开关电源及其技术指标

《开关电源及其技术指标》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关电源及其技术指标（32页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 1.1 开 关 电 源 及 发 展 方 向 一 什 么 是 开 关 电 源 2 变 换 电 能 的 电 源* 同 时 具 备 以 下 三 个 条 件 的 电 源 ， 称 为 开 关 电 源 。 1 电 源 * 产 生 电 能 的 电 源 ： 把 其 他 能 源 转 换 成 电 能3 开 关 电 源 * 线 性 电 源 * 相 控 电 源 * 开 关 电 源* 变 换 电 能 的 电 源 ： 对 电 能 形 态 进 行 变 换 A 开 关 ， 电 路 中 的 电 力 电 子 器 件 工 作 在 开 关 状 态而 不 是 线 性 状 态 ； B 高 频 ， 电 路 中 的 电 力 电 子 器 件

2、 工 作 在 高 频 而 不是 接 近 工 频 的 低 频 ；C 直 流 ， 电 源 输 出 是 直 流 而 不 是 交 流 。 即 ， 利 用 新 型 自 关 断 器 件 通 过 功 率 变 换 技 术 而 制 成 的 高 频开 关 式 直 流 稳 压 电 源 。 与 线 性 稳 压 电 源 相 比 ， 具 有 效 率 高 、 体 积 小 和 重 量 轻 等 突出 优 点 ； 但 存 在 电 路 复 杂 、 纹 波 大 、 干 扰 大 的 缺 点 。4 离 线 式 开 关 变 换 器 是 AC/DC变 换 器 ， 由 于 交 流 输 入 整 流 后 ， 一 般 还 都 需 要 进行 DC/D

3、C变 换 ， 变 换 器 中 因 有 高 频 变 压 器 隔 离 ， 故 称 离 线 ， 并 不 是 变 换 器 与 市 电 线 路 无 关 的 意 思 。 5 传 统 稳 压 电 源 技 术 6 开 关 电 源 的 发 展 动 力 7 在 我 国 的 发 展 需 要 体 积 小 、 重 量 轻 、 效 率 高 、 性 能 好 的 新 型 电 源 ， 成 为开 关 电 源 技 术 发 展 的 强 大 动 力 。 * 是 一 种 通 过 串 联 晶 体 管 调 整 稳 压 、 连 续 性 控 制 的 线 性 稳压 电 源 ， 技 术 成 熟 ， 已 有 大 量 的 集 成 稳 压 模 块 生 产

4、 。 * 具 有 稳 压 性 能 好 、 输 出 纹 波 小 、 使 用 可 靠 等 优 点 ； 但 需要 体 积 大 、 笨 重 的 工 频 变 压 器 以 及 体 积 和 重 量 都 较 大 的 滤 波 器 。 * 调 整 管 工 作 在 线 性 放 大 状 态 ， 功 率 损 耗 大 、 效 率 低 ， 需要 加 体 积 较 大 的 散 热 器 。 2. 高 可 靠 性二 开 关 电 源 的 发 展 方 向1. 小 型 化 轻 量 化 高 频 化3. 输 入 电 压 通 用4. 扩 大 输 出 电 压 范 围5. 提 高 输 入 侧 的 功 率 因 数6. 要 求 安 全7. 分 布 式

5、 结 构 增 多 (1) 利 用 无 源 滤 波 器三 相 关 技 术 1. 专 用 集 成 控 制 电 路2. 软 开 关 技 术3. 电 源 系 统 的 管 理 及 控 制4. CAD技 术5. 高 次 谐 波 的 抑 制 (2) 有 源 滤 波 器 1 高 可 靠 性2 可 维 修 性四 对 开 关 电 源 的 要 求 * 用 平 均 故 障 间 隔 时 间 （ MTBF） 作 为 衡 量 开 关 电 源 可 靠性 的 标 志 。 一 些 电 源 模 块 的 MTBF 50万 小 时 。 * 减 少 损 耗 、 提 高 效 率 、 改 善 散 热 条 件 是 提 高 开 关 电 源 可靠

6、 性 的 基 本 方 法 。 * 加 强 生 产 过 程 质 量 控 制 ， 保 证 好 的 电 气 绝 缘 和 机 械 强 度等 也 十 分 重 要 。 * 能 及 时 诊 断 出 故 障 部 位 、 不 用 专 用 工 具 即 能 排 除 故 障 是可 维 修 性 好 的 衡 量 标 志 。 * 可 分 为 现 场 维 修 、 车 间 维 修 。 * 现 场 维 修 要 求 在 电 源 系 统 运 行 情 况 下 ， 快 速 卸 下 故 障模 块 、 更 换 新 模 块 ， 并 使 新 模 块 方 便 地 投 入 系 统 运 行 。 3 小 的 体 积 、 重 量4 提 高 市 场 竞 争

7、 力 * 车 间 维 修 是 对 电 源 本 身 的 维 修 ， 对 于 小 功 率 模 块 有 时不 再 修 理 。 电 子 设 备 小 型 化 ， 对 电 源 提 出 的 要 求 。 * 降 低 电 源 的 生 产 成 本 * 降 低 电 源 的 使 用 费 用五 与 其 他 课 程 的 关 系 及 内 容1 基 础 课 程 * 电 路 分 析 * 电 力 电 子 技 术* 电 子 技 术 * 控 制 理 论 基 础 2 相 关 课 程 * 软 开 关 变 换 技 术3 课 程 内 容 主 要 讨 论 AC/DC和 DC/DC两 类 开 关 变 换 器 * 电 源 的 发 展 方 向 、

8、技 术 指 标 * 开 关 电 源 的 控 制 电 路 * 磁 性 器 件 的 设 计* 电 源 基 本 电 路 的 设 计* 电 力 电 子 电 路 仿 真 技 术* 电 子 设 备 的 电 磁 兼 容 技 术* 电 力 电 子 装 置 故 障 自 动 诊 断 技 术 * 开 关 电 源 的 热 设 计* 开 关 电 源 的 有 源 功 率 因 数 校 正 技 术 （ 1） 张 占 松 开 关 电 源 的 原 理 与 设 计4 参 考 文 献 （ 2） 王 英 剑 新 型 开 关 电 源 实 用 技 术 （ 3） 叶 慧 贞 新 颖 开 关 稳 压 电 源 （ 4） 杨 旭 开 关 电 源

9、技 术 （ 5） 周 志 敏 开 关 电 源 实 用 技 术 -设 计 与 应 用 1.2 技 术 指 标 一 应 用 领 域 * 确 定 电 源 技 术 指 标 时 ， 首 先 要 明 确 使 用 电 源 的 设 备 或 工 艺 。二 技 术 指 标 1 输 入 参 数 (1) 相 数 * 当 开 关 电 源 的 功 率 小 于 5kW时 ， 可 以 选 择 单 相 输 入 。 这样 ， 可 降 低 主 电 路 器 件 的 电 压 等 级 ， 降 低 成 本 。* 确 定 应 该 遵 循 的 各 国 安 全 标 准 。 * 当 开 关 电 源 的 功 率 大 于 5kW时 ， 应 选 择 三

10、 相 输 入 。 这 样 ，可 避 免 引 起 电 网 三 相 间 的 不 平 衡 ， 同 时 还 可 以 减 小 主 电 路 中 的 电 流 ， 降 低 损 耗 。 (2) 输 入 电 压 * 国 内 民 用 交 流 电 源 电 压 三 相 380V、 单 相 为 220V。 * 目 前 ， 开 关 电 源 流 行 采 用 国 际 通 用 电 压 范 围 ， 即 单 相85 265V， 这 一 范 围 覆 盖 了 全 球 各 种 民 用 电 源 标 准 所 限 定 的电 压 ， 但 对 电 源 设 计 提 出 了 较 高 的 要 求 。 * 输 入 电 压 为 直 流 时 情 况 比 较 复

11、 杂 ， 从 24V 600V都 有 可能 。 * 输 入 电 压 指 标 通 常 包 含 额 定 值 和 变 化 范 围 两 方 面 内 容 。 * 输 入 电 压 范 围 的 下 限 影 响 变 压 器 的 变 比 ， 上 限 决 定 了主 电 路 元 器 件 的 电 压 等 级 。 * 输 入 电 压 变 化 范 围 过 宽 ， 使 设 计 中 必 须 留 过 大 裕 量 而 造 成 浪 费 ， 应 在 满 足 实 际 要 求 的 前 提 下 ， 尽 量 小 。 * 输 入 电 压 变 化 范 围 一 般 为 10%， 考 虑 配 线 等 因 素 有时 也 要 求 -15% +10%。

12、(3) 输 入 频 率 (4) 输 入 电 流 * 我 国 民 用 和 工 业 用 电 的 频 率 均 为 50Hz， 航 空 、 航 天 、船 舶 用 电 经 常 采 用 400Hz交 流 电 （ 通 常 为 115V单 相 或 三 相 电 ） 。 * 400Hz交 流 电 压 整 流 后 的 脉 动 频 率 远 高 于 工 频 ， 因 此 整流 电 路 所 连 接 的 滤 波 电 容 可 以 减 小 很 多 。 * 输 入 电 流 通 常 包 括 额 定 输 入 电 流 和 最 大 输 入 电 流 两 项 。 * 输 入 电 流 是 输 入 开 关 、 接 线 端 子 、 熔 断 器 和

13、整 流 桥 等元 器 件 的 设 计 依 据 。 * 额 定 输 入 电 流 是 指 输 入 电 压 和 输 出 电 压 、 输 出 电 流 在额 定 条 件 时 的 电 流 ， 最 大 值 发 生 在 输 入 电 压 下 限 和 输 出 电 压 上限 、 输 出 电 流 上 限 时 。 * 三 相 输 入 时 ， 各 相 电 流 有 时 会 发 生 失 蘅 现 象 ， 应 取 平 均 值 。 (6) 漏 电 流 (7) 效 率 (5) 冲 击 电 流 指 输 入 电 压 按 规 定 时 间 间 隔 接 通 或 断 开 时 ， 输 入 电 流 达 到稳 定 状 态 前 所 通 过 的 最 大

14、瞬 时 电 流 。 * 流 经 输 入 侧 地 线 的 电 流 ， 在 开 关 电 源 中 主 要 是 通 过 静 噪滤 波 器 （ 或 称 EMI滤 波 器 ） 的 旁 路 电 容 泄 漏 的 电 流 。* 一 般 ， 规 定 在 0.5mA 1mA。 * 是 电 源 的 重 要 技 术 指 标 ,一 般 定 义 为 电 源 输 出 功 率 与 电源 输 入 有 功 功 率 之 比 。 * 通 常 给 出 的 是 在 额 定 输 入 电 压 和 额 定 输 出 电 压 、 额 定 输出 电 流 条 件 下 的 效 率 。 * 提 高 效 率 ， 意 味 着 电 源 损 耗 功 率 下 降 ，

15、 则 可 降 低 电 源 温升 、 提 高 可 靠 性 、 节 约 能 源 。 (8) 输 入 功 率 因 数* 影 响 电 源 效 率 的 因 素 与 开 关 频 率 有 关 的 损 耗 ， 包 括 开 关 器 件 的 开 关 损 耗 、 变压 器 的 铁 损 、 电 感 的 铁 损 以 及 吸 收 电 路 的 损 耗 。 电 路 中 的 通 态 损 耗 ， 包 括 开 关 器 件 的 导 通 损 耗 、 变 压 器的 铜 损 、 电 感 的 铜 损 以 及 线 路 损 耗 。 其 他 损 耗 ， 包 括 控 制 电 路 损 耗 、 冷 却 系 统 的 损 耗 等 。 * 一 般 来 说 ，

16、 输 出 电 压 较 高 的 电 源 的 效 率 高 于 输 出 电 压 低的 电 源 ， 这 与 输 出 侧 整 流 二 极 管 的 通 态 压 降 与 输 出 电 压 的 比 值有 关 。 * 指 在 输 入 电 压 为 额 定 值 、 输 出 功 率 为 额 定 值 时 ， 输 入 相移 功 率 因 数 和 畸 变 因 数 （ 失 真 功 率 因 数 ） 的 乘 积 ， 即 ：cos Di PFPF * PFD是 基 波 电 流 与 基 波 电 流 及 谐 波 的 总 有 效 值 之 比 。 * 是 电 压 与 基 波 电 流 的 相 位 差 的 余 弦 。COS其 中 21 )(1 1

17、THDIIPF RD 12 2I ITHD n n * THD也 称 谐 波 电 流 畸 变 度 。 * 目 前 ， 对 保 护 电 网 环 境 、 降 低 谐 波 污 染 的 要 求 越 来 越 高 ，许 多 国 家 和 地 区 都 已 出 台 相 应 标 准 ， 对 用 电 装 置 的 输 入 谐 波 和功 率 因 数 作 出 严 格 规 定 。2 输 出 参 数 (1) 输 出 电 压 * 输 出 电 压 通 常 给 出 额 定 值 和 调 节 范 围 两 项 内 容 。 * 输 出 电 压 上 限 关 系 到 变 压 器 设 计 中 变 比 的 计 算 ， 过 高的 上 限 要 求 会

18、 导 致 过 大 的 设 计 裕 量 ， 在 满 足 实 际 要 求 的 前 提 下 ，上 限 应 尽 量 靠 近 额 定 点 。 (2) 输 出 电 流 * 通 常 给 出 额 定 值 和 一 定 条 件 下 的 过 载 倍 数 。 * 有 稳 流 要 求 的 电 源 应 指 定 调 节 范 围 。 * 有 的 电 源 不 允 许 空 载 ， 应 指 定 输 出 电 流 下 限 。 * 在 多 路 输 出 电 源 中 ， 有 的 如 果 某 一 路 输 出 电 流 增 加 ，则 其 他 路 的 输 出 电 流 会 下 降 ， 对 此 要 进 行 说 明 。 (3) 稳 压 （ 稳 流 ） 精

19、 度 * 通 常 以 正 负 误 差 带 的 形 式 给 出 。 * 影 响 电 源 稳 压 （ 稳 流 ） 精 度 的 主 要 有 输 入 电 压 变 化 、输 出 负 载 变 化 、 温 度 变 化 以 及 元 器 件 老 化 等 。 * 精 度 可 以 用 以 下 指 标 考 核 ： 负 载 调 整 率 输 入 电 压 调 整 率 A 是 指 开 关 电 源 在 输 入 电 压 不 变 、 输 出 负 载 电 流 变 化 时 ，提 供 其 稳 定 输 出 电 压 的 能 力 。 B 测 试 方 法 ： 在 被 测 开 关 电 源 以 额 定 输 入 电 压 及 额 定 负载 状 况 下

20、热 机 稳 定 后 ， 测 量 其 输 出 电 压 值 U0， 再 测 量 轻 载 (如5%I0N)时 的 输 出 电 压 U1， 可 按 下 式 计 算 。 000 10 UUU UUSI A 是 指 开 关 电 源 在 输 入 电 压 变 化 、 输 出 负 载 电 流 不 变 时 ，提 供 其 稳 定 输 出 电 压 的 能 力 。 B 测 试 方 法 ： 在 被 测 开 关 电 源 以 额 定 输 入 电 压 及 额 定 负载 状 况 下 热 机 稳 定 后 ， 测 量 其 输 出 电 压 值 U0， 再 分 别 在 低 输 入电 压 （ 如 90% Ui ） 及 高 输 入 电 压

21、（ 如 110% Ui ） 下 测 量 其 输 出电 压 U01、 U02 ， 可 按 下 式 计 算 。 * 影 响 精 度 的 相 关 因 素 有 以 下 几 项 ： 基 准 源 精 度 检 测 电 路 精 度 控 制 电 路 中 运 算 放 大 器 精 度00UUSU 0100 UUU 0200 UUU 其 中 或 ， 取 最 大 值 。 (5) 纹 波 (4) 电 源 的 输 出 特 性 * 电 源 输 出 特 性 与 电 源 的 应 用 领 域 的 工 艺 要 求 有 关 ， 如有 些 场 合 要 求 恒 压 限 流 、 有 些 场 合 要 求 恒 流 限 压 等 。 * 设 计 时

22、 需 要 根 据 输 出 特 性 要 求 来 确 定 主 电 路 和 控 制 电路 的 形 式 。 * 典 型 的 输 出 电 压 纹 波 波 形 如 下 图 所 示 ， 通 常 按 频 带 可分 为 三 类 ： 高 频 噪 声 ， 即 图 中 远 高 于 开 关 频 率 的 尖 刺 ； 开 关 频 率 纹 波 ， 指 开 关 频 率 附 近 的 频 率 成 分 ， 即 图 中的 锯 齿 状 成 分 ； 低 频 纹 波 ， 指 频 率 低 于 开 关 频 率 的 成 分 ， 即 低 频 波 动 。 (6) 动 态 响 应 * 对 输 出 电 压 纹 波 的 量 化 方 法 ， 通 常 有 以

23、下 几 种 ： 纹 波 系 数 ， 取 输 出 电 压 中 交 流 成 分 总 有 效 值 与 直 流 成 分的 比 值 定 义 为 纹 波 系 数 。 不 能 反 映 幅 值 很 高 、 有 效 值 却 很 小 的 尖 峰 噪 声 的 含 量 及 其 影响 。 由 于 纹 波 包 含 的 频 率 成 分 从 1赫 兹 以 下 到 数 十 兆 赫 ， 频 带 极宽 ， 很 难 精 确 计 量 。 峰 峰 电 压 值 ， 计 量 纹 波 电 压 的 峰 峰 值 ， 可 以 反 映 幅 值 很高 、 有 效 值 却 很 小 的 尖 峰 噪 声 的 含 量 ， 但 不 能 反 映 纹 波 有 效 值

24、的 大 小 ， 不 够 全 面 。 按 三 种 频 率 成 分 分 别 计 量 幅 值 ， 该 方 法 最 为 直 观 、 详 细 ，也 容 易 用 示 波 器 直 接 测 量 。 * 输 出 电 压 受 外 界 因 素 干 扰 后 再 回 到 其 稳 态 值 ， 会 有 一个 超 调 量 和 恢 复 时 间 （ 有 时 ， 也 可 衡 量 系 统 稳 定 性 ） 。 (7) 温 度 系 数 * 超 调 量 一 般 5%UO、 恢 复 时 间 5 10豪 秒 （ 多 台 并 联时 ， 时 间 会 长 一 些 ） 。 * 恢 复 时 间 的 长 短 与 电 源 开 关 频 率 、 电 压 反 馈

25、 环 的 响 应 速度 、 电 流 瞬 态 变 化 幅 度 及 输 出 滤 波 电 路 的 容 量 等 因 素 有 关 。 环 境 温 度 升 高 1度 ， 输 出 电 压 的 变 化 量 与 输 出 电 压 之 比 ，单 位 为 1/ 。 3. 附 属 功 能 (1) 过 流 保 护 (2) 过 压 保 护 * 是 一 种 电 源 负 载 保 护 功 能 ， 以 避 免 发 生 包 括 输 出 短 路 在内 的 过 负 载 输 出 电 流 对 电 源 和 负 载 的 损 坏 。 * 过 流 给 定 值 一 般 是 额 定 值 的 110% 130%。 * 是 一 种 对 输 出 端 子 间

26、过 大 电 压 进 行 负 载 保 护 的 功 能 ， 过压 给 定 值 一 般 规 定 为 输 出 电 压 的 110% 130%。 * 输 出 电 压 可 变 时 ， 要 注 意 不 要 发 生 过 压 给 定 值 以 内 的 误动 作 。 (3) 输 出 欠 压 保 护 是 当 输 出 电 压 下 降 到 标 称 值 以 下 时 ， 为 保 护 负 责 或 防 止 误 动 作 而 停 止 电 源 工 作 的 一 种 保 护 功 能 。 (4) 过 热 保 护 (5) 接 口 电 源 内 部 发 生 异 常 或 因 使 用 方 法 不 当 而 使 电 源 温 升 超 标 时 ，停 止 电

27、源 工 作 并 发 出 报 警 信 号 。 * 要 确 定 电 源 输 入 、 输 出 以 及 信 号 用 端 子 的 形 状 、 排 列 或连 接 器 名 称 ， 并 要 标 明 所 用 端 子 号 。 * 电 源 输 入 、 输 出 以 及 信 号 用 端 子 要 尽 可 能 分 开 。4 绝 缘 (1) 绝 缘 电 阻 * 在 电 源 输 入 端 子 和 壳 体 间 、 输 入 端 子 和 输 出 端 子 间 ， 一般 用 500V兆 欧 表 测 ， 电 阻 要 大 于 50M 。 * 输 出 端 子 和 壳 体 间 用 100V兆 欧 表 测 ， 电 阻 要 大 于 10k 。 (2)

28、 绝 缘 耐 压 要 符 合 各 种 安 全 标 准 规 定 。 三 结 构 规 定 (1) 形 状 条 件 (2) 外 形 尺 寸 (3) 安 装 条 件 (4) 壳 体 材 料 (5) 冷 却 条 件 (6) 接 口 位 置 (7) 文 字 提 示 位 置 (8) 重 量 、 体 积 四 环 境 条 件 (1) 温 度 (2) 湿 度 (3) 高 度 使 用 温 度 范 围 因 使 用 场 所 而 异 ， 一 般 规 定 在 5 +50 、保 存 温 度 在 25 +75 。 使 用 湿 度 范 围 一 般 规 定 在 20% 85%、 保 存 湿 度 范 围 在18% 90%。 (4)

29、耐 振 动 (5) 耐 冲 击 (6) 其 他 抗 尘 埃 、 耐 腐 蚀 、 耐 药 性 一 构 成 输 入 整 流 滤 波 功 率 变 换 输 出 整 流 滤 波 辅 助 电 源 驱 动 电 路 过 压 过 流 保 护 控 制 电 路 时 钟 振 荡 电 路 检 测 放 大 电 路 * 如 果 是 DC/DC变 换 系 统 ， 则 不 需 要 输 入 整 流 滤 波 部 分 。 * 整 个 电 源 系 统 可 分 为 主 电 路 和 控 制 电 路 两 部 分 。 * 主 电 路 由 输 入 整 流 滤 波 、 功 率 变 换 、 输 出 整 流 滤 波 三 个环 节 构 成 。 * 应

30、用 电 路 Buck 电 路 Boost 电 路 Cuk 电 路2. AC/DC类 开 关 电 源 脉 宽 调 制 方 式 （ PWM）二 开 关 电 源 的 分 类 1. DC/DC类 开 关 电 源* 工 作 方 式 频 率 调 制 方 式 （ PFM） Buck-Boost 电 路 (1) 按 驱 动 方 式 分* 自 激 式 (2) 按 输 入 /输 出 的 隔 离 方 式 分* 隔 离 式 (3) 按 控 制 方 式 分* PWM3. 电 路 结 构 * 他 激 式* 非 隔 离 式* PFM* 幅 度 调 制* PWM与 PFM混 合 式 (4) 按 变 换 工 作 方 式 分* 斩 波 方 式 (5) 按 电 路 组 成 分谐 振 型 和 非 谐 振 型* 拓 扑* 开 关 数 量 1.4 开 关 电 源 的 设 计 过 程 确 定 技 术 指 标 选 择 拓 扑 结 构 确 定 开 关 频 率 确 定 最 大 导 通 时 间 二 次 输 出 电 压 计 算 匝 数 比 确 定 输 出 滤 波 电 路 设 计 开 关 管 二 极 管 的 选 择 变 压 器 的 设 计 控 制 保 护 电 路 设 计 散 热 设 计 结 构 设 计