开关电源基础知识(隔离与非隔离式)
开关模式电源基础知识解析
开关模式电源（Switch Mode Power Supply，简称SMPS），又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。
其功能是将一个位准的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。
开关电源的输入多半是交流电源（例如市电）或是直流电源，而输出多半是需要直流电源的设备，例如个人电脑，而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。
开关电源不同于线性电源，开关电源利用的切换晶体管多半是在全开模式（饱和区）及全闭模式（截止区）之间切换，这两个模式都有低耗散的特点，切换之间的转换会有较高的耗散，但时间很短，因此比较节省能源，产生废热较少。
理想上，开关电源本身是不会消耗电能的。
电压稳压是透过调整晶体管导通及断路的时间来达到。
相反的，线性电源在产生输出电压的过程中，晶体管工作在放大区，本身也会消耗电能。
开关电源的高转换效率是其一大优点，而且因为开关电源工作频率高，可以使用小尺寸、轻重量的变压器，因此开关电源也会比线性电源的尺寸要小，重量也会比较轻。
若电源的高效率、体积及重量是考虑重点时，开关电源比线性电源要好。
不过开关电源比较复杂，内部晶体管会频繁切换，若切换电流尚加以处理，可能会产生噪声及电磁干扰影响其他设备，而且若开关电源没有特别设计，其电源功率因数可能不高。
主要用途开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯带，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。
主要类型现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。
这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。
直流开关电源的核心是DC/DC转换器。
TI_开关电源基础知识
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转换器效率和损耗
“损耗” = 任何从输入吸收而未传送至输出的能量
MOSFET • 开关损耗 • 栅极驱动损耗 • 传导损耗
无源组件 • L：绕组和磁芯损耗 • 阻性损耗 • 电容器 ESR 损耗
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反激式转换器特性
缺点：
• 高输出纹波电流。 • 高输入纹波电流。 • 环路带宽可能受限于右半平面 (RHP) 零点。
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反激式的优点及应用
采用最简单的隔离式拓扑，因而具有最低的成本 使用了数量最少的功率组件：4 个 最为人们所了解、 实现的数量最多而且得到最广泛支持 的拓扑之一
由于上述原因，对于功率范围 <150W 的应用而言 反激式转换器是一种上佳的选择
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将脉冲输出电压转换为稳定的电压
需要某种将在开关接通期间存储能量而在开关切断 时提供此能量的手段 在电子行业中有两种主要储能器件：电容器和电感 器
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实例：简化的降压开关电源
S1 L1 输出 输入 C1
控制器
D1
C2
RL
VO = VIN · DC
输入电容器 (C1) 用于使输入电压平稳 输出电容器 (C2) 负责使输出电压平稳 箝位二极管 (D1) 在开关开路时为电感器提供一条电流通路 电感器 (L1) 用于存储即将传送至负载的能量
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滞环模式控制
FET 的接通和关断基于输出电压的检测
开关式 (Bang-Bang) 控制：输出电压始终恰好高于或低于理想设定点 比较器迟滞用于保持可预测的操作并避免开关“跳动”。
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脉冲跳跃 / 省电模式
在轻负载时，PWM 转换器能自动切换至一种“低功耗”模 式以最大限度地减少电池电流消耗 该模式有时被称为“PFM”– 但实际上是一个间歇式地接通 和关断的固定频率 (PWM) 转换器
开关电源拓扑结构详解
开关电源拓扑结构详解主回路——开关电源中，功率电流流经的通路。
主回路一般包含了开关电源中的开入端和负载端。
开关电源（直流变换器）的类型很多，在研究开发或者维修电源系统时，全面了解开关电源主回路的各种基本类型，以及工作原理，具有极其重要的意义。
开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。
1. 非隔离式电路的类型：非隔离——输入端与输出端电气相通，没有隔离。
1.1. 串联式结构串联——在主回路中开关器件（下图中所示的开关三极管T）与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。
开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电，当开关管T关断时，电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通，电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。
串联式结构，只能获得低于输入电压的输出电压，因此为降压式变换。
例如buck 拓扑型开关电源就是属于串联式的开关电源。
上图是在图1-1-a电路的基础上，增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。
其中L是储能滤波电感，它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过，防止输入电压Ui直接加到负载R上，对负载R进行电压冲击，同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关T关断期间Toff把磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输出；C是储能滤波电容，它的作用是在控制开关K接通期间Ton把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储，然后在控制开关K关断期间Toff把电荷转化成电流继续向负载R提供能量输出；D是整流二极管，主要功能是续流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制开关关断期间Toff，给储能滤波电感L释放能量提供电流通路。
在控制开关关断期间Toff，储能电感L将产生反电动势，流过储能电感L的电流iL由反电动势eL的正极流出，通过负载R，再经过续流二极管D的正极，然后从续流二极管D的负极流出，最后回到反电动势eL的负极。
隔离非隔离三种常用LED驱动电源详解
三种常用LED驱动电源详解时间：2014-5-30LED电源有很多种类，各类电源的质量、价格差异非常大，这也是影响产品质量及价格的重要因素之一。
LED驱动电源通常可以分为三大类，一是开关恒流源，二是线性IC电源，三是阻容降压电源。
1、开关恒流源采用变压器将高压变为低压，并进行整流滤波，以便输出稳定的低压直流电。
开关恒流源又分隔离式电源和非隔离式电源，隔离是指输出高低电压隔离，安全性非常高，所以对外壳绝缘性要求不高。
非隔离安全性稍差，但成本也相对低，传统节能灯就是采用非隔离电源，采用绝缘塑料外壳防护。
开关电源的安全性相对较高（一般是输出低压），性能稳定，缺点是电路复杂、价格较高。
开关电源技术成熟，性能稳定，是目前LED照明的主流电源。
图1：开关恒流隔离式日光灯管电源图2：开关恒流隔离式电源原理图图3：开关恒流非隔离式球泡灯电源图4：开关恒流非隔离式电源原理图2、线性IC电源采用一个IC或多个IC来分配电压，电子元器件种类少，功率因数、电源效率非常高，不需要电解电容，寿命长，成本低。
缺点是输出高压非隔离，有频闪，要求外壳做好防触电隔离保护。
市面上宣称无（去）电解电容，超长寿命的，均是采用线性IC电源。
IC驱电源具有高可靠性，高效率低成本优势，是未来理想的LED驱动电源。
图5：线性IC电源图6：线性IC电源原理图3、阻容降压电源采用一个电容通过其充放电来提供驱动电流，电路简单，成本低，但性能差，稳定性差，在电网电压波动时及容易烧坏LED，同时输出高压非隔离，要求绝缘防护外壳。
功率因数低，寿命短，一般只适于经济型小功率产品（5W以内）。
功率高的产品，输出电流大，电容不能提供大电流，否则容易烧坏，另外国家对高功率灯具的功率因数有要求，即7W以上的功率因数要求大于0.7，但是阻容降压电源远远达不到（一般在0.2-0.3之间），所以高功率产品不宜采用阻容降压电源。
市场上，要求不高的低端型的产品，几乎全部是采用阻容降压电源，另外，一些高功率的便宜的低端产品，也是采用阻容降压电源。
开关电源基础知识(隔离与非隔离式)
隔离式与非隔离式非隔离式拓扑这里所给的图形示出了三种基础型的DC-DC 电源转换器拓扑 主要局限–它们未在输入和输出之间提供电隔离•许多应用中都期望提供这种电隔离 基于这三种拓扑，推导出了其他的常用拓扑：•反激式•正激式•推挽式•半桥式•全桥式许多应用中都需要输入/输出隔离。
隔离可切断无用信号的传播路径，优势如下：保护人员、设备免遭感应在隔离另一端的危险瞬态电压损害 去除隔离电路之间的接地环路以改善抗噪声能力。
在系统中轻松完成输出接线，而不与主接地发生冲突。
•这些图形示出了两种最简单的隔离式拓扑：正激式和反激式。
黄色阴影区域是基础型拓扑的附加部分。
正激式/ 反激式拓扑比较Feature Forward正激Flyback反激输入滤波中等，脉冲中等，脉冲输出滤波从电感器提供低的连续输出电流高的脉冲输出电流需要采用大的输出电容器效率中等低至中等多输出能力有，耦合输出电感器设计会很困难有，利用谨慎的变压器设计实现了优良的交叉调节成本中等低，无输出电感器典型功率范围20 –400W< 150W复杂性中等，需要变压器复位低优点：•采用一个耦合电感器来充当隔离变压器并用于储能。
•输入和输出地是隔离的。
•利用占空比和匝数比来实现电压的降低或提升。
•易于实现多个输出。
•不需要采用一个单独的输出电感器。
•最适合较低的功率级别。
缺点：•高输出纹波电流。
•高输入纹波电流。
•环路带宽可能受限于右半平面(RHP) 零点。
反激式的优点及应用采用最简单的隔离式拓扑，因而具有最低的成本使用了数量最少的功率组件：4 个最为人们所了解、实现的数量最多而且得到最广泛支持的拓扑之一由于上述原因，对于功率范围<150W 的应用而言反激式转换器是一种上佳的选择重要的波形稳态分析必须选择合适的反激式转换器组件，以便能够处理必要的电流和电压应力。
这些应力由前一章节里给出的公式确定。
所有这些应力均与变压器有关：匝数比、电感。
该图示说明了针对反激式变压器的基本要求。
隔离电源和非隔离电源的区别
电源隔离与非隔离的区别我们从以下四个方面来比较隔离电源与非隔离电源：1.安全性先介绍下什么是隔离吧，隔离电源是指输入和输出通过变压器实现电气连接的，变压器的转换过程是：电-磁-电，没有和大地连接，所以不会发生触电危险。
而非隔离电路是输入电源通过升降压之后直接加在了LED负载上，有触电危险。
所以要过什么UL,CE......这些安规认证，非隔离就麻烦了，绝缘及爬电距离不够，只能从灯具物理结构设计了。
灯管是可以接受的，也有全塑的，但球泡这类基本是铝外壳这样PCB板与外壳得加强绝缘，本来球泡电源可用空间极小，这样再加上严格的爬电要求，很难做。
作为一个让最终用户能安全使用的产品，一定会考虑绝缘与隔离的可靠性。
2.性能非隔离由于少了变压的能损耗，效率一般能达到91%以上，而且有更高的功率因素。
而隔离一般能效在88%，视功率而定，所以隔离电源发热也比较大。
非隔离拥有更少的元器件稳定性却比较差，可是为什么呢？原因是非隔离电路对于浪涌十分敏感，抑制能力差。
事实上就是指非隔离电源,在批量出货时，返修率高于隔离LED驱动电源,大都是因为炸坏。
而隔离电源炸坏的机率要小不少，非隔离的一般在2%至3%左右。
很多电网电压不稳，非隔离会300V直通输出，击坏芯片，烧坏LED负载。
隔离也会，现象就是芯片，MOS管，恒流环路全烧坏，但隔离相对少得多。
所以非隔离防浪涌的压敏电阻必不可少，没有压敏能质保的都是浮云。
3.成本与体积相比隔离电源，非隔离电源主要是减少了变压器，以最少的用料来设计架构，做到相同的产品功能，所以非隔离成本有较大的优势。
这估计就是非隔离电源在中国很吃香的原因了。
4.带载范围一般来讲隔离电源的输出带载范围为30-42V，非隔离带载范围可以为30-84V。
众多LED厂家在选择电源的时候为了整体的适应性都要求电源能够适应全电压90-265V输入，带载范围也要求高达84V,这样的选择是存在一定风险和隐患的。
90V输入的时候电源可能丧失恒流功能，THD这些。
(整理)开关电源电路拓扑结构的选择
开关电源电路拓扑结构的选择2009-04-26 10:58:30| 分类：硬件设计-从头开| 标签：|字号大中小订阅开关电源（直流变换器）的类型很多，从输入输出有无隔离角度，开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。
这两种类型中又各自包含有不同的电路拓扑种类。
每种结构都有各自的特点，适用于不同的应用场合，下边将对各种开关电源拓扑结构简要叙述和比较。
1. 非隔离式开关电源拓扑结构非隔离式电路是指输入端与输出端电气相通，没有隔离。
非隔离式又可分串联式结构、并联式结构和极性反转式结构三种电路拓扑结构，这三种电路拓扑结构有各自的特点，工作过程不一样，应用场合也不一样。
（1）串联式结构特点和工作原理图3所示为串联式结构，这种结构的特点是:在主回路中开关器件T与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。
开关管T交替工作于导通/关断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T及电感器L 对负载供电，并同时对电感器L充电，当开关管T关断时，电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通，电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载RL继续供电，从而保证了负载端获得。
图3串联式开关稳压电路主回路串联式结构中，输出电压与输入电压成线性关系，其表达式为Vo≈Vi×D，D为开关器件T的占空比，D越大输出越大，其最大值为1，因此串联式结构只能获得低于输入电压的输出电压，只适合于降压式变换。
（2）并联式结构特点和工作原理图4所示为并联式结构，并联式结构与串联式结构有相同的组成部分，只是他们的位置被重新布置了一下。
这种结构的特点是:在主回路中开关器件T与输出端负载成并联连接的关系。
开关管T交替工作于导通/关断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载RL靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，输入端电源电压与电感器L中的自感电动势正向叠加后，通过续流二极管D对负载RL供电，并同时对电容器C充电。
隔离与非隔离的区别
电路隔离的好处，大概很多筒子都能说出一二，但具体到某类应用，隔离能带来的好处、缺点到底有哪些？或许很多筒子不清楚，这里转发一篇文章，详细解释了隔离与非隔离的区别，顺带分享咱们而定iCoupler隔离技术及解决方案~隔离与非隔离的区别主要在于隔离稳压器输入电路与输出电路是不共地的，而非隔离式的是共地的。
一般来说，非隔离的都有原边和副边的电感绕组，而隔离式的只有单个的电感。
在大功率和对地线干扰防护要求比较高的时候使用隔离式的，在比较简单和体积要求比较紧张的场合使用非隔离式的。
线性电源如果是指线性调整输出模块(LDO)，那么这个线性模块一定是非隔离式的，所以电源芯片是否是隔离稳压器与线性电源和开关电源没有关系。
隔离与非隔离都是开关电源中的两种大的分类。
下面的资料可以供你参考，你就很明白知道电源模块隔离和非隔离的区别了。
在你在选择隔离和非隔离电源模块时，要很清楚的了解你对电源的需求，和可靠性。
•隔离模块的可靠性高，但成本高，效率差点。
•非隔离模块的结构很简单，成本低，效率高，安全性能差。
•串行通信总线通过RS-232、RS-485和控制器局域网(CAN)等物理网络传送数据，应用领域涉及工业过程控制、供电电源调节(稳压)以及计算机间的点对点通信。
这些相互连接的系统每个都配备有自己的电源，而且各系统之间往往间隔较远。
正因为如此，我们通常需要采取电气隔离措施来确保系统的物理安全，并且需要切断接地回路，来保护系统免受瞬态高电压冲击，同时减少信号失真。
隔离可以保护系统免受由线路电涌或接地回路引起的高电压和大电流损害，这种情况在包含多个接地通路的系统中极有可能发生。
各系统被长线缆相隔，它们的地电势可能并不相等，因此两个系统之间会产生地电流。
如果不采取隔离措施，这个电流将会在系统中引入噪声、降低测量精度甚至毁坏系统元件。
工业环境中，电机的启动和关闭、静电放电或近距离雷击都会把电流通过感应耦合到长距离线缆中，从而引起地电位发生快速改变，这种变化经常高达数百甚至数千伏。
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重要的波形
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稳态分析
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反激式转换器设计问题
必须选择合适的反激式转换器组件，以便能够处理 必要的电流和电压应力。这些应力由前一章节里给 出的公式确定。 所有这些应力均与变压器有关：匝数比、电感。
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反激式转换器设计问题
该图示说明了针对反激式变压器的基本要求。 请注意，由于集肤效应的原因，在高开关频率变压器中需要采 用多股细导线。为使操作在较宽的负载范围内保持于连续导通 模式，需要高电感。由于使用了较高的电感，初级和次级电路 中的纹波电流都将较低。
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谢谢!
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反激式转换器特性
缺点：
• 高输出纹波电流。 • 高输入纹波电流。 • 环路带宽可能受限于右半平面 (RHP) 零点。
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反激式的优点及应用
采用最简单的隔离式拓扑，因而具有最低的成本 使用了数量最少的功率组件：4 个 最为人们所了解、 实现的数量最多而且得到最广泛支持 的拓扑之一
由于上述原因，对于功率范围 <150W 的应用而言 反激式转换器是一种上佳的选择
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正激式 / 反激式拓扑比较
Feature Forward正激 Flyback反激
输入滤波 输出滤波 效率 多输出能力 成本
中等，脉冲 从电感器提供低的连续 输出电流 中等 有，耦合输出电感器设 计会很困难 中等
中等，脉冲 高的脉冲输出电流需要采用 大的输出电容器 低至中等 有，利用谨慎的变压器设计 实现了优良的交叉调节 低，无输出电感器 < 150W 低
隔离式与非隔离式
非隔离式拓扑
这里所给的图形示出了三种基 础型的 DC-DC 电源转换器拓扑 主要局限 – 它们未在输入和输 出之间提供电隔离
• 许多应用中都期望提供这种电隔离
基于这三种拓扑，推导出了其 他的常用拓扑：
• • • • • 反激式 正激式 推挽式 半桥式 全桥式
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隔离式拓扑
许多应用中都需要输入/输出隔离。隔离可切断无用信号 的传播路径，优势如下： 保护人员、设备免遭感应在隔离另一端的危险瞬态电压损害 去除隔离电路之间的接地环路以改善抗噪声能力。 在系统中轻松完成输出接线，而不与主接地发生冲突。
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隔离式拓扑
•
这些图形示出了两种最简单的隔离式拓扑：正激式和反 激式。黄色阴影区域是基础型拓扑的附加部分。
下面所示的电路基于 LM5020 演示板。
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反激式电路实例(非隔离反激式设计)
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结论
反激式拓扑是适合隔离式电源的最简单拓扑。大多数应 用是在通信和以太网供电 (PoE) 领域，这里的功率级 别低于 50W, 现在，802.11 AF, AT之外的POE电源标 准还未发布。 讨论了反激式工作原理并介绍了稳态分析，旨在提供设 计指引。 主要的设计问题是反激式电源变压器。 采用一个实例来演示设计。 环路补偿简单，比例积分即可。
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典型功率范围 20 – 400W 复杂性 中等，需要变压器复位
反激式转换器特性
优点：
• 采用一个耦合电感器来充当隔 离变压器并用于储能。 • 输入和输出地是隔离的。 • 利用占空比和匝数比来实现电 压的降低或提升。 • 易于实现多个输出。 • 不需要采用一个单独的输出电 感器。 • 最适合较低的功率级别。
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实例 – 设计规范
一项设计总是从制定设计 规范开始的，包括输入电压 范围、功率级别、输出电压 等等。占空比和开关频率一 般都是预先确定的。通常而 言，采用一个介于 200 kHz 和 300 kHz 之间的开关频率 可以很好地兼顾开关损耗与 滤波器要求。
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反激式电路实例(非隔离反激式设计)