开关电源资料知识讲解.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。开关电源资料-什么是开关电源开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压！转华为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比高很多所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热！成本很低如果不将变为高频那开关电源就没有意义！开关变压器也不神秘就是一个普通的变压器！这就是开关电源.开关电源大体可以分为隔离和非隔离两种,隔离型的必定有开关变压器,而非隔离的未必一定有.简单地说,开关电源的工作原理是:1.交流电源

2、输入经整流滤波成直流;2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上;3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载;4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的.交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰;在功率相同时,开关频率越高,开关变压器的体积就越小,但对开关管的要求就越高;开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头,以得到需要的输出;一般还应该增加一些保护电路,比如空载、短路等保护,否则可能会烧毁开关电源.以上说的就是开关电源的大致工作原理.其实现在已经

3、有了集成度非常高的专用芯片,可以使外围电路非常简单,甚至做到免调试.例如TOP系列的开关电源芯片(或称模块),只要配合一些阻容元件,和一个开关变压器,就可以做成一个基本的开关电源.USB电源结构性能USB外设电源的输入电压既已确定，其输出电压的高低便成为选择电路结构形式的决定性因素。目前最常用的标准电源电压，有3.3V、5V和12V等几种。许多USB数字设备采用3.3V电源，倘若电源变换效率以95计，则其最大可用电流约为0.65A。此时只要功率裕量足够，可以首选线性稳压器件，因其成本最低，所需外围元件也少，只是电源效率较低，不可能超过67。若对效率有所讲求，不妨考虑“电荷泵”器件，因其虽在成本

4、与体积方面稍逊于前者，但在变换效率方面占有明显优势。不过此类器件的负载能力通常较弱，只能满足上述低功耗装置的要求。若是需要获取尽可能多的有用功率，那就只能采用效率更高的降压型开关稳压电路，但是成本与体积亦将随之增加。当然，即使已经决定采用开关电源，其实仍有几种电路形式可供选择。一般说来，开关电源集成器件分为两种类型，即需要外接功率开关(多为功率型MOSFET)的“开关电源控制器”以及片内自带集成功率开关的“单片开关电源”。前者成本稍低，并且易于获得较低的功率开关导通电阻而有利于提高电源变换效率；后者则以体积小巧见长，并且能对功率开关实现完善的过热、过流保护。此外，两类器件又均各有“常规型”(亦

5、称“异步型”或“非同步型”)与“同步型”之分；后者采用受控MOSFET取代前者的续流二极管，虽然成本较高，但因MOSFET的导通压降通常明显低于二极管的正向压降，由此至少可将开关电源的变换效率提高几个百分点，所以两者各有优劣而同时并存至今。表列出了上述几种常用电源电路的结构分类与主要性能。对于一些需要12V电源的USB模拟设备，电路形式的选择余地不大，以往几乎全部采用升压型开关稳压器，效率常在85以上；倘若必须解决这类电路无法实现输出短路保护功能的难题，则可考虑下述之SEPIC(单端初级电感变换器)电路，但是成本将会因此明显上升。当然，在这两类电路中，同样有着上述之外接或在片功率开关以及异步或

6、同步整流的区别。如果USB外设需要5V电源，事情就稍为有些棘手，因为USB口的外供电压可能略高于也可能略低于这一数值。为此，以往常用先升压再降压或先降压再升压的办法。这在需要多种输出电压的场合，倒也不失为一条可行途径；但若仅需单一的5V输出，此类电路结构便难免“叠床架屋”之嫌。或许正是这一缘故，上述之SEPIC尽管电路复杂，成本也高，但因其能集升压、降压功能于一身，所以近来已呈应用渐广之势。来源开关电源工作原理分析摘要本文先分析了开关电源产生电磁干扰的机理,就目前几种有效的开关电源电磁干扰措施进行了分析比较，并为开关电源电磁干扰的进一步研究提出参考建议。目前，许多大学及科研单位都进行了开关电源

7、EMI（ElectromagneticInterference）的研究，他们中有些从EMI产生的机理出发，有些从EMI产生的影响出发，都提出了许多实用有价值的方案。这里分析与比较了几种有效的方案，并为开关电源EMI的抑制措施提出新的参考建议。一、开关电源电磁干扰的产生机理开关电源产生的干扰,按噪声干扰源种类来分,可分为尖峰干扰和谐波干扰两种;若按耦合通路来分,可分为传导干扰和辐射干扰两种。现在按噪声干扰源来分别说明（全文略）。开关电源的发展和趋势1955年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（JenSen)发明

8、了自激式推挽双变压器，年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了千赫的开关电源。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的kHz、用制成的kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，

9、会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可*性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家

10、都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。单片开关电源原理及应用西南交通大学回宝成郭世明(成都610031)沈阳铁路局李海波(沈阳110001)摘要：介绍了三端离线式脉宽调制单片开关电源集成电路即TOP开关及其典型应用。关键词：单片开关集成电路开关电源1前言开关电源自20世纪70年代开始应用以来，涌现出许多功能完备的集成控制电路，使开关电源电路日益简化，工作频率不断提高，效率大大提高，并为电源小型化提供了广阔的前景。三端离线式脉宽调制单片开关集成电路TOP(Threeterminaloffline)将PWM控制器与功率开关MOSFET合二为一封装在一起，已成为开关电源IC发展的主流。采用TOP开

11、关集成电路设计开关电源，可使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。2TOP开关结构及工作原理2.1结构TOP开关集各种控制功能、保护功能及耐压700V的功率开关MOSFET于一体，采用TO220或8脚DIP封装。少数采用8脚封装的TOP开关，除D、C两引脚外，其余6脚实际连在一起，作为S端，故仍系三端器件。三个引出端分别是漏极端D、源极端S和控制端C。其中，D是内装MOSFET的漏极，也是内部电流的检测点，起动操作时，漏极端由一个内部电流源提供内部偏置电流。控制端C控制输出占空比，是误差放大器和反馈电流的输入端。在正常操作时，内部的旁路调整端提供内部偏置电流，且能在输入异常时，自动锁定

12、保护。源极端S是MOSFET的源极，同时是TOP开关及开关电源初级电路的公共接地点及基准点。2.2工作原理TOP包括10部分，其中Zc为控制端的动态阻抗，RE是误差电压检测电阻。RA与CA构成截止频率为7kHz的低通滤波器。主要特点是：（1）前沿消隐设计，延迟了次级整流二级管反向恢复产生的尖峰电流冲击；（2）自动重起动功能，以典型值为5的自动重起动占空比接通和关断；（3）低电磁干扰性（EMI），TOP系列器件采用了与外壳的源极相连，使金属底座及散热器的dv/dt=0，从而降低了电压型控制方式与逐周期峰值电流限制;（4）电压型控制方式与逐周期峰值电流限制。下面简要叙述一下：（1）控制电压源控制电

13、压Uc能向并联调整器和门驱动极提供偏置电压，而控制端电流Ic则能调节占空比。控制端的总电容用Ct表示，由它决定自动重起动的定时，同时控制环路的补偿，Uc有两种工作模式，一种是滞后调节，用于起动和过载两种情况，具有延迟控制作用；另一种是并联调节，用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。刚起动电路时由D-C极之间的高压电流源提供控制端电流Ic，以便给控制电路供电并对Ct充电。（2）带隙基准电压源带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外，还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，以保证精确设定振荡器频率和门极驱动电流。（3）振荡器内部振荡电容是在设定的上、下阈值UH、UL之间周期性地线性充放电，以产

14、生脉宽调制器所需要的锯齿波（SAW），与此同时还产生最大占空比信号(Dmax)和时钟信号(CLOCK)。为减小电磁干扰，提高电源效率，振荡频率（即开关频率）设计为100kHz，脉冲波形的占空比设定为D。（4）放大器误差放大器的增益由控制端的动态阻抗Zc来设定。Zc的变化范围是1020，典型值为15。误差放大器将反馈电压UF与5.7V基准电压进行比较后，输出误差电流Ir，在RE上形成误差电压UR。（5）脉宽调制器（PWM）脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路，它具有两层含义。第一、改变控制端电流Ic的大小，即可调节占空比D，实现脉宽调制。第二、误差电压UR经由RA、CA组成截止频率为7kHz的低通

15、滤波器，滤掉开关噪声电压之后，加至PWM比较器的同相输入端，再与锯齿波电压UJ进行比较，产生脉宽调制信号UB。（6）门驱动级和输出级门驱动级（F）用于驱动功率开关管(MOSFET)，使之按一定速率导通，从而将共模电磁干扰减至最小。漏源导通电阻与产品型号和芯片结温有关。MOSFET管的漏源击穿电压U(bo)ds700V。（7）过流保护电路过流比较器的反相输入端接阈值电压ULIMIT，同相输入端接MOSFET管的漏极。此外，芯片还具有初始输入电流限制功能。刚通电时可将整流后的直流限制在0.6A或0.75A。（8）过热保护电路当芯片结温TJ135时，过热保护电路就输出高电平，将触发器置位，Q=1，关

16、断输出级。此时进入滞后调节模式，Uc端波形也变成幅度为4.7V5.7V的锯齿波。若要重新起动电路，需断电后再接通电源开关；或者将控制端电压降至3.3V以下，达到Uc(reset)值，再利用上电复位电路将触发器置零，使MOSFET恢复正常工作。（9）关断/自起动电路一旦调节失控，关断/自动重起动电路立即使芯片在5占空比下工作，同时切断从外部流入C端的电流，Uc再次进入滞后调节模式。倘若故障己排除，Uc又回到并联调节模式，自动重新起动电源恢复正常工作。自动重起动的频率为1.2Hz。（10）高压电流源在起动或滞后调节模式下，高压电流源经过电子开关S1给内部电路提供偏置，并且对Ct进行充电。电源正常工

17、作时S1改接内部电源，将高压电流源关断。当TOP开关起动操作时，在控制端环路振荡电路的控制下，漏极端有电流流入芯片，提供开环输入。该输入通过旁路调整器、误差放大器时，由控制端进行闭环调整，改变Ir，经由PWM控制MOSFET的输出占空比，最后达到动态平衡。3TOP开关的典型应用3.112V/30W小功率开关电源12V/30W小功率开关电源原理图如图2所示。该电源特性是：简单，直接可与220V交流电源连接，经桥式整流电容滤波后产生300V直流高电压起动开关电源工作。并且重量轻、体积小，接线简单外围元件少。该电路特点是利用三极管Q1，二极管D8及电阻R5、R6组成过低压保护电路，当输入电压降低到一

18、定程度时，Q1导通，控制端C电位降低，TOP开关关闭，开关电源没有输出。（1）输入电路电网交流220V输入电压经桥式整流、电容滤波后产生300V直流高压起动开关电源工作。（2）电源变换器部分在该电路中，T2为高频变压器，其中N1为初级绕组（35T）N2为反馈绕组（15T）N3为次级隔离输出绕组（7T）开关电源工作后，反馈绕组N2经整流、滤波、限流后送至TOP开关控制极C，以调整TOP开关内部PWM占空比。当因某种原因如负载变轻引起输出电压升高时，N2电压将升高，即流入TOP开关控制端C的电流增加。在振荡电路的控制下，漏极端D有电流流入芯片，提供开环输入，该输入通过旁路调整器、误差放大器，由控制

19、端进行闭环调整，经由PWM控制MOSFET的输出占空比，使其占空比线性减小，从而使输出电压下降，最后达到动态平衡，保持输出稳定。电路中并接于初级绕组N1两端的瞬态电压抑制二极管D5、电容C4及快速二极管D6组成钳位削峰电路。钳制电感放电脉冲的最高电位，减少漏感抗引起的漏极端电压畸变。在实际绕制高频电源变压器时，为了减小漏感的影响，可采用初级与次级相互交叉的绕制方法。同时，采用自我屏蔽作用较为良好的罐形磁芯，将线圈都用磁芯封在里边。（3）反馈控制回路电容C6决定软起动恢复时间，C6、R5、R4、C5、D7决定控制回路的零点。R4阻值过小，限流线性差，容易导致TOP开关损坏；过大则调整线性差。在实

20、验中取值为10k（4）输出回路N3、D10、C8、D11构成输出回路。肖特基势垒整流二极管D10对高频变压器次级的高频方波电压进行整流，经低ESR值的电解电容滤波及双向瞬态电压抑制二极管D11削峰稳压后，提供给负载电路。R7既可改善电源本身的输出阻抗，又能小幅度地调整输出电压的范围，同时又可在电源空载时为电容C8提供放电回路。R7取值为430。3.212.5V/25W精密开关电源12.5V/25W精密开关电源原理图如图3所示。由TOP204构成隔离式12.5V、2A（25W）开关电源电路，该电源的特性为：当交流输入电压U从85V变化到265V时，电压调整率为0.2；当负载电流从10(0.2A)变化到100(2A)时，负载调整率也达0.2，可与线性集成稳压电源相媲美。该电路的主要特点是利用一片TL431(IC3)与光电耦合器(IC2)构成外部误差放大器。它再与片内误差放大器配合使用，对控制电流进行精细调整，从而大大提高了稳压性能。4结语由于TOP芯片内部完全集成了SMPS的全部功能，所以利用它设计出的开关电源周期短，成本低，对于小功率电源，简单，体积小，重量轻。随着TOP开关系列的不断发展与改进，其在开关电源及其它应用领域中必将有着更加灿烂的前景。-