开关电源资料完整版Word文档格式.docx

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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.

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

开关电源主要有以下特点：

1.体积小、重量轻：

由于没有工频变压器，所以体积和重量只有线性电源的20～30%。

2.功耗小、效率高：

功率晶体管工作在开关状态，所以晶体管上的功耗小，转化效率高，一般为60～70%，而线性电电源只有30～40%。

开关电源的工作原理是:

1.交流电源输入经整流滤波成直流;

2.通过高频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上;

3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载;

4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的.

交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰;

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.主要用于工业以及一些家用电器上，如电视机，电脑等

单片开关电源反馈电路的四种基本类型

（1）基本反馈电路；

（2）改进型基本反馈电路；

（3）配稳压管的光耦反馈电路；

（4）配TL431的光耦反馈电路。

　　配TL431的光耦反馈电路，其电路较复杂，但稳压性能最佳。

这里用TL431型可调式精密并联稳压器来代替普通的稳压管，构成外部误差放大器，进而对UO作精细调整，可使电压调整率和负载调整率均达到±

0.2％，能与线性稳压电源相媲美。

这种反馈电路适于构成精密开关电源。

开关电源模块损坏的主要原因分析：

1开关电源模块没有按照实际直流负载N＋1配置，（负载电流充电电流设定为蓄电池组额定容量10%。

）；

　　2　模块经常处于满载运行；

　　3　系统均流原因，引起某个模块处于满载运行；

　　4　机房环境温度过高影响；

　　5　没有定期清洗模块滤网（滤网过脏容易引起模块稳定，堆积温度不能及时散出，）；

　　6　模块内灰尘过多（由于灰尘的侵入.堆积造成故障的隐患），可用气泵清除灰尘；

7谐波影响。

开关电源的基本控制原理

一．开关电源的控制结构：

一般地，开关电源大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。

如果细致划分，它包括：

输入滤波、输入整流、开关电路、采样、基准电源、比较放大、震荡器、V/F转换、基极驱动、输出整流、输出滤波电路等。

实际的开关电源还要有保护电路、功率因素校正电路、同步整流驱动电路及其它一些辅助电路等。

下面是一个典型的开关电源原理框图，掌握它对我们理解开关电源有重要意义。

图2-1：

开关电源的基本结构框图

根据控制类型不同，PM（脉冲调制）电路可能有多种形式。

这里是典型的PFM结构。

二．开关电源的构成原理：

（一）输入电路：

线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路。

作用：

把输入电网交流电源转化为符合要求的开关电源直流输入电源。

1．线性滤波电路：

抑制谐波和噪声。

2．浪涌滤波电路：

抑制来自电网的浪涌电流。

3．整流电路：

把交流变为直流。

有电容输入型、扼流圈输入型两种，开关电源多数为前者。

（二）．变换电路：

含开关电路、输出隔离（变压器）电路等，是开关电源电源变换的主通道，完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。

这一级的开关功率管是其核心器件。

1．开关电路

驱动方式：

自激式、他激式。

变换电路：

隔离型、非隔离型、谐振型。

功率器件：

最常用的有GTR、MOSFET、IGBT。

调制方式：

PWM、PFM、混合型三种。

PWM最常用。

2．变压器输出

分无抽头、带抽头。

半波整流、倍流整流时，无须抽头，全波时必须有抽头。

（三）．控制电路：

向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。

基准电路：

提供电压基准。

如并联型基准LM358、AD589，串联型基准AD581、REF192等。

采样电路：

采取输出电压的全部或部分。

比较放大：

把采样信号和基准信号比较，产生误差信号，用于控制电源PM电路。

V/F变换：

把误差电压信号转换为频率信号。

振荡器：

产生高频振荡波。

基极驱动电路：

把调制后的振荡信号转换成合适的控制信号，驱动开关管的基极。

（四）．输出电路：

整流、滤波。

把输出电压整流成脉动直流，并平滑成低纹波直流电压。

输出整流技术现在又有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。

开关电源设计过程流程介绍

1目的 

希望以简短的篇幅,将公司目前设计的流程做介绍,若有介绍不当之处,请不吝指教. 

2设计步骤:

2.1绘线路图、PCBLayout. 

2.2变压器计算. 

2.3零件选用. 

2.4设计验证. 

3设计流程介绍（以DA-14B33为例）:

3.1线路图、PCBLayout请参考资识库中说明. 

3.2变压器计算:

变压器是整个电源供应器的重要核心,所以变压器的计算及验证是很重要的,以下即就DA-14B33变压器做介绍. 

3.2.1决定变压器的材质及尺寸:

依据变压器计算公式 

B（max）=铁心饱合的磁通密度（Gauss） 

Lp=一次侧电感值（uH） 

Ip=一次侧峰值电流（A） 

Np=一次侧（主线圈）圈数 

Ae=铁心截面积（cm2） 

依铁心的材质及本身的温度来决定,以TDKFerriteCorePC40为例,100℃时的B（max）为3900Gauss,设计时应考虑零件误差,所以一般取3000~3500Gauss之间,若所设计的power为Adapter（有外壳）则应取3000Gauss左右,以避免铁心因高温而饱合,一般而言铁心的尺寸越大,Ae越高,所以可以做较大瓦数的Power. 

B（max） 

3.2.2决定一次侧滤波电容:

滤波电容的决定,可以决定电容器上的Vin（min）,滤波电容越大,Vin（win）越高,可以做较大瓦数的Power,但相对价格亦较高. 

3.2.3决定变压器线径及线数:

当变压器决定后,变压器的Bobbin即可决定,依据Bobbin的槽宽,可决定变压器的线径及线数,亦可计算出线径的电流密度,电流密度一般以6A/mm2为参考,电流密度对变压器的设计而言,只能当做参考值,最终应以温升记录为准. 

3.2.4决定Dutycycle（工作周期）:

由以下公式可决定Dutycycle,Dutycycle的设计一般以50%为基准,Dutycycle若超过50%易导致振荡的发生. 

NS=二次侧圈数 

一次侧圈数 

NP= 

Vo=输出电压 

VD=二极管顺向电压 

Vin（min）=滤波电容上的谷点电压 

工作周期（Dutycycle） 

D=

3.2.5决定Ip值:

Ip=一次侧峰值电流 

Iav=一次侧平均电流 

Pout=输出瓦数 

效率 

PWM震荡频率 

3.2.6决定辅助电源的圈数:

依据变压器的圈比关系,可决定辅助电源的圈数及电压. 

3.2.7决定MOSFET及二次侧二极管的Stress（应力）:

依据变压器的圈比关系,可以初步计算出变压器的应力（Stress）是否符合选用零件的规格,计算时以输入电压264V（电容器上为380V）为基准. 

3.2.8其它:

若输出电压为5V以下,且必须使用TL431而非TL432时,须考虑多一组绕组提供Photocoupler及TL431使用. 

3.2.9将所得资料代入公式中,如此可得出B（max）,若B（max）值太高或太低则参数必须重新调整. 

3.2.10DA-14B33变压器计算:

2.8mm（每边）,剩余可绕面积=4.4mm. 

输出瓦数13.2W（3.3V/4A）,Core=EI-28,可绕面积（槽宽）=10mm,MarginTape= 

=0.7,P.F.=0.5（cosθ）,Lp=1600Uh 

假设fT=45KHz,Vin（min）=90V, 

计算式:

变压器材质及尺寸:

由以上假设可知材质为PC-40,尺寸=EI-28,Ae=0.86cm2,可绕面积（槽宽）=10mm,因MarginTape使用2.8mm,所以剩余可绕面积为4.4mm. 

假设滤波电容使用47uF/400V,Vin（min）暂定90V. 

决定变压器的线径及线数:

假设NP使用0.32ψ的线 

电流密度= 

可绕圈数= 

假设Secondary使用0.35ψ的线 

假设使用4P,则 

cycle:

决定Duty 

假设Np=44T,Ns=2T,VD=0.5（使用schottkyDiode） 

决定Ip值:

决定辅助电源的圈数:

假设辅助电源=12V 

NA1=6.3圈 

假设使用0.23ψ的线

若NA1=6Tx2P,则辅助电源=11.4V 

决定MOSFET及二次侧二极管的Stress（应力）:

MOSFET（Q1）=最高输入电压（380V）+ 

= 

=463.6V 

Diode（D5）=输出电压（Vo）+x最高输入电压（380V） 

= 

=20.57V 

Diode（D4）= 

==41.4V 

其它:

因为输出为3.3V,而TL431的Vref值为2.5V,若再加上photocoupler上的压降约1.2V,将使得输出电压无法推动Photocoupler及TL431,所以必须另外增加一组线圈提供回授路径所需的电压. 

假设NA2=4T使用0.35ψ线,则 

可绕圈数=,所以可将NA2定为4Tx2P 

变压器的接线图:

3.3零件选用:

零件位置（标注）请参考线路图:

（DA-14B33Schematic） 

3.3.1FS1:

由变压器计算得到Iin值,以此Iin值（0.42A）可知使用公司共享料2A/250V,设计时亦须考虑Pin（max）时的Iin是否会超过保险丝的额定值. 

3.3.2TR1（热敏电阻）:

电源启动的瞬间,由于C1（一次侧滤波电容）短路,导致Iin电流很大,虽然时间很短暂,但亦可能对Power产生伤害,所以必须在滤波电容之前加装一个热敏电阻,以限制开机瞬间Iin在Spec之内（115V/30A,230V/60A）,但因热敏电阻亦会消耗功率,所以不可放太大的阻值（否则会影响效率）,一般使用SCK053（3A/5Ω）,若C1电容使用较大的值,则必须考虑将热敏电阻的阻值变大（一般使用在大瓦数的Power上）. 

3.3.3VDR1（突波吸收器）:

当雷极发生时,可能会损坏零件,进而影响Power的正常动作,所以必须在靠AC输入端（Fuse之后）,加上突波吸收器来保护Power（一般常用07D471K）,但若有价格上的考虑,可先忽略不装. 

3.3.4CY1,CY2（Y-Cap）:

Y-Cap一般可分为Y1及Y2电容,若ACInput有FG（3Pin）一般使用Y2-Cap,ACInput若为2Pin（只有L,N）一般使用Y1-Cap,Y1与Y2的差异,除了价格外（Y1较昂贵）,绝缘等级及耐压亦不同（Y1称为双重绝缘,绝缘耐压约为Y2的两倍,且在电容的本体上会有“回”符号或注明Y1）,此电路因为有FG所以使用Y2-Cap,Y-Cap会影响EMI特性,一般而言越大越好,但须考虑漏电及价格问题,漏电（LeakageCurrent）必须符合安规须求（3Pin公司标准为750uAmax）.

3.3.5CX1（X-Cap）、RX1:

X-Cap为防制EMI零件,EMI可分为Conduction及Radiation两部分,Conduction规范一般可分为:

FCCPart15JClassB、CISPR22（EN55022）ClassB两种,FCC测试频率在450K~30MHz,CISPR22测试频率在150K~30MHz,Conduction可在厂内以频谱分析仪验证,Radiation则必须到实验室验证,X-Cap一般对低频段（150K~数M之间）的EMI防制有效,一般而言X-Cap愈大,EMI防制效果愈好（但价格愈高）,若X-Cap在0.22uf以上（包含0.22uf）,安规规定必须要有泄放电阻（RX1,一般为1.2MΩ1/4W）. 

3.3.6LF1（CommonChoke）:

EMI防制零件,主要影响Conduction的中、低频段,设计时必须同时考虑EMI特性及温升,以同样尺寸的CommonChoke而言,线圈数愈多（相对的线径愈细）,EMI防制效果愈好,但温升可能较高. 

3.3.7BD1（整流二极管）:

将AC电源以全波整流的方式转换为DC,由变压器所计算出的Iin值,可知只要使用1A/600V的整流二极管,因为是全波整流所以耐压只要600V即可. 

3.3.8C1（滤波电容）:

由C1的大小（电容值）可决定变压器计算中的Vin（min）值,电容量愈大,Vin（min）愈高但价格亦愈高,此部分可在电路中实际验证Vin（min）是否正确,若ACInput范围在90V~132V（Vc1电压最高约190V）,可使用耐压200V的电容;

若ACInput范围在90V~264V（或180V~264V）,因Vc1电压最高约380V,所以必须使用耐压400V的电容.

Re:

开关电方设计过祘

3.3.9D2（辅助电源二极管）:

整流二极管,一般常用FR105（1A/600V）或BYT42M（1A/1000V）,两者主要差异:

1.耐压不同（在此处使用差异无所谓） 

2.VF不同（FR105=1.2V,BYT42M=1.4V） 

3.3.10R10（辅助电源电阻）:

主要用于调整PWMIC的VCC电压,以目前使用的3843而言,设计时VCC必须大于8.4V（Min.Load时）,但为考虑输出短路的情况,VCC电压不可设计的太高,以免当输出短路时不保护（或输入瓦数过大）. 

3.3.11C7（滤波电容）:

辅助电源的滤波电容,提供PWMIC较稳定的直流电压,一般使用100uf/25V电容. 

3.3.12Z1（Zener二极管）:

当回授失效时的保护电路,回授失效时输出电压冲高,辅助电源电压相对提高,此时若没有保护电路,可能会造成零件损坏,若在3843VCC与3843Pin3脚之间加一个ZenerDiode,当回授失效时ZenerDiode会崩溃,使得Pin3脚提前到达1V,以此可限制输出电压,达到保护零件的目的.Z1值的大小取决于辅助电源的高低,Z1的决定亦须考虑是否超过Q1的VGS耐压值,原则上使用公司的现有料（一般使用1/2W即可）. 

3.3.13R2（启动电阻）:

提供3843第一次启动的路径,第一次启动时透过R2对C7充电,以提供3843VCC所需的电压,R2阻值较大时,turnon的时间较长,但短路时Pin瓦数较小,R2阻值较小时,turnon的时间较短,短路时Pin瓦数较大,一般使用220KΩ/2WM.O.. 

3.3.14R4（LineCompensation）:

高、低压补偿用,使3843Pin3脚在90V/47Hz及264V/63Hz接近一致（一般使用750KΩ~1.5MΩ1/4W之间）. 

3.3.15R3,C6,D1（Snubber）:

此三个零件组成Snubber,调整Snubber的目的:

1.当Q1off瞬间会有Spike产生,调整Snubber可以确保Spike不会超过Q1的耐压值,2.调整Snubber可改善EMI.一般而言,D1使用1N4007（1A/1000V）EMI特性会较好.R3使用2WM.O.电阻,C6的耐压值以两端实际压差为准（一般使用耐压500V的陶质电容）. 

3.3.16Q1（N-MOS）:

目前常使用的为3A/600V及6A/600V两种,6A/600V的RDS（ON）较3A/600V小,所以温升会较低,若IDS电流未超过3A,应该先以3A/600V为考虑,并以温升记录来验证,因为6A/600V的价格高于3A/600V许多,Q1的使用亦需考虑VDS是否超过额定值. 

3.3.17R8:

R8的作用在保护Q1,避免Q1呈现浮接状态. 

3.3.18R7（Rs电阻）:

3843Pin3脚电压最高为1V,R7的大小须与R4配合,以达到高低压平衡的目的,一般使用2WM.O.电阻,设计时先决定R7后再加上R4补偿,一般将3843Pin3脚电压设计在0.85V~0.95V之间（视瓦数而定,若瓦数较小则不能太接近1V,以免因零件误差而顶到1V）. 

3.3.19R5,C3（RCfilter）:

滤除3843Pin3脚的噪声,R5一般使用1KΩ1/8W,C3一般使用102P/50V的陶质电容,C3若使用电容值较小者,重载可能不开机（因为3843Pin3瞬间顶到1V）;

若使用电容值较大者,也许会有轻载不开机及短路Pin过大的问题. 

3.3.20R9（Q1Gate电阻）:

R9电阻的大小,会影响到EMI及温升特性,一般而言阻值大,Q1turnon/turnoff的速度较慢,EMI特性较好,但Q1的温升较高、效率较低（主要是因为turnoff速度较慢）;

若阻值较小,Q1turnon/turnoff的速度较快,Q1温升较低、效率较高,但EMI较差,一般使用51Ω-150Ω1/8W. 

3.3.21R6,C4（控制振荡频率）:

决定3843的工作频率,可由DataSheet得到R、C组成的工作频率,C4一般为10nf的电容（误差为5%）,R6使用精密电阻,以DA-14B33为例,C4使用103P/50VPE电容,R6为3.74KΩ1/8W精密电阻,振荡频率约为45KHz. 

3.3.22C5:

功能类似RCfilter,主要功用在于使高压轻载较不易振荡,一般使用101P/50V陶质电容. 

3.3.23U1（PWMIC）:

3843是PWMIC的一种,由PhotoCoupler（U2）回授信号控制DutyCycle的大小,Pin3脚具有限流的作用（最高电压1V）,目前所用的3843中,有KA3843（SAMSUNG）及UC3843BN（S.T.）两种,两者脚位相同,但产生的振荡频率略有差异,UC3843BN较KA3843快了约2KHz,fT的增加会衍生出一些问题（例如:

EMI问题、短路问题）,因KA3843较难买,所以新机种设计时,尽量使用UC3843BN. 

3.3.24R1、R11、R12、C2（一次侧回路增益控制）:

3843内部有一个ErrorAMP（误差放大器）,R1、R11、R12、C2及ErrorAMP组成一个负回授电路,用来调整回路增益的稳定度,回路增益,调整不恰当可能会造成振荡或输出电压不正确,一般C2使用立式积层电容（温度持性较好）. 

3.3.25U2（Photocoupler） 

光耦合器（Photocoupler）主要将二次侧的信号转换到一次侧（以电流的方式）,当二次侧的TL431导通后,U2即会将二次侧的电流依比例转换到一次侧,此时3843由Pin6（output）输出off的信号（Low）来关闭Q1,使用Photocoupler的原因,是为了符合安规需求（primacytosecondary的距离至少需5.6mm）. 

3.3.26R13（二次侧回路增益控制）:

控制流过Photocoupler的电流,R13阻值较小时,流过Photocoupler的电流较大,U2转换电流较大,回路增益较快（需要确认是否会造成振荡）,R13阻值较大时,流过Photocoupler的电流较小,U2转换电流较小,回路增益较慢,虽然较不易造成振荡,但需注意输出电压是否正常. 

3.3.27U3（TL431）、R15、R16、R18 

调整输出电压的大小,,输出电压不可超过38V（因为TL431VKA最大为36V,若再加Photocoupler的VF值,则Vo应在38V以下较安全）,TL431的Vref为2.5V,R15及R16并联的目的使输出电压能微调,且R15与R16并联后的值不可太大（尽量在2KΩ以下）,以免造成输出不准. 

3.3.28R14,C9（二次侧回路增益控制）:

控制二次侧的回路增益,一般而言将电容放大会使增益变慢;

电容放小会使增益变快,电阻的特性则刚好与电容相反,电阻放大增益变快;

电阻放小增益变慢,至于何谓增益调整的最佳值,则可以