[信息与通信]实际当中使用的有实用价值电源培训

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1、概述l什么是电源l电源主要元器件l开关电源组成l标准及规范l电源规格及要求一、什么是电源l线性电源 成本高、体积大、效率低 干扰小 例如：LDOl开关电源 成本低、体积小、效率高 干扰大 例如：DC-DC、AC-DC、DC-AC 二、电源主要元器件l电阻l电容l电感l开关管 二极管 三极管 MOS 三、开关电源组成 交流输入交流输入输入滤波器输入滤波器全桥整流全桥整流直流直流滤波滤波PFC电路电路开关管（振荡逆变）开关管（振荡逆变）开关变压器开关变压器输出整流与滤波输出整流与滤波其他输出。其他输出。lEMC部分（滤波整流部分）lPFC部分（谐波部分）lDC-DC部分（交直流转换部分）EMC部分

2、PFC部分lPFC(Power Factor Correction)功率因数校正 功率因数=有功功率/视在功率l形成原因l解决措施无源PFC 有源PFC PFC部分-形成原因PFC部分-形成原因PFC部分-解决措施l 无源（被动）PFC PFC部分-解决措施l 无源（被动）PFC PFC部分-有源PFC部分lPFC部分 iLiLiL工作模式工作模式Operating Mode主要特性主要特性Main Feature不连续导电模式（不连续导电模式（DCM）Discontinuous Conduction Mode(DCM)相同平均电流时峰值电流最大相同平均电流时峰值电流最大 零电流转换零电流转换

3、临界导电模式（临界导电模式（CRM）Critical Conduction Mode(CRM)开关频率不固定开关频率不固定零电流切换零电流切换连续导电模式（连续导电模式（CCM）Continuous Conduction Mode(CCM)总是硬转换总是硬转换电感值最大电感值最大PFC 工作模式 PFC部分 PFC工作模式工作模式工作模式Ipk 升压升压二极管二极管Trr升压电升压电感尺寸感尺寸DCM不影响不影响最小最小CRM不影响不影响中等中等CCM需要小需要小trr 最大最大VinDPinIpk22VinPinIpk22最好最好最差最差22IVinPinIpkDC-DC最常见的拓扑结构l

4、Buck降压降压l Boost升压升压l Buck-Boost降压降压-升压升压l Flyback反激反激l Forward正激正激l Two-Transistor Forward双晶体管正激双晶体管正激l Push-Pull推挽推挽l Half Bridge半桥半桥l Full Bridge全桥全桥l SEPICl Cukl 半桥谐振半桥谐振LLC基本的脉冲宽度调制波形l 这些拓扑结构都与开关式电路有关。l 基本的脉冲宽度调制波形定义如下：TSTONTOFFD=1-D=TONTOFFTOFFTOFFTS=Duty Cycle=Duty Ratio=D=TONTSTONTONTOFF=占空比占

5、空比=负荷比负荷比Buck（降压）l把输入降至一个较低的电压把输入降至一个较低的电压。l 可能是最简单的电路。l 电感/电容滤波器滤平开关后的方波。l 输出总是小于或等于输入。l 输入电流不连续(斩波)。l 输出电流平滑。Load(R)VinVoutVout=VinDBoost（升压）l把输入升至一个较高的电压把输入升至一个较高的电压。l 与降压一样，但重新安排了电感、开关和二极管。l 输出总是比大于或等于输入。l 输入电流平滑。l 输出电流不连续(斩波)。Load(R)VinVout1Vout=VinDBuck-Boost（降压-升压）l 电感、开关和二极管的另一种安排方法。l 结合了降压和

6、升压电路的缺点。输入电流不连续(斩波)。输出电流也不连续(斩波)。l 输出总是与输入反向(注意电容的极性)，但是幅度可以小于或大于输入。l “反激”变换器实际是降压-升压电路隔离（变压器耦合）形式。Load(R)VinVoutVout=VinD-DFlyback（反激）l 如降压-升压电路一样工作，但是电感有两个绕组，而且同时作为变压器和电感。输出可以为正或为负，由线圈和二极管的极性决定。输出电压可以大于或小于输入电压，由变压器的匝数比决定。l 这是隔离拓扑结构中最简单的。l 增加次级绕组和电路可以得到多个输出。Load(R)VinVoutVout=VinDn Dn1Flyback（反激）Fo

7、rward（正激）l 降压电路的变压器耦合形式。不连续的输入电流，平滑的输出电流。l 因为采用变压器，输出可以大于或小于输入，可以是任何极性。l 增加次级绕组和电路可以获得多个输出。l 在每个开关周期中必须对变压器磁芯去磁。常用的做法是增加一个与初级绕组匝数相同的绕组。在开关接通阶段存储在初级电感中的能量，在开关断开阶段通过另外的绕组和二极管释放。i1Load(R)VinVoutiRESETVout=VinDnn1mTwo-Transistor Forward（双晶体管正激）l 两个开关同时工作。l 开关断开时，存储在变压器中的能量使初级的极性反向，使二极管导通。l 主要优点：每个开关上的电压

8、永远不会超过输入电压。无需对绕组磁道复位。Load(R)VinVoutVout=VinDnPush-Pull（推挽）l 开关（FET）的驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。l 良好的变压器磁芯利用率-在两个半周期中都传输功率。l 全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。l 施加在FET上的电压是输入电压的两倍。Load(R)VinVoutVout=VinDnnn11Half-Bridge（半桥）l 较高功率变换器极为常用的拓扑结构。l 开关（FET）的驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。l 良好的变压器磁芯利用率-在两个半周期中都传输功率。而且初级

9、绕组的利用率优于推挽电路。l 全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。l 施加在FET 上的电压与输入电压相等。Load(R)VinVoutVout=VinD2 nn11l 较高功率变换器最为常用的拓扑结构。l 开关（FET）以对角对的形式驱动，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。l 良好的变压器磁芯利用率-在两个半周期中都传输功率。l 全波拓扑结构，所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。l 施加在 FETs上的电压与输入电压相等。l 在给定的功率下，初级电流是半桥的一半。Load(R)VinVoutVout=VinDn11nFull-Bridge（全桥）CH3M2CH4CH2M

10、1Tr12M3CH1M4VinCH1 ND1CH4 PD4CH3 ND3CH2 PD21.CH1 ON,CH4 ON;CH3 OFF,CH2 OFF2.CH1 ON,CH4 OFF;CH3 OFF,CH2 OFF3.CH1 ON,CH4 OFF;CH3 ON,CH2 OFF4.CH1 OFF,CH4 OFF;CH3 ON,CH2 OFF5.CH1 OFF,CH4 OFF;CH3 ON,CH2 ON6.CH1 OFF,CH4 OFF;CH3 OFF,CH2 ON7.CH1 OFF,CH4 ON;CH3 OFF,CH2 ON8.CH1 OFF,CH4 ON;CH3 OFF,CH2 OFF9.CH1

11、 ON,CH4 ON;CH3 OFF,CH2 OFFFull-Bridge（全桥）Z.V.SDC-DC部分 LLCl LLCSEPIC(Single-Ended Primary Inductor Converter)（单端初级电感变换器）l 输出电压可以大于或小于输入电压。l 与升压电路一样，输入电流平滑，但是输出电流不连续。l 能量通过电容从输入传输至输出。l 需要两个电感。Load(R)VinVoutVout=VinD DCuk(Slobodan Cuk的专利)l 输出反相。输出电压的幅度可以大于或小于输入。l 输入电流和输出电流都是平滑的。l 能量通过电容从输入传输至输出。l 需要两个电

12、感。电感可以耦合获得零纹波电感电流。Load(R)VinVoutVout=VinD-D电路工作的细节l 降压调整器：连续导电临界导电不连续导电l 升压调整器(连续导电)l 变压器工作l 反激变压器l 正激变压器l 电感电流连续。Vout 是其输入电压(V1)的均值。输出电压为输入电压乘以开关的负荷比(D)。接通时，电感电流从电池流出。开关断开时电流流过二极管。忽略开关和电感中的损耗,D与负载电流无关。l 降压调整器和其派生电路的特征是：输入电流不连续(斩波),输出电流连续(平滑)。time0i 200i 1i30v 1i 1Load(R)Vout =5 Vi3i 2v 1Vin=15 VBuc

13、k Regulator降压调整器(连续导电)l 电感电流仍然是连续的，只是当开关再次接通时“达到”零。这被称为“临界导电”。输出电压仍等于输入电压乘以D。i 1Load(R)Vout =5 Vi3i 2v 1Vin=15 Vi 10i 2v 1i3time0Buck Regulator降压调整器(临界导电)Buck Regulator降压调整器（不连续导电）l 在这种情况下，电感中的电流在每个周期的一段时间中为零。l 输出电压仍然(始终)是 v1的平均值。l 输出电压不是输入电压乘以开关的负荷比(D)。l 当负载电流低于临界值时，D 随着负载电流而变化(而 Vout 保持不变)。i 1i 2i

14、 1Load(R)Vout =5 Vi3i 2v 1Vin=15 Vi 1v 10i3i 2timeBoost Regulator升压调整器l 输出电压始终大于（或等于）输入电压。l 输入电流连续，输出电流不连续（与降压调整器相反）。l 输出电压与负荷比（D）之间的关系不如在降压调整器中那么简单。在连续导电的情况下：l 在本例中，Vin=5,Vout=15，D=2/3.timei 200i 1i30v 1i 1Load(R)Vout =15 Vi3i 2v 1Vin=5 VVin=5 VVout =15 V0D11VinVo变压器工作包括初级电感的作用l 变压器看作理想变压器，它的初级（磁化）

15、电感与初级并联。Load(R)i1i2turns ratio:1:2v0time0ii0i10v sec.i sec.00v sec.i sec.i2反激变压器（实际是多绕组电感）l 此处初级电感很低，用于确定峰值电流和存储的能量。当初级开关断开时，能量传送到次级。turns ratio:1:2v pri.0i pri.0v sec.i sec.00v sec.i sec.Load(R)timeVinv drain0VoutVouti pri.v pri.正激变换变压器i1i2turns ratio:1:2v pri.0i pri.00v sec.i sec.00v sec.i sec.i2L

16、oad(R)timeVinv drain0VoutVoutiRESET0i3i31i pri.00iRESET0i1v nodel 初级电感很高，因为无需存储能量。l 磁化电流(i1)流入“磁化电感”，使磁芯在初级开关断开后去磁(电压反向)。DC-DC部分 反馈部分l反馈部分VoVoV Vbiasbias4KA431KA431+-2.5V2.5VV VFBFBV Vo o*IcIcVo*Vo*Z ZF FIcIcPWMPWMCompCompVo Vo*IC VFB Ipeak Vo 四、标准及规范lCCC China Compulsory Certification 中国强制性认证安全标准：G

17、B8898-2001EMC：GB13837-2003谐波：GB17625.1-2003l设计规范 四、标准及规范l GB8898-2001音频、视频及类似电子设备 安全要求 基本绝缘:施加于带电部件对电击提供基本防护的绝缘。(交流220V对应交流1500V)附加绝缘:万一基本绝缘失效，为了对电击提供防护，而对基本绝缘另外施加的独立绝缘。(交流220V对应交流1500V)双重绝缘：由基本绝缘和附加绝缘构成的绝缘系统。(交流220V对应交流3000V)对双重绝缘，其基本绝缘或附加绝缘的厚度应至少为0.4 m m。加强绝缘：在本标准规定的条件下，提供与双重绝缘等效的防电击等级，而施加于带电部件的单一

18、绝缘。(交流220V对应交流3000V)四、标准及规范lGB8898-2001音频、视频及类似电子设备 安全要求 冷热地的概念类设备：设备的防触电保护不仅靠基本绝缘，还包括一种附加的安全措施，即将能触及的可导电部分与设施固定布线中的保护(接地)线相连接。类设备：设备的防触电保护不仅靠基本绝缘还具备象双重绝缘或加强绝缘这样的附加安全措施。这种设备不采用保护接地的措施，也不依赖于安装条件。四、标准及规范lGB8898-2001音频、视频及类似电子设备 安全要求 绝缘电阻类2M，类4M 泄漏电流类3.5mA，类0.7mA 抗电强度（绝缘耐压）类1500V，类3000V 爬电距离类3mm，类6mm四、

19、标准及规范l 安规电容 安规电容是指用于这样的场合，即电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全.它包括了X电容和Y电容。即只能断，不能短。X电容：跨接在电力线两线（L-N）之间的电容，一般选用金属薄膜电容；抑制差模干扰，一般是uF级。Y电容：分别跨接在电力线两线和地之间（L-E，N-E）的电容，一般是成对出现。基于漏电流的限制，Y电容值不能太大，一般是nF级。四、标准及规范l 安规电容安全等级 应用中允许的峰值脉冲电压 过电压等级（IEC664）l X1 2.5kV 4.0kV l X2 2.5kV l X3 1.2kV-l 安规电容安全等级 绝缘类型 额定电压范围 l Y1 双重绝缘或加强

20、绝缘 250V l Y2 基本绝缘或附加绝缘 150V 250V l Y3 基本绝缘或附加绝缘 150V 250V l Y4 基本绝缘或附加绝缘 150V 四、标准及规范lGB8898-2001音频、视频及类似电子设备 安全要求 绝缘电阻类2M，类4M 泄漏电流类3.5mA，类0.7mA 绝缘耐压类1500V，类3000V 爬电距离类3mm，类6mm四、标准及规范lEMC传导 在干扰中，各频率段干扰主要分布如下：0.15MHz0.5MHz之间，差模干扰起主要作用5MHz30MHz之间，共模干扰起主要作用0.5MHz5MHz之间共模干扰和差模干扰都起作用。辐射 一般30-200M之间超标，可能和电源有关 四、标准及规范l谐波 要求大于75W的，谐波必须满足要求。测试到40次谐波（只是奇次谐波）五、电源规格及要求l 单电源l Inverterl 整合电源 LIPS（LCD Intergade Power Supply）多个Inverter变压器+LAMP的模式 IPB（Intergade Power Board）单个INVERTER变压器+平衡板(C-banlance、L-banlance或EEFL)的模式