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开关电源学习笔记

阅读书记名称《集成开关电源的设计调试与维修》

开关电源术语：

效率：

电源的输出功率与输入功率的百分比。

其测量条件是满负载，输入交流电压标准值。

ESR：

等效串联电阻。

它表示电解电容呈现的电阻值的总和。

一般情况下，ESR值越低的电容，性能越好

输出电压保持时间：

在开关电源输出电压撤消后，依然保持其额定输出电压的时间。

启动浪涌保护：

它属于保护电路。

它对电源启动时产生的尖蜂电流起限制作作用。

为了防止不必要的功率损耗，在设计这一电路时候，一定要保证滤波电容充满电之前，就起到限流的作用。

隔离电压：

电源电路中的任何一部分与电源基板之间的最大电压。

或者能够加在开关电源的输入与输出端之间的最大直流电压。

线性调整率：

输出电压随负载在指定范围内的变化百分率。

条件是线电压和环境温度不变。

噪音和波纹：

附加在直流信号上的交流电压的高频尖锋信号的峰值。

通常是mV度量。

隔离式开关电源：

一般指开关电源。

它从输入的交流电源直接进行整流滤波，不使用低频隔离变压器。

输出瞬态响应时间：

从输出负载电路产生变化开始，经过整个电路的调节作用，到输出电压恢复额定值所需要的时间。

过载过流保护：

防止因负载过重，是电流超过原设计的额定值而造成电源的损坏的电。

远程检测：

电压检测的一种方法。

为了补偿电源输出的电压降，直接从负载上检测输出电压的方法。

软启动：

在系统启动时，一种延长开关波形的工作周期的方法。

工作周期是从零到它的正常工作点所用的时间。

快速短路保护电路：

一种用于电源输出端的保护电路。

当出现过压现象时，保护电路启动，将电源输出端电压快速短路。

占空比：

开关电源中，开关元件导通的时间和变换工作周期之比。

元件选择和电路设计：

一：

输入整流器的一些参数

最大正向整流电流：

这个参数主要根据开关电源输出功率决定，所选择的整流二极管的稳态电流容量至少应是计算值的2倍。

峰值反向截止电压（PIV）：

由于整流器工作在高压的环境，所以它们必须有较高的PIV值。

一般600V以上。

要有能承受高的浪涌电流的能力：

浪涌电源是用开关管导通时的峰值电流产生。

二：

输入滤波电容

输入滤波电容对开关电源的影响

电源输出端的低频交流纹波电压

输出电压的保持时间

滤波电容的计算公式：

C=（I*t）/ΔV

C：

电容量，FI：

负载电流，At：

电容提供电流的时间，S

ΔV：

所允许的峰-峰值纹波电压，V

例题：

计算50W开关电源的输入滤波电容值。

输入电压为115V，60HZ。

解：

第一步是计算支流负载电流：

假定一个最坏的情况，电源有效率为70%，那么，输出功率为50W的电源输入功率应该是：

Pin=Pout/л=50/0.7=71.5W

利用倍压技术时，输入交流为115V，直流输出点验是2X（115X1.4）=320V。

因此，负载直流电流应为

I=P/E=71.5/320=0.22A

现在假定设计允许30V峰-峰值的纹波电压，并且电泳要维持电平的时间为半周期，也就是说，半周期的线性频率或则说60HZ的交流电压大约是8ms,利用公式：

C=（I*t）/ΔV=（0.22*（8*0.001））/30=58ЦF

　选择50uF的电容。

如果在倍压结构中，1/C=1/C1+1/C2就选择100uF的电容。

三：

输入保护器件：

浪涌电流

原因：

开关电源上电时，会产生极高的浪涌电流。

浪涌电流主要是由滤波电容引起的。

如不采取任何措施，浪涌电流可以达到几百安培。

措施：

1：

利用电阻-双向可控硅并联网络。

上电时；VS截止，电流经过R1，R1起到限流作用

达到一定条件，VS导通，将R1短路。

2：

利用负温度系数的NTC电阻

上电时候，NTC电阻值很大，有限制电流的作用，。

当滤波电容开始充电的时，充电电流流过热敏电阻，开始对其加热。

由于NTC是负温度系数，随着加热，电阻值开始下降，在负载平衡的情况下，其阻值应该最小，但是NTC电阻有惯性，如果电源从工作状态掉电，要1分钟左右时间才能恢复到标称阻值，所以开关电源要防止掉电后马上重新启动，那样NTC电阻就不能起到防止浪涌的作用。

输入瞬间电压保护：

引起原因：

1电网附近有电感性开关

L：

电感器的漏感I：

通过线圈的电流

2：

雷电影响：

电网上的高压尖峰可达5KV

可能损坏部分：

输入滤波器，开关电源晶体管

措施：

在输入端加压敏电阻（MOV）

保护原理：

当高压尖峰瞬间出现在压敏电阻两端时，它的阻抗急剧减小到一个低值，消除尖峰电压，瞬间能量消耗在压敏电阻上。

选择步骤：

额定值应比电压稳定值大10%~20%

计算或估计出电路所要承受的最大瞬间能量的焦耳数

最大能承受的最大尖峰电流

第三章高频电源变换器的基本类型

一：

单端反激式

工作过程：

当S闭合，如a图，电流经过电感L，并在其中存储能量，由于电压的作用，二极管VD处于截止，故RL负载上无电压，当S打开，如b图，电感上的感应电压极性相反，就在RL负载电阻上出现一个与输入电压相反的电压。

开关不断闭合，打开，电路中的电流就以脉冲的形式出现。

二：

单端正激式：

工作过程：

S闭合，电流流过电感L，负载两端产生电压，S打开时，电感L的磁场发生变化，因而二极管处于正向偏置，并产生电流Ic流过电容C，负载两端输出电压极性仍保持不变，所以二极管也被称为续流二极管。

推挽式：

工作过程：

是两个单端正激式工作在推挽式下。

S1，S2交替打开或者关闭。

隔离单端反激式变换电路

工作过程：

当晶体管VT1导通时，变压器初级电感线圈中储存能量，与变压器次级连接的二极管反偏压状，VD截止，次级无电流流过。

当VT1截止，变压器次级电感线圈中的电压极性反过来，是的二极管导通，给输出电容充电，同时RL上也有电流。

由于变压器处理隔离初级和次级外，它还有变压器和扼流圈的作用，所以反激式变换器的输出部分一般不需要加电感，但在实际应用中，往往在整流器和滤波电容之间加一个小电感，用来降低高频开关噪声的峰值。

单端反激式变换器电路中的开关晶体管

开光晶体管必须具备的两个条件

1：

晶体管截止时，要能承受集电极尖峰电压

2：

晶体管导通时，要能承受集电极的尖峰电流

集电极尖峰电压计算公式

Vin输入的直流电压

最大占空比

实际工作中，工作占空比应保持低一些，一般小于50%，一般取0。

4

集电极尖峰电流计算公式：

IL变压器初级绕组的峰值电流，n是变压器初级与次级的匝数比。

为了导出变压器输出功率和出入电压表达峰值工作电流公式，变压器传递能量公司

省略推导：

单端反激式电路中的变压器绕组

注意点：

变压器只用B-H特性（磁滞回线），要注意不要让起饱和。

变压器有效体积V的计算公式

Ilmax:

最大负载电流

L：

变压器初级绕组的电感量

U0：

空气的导磁率。

其值为1

Ue：

所选磁芯的磁性材料的相对导磁率

Bmax:

磁芯的最大磁通密度

注：

相对导磁率Ue应尽可能选得大一些，以避免由于限制磁芯尺寸和线径，以及铜损和铁损引起磁芯温升过高。

基本的单端反激式变换器电路变形

工作过程：

两只晶体管同时导通或者截止，二极管VD1和VD2起钳位作用

它们把晶体管集电极电压牵制在VIN。

单端反激式变换器电路的优点是：

电路结构简单，可以实现多路输出

隔离单端正激式变换器电路

工作过程：

VT1导通，变压器初级产生电流，并存储能量，由于变压器初级和次级极性与初级相同，所以这个能量也传递给了次级，通过处在正向偏压的二极管VD2，把能量存储到电感L中。

此时，二极管VD3是反向偏压，为截止状态。

当VT1截止，二极管VD2是反响偏压，变压器绕组中的电压反向，续流二极管VD3处于正向偏压，存储在电感中的能量通过电感L继续传递给负载RL

变压器的第三绕组也称为钳位绕组（或回授绕组），他也二极管VD1串联，作用是限制C-E节上的电压尖蜂。

在晶体管截止时，还能使高频变压器的磁通复位，。

VT1导通时，VD2截止，存储在初级的能量必须释放，否则，线圈两端产生高电压，解决办法是增加钳位绕组和二极管VD1，将磁能送回电源中。

磁芯复位条件：

建立和复位时间相等（所以站空比不能超过50%）

阴影部分是磁化-去磁电流波形，磁化电流公式：

L输出电感

VT1导通时间

单端正激式变换器中的开关晶体管

Vcemax应该为2VIN

集电极峰植电流公式：

n:

变压器初级此级匝数比

IL：

输出电感电流

：

晶体管导通时间

L：

输出电感

单端正激式变换器电路的传输变压器

有效体积公式：

要求占空比小于50%，以便第三绕组将变压器的电压进行钳制，将总电压控制在2倍输入以内。

注意：

要严格注意初级和第三绕组间的紧密耦合，以消除由于漏感引起的致命的电压尖蜂。

单端正激式变换器电路的变形

输入电压太高时，可以使两个晶体管与单端反激式相同，同时导通或者截止，但每个晶体管所承受的电压不会高于VIN

注意：

续流二极管至少要与主回路的整流二极管相同，因为VT1截止时，它要提供输出电路中的全部电流。

推挽式变换器电路

推挽式变换器电路实际上是两个正激式变换器电路组成。

只是他们工作时相位相反。

在每个工作周期里，两个晶体管交替导通和截止。

所以称为“推挽”电路

输出电压公式：

n:

为初级和次级线圈匝数比

推挽式变换器电路中的高频变压器

B-H磁滞回线的全部都可以利用。

（两个管子导通时间相同）

磁芯的体积减小一半，也不需要开空气隙。

变压器体积公式：

是磁化电流

推挽式变换器电路中的晶体管

集电极电流

工作电流：

推挽式变换器电路的主要缺点：

第一个：

它要承受2倍线路峰值电压还要加上变压器漏感引起的脉冲电压峰值电压

第二个：

变压器磁芯饱和问题。

高频变压器工作频率高，但磁通密度低，通常在3000*1/10000（T）,因此他的磁化率很高，很小的直流偏压就可能使其饱和而且要求两之开关管子完全一样，也十分困难。

半桥式变换器电路

工作过程：

当VT1导通时，产生一个（220/2）*1。

4=160V的正脉冲，当VT1截止而VT2导通，变压器初级电压极性相反，产生一个-160V的脉冲。

半桥优点：

为了避免磁芯饱和，通过串联电容C3可以自动修正

串联耦合电容

ESR值尽可能小

谐振频率公式：

Fr谐振频率HzC：

耦合电容LR：

反射滤波电感

反射到变压初级的滤波电感：

Np/Ns是高频变压器初级对次级的匝数比

L输出电感H

电容公式：

为了让耦合电容的充电呈线性化，谐振频率必须低于电源变换器的开关平率，一般情况选开关频率的四分之一

阻尼二极管

二极管VT1和VT2的集电极与发射极之间，这种二极管成为阻尼二极管。

作用：

当晶体管截止时，阻尼二极管控制高频变压器的漏电感能量返回到支流电平

由于变压器中的磁通量突然增加，是晶体管的集电极电压瞬时变负，阻尼二极管可以旁路晶体管，直到集电极再边成正电压为止。

预防了晶体管反向导通可能引起的器件损坏。

选用标准：

快恢复二极管

截止电压是集电极，射极间的截止电压的两倍

全桥式变换器电路

工作过程：

VT1和VT4及VT3和VT2同时导通的，晶体管轮流导通和截止，使得加在高频变压器初级的电压在+Vin~-Vin之间变化。

这样晶体管截止时，永远不会出现高于Vin集电极截止电压，而晶体管上所通过的电流，同等于半桥式变换器的一半。

全桥式变换器的缺点：

需要四只晶体管，并且需要四组相互隔离的晶体管基极驱动电路。

使得控制成本增加。

新型的零纹波输出变压器

1：

基本的非隔离Cuk变换器电路结构

工作过程：

当晶体管VT1截止时，二极管VD1导通，由输入电流I1给电容C1充电。

VT1导通时VD1截止时，电容器的正端接地，这样I2流过电灌L2，在负载RL两端产生负的输出电压。

特点：

变换器具有反激式变换器的特点，并且有电容传递能量，（电容电压不能突变），开关尖蜂可以忽略不计。

（但是实际上任然有）

为了使图中的两个电感上的直流电压为零，这两个波形必须相等，并且完全相同。

为了做到这一点，两个电感的线圈匝数必须相同。

电路解释：

两个偶合电感形成一个变压器，每个线圈的有效电感由交替的电感能量传递线圈改变。

如果两个线圈的匝数为1：

1，那么电感量将加倍，这样产生的输入波纹电压将是非偶合变压器的一半，这一点非常重要，如果我们把变压器的匝数比变成与变压器的电感偶合系数想匹配，那么输出电流波纹会被完全消除。

显然这个电路非常有用，但是没有隔离。

要实现隔离，可同过下面的图

电路变换解释：

第一步是把电容C1分成两个串联的电容Ca和Ｃb,这样两个电容的连接点处的平均直流电压是不确定的，或者说是浮动的，若在这点到地之间，加一电感Ｌ就可以强制这一点为零电平。

若电感做得很大，两个串联电容的分流可忽略。

现在把电感Ｌ变成一个隔离变压器，就可以实现直流隔离。

隔离型的Ｃuk变换器如下图

虽然偶合输入和输出的电感减少了输出波纹，但也带来了负作用，启动的时候，输出电压脉冲极性的转换，虽然这反极性的脉冲持续时间很短，但对于敏感负载是致命的。

为此，增加了钳位二极管ＶＤ２，它可以把瞬间脉冲现在在１Ｖ以下。

这样就保护了敏感负载。

　　　　　　　　　　　　　变换器设计中的功率管的选择

选择晶体管的两个基本参数：

　　　　　１：

晶体管的截止电压

　　　　　２：

晶体管导通时能承受的电流值

　开关电源设计可以用：

　　　　　１：

双极晶体管

　　　　　　　优点：

价格低

　　　　　　　缺点：

工作截止频率低，（一般５０ＫＨＺ），驱动电路相对复杂

　　　　　２：

ＭＯＳＦＥＴ管：

　　　　　　　优点：

电路设计简单，工作截止频率高，可达到２００ＫＨＺ，工作频率高就意味着元件体积小，用体积小的元件设计出的开关电源本身的体积也就小，结构更加紧凑。

作为开关使用的双极功率晶体管

　　　　工作方式：

　　　　　　　　１：

线性工作方式（或者称放大工作方式）

　　　　　　　　２：

饱和－截止工作方式（或者称

　　　　注意：

　　晶体管的开关过程有延迟和存储时间

　　　　晶体管的开关时间定义：

　　　上升时间Ｔr:

：

集电极－发射极电压Ｖce从截止时电压的９０％下降到１０％的时间间隔。

　　　存储时间Ｔug：

从反向基极电流Ｉb加在基极开始到集电极－发射极达到截止时电压的１０％时间间隔。

　　　下降时间Tf（Ｖce）:

Ｖce截止从截止时电压的１０％上升到９０％的时间间隔。

　　　　感性负载与开关时间

晶体管关断时，电流开始下降前，晶体管的集电极与发射极间的电压就上升到供电电压。

因此有两个下降时间概念：

　　　　１：

集电极－发射极电压下降时间

　　　　２：

集电极电流下降时间

晶体管抗饱和电路

电路解释：

晶体管导通时，基极电压比输入电压低（ＶＤ２，ＶＤ３）的正向导通压降。

集电极比输入低一个ＶＤ１正向导通电压。

这样就可以阻止晶体管进入饱和区。

　　　　　ＶＤ１的选择要求：

　　　　　　　　　必须选择快恢复二极管

　　　　　　　　　必须能够耐受２倍截止电压

ＶＤ４的作用是晶体管截止时。

吸收反向电流，通过对基极与发射极的电容放电，达到减少存储时间的目的。

　　　　　B图表示达林顿电路连接，ＶＴ１防止ＶＴ２进入深饱和状态

　　　　双极晶体管二次击穿的考虑

　正向偏置的二次击穿现象是由若干个发热点引起的，这些发热点是由于晶体管工作在高电压下导通电流的不均衡，局部发热，基极－发射极是负温度系数。

反偏压二次击穿

　　　重要参数：

存储时间过长，会导致变压器饱和，电源变换器的调整范围也会受到限制。

反向偏置二次击穿能量计算公式：

　开关管保护网络－ＲＣ吸收回路

从前面讨论可以知道：

为了减少存储时间，通常都是加大反向基极电流Ｉb2，但是，如果

Ｉb2过大，回导致基极－发射极结的雪崩，而损坏警惕管。

可以采取的措施有

　　　　１：

在集电极对发射极电压Vce的值较低时，关断晶体管

　　　　２：

升高集电极电压，减少集电极电流

工作过程：

　　　ＶＴ１截止时，电容Ｃ通过二极管充电到电压Ｖcc-Vd.

VT1导通时，电容通过Ｒ放电

　　　实际上，吸收回路消耗了一定的功率，减轻了开关管的负担。

能量公式：

电容容量Ｃ计算公式：

ＲＣ回路的值必须保证以下两条：

　　　　１：

在晶体管截止期间，必须是电容充电到接近Ｖce电压

　　　　２：

在晶体管导通期间，必须是电容上的电荷经过Ｒ把电荷全部放光

计算公式：

希望以上资料对你有所帮助，附励志名言3条：

1、宁可辛苦一阵子，不要苦一辈子。

2、为成功找方法，不为失败找借口。

3、蔚蓝的天空虽然美丽，经常风云莫测的人却是起落无从。

但他往往会成为风云人物，因为他经得起大风大浪的考验。