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PWM开关电源原理

PWM开关电源

第1章绪论

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。

1.1课题背景

1.1.1开关电源的发展历史

开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线

性电源）已有30多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线

性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后，脉宽调制（PWM）控制技术有

了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源，它的特点是用20kHz脉冲

频率或脉冲宽度调制—PWM开关电源效率可达65～70％，而线性电源的效率

只有30～40％。

在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。

线性

电源工作于工频，因此用工作频率为20kHZ的PWM开关电源替代，可大幅度

节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHZ革命。

随着ULSI芯片尺寸不断减

小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电

池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电

源。

因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。

此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。

1.1.2我国开关电源历程

从我国开关电源的发展过程可以了解国际开关电源发展的一个侧面，虽然一

般说来，我国技术发展水平与国际先进水平平均有5～10年差距。

70年代起，

我同在黑白电视机，中小型计算机中开始应用5V，20-200A，20kHZAC－DC开关

PWM开关电源

电源。

80年代进入大规模生产和广泛应用阶段，并开发研究0.5～5MHz准谐振

型软开关电源。

80年代中，我国通信（如程注交换机）电源在AC－DC及DC－DC

开关电源应用领域中所占比重还比较低。

80年代末我国通信电源大规模更新换

代，传统的铁磁稳压-整流电源和晶闸管被相控稳压电源为大功率（48V，6kw）

AC－DC开关电源（通信系统中常称为开关型整流器SMR）所取代；并开始在办公

室自动化设备中得到应用。

工业应用方面，在锅炉火焰控制，继电保护，激光，

彩色TV，离子管灯丝发射电流调节，离子注射机，卤钨灯控制等系统中均有应

用。

90年代我国又研制开发了一批新型专用开关电源，典型例子如下：

1.卫

星开关电源。

东方红三号通信卫星、风云一号、二号气象卫星均应用了开关电源。

特点是：

多路输出，不可维修性，要求长期不改变性能，设置冗余模块，可靠性

高，EMC满足空间环境条件，高效，轻小。

2.远程火箭控制系统的DC－DC开关

电源，要求发射过程中高度可靠。

3.1000kW牵引变流器4500V／1200AGTO门

控250W开关电源。

4.40kW固体脉冲激光器的软开关电源。

用4台10kw全桥

多谐振ZVS变换器并联。

5.焊机用双IGBT管正激车电压转换—脉定调制（ZVT

－PWM）软开关电源。

输出20kW，500A，开关频率40kHZ，效率92％。

特点是

负载大范围变化频繁，工作环境恶劣。

要求电源冲击电流小，动态特性好，负载

不影响软开关性质。

6.变电所在流操作系统开关电源。

供继电保护和自动装置

及蓄电池充电用。

代替晶闸管调压系统，输出10A，180～286V。

主开关管用IGBT

或功率MOSFET。

7.单相和三相高功率因数整流器（有源功率同数校正器）。

可

以看出20～30年中，我国开关电源的应用领域和技术性能有很大进展，这与国

家基础工业和国力增强有密切关系，也和国际先进开关电源技术影响有关。

充分

显示了中国电源技术人员的聪明才智和艰苦奋斗的创业精神。

90年代，中小型

（500W以下）AC－DC和DC-DC开关电源的特点是：

高频化（开关频率达300－

400kHZ）以达到高功率密度，体小量轻；力求高效和高可靠；低成本；低输出电

压（≤3V）；AC输入端高功率同数等。

在今后5年内仍然将沿这些方向发展。

主

要技术标志从技术上看，几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的主

要标志是：

1.新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能。

如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶体管和晶闸管，从而使中小型开关电

源下作频率可达到400kHZ（AC－DC）和1MHZ（DC-DC）的水平。

超快恢复功率二

PWM开关电源

极管，MOSFE同步整流技术的开发也为高效低电压输出（例如3V）开关电源的研

制有了可能。

现正在探索研制耐高温的高性能碳化砖功率来导体器件。

2.软开

关技术使高效率高频开关变换器的实现有了可能。

PWM开关电源按硬开关模式

工作（开／关过程中电压卜降／上升和电流上升／下降波形有交叠），因而开关

损耗大。

开关电源高频化可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了（功耗与频率

成正比）。

为此必须研究开关电比／电流波形个交更的技术，即所谓零电压（ZVS）

／本电流（ZCS）开关技术，或称软开关技术（相对于PWM硬开关技术而言），

小功率软开关电源效率可提高到80～85％。

70年代谐振开关电源奠定了软开关

技术的基础。

以后新的软开关技术不断涌现，如准谐振（80年代中）全桥移相

ZVS－PWM，恒频ZVS－PWM／ZCS－PWM（80年代末）ZVS－PWM有源钳位；ZVT－

PWM／ZCT-PWM（90年代初）全桥移相ZV－ZCS－PWM（90年代中）等。

我国已将

最新软开关技术应用于6KW通信电源中，效率达93%。

3.控制技术研究的进展。

如电流型控制及多环控制，电荷控制，一周期控制，功率因数控制，DSP控制；

及相应专用集成控制芯片的研制成功等，使开关电源动态性能有很大提高，电路

也大幅度简化。

4.有源功率因校正技术（APFC）的开发，提高了AC－DC开关电

源功率因数。

由于输入端有整流——电容元件，AC－DC开关电源及一大类整流

电源供电的电子设备（如逆变器，UPS）等的电网测功率因数仅为0.65，80年代

用APFC技术后可提高到0.95～0.99，既治理了电网的谐波“污染”，又提高

了开关电源的整体效率。

单相APFC是DC－DC开关变换器拓扑和功率因数控制

技术的具体应用，而三相APFC则是三相PWM整流开关拓扑和控制技术的结合。

磁性元件新型磁材料和新型变压器的开发。

如集成磁路，平面型磁芯，超薄型

（Lowprofile）变压器；以及新型变压器如压电式，无磁芯印制电路（PCB）变

压器等，使开关电源的尺寸重量都可减少许多。

6.新型电容器和EMI滤波器技

术的进步，使开关电源小型化并提高了EMC性能。

7.微处理器监控和开关电源

系统内部通信技术的应用，提高了电源系统的可靠性。

90年代末又提出了新型

开关电源的研制开发，这也是新世纪开关电源的发展远景。

如：

用一级AC－DC

开关变换器实现稳压或稳流，并具有功率因数校正功能，称为单管单级或4S高

功率因数AC－DC开关变换器；输出1V，50A的低电压大电流DC－DC变换器，

又称电压调节模块VRM，以适应下一代超快速微处理器供电的需求；多通道

PWM开关电源

（Multi－Channel或Multi－Phase）DC－DC开关变换器；网络服务器（Server）

的开关电源可携带式电子设备的高频开关电源等。

1.1.3开关电源技术发展动向

1.小型、薄型、轻量化

由于电源轻、小、薄的关键使高频化，因此，国外目前都在致力于同步开发

新型元器件，特别使改善二次整流管的损耗、变压器及电容小型化，并同时采用

表面安装（SMT）技术在电路板两面布置元器件以确保开关电源的轻、小、薄。

2.高效率

开关电源高频化使传统的PWM开关（硬开关）功耗加大，效率降低，噪

声也增大了，达不到高频、高效的预期效益，因此，实现零电压导通、零电流关

断的软开关技术将成为开关电源未来的主流。

采用软开关技术可以使效率达到

85％～88％。

3.高可靠性

可用模块电源使用的元器件比线性工作电源多数十倍，因此，降低了可靠性。

追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是从使用方面着想。

4.模块化

可用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成N+1余电源系统，从而提高

可靠性；可以做成插入式，实现热交换，从而在运行中出现故障时能快速更换模

块插件；多台模块并联可实现大功率电源系统。

此外，还可以在电源系统建成后，

根据发展需要不断扩大容量。

5.低噪声

开关电源又一缺点时噪声大，单纯追求电源高频化，噪声也随之增大。

采用

部分谐振变换技术，在原理上说明可以高频化，又可以低噪声。

但谐振变换技术

也有其难点，如果难准确地控制开关频率、谐振时增大了元器件负荷、场效应

管的寄生电容易引起短路损耗元器件热应力转向开关管等问题难以解决。

6.抗电磁干扰（EMI）

PWM开关电源

当开关电源在高频下工作时，其噪声通过电源线产生对其他电子设备干扰，世界

各国已有抗EMI的规范或标准。

7.电源系统的管理和控制

应用微处理器或微机集中控制和管理，可以及时反映开关电源环境的各种

变化。

中央处理单元实现智能控制，可自动诊断故障，减少维护工作量，确保正

常运行。

8.计算机辅助设计（CAD）

利用计算机对开关电源进行CAD设计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济

的设计方法。

9.产品更新加快

目前开关电源产品要求输入电压通用（使用世界各国电网电压规模），输出

电压范围扩大（入计算机和工作站需要增加3.3V这一挡电压，程控需要增加直

流150V电压），输入端公里因数进一步提高，具有安全、过压保护等功能。

PWM开关电源

第2章PWM开关电源的基本原理

2.1PWM开关电源的基本原理

开关电源的工作过程相当容易理解。

在线性电源中，让功率晶体管工作在线

性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断

状态。

在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏安乘积总是很小的（在导通时，

电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）。

功率器件上的伏安乘积就是功率

半导体器件上所产生的损耗。

与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把

输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。

脉冲的占空比

是开关电源的控制器来调节。

一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过

变压器来生高或降低。

通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组

数。

最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

控制器的主要目的式保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很

类似。

也就是说控制器的功能模块电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调

节器相同。

它们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管

之前要经过一个电压脉冲转换单元。

开关电源有两种主要的工作方式：

正激式变换和升压式变换。

尽管它们各部

分的布置差别很少，但是工作过程相差很大，在特定的场合下个有优点。

正激式变换器的优点式：

输出电压的纹波峰峰值比升压式变换器低，同时可

以输出比较高的功率，正激式变换器可以提供数千瓦的功率。

升压式变换器中峰值电流较高，因此只适合功率不大于150W的应用场合，

在所有拓扑中，这类变换器所用的元器件最小，因而在中小功率的应用场合中和

流行。

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;

PWM开关电源

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.

2.2PWM开关电源的组成模块

Vout（DC）

输

入

地

PFI滤

波器和

浪涌抑

制器

输入

整流

和滤

波

启动、

IC供电

和驱动

电电路

Vin（DC）

功

率

开

关

变压器

驱动

VCC

控

制

器

整

流

与

滤

波

反

馈

网

络

保护

电路

输出

保

护

抑

制

地

PWM开关电源

第3章设计思想与方案论证

3.1设计思想

PWM开关电源在使用时比线性电源具有更高的效率和灵活性。

我们可以在

航空和自动化产品、仪器仪表、离线式产品中发现它们的踪影，它们通常应用于

要求效率和多组电源电压输出的场合。

开关电源的重要要比线性电源轻的多。

因

为对于相同的输出功率，开关电源的散热器要小的多。

但是开关电源的成本较高，

而且需要较长的时间开发。

所以PWM开关电源的的成本和效率是本设计的主要问题。

基于这些问题，

所以在本设计中，我们要注重成本的问题和设计电源的时间。

3.2方案论证

在开始设计开关电源时，主要考虑的是采用何种基本拓扑。

开关电源设计中，

拓扑类型与电源各个组成部分的布置有关。

这种布置与电源可以在何种环境下安

全工作以及可以给负载提供的最大功率密切相关。

这也是设计中性能价格折中的

关键点。

3.2.1方案选择

1.方案一

正激式电路构成一大开关电源拓扑，其电路结构特点式功率管之后或变压器

二次侧输出整流器之后紧跟LC滤波器。

图3-1是一种简单正激式变换器电路，

即所谓的Buck变换器。

包括PWM开关电源的拓扑、主要波形和一些估计的参数。

Vin

Cin

功率

开关

控制

反馈

CoutVout

Vin

Ipk

Vfwd

PWM开关电源

Iload

I≈

Imin

1.4（）

Vsw≈Vin

Pout≈0W—1

PKVin（min）

图3-1Buck电路

电路的工作可以看作一个机械飞轮和单活塞发动机，电路的LC滤波器就

是飞轮，存储从驱动器输出的脉冲功率。

LC滤波器（扼流输入滤波器）的输入

就是经过斩波以后的电压。

LC滤波器平均了占空比调制的脉冲电压。

LC滤波器

的作用可用下式表示：

式中D—占空比

out=in

通过控制电路改变占空比，即可保持输出电压恒定。

Buck变换器之所以被

称作降压式变换器，是因为它的输出电压必须低于输入电压。

我们可以把Buck电路的工作过程分成两个阶段。

当开关导通时，输入电压

加到LC滤波器的输入端，电感上的电流以固定斜率线性上升。

在这个阶段，电感存储能量。

输入的能量就存储在电感铁心材料的磁通中。

当开关断开时，由于电感上的电流不能突变，电感电流就通过二极管D续流，

该二极管称为续流二极管，这样就实现了对原先流过开关管电流的续流，同时电

感中存储的一部分能量向负载释放。

续流电流环包括：

二极管电感负载。

在这个阶段，电流波形时一条斜率为负的斜线。

当开关再次导通时，二极管

迅速关断，电流从输入电源和开关管流过。

在开关导通前瞬间，电感上的电流

就是开关管通过的初始电流。

PWM开关电源

直流输出的负载电流在最大值和最小值之间波动。

在典型应用中，电感电流

的最大值为负载电流的150％，最小值为负载电流的50％。

2.方案二

反激式变压器。

反激式则指当功率MOSFET导通时，就将电能储存在高频变压

器的初级绕组上，仅当MOSFET关断时，才向次级输送电能。

其拓扑、主要波形和一些估计参数，如图3-2。

Vin

Vsw

Ipri

ISEC

Vin

Cin

控制

Vinflybk

Vsat

Isw

Cout

反馈

Vout

I≈

5.5（）

Vsw≈Vin+V

out

Pout≈0W—100

in（）min

图3-2反激式电路

3.方案三

半桥电路。

其拓扑、主要波形和一些估计参数，如图3-3。

Vin

Cin

控制

XFMR

PWM开关电源

SW1

SW2

SW1

Cout

Vout

Vin/2

Imin

I≈

Vsat

2.8（）

Ipk

Vsw≈Vin

SW2

Pout≈0W—500

in（）min

3.1.2方案论证

1.方案一

图3-3半桥电路

在正激式电路拓扑中，即本方案一中的Buck变换器中。

输出电压的纹波峰

峰值比升压式变换器低，同时可以输出比较高的功率，正激式变换器可以提供数

千瓦的功率。

另外Buck变换器的输出电压必须低于输如电压。

2.方案二

PWM开关电源

反激式电路拓扑，由于具有使用原器件少、本身固有效率比较高的特点，

在功率低于100～150W的场合非常受欢迎。

但是，反激式电路的电流峰值比正激

式电路高很多，因此在相当底的输出电压下，也可能超出开关管的SOA。

3.方案三

在150～500W范围内，半桥电路比较常用。

它使用的元器件比较多，但还

是可以接受的。

半桥电路输入电压只有一半加在变压器一次恻，这导致电流峰值

增加。

因此半桥电路只在500W或更低输出功率场合下使用。

每种拓扑都有自己的优缺点，有的拓扑可能成本比较底，但输出的功率受到

限制；而有的可以输出足够的功率，但成本比较高等。

在一种应用场合下，有好

几种拓扑可以工作，但只有一种是在要求的成本范围内性能最好的。

表3-1是各

种各样拓扑及其相应的优点。

表3-1PWM开关电源拓扑的比较

拓扑

功率范围/WVin（de）范围

输入输出隔

离

典型效率

（%）

相对成

本

Buck电路

Boost电路

0～1000

0～150

5～40

无

1.0

Buck-Boost电路0～150

5～40

无

1.0

正激式电路

反激式电路

推挽式电路

半桥电路

0～150

100～1000

100～500

5～500

50～1000

有

1.4

1.2

2.0

2.2

全桥电路

400～2000+50～1000

有

2.5

总结上面各个电路的拓扑的比较，如果设计一个65W的开关电源，选择反激

式电路拓扑即方案二是比较好的。

PWM开关电源

第4章系统设计

在本文中，是设计一个65W通用交流输入多路输出反激式变压器的PWM开关

电源。

这种开关电源可用于AV85～240V输入的电子产品中。

这种特殊的开关电

源可以提供25～150W的输出功率，可以用在办公室小型分组交换机（PBX）等产

品中。

4.1技术指标

输入电压范围：

AC90～240V，50/60Hz。

输出：

DC+5V，额定电流1A，最小电流750mA

DC+12V，额定电流1A，最小电流100mA

DC－12V，额定电流1A，最小电流100mA

DC+24V，额定电流1A，最小电流0.25A

输出电压纹波：

+5V，+12V：

最大100mV（峰峰值）

+24V：

最大250mV（峰峰值）

输出精度：

+5V，±12V：

最大±5%

+24V：

最大±10%

低电压输入限制：

该电源产品允许最低输入电压为AC85（1±5%）V

微处理器掉电信号：

该电源系统在+5V输出端电压低于4.6（1±5%）V时，

提供一个集电极输出开路的信号。

4.2输入整流器/滤波器部分的设计

输入整流器/滤波器电路在开关电源中不被人重视。

典型的输入整流器/滤波

器电流由三到四个部分组成：

EMI滤波器、浪涌抑制器、整流级（离线应用场合）

和输入滤波电容。

许多交流输入离线式电源要求有功率因数校正（PFC）。

其电路

图如图4－2。

GND

EMI滤波器

PWM开关电源

过电压抑制器

整流器

4.2.1EMI滤波器

图4－2输入整流滤波电路

随着电子设计、计算机与家用电器的大量涌现和广泛普及，电网噪声干

扰日益严重并形成一种公害。

特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、

电压振幅度高（几百伏至几

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