开关电源原理.docx

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开关电源原理

开关电源原理

工作原理

　　开关电源是一种电压转换电路，主要的工作内容是升压和降压，广泛应用于现代电子产品。

因为开关三极管（三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管（晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。

晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流，因此晶体管可做为电流的开关，和一般机械开关（如Relay、switch）不同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常之快，在实验室中的切换速度可达100GHz以上）,晶体三极管,是一种电流控制电流的半导体器件.其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号,也用作无触点开关。

）总是工作在“开”和“关”的状态，所以叫开关电源。

开关电源实质就是一个振荡电路（　能够产生振荡电流的电路叫做振荡电路。

一般由电阻、电感（）、电容等元件和电子器件所组成。

由电感线圈l和电容器c相连而成的lc电路是最简单的一种振荡电路，其固有频率为f=[sx（]1[]2πlc。

），这种转换电能的方式，不仅应用在电源电路，在其它的电路应用也很普遍，如液晶显示器的背光电路、日光灯等。

开关电源与变压器相比具有效率高、稳性好、体积小

开关电源简化图

等优点，缺点是功率相对较小，而且会对电路产生高频干扰，电路复杂不易维修等。

　　在谈开关电源之前，先熟悉一下变压器反馈式振荡电路，能产生有规律的脉冲电流或电压的电路叫振荡电路，变压器反馈式振荡电路就是能满足这种条件的电路；它于基本放大电路与一个反馈回路组成，其中C2、L1组成一个并联谐振选频电路，在电路通电的瞬间VT导通，此时在C2、L1组成的并联谐振电路上产生非常丰富的谐波，当外加频率和并联谐振电路的固有频率相等时,电路进入振荡状态，并通过L3反馈到VT的基极进一步放大，最终形成有规律的脉冲电流或电压输出到负载RL上。

开关电源就是围绕变压器反馈式振荡电路而设计，只不过在原来的基础上增加了一些保护和控制电路，我们可以用分析振荡电路的方法来分析开关电源。

按振荡方式分类

　　开关电源按振荡方式分，可以分为自激式和它激式两种，自激式是无须外加信号源能自行振荡，自激式完全可以把它看作是一个变压器反馈式振荡电路，而它激式则完全依赖于外部维持振荡，在实际应用中自激式应用比较广泛。

根据激励信号结构分类；可分为脉冲调宽和脉冲调幅两种，脉冲调宽是控制信号的宽度，也就是频率，脉冲调幅控制信号的幅度，两者的作用相同都是使振荡频率维持在某一范围内，达到稳定电压的效果。

变压器的绕组一般可以分成三种类型，一组是参与振荡的初级绕组，一组是维持振荡的反馈绕组，还有一组是负载绕组。

在家用电器中使用的开关电源，将220V的交流电经过桥式整流，变换成300V左右的直流电，滤波后进入变压器后加到开关管的集电极进行高频振荡，反馈绕组反馈到基极维持电路振荡，负载绕组感应的电信号，经整流、滤波、稳压得到的直流电压给负载提供电能。

负载绕组在提供电能的同时，也肩负起稳定电压的能力，其原理是在电压输出电路接一个电压取样装置，监测输出电压的变化情况，及时反馈给振荡电路调整振荡频率，从而达到稳定电压的目的，为了避免电路的干扰，反馈回振荡电路的电压会用光电耦合器隔离。

大多数开关电源有待机电路，在待机状态开关电源还在振荡，只是频率比正常工作时要低。

　　有些开关电源很复杂，元件密密麻麻，很多保护和控制电路，在没有技术支持的情况下，维修起来是一件很头疼的事。

在我面对这种情况时，首先我会找到开关管及其参与振荡的外围电路，把它从电路中分离出来，看它是否满足振荡的条件，如检测偏置是否正常，正反馈有无故障，还有开关管本身，开关电源有极强大的保护功能，排除后检察控制和保护及负载电路。

开关电源

开关电源

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。

　　开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

　　开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。

　　SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR驱动困难，开关频率低，逐渐被IGBT和MOSFET取代。

　　开关电源的三个条件

　　1、开关：

电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态

　　2、高频：

电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频

　　3、直流：

开关电源输出的是直流而不是交流

开关电源的分类

　　人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。

开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。

以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。

　　2.1DC/DC变换

　　DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。

其具体的电路由以下几类：

（1）Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压

　　U0小于输入电压Ui，极性相同。

（2）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压

开关电源及电路图

　　U0大于输入电压Ui，极性相同。

　　（3）Buck－Boost电路——降压或升压斩波器，其

　　输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。

　　（4）Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电

　　压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。

　　还有Sepic、Zeta电路。

　　上述为非隔离型电路，隔离型电路有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路。

　　当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为（6.2、10、17）W/cm3，效率为（80～90）％。

日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200～300）kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90％。

　　2.2AC/DC变换

　　AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。

AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。

开关电源

　AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。

按电源相数可分为，单相、三相、多相。

按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。

　　开关电源的选用

　　开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路结构的特点（多级串联），一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达（0.5～1）％。

开关电源模块作为一种电力电子集成器件，在选用中应注意以下几点：

　　3.1输出电流的选择

　　因开关电源工作效率高，一般可达到80％以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为：

　　Is=KIf

　　式中：

Is—开关电源的额定输出电流；

　　If—用电设备的最大吸收电流；

　　K—裕量系数，一般取1.5～1.8；

　　3.2接地

　　开关电源比线性电源会产生更多的干扰，对共模干扰敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制，开关电源均采取EMC电磁兼容措施，因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器。

如利德华福技术的HA系列开关电源，将其FG端子接大地或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的要求。

　　3.3保护电路

　　开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。

　　开关电源技术的发展动向

　　开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。

由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（MnZn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度

320W单组开关电源

（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。

SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。

开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。

对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。

　　模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N＋1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。

针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。

　　电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。

要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。

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　　开关电源测试方法

　　一．耐电压

　　（HI.POT,ELECTRICSTRENGTH,DIELECTRICVOLTAGEWITHSTAND）KV

　　1.1定义:

于指定的端子间,例如:

I/P-O/P,I/P-FG,O/P-FG间,可耐交流之有效值,漏电流一般可容许10毫安,时间1分钟。

　　1.2测试条件：

Ta：

25℃；RH：

室内湿度。

开关电源

　　1.3测试回路：

　　1.4说明：

　　1．4．1耐压测试主要为防止电气破坏，经由输入串入之高压，影响使用者安全。

　　1．4．2测试时电压必须由0V开始调升，并于1分钟内调至最高点。

　　1．4．2放电时必须注意测试器之Timer设定，于OFF前将电压调回0V。

　　1．4．3安规认证测试时，变压器需另行加测，室内，温度25℃，RH：

95℃，48HR，后测试变压器初/次级与初级/CORE。

　　1．4．5生产线测试时间为1秒钟。

　　二．纹波噪声（涟波杂讯电压）

　　（Ripple&Noise）%，mv

　　2．1定义：

　　直流输出电压上重叠之交流电压成份最大值（P-P）或有效值。

　　2．2测试条件:

　　I/P:

Nominal

开关电源伯特图

　O/P:

FullLoad

　　Ta:

25℃

　　2．3测试回路:

　　2．4测试波形:

　　2．5说明:

　　2．5．1示波器之GND线愈短愈好,测试线得远离PUS。

　　2．5．2使用1：

1之Probe。

　　2．5．3Scope之BW一般设定于20MHz，但是对于目前的网络产品测试纹波噪声最好将BW设为最大。

　　2．5．4Noise与使用仪器，环境差异极大，因此测试必须表明测试地点。

　　2．5．5测试纹波噪声以不超过原规格值+1%Vo。

　　三．漏电流（洩漏电流）

　　（LeakageCurrent）mA

　　3．1定义：

　　输入一机壳间流通之电流（机壳必须为接大地时）。

　　3．2测试条件：

　　I/P：

Vinmax.×1.06（TUV）/60Hz

　　Vinmax.（UL1012）/60Hz

　　O/P:

NoLoad/FullLoad

　　Ta:

25℃

　　3.3测试回路：

　　3．4说明：

　　3．4．1L，N均需测。

　　3．4．2UL1012R值为1K5。

　　TUVR值为2K/0。

15uF。

3．4．3漏电流规格TUV：

3。

5mA,UL1012:

5mA。

开关电源电路示意图

　　四．温度测试

　　（TemperatureTest）

　　4.1定义：

　　温度测试指PSU于正常工作下，其零件或Case温度不得超出其材质规

　　格或规格定值。

　　4．2测试条件：

　　I/P:

Nominal

　　O/P:

FullLoad

　　Ta:

25℃

　　4．3测试方法：

　　4．3．1将ThermoCoupler（TYPEK）稳固的固定于量测的物体上

　　（速干、Tape或焊接方式）。

　　4．3．2ThermoCoupler于末端绞三圈后焊成一球状测试。

　　4．3．3我们一般用点温计测量。

　　4．4测试零件：

　　热源及易受热源影响部分

　　例如：

输入端子、Fuse、输入电容、输入电感、滤波电容、桥整、热

　　敏、突波吸收器、输出电容、输出电容、输出电感、变压器、铁芯、

　　绕线、散热片、大功率半导体、Case、热源零件下之P.C.B.……。

　　4．5零件温度限制：

　　4．5．1零件上有标示温度者，以标示之温度为基准。

　　4．5．2其他未标示温度之零件，温度不超过P.C.B.之耐温。

　　4．5．3电感显示个别申请安规者，温升限制65℃Max（UL1012）,75℃

　　Max（TUV）。

　　五．输入电压调节率

　　（LineRegulation）,%

　　5．1定义：

　　输入电压在额定范围内变化时，输出电压之变化率。

　　Vmax-Vnor

　　LineRegulation（+）=------------------

　　Vnor

　　Vnor-Vmin

　　LineRegulation（-）=------------------

开关电源适配器

　　Vnor

　　Vmax-Vmin

　　LineRegulation=----------------

　　Vnor

　　Vnor:

输入电压为常态值，输出为满载时之输出电压。

　　Vmax:

输入电压变化时之最高输出电压。

　　Vmin:

输入电压变化时之最低输出电压。

　　5．2测试条件：

　　I/P：

Min./Nominal/Max

　　O/P:

FullLoad

　　Ta:

25℃

　　5.3测试回路：

　　5．4说明：

　　LineRegulation亦可直接Vmax-Vnor与Vmin-Vnor之±最大

　　值以mV表示，再配合Tolerance%表示。

　　六．负载调节率

　　（LoadRegulation）%

　　5．1定义：

　　输出电流于额定范围内变化（静态）时，输出电压之变化率。

　　|Vminl-Vcent|

　　LineRegulation（+）=------------------×100%

　　Vcent

　　|Vcent-VfL|

　　LineRegulation（-）=------------------×100%

　　Vcent

　　|VminL-VfL|

　　LineRegulation（%）=----------------×100%

　　Vcent

　　VmilL:

最小负载时之输出电压

　　VfL:

满载时之输出电压

　　Vcent:

半载时之输出电压

　　6．2测试条件：

　　I/P：

Nominal

　　O/P:

Min./Half/FullLoad

　　Ta:

25℃

开关电源外壳

　　6.3测试回路：

　　6．4LoadRegulation亦可直接Vmin.L-Vcent与Vcent-Vmax.之±最大

　　值以mV表示，再配合Tolerance%表示。

　　开关电源

　　随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

　　开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

提高开关电源待机效率的方法

（一）切断启动电阻

　　对于反激式电源，启动后控制芯片由辅助绕组供电，启动电阻上压降为300V左右。

设启动电阻取值为47kΩ，消耗功率将近2W。

要改善待机效率，必须在启动后将该电阻通道切断。

TOPSWITCH，ICE2DS02G内部设有专门的启动电路，可在启动后关闭该电阻。

若控制器没有专门启动电路，也可在启动电阻串接电容，其启动后的损耗可逐渐下降至零。

缺点是电源不能自重启，只有断开输入电压，使电容放电后才能再次启动电路。

（二）降低时钟频率

　　时钟频率可平滑下降或突降。

平滑下降就是当反馈量超过某一阈值，通过特定模块，实现时钟频率的线性下降。

　　（三）切换工作模式

　　1．QR→PWM对于工作在高频工作模式的开关电源，在待机时切换至低频工作模式可减小待机损耗。

例如，对于准谐振式开关电源（工作频率为几百kHz到几MHz），可在待机时切换至低频的脉宽调制控制模式PWM（几十kHz）。

　　IRIS40xx芯片就是通过QR与PWM切换来提高待机效率的。

当电源处于轻载和待机时候，辅助绕组电压较小，Q1关断，谐振信号不能传输至FB端，FB电压小于芯片内部的一个门限电压，不能触发准谐振模式，电路则工作在更低频的脉宽调制控制模式。

　　2．PWM→PFM

　　对于额定功率时工作在PWM模式的开关电源，也可以通过切换至PFM模式提高待机效率，即固定开通时间，调节关断时间，负载越低，关断时间越长，工作频率也越低。

将待机信号加在其PW/引脚上，在额定负载条件下，该引脚为高电平，电路工作在PWM模式，当负载低于某个阈值时，该引脚被拉为低电平，电路工作在PFM模式。

实现PWM和PFM的切换，也就提高了轻载和待机状态时的电源效率。

　　通过降低时钟频率和切换工作模式实现降低待机工作频率，提高待机效率，可保持控制器一直在运作，在整个负载范围中，输出都能被妥善的调节。

即使负载从零激增至满负载的情况下，能够快速反应，反之亦然。

输出电压降和过冲值都保持在允许范围内。

　　（四）可控脉冲模式（BurstMode）

　　可控脉冲模式，也可称为跳周期控制模式（SkipCycleMode）是指当处于轻载或待机条件时，由周期比PWM控制器时钟周期大的信号控制电路某一环节，使得PWM的输出脉冲周期性的有效或失效，这样即可实现恒定频率下通过减小开关次数，增大占空比来提高轻载和待机的效率。

该信号可以加在反馈通道，PWM信号输出通道，PWM芯片的使能引脚（如LM2618，L6565）或者是芯片内部模块（如NCP1200，FSD200，L6565和TinySwitch系列芯片）。

开关电源

　　开关电源用途

　　开关电源[1]产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热等领域。

开关电源[2]的发展和趋势

　　1955年美国罗耶（GH.Roger）发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（JenSen）发明了自激式推挽双变压器，１９６４年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。

到了１９６９年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了２５千赫的开关电源。

　　目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的１００kHz、用ＭＯＳ－ＦＥＴ制成的５００kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。

要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。

然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。

这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。

其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。

不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。

这种开关方式称为谐振式开关。

目前对这种开关电源

开关电源

的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。

当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化