第1章 开关电源概论

MAX668/MAX669

1.8V to 28V Input, PWM Step-Up Controllers in μMAX
The MAX668/MAX669 constantfrequency, Pulse-width modulating(PWM), current-mode DC-DC controllers are designed for a wide range of DC-DC conversion applications including step-up, SEPIC, flyback, and isolated output configurations.
开关电源主要特点
• 如果间接直流变流电路输入端的直流电源是由 交流电网整流得来，所构成的交－直－交－直 电路，通常被称为开关电源。 • 由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节， 变压器和滤波器都大大减小，体积和重量都远 小于相控整流电源。 • 工作频率的提高有利于控制性能的提高。
开关稳压电路的特点
产品性能要素 实用性能：功能、环境、技术性能/价格比 可靠性能：使用寿命、可维护性 安全性能：
电源产品属性与分类
直流电源类 （电压源、电流源）
线性直流稳压电源
高频开关电源
实验电源
特种仪表电源
电解电源 充电系统 …
通信电源 电力操作电源 工控电源 仪器仪表电源 民用电源
电源产品属性与分类
UPS、EPS 变频器
交流电源
中频电源
逆变器
脉冲电源
电子镇流器
化学电源 我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍 氢、锂离子电池均属于化学电源。
在充电电池材料方面，美国研制人员发现锰的一
种碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放电时
间长，多次充电后仍保持性能良好的环保型充电
电池。
电能变换型式
交流→直流：整流器 直流→交流：逆变器 交流→交流：变频器 直流→直流：高低电压等级变换 、V/I及I/V变换 电能变换涉及到的若干问题： 效率、体积重量、可靠性、干扰、性能、安全性、 成本
开关电源技术 Switched-Mode Power Supply Technology
三峡大学电气与新能源学院 蒋冰华
课程的性质、目的与任务

《开关电源技术》是电气信息类专业方向的一门任选课。 本课程要求学生学习DC/DC高频开关电源工作原理与工程 设计方法。

内容包括PWM变换器和软开关PWM变换器的电路拓扑、原 理、控制及动态分析等；功率M0SFET、IGBT、MCT等功率 半导体器件的特性与应用；集成控制电路；磁元件特性 与设计计算方法；开关电源中有源功率因数校正，同步 整流与并联均流等技术。
T
io C RL
RL
Uo
(b)
图
并联型开关稳压电源原理示意图
(a) 换能电路原理图 (b) 开关管T导通时的的等效电路 (c) 开关管T截止时的的等效电路
采用集成PWM电路的开关电源
集成脉宽调制器(PWM)电路将基准电压源、三角波电压 发生器、比较器等集成到一块芯片上，制成各种封装 的集成电路， 特点是：能使电路简化、使用方便、工作可靠、性能 提高。
串联开关型稳压电路
当uB为高电平时，T饱和导通，D因承受反偏电压而截止，电 感L存储能量，电容C充电；发射极电位uE=UI-UCES≈UI。 当uB为低电平时，T截止，此时虽然发射极电流为零，但是L 释放能量，其感生电动势使D导通，与此同时C放电，负载电 流方向不变，uE=-UD≈0。
(2). 串联开关型稳压电路的组成
主要教学内容：
前言 第1章 绪论 第2章 PWM开关电路拓扑 第3章 软开关技术 第4章 开关电源控制系统的原理 第5章 常用电力电子器件 第6章 无源器件 第7章 功率电路的设计 第8章 控制电路的设计 第9章 功率因数校正技术 第10章 开关电源的电磁兼容 第11章 开关电源设计实例
主要教学要求：
电源产品属性与分类
传统直流电源电路的组成 电能变换型式 现代电源技术构成 电力电子变换新技术及其在电源中的应用
6.
7. 8. 9.
开关稳压电路的特点和分类
串联开关型稳压电路 并联开关型稳压电路 集成式脉冲调制开关稳压器电路
1 电源产品属性与分类
电源产品属性 实际需要: 供变电: AC/DC 、DC/AC、DC/DC、AC、脉冲 备用电: UPS、EPS、直流储能系统 电力品质改善: 无功补偿、谐波滤波、交流稳压 电力驱动系统：机车电源 综合能源利用: 风能、太阳能、海洋能
单片开关电源OP202Y设计的高精度开关稳压电源
1N4001
D1 ~ D4
C1
220 μF
R1 20 k C 2
100 nF
Tr
D7 FR 306
12 V
R3
51 k
C6
100 μF
TOP202 C 1 S 2 D 3
D5
D6
C3
510
R5
C7
0.1 μF
TL43 3 1
1 2
Rw 10 k
• 由于功耗小，机内温升低，带来了整机的稳定性和 可靠性提高。对电网的适应能力也有较大的提高。 • 如一般串联稳压电源允许电网波动范围为 220V+10%，而开关型稳压电源在电网电压从 110V--260V范围内变化时，都可获得稳定的输 出电压。
开关稳压电路的分类
开关型稳压电源的分类： • 按调整管与负载的连接方式可分为串联型和并联型。
半桥式、全桥式等多种； 根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分 成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种； 如果从用途上来分，还可以分成更多种类。


变压器开关电源的最大优点：

可以同时输出多组不同数值的电压。

改变输出电压和输出电流很容易，只需改变变压器的匝
数比和漆包线截面积的大小即可； 另外，变压器初、次级互相隔离，不需共用同一个地。
• 稳压电路：避免电源输出电压随电网电压、负载以
及电路工作的环境温度的变化而变化；维持输出电压 的稳定。
• 滤波电路：去掉整流电路输出的直流电中的纹波，
得到比较平滑的直流电，主要利用贮能元件电容、电 感实现。
线性稳压电源的工作原理 线性稳压电源：
优点：优良的纹波及动态响应特性； 缺点： （1）输入采用50Hz工频变压器，体积庞大； （2）电压调整器件工作在线性放大区内,损耗大,效率低； （3）过载能力差。
电力电子变换新技术及其在电源中的应用
• • • • • • • 软开关技术： 矢量控制技术 谐波/基波检测、瞬时无功测量 交流无绳动态均流 电池能量在线测试 谐振型、多电平逆变器 DSP及高性能微处理器实时控制算法程序
稳压电源的工作原理 稳压电源：通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。 1)、线性稳压电源： 指起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的 直流稳压电源。 2)、开关稳压电源： 简称开关电源(Switching Power Supply)，指起电 压调整功能的器件始终以开关方式工作的一种直流 稳压电源。
线性稳压电源方框图
开关电源定义及主要特点
• 开关型稳压电源就是采用功率半导体器件作为 开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。 • 开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠； • 缺点相对于线性电源来说纹波较大（一般 ≤1%VO(P-P)，好的可做到十几mV(P-P)或更小)。 • 它的功率可自几瓦－几千瓦均有产品。

因此，变压器开关电源也有人把它称为离线式开关电源。。
串联开关型稳压电路
串联开关型稳压电路调整管与负载串联，输出电压总是小 于输入电压，故称为降压型稳压电路。
(1).换能电路的基本原理 输入电压UI是未经稳压的直流电压；晶体管T为调整管，即 开关管；电压uB为矩形波，控制开关管的工作状态；L和电容 C组成滤波电路，D为续流二极管。
传统直流电源电路的组成
直流电源电路的基本功能是将交流电转变为单方向的直流电 的转换电路。
从结构来看，有四个部分组成，分别是降压电路、整流电路、
滤波电路和稳压电路。
各电路部分功能：
• 降压电路：将电网电压降为所需要的交流电压，主
要器件是降压变压器。
• 整流电路：将交流电变化为单方向脉动的直流电， 主要利用二极管的单向导电性实现。
(3).串联开关型稳压电路工作原理
在换能电路中 ，如果
电感L数值太小，在Ton 期 间储能不足，那么在Toff
还未结束时，能量已经放
尽，将导致输出电压为零 ，出现台阶，这是不允许 的。
并联型开关电源的工作原理
L
D
L
uTon
D
L
uToff
D
T
Ui
uB
(a)
Uo
Ui
C
RL
iL
T
io C
U o Ui
iL
采用PWM的开关电源，既可以降压，又可以升压，既可以把市 电直接转换成需要的直流电压（AC－DC变换），还可以用于 使用电池供电的便携设备(DC－DC变换)。
采用MAX668的PWM电路
Ui 3 ~ 5 V
68 μF
L1 4.7 μH
C9
D1
T
8 6 9 1
MBRS340T
U o 12 V / 1A
R2
C5 47 μF
C4
6.2
0.1 μF
4N 35
FU N L
R4
10 k
65~265VAC
0.1 μF
图
TOP Switch 构成的稳压电源
例
集成式脉冲调制开关稳压器电路
• 按稳压的控制方式可分为脉冲宽度调制型（PWM）、
脉冲频率调制型（PFM）和混合调制（即脉宽-频率调 制）型。 • 按调整管是否参与振荡可分为自激式和他激式。 • 按使用开关管的类型可分为晶体管、VMOS管和晶闸