开关电源分析.docx

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开关电源分析

开关电源

一、开关电源定义2

二、开关电源优缺点2

１.开关稳压电源的优点2

２.开关稳压电源的缺点3

三、开关稳压电源的种类3

（１）按激励方式划分3

（２）按调制方式划分4

（４）按开关管电流的工作方式划分6

（５）按开关晶体管的类型划分6

（６）按晶体管的连接的连接方式划分7

（７）按输入与输出的电压大小划分8

（８）按工作方式划分8

（９）按电路结构划分9

四、开关电源组成及原理10

1．实际电路10

2．直流--直流变换原理11

五、耦合型自激调频式开关电源14

1．交流输入及整流滤波14

2．开关管导通回路15

3．启动电路16

4．形成自激振荡的正反馈电路16

5．脉宽调整电路17

6．开关脉冲电路中三极管的保护电路18

7．输入电源电压过压保护18

8．自动稳压电路19

9．多路直流电压输出20

开关电源

一、开关电源定义

开关电源是一种控制晶体管通断时间比率以维持电压稳定输出的电源。

实际上，开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器

二、开关电源优缺点

１.开关稳压电源的优点

功耗小，效率高。

在下图中的开关稳压电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近1000kHz。

这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。

体积小，重量轻。

从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。

由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。

由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。

稳压范围宽。

从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。

所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。

此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。

这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。

滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。

开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。

就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500b倍。

在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500—1/1000。

电路形式灵活多样。

例如，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。

２.开关稳压电源的缺点

开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。

开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。

此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。

目前，由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距，因而造价不能进一步降低，也影响到可靠性的进一步提高。

所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中，开关稳压电源还不能得到十分广泛的普及及使用。

特别是对于无工频变压器开关稳压电源中的高压电解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件，在我国还处于研究、开发阶段。

在一些技术先进国家，开关稳压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在一些问题，不能十分令人满意。

这暴露出开关稳压电源的又一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。

对此，如果设计者和制造者不予以充分重视，则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。

当今，开关稳压电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。

三、开关稳压电源的种类

（１）按激励方式划分

●他激式

电路中专设激励信号的振荡器，电路形式如下图所示。

●自激式

开关管兼作振荡器中的振荡管，电路形式如下图所示。

（２）按调制方式划分

●脉宽调制型

振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，有时通过取样电路、耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。

●频率调制型

占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。

混合调制型

●通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。

（３）按储能电感与负载的连接方式划分

●串联型

储能电感串联在输入与输出电压之间，电路形式如下图所示。

（三极管耐压高）

（三极管耐压要低）

●并联型

储能电感或开关管并联在输入与输出电压之间，电路形式如下图所示。

（三极管耐压低）

（三极管耐压要高些）

●变压器耦合型

负载和另外两者无直接相连，而是通过变压器耦合

输入输出分离开，比较安全，实际运用中使用居多

（４）按开关管电流的工作方式划分

●开关型

用开关晶体管把直流变成高频标准方波，电路形式类似于他激式。

●谐振型

开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准正弦波，电路形式类似于自激式。

（５）按开关晶体管的类型划分

●晶体管型

采用晶体管作为开关管，电路形式如图6所示。

●可控硅型

采用可控硅作为开关管，这种电路的特点是直接输入交流电，不需要一次整流部分，其电路形式如图5。

（６）按晶体管的连接的连接方式划分

●单端式

仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，这种电路的特点是价格低，电路结构简单，但输出功率不能提高，其电路形式如图3、图4和图6所示。

●推挽式

使用两个晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式。

这种电路的特点是开关变压器必须具有中心抽头，电路形式如图12。

●半桥式

使用两个晶体管，将其连接成半桥形式。

它的特点是适应于输入电压较高的场合。

电路形式如图11。

●全桥式

使用四个开关晶体管，将其连接成全桥形式。

它的特点是输出的功率比较大。

其电路形式如图13。

（７）按输入与输出的电压大小划分

●升压式

输出电压比输入电压高，实际就是并联型开关稳压电源。

●降压式

输出电压比输入电压低，实际就是串联型开关稳压电源。

（８）按工作方式划分

●可控整流型

所谓可控整流型开关稳压电源，是指采用可控硅整流元件作为调整开关管，可由交流市电电网直接供电，也可用变压器变压后供电。

（这种供电方式在开关稳压电源刚兴起的初期常常采用，目前基本上不太采用。

）在可工作的半波内，截去正弦曲线的前一部分，这一部分所占角度称为截止角，导通的正弦曲线的后一部分称为导通角。

依靠调节导通角的大小，可达到调整输出电压和稳定电压的目的。

其电路如图10所式。

●斩波型

斩波型开关稳压电源是指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电路的输出端得到单向的脉动直流，经过滤波得到与输入电压不同的稳定的直流电压，电路还从输出电压取样，经过比较、放大、控制脉冲发生电路产生的脉冲信号，用以控制调整开关的导通时间和截止时间的长短或开关的工作频率，最后达到稳定输出电压的目的。

电路的过压保护电路也是依据这一部分提供的取样信号来进行工作的，斩波型电路形式如图9所示。

●隔离型

这种形式的开关电源是在输入回路与逆变电路之间，经过高频变压器（也可称为开关变压器），利用磁场的变化实现能量的传递，没有电流间的直接流通，隔离型开关稳压电源采用直流供电，经过开关电路，将直流电变成频率很高的交流电，再经变压器隔离、变压（升压或降压），然后经整流器整流，最后就可以得到新的、极性和数值各不相同的多组直流输出电压。

电路从输出端取样，经放大后反馈至开关控制端，控制驱动电路的工作，最后达到稳定输出电压的目的。

这种形式的开关稳压电源在实际稳压电源中应用最为广泛。

（９）按电路结构划分

●散件式

整个开关稳压电源电路都是采用分立元器件组成的，它的电路结构较为复杂，可靠性较差。

●集成电路式

整个开关稳压电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的，这种集成电路通常为厚膜电路。

有的厚膜集成电路中包括开关晶体管，有的则不包括开关晶体管。

这种电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。

彩色电视机中常采用这种开关电源。

四、开关电源组成及原理

1．实际电路

1.交流输入

220V50Hz的市电

2.交流保险

当电流过大时，保险丝烧毁，保护后续电路；

3.电流互感滤波

滤除交流电中高于50Hz的信号

4.桥式整流电路

将交流电整流成直流脉冲信号

5.滤波电容

将脉动的直流信号变成较平滑的直流信号

6.开关管

开关电源心脏

7.开关变压器

将开关管送出来的电压进行变压

8.开关激励脉冲形成电路

控制开关管开关时间

9.激励变压器

连接开关激励脉冲形成电路与开关管

10.高频滤波感

滤除高频信号

11.高频滤波容

使直流信号平滑

12.直流电压输出

输出稳定直流电压

上图中右边，用红色框框将电路大致分成三部分：

第一部分，将交流输入经过滤波整流变成直流电；

第二部分，是开关电源的核心部分，直流—直流变换；

第三部分，将直流电经过滤波整流后，作为稳定直流源使用；

2．直流--直流变换原理

（1）DC-DC变换原理

假设输入的为直流电，如波形图

（一）所示；

电路图

（一）中，控制开关K以一定的频率开和关，就以产生如波形图

（2）的脉冲直流电流；

电路图

（二）中，比电路图

（一）多了一个电解电容，使得输出的直流电较为平滑，其中电阻R保护电容C，防止开关导通的瞬间产生的高电压；

上图中将电阻R替换为电感L，因为电阻会消耗能量，降低开关电源的效率，电感也能起到保护作用，但它是无功元件，不消耗能量；

同时增加了二极管VD，在开关断开时，使得开关后面部分电路形成回路，释放电感中能量，同时起到续流作用；

通过上面的电路，就能通过控制开关的导通和断开，产生如下图所示的波形

开关电源能够在输入电压不变的情况下调节输出电压，以适应不同的电压应用，这个称为调压过程；

开关电源也能在输入电压变化的情况下，保持输出电压的稳定，使得负载能正常工作，这个称为稳压过程；

如下面两张图所示：

在输入电压不变的情况下，通过调整占空比，即可调节输出电压；

在输入电压变化的情况下，通过调整占空比，可调节电压稳定输出

五、耦合型自激调频式开关电源

开关电源电路形式有多种，下面以耦合型自激调频式开关电源为例，说明下开关电源各部分组成及其原理，耦合型自激调频式开关电源的一个缺点是对输入电压适应范围比较窄

1．交流输入及整流滤波

将交流电源变成300V左右比较稳定的直流电源，供下一级进行DC-DC变换

L1、L2滤除交流电中高频成分

C5、C6增加滤波效果

D1~D4整流桥，将交流电转换成直流电

C1、C2、C3、C4滤波由于整流桥二极管非线性产生的高次斜波，同时对整流桥二极管分流，保护整流桥二极管

C7、C8对脉动直流电转换成变化幅度比较小的直流电，C7对高频滤波，C8对低频滤波

2．开关管导通回路

输入形成回路，通过三极管VT1，使得交流电变成脉冲式直流电

开关管VT1，开关电源的心脏

电感L1，变压器的初级，储存能量

3．启动电路

使开关管导通

Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４＝