开关电源原理75442Word格式.docx

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在功率相同时，开关频率越高，开关变压器的体积就越小，但对开关管的要求就越高；

开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头，以得到需要的输出；

一般还应该增加一些保护电路，比如空载、短路等保护，否则可能会烧毁开关电源。

一、主电路：

从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：

1、输入滤波器：

其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。

2、整流与滤波：

将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。

3、逆变：

将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。

4、输出整流与滤波：

根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

二、控制电路：

一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。

三、检测电路：

除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表资料。

四、辅助电源：

提供所有单一电路的不同要求电源。

开关控制稳压原理

开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；

当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。

可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。

图中，由电感L、电容C2和二极管D组成的电路，就具有这种功能。

电感L用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L中的能量通过二极管D释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量，因二极管D使负载电流连续不断，所以称为续流二极管。

在AB间的电压平均值EAB可用下式表示：

EAB=TON/T*E

式中TON为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期（即开关接通时间TON和关断时间TOFF之和）。

由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，AB间电压的平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便能使输出电压V0维持不变。

改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”（TimeRatioControl,缩写为TRC）。

按TRC控制原理，有三种方式：

一、脉冲宽度调制（PulseWidthModulation,缩写为PWM）：

开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。

二、脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation,缩写为PFM）：

导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。

三、混合调制：

导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。

开关电源原理

（二）

开关电源自20世纪70年代开始应用以来，涌现出许多功能完备的集成控制电路，使开关电源电路日益简化，工作频率不断提高，效率大大提高，并为电源小型化提供了广阔的前景。

三端离线式脉宽调制单片开关集成电路TOP（Threeterminaloffline）将PWM控制器与功率开关MOSFET合二为一封装在一起，已成为开关电源IC发展的主流。

采用TOP开关集成电路设计开关电源，可使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。

2TOP开关结构及工作原理

2.1结构

　　TOP开关集各种控制功能、保护功能及耐压700V的功率开关MOSFET于一体，采用TO220或8脚DIP封装。

少数采用8脚封装的TOP开关，除D、C两引脚外，其余6脚实际连在一起，作为S端，故仍系三端器件。

三个引出端分别是漏极端D、源极端S和控制端C。

其中，D是内装MOSFET的漏极，也是内部电流的检测点，起动操作时，漏极端由一个内部电流源提供内部偏置电流。

控制端C控制输出占空比，是误差放大器和反馈电流的输入端。

在正常操作时，内部的旁路调整端提供内部偏置电流，且能在输入异常时，自动锁定保护。

源极端S是MOSFET的源极，同时是TOP开关及开关电源初级电路的公共接地点及基准点。

2.2工作原理

　　TOP包括10部分，其中Zc为控制端的动态阻抗，RE是误差电压检测电阻。

RA与CA构成截止频率为7kHz的低通滤波器。

主要特点是：

（1）前沿消隐设计，延迟了次级整流二级管反向恢复产生的尖峰电流冲击；

（2）自动重起动功能，以典型值为5％的自动重起动占空比接通和关断；

　　（3）低电磁干扰性（EMI），TOP系列器件采用了与外壳的源极相连，使金属底座及散热器的dv/dt=0，从而降低了电压型控制方式与逐周期峰值电流限制;

　　（4）电压型控制方式与逐周期峰值电流限制。

　　下面简要叙述一下：

（1）控制电压源

　　控制电压Uc能向并联调整器和门驱动极提供偏置电压，而控制端电流Ic则能调节占空比。

控制端的总电容用Ct表示，由它决定自动重起动的定时，同时控制环路的补偿，Uc有两种工作模式，一种是滞后调节，用于起动和过载两种情况，具有延迟控制作用；

另一种是并联调节，用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。

刚起动电路时由D-C极之间的高压电流源提供控制端电流Ic，以便给控制电路供电并对Ct充电。

（2）带隙基准电压源

　　带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外，还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，以保证精确设定振荡器频率和门极驱动电流。

　（3）振荡器

　　内部振荡电容是在设定的上、下阈值UH、UL之间周期性地线性充放电，以产生脉宽调制器所需要的锯齿波（SAW），与此同时还产生最大占空比信号（Dmax）和时钟信号（CLOCK）。

为减小电磁干扰，提高电源效率，振荡频率（即开关频率）设计为100kHz，脉冲波形的占空比设定为D。

　（4）放大器

　　误差放大器的增益由控制端的动态阻抗Zc来设定。

Zc的变化范围是10Ω～20Ω，典型值为15Ω。

误差放大器将反馈电压UF与5.7V基准电压进行比较后，输出误差电流Ir，在RE上形成误差电压UR。

　（5）脉宽调制器（PWM）

　　脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路，它具有两层含义。

第一、改变控制端电流Ic的大小，即可调节占空比D，实现脉宽调制。

第二、误差电压UR经由RA、CA组成截止频率为7kHz的低通滤波器，滤掉开关噪声电压之后，加至PWM比较器的同相输入端，再与锯齿波电压UJ进行比较，产生脉宽调制信号UB。

　　（6）门驱动级和输出级

　　门驱动级（F）用于驱动功率开关管（MOSFET），使之按一定速率导通，从而将共模电磁干扰减至最小。

漏源导通电阻与产品型号和芯片结温有关。

MOSFET管的漏源击穿电压U（bo）ds≥700V。

　　（7）过流保护电路

　　过流比较器的反相输入端接阈值电压ULIMIT，同相输入端接MOSFET管的漏极。

此外，芯片还具有初始输入电流限制功能。

刚通电时可将整流后的直流限制在0.6A或0.75A。

　　（8）过热保护电路

　　当芯片结温TJ>

135℃时，过热保护电路就输出高电平，将触发器Ⅱ置位，Q=1，，关断输出级。

此时进入滞后调节模式，Uc端波形也变成幅度为4.7V～5.7V的锯齿波。

若要重新起动电路，需断电后再接通电源开关；

或者将控制端电压降至3.3V以下，达到Uc（reset）值，再利用上电复位电路将触发器Ⅱ置零，使MOSFET恢复正常工作。

　　（9）关断/自起动电路

　一旦调节失控，关断/自动重起动电路立即使芯片在5％占空比下工作，同时切断从外部流入C端的电流，Uc再次进入滞后调节模式。

倘若故障己排除，Uc又回到并联调节模式，自动重新起动电源恢复正常工作。

自动重起动的频率为1.2Hz。

　　（10）高压电流源

　　在起动或滞后调节模式下，高压电流源经过电子开关S1给内部电路提供偏置，并且对Ct进行充电。

电源正常工作时S1改接内部电源，将高压电流源关断。

　　当TOP开关起动操作时，在控制端环路振荡电路的控制下，漏极端有电流流入芯片，提供开环输入。

该输入通过旁路调整器、误差放大器时，由控制端进行闭环调整，改变Ir，经由PWM控制MOSFET的输出占空比，最后达到动态平衡。

3TOP开关的典型应用

3.112V/30W小功率开关电源

　　12V/30W小功率开关电源原理图如图2所示。

该电源特性是：

简单，直接可与220V交流电源连接，经桥式整流电容滤波后产生300V直流高电压起动开关电源工作。

并且重量轻、体积小，接线简单外围元件少。

　　该电路特点是利用三极管Q1，二极管D8及电阻R5、R6组成过低压保护电路，当输入电压降低到一定程度时，Q1导通，控制端C电位降低，TOP开关关闭，开关电源没有输出。

（1）输入电路

　　电网交流220V输入电压经桥式整流、电容滤波后产生300V直流高压起动开关电源工作。

（2）电源变换器部分

　　在该电路中，T2为高频变压器，其中

　　N1为初级绕组（35T）

　　N2为反馈绕组（15T）

　　N3为次级隔离输出绕组（7T）

　　开关电源工作后，反馈绕组N2经整流、滤波、限流后送至TOP开关控制极C，以调整TOP开关内部PWM占空比。

当因某种原因如负载变轻引起输出电压升高时，N2电压将升高，即流入TOP开关控制端C的电流增加。

在振荡电路的控制下，漏极端D有电流流入芯片，提供开环输入，该输入通过旁路调整器、误差放大器，由控制端进行闭环调整，经由PWM控制MOSFET的输出占空比，使其占空比线性减小，从而使输出电压下降，最后达到动态平衡，保持输出稳定。

电路中并接于初级绕组N1两端的瞬态电压抑制二极管D5、电容C4及快速二极管D6组成钳位削峰电路。

钳制电感放电脉冲的最高电位，减少漏感抗引起的漏极端电压畸变。

在实际绕制高频电源变压器时，为了减小漏感的影响，可采用初级与次级相互交叉的绕制方法。

同时，采用自我屏蔽作用较为良好的罐形磁芯，将线圈都用磁芯封在里边。

　（3）反馈控制回路

　　电容C6决定软起动恢复时间，C6、R5、R4、C5、D7决定控制回路的零点。

R4阻值过小，限流线性差，容易导致TOP开关损坏；

过大则调整线性差。

在实验中取值为10kΩ

　（4）输出回路

　　N3、D10、C8、D11构成输出回路。

肖特基势垒整流二极管D10对高频变压器次级的高频方波电压进行整流，经低ESR值的电解电容滤波及双向瞬态电压抑制二极管D11削峰稳压后，提供给负载电路。

R7既可改善电源本身的输出阻抗，又能小幅度地调整输出电压的范围，同时又可在电源空载时为电容C8提供放电回路。

R7取值为430Ω。

3.212.5V/25W精密开关电源

　　12.5V/25W精密开关电源原理图如图3所示。

由TOP