电流型开关电源的开关电源系统
《开关电源电路设计》课件
目录
• 开关电源概述 • 开关电源电路设计基础 • 开关电源性能分析与优化 • 开关电源的故障诊断与维护 • 开关电源的未来发展与挑战
01
开关电源概述
开关电源的定义与特点
总结词
开关电源是一种将电能进行转换的装置，通过控制开关管的工作状态，将电能 从一种形式转换为另一种形式。
开关电源的基本原理是通过控制开关管的工作状态， 将输入的直流电压转换成高频脉冲电压，再通过滤波 和稳压电路转换成稳定的直流电压输出。开关电源主 要由输入电路、控制电路、输出电路和开关管组成。Fra bibliotek详细描述
开关电源的基本原理是通过控制开关管的工作状态， 将输入的直流电压转换成高频脉冲电压，再通过滤波 和稳压电路转换成稳定的直流电压输出。开关电源主 要由输入电路、控制电路、输出电路和开关管组成。 输入电路的作用是滤除噪声并保护电路；控制电路则 负责调节和稳定输出电压；输出电路则起到滤波和稳 压的作用；而开关管则是实现电能转换的核心元件。
03
开关电源性能分析与优化
效率与热设计
效率分析
分析开关电源的效率，探究效率 与电路参数、工作状态的关系， 提出提高效率的方法。
热设计
研究开关电源的发热问题，分析 热源分布、散热方式，提出有效 的散热方案。
电磁兼容性分析
电磁干扰源
识别开关电源中的电磁干扰源，分析其产生机理和传播途径 。
电磁兼容标准
整流电路设计
整流电路的作用
将交流电转换为直流电，为开关电源提供直流输入。
整流电路的组成
由整流二极管或整流桥堆等整流元件组成。
整流电路的设计要点
根据输入电压的波形和大小，选择合适的整流元件，确定整流电路 的输出电压和电流。
LM2611开关电源电路的应用技巧
LM2611开关电源电路的应用技巧LM2611是一款电流型PWM反向开关调整器，宽泛的2.7V~14V的输入范围，具有产生达-22V电压输出的调整器，SOT23-5封装。
其分为如表1所示的A和B两个等级。
表1 LM2611的两个等级LM2611在5V输入及-5V输出时可提供300mA的电流输出。
图1所示为一典型电路，要求输入为5.5V~6.5V，输出为-5V、200mA。
图1 LM2611的典型应用电路在通常情况下电路工作正常，但在一些特殊环境下它是否仍然满足系统要求，需作以下具体的分析。
应用分析在室温环境下电路可以正常工作，但当环境温度增高到50℃时，开关机可发现LM2611会在不当应用中产生热保护，使其没有输出。
LM2611的热保护结温为163℃，热阻θJa为265℃/W(见数据手册)，当环境温度为25℃时，其最大功耗P D为：P D=(T Jmax-T A)/θJa=(163-25)/265mW=0.52mW其中，T J为结温，T A为环境温度。
图2 导通电阻R DS(ON)与环境温度的关系(V IN=5V )但温度为50℃时，P D为(163-50)/265mW=0.43mW。
也就是说，随着温度的升高，芯片的功耗容量降低。
另一方面，LM2611内部的开关管导通电阻也随温度升高而变大，如图2所示，温度每升高10℃，导通电阻大约增加0.026Ω。
根据数据手册，25℃时导通电阻R DS(ON)为0.5Ω，允许误差范围最大到0.65Ω。
考虑极端情况，25℃时R DS(ON)为0.65Ω，50℃时R DS(ON)为0.715(典型值应为0.615Ω)，相对变化为43%。
即相对25℃时的典型值，在50℃的最大误差时的值，R DS(ON)提高了43%。
由于开关管的功耗为电流的平方乘以导通电阻，也即开关管的功耗相对提高43%。
一方面高温带来的芯片最大功耗容量降低，而另一方面高温引起芯片的实际功耗增大，从中我们不难看出产生热保护的几率在提高。
开关电源设计
一个比较好的解决方案是：以轻巧的高频变压器取代笨重的工频变压器，采用脉冲调制技术的直流--直流变换器型稳压电源，即我们马上就要讲到的开关电源。
开关电源具有管耗小、效率高、稳压范围宽及体积小、重量轻等优点，目前已在各种电子仪器和设备、航空和宇宙飞行器、发射机、电子计算机、通讯设备和电视机、录放像机等中得到了广泛应用。
开关电源按变换方式可分为以下四大类：1、AC/DC 开关电源2、DC/DC 开关电源3、DC/AC 逆变器4、AC/AC 变频器目前只将前面两类称为开关电源，将后面两类分别称为逆变器和变频器。
开关电源按应用方式可分为以下三大类：1、外置电源与设备分开放置的电源模块或电源系统，如：---通信用一次电源模块和系统---电力操作电源模块和系统---手机电池充电器---笔记本电脑的Adapter---各类手提设备、便携设备的电池充电器等等2、内置电源放在设备内部的电源模块或电源系统，如：---计算机内部的SilverBox和VRM---家电(如：普通电视机、等离子电视机、液晶电视机)内部的供电电源---工业控制设备内部的电源---仪器中使用的电源---通信设备内部的电源模块和系统---复印机、传真机、打印机等的内部电源等等3、板上电源放在设备内单板上的电源模块，如：---标准砖类电源(全砖、半砖、1/4砖、1/8砖)---非隔离POL(Point of Load 负载点)变换器---VRM(V oltage regulator module电压调节模块)和VRD(V oltage regulator down)---小功率SMD电源---SIP和DIP电源等等开发一个开关电源产品所需要的基本技能：1、认识组成开关电源的所有元器件2、掌握各种元器件的电气性能和电路符号3、会自己制作各种磁芯元件4、会正确装配电源中的各个部分5、了解电源各项指标的意义并掌握如何测试的方法6、会使用仪器对装配后的电源进行正确的调试，优化和折中7、会对获得的实验结果进行分析，并进行总结8、会从不同渠道不断地学习电源知识并能够和别人交流开发一个开关电源产品所需要的专业理论知识：1、有源PFC的拓扑分析，控制与设计2、DC/DC功率变换器的拓扑与稳态分析3、开关电源的功率级参数设计4、开关电源的控制与动态分析5、开关电源的小信号分析与设计6、开关电源的大信号分析与设计7、开关电源的EMI分析与设计8、开关电源的热分析与设计9、开关电源的容差分析与设计10、开关电源的各种保护技术11、开关电源的同步整流技术12、开关电源的模块均流控制技术有些技术很成熟了，只要查表或者使用现成电路或专用芯片就可以做好。
【很完整】牛人教你开关电源各功能部分原理分析、计算与选型
【很完整】⽜⼈教你开关电源各功能部分原理分析、计算与选型1 开关电源介绍此⽂档是作为张占松⾼级开关电源设计之后的强化培训，基于计划安排，由申⼯讲解了变压器设计之后，在此⽂章中简单带过变压器设计原理，重点讲解电路⼯作原理和设计过程中关键器件计算与选型。
开关电源的⼯作过程相当容易理解，其拥有三个明显特征：开关：电⼒电⼦器件⼯作在开关状态⽽不是线性状态⾼频：电⼒电⼦器件⼯作在⾼频⽽不是接近⼯频的低频直流：开关电源输出的是直流⽽不是交流也可以输出⾼频交流如电⼦变压器1.1 开关电源基本组成部分1.2 开关电源分类：开关电源按照拓扑分很多类型：buck boost 正激反激半桥全桥 LLC 等等，但是从本质上区分，开关电源只有两种⼯作⽅式：正激：是开关管开通时传输能量，反激：开关管关断时传输能量。
下⾯将以反激电源为例进⾏讲解。
1.3 反激开关电源简介反激⼜被称为隔离buck-boost 电路。
基本⼯作原理：开关管打开时变压器存储能量，开关管关断时释放存储的能量反激开关电源根据开关管数⽬可分为双端和单端反激。
根据反激变压器⼯作模式可分为CCM 和DCM 模式反激电源。
根据控制⽅式可分为PFM 和PWM 型反激电源。
根据驱动占空⽐的产⽣⽅式可分为电压型和电流型反激开关电源。
我们所要讲的反激电源精确定义为：电流型PWM 单端反激电源。
1.4 电流型PWM 单端反激电源此类反激电源优点：结构简单价格便宜，适⽤⼩功率电源。
此类反激电源缺点：功率较⼩，⼀般在150w 以下，纹波较⼤，电压负载调整率低，⼀般⼤于5%。
此类反激电源设计难点主要是变压器的设计，特别是宽输⼊电压，多路输出的变压器。
2 举例讲解设计过程为了更清楚了解设计中详细计算过程，我们将以220VAC-380VAC 输⼊，+5V±3%（5A），±15±5%（0.5A）三路共地输出反激电源为例讲解设计过程。
提出上⾯要求，选择思路如下：提出上⾯要求，选择思路如下：电源总输出功率P=5*5W+15*0.5*2=40W 功率较⼩，可以选择反激开关电源。
什么是开关电源它在电子电路中的作用是什么
什么是开关电源它在电子电路中的作用是什么开关电源是一种常见的电子电源供应方式，其作用是将交流电转换为稳定的直流电，以供给电子电路所需的电能。
在电子电路中，开关电源有着广泛的应用，其主要作用包括稳定电压输出、提供电能保护和提高电能转换效率等方面。
首先，开关电源的主要作用之一是稳定电压输出。
在电子电路中，不同的电路元件和器件往往对电压的要求不同。
而交流电作为一种不稳定的电能形式，无法直接满足电路元件的工作需要。
开关电源通过内部的电子元件和电路结构，将输入的交流电转换为高频脉冲信号，并通过变压器和整流电路将其进一步转换为稳定的直流电。
这样，开关电源可以提供恒定的电压输出，确保电子电路元件在适当的工作电压下正常运行。
其次，开关电源还具有电能保护的作用。
在电子电路中，由于各种原因可能出现电压波动、过电流或短路等情况，这些异常状态可能对电路元件造成损坏甚至引发火灾等安全隐患。
开关电源通常内置了过压保护、过流保护和短路保护等功能，可以监测输入和输出的电压、电流，并在异常情况下切断电源输出，从而保护电子电路和设备的安全运行。
此外，开关电源还能提高电能转换的效率。
传统的线性电源由于其工作原理的限制，电能转换效率较低，会产生较多的热量和能量损耗。
而开关电源采取了新型的电子元件和控制技术，其能够通过控制开关管的导通和断开，实现高效能转换并减少能量损耗。
相比较而言，开关电源的电能转换效率通常较高，能更好地满足电子设备对能源的需求。
综上所述，开关电源在电子电路中起着重要的作用。
其主要通过稳定电压输出、提供电能保护和提高电能转换效率等方面来满足电子电路的工作需求。
凭借其可靠性和高效性，开关电源已经成为了现代电子设备中不可或缺的电源供应方式。
无论是家用电子产品还是工业控制系统，开关电源都扮演着至关重要的角色，为电子设备的正常运行提供稳定、高效的电能支持。
开关电源芯片都有哪些型号 如何选择
开关电源芯片都有哪些型号如何选择开关电源芯片分类开关电源的控制芯片的品种也十分多，主要分为电流控制型与电压控制型两大类。
电压控制型只对输出电压采样，作为反应信号停止闭环控制，采用PWM技术调理输出电压，从控制理论的角度看，这是一种单环控制系统。
电流控制型是在电压控制型的根底上，增加一个电流负反应环节，使其成为双环控制系统，从而进步了电源的性能。
产品分类上看，大致可分为AD/DC，DC/DC两大类。
多年来产品应用的技术开展，形成业界对DC/DC电源的认识构成了一定的误区，以为DC/DC难做，AC/DC易做。
虽然如此，AC/DC与DC/DC还是存在很大的差异，从产品设计，器件选择请求，牢靠性目的完成等方面来看：AC/DC远比DC/DC复杂，难做，这是多年从事AC/DC电源研发，消费的深切领会。
首先从输入端比照来看，AC/DC远比DC/DC要难做。
AC/DC由于直接连到公网，众所周知公网情况是十分复杂的，有的市电直接为小水电，晚上可高达350V AC以上；有的接错相线直接电压就为380V AC，低压也能够到达130伏以下。
再加上公网衔接有许许多多输入特性不同的设备，有理性负载，有容性负载，电网上有很多尖峰杂讯，和屡次谐波成份，雷雨天气的感应雷等等各种要素的综合影响使得公网愈加复杂。
而DC/DC的输入电压普通来自整流器或者蓄电池，常用的电压有12V/24V/48V/60V等4种，整流器就是AC/DC，曾经经过一次隔离。
其次从器件选择，牢靠性目的达成上看，AC/DC设计比DC/DC难做。
从上面的描绘来看，AC/DC直接面临高压，输入端器件的选择，特别是功率MOSFET，电压越高，导通压降和开关损耗越大，电源的热设计越难满足，其它二极管，三极管同样也存在这样的问题，高压难选，低压好选。
同时AC/DC电源需求契合的安规等级远比DC/DC高。
从电路构造来看AC/DC普通要两级变换，而DC/DC只需一级变换即可，而且DC/DC运用的主功率变换电路相比之下也是比拟简单。
开关电源设计报告
1开关电源主电路设计1.1主电路拓扑结构选择由于本设计的要求为输入电压176-264V交流电，输出为24V直流电，因此中间需要将输入侧的交流电转换为直流电，考虑采用两级电路。
前级电路可以选用含电容滤波的单相不可控整流电路对电能进行转换，后级由隔离型全桥Buck电路构成。
总体要求是先将AC176-264V整流滤波，然后再经过BUCK电路稳压到24V。
考虑到变换器最大负输出功率为1000W，因此需采用功率级较高的Buck电路类型，且必须保证工作在CCM工作状态下，因此综合考虑,本文采用全桥隔离型Buck变换器。
其主电路拓扑结构如下图所示：下面将对全桥隔离型BUCK变换器进行稳态分析，主要是推导前级输出电压V与后级输g 出电压V之间的关系，为主电路参数的设计提供参考。
将前级输出电压V代替前级电路，作g 为后级电路的输入，且后级BUCK变换器工作在CCM模式，BUCK电路中的变压器可以用等效电路代替。
由于全桥隔离型BUCK变换器中变压器二次侧存在两个引出端，使得后级BUCK电路的工作频率等同于前级二倍的工作频率，如图1-1所示。
在2T的工作时间内，总共可分为四种S 开关阶段，其具体分析过程如下：1）当0<t<DT时，此时Q、Q和D导通，其等效电路图如图1-2所示。
S145/?1-1) 1-2) 1-3)3) du.•川L i (t )m 严+仃(t )c 二二v (t )R图1-3在DT<t<T 时等效电路SSv=0sv=-v Li=i -v /R C当TS <t<a+D )TS 时，此时Q2、1-4) 1-5)1-6)Q 和D 导通，其等效电路图如图1-2所示。
36图1-2在0<t<DT 时等效电路Sv=nvs gv=nv -vL gi=i -v /RC2)当DT<t<T 时，此时Q ~Q 全部关断，D 和D 导通，其等效电路图如图1-3SS 1465所示。
开关电源知识
开关电源知识大家都知道，通信设备一般采用直流电源供电（那么，直流电是怎样得来的呢？它与交流电有什么关系）。
目前，应用最广泛的、提供直流电的设备是开关电源。
高频开关电源与相控整流器相比较，具有效率高、可靠性高、精度高、具有智能化管理功能、体积小重量轻和更换扩容方便等优点。
开关电源种类繁多、特点各异，我们公司使用的开关电源有艾默生、中达、中兴等。
一、开关电源的分类：按开关电源容量大小分为大、中、小系统；按开关电源系统组成分为三柜、两柜、独立架系统，其中三柜系统由交流配电柜、直流配电柜和整流架组成，两柜系统的交流和直流配电集成在一个柜子中，独立架系统即交流、直流、整流三者集成于一个柜子中。
诸位所接触到的开关电源一般为独立架系统。
独立架开关电源系统的组成：交流配电单元、整流单元（高频整流模块）、直流配电单元、监控模块。
二、开关电源系统组成1．交流配电单元：一般由交流开关、交流供电线路、交流防雷器件等组成。
作用是引入一路或两路三相交流电或单相交流电（接入网点基本上是使用单相电，模块局有的采用三相电<如安庄子、西花园、棉纺厂>、有的采用单相电）。
经交流输入空开（过流、短路保护）、交流侧防雷器（抑制雷击冲击电压或浪涌过电压），分配给整流模块。
2．整流模块：进行AC/DC变换，输出稳定的直流电。
3．直流配电单元：一般由正负铜排、保险<熔断器>、直流空开、保护地、工作地、直流防雷组成，作用是向负载供电及电池充放电。
4．监控模块：一般由电源板、信号采样电路板、（信号）控制电路板、CPU板、通讯板、显示板、信号指示灯等组成。
蓄电池组1直流负载1直流负载2直流负载3直流负载4蓄电池组2三、 开关电源的工作过程将工频交流电压滤波后整流升压变为直流高压，再以一定的开关频率调制成特定的高频交流，然后整流滤波为所需直流电压。
（通过控制器调整占空比使输出电压保持稳定。
）逆变控制电路线路滤波的作用：将交流电源中的尖峰等杂波过滤，给开关电源提供良好的交流 电；防止本机产生的尖峰等杂音进入电网。
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电流型开关电源的开关电源系统
电流型控制的开关电源系统有三种控制方式：即峰值电流控制、平均电流
控制和滞环电流控制。图 1 所示即为电流型控制的开关电源系统结构框图。它
包含有两个负反馈控制环：内环是电流环，外环是电压环。电压控制器的输出
控制信号 ue 作为电流环的给定信号;电流环由电流检测(如直流电流互感器)、处
理(I-U 转换)和电流控制器等组成;被检测的电流可以是电感电流 iL，也可以是
主开关管的电流 iv，通过电流检测电阻 Ri，将检测到的电流(iL 或 iv)转换成电
压 iLRi 或 ivRi，然后再与电流给定信号 ue 进行比较，并将得到的误差信号经
过电流控制器放大之后，通过 PWM 脉冲调制器进行调制，产生出占空比 d 去
控制开关转换器的主开关管 V 的通/断。为了介绍简单，本文只介绍连续导电
模式(CCM)。
图 1 电流型控制的开关电源系统结构框图
图 2 所示的电源系统框图即为电流型控制开关电源系统的方框图，也即开关
电源系统的频域模型。图中 kv(s)为电压控制器(补偿网络)的传递函数;ki(s)为电
流控制器(补偿网络)的传递函数;Fv、Fm 分别为电压检测元件和脉宽调制器的
传递函数;Ri 为电流采样电阻。
图 2 电流型控制的开关电源系统方框图
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