高频开关电源工作原理优秀PPT.ppt
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1、高频开关电源工作原理高频开关电源工作原理 培训内容1、开关电源的概念2、开关电源的主要指标3、开关电源的概念和开关电源的分类4、开关电源的工作原理5、通信设备对开关电源的要求一、开关电源的概念1 1、开关电源的概念、开关电源的概念 开关电源是一个能量转换器,作为电源的功率器件工作开关电源是一个能量转换器,作为电源的功率器件工作在开关状态在开关状态(开关管、电感、高频变压器、电容、整流二极管)开或(开关管、电感、高频变压器、电容、整流二极管)开或关状态,其关状态,其特点是频率高、功耗低、工作效率高、体积小、输入范围宽特点是频率高、功耗低、工作效率高、体积小、输入范围宽(Switching(Swi
2、tching Regulator-A switching circuit that operates in a Regulator-A switching circuit that operates in a closed loopclosed loopsystem to regulate the power supply output)system to regulate the power supply output)通过闭环通过闭环系统调整,使系统调整,使输出电压保持稳定。输出电压保持稳定。一、开关电源的概念2 2、开关电源和线性电源、相控电源的比较、开关电源和线性电源、相控电源的比较
3、线性电源:线性电源的主要特点就是功率器件工作在放线性电源:线性电源的主要特点就是功率器件工作在放大状态,具有大状态,具有稳定度高、牢靠性好、成本低等优点,但是效率低、笨重和稳定度高、牢靠性好、成本低等优点,但是效率低、笨重和体积大的缺体积大的缺点。只能做中、小功率的电源。点。只能做中、小功率的电源。相控电源:是通过限制可控硅的导通角来达到稳压作用,相控电源:是通过限制可控硅的导通角来达到稳压作用,功率因数比功率因数比较低、效率低、笨重、体积大。较低、效率低、笨重、体积大。一、开关电源的概念3 3、开关电源(、开关电源(swichingswichingmode power supplymode
4、power supply)开关电源因为体积小、效率高已经充斥了我们的日常生活,开关电源因为体积小、效率高已经充斥了我们的日常生活,从移动电从移动电话的充电器,到我们的彩电、音像供电电源;从路边的霓虹话的充电器,到我们的彩电、音像供电电源;从路边的霓虹灯,到车站灯,到车站的电子显示牌,这些都用到了开关电源;从我们的台式计算的电子显示牌,这些都用到了开关电源;从我们的台式计算机,到便携机,到便携笔记本电脑等等,这些都离不开开关电源。笔记本电脑等等,这些都离不开开关电源。当然开关电源的输入并不限于是沟通(当然开关电源的输入并不限于是沟通(AC/DCAC/DC电源),还电源),还可以是直流可以是直流(
5、DC/DCDC/DC电源和电源和DC/ACDC/AC电源)。开关电源沟通输入电压范围比电源)。开关电源沟通输入电压范围比较宽,可较宽,可以从几十伏到上千伏。就目前而言,开关电源的限制方式有以从几十伏到上千伏。就目前而言,开关电源的限制方式有两种:脉宽两种:脉宽调制和频率调制(调制和频率调制(Pulse Frequency Modulation Pulse Frequency Modulation PFMPFM)。)。脉宽调制脉宽调制(Pulse Width ModulationPulse Width ModulationPWMPWM)方式比较常见,我们中)方式比较常见,我们中兴通讯电源兴通讯电
6、源均接受的是这种方式。均接受的是这种方式。一、开关电源的概念4 4、开关电源的主要指标、开关电源的主要指标无故障运行间隔时间无故障运行间隔时间 这是开关电源最重要的指标,衡量了开关电源的工作牢靠这是开关电源最重要的指标,衡量了开关电源的工作牢靠性。一般说性。一般说的是开关电源平均无故障运行间隔时间越长约好。的是开关电源平均无故障运行间隔时间越长约好。工作效率工作效率 输出功率与输入功率的比值就是开关电源的工作效率,衡输出功率与输入功率的比值就是开关电源的工作效率,衡量开关电量开关电源在变换过程中所产生的损耗,对于目前我们的开关电源工源在变换过程中所产生的损耗,对于目前我们的开关电源工作效率在作
7、效率在85%85%以上。以上。电压调整率电压调整率 指在负载保持不变的状况下,输出电压变更与单位输出电指在负载保持不变的状况下,输出电压变更与单位输出电源和输入源和输入电压变更量的百分比。电压变更量的百分比。SvSv(V0V0 ViV0V0 Vi)。该参数)。该参数表示了电源的表示了电源的稳压特性。稳压特性。一、开关电源的概念4 4、开关电源的主要指标、开关电源的主要指标负载调整率负载调整率 指的是输出负载变更时,引起的输出电压的变更。指的是输出负载变更时,引起的输出电压的变更。SL SL(V0V0 V0V0)。)。输出纹波(峰峰值)输出纹波(峰峰值)这个指标衡量了开关电源的电磁兼容性,纹波越
8、小越好。这个指标衡量了开关电源的电磁兼容性,纹波越小越好。一般小于输一般小于输出电压的百分之三毫伏,例如对于出电压的百分之三毫伏,例如对于53.5V53.5V电压来说,输出纹电压来说,输出纹波就位波就位150150毫毫伏。伏。一、开关电源的概念、开关电源的一些名词概念有功功率(Acitive power):电能转换成其他能量所消耗的功率,单位为瓦(W),用P表示。无功功率(Unactive power):没有消耗功率,只是能量在电感和电容之间转换的功率部分,单位为VA,用Q表示。视在功率(Aparent power):指的是沟通输入功耗,也叫表观功率,其单位是VA,用S表示。S2=P2+Q2功
9、率因数(Power factor):有功功率与视在功率的比值,它表示沟通电转化成其他能量的实力。功率因数P/S。功率因数校正后为0.9999。二、开关电源的电路组成 不管什么样的开关电源必需包括以下几个部分:1、输入电路 D级防雷电路、沟通输入的EMI电路、输入整流器滤波电路、输入缓启动电路、APFC电路。D级防雷是吸取雷电残压,爱护开关电源不受损坏,一般是由压敏电阻和放电管组合运用;沟通输入的EMI电路一般是用来抑制共模噪声干扰的,是由共模电感、X、Y电容组成,将噪声吸取到大地(机壳);输入缓启动电路如下图所示,由于电容电压不能突变,所以在刚接通电源的瞬间,电容的充电电流比较大,须要实行措施
10、进行限制,否则电源设备无法供电。二、开关电源的电路组成1 1、输入电路(续)、输入电路(续)APFC APFC电路,是有源功率因数校正电路。它是一个升压电电路,是有源功率因数校正电路。它是一个升压电路,电路结构路,电路结构接受的是接受的是BOOTBOOT电路,输出电压一般规定在电路,输出电压一般规定在410VDC410VDC左右。由于左右。由于开关电源所开关电源所接受的器件全部工作在非线性状态,电路上有电感和电容,接受的器件全部工作在非线性状态,电路上有电感和电容,所以会造成所以会造成沟通输入电压和电流的相位存在相位差,导致沟通电不能全沟通输入电压和电流的相位存在相位差,导致沟通电不能全部做功
11、,一部做功,一部分在电感和电容中转换。另外沟通电压和电流波形出现畸部分在电感和电容中转换。另外沟通电压和电流波形出现畸变,造成谐变,造成谐波重量增加,干扰增加。功率因数校正电路就是将电压和电波重量增加,干扰增加。功率因数校正电路就是将电压和电流相位强制流相位强制到一样,同时对波形赐予修正。到一样,同时对波形赐予修正。二、开关电源的电路组成 开关电源APFC电路二、开关电源的电路组成 输入缓启动电路原理图输入缓启动电路原理图二、开关电源的电路组成2、功率变换电路、功率变换电路 将将PFC输出的输出的410VDC高压进行变换,变成高频高压脉冲电高压进行变换,变成高频高压脉冲电压,然后驱压,然后驱动
12、高频变压器,变压器将高压脉冲电压变成低压脉冲电压。动高频变压器,变压器将高压脉冲电压变成低压脉冲电压。该部分的主该部分的主要器件是开关功率器件和高频变压器。要器件是开关功率器件和高频变压器。3、输出电路、输出电路 输出电路主要是全波整流电路和滤波电路、输出输出电路主要是全波整流电路和滤波电路、输出EMI电路。电路。全波整流全波整流器电路所用的整流二极管不是一般的,一般用接受快复原二器电路所用的整流二极管不是一般的,一般用接受快复原二极管或肖特极管或肖特基;滤波电容用的是高频低阻电容。基;滤波电容用的是高频低阻电容。二、开关电源的电路组成4、限制电路、限制电路 限制电路是开关电源电路的核心之一。
13、限制电路是开关电源电路的核心之一。PWM限制芯片确限制芯片确定开关电源的定开关电源的工作模式,该芯片产生两路相位相反的驱动信号来驱动功率工作模式,该芯片产生两路相位相反的驱动信号来驱动功率开关器件工开关器件工作,通过脉冲宽度来限制开关管的导通时间,从而调整能量作,通过脉冲宽度来限制开关管的导通时间,从而调整能量传递的大传递的大小。开关电源的限制电路是一个闭环限制系统,所以能刚好小。开关电源的限制电路是一个闭环限制系统,所以能刚好保证输出电保证输出电压稳定不变,闭环有两个环来调整,内环是电流环调整,确压稳定不变,闭环有两个环来调整,内环是电流环调整,确保开关电源保开关电源的动态响应时间,速度比较
14、快。外环是电压调整环,确保电的动态响应时间,速度比较快。外环是电压调整环,确保电压的稳定,压的稳定,速度相对较慢。输出过压爱护、均流电路、过酷爱护、限流速度相对较慢。输出过压爱护、均流电路、过酷爱护、限流爱护、短路爱护、短路爱护以及沟通输入过欠压爱护是开关电源的协助电路。爱护以及沟通输入过欠压爱护是开关电源的协助电路。二、开关电源的电路组成三、开关电源的常用电路类型 我们一般依据DC/DC变换的方式来划分开关电源的电路类型,包括单端正激电路、单端反激电路、推挽电路、半桥电路和全桥电路。下面我们对每个电路的状况赐予简洁的描述。1、单端反激电路 反激式开关电源的核心部分是反激式直流直流变换器,基本
15、电路如下图所示:单端反激电路一般用在小功率电源和开关电源的协助电源上。其占空比可达100,限制芯片一般用的是UC3842和UC3843。三、开关电源的常用电路类型 反激式电路原理图三、开关电源的常用电路类型3、单端正激电路 正激式开关电源的核心部分是正激式直流直流变换器,基本电路如下图所示。正激电路变压器的利用率比较高,工作时的占空比小于50,工作频率是振荡频率的一半,所运用的限制芯片一般是UC3844和UC3845。可以做中型功率的开关电源,运用双管正激电路,其功率可以做得更高一点。虽然功率变压器不像反激式电路要开气隙,但是一般要在变压器中加去磁绕组,在关断时将付边的能量反射到沟通输入上。三
16、、开关电源的常用电路类型 正激电路原理图(单管正激)三、开关电源的常用电路类型 正激电路原理图(双管正激)三、开关电源的常用电路类型4、推挽电路 推挽式功率变换电路原理图,如图下图所示。推挽电路要求输入电压低,两个开关管的耐压要求是输入电压的2倍,所以一般用在DC/DC电源中。推挽电路一般用在中型功率电路上,变压器双向激励,变压器效率高,但是变压器简洁出现磁偏现象。它的功率比正激电路略微大一点,但是存在开关管“直通”的危急。工作时两个功率开关管V1、V2交替导通或截止。当V1和V2分别导通时,W1和W2有相应的电流流过,这时变换器次级将有功率输出。当V1导通,V2截止时,V2集射两端承受的电压
17、为2倍的Uin,而在V1、V2都处于截止时它们所承受的电压为输入直流电压Uin。三、开关电源的常用电路类型 推挽电路原理图三、开关电源的常用电路类型5、半桥电路 半桥电路有两个功率开关管,通过两个串连的电容器来构成工作回路,这两个功率管交替导通驱动高频变压器进行能量传递,变压器是双向激励的。半桥电路同样存在变压器磁偏现象,会出现“直通”问题。同样的变压器的状况,半桥的输出功率大于推挽电路。如下图所示:C1和C2的作用主要是实现静态时分压,使Ua=1/2Uin。当V1导通,V2截止时,输入电流方向为图中虚线方向,向C2充电;当V1截止,V2导通时,输入电流方向为图中实线方向,向C1充电。当V1导
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