开关电源原理文档格式.docx

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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TOP204构成隔离式＋12.5V、2A（25W）开关电源电路，该电源的特性为：

当交流输入电压U从85V变化到265V时，电压调整率为±

0.2％；

当负载电流从10％（0.2A）变化到100％（2A）时，负载调整率也达±

0.2％，可与线性集成稳压电源相媲美。

该电路的主要特点是利用一片TL431（IC3）与光电耦合器（IC2）构成外部误差放大器。

它再与片内误差放大器配合使用，对控制电流进行精细调整，从而大大提高了稳压性能。

4结语

　　由于TOP芯片内部完全集成了SMPS的全部功能，所以利用它设计出的开关电源周期短，成本低，对于小功率电源，简单，体积小，重量轻。

随着TOP开关系列的不断发展与改进，其在开关电源及其它应用领域中必将有着更加灿烂的前景。

开关式稳压电源的工作原理

随着全球对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。

传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在着效率低（只有40%－50%）、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。

为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源，它的效率可达85%以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。

正因为如此，开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中，本文对各类开关电源的工作原理作一阐述。

一、开关式稳压电源的基本工作原理

开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。

因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。

调宽式开关稳压电源的基本原理可参见下图。

对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。

直流平均电压Ｕ。

可由公式计算，即Uo=Um×

T1/T

式中Um—矩形脉冲最大电压值；

T 

—矩形脉冲周期；

T1—矩形脉冲宽度。

从上式可以看出，当Um与T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。

这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。

二、开关式稳压电源的原理电路

1、基本电路

图二开关电原基本电路框图

开关式稳压电源的基本电路框图如图二所示。

交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。

这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。

控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。

２．单端反激式开关电源

单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。

电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。

所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。

当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电容Ｃ滤波后向负载输出。

单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20－100Ｗ，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。

唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。

单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20－200kHz之间。

３．单端正激式开关电源

单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。

这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。

当开关管VT1导通时，VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感Ｌ储存能量；

当开关管VT1截止时，电感Ｌ通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。

为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于５０％。

由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50－200Ｗ的功率。

电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。

４．自激式开关稳压电源

自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示。

这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。

当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2中感应出使VT1基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1很快饱和。

与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic开始减小，在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压，使VT1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器Ｔ初级绕组中的储能释放给负载。

在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。

这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器Ｔ的次级绕组向负载输出所需要的电压。

自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。

电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。

这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源＊

５．推挽式开关电源

推挽式开关电源的典型电路如图六所示。

它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。

电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器Ｔ次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。

这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。

电路的输出功率较大，一般在100－500Ｗ范围内。

６．降压式开关电源

降压式开关电源的典型电路如图七所示。

当开关管VT1导通时，二极管VD1截止，输人的整流电压经VT1和L向Ｃ充电，这一电流使电感Ｌ中的储能增加。

当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感Ｌ中存储的能量，维持输出直流电压不变。

电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

７．升压式开关电源

升压式开关电源的稳压电路如图八所示。

当开关管VT1导通时，电感Ｌ储存能量。

当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。

８．反转式开关电源

反转式开关电源的典型电路如图九所示。

这种电路又称为升降压式开关电源。

无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。

当开关管VT1导通时，电感L储存能量，二极管VD1截止，负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。

当开关管VT1截止时，电感Ｌ中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容Ｃ充电。