it is necessary that the switch mode power supply achieve multi-channel output to meet the employment under the required volume. According to this analysis, our paper gives a introduction about the working principle and the design method of the non-isolated DC/DC converter includes multi-channel based on TPS40055PWP controller and LMZ14203 power modules both from TI, focusing on the technical dififculties and the corresponding solutions in the development process. Finally a demo board was designed based on the topology. Both simulation and test results showed that the circuit met design speciifcations.%伴随着电子系统功能多元化、结构小型化的发展趋势，要求开关电源在满足体积的条件下，能够实现多路输出以满足系统使用要求。
基于单管正激式的高效率开关电源的设计
基于单管正激式的高效率开关电源的设计高效率开关电源是一种能够将输入电源有效地转换为所需输出电源的电力转换装置。
在实际应用中，高效率开关电源已经取代了传统的线性电源，更广泛地应用于各个领域。
一种常见的高效率开关电源设计是基于单管正激式的设计。
该设计方案具有简单、成本低廉、效率高等特点。
该设计方案的核心元件是一只功率MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）。
该MOS管作为开关，能够根据控制信号开启或关闭，从而实现电源的稳定输出。
MOS管的导通损耗较小，能够在高频率下工作，因此能够提高电源的转换效率。
设计方案的第一步是根据需要确定输入电源的范围和输出电源的需求。
通过采集输入电源的直流电压，可以确定MOS管的工作区间，从而选择合适的MOS管。
接下来，设计师需要根据输出电源的需求确定转换电路。
转换电路的核心是开关频率发生器，用于控制MOS管的开关频率。
开关频率的选择需要考虑到输出电源的负载特性和所需的转换效率。
通常情况下，开关频率越高，转换效率越高，但开关损耗也会增加。
在设计过程中，还需要考虑到输出电源的稳定性和电源滤波的问题。
稳压器是非常重要的一个模块，用于确保输出电压的稳定性。
电源滤波是为了减少开关频率带来的干扰和噪音，提高输出电源的纯净度。
最后，设计师需要进行电路模拟和实验验证。
通过电路模拟软件，可以模拟不同工作条件下的电源转换效率和稳定性。
随后，可以通过实验验证电路的性能，并对其进行调整和优化。
总结起来，基于单管正激式的高效率开关电源设计是一项复杂但非常有挑战性的任务。
设计师需要充分了解输入电源和输出电源的需求，合理选择核心元件和电路拓扑，进行模拟和实验验证，最终实现高效率的电源转换。
这种设计方案在各个领域中都有着广泛的应用前景。
一种多路输出的高效率开关电源设计
（ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ Ｃ ｏ ｒ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｎ ｏ ． ２ ４ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ， Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ ４ ０ ０ ０ ６ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
摘 要 ：伴 随着 电子 系统 功 能 多 元化 、 结构 小型 化 的 发展 趋 势 ，要 求 开 关 电源在 满足 体 积 的 条件下 ，能够 实现 多路 输 出以满 足 系统 使 用要 求 。针 对 该 分析 ，文章介 绍 了一 种 基 于Ｔ Ｉ 公 司的
Ｔ Ｐ Ｓ ４ ０ ０ ５ ５ Ｐ ＷＰ控 制 器及Ｌ ＭＺ １ ４ ２ ０ ３ 电源模 块开 发 的多路 非 隔 离ＤＣ ／ ＤＣ变换 器的工作原理 及设 计方
Ａ Ｈｉ ｇ ｈ － － ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎｃ ｙ Ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈ－ － Ｍｏ ｄ ｅ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｓｕ ｐｐ ｌ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｆ ｏ ｒ Ｍ ｕｌ ｉ－ ｔ － ｃ ｈａ ｎｎ ｅ ｌ Ｏｕｔ ｐｕ ｔ
ＬＩ Ｗｅ ｎ ｈ ａ ｏ ， ＤＵ Ｐｅ ｉ ｄ ｅ ， ＹＩ Ｎ Ｈｕ ａ
法 ，重 点阐述 了该型 变换 器在研 制过程 中的技 术难点及其解决 办法。最后 采 用该方案设 计 了一 个实
验 电路 。仿真和实验 电路 测试 结果表 明，分析设计满足要 求。
关键词 ：同步整流 ；Ｂ ｕ ｃ ｋ ；正 负电源输 出；多路 中图分类号 ：Ｔ Ｎ ４ ０ ２ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ６ ８ １ — １ ０ ７ ０（ ２ ０ １ ３ ）１ １ － ０ ０ ２ ４ － ０ ４
开关电源原理与设计pdf
开关电源原理与设计pdf
开关电源原理与设计 pdf，是一本介绍开关电源基本原理和设计
技术的电子书。
开关电源是一种高效、稳定、可靠的电源，广泛应用
于各种电子设备和系统中。
本书从理论和实践两个方面深入介绍了开
关电源的设计和应用。
本书首先介绍了电源基本原理，包括直流电源、交流电源、稳压
电源和调节电源等。
然后详细介绍了开关电源的原理和结构，包括开
关电源的工作原理、PWM调制原理、开关管驱动电路、控制电路和输出滤波电路等，为读者了解开关电源提供了全面深入的基础知识。
本书还介绍了开关电源设计的关键技术，包括电源开关管的选型、电感和电容的设计、输出滤波电路的设计、保护电路的设计等。
通过
实例分析和仿真实验，深入研究了各种开关电源的应用，如DC-DC变
换器、AC-DC变换器和DC-AC逆变器等，具有极高的实用价值和指导意义。
在本书的编写过程中，作者精心设计了许多实例，为读者提供了
大量的实战经验。
此外，作者还提供了许多实用工具和软件，如开关
电源计算器和仿真软件等，方便读者进行实验和研究。
本书涵盖了开关电源的各个方面，从基础理论到具体设计都进行
了全面介绍，可供电子技术工程师、电力工程师、研究人员和学生参
考使用。
本书的阅读水平较高，需要读者具备一定的电子基础知识和
实践能力。
但是，无论是初学者还是专业人士，都能从中获取到丰富和有益的知识，为电子设备和系统的开发和设计提供有力的支持。
开关电源技术与设计pdf
开关电源技术与设计pdf开关电源技术与设计一直是电子工程师需要掌握的核心技术之一。
在电源电子学中，开关电源是一种将直流电变成所需电压的电路，广泛应用于计算机、通信、工业控制、家用电器等领域。
本文将对开关电源技术与设计进行简要介绍。
一、开关电源技术简介开关电源技术是利用开关管的导通和截止来改变电路的导通状态，通过变换电路元器件的电容、电感和电阻等特性来实现所需电流与电压变化的电路技术。
开关电源技术的最大特点是具有高效率、小体积、高可靠性和灵活性等优势。
二、开关电源设计要点1.开关管的选择：开关管是开关电源设计的核心元器件，选择适合的开关管能够使开关电源的效率和可靠性得到保证。
同时需要充分考虑开关管的耐压、导通电阻和开关速度等因素。
2.输出滤波电路：开关电源输出会产生噪声和干扰信号，需要通过输出滤波电路来减小这些干扰。
常见的输出滤波电路包括低通滤波器和Pi 型滤波器。
3.稳压控制电路：开关电源需要稳定的电压输出，需要通过稳压控制电路来实现。
常见的稳压控制电路包括线性稳压器和开关稳压器。
4.过流过压保护电路：在电路工作过程中，可能会出现过流或过压现象，需要具备相应的保护电路来避免由此带来的危险。
常见的过流过压保护电路包括电流保护器和限流电路。
5.开关电源的散热设计：由于开关电源功率密度较高，会产生大量的热量，需要通过散热设计来保证电路正常运行。
常见的散热设计包括散热器的选择和散热片的设计。
三、开关电源常见故障及排除方法1.输出电压不稳定：可以检查稳压控制电路是否正常，输出滤波电路是否失效。
2.开关管损坏：检查开关管的选型是否合适，开关管的驱动电路是否正常。
3.电路启动不正常：可以检查开关管是否导通，控制电路是否启动。
四、开关电源的未来发展趋势随着新能源、智能家居、工业自动化等领域的不断拓展，开关电源将会以更高效、更小型、更智能的形式得到广泛应用。
在新材料、新工艺的技术驱动下，开关电源的未来发展趋势将会更加多样化和创新化。
高效率开关电源设计分解
状态4：初级电流转换到主开关
状态4：初级电流转换到主开关
如图4(d)，Q2关断，箝位电容C终止充电， 漏感、激磁电感的能量释放到CA并在主开 关Q1导通前降到低电压，这样可以使主开 关在零电压开通。 状态2到状态4的转移时间由电路参数的选 择和工作条件决定，这要求一个可设置一 个开关导通另一个开关关断之间的延时的 控制器适应这些瞬变。
5. 有源箝位变换器的设计实例
优点
1、在整个输入电压范围内箝位主开关电压接近恒 值，因而减小了主开关的应力。 2、提供有源通道以循环变压器中的漏感和激磁电 感能量，改进功率变换效率。 3、正激变换器的变压器铁心在箝位期间的复位可 使变压器工作在BH曲线的第一和第三象限以获得 更高的磁利用率。 4、对于宽的输入电压范围，可以有更高的占空比 并增加变压器初/次级的匝比。减小了初级侧元件 的电流应力和次级侧元件的电压应力，导致了更 低的工作损耗。 5、如果激磁电路能量充足，主开关的零电压开关 是可能的。 6、允许更高的工作频率以获得更高的功率密度并 减小产品体积。
3.3V输出整流电路部分
PFC电感
4A有效值、6A峰值、600μH； 磁芯：PQ3230，气隙：1.9mm 骨架：PC-B3230（12管脚） 电感量：550~650 μH； 匝数：74匝、26号线4股并饶；
待机电源变压器
开关频率：65kHz； 磁芯：E25/10/6； 气隙：0.25mm； 电感量：2.5~2.8mH； 骨架：E24-25PCB-10
5V输出卸载的测试波形
5V输出加载的测试波形
12V（V1）输出卸载的测试波形
12V（V1）输出加载的测试波形
12V（V2）输出卸载的测试波形
12V（V2）输出加载的测试波形
如何设计高效率开关电源
如何设计高效率开关电源开关电源中广泛用于我们的生活中，高效率的开关电源越来越受市场的青睐。
如何提高电源效率，成了电源设计时的重大课题。
本文将为你解读NTC 热敏电阻的使用方法，以及通过减小NTC 自身损耗提升电源效率的方法。
下图是一个较为完整的开关电源框架图：包括EMI 电路，输入，输出整流电路，PFC 电路，PWM 驱动电路,保护电路，变压器转换等。
想要提高开关电源的效率，首先需要了解开关电源在工作中存在哪些地方的损耗。
开关电源的损耗主要有输入整流器损耗，开关管损耗和缓冲电路损耗，控制，检测驱动和保护电路损耗，变压器和电感损耗，滤波电容器的损耗，多级电源变换的损耗，不合理控制方式的损耗，线路损耗等。
如何使用用继电器减小热敏电阻(NTC)损耗：在AC-DC 的开关电源设计中，工程师常常会在到AC 输入端加个热敏电阻（NTC ）来降低电源启动时浪涌电流冲击给电源带来的损害。
事实上热敏电阻在电源正常工作后电流持续流过会给电源带来一定的损耗。
比如使用一个25℃时为10Ω的NTC 热敏电阻，假设滤波电容的等效串联电阻为1Ω，那么浪涌电流的大小将相应的降到十分之一左右，可见NTC 的阻值越大限制浪涌电流的效果越好。
但是NTC 得阻值越大相对应的给电源带来的损耗也就越高。
如下图所示电路：LN上图所示的是一个输出100W 的AC-DC 电源前端电路的一部分，假设Z1使用一个25℃时为10Ω的NTC,在刚接通电源时，NTC 电阻将会有2W 左右的功率损耗：I 平均=P 总/V 有效值=100w/200V=0.45AP损耗=I平2*R=0.45A*0.45A*10=2W随后随着电流流过NTC热敏电阻，温度逐步升高，使用负温度系数的电阻在温度达到85℃的时候，电阻将会降到2Ω左右，在热敏电阻上长期损耗将会在0.4W左右。
假设100W 开关电源效率为80%，那么热敏电阻上损耗的占比将会是[0.4W/(100W/0.8)]*100%=0.32%。
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高效率开关电源设计实例--10W同步整流B u c k变换器
以下设计实例中，包含了各种技巧来提高开关电源的总体效率。
有源钳位和元损吸收电路的设计主
要依靠经验来完成的，所以不在这里介绍。
采用新技术时必须小心，因为很多是有专利的，可能需要直接付专利费给专利持有人，或在购买每
一片控制IC芯片时，支付附加费用。
在将这些电源引入生产前，请注意这个问题。
10W同步整流Buck变换器
应用
此设计实例是PWM设计实例1的再设计，它包括了如何设计同步整流器(板载的10W降压Buck
变换器)。
在设计同步整流开关电源时，必须仔细选择控制IC。
为了效率最高和体积最小，一般同步控制器在
系统性能上各有千秋，使得控制器只是在供应商提到的应用场合中性能较好。
很多运行性能的微妙
之处不能确定，除非认真读过数据手册。
例如，每当作者试图设计一个同步整流变换器，并试图使
用现成买来的IC芯片时，3／4设计会被丢弃。
这是因为买来的芯片功能或工作模式往往无法改变。
更不用说，当发现现成方案不能满足需求时，是令人沮丧的(见图20的电路图)。
设计指标
输入电压范围： DC+10～+14V
输出电压： DC+5.0V
额定输出电流： 2.0A
过电流限制： 3.0A
输出纹波电压： +30mV(峰峰值)
输出调整：±1％
最大工作温度： +40℃
“黑箱”预估值
输出功率： +5.0V*2A=10.0W(最大)
输入功率： Pout/估计效率=10.0W／0.90=11.1W
功率开关损耗 (11.1W-10W) * 0．5=0.5W
续流二极管损耗： (1l.lW-10W)*0.5=0.5W
输入平均电流
低输入电压时 11.1W／10V=1.1lA
高输入电压时： 11.1W／14V=0．8A
估计峰值电流： 1．4Iout(rated)=1．4×2．0A=2．8A
设计工作频率为300kHz。
电感设计(参见正激式滤波扼流圈的设计)
最恶劣的工作情况是在高输入电压时。
式中 Vin(max)——可能的最大输入电压。
Vout——输出电压。
Iout(min)——最小负载时的电流。
f sw ——工作频率。
电感是个环形表面封装元件，市场上有多种标准表面封装的电感，这里选择的是Coileraft公司的D03340P-333(33μH)。
功率开关和同步整流器MOSFET的选择
功率开关：功率开关要用一个变压器耦合的N沟道功率MOSFET。
这里打算使用一个S0-8封装的双N 沟道MOSFET，以节省PCB空间。
最大输入电压是DCl4V。
因此，可以选用V DSS不低于DC+30V、峰值电流是2．8A的MOSFET。
选择过程的第一步是确定所用MOSFET的最大R DS（on），通过热模型可以确定这个值，最大的R DS(on)可由下式得到：同时希望器件的耗散功率小于1W，所以估计的R DS(on)应小于所以选FDS6912A双N沟道MOSFET，它是S0-8封装，10V栅极电压时的导通电阻为28mΩ。
同步二极管：要用一个大约是同步MOSFET连续额定容量的30％的肖特基二极管与MOSFET内部二极管并联，30V时约为0．66A。
这里使用MBRSl30，该二极管在流过0．66A时有0．35V的正向压降。
可替换的元件：在写本书时，仙童半导体公司出品了一个集成的肖特基二极管和MOSFET，肖特基二极管直接并在MOSFET的硅片上(syncFET)。
SyncFET有一个40mΩN沟道MOSFET，与一个28mΩSyncFET 一起封装，型号为FDS6982S。
输出电容(参见输出级的设计)
输出电容值由下列公式确定：
输入和输出滤波电容主要考虑的是流入电容的纹波电流。
在这个实例中，纹波电流和电感交流电流是相同的，电感电流最大值限定在2．8A，纹波电流峰峰值为1．8A，有效值大约为O．6A(约为峰峰值的1／3)。
采用表面安装钽电容，因为它的ESR只有电解电容的10％～20％。
在环境温度+85。
C=时，电容将降额30％使用。