开关电源原理与设计-图文(完整版)实用资料.doc

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1、开关电源原理与设计_图文（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载） 10 1 EMI PWMF1F2F3 C1L1C2C3EC5RT1RT1RT1RT1 BRG1C5C5 10 2 Q2C8RT1Q1Q2RT1 1MOS MOSFET MOS 105MOS 23R4C3R5R6C4D1D2MOS EMI Q1R3R51V UC3842Q1 R1Q1C GS C GD RC R1R1Z1MOS GS 18V MOS Q1Q1 10 3 Q1D1D2R5R4C3IC 1T1R1C1R2 10 4 2T1L13Q2R4R2Q1C7R112U1UC3842U1U0U0U1U1

2、U1Q1OT1UC3842U1U0VR1 10 5 10 6 10 7 PFC L4PFC Q1Q1D1D2PFC C6C7PFC R3R4PFC PFC PFC 1R7R8R9R10657 10 8 A B C D 2INPUT AGND D7R28R27R26U32.5V OT1R25U3R23R24R22OT1D9Q4Q4R21Q4RLY1-A RLY1-B BAT D4Q4D5Q4Q4 3Q3D3R1Z1U1U2R2U1R13R4R5R6VR1U2R14Q2Q2Q3Q3D3RLY1-B F1BAT U2Q2Q3D3U2U2Q2Q3D3VR1 4Q3RLY1-B F1BAT R20AGN

3、D Q3RLY1-B F1BAT R20R20(R20 R20S R11U2B U2B R20U2D2R15Q1Q1Q1Q2Q3RLY1-B F1BAT R20R20U2Q1Q2Q3 R10R11, % 10 9 5D6U3U32.5V U3OT1Q4RLY1-A RLY1-B BAT R26R27 1 2INPUT 1213V R6U2R7R8TL431A +5VRT1R1R2U1R5R4U1Q1 FANOUT Q1C U1U1Z1Q1C Q1C R5R4U1U1Z1Q1C U1C C B RT1B C RT1B C B C B U1U1D1R13B U1D211+1 10 10 2U1A

4、R1R7C1C5VR1U1B D1R10R11R14U2A C6C10R15R17Q1R30R33C17C18U2B R1928D2D3D4C12C14Q2D2D3R19R21D6+IS-IS U1A R5R6R7VR1U1B D1 R10JL+R11U2A U2U2Q1R17R18JL+U2Q1R17R18A Io1B Io2A B JL1+JL2+JL1+JL2+JL2+B Io2Io1Io2Io1Q3C19R34R36Q3U2A U2A Q1 VR1把常见的几种开关电源结构和原理供大家参考: 1.正激电路 电路的工作过程: 开关S开通后,变压器绕组N1两端的电压为上正下负,与其耦合的N2

5、绕组两端的电压也是上正下负.因此VD1处于通态,VD2为断态,电感L的电流逐渐增长; S关断后,电感L通过VD2续流,VD1关断.S关断后变压器的激磁电流经N3绕组和VD3流回电源,所以S关断后承受的电压为 . 变压器的磁心复位:开关S开通后,变压器的激磁电流由零开始,随着时间的增加而线性的增长,直到S关断.为防止变压器的激磁电感饱和,必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零,这一过程称为变压器的磁心复位.正激电路的理想化波形: 变压器的磁心复位时间为: Tist=N3*Ton/N1 输出电压:输出滤波电感电流连续的情况下: Uo/Ui=N2*Ton/N1*T 磁心复位过程

6、: 2.反激电路 反激电路原理图 反激电路中的变压器起着储能元件的作用,可以看作是一对相互耦合的电感. 工作过程: S开通后,VD处于断态,N1绕组的电流线性增长,电感储能增加; S关断后,N1绕组的电流被切断,变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放.S关断后的电压为:us=Ui+N1*Uo/N2 反激电路的工作模式: 电流连续模式:当S开通时,N2绕组中的电流尚未下降到零. 输出电压关系:Uo/Ui=N2*ton/N1*toff 电流断续模式:S开通前,N2绕组中的电流已经下降到零. 输出电压高于上式的计算值,并随负载减小而升高,在负载为零的极限情况下, ,因此反激电路不应工作于负

7、载开路状态. 反激电路的理想化波形 3.半桥电路 半桥电路原理图 工作过程: S1与S2交替导通,使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压.改变开关的占空比,就可以改变二次侧整流电压ud的平均值,也就改变了输出电压Uo. S1导通时,二极管VD1处于通态,S2导通时,二极管VD2处于通态, 当两个开关都关断时,变压器绕组N1中的电流为零,VD1和VD2都处于通态,各分担一半的电流. S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升,两个开关都关断时,电感L的电流逐渐下降.S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui. 由于电容的隔直作用,半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有

8、自动平衡作用,因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和.半桥电路的理想化波形: 全桥电路 全桥电路原理图 工作过程: 全桥逆变电路中,互为对角的两个开关同时导通,同一侧半桥上下两开关交替导通,使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压,改变占空比就可以改变输出电压.全桥电路的理想化波形 推挽电路: 工作过程: 推挽电路中两个开关S1和S2交替导通,在绕组N1和N1两端分别形成相位相反的交流电压,改变占空比就可以改变输出电压. S1导通时,二极管VD1处于通态,电感L的电流逐渐上升. S2导通时,二极管VD2处于通态,电感L的电流也逐渐上升. 当两个开关都关断时,VD1和VD2都处于通态,各分担一半的

9、电流.S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui. S1和S2同时导通,相当于变压器一次侧绕组短路,因此应避免两个开关同时导通.金星D2902、D2912等机型的电源采用了三根公司的电源厚膜块STR-S6708，该电源具有适应电网电压宽（90V-270V）、保护电路完善、外围元件少等特点，该电路能改变开关电源脉冲宽度，在待机时采用窄脉冲方式工作，在正常开机时采用宽脉冲方式工作，因而无须另设待机时的辅助电源。 开关电路振荡过STR-S6708的（9）脚是电源供应脚，只有（9）脚供电正常，厚膜电路才会正常工作。VD908从220V交流电上直接整流，经R903、R917限流、C909滤波后得到8V左

10、右的直流电压，加到IC901的（9）脚，IC901开始工作，开关电源开始振荡，由VD908整流得到的电压能量较小，不能维持IC901的正常工作，但是当开关电源开始振荡后，开关变压器T901的（V2）脚将输出电压，经VD903整流、C909滤波后可得到稳定的8V电压，向IC901供电。光有VD903整流后的电压仍然是不行的，因为当电视机进入待机状态时，整机的主电压将从127V下降到30V左右，此时，开关变压器的（V2）脚输出电压也将大幅度下降，经VD903整流后的电压根本达不到8V，这时就要靠V901这一回路来继续维持供电了。在正常开机状态，开关变压器的（V3）脚输出电压，经VD902整流、C9

11、08滤波后得到约45V左右的直流电压，加到V901的C极，但是，由于这时的V901的发射极电压为8V，而基极接有稳压管VD920，VD920的稳压值是7.2V，所以V901的基极电压比发射极电压低，V901不会导通，IC901的（9）脚供电由VD903提供。当整机进入待机状态时，开关变压器的（V3）脚输出电压经VD902整流后的到11V左右的电压，此时，由于VD903输出的电压很低，V901得到正偏开始导通，其发射极输出电压为6.7V左右，继续为IC901的（9）脚提供电源。V901回路的另一个作用是，当电网电压降低时，VD903整流后的电压也将降低，当降低到6.6V以下时，V901会导通，继

12、续向STR-S6708的（9）脚供电，所以，这种开关电源适应电网电压的范围很宽。IC901的（9）脚得到电压后开始振荡，其振荡的脉冲频率和脉冲宽度由IC901内部的RC时间常数决定。振荡脉冲从IC901的（5）脚输出，然后分为二路：一路作为负反馈信号经R开关电源金星D2902电源906、R910送回IC901的（4）脚，以控制IC901内部比例驱动电路的工作状态；另一路经C911送回到IC901的（3）脚，STR-S6708的（3）脚是内部开关管的基极，（1）脚是集电极，（2）脚是发射极。在开关脉冲的作用下开始振荡，开关管在C、E间产生振荡电流，在开关变压器的（P1）、（P2）绕阻产生感应电压

13、，经耦合后在其它绕组也产生相应的感应电压，经整流滤波后供各级负载使用。由STR-S6708组成的开关电源，只要其（9）脚加上6V以上的电压，电路就能起振，不需另设正反馈电路。 稳压过程STR-S6708是根据改变（7）脚的电流来控制输出电压的大小的，（7）脚电流越大，开关管导通时间变短，输出电压就越低；反之，（7）脚电流越小，开关管导通时间变长，输出电压就越高。整机输出电压的大小由V951控制，V951是取样三极管，R955是取样电阻，直接从主电源上取样，若有某种原因使得主电源电压升高，则会发生下面一系列控制过程，最终使输出电压稳定：+B升高V951的B极电压V951的C极电压光耦IC902的

14、（1）、（2）脚的电流光耦IC902的（4）、（5）脚的电流STR-S6708（7）脚电流输出电压降低。反之，若输出电压降低，则发生上述相反的过程。待机/开机控制D2902的待机/开机设计比较独特，也比较复杂，下面我们来分析这一部分的电路。D2902的电源输出中有二个5V，但排插X306的（2）脚上的5V是CPU的供电电压，它不受开机或待机的控制，输出电压始终保持5V，因而能在待机时继续为CPU供电。在开机时，CPU的POWER脚输出高电平，加到V956的基极，V956饱和导通，此时，对VD959而言，由于其正端电压为0V，所以VD959截止，VD953基极由于得不到偏置而截止，V952、V9

15、58也都截止，V957的集电极电压由VD953整流滤波后得到（约9V），经稳压后从发射极输出5V-STB电压，供CPU使用。待机时，CPU的POWER脚输出低电平，加到V955基极，V955截止，V954因无偏置也截止，所以IC903这一路的5V停止输出；加到V956的基极，V956截止，另一方面，由VD952整流输出的电压约15V（开机时为80V），经R952、VD972加到VD959的正极，经VD959加到VD953的基极，使VD953导通，IC902的电流增大，各路电压大幅度下降，由VD953整流滤波后得到的电压也大幅度下降（约3V），已无法向V957开关电源金星D2902电源集电极提供

16、电压，但由于VD953导通，V952、V958也导通，继续向V957的集电极供电，经V957稳压后继续输出5V电压向CPU供电。 开关电源的保护D2902电源有完善的保护功能，STR-S6708本身能检测开关电源的工作状态，能对过流、过压、开关管的尖峰脉冲等实施保护。而对于后级的各路负载有着复杂而全面的保护，下面我们对各种保护予以介绍。 一：电源厚膜块的保护STR-S6708电源厚膜块具有过热、过压、过流三种保护。1过热保护：当电源工作异常引起STR-S6708温度升高时，内部的热敏元件测到温度达到150，温度保护电路动作，内部振荡器停振，开关管无驱动脉冲而停止工作。温度保护是STR-S670

17、8自身具有的功能，无需外围电路。2过压保护：STR-S6708的（9）脚既是供电脚，同时也是过压保护电路检测端，内接过压保护电路，当（9）脚电压大于11V时，保护电路动作，内部振荡器停振，开关管无驱动脉冲而停止工作。STR-S6708的（8）脚也有过压保护作用，当（8）脚电压大于1.5V时，内部振荡电路停止工作，开关电源无输出。3过流保护：STR-S6708的（2）脚是内部开关管的发射极，（2）脚通过R907和R921并联后接地，显然，R907、R921上流过的电流就是开关管的发射极电流，R907、R921上所产生的压降能反映出开关管电流的大小。R907、R921上所产生的压降经R911加到（

18、6）脚，当（6）脚电压比（2）脚电压低1V以上时，内部振荡电路停止工作，开关电源无输出。二：负载的保护1主电源过压保护：由R975和R976对主电源电压进行分压取样，当分压点电压大于12.7V时，VD943导通，取样电压经VD943、R991加到V942的控制脚，V942导通，V942导通后引起光耦IC902的（1）、（2）脚电流减小，从而引起IC902的（4）、（5）脚电流减小，这样会引起开关电源各路电压进一步升高，但当STR-S6708的（9）脚电压大于11V时，开关电源将停振，从而无输出电压，达到了保护的目的。注意：V942的导通将引起开关电源将停振，后面还有几路保护，都是通过使V942

19、导通而起到保护目的的。2伴音电路过流保护：由VD956整流滤波后输出30V电压经R935后送往伴音功放电路，R935上的压降能反映出伴音功放电路的电流，当R935上的电压大于0.7V时，V930导通，引开关电源金星D2902电源起V953导通，这时，VD954、VD955的负极相当于接地，引起IC902的（2）脚电压几乎为0，IC902的电流增大，开关电源输出电压大幅度降低，当IC901的（9）脚电压降到6V以下时，开关电源停振。 313V、30V短路保护：VD952整流滤波输出的22V电压，经R972、VD973在V959的E极建立一个5V基准电压，当13V或22V出现短路时，VD957或V

20、D958会导通，V959得到正偏而导通，V953导通，进入保护状态。4主电源过流保护：主电源电压经R724后加到FBT的+B脚（D2912图纸上画的有误），R724上的压降反映了行电流的大小，当行电流过大时，R724上的电压经R723、R720、R725分压后使V714导通，V942导通，电源进入保护状态。5+12V短路保护：行输出变压器输出的15V电压，经IC701三端稳压器稳压后输出12V电压，若12V电压有短路或负载太重，将使得IC701的（1）、（2）脚电位差增大，一旦IC701的（1）、（2）脚电位差大于VD701的稳压值（9V）时，VD701导通，V717也导通，V942导通，电源

21、进入保护状态。6灯丝电压保护：行输出变压器输出的灯丝脉冲电压经VD716整流、C727滤波后变成直流电压，然后经R753、R753A、R727分压，一旦分压后的电压大于 12V，VD717将导通，V942导通，电源进入保护状态。7帧输出过流保护：行输出变压器输出的25V电压经R623加到帧输出电路，如果帧输出电流过大，则R623上的压降也增大，引起V602导通，V942导通，电源进入保护状态。8帧幅过大保护：当帧幅过大时，R613上会产生很大的锯齿波电压，此电压经VD602整流、C620滤波后变成直流电压，一旦此电压大于1.2V时，VD603导通，V942导通，电源进入保护状态。金星D2902

22、、D2912等机型的电源采用了三根公司的电源厚膜块STR-S6708，该电源具有适应电网电压宽（90V-270V）、保护电路完善、外围元件少等特点，该电路能改变开关电源脉冲宽度，在待机时采用窄脉冲方式工作，在正常开机时采用宽脉冲方式工作，因而无须另设待机时的辅助电源。开关电路振荡过程STR-S6708的（9）脚是电源供应脚，只有（9）脚供电正常，厚膜电路才会正常工作。VD908从220V交流电上直接整流，经R903、R917限流、C909滤波后得到8V左右的直流电压，加到IC901的（9）脚，IC901开始工作，开关电源开始振荡，由VD908整流得到的电压能量较小，不能维持IC901的正常工作

23、，但是当开关电源开始振荡后，开关变压器T901的（V2）脚将输出电压，经VD903整流、C909滤波后可得到稳定的8V电压，向IC901供电。光有VD903整流后的电压仍然是不行的，因为当电视机进入待机状态时，整机的主电压将从127V下降到30V左右，此时，开关变压器的（V2）脚输出电压也将大幅度下降，经VD903整流后的电压根本达不到8V，这时就要靠V901这一回路来继续维持供电了。在正常开机状态，开关变压器的（V3）脚输出电压，经VD902整流、C908滤波后得到约45V左右的直流电压，加到V901的C极，但是，由于这时的V901的发射极电压为8V，而基极接有稳压管VD920，VD920的

24、稳压值是7.2V，所以V901的基极电压比发射极电压低，V901不会导通，IC901的（9）脚供电由VD903提供。当整机进入待机状态时，开关变压器的（V3）脚输出电压经VD902整流后的到11V左右的电压，此时，由于VD903输出的电压很低，V901得到正偏开始导通，其发射极输出电压为6.7V左右，继续为IC901的（9）脚提供电源。V901回路的另一个作用是，当电网电压降低时，VD903整流后的电压也将降低，当降低到6.6V以下时，V901会导通，继续向STR-S6708的（9）脚供电，所以，这种开关电源适应电网电压的范围很宽。IC901的（9）脚得到电压后开始振荡，其振荡的脉冲频率和脉冲

25、宽度由IC901内部的RC时间常数决定。振荡脉冲从IC901的（5）脚输出，然后分为二路：一路作为负反馈信号经R906、R910送回IC901的（4）脚，以控制IC901内部比例驱动电路的工作状态；另一路经C911送回到IC901的（3）脚，STR-S6708的（3）脚是内部开关管的基极，（1）脚是集电极，（2）脚是发射极。在开关脉冲的作用下开始振荡，开关管在C、E间产生振荡电流，在开关变压器的（P1）、（P2）绕阻产生感应电压，经耦合后在其它绕组也产生相应的感应电压，经整流滤波后供各级负载使用。由STR-S6708组成的开关电源，只要其（9）脚加上6V以上的电压，电路就能起振，不需另设正反馈

26、电路。稳压过程STR-S6708是根据改变（7）脚的电流来控制输出电压的大小的，（7）脚电流越大，开关管导通时间变短，输出电压就越低；反之，（7）脚电流越小，开关管导通时间变长，输出电压就越高。整机输出电压的大小由V951控制，V951是取样三极管，R955是取样电阻，直接从主电源上取样，若有某种原因使得主电源电压升高，则会发生下面一系列控制过程，最终使输出电压稳定：+B升高V951的B极电压V951的C极电压光耦IC902的（1）、（2）脚的电流光耦IC902的（4）、（5）脚的电流STR-S6708（7）脚电流输出电压降低。反之，若输出电压降低，则发生上述相反的过程。第一章 开关电源的基本

27、工作原理开关电源是利用时间比率控制（Time Ratio Control,缩写为TRC）的方法来控制稳压输出的。按TRC控制原理，有以下三种方式：1) 脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,缩写为PWM）。开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。2) 脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,缩写为PFM）导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。3) 混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。本设计采用的就是脉宽

28、调制型开关稳压电源，其基本原理可参见右图。对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压Uo可由公式计算，即Uo=UmT1/T式中Um 矩形脉冲最大电压值；T 矩形脉冲周期；T1 矩形脉冲宽度。从上式可以看出，当Um与T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。1此外，为因应各种不同的输出功率，开关电源按DC/DC变换器的工作方式分又可分为反激式（Flyback）、顺向式（Forward）、全桥式（Full Bridge）、半桥式（Half

29、 Bridge）和推挽式（Push-Pull）等电路拓扑（Topology）结构。其中单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20100，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率，应用较为广泛。本设计采用的就是该方案，其典型的电路如图所示。1图1-1 反激式开关电源典型电路结构藉由PWM IC控制开关管的导通与否，配合次级侧的二极管和电容，即可得到稳定DC电压的输出。Ui为含有一定交流成份的直流电压，由开关功率管斩波和高频变压器降压，将储存于在变压器的能量传递给次级侧，转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。此外改变变压器初、次级的圈数，就

30、可以得到想要的DC电源。PWM控制电路是这类开关电源的核心，它通过取样反馈闭环回路，调整高频开关元件的开关时间比例即占空比，以达到稳定输出电压的目的。由于高频变压器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧，并且只有一个输出端，而MOS开关功率管导通时，次级整流二极管截止，电能就储存在高频变压器的初级电感线圈中；当MOS功率管关断时整流二极管导通，初级线圈上的电能传输给次极绕组，并经过次级整流二极管输出，故称之为单端反激式。第一节 开关电源的干扰特性及其抑制措施开关电源虽然具有许多优点并得到广泛的应用，但由于它具有严重的射频干扰,在线性电路中的应用一直受到很大的限制。开关电源是把工频交流整流为直流后，再通过

31、开关变为高频交流，其后再整流为稳定直流的一种电源，这样就有工频电源的整流波形畸变产生的噪声与开关波形产生的噪声。在输入侧泄露出去就表现为传导噪声和辐射噪声，在输出侧泄露出去就表现为纹波。同时外部噪声会进到电子设备中，而供给负载的电源噪声也会泄露到外部。若电源线中有噪声电流通过，电源线就相当于天线向空中辐射噪声。而这些噪声都会影响设备的正常工作。要想使其得到更广泛的应用，满足电磁兼容性的有关指标，就需要有效地抑制开关电源的干扰。杂讯干扰的途径有两种，即传导干扰与辐射干扰。以下分别对两种干扰的特性与抑制方法做一介绍。 1.1 传导干扰及其抑制措施从导线传入的干扰称为传导干扰，其干扰能量通过导电体进

32、行传播，开关电源的输入、输出引线都是传导干扰的媒介。开关电源产生的干扰会沿电源引线进入电网，污染电网，使同一电网的电子设备受到干扰。同时电源的输出线还将把干扰噪声传递给负载，使作为电源负载的电子设备直接受到干扰，当这种干扰幅度若大到一定程度，会影响线性电路和一些小信号电路的正常工作。由于传导干扰主要是通过输入输出引线进行传播，因而相对来说传导干扰的抑制要容易些，主要方法是加接输入输出滤波器 。在开关电源的输入侧要介入电容与电感构成的滤波器，用于抑制交流电源产生的EMI，而该滤波器也称为电磁兼容（EMI）滤波器。其电路如图2-1所示。图1-1输入端抑制传导干扰电路（EMI）该滤波器是一典型的低通

33、滤波器，使开关电源产生的一些高频脉冲干扰经过它后得到极大的衰减，能较好的滤除来源于电网或者传入电网的干扰，使其符合FCC、CE、VDE等标准。图中L901、L902为共模扼流圈，它是绕在同一磁环上的两只独立的线圈，圈数相同，绕向相反，在磁环中产生的磁通相互抵消，磁芯不会饱和，主要抑制共模干扰，感值愈大对低频干扰抑制效果愈佳。这样绕制的滤波电感抑制共模干扰的性能大大提高。L901、 L902分别选择感值为2.0mH和15mH的共模扼流圈。C901、C902为共模电容，主要抑制差模干扰，即火线和零线分别与地之间的干扰。电容值愈大对低频干扰抑制效果愈好，在这里选用102PF/250V。C903、C904为差模电容，主要抑制共模干扰，即抑制火线和零线之间的干扰。电容值愈大对低频干扰抑制效果愈佳，在这里选用0.47uF/300V。有时为了降低成本也可将C904省去。图中CN901为插座，接电网电压。F901为保险丝，电路中采用了规格为2A/250V的保险丝，它在高压时熔断，可防止设备在突发的高压时引起的破坏。NR901为负温度系数热敏电阻，开机瞬间温度低，阻抗大，防止电流对回路的浪涌冲击。常温下其规格为