1、2012年浙江省大學(xué)生電子設(shè)計競賽,功率電子設(shè)計專題講座 -開關(guān)電源設(shè)計,劉桂 溫州大學(xué) May 2012,Contents,開關(guān)電源概述 電子設(shè)計競賽中的開關(guān)電源設(shè)計 開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理 開關(guān)式穩(wěn)壓電源的原理電路 開關(guān)電源技術(shù) 開關(guān)電源設(shè)計示例,一、開關(guān)電源概述,開關(guān)電源，又稱開關(guān)型開關(guān)電源、開關(guān)型電源。是利用功率電子器件的導(dǎo)通、關(guān)斷來控制電能輸出的幅值和功率，獲得所需的電能形式。 開關(guān)電源是具有最高功率密度的電源，按變換方式可分為下列四大類： （1）、第一大類：AC/DC開關(guān)電源； （2）、第二大類：DC/DC開關(guān)電源； （3）、第三大類：DC/AC開關(guān)電源； （4）、第四大類：

2、AC/AC開關(guān)電源。 但目前只將前兩類稱為開關(guān)電源，而將后兩類分別稱為逆變器和變頻器。,目前，開關(guān)頻率已從20kHZ左右提高到幾百千赫至幾兆赫。與此同時，供開關(guān)電源使用的元器件也獲得長足發(fā)展。MOS功率開關(guān)管(MOS-FET) ,肖特基二極管(SBD) ,超快恢復(fù)二極管(SRD),瞬態(tài)電壓抑制器(TVS), 壓敏電阻器(VSR),熔斷電阻器(FR)、自恢復(fù)保險絲(RF),線性光耦合器、可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器(TL431) ,電磁干擾濾波器(EMI Filter),高導(dǎo)磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠magnetic bead )、三重絕緣線(Triple Insulated dire )、玻璃

3、珠(glass beads )膠合劑等一大批新器件、新材料正被廣泛采用。所有這些，都為開關(guān)電源的推廣與普及提供了必要條件。,開關(guān)電源產(chǎn)品實例,電子設(shè)計競賽中的開關(guān)電源的特點： 開關(guān)電源的供電電壓為1236V. 從安全角度考慮供電電壓不會高于36V AC或43V DC。 為測試方便，功率不會超過100W。 一般不允許成品模塊，但可使用開關(guān)電源控制芯片。 電源電壓在額定電壓20%的范圍變化，要求輸出也在這個范圍內(nèi)變化 需要預(yù)留測試點 因為開關(guān)電源是功率轉(zhuǎn)換電路，需有過電流和短路保護(hù)功能,二、電子設(shè)計競賽中的開關(guān)電源設(shè)計,三、開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理,開關(guān)式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調(diào)寬式(PWM)

4、和調(diào)頻式(PFM)、混合調(diào)制方式。在實際的應(yīng)用中，調(diào)寬式使用得較多，在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。,脈沖寬度調(diào)制（PWM）,脈沖寬度調(diào)制（PWM） 在很多控制系統(tǒng)中，對于控制電路的要求往往是除能夠控制負(fù)載的加電與斷電外，還應(yīng)該能夠控制加載到負(fù)載上的電壓高低及功率大小。在大功率電路中，控制加載至負(fù)載上電壓及功率的實用方法就是脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation -PWM)。 1、面積等效原理 沖量等效原理：大小、波形不相同的窄脈沖變量（沖量）作用在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，只要這些變量對時間的積分相等，其作用的效果將基本相同。,這三個窄脈沖電壓對時

5、間的積分相等，或者說它們的面積相等。當(dāng)這三個窄脈沖分別作用在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時，其輸出響應(yīng)基本相同。因此，沖量等效原理也可以稱為面積等效原理。,脈沖寬度調(diào)制（PWM）,依據(jù)面積等效原理，在電路中可以利用低端電源開關(guān)或高端電源開關(guān)，通過一定頻率的導(dǎo)通和截止連續(xù)切換，使電源電壓Ui以一系列等幅脈沖加載到負(fù)載上，此矩形波的電壓平均值：,這種通過等幅脈沖調(diào)節(jié)負(fù)載平均電壓及功率的方法稱為脈沖寬度調(diào)制，也稱為斬波控制。,脈沖寬度調(diào)制技術(shù)對于開關(guān)電路的工作速度有比較高的要求，這由兩個因素決定：一是脈沖的頻率；二是脈沖的占空比。要求開關(guān)電路有足夠快的切換速度。,脈沖寬度調(diào)制（PWM）,對于單極性矩形脈沖來

6、說，其直流平均電壓U ave取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓ave?？捎晒接嬎?， 式中Um為矩形脈沖最大電壓值；T為矩形脈沖周期；T1為矩形脈沖寬度。從上式可以看出，當(dāng)Um 與T 不變時，直流平均電壓U ave 將與脈沖寬度T1 成正比。這樣，只要我們設(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。,脈沖寬度調(diào)制（PWM）,采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式為負(fù)載供電，由于供電電壓是脈動的，勢必會產(chǎn)生出各種諧波。PWM產(chǎn)生的輸出電壓中存在的諧波會對負(fù)載產(chǎn)生影響。但大多數(shù)負(fù)載對于諧波有抑制作用。 對于對諧波比較敏感的負(fù)載，可將脈寬調(diào)制的開

7、關(guān)頻率選得比較高，這將使諧波的頻率比較高，通過一些濾波元件可方便地將諧波濾除。,脈沖寬度調(diào)制技術(shù)在功率調(diào)節(jié)電路中得以廣泛的應(yīng)用的原因在于此方法控制負(fù)載的功率時，控制電路僅工作于開關(guān)狀態(tài)，控制器件的功耗很低，非常易于實現(xiàn)。,脈沖寬度調(diào)制（PWM）,開關(guān)電路的工作頻率與使用的開關(guān)器件有很大關(guān)系，目前，小功率脈沖寬度調(diào)制電路的工作頻率可做到1MHz以上，但對于大功率電路，大功率雙極三極管GTR只能達(dá)到幾KHz，IGBT器件可達(dá)到幾十KHz，速度最高的功率MOSFET在大功率條件下也僅能達(dá)到二百KHz左右。 選擇PWM的開關(guān)頻率時要根據(jù)實際需要，開關(guān)電路的切換頻率只要等于或略大于負(fù)載的頻率要求，就可以

8、得到比較好的效果，追求過高的脈沖頻率對于有些負(fù)載沒有太多的實際意義。同時開關(guān)頻率越高，開關(guān)元件在開關(guān)過程中產(chǎn)生的動態(tài)損耗就會越大，不利于電路的效率。,脈沖寬度調(diào)制（PWM）,四、開關(guān)式穩(wěn)壓電源的原理電路,1、基本電路框圖,交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓進(jìn)入高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關(guān)電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓

9、的目的。,實際電路由進(jìn)線濾波器、整流器、功率因素校正電路（ PFC ）、DC / DC 變換器等四部分組成。進(jìn)線濾波器的作用是不讓外線的開擾進(jìn)入開關(guān)電源，同時也使開關(guān)電源的高頻脈沖不能進(jìn)入外線，即應(yīng)具備雙向濾波功能。功率因素校正電路的主要作用是提高開關(guān)電源的功率因素，因為開關(guān)電源的功率因素較低，一般在0.60.7的范圍內(nèi)，通過 PFC 電路的校正后，可達(dá)到0.95 以上。,開關(guān)電源的分類： 根據(jù)是否需要穩(wěn)壓功能分類：穩(wěn)壓型和非穩(wěn)壓型 （通常穩(wěn)壓型比非穩(wěn)壓型復(fù)雜） 根據(jù)是否需要隔離分類：隔離型和非隔離型 類型選擇 從實現(xiàn)簡單的角度考慮，如果沒有穩(wěn)壓特性要求，最好采用非穩(wěn)壓型；如果沒有隔離要求，最

10、好采用非隔離型，這樣可以得到最佳的性能。,五、開關(guān)電源技術(shù),非隔離型DC-DC變換電路也稱為直流斬波電路。根據(jù)電路形式的不同，可分為降壓（Buck）型電路、升壓（Boost）型電路、升降壓（Buck- Boost）型電路、庫克（Cuk）型電路、Zeta型電路和Spice型電路。其中，Buck型電路和Boost型電路是最基本的非隔離DC-DC變換電路形式，其余四種均是由Buck型電路和Boost型電路派生出來的。 這里僅介紹降壓（Buck）型電路、升壓（Boost）型電路以及升降壓（Buck- Boost）型電路電路。,非隔離型DC-DC變換電路,1、降壓式開關(guān)電源,當(dāng)開關(guān)管VT1 導(dǎo)通時，二極

11、管VD1 截止，輸入的整流電壓經(jīng)VT1和L向充電，這一電流使電感中的儲能增加。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，電感感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，經(jīng)負(fù)載RL和續(xù)流二極管VD1釋放電感中存儲的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在VT1基極上的脈沖寬度確定。,這種電路使用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣，只需要利用電感、電容和二極管即可實現(xiàn)。,2、升壓式開關(guān)電源,當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時，電感儲存能量。當(dāng)開關(guān)管VT1 截止時，電感感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，該電壓疊加在輸入電壓上，經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，使輸出電壓大于輸入電壓，形成升壓式開關(guān)電源。,3反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源,這種電路又稱為升降壓式開關(guān)電

12、源。無論開關(guān)管VT1之前的脈動直流電壓高于或低于輸出端的穩(wěn)定電壓，電路均能正常工作。,當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時，電感L 儲存能量，二極管VD1 截止，負(fù)載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，電感中的電流繼續(xù)流通，并感應(yīng)出上負(fù)下正的電壓，經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，同時給電容充電。,隔離型DC-DC變換電路,非隔離型DC-DC變換電路盡管可以完成直流電壓和電流的變換，但是，存在著轉(zhuǎn)換功能的局限性，例如輸入輸出之間的電壓比或電流比不能過大、無法實現(xiàn)多路輸出等。同時，由于輸入端和輸出端沒有電氣隔離，使電路的安全性和干擾抑制能力也存在缺陷。 隔離型DC-DC變換電路通過高頻隔離變壓器實

13、現(xiàn)輸入輸出之間電氣隔離。根據(jù)電路中高頻隔離變壓器的連接形式，隔離型DC-DC變換電路可分為反激式電路、正激式電路、推挽式電路、半橋式電路和全橋式電路等幾種。,反激式電路和正激式電路僅需要一個功率開關(guān)，利用功率開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，使隔離變壓器原邊繞組W1中的電流以脈沖形式變化，導(dǎo)致隔離變壓器磁芯中的磁通發(fā)生變化，向隔離變壓器副邊繞組W2傳遞能量。這種變換電路的隔離變壓器磁芯中的磁通是單方向變化的，稱為單端變換器。 推挽式和半橋式電路需要兩個功率開關(guān)，而全橋式電路則需要四個功率開關(guān)。利用兩個或四個功率開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，不僅可使隔離變壓器原邊繞組W1中的電流發(fā)生通斷變化，還可使電流的方向發(fā)生正負(fù)變化，

14、從而導(dǎo)致隔離變壓器磁芯中的磁通發(fā)生雙向變化，向隔離變壓器副邊繞組W2傳遞能量。這種變換電路的隔離變壓器磁芯中的磁通是雙向變化的，稱為雙端變換器。,1、單端反激式開關(guān)電源,所謂的反激，是指當(dāng)開關(guān)管VT1 導(dǎo)通時，高頻變壓器初級繞組的感應(yīng)電壓為上負(fù)下正，整流二極管VD1處于截止?fàn)顟B(tài)，在初級繞組中儲存能量。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，高頻變壓器初級繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，VD1導(dǎo)通變壓器初級繞組中存儲的能量，通過次級繞組及VD1整流和電容濾波后向負(fù)載輸出。,單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為20100，可以同時輸出不同的電壓，且有較好的電壓調(diào)整率，在小功率開關(guān)電源中得到廣泛的應(yīng)用。唯

15、一的缺點是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對固定的負(fù)載。,這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，VD2也導(dǎo)通，這時電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量，濾波電感儲存能量；當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，電感通過續(xù)流二極管VD3 繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。,2、單端正激式開關(guān)電源,在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管VD1，它可以將開關(guān)管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件，即磁通建立和復(fù)位時間應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于。由于這種電路在開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，通過變壓器向負(fù)載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出50200 的功率。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也

16、較大，正因為這個原因，這種電路的實際應(yīng)用較少。,3、推挽式開關(guān)電源,它屬于雙端式變換電路。電路使用兩個開關(guān)管VT1和VT2，兩個開關(guān)管在外激勵方波信號的控制下交替地導(dǎo)通與截止，在變壓器次級繞組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?推挽式電路采用雙向勵磁，其開關(guān)占空比可以比較高。 這種電路的優(yōu)點是兩個開關(guān)管容易驅(qū)動，主要缺點是開關(guān)管的耐壓要達(dá)到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在100-500范圍內(nèi)。,以上介紹了脈沖寬度調(diào)制式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理和各種電路類型，在實際應(yīng)用中，會有各種各樣的實際控制電路，但無論怎樣，也都是在這些基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。,六、開關(guān)電源設(shè)計示例 UC

17、3843 組成小功率開關(guān)電源(TL431+光耦),設(shè)計步驟: 繪線路圖、PCB Layout. 變壓器計算. 零件選用. 設(shè)計驗證. 詳見UC3843 組成的小功率開關(guān)電源(TL431+光耦)設(shè)計流程(word文檔),左圖是UC3842-UC3845的外形圖。UC3843是近年來問世的新型脈寬調(diào)制集成電路，它具有功能全，工作頻率高，引腳少，外圍元件簡單等特點。,1、UC3843的主要特性,UC3843有4種封裝形式，一種是14pin雙列直插和SOP-14，另一種是8pin雙列直插和SOP-8。我們以最簡的8pin封裝簡述其工作原理。 第(1)腳是補償端，外接電阻電容元件以補償誤差放大器的頻率特性。第(2)腳是反饋端，將取樣電壓加至誤差放大器的反相輸入端，再與同相輸入端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，輸出誤差控制電壓。第(3)腳接過流檢測電阻,組成過流保護(hù)電路。RT/CT為鋸齒波振蕩器的定時電阻和電容的公共端，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為VREF=5V。輸入電壓Vi30V，輸出端電壓Vo取決于高頻變壓器的變壓比。,2、UC3843的工作原理,UC3843是這個開關(guān)電源的核心元件，它產(chǎn)生脈寬可調(diào)而頻率固定的脈沖輸出，推動開關(guān)功率管的導(dǎo)通和截止，通過高頻變壓器換能將電壓輸出到次級繞組上，再經(jīng)整流和濾波向負(fù)載提供直流電源，電源兼反饋繞組取得的