开关电源的结构和基本原理

A：一次电源产品的图片（AC/DC）
10
B：工业电源产品的图片—标准产品（AC/DC）
11
C：：工业电源产品的图片（AC/DC）
13
F：二次电源产品的图片（DC/DC）--标准转换类
Full Brick
Half Brick
1/4 Brick
1/8 Brick
流过负载的平均电流为
IO
2 2V2 πRL

0.9V2 RL

VO RL
流过二极管的平均电流为
ID

IL 2

2V2 0.45V2
πRL
RL
二极管所承受的最大反向电压 VDmax 2V2
动画5-4
4.滤波电路
滤波的基本概念：
利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。
电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应 该并联在负载两端。
整流 滤波
开关调 整管
储能 元件
脉冲整 流滤波
比较 放大
取样 电路
功能：将220V交流电
压转换为电路所需要的
基准
各种稳定的直流电。
图2-1 高频变压器开关电源基本功能框图
2.2 输入共轭滤波及整流 2.2.1、进线抗电磁干扰电路（EMI）
• 1.电路组成：由一个线圈和两个电容组成
220V 市电
S1
当负半周时二极管D2、D4导通， 在负载电阻上得到正弦波的负半周。
在负载电阻上正负半周经过合成， 得到的是同一个方向的单向脉动电压。
3.负载上的直流电压和直流电流
输出电压是单相脉动电压。通 常用它的平均值与直流电压等效。
输出平均电压为
1 π
VO π 0
2V2
sin
td
t

22 π
V2

0.9V2
一种是用锯齿波近似表示，即
VO
2V2
(1

T 4 RLC
)
另一种是在RLC=(35)T/ 2的条件下，近似 认为VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好
的效果，工程上也通常应满足RLC≥6~10。）
7. 220V交流电压整流滤波后直流电压的检测
来自共 轭滤波 器的
220V 交流电 压
正常值为290V左右
在当刚v2到过达909°0°时时，，正v弦2开曲始线下降 的下速降率。很先慢假。设所二以极刚管过关9断0，°时 二电极容管C就仍要然以导指通数。规在律超向过90°
后速负 始的率载点某越的Ｒ个来放L放点越电电，快速。，正率指二弦很数极曲大放管线。电关下起断降。的
所以，在t1到t2时刻，二极管
导电，Ｃ充电，vC=vL按正弦规律
变化；t2到t3时刻二极管关断， vC=vL按指数曲线下降，放电时间 常数为RLC。
图2.4电容滤波波形图
需要指出的是，当
放电时间常数RLC增加时， t1点要右移， t2点要左移， 二极管关断时间加长，
导通角减小，见曲线3；
反之，RLC减少时，导通
角增加。显然，当ＲL很
小，即IL很大时，电容滤
波的效果不好，见滤波曲线
交流电压500V档
5.常用EMI电路:
通常有两级EMI
图2.3 两级EMI电路图
2.2.2、高压整流滤波电路
1.电路组成：
由一个全桥（由四个二极管组 成）和两个高压电解电容组成。把 220V交流市电转换成290V直流电。
图2.3单相桥式整流电路
2.整流电路工作原理
当正半周时，二极管D1、D3 导通，在负载电阻上得到正弦波的 正半周。
中的2。反之，当ＲL很大，
图2.5 电容滤波的效果
即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好, 见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。
问题：有Ｃ无ＲL即空载，此时VC=VO=？
6.电容滤波的计算
电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输 出电压的因素较多。一般常采用以下近似 估算法：
L2
C1 0.1u
C02 0.1u
至整流滤 波电路
F1 T2.5A
图2-2 EMI原理图
• 2.作用：双向滤波
– 避免电网供电线引入高频脉冲影响电子电路； – 防止开关电源对电网造成污染。
3.工作原理：
对高频干扰信号而言，电容呈短路，而电 感则呈开路。高频干扰被电容短路。
220V 市电
S1
L C1 0.1u
青岛科技大学
总目录
第一章 概论(1课时) 第二章 开关电源的基本原理 (2课时) 第三章 开关电路的PWM控制原理(2课时) 第四章 电路拓扑的使用选择(2课时) 第五章 元器件的实用选择(2课时) 第六章 软开关新技术(2课时)
高频开关电源设计
自动化与电子工程学院 电子信息科学与技术教研室
一、 概论
图1-4 晶体管串联式开关稳压电源
随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢 复二极管及其它元器件的电压得到很大的提高，这为取消 稳压电源中的工频变压器，发展高频开关电源创造了条件。
它使电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了 一步。
图1-5 无工频变压器的开关电源原理框图
常见开关电源图片
– 电源调整管工作在放大状态; – 效率低，损耗大，温升高。
• 开关电源：
– 电源调整管工作在开关状态的电源 ; – 具有高功率密度、重量轻、体积小。
电源调整管
开关管K
输入
负载RL
输入
储能 元件
负载 RL
图1-1串联线性电源模型图
图1-2开关电源模型图
1.1.3 开关电源的分类：
• 按变换方式可分为下列四大类：
直流电压500V档
2.3非隔离式开关电源工作过程
对于输入与输出电压之间不需隔离，只用一个工作开关管 VT和电感L、二极管D、电容C组成的变换器电路最基本的为 如下三种，其原理电路如图2.6所示。
（1）串联开关或降压 变换器（buck converter）
（2）并联开关或升压 变换器（boost converter）
U 01

1 C
ton ton / 2
U (
in
U0 L
t

Uin U0 2L
ton )dt

U in U 0 8LC
t
2 on

U in U 0 8LC

U (
0TS
U in
)2
U 02

U0 8CL
t
2 off
2.3.2并联开关（升压Boost）变换器 设计计算
（3）串—并联开关 或降、升压变换器 （buck-boost converter）
图2.6 非隔离式的DC→DC变换电路
调整输出电压的方法：
Vi
Vk
Vo
t
t
t
ton T
Vi
K
电压
Vk 变换器
Vo
RL
占空比
VO =
ton T
·Vi =D·Vi
• 只要改变开关脉冲的“占空比”，就可以 改变输出电压的高低。
中心思想：用提高工作频率等手段来提高电源的功率 密度，进而达到减少变压器的体积和重量的目的。采 用开关变换的显著优点是大大提高了电能的转换效率， 典型的开关电源效率为70%-80%，
稳定原理：依赖对脉冲宽度的改变来实现输出电压 的稳定，称做脉宽调制PWM。
2.1 高频开关电源的基本结构
共轭滤
波器
220V交流 电压输入
6
1.2 直流稳压电源 1.2.1 直流稳压电源的发展
直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。 传统的稳压电源是采用串联式线性转换方法设计制作的。
图1-3 晶体管串联式线性稳压电源
当今计算机及自动化设备上大多数控制电源都向低压大 电流、高效率、重量轻、体积小的方向发展。在这种要求面 前首先得到发展的是晶体管串联式开关稳压电源。
+290V VT
L
D
C
RL
图2.5（a)串联型开关电源基本电路
• 电路中VT为开关管，工作于开关状态（VT饱 和导通时相当于一只接通的开关，VT截止时 相当于一只断开的开关）。
• 电感L和电容C为储能元件。 • RL为电源的负载。 • D为续流二极管，它在开关管截止时导通，
保证电感L中的电流不中断。
• 可见负载电流由电感电流与电容放电电流两路同时 提供。
• 虽然开关管截止了，但是负载电流并没有中断。
2.3.1串联开关（降压）变换器设计计算
（一）在开关VT导通期间
iL1

U in
L
U0
t

I Lmin
I Lmax

Uin U0 L
ton

I Lmin
a） 电路拓扑 b）工作波形
图2.7 Buck converter
右负的自感电动势，负载两端电压等于290V电源 电压与L两端自感电动势之差。
L
+290V
VT
IL
ID
C
D
IC
RL
图2.5 （c)开关管截止时的等效电路
• 开关管截止时，由于电感线圈中电流的突然中断， 将在电感L两端产生左负右正的自感电动势，该自 感电动势使续流二极管D导通，形成电流回路。
• 同时，电容C也通过RL放电。
• 在具体电路中，可以使开关脉冲频率固定， 改变开关管导通时间ton而改变输出电压高 低。这种电源称为“调宽式”开关电源。 PWM
• 也可以使开关管截止时间不变，只改变开 关管导通时间长短而改变输出电压高低。 这种电源称为“调频调宽”式开关电源。 PFM