开关电源的基本概念和分析方法电感电容

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1、 什么是Power Supply? Power Supply负载Vin, IinPower 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，相控电源，开关电源根据调控的效果分类: 稳压， 恒流， 调频，调相根据调控的方法分类: 传统反馈控制，矢量控制，数位控制 什么是Switching Mode Power Supply? 有源开关(Switch)二极管(Diode

2、)电感器(Inductor)电容器(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Vin Vo Vin VoR RxVo=Vin*Rx/(R+Rx) Vo=?L C L CVo=Vin*DD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) 开关电源的基本元件：有源开关(S

3、witch)二极管(Diode) 电感(Inductor)电容器(Capacitor)变压器(Transformer) + u(t) -i(t) dttduCti )(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. CItU 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) dttdiLtu )()( 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

4、压, 并且电感量越大该电压越高LUtI U LI+U -LI tLIU 电感的伏秒平衡原则：dttdiLtu )()( u(t)i(t) V+ V-t1 t2 L ttVdttuLI tt )()(1 0110 t0 )()( 1201 ttVttV I I对稳定状态 II L ttVdttuLI tt )()(1 1221 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=面积B 分析开关电源中电容和电感的几条原则：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)。电感中的电流不能突变 (当电感足够大时,可认为其电流恒

5、定不变)。流经电容的电流平均值在一个开关周期内为零。电感两端的伏秒积在一个开关周期内必须平衡。dttduCti )(1)( dttdiLtu )()( TUIL * TIUC * 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 VoD L IoS SULI L Vin-Vo -VooI IoD 1-DT根据L的伏秒平衡原则：(Vin-Vo)*DT=Vo*(1-D)TVo=Vin *DL*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

6、 0.8 0.9 10 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 11 0 Vo D( ) 10 D Vo/Vin = D Boost电路工作原理分析：Vin VoL IoS SULI L Vin Vo-VinD 1-DT根据L的伏秒平衡原则：Vin*DT=(Vo-Vin)*(1-D)TVin *T=(1-D)TVo IsDVo=Vin/(1-D) ID Io 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1010 1 Vo D( ) 10 D Vo/Vin =1/(1-D)Boost电路的输

7、入输出关系： 理想变压器的基本方程：理想变压器模型：变压器绕组完全耦合1.变压器无气隙且磁芯的导磁率无穷大I1N1 N2u1 u2I2电压基本方程: dtdNu 111 N 2N1 dtdNu 222 21 2121 NNuu 电流基本方程: HdlINi ii BH 0i iiIN 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：变压器绕组不是完全耦合I1 I1 N2N1 1 2 k 21Lk Lm kk L2. 变压器有气隙或磁芯的导磁率有限0 HdlI

8、N i iiI2Im当副边开路时I2=0 mINHdl 1Im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变压器的伏秒平衡原则: 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 理想变压器的电路变换关系：u1 u2I2n:1I1 R u1I1 Ru 2=I2R u1=nu2 I1=I2/n R= u1/I1=(nu2)/(I2/n)=n2R电压电流

9、电阻电容电感功率副边数值U I R C L P原边等校值nU I/n n2R n2C n2L PNs:Np=n:1 正激变换器（Forward）工作原理分析：Io (Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D)T n:n:1Vin VoLG DS VgsI LVds D 1-DTIp VL IoVin/n-Vo -VoIm Vin2Vin Tr根据电感的伏秒平衡：Vo=VinD/n根据变压器的伏秒衡：VinDT=VinTr Tr=DTTr (1-D)T D50% IL 根据电感的储能关系：LIL = (1-D)T*Vo IL = (1-D)T*Vo/L Ip IL 0 0.1 0.2 0.3 0.4

10、 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 11 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：IoVin VoG DS Vgs IDVds D 1-DTIpVL IoVin -nVoLm VinVin+nVo根据变压器的伏秒平衡：D Imn:1 TDnVoDTVin )1(* )1(* * Dn DVinVo )1( DVinnVoVinVds VdsVoD , 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1010 0 Vo D( ) Vds D( ) 10 D 反激变换器的输入输出关系：)1(* * Dn DVinVo )1( DVinnVoVinVds 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电容的电压不能突变, 电感的电流不能突变流经电容的电流平均值为零, 电感两端电压的平均值为零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电容恒流充电的公式为 , 电感恒压储能的公式为变压器与电感的伏秒积必须平衡TIUC * TUIL *