开关电源类型

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1、 开 关 电 源 1.1 直 流 稳 压 电 源 的 发 展 直 流 稳 压 电 源 是 电 子 、 电 器 、 自 动 化 设 备 中 最 基 本 的 部 分 。 传 统 的 转 换 方 法 设 计 制作 的 电 源 ， 其 效 率 低 ， 损 耗 大 ， 温 升 高 。 加 上 多 路 电 压 输 出 ， 而 各 个 电 压 的 等 级 、 质 量要 求 又 不 相 同 时 ， 使 之 传 统 的 串 联 稳 压 式 电 源 越 来 越 难 于 得 到 解 决 。 如 图 8-1所 示 的 串 联式 线 性 稳 压 电 源 ， 就 属 此 类 。 当 今 计 算 机 及 自 动 化 设 备

2、 上 大 多 数 控 制 电 源 都 向 低 压 大 电 流 ， 高 效 率 ， 重 量 轻 、体 积 小 的 方 向 发 展 。 在 这 种 要 求 面 前 首 先 得 到 发 展 的 是 晶 体 管 串 联 式 开 关 稳 压 电 源 ， 如 图 8-2所 示 。 图 1 晶 体管 串 联 式线 性 稳 压电 源 图 2 晶体 管 串联 式 开关 稳 压电 源 随 着 电 力 电 子 技 术 的 发 展 ， 大 功 率 开 关 晶 体 管 、 快 恢 复 二 极 管 及 其 它 元 器 件 的 电 压得 到 很 大 的 提 高 ， 这 为 取 消 稳 压 电 源 中 的 工 频 变 压 器

3、 ， 发 展 高 频 开 关 电 源 创 造 了 条 件 。由 于 它 不 需 要 工 频 变 压 器 ， 故 称 无 工 频 变 压 器 开 关 式 直 流 稳 压 电 源 。 它 使 电 源 在 小 型 化 、轻 量 化 、 高 效 率 等 方 面 又 迈 进 了 一 步 。 图 8-3是 无 工 频 变 压 器 的 开 关 电 源 的 方 框 图 。 图 3 无工 频 变压 器 的开 关 电源 原 理框 图 无 工 频 变 压 器 开 关 稳 压 电 源 ， 有 如 下 的 优 点 ：1.效 率 高 。 一 般 在 70 80%以 上 。 2.体 积 小 、 重 量 轻 ， 随 着 频

4、率 的 提 高 ， 收 效 更 显 著 。 3.稳 压 范 围 广 ， 一 般 交 流 输 入 80 265V， 负 载 作 大 幅 度 变 化 时 ， 性 能 很 好 。 4.噪 声 低 ， 声 频 在 20kHz以 上 时 ， 已 是 人 耳 听 不 到 的超 声 波 ， 而 开 关 电 源 的 工 作 频 率 一 般 都 大 于 此 频 率 ； 5.性 能 灵 活 ， 通 过 输 出 隔 离 变 压 器 ， 可 得 到 低 压 大 电流 、 高 压 小 电 流 ； 一 个 开 关 控 制 的 一 路 输 入 可 得 到 多路 输 出 以 及 同 号 、 反 号 等 输 出 ； 6.电 压

5、 维 持 时 间 长 ， 为 了 适 应 交 流 停 电 时 ， 计 算 机 、现 代 自 动 化 控 制 设 备 电 源 转 换 的 需 要 ， 开 关 电 源 可 在几 十 毫 秒 内 保 证 仍 有 电 压 输 出 。 7.可 靠 性 大 ， 当 开 关 损 坏 时 ， 也 不 会 有 危 及 负 载 的 高电 压 出 现 。 无 工 频 变 压 器 开 关 稳 压 电 源 的 不 足 之 处 ：1.输 出 纹 波 较 大 ， 约 有 10 100mV的 峰峰 值 ； 2.脉 冲 宽 度 调 制 式 的 电 路 中 ， 电 压 、 电流 变 化 率 大 ；3.控 制 电 路 比 较 复

6、杂 ， 对 元 器 件 要 求 高 ； 4.动 态 响 应 时 间 至 少 要 大 于 一 个 开 关 周期 ， 不 如 串 联 式 晶 体 管 线 性 稳 压 电 源 。 1.2 用 高 频 变 压 器 的 开 关 电 源 结 构 概 述 图 5 高 频 变 压 器 开 关 电 源 基 本 功 能 框图 这 类 电 源 的 共 同 特 点 是 具 有 高频 变 压 器 、 直 流 稳 压 是 从 变 压器 次 级 绕 组 的 高 频 脉 冲 电 压 整流 滤 波 而 来 。 变 压 器 原 副 方 是隔 离 的 ， 或 是 部 分 隔 离 的 ， 而输 入 电 压 是 直 接 从 交 流 市

7、 电 整流 得 到 的 高 压 直 流 。 目 前 ， 用 高 频变 压 器 的 变 换电 路 按 其 工 作方 式 可 分 为 五类 ， 每 类 传 输的 功 率 也 不 相 同 ， 应 用 环 境也 稍 有 不 同 ，如 下 所 示 ： 电 路类 型 传 输 功率 应 用环 境单 端 反 激式 变 换 器 20100W 小 型 仪 器 、 仪 表 ， 家 用 电 器 等 电源 ， 自 动 化 设 备 中 的 控 制 电 源单 端 正 激式 变 换 器 50200W 小 型 仪 器 、 仪 表 ， 家 用 电 器 等 电源 ， 自 动 化 设 备 中 的 控 制 电 源推 换 式 变换 器

8、100500 控 制 设 备 ， 计 算 机 等 电 源半 桥 式 变换 器 1005000W 焊 机 ， 超 声 电 源 ， 计 算 机 电源 等全 桥 式 变换 器 500W30kW 焊 机 、 高 频 感 应 加 热 ， 交 换机 等 2 DC/DC变 换 的 开 关 电 源 对 于 输 入 与 输 出 电 压 不 需 隔 离只 用 一 个 工 作 开 关 和 L、 D、 C组 成 的 变 换 器 电 路 最 基 本 的 为如 下 三 种 ： （ 1） 降 压 变 换 器（ buck converter） ； （ 2）升 压 变 换 器 （ boost converter） ； （ 3）

9、 降 、 升 压变 换 器 （ buck-boost converter） 。 其 原 理 电 路 如图 6所 示 。 图 6 无 隔 离 的 DC DC变 换 电路 2.1 Buck converter a） 电 路 拓 扑 b） 工 作 波 形图 7 Buck converter （ 一 ） 在 开 关 VT导 通 期 间 min01 LinL ItLUUi min0max LoninL ItLUUI （ 二 ） 在 开 关 VT截 止 期 间 max02 )( LonL IttLUi 1.临 界 连 续 工 作 状 态2.电 流 断 续 的 工 作 状 态3.电 流 连 续 的 工 作

10、状 态 (三 )电 感 电 流 的 平 均 值 计算 0IIL min02 Loff ItLU （ 四 ） 输 出 电 压 纹 波 值 的 计 算 onontt oninin dttLUUtLUUCU 2/ )2(1 0001 20020 )(88 inSinonin UTULCUUtLCUU 02U 208 offtCLU 2.2 Boost converter a） 电 路 拓 扑 b） 工 作 波 形图 8 Boost converter 1.在 期 间 ont min1 LinL ItLUi minmax LoninL ItLUI 2.在 期 间 offt max02 )( Lonin

11、L IttLUUi 3.负 载 电 流 的 平 均 值 0I Soffninoth TtLtUI 2 04.输 入 电 流 的 平 均 值 1I on Sont Tt VDSLSL dtiTdtiTII 0 11 11 21 minmax LL II 5.输 出 电 压 的 纹 波 计 算 0U CtIuU onC 00 Sin TU UUCI 000 2.3 BuckBoost converter 图 9 BuckBoost converter t tininoffon UU UUtt 10 0 0220 2 LIT tUU S onin Soffoninth TtLtUI 20 offSo

12、ninPK tTILtUI 02SoffoninPKonin TtItUI tUL 0min 2 2000 )(2 ininS UU UITU = 图 10 Buck-Boost converter工 作 波 形 图 CtIu onc 0 Sin TUU UCI 0 00 3 单 端 功 率 输 出 的 直 流 变 换 器 3.1 CW34063的 工 作 原 理 图 11 CW34063的 原 理 框 图8.3.2 CW34063的 应 用 电 路 (一 )降 压 式 电 路 a） 直 接 用 于 降 压 b） 外 接 NPN晶 体 管 扩 流 电 路图 12 CW34063的 降 压 应

13、用 电 路 （ 二 ） 升 压 式 电 路 （ a） （ b）a） 直 接 升 压 式 b） 外 接 NPN管 扩 流 式图 13 CW34063的 Boost converter （ 三 ） 反 转 电 路 (a) (b)a） 直 接 变 换 式 b） 外 接 PNP管 扩 流 式图 14 CW34063的 BuckBoost converter 4单 端 反 激 式 开 关 电 源 4.1 工 作 原 理 分 析 （ 一 ） 在 开 关 VT导 通 期 间 ： maxmin)( PPonPinonP IItLUti （ 二 ） 在 开 关 VT截 止 期 间 offPPS tLUINNTi

14、 2max22 )( offPonPinP tLUItLUNN 20min2 图 15 单 端 反 激 式 变 换 器 单 端 反 激 式 变 换 器 也 有 三 种 工 作 状 态 ： 1 磁 通 临 界 连 续 的 工 作 情 况 ： 02 UNNUu Pince oninPoninPPonPinPoff tUUNNtUULLNNtULLN UNt 02022022 0U inoffonPoffonPinP UttNNttLULNN 222 图 16 临 界 连 续 状 态 时 的 电压 电 流 波 形 2 磁 通 不 连 续 的 工 作 状 态 图 8-17 磁 通 不 连 续 时 的

15、工 作 波 形 oninPoff tUUNNt 02 )()( 20max220max22 onPPon ttLUINNttLUIi ont PinS dtiUTP 01 1 ont PS oninpinS LT tUtdtLUT 0 222 21 t tS on tdiUTP 200 1 PS onintt ononPPS LT tUttdttLUINNTU on 2)()( 22)(0 20max20 PSLonin LTRtUU 20 3 磁 通 连 续 的 工 作 状 况 图 18 磁 通 连 续 时 的 工 作 波 形 )(20max22 onttLUIi )()( 20min2 o

16、nPonPinP ttLUItLUNN nUUttNNU nUU UTt inttinoffonP tinSon 120 0 0 02 UNNUu Pince )1 1(1 tintintin UUU inttonS SPthoninPK UPnIntT ITL tUI 000 2)1( 2)( 2 21 22min PoffL SoninP LtnR TtUI （ 3） 输 入 电 压 Uin与 导 通 比 t的 对应 关 系 inLttinHtt UUnU maxmaxminmin0 11 即 是 输 入 电 压 最 高 时 ， 相 应 的 导 通 比是 最 小 ， 输 入 电 压 最 低

17、 时 ， 相 应 的 导通 比 是 最 大 。 因 此 ， 输 入 电 压 与 导 通比 是 一 一 对 应 ， 相 互 制 约 的 。 运 行 中由 于 闭 环 调 节 ， 这 种 相 互 适 应 是 自 动的 。 但 必 须 指 出 的 是 ， 由 控 制 电 路 振荡 器 和 PWM门 闩 电 路 本 身 固 有 的 最 大最 小 导 通 比 ， 一 定 要 与 运 行 条 件 所 需的 最 大 最 小 导 通 比 不 矛 盾 ， 否 则 就 会 失 调 。(4)磁 通 复 位 问 题 Poffonin NNttUU 20 为 了 不 致 于 出 现 磁 路 饱 和 每 个 开 关 周

18、期工 作 磁 通 都 能 复 位 ， 因 此 ： 1.单 端 反 激 式 变 换 器 开 关 变 压 器 的 铁 芯都 带 有 气 隙 。2.原 方 绕 组 电 流 实 现 脉 冲 限 流 控 制 。 （ 5） 间 歇 振 荡 问 题 当 电 网 电 压 升 到 一 定 值 而 又 很 大 的 情 况下 ， 欲 维 持 输 出 电 压 恒 定 ， 则 脉 宽 调 制 器 会使 脉 宽 减 少 到 某 一 极 限 值 时 ， 不 能 再 减 小 了 ，只 能 以 最 小 导 通 比 运 行 ， 但 由 于 导 通 时 所 储存 的 能 量 没 有 释 放 回 路 ， 就 有 可 能 出 现 ：

19、有的 振 荡 周 期 没 有 PWM脉 冲 输 出 ， 开 关 管 不 导通 ， 有 的 振 荡 周 期 就 很 宽 ， 变 成 了 作 周 期 性或 非 周 期 性 的 间 歇 振 荡 器 ， 这 时 输 出 电 压 不稳 ， 纹 波 大 ， 变 压 器 发 出 刺 耳 的 哨 叫 声 。 克服 这 一 问 题 的 办 法 之 一 ， 也 是 最 安 全 和 可 靠的 办 法 是 在 付 绕 组 中 加 一 固 定 负 载 电 阻 （ 假负 载 ） ， 以 防 负 载 开 路 ， 这 样 电 网 电 压 最 高 ，负 载 开 路 了 ， 由 于 有 固 定 的 假 负 载 ， 脉 宽 保证

20、有 一 最 小 的 宽 度 而 不 致 于 出 现 间 歇 振 荡 现象 。 最 小 的 脉 宽 是 由 控 制 电 路 振 荡 器 的 最 小导 通 比 决 定 的 。 8.5 单 端 正 激 式 变 换 器 图 19 正 激 式 变 换 器 的 原 理 电 路 图 图 20 正 激 式 变 压 器 等 效 电 路 nUTtnUU UnU Utt intSonininoffon 0 00 onont finSin t finSL dttL UUITU dtiUTP 0 0min00 1 2 0min0 onfinSonin tLUUITtU maxPPKPK III onpintin tLU

21、U P 02PSm Lonin LTK RtUU 20 图 21 单端 正 激式 变 换器 的 电压 电 流波 形 8.6 半 桥 式 变 换 器 8.6.1 工 作 原 理 图 22 半 桥 式 变 换 器 原 理 电 路 002 UnU Utt inoffon tinoffon onin nUtt tnUU )(20 onont finSin t finSL dttL UUITU dtiUTP 0 0min00 )21(212 221 0min0 onfinSonin tL UUITtU 00 2 20)( 2 )21(2 )21( nI tUTPn tUnUUL onintS onini

22、nthf mSP Lonin KTL RtUU 40 图 23 半 桥 式 变 换 器 的 工 作 波 形 图 24 串 联 电 容 半 桥 式 变 换 器 原 理 电 路 （ a） 串 联 电 容 前 交 流 电 压 ， 斜 格 面 积表 示 A1、 A2的 伏 秒 值 不 平 衡 波 形（ b） 串 联 电 容 、 变 压 器 原 边 的 伏 秒 值得 到 了 平 衡 图8-25 变 压 器 原 边 串 联 电 容 后 的 工 作 波形 6.2 串 联 耦 合 电 容 C3的 选 择 fSf LnfLnfC 2222223 44 1 )1(21 00 mtinPKt onPKon KU P

23、ItdttItI on )1()1( 30303 minSontin mC KCU PTtCU KPU 33 CU tIC 2 020 16075.0 )1( inSin mS U PTUKTP 7 全 桥 式 变 换 器 的 开 关 电 源 图 8-26 全 桥 式 变 换 器 主 电 路7.1 全 桥 式 变 换 器 的 工 作 原 理 nUTtnUU intSonin 0 dttL UUITU dtiUTP fintSin fintSL onon )(1 0min000 2 0min0 onfinS onin tL UUITtU onfinoninS tLUUtU PTI 2 00min0 tinoninSonfinPK U PtU PTtL UUI 000 22 02202 22 PK TUKPtUL m Stinm toninP mSP Lonin KTL RtUU 20 图 27 全 桥 式 变 换 器 的 工 作 波形