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1、开关电源的基本概念和分析方法 什么是 Power Supply? Power Supply 负载 Vin, Iin Power Supply是一种提供电力能源的设备，它可以将一种电力能源形式 转换 成另外一种电力能源形式，并能对其进行 控制和调节 。 上 级 电 能 形 式 Vo, Io f, phase f, phase 根据转换的形式分类 : AD/DC, DC/DC, DC/AC, AC/AC 根据转换的方法分类 : 线性电源， 开关电源 什么是 Switching Mode Power Supply? 有源开关 (Switch) 二极管 (Diode) 电感器 (Inductor) 电
2、容器 (Capacitor) 电阻器 (Resistor) 开关电源 (Switching Power) 开关工作 主动控制功率流 向与流量 单向导电 被动控制功率 流向 以电流形式 储能 以电压形式 储能 不在功率 回路中除 出现 线性电源 (Linear Power) 线性工作 控制功率流量 单向导电 被动控制 滤波等辅助 作用 滤波等辅助 作用 消耗功率 调节电压 Vo Vin Vo Rx Vo=Vref*Rx/(R+Rx) Vo=? C L C Vo=Vin*D D 基本电子元件在开关电源中所起的作用 线性电源 (Linear Power) 开关电源 (Switching Power)
3、 开关电源的基本元件： 有源开关 (Switch) 二极管 (Diode) 电感 (Inductor) 电容器 (Capacitor) 变压器 (Transformer) + u(t) - i(t) dt tdu Cti )(1)( 电容的基本方程 1. 当一电流流经电容 , 电容两端的电压逐渐增加 , 并且电容量越大电流增加 越慢 . C ItU C I + U - 2. 在稳态工作的开关电源中流经电容的电流对时间的积分为零。 I+ I- A B 面积 A=面积 B + u(t) - i(t) dt tdiLtu )()( 电感的基本方程 1. 当一电感突然加上一个电压时 , 其中的电流逐渐
4、增加 , 并且电感量越大电 流增加越慢 . 2. 当一电感上的电流突然中断 , 在其两端会产生一瞬时高压 , 并且电感量越 大该电压越高 L UtI U L I + U - L I t LIU 电感的伏秒平衡原则： dt tdiLtu )()( u(t) i(t) V+ V- t1 t2 L ttVdttu LI t t )()(1 011 0 t0 )()( 1201 ttVttV I I 对稳定状态 II L ttVdttu LI t t )()(1 122 1 伏秒平衡原则 : 在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值 . V+ V- A B V+ V- A B 面积 A=面
5、积 B 分析开关电源中电容和电感的几条原则： 1. 电容两端的电压不能突变 (当电容足够大时 ,可认为其电 压不变 )。 2. 电感中的电流不能突变 (当电感足够大时 ,可认为其电流 恒定不变 )。 3. 流经电容的电流平均值在一个开关周期内为零。 4. 电感两端的伏秒积在一个开关周期内必须平衡。 dt tdu Cti )(1)( dt tdiLtu )()( TUIL * TIUC *1 恒流充电 恒压储能 两个有用的公式： C: L: Buck电路工作原理分析： Vin Vo D L Io S S UL IL Vin-Vo -Vo oI Io D 1-D T 根据 L的伏秒平衡原则： (V
6、in-Vo)*DT=Vo*(1-D)T Vo=Vin *D L*Io=Vo *(1-D)T Is 根据 L在 1-D时间的基本方程： Io=Vo *(1-D)T/L Buck电路的输入输出关系： 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1 0 Vo D( ) 10 D Vo/Vin = D Boost电路工作原理分析： Vin Vo L Io S S UL IL Vin Vo -Vin D 1-D T 根据 L的伏秒平衡原则： Vin*DT=(Vo-Vin)*(1-D)T V
7、in *T=(1-D)TVo Is D Vo=Vin/(1-D) ID Io 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 1 Vo D( ) 10 D Vo/Vin =1/(1-D) Boost电路的输入输出关系： 理想变压器的基本方程： 理想变压器模型： 1. 变压器绕组完全耦合 2. 变压器无气隙且磁芯的导磁率 无穷大 I1 N1 N2 u1 u2 I2 电压基本方程 : dt dNu 1 11 N2 N1 dt dNu 2 22 21 2 1 2 1 N N u u 电流基本方程 : H d lIN
8、i ii BH 0 i ii IN 1221 NNII 理想变压器个绕组的电压与匝数成正比，且同名端具有相同极性； 各绕组电流与匝数乘积之和为零，即电流的变比与匝比成反比，且 极性相反（点进点出原则）。 实际变压器的分析方法： 1. 变压器绕组不是完全耦合 I1 I1 N2 N1 1 2 k 21 Lk Lm kk L 2. 变压器有气隙或磁芯的导磁率 有限 0 H dlIN i ii I2 Im 当副边开路时 I2=0 mINH dl 1 Im即为原边电感 Lm（ 副边不存在或开路时的电感） 产生的电流， Lm称为激磁电感或励磁电感 k可以认为是由原边串联的电感 Lk产生 ,其大小为副 边短
9、路时原边所测得的电感量， Lk称为变压器的漏 感。 实际变压器的等效模型： 理想变压器 漏感 Lk 激磁电感 Lm 在稳态工作过程中变压器绕组两端的正伏秒值等于负伏秒值 . V+ V- A B V+ V- A B 面积 A=面积 B 正激变换器（ Forward） 工作原理分析： Io n:n:1 Vin Vo L G D S Vgs IL Vds D 1-D T Ip VL Io Vin/n-Vo -Vo Im Vin 2Vin Tr IL Ip IL 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
10、0.8 0.9 1 1 0 Vo D( ) 10 D 正激变换器的输入输出关系 : Vo=VinD/n 反激变换器（ Flyback） 工作原理分析： Io Vin Vo G D S Vgs ID Vds D 1-D T Ip VL Io Vin -nVo Lm Vin Vin+nVo D n:1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 0 Vo D( ) V ds D( ) 10 D 反激变换器的输入输出关系 ： )1(* * Dn DV inVo )1( D V inn V oV inV d s 小 结 开关电源功率电路的五个基本元件：开关 , 二极管 , 电容 , 电感 , 变压器 开关电源功率电路分析要点 1. 电容的电压不能突变 , 电感的电流不能突变 2. 流经电容的电流平均值为零 , 电感两端电压的平均值为零 3. 理想变压器电压与匝数成比且同名同极性 , 电流与匝数成反比且点进点出 4. 电容恒流充电的公式为 , 电感恒压储能的公式为 5. 变压器与电感的伏秒积必须平衡 TIUC * TUIL *
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