开关电源入门基础知识.ppt

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1、电源基础知识电源基础知识目 录1：整流与滤波 .32：并联稳压电路 .203：串联稳压电路 .314：集成稳压电路 445：BUCK电路 .516：BOOST电路 .617：反激变换器 718：正激变换器 84整流与滤波1：直流稳压电源的构成：直流稳压电源的构成：2：基本概念：基本概念：交流电压（电流）：交流电压（电流）：幅值与方向均随时间作周期性变化的交流电压（电流）。整流与滤波有效值：有效值：与交流电压（电流）热等效的直流电压（电流）直称为该交流电压（电流）的有效值。峰峰 值：值：交流电压（电流）所达到的最大瞬时值。频频 率：率：交流电压（电流）每秒做周期性变化的次数。正弦交流电压（电流）

2、：正弦交流电压（电流）：幅值与方向均随时间作正弦周期性变化的交流电压（电流）称为正弦交流电压（电流）。我们常说的交流电就是正弦交流电压或电流的简略称呼。直流电压（电流）：直流电压（电流）：数值大小与方向均不随时间变化的电压（电流）称为直流电压（电流），实际上，方向安全可以保证不随时间而变化,但数值不可能做到一直恒定，因此，对于方向不变、数值随时间而变的交流电压（电流）可以用一个直流电压（电流）与一个幅值、方向随时间变化的交流电压（电流）叠加。整流与滤波3：半波整流半波整流半波整流的电路图及波形图见右图平均值：平均值：0：2：变比：，据此选择适当的N1、N2，可以以获得所需的输出电压。整流与滤波

3、有效值：有效值：变压器：变压器：整流与滤波4：全波整流全波整流全波整流的电路图及波形见下图、右图平均值：平均值：0：2：变比：，据此选择适当的N1、N2a（N2b）可以获得所需的输出电压。整流与滤波有效值：有效值：变压器：变压器：原边匝数为：N1，副边匝数为：N2a=N2b。整流与滤波5：桥式整流桥式整流桥式整流的电路图及波形见下图和右图平均值：平均值：0：2：变比：，据此选择适当的N1、N2可以获得所需的输出电压。整流与滤波有效值：有效值：变压器：变压器：原边匝数为：N1，副边匝数为：N2。ab：，电容C按正 弦波进行充电。bc：，电容C按指数曲线进行放电，但u2的正弦波基本重和。cd：，电

4、容C继续按指数曲线进行放电，u2继续按正弦波下降。整流与滤波6：电容滤波电容滤波电容滤波电路图及波形见右图滤波原理：滤波原理：定义：（静态），（动态）基本方程：整流与滤波RL与C对滤波的影响见右图电容基本知识：电容基本知识：其中 为时间常数整流与滤波电容充电：电容充电：电容放电：电容放电：其中 为时间常数电流初始值当取 时，将滤波后的电压波形线性化处理后，可得到如下的近似波形：整流与滤波输出电压：输出电压：依据相似三角形的关系，而故电容滤波电路中整流二极管的电流及导通角见右下图：整流与滤波整流二极管：整流二极管：其中iD为整流二极管的电流导通时的电流。其中io为负载中的电流。电感滤波的定量分析

5、比较复杂，可借用电容滤波的分析结果：当取 时，从能量的角度看，电感滤波与电容滤波的效果是一样的，故电感滤波外特性曲线与电容滤波外特性曲线相似，见右图。整流与滤波7：电感滤波电感滤波在大电流负载时，如果用电容滤波，则电容容量要很大，且整流管的冲击电流也非常大，在这情况下，整流后串入一个工频电感进行滤波就能很好解决这些问题，电感滤波的电路及外特性波形见右下图：定义：（静态）（动态）整流与滤波采用电感滤波，电感的端电压、电流的波形及整流二极管的导通角见右图，因电感与整流二极管的串联，故整流二极管的导通角可以达到180o。所以，在谐波要求不高的场合，我们可以用电感滤波来达到PFC方面的要求。电感基本概

6、念：电感基本概念：基本方程：整流二极管电流的波形电感电流波形电感电压波形其中 为时间常数，初始电压整流与滤波电感存储能量：开关闭合后：依据初始条件，解得：，其中 为时间常数，初始电压整流与滤波电感释放能量：开关断开后：依据初始条件，解得：，并联稳压电路1：稳压管稳压电路：稳压管稳压电路：基本方程：，稳压二极管：关键参数：稳定电压Uz：稳定电流Iz：最大稳定电流Izmax：最小稳定电流Izmin：动态电阻rz：温度系数：并联稳压电路等效电路一：稳压系数：稳压原理：Uc上升所致 UoIzIRURUo，削减了Uo的上升幅度。稳压系数：负载恒定，输出电压Uo相对变化量与输入电压Uin相对变化量的比值。

7、并联稳压电路输出电阻：等效电路二：稳压原理：Ro减小所致 UoIzIRURUo，削减了Uo的下降幅度。稳压系数：输入电压恒定，输出电压Uo的变化量与输出电流Io的变化量比值。由 求得：并联稳压电路输入电压Uin：参数选取：稳压管的选择：电阻R的选择：由 求得：Uz=5V时的温度系数大约是0.03，Uz=10V时的温度系数大约是0.07，Uz=20V的温度系数更高，达到0.9，所以，如对温度系数有较高的要求，需要高压稳压管可用几个低压稳压管串联。电阻R选：，取R=220。并联稳压电路稳压管选：MMBZ5233B。当Uin=15V时，Iz在1631mA范围内，损耗功率在96183mW范围内。Vz=

8、6V，Iz=20mA，Izmax=38mA，Iz=1mA，rz=7,=0.038%=0.038%。稳压系数：Sr=0.077。输出电阻：ro=6.7。Uin=1218V，Io=1025mA，Uo=6V。实际例子：并联稳压电路并联稳压电路2：并联稳压电路：并联稳压电路：并联稳压电路图见下图：二极管稳压电路的根本性缺欠是：稳压二极管的功率比较小，即Iz比较小且IzminIzmax范围比较小，只能适应Io比较小且Io变化比较小的场合，另外rz也较大，影响了动态的稳压精度。一：从图中可以看出，稳压管Dz、三极管Q和电阻R2组成扩流电路，扩大了电流的调控范围，可以达到0.5A以上。二：三极管Q的静态工作

9、点的设定是并联稳压电路的关键点，必须。并联稳压电路并联稳压电路三：当三极管Q处于放大状态时，从其输出特性曲线上可以看出，三极管放大区的曲线都很平，故c-e间的动态电阻rce是很小的，大多数三极管的动态电阻rce都能达到10-4，即rce为毫欧级。四：因效率等方面的因素，并联稳压电路很少使用，特别是输出电流较大的场合。其中 为UBE3的温度系数，为负值。稳压机理有齐纳或雪崩击穿稳压改为半导体材料的能带间隙稳压。并联稳压电路并联稳压电路3：并联集成稳压电路：并联集成稳压电路：基准电压电路：二极管稳压电路的另一个根本性缺欠是：稳压二极管的Uz离散性大、rz较大、温度系数较大，因此开发了集成型的并联稳

10、压电路，解决了这两个方面的问题。推出：显然，Ugo与温度完全无关，所以，Uref的准确度高、一致性好，温度系数低。Ego为热力学零度时破坏Si晶体共价键所需的能量，又称禁带宽度，为1.205eV。通过调节R1、R2、R3，可使：并联稳压电路并联稳压电路k为玻耳兹曼常数，q为电子的电量，均与温度无关，故UT与温度成正比例。故：Ugo=Ego/q=1.205V，禁带宽度电压值，简称为能带间隙电压。UKA：2.536VIKA：1100mAUref：2.5VIR：4uAZKA：0.5Uo：2.535V从TL431的原理图上可以看出，TL431就是一个集成的并联稳压电路，其中2.5V的基准是能带间隙稳压

11、基准基准源，输出端是处于放大状态的三极管。并联稳压电路并联稳压电路TL431：主要参数：TL431应用之一：并联稳压电路并联稳压电路TL431应用之二：串联稳压电路串联稳压电路1：串联稳压原理：串联稳压原理：并联稳压的实质是：电阻R不变，通过调节电阻R中电流IR的大小，确保输出电压Uo稳定。串联稳压的思路是：通过调控电阻R的大小，而不改变其电流IR的大小，确保输出电压Uo稳定。对于可调控的电阻R，我们可以利用三极管的rce受基极电流IB控制的特点，用三极管Q来承担，只要能根据输出电压Uo的变化反馈（负反馈）一个基极电流IB的变化，就能稳定输出电压Uo。稳压过程：Uin上升所致UoUDzIzIB

12、RceURUo，削减了Uo的上升幅度。串联稳压电路串联稳压电路串联稳压电路：稳压过程：Ro减小所致 UoUDzIzIBRceURUo，削减了Uo的下降幅度。稳压系数：输出电阻：稳压过程：UC上升所致UoUDzIzIBRceURUo，削减了Uo的上升幅度。串联稳压电路串联稳压电路稳压过程：Ro减小所致 UoUDzIzIBRceURUo，削减了Uo的下降幅度。稳压系数：输出电阻：2：串联稳压电路：串联稳压电路：Uo=6V，Io=50mA，u1=220V15%。串联稳压电路串联稳压电路调整管Q的c-e间最大电压16.8V，外加一些振荡尖峰及40%的降额，调整管Q的Icmax=50mA，故选用SOT-

13、89封装的FCX619（Vceo=50V，Ic=2.75A，Ptot=2W）做调整管，可见电压、电流都能满足。串联稳压电路实例：调整管Q在Ucmin时不能处于饱和状态，既Ucmin-UoVces，取Vces=2.5V，则Ucmin=8.5V。根据P14电容滤波的结论，在Ucmin=8.5V时，u2=7.4V，外加整流桥上的两个二极管的管压降2.2V，取u2=9.6V，故工频变压器按匝比19:1，5W来选取。在u2max=253V时，整流桥上的二极管所承受的反向电压最大，达到358V，外加40%的降额，整流桥BG选用DF-S封装的DF06S（VRRM=600V，Io=1A，VF=1.1V），电压

14、、电流都有充足余量。串联稳压电路串联稳压电路稳压管选用SOT-23封装的MMBZ5235B（Vz=6.8V，Izmax=50mA，Pd=350mW）。在Io=0，u2max=253V时，稳压管中的Iz50mA，故R220。在Io=50mA，u2min=187V时，要保证稳压管Dz电流Iz1.5mA，调整管 Q的基极电流Ib0.25mA（因调整管的hFE200，IC=10200mA），故R1k。先选定R=470。额定输入时稳压管中的Iz9.5mA。Uo=Uz-Vbe，要想获得6V的输出电压，必须针对Vbe调节Uz，Uz会随同Iz的增加而上升，在R的许可范围内，改变R的阻值，适当调节Iz的大小，微

15、调Uz，使Uo=6V。在u2max=253V时，调整管Q的功率Pmax0.53W，故FCX619的Ptot=2W是有充足余量的。但要注意：Ptot=2W的条件是PCB板不能小于40400.8。串联稳压电路串联稳压电路根据P14电容滤波所述，输入电容C1越大，Uc越高，u2min=187V时的Ucmin也越高，对保证稳压管Dz电流Iz在稳压工作范围有利。Uc越高，调整管Q的功率损耗也越大，效率也就越低。所以，在保证调整管Q处于线性放大区、稳压管Dz处于稳压工作区的条件下，输入电容C1要尽量小。据此估算，输入电容C1330uF，在考虑容量偏差、温度变化等因素之后，输入电容C1选用470uF/35V

16、的电解电容。输出电容C2主要作用是滤波，与输出纹波、保持时间等要求有关，但不是越大越好，因为输出电容C2越大，输出的脉冲特性越差。在此，先选用100uF/16V的电解电容。如对高频干扰噪声有更为严格的要求，可在输出电容C2上并联贴片的陶瓷电容，如0805的0.11u/10V的电容。串联稳压电路串联稳压电路稳压过程：Ro减小所致 UoUbe2IC2IB1 rce1 Uce1Uo，削减了Uo的下降幅度。稳压系数：输出电阻：3：具有放大环节的串联稳压电路：具有放大环节的串联稳压电路：其中：，（电压放大倍数）稳压过程：Uin上升所致UoUbe2IC2IB1rce1Uce1Uo，削减了Uo的上升幅度。结

17、果是：稳压系数减小了n倍，输出电阻减小了nK2倍。串联稳压电路串联稳压电路使用运放进行放大的串联稳压电路简图见右图。具有放大环节的串联稳压电路方框图见右图。串联稳压电路串联稳压电路限流型过流保护电路：串联稳压电路除了能完成功率的传输外，还应有完善的自我保护功能，特别是对其核心器件：调整管，必须要有保护措施。保护功能包括过流保护和过压保护，保护调整管不会因过流而烧坏，也不会因过压而击穿。4：保护电路：保护电路：过流保护电路：能够在输出电流超过额定值时，限制调整管电流在一个数值或使之迅速减小，从而保护调整管不会因电流过大而烧坏。限流型过流保护电路的外特性曲线：限流型过流保护电路的缺点：保护电路起作

18、用时，调整管仍回有较大的工作电流，功率损耗比较大，对中大功率电路不适合。正常工作时，Uon为Q2的b-e间开启电压。当输出电流增大到 时，Q2导通，Q1的基极电流Ib1联被分流，Ib1不在继续增加，输出电流也将维持在Iomax。串联稳压电路串联稳压电路输出电流也将维持在：正常工作时，Uon为Q2的b-e间开启电压。当输出电流增大到 时，Q2导通，Q1的基极电流Ib1被分流，此时输出电流达到Iomax。Ib1被分流，Ib1IoUoUbe2IB1，直至Uo=0，Uo，此时输出电流为：串联稳压电路串联稳压电路减流型过流保护电路：其中截流型过流保护是在减流型过流保护电路基础上改进的，工作原理完全相同。

19、保护电路动作后，当输出电压降到Uo时，稳压管Dz被击穿，Q2进入饱和导通，Q1迅速进入截止，输出电流Io迅速降为0。串联稳压电路串联稳压电路截流型过流保护电路：截流型过流保护电路外特性曲线：调整管截止时的过压击穿问题，只能通过选取UBRCEO更高的型号来解决。串联稳压电路串联稳压电路过压保护电路：正常工作时，调整管过压保护问题实质上是调整管过功率保护的问题，通过调整稳压管Dz 的Uz，可以控制调整管的Uce，确保调整管的功耗在允许的范围内，保证调整管的运行安全。右图是在限流型过流保护电路基础上增加了过压保护功能的电路图：集成稳压电路集成稳压电路将串联稳压电路予以集成化，且只引出三个引脚，分别为

20、输入端、输出端、公共端，就是我们常用的三端稳压器。按功能划分，可分为固定式集成稳压器（如uA7800系列）和可调式集成稳压器（如LM317）。1：7800系列：系列：右图是固定式集成稳压器的电路图（uA7800系列）：简略分析，可以看出，用达林顿复合管作为调整管，用能带间隙稳压源作为基准源，比较放大用共集-共射放大电路，过流、过功率、过温等保护功能。集成稳压电路集成稳压电路7800系列的输出电压有5V、8V、10V、12V、15V、24V等，输出电流有0.5A、1A、1.5A，封装有TO-220、TO-263、PowerFLEX（封装不同，热阻不等，允许的功率也不相同），还有很多指标要确认，所

21、以，使用之前一定要认真阅读规格书，切忌切忌。7800系列基本应用：C1：输入去藕电容，用于消除输入端高频振荡。C2：输出去藕电容，用于消除输出端高频振荡。D1：保护二极管，给电容C2提供放电通路。三极管基极电流：，其中 输出电流 。Q：扩充输出电流的三极管，D：平衡二极管，用于平衡三极管的Ube，C3：用于消除公共端振荡，稳定公共端电压，R1：控制输出电流的数值，但实用价值不大。集成稳压电路集成稳压电路扩流稳压电路：输出电压范围：其中 为三端稳压器的输出电压U：运放，作为电压跟随器使用。R1、R2、R3：输出电压采样电阻。集成稳压电路集成稳压电路可调稳压电路：集成稳压电路集成稳压电路2：LM3

22、17：右图是可调式集成稳压器LM317的方框图：从方框图可以看出，与7800系列构成是类同的，仍是用达林顿复合管作为调整管，用能带间隙稳压源作为基准源，比较放大用共集-共射放大电路，过流、过功率、过温等保护功能。与7800系列的不同点是：采用特殊的电路架构，使调整端的输出电流很小，只有50uA，而7800系列的静态电流则有5mA。集成稳压电路集成稳压电路LM317的输出电压可调，但输出电流还是有0.5A、1A、1.5A之分，封装还有SOT-223、TO-220、TO-263之分，所以，使用之前一定要认真阅读规格书，切忌切忌。LM317基本应用：C1：输入去藕电容，用于消除输入端高频振荡。C2：输出去藕电容，用于消除输出端高频振荡。D1：保护二极管，给电容C2提供放电通路。Uo：LM317输出的基准电压，Uref=1.25V。集成稳压电路集成稳压电路LM317典型应用：R1、R2用于调控输出电压，输出电压为：D1：保护二极管，给电容C3提供放电通路，D2：保护二极管，给电容C2提供放电通路。C2：用于消除调整端振荡，稳定调整端电压。