开关电源核心技术.pdf开关电源核心技术pdf,开关电源是一种电压转换电路，主要工作内容是升压和降压

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详细说明：开关电源核心技术pdf,开关电源是一种电压转换电路，主要工作内容是升压和降压，广泛应用于现代电子产品，因为开关三极管总是工作在开和关的状态，所以称为开关电源。维修有些开关电源很复杂,元器件密密麻麻,很多保护和控制电路, 在没有技术支持的情况下,维修起来是一件很头疼的事。在我面对这种情况时,首先我会找到开关管及其参与振荡的外围电路,把它从电路屮分离出来,看它是否满足振荡的条件,如检测偏置是否正常,正反馈冇无故障, 还有廾关管本身,计关电源有板强大的保护功能,排除后检察掉制和保护及负载电路。开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PwM)控制IC和 MOSFET 枃成。丌关屯源和线性电源相比,二者的成木都随着输出功率的增加而增,但者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上,反而咼于开关电源,这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广闷的发展空间用途与简介用途开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、 ⊥L控设备、通讯设各、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器,电了冰箱,液品显小器,LED灯具,通讯设备,视听产品,安防,电脑机箱, 薮码产品和仪器类等领域。简介随考电力电子技术的高速发展,电力申子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代,进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设各领域,程控交换札、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源,更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术, 控制开关晶体管开通和关断的时间比率,维持稳定输H电压的一种电源,开关电源一般由脉宽庋调制(PWM)控制IC和 MOSFET构成。开关电源和线性电源相比, 者的成本钌随着输出功夲的增加而增长,但二者增长速率各异。线性电源成本在某输出功率点上,反而高于开关电源,这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为廾关电源提供」广泛的发展空间。开关电溟高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外丌关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保扩环境方面都具有重要的意义。主要类型现代厂关电源有两种:一种是直流开关电潺;另一种是交流开关电源。这里主要介绍的只是直流开关电源,其功能是将电能质量较差的原生态电源(粗电),如市电电源或蓄电氾电源,转换成满足设备要求的质量较高的直流电压(精电)。直流开关电源的核心是DCC转换器,因此直流开关电源的分类是依赖nCmC转换器分类的。也就是说,直流开关电源的分类与DCDC转换器的分类是基本相同的,DC/C 转换器的分类基本二就是直流丌关电源的分类直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气限离可以分为两类:一类是有隔离的称为隔离式DCDC转换器;另一类是没有塥离的称为非隔离式DC/DC转换器隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数米分类。单管的DCDC转换器有正激式( Forward)和反激式( Flyback)两种。双管DC/DC转换器有双管正激式( Doubeltransistor Forward converter),双管反激式( Double Transistr Flyback Converter)、推挽式(Push- Pull converter)和半桥式(Half- Bridge Converter)四种。四管DC/DC转换器就是全桥DCDC转换器( Full-Bridge converter) 非隔离式DCAU转换器,按有源功率器件的个数,可以分为单管、双管和四管三类。单管DCDC转换器共有六种,即降压式(Buck)DCDC转换器,升压式( Boost) DCDC转换器、升压降压式( Buck boost)DCDC转换器、 Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和 SEPIC DO①DC转換器。在这六种单管DC/DC转换器中,Buck和 Boost式DC/DC转换器是基本的,Buck- Boost、Cuk、Zeta、 SEPIC式DCDC转换器是从中派生出来的。双管DCDC转换器有双管串接的升压式(Buck- Boost)DC/DC 转换器。四管DCDC转涣器常用的是全桥DC/DC转换器 Full-Bridge Converter)。隔离式DC/DC转换器在实现输出与输入电气隔离时,通常采用变压器来实现, 由于变压器具有变压的功能,所以有利于扩大转换器的输出应月范围,也便于实现不同电压的多路输出,或相同电压的多种输出在功率开关管的巳压和电流定额相同时,转涣器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多,DCDC转换銎的输出功率越大,四管式比两管式输出功率大一倍,单管式输出功牽只有四管式的1/4。非隔离式转换器与隔离式转换器的组合,可以得到单个转换器所不具各的一些特性。按能量的传输来分,DCDC转换器有单向传输和双向传输两种。具有刈向传输功能的DCDC转换器,既叫以从电源側向负载侧传输功率,也叫以从负载侧向电源侧传输功率。 DCDC转换器也可以分为自激式和他控式。借助转换器本身的正反馈信号实现丌关管自持周期性开关的转换器,叫做白激式转换器,如洛耶尔 Royer)转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。他控式DC/DC转换器中的开关器件控制信号,是由外部专门的控制里路产生的。按照天关管的开关条件,DC/DC转换器又可以分为使开关( Hard Switching)和软开关( Soft switching)两种。硬开关DC/DC转换器的尹关器件是在承受电压或流过电流的情况下,开通或关断电路的,因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠撅耗,即所谓约开关损耗( Switching loss)。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的,而且开关频率越高,开关损耗越大,同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生电容的振荡·带来加损耗,因此,硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。软开关DCDC转换器的开关管,在开通或关断过程中,或是加于其上的电压为零,即零电开关( Zero-Voltage- Switching,zVS),或是通过开关管的电流为零, 即零电流廾关(zero- Current Switching,zCS)。这种软开关方式可以显着地减小廾关损耗,以及开关过程中激起的振荡,使开关频率可以大幅度提高,为转换器的小型化和模块化创造了条件。功率场效应管( MOSFET)是应用较多的开关器件,它有较高的开关速度,但同时也有较大的寄生电容。它关断时,在外电压的作用下,其寄生电容充淸电,如果在其开通前不将这一部分电荷放掉,则将消耗于器件内部,这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耙,功率场效应管宜采用零电压开通方式〈ZVS):绝缘栅双极性晶体管( Insu l ated Gate Bipo lar tansistor,IGBT)是一种复合开关器件,关断时的电流拖尾会导致较人的关斷损耗,如果在关断前使流过它的电流降到零,则可以显着地降低开关损耗,因此IGBT宜采用零电流(ZCS)关断方式。IGBT在零电压条件下关断,同样也能减小关断损耗,但是 MOSFET在零电流条件下开通时,并不能减小容性开通损耗。谐振转挨器〈 ResonantCon verter,RC) 准谐振转換器( Qunsi- Resonant Converter,QRC)、多谐振转换器 ( Multi- Resonant Converter,MRC)、零电压开关PWM转换器( ZVS PWM Converter)、零电流开关PWM转换器( ZCS PWM Converter)、零电压转换(zero- oltage- Transition, ZⅥT)PWM转换器和零电流转换(zet- Voltage- Transition,ZVT)PWM转换器等, 均属于软于关直流转换器。电力庄子开关器件和零开关转换器技术的发展,促使了高频开关电源的发展分类与发展方向开关电源的分类关电源人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件,边开发开关变频技术,两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可菲、抗干扰的方向发展。开关电源可分为ACDC和DCDC两大类,也有AC/ACDC/AC 如逆变器DCDC变换器现已实现模块化,且设汁技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化,并已得到用户的认可,但ACDC的模央化,囚其白身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工共制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。自激式是无須外加信号源能自行振蓠,白激式完全可以把它看作是一个变压器反馈式振荡电路。微型低功率开关电源 320W单组开关电源开关电源正在走向大众化,微型化。开关电源将逐步取代变压器在生活中的所有应用, 低功率徵型开关电源的应用要首先体现在,数显表、智能电表、手机充电器等方面。现阶段国家在大力推广智能电网建设,对电能表的要求大幅提高,开关电源将逐步取代变压器在电能表上面的应用它激式则完全依赖于外部维持振荡,在实际应用中它激式应用比较广泛。根据激励信号结构分类:可分为脉冲调宽和脉冲调幅两种,脉冲调宽是控制信号的宽度,也就是频率,脉卲调幅控制信号的幅度,两者的作用相同都是使振荡频率维持在某一范围內达到稳定电压的效果。变压器的绕组一般可以分成三种类型,一组是参与振荡的初级绕组,一组是维持振荡的反馈绕组,还有一组是负载绕组。比如在家用电器中使用的上海正艺科技生产的开关电源,将20V的交流电经过桥式整流,变换成300V左右的直流电,滤波后进入变压器后加到开关管的集电极进行高频振荡,反赍绕组反馈到基极维持电路振荡,负载绕组感应的电信号,经整流、滤波、稳压得釗的直流电压给负载提供电能。负载绕组在提供电能的同时,也肩负起稳定电压的能力,其原是在电压输出电路接一个三压取样装置,监测输出电压的变化情况,及时反赍给振荡电路调整振荡频率,从而达到稳定电压的目的,为了避免电路的干拢,反馈回振荡电路的电压会用光电耦合器隔离。产品发展方向廾关电溟高频化是其发展的方向,高频化使廾关电源小型化,并使廾关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了开关申源的发展前进,每年以超过两位数字的増长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DCDC两大类,DCDC变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化,并已得到用户的认可,但ACDC的模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。另外,开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义开关电溟中应用的电力电了器件主要为二极管、IGBT和 MOSFET SCR在丌关电源输入整沇电路及软启动电路中有少量应用,GTR驱动困难,丌关频率低,逐渐被IGBT和 MOSFET取代技术发展动向开关电溟的发展方冋是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化,因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件,特别是改善二次整流器件的损耗,并在功率铁氧体〔Mm?材料上加大科技创新,以提高在高频率和较大磁通密度(Bs)下获得高的磁性能,而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进,在电路板两面布置元器件,以確保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新,实现zVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源灼主流技术,并大幅提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标,美国的丌关电溟生产商通过降低运行电流,降低结温等措施以减少器件的应力,使得产品的可靠大大提高。模块化是开关电源发展的总仁趋势,可以采用模块化电源组成分布式电源系统, 可以设计成N+1兀余电源系统,并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点,若单独追求高频化其噪声乜必将随着增大,而采用部分湝振转换电路技术,在理论上即可实现高频化又可降低噪声,但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题,故仍需在这一领域天展大量的工作,以使得该项技术得以实用化。电力电子技术的不断创新,使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国丌关电源产业约发展速度,就必须走技术创新之路,走出有中国特色的产学研联合发展之路,为我国国民济的高速发展做出贲献。开关电源的发展和趋势 1955年美国罗耶( GH. Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器是实现髙频转换控制巨路的开端,1957年美国查赛( Jen sen)发明了自激式推挽双变压器,1964年美国属灵回计开关电游科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想,这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功夲硅晶体管的耐压提高,二极管反向恢复时间的缩短等元器件改普,终于似成了25千赫旳开关电源。目前,开关电源以小型、轻量和髙效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、信设备等几乎所有的电了设备,是当今电了信息立业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的 100kHz、井MOS一FET制成的500kHz电源,虽已实用化,但其频率有待进一步提高。要提高开关频率,就翌减少开关损耗,而要诚少开关损耗,就需要有高速开关元器件。然而,开关速度提高后,会受电路屮分布电感和电容或一极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样,不仅会影响周围电了设各,还会大大降低电源木身的可靠性。其中,为防止随开关启-闭所发生的电压浪洹,可用RC或LC缓冲器,而对由二极管存储电荷所致的巳流浪涌可采用非晶态等硇芯制成的磁缓冲器。不过,对1MHz 以上的髙频,要采用谐振电路,以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波,这样既可减少于关损耗,同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很江跃,因为采用这种方式不需要大樞度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降釗零,而且噪声也小,可望成为开关电源髙频化的一种主要方式。当前,世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究工作原理原理简介开大电源的工作过程相当容易理解,在线性电源中,让功率昰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休管工作在导通和关断的状态, 在这两种状态中,加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的(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”,即把输入的直沇电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由廾关电源的控器来调芍。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升高或降低。通过増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。控制器的主要目的是保持输出电压稳定,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块、电压爹考和误差放大器,可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于,误差放大器的输出(误差电压)在驱动功率管之前要经过个电压/脉永冲宽度转换单元。开关电溟有两种主要的工作方式:正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的在置差别很小,但是工作过程相差很大,在特定的应用场合下各有优点。电路原理所谓J关电源,顾名思义,就是这里有扇门,川电源就通过,关门电源航停止通过,那么什么是门呢,开关电源里有的采用可控硅,有的采用开关管,这两个元器件性能差不多,都是靠基极、(开关管〕控訇极(可控硅)上加上脉冲信号来完成导通和棫止的,脉冲信号正半周到来,控制极上电斥升高,开关管或可控硅就导 ,由220ⅴ整流、波后输出的300V电压就导通,通过开关变压器传到次级,再迁过变压比将电压升高或降低,伕各个电路工作。振荡脉冲负半周到来,电源调整管的棊极、或可控硅的控制极电压低于原来的设冒电压,电源调整管截止,300V电源被关断,开关变压器次级没电压,这时各电路所需的工作电压,就靠次级本路整流后的滤波电容放电来维持。待到下一个脉冲的周期正半周信号到来时,重复上一个过程。这个丌关变压器就叫高频变压器,因为他的上作频举高于50HZ低频。那么推动丌关管或可控碹约脉冲如何获得呢,这就需要冇个振荡电路产生,我们知道,品体三极管有个特性,就是基极对发射极电压是0.65-0.7V是放大状态,0.7V以上就是饱和导通状态,-0.1V--0.3Vⅴ航工作在振荡状态,那么其工作点调好后,就靠較深的负反馈来产生负压,使振荡管起振,振荡管的频羍由基极上的电容充放电的时间长短来决定, 振荡频率高输岀脉冲幅度就大,反之就小,这就决定了电源调整管的翰出屯压的大小。那么变压器次级输出的工作电压如何稳压呢,一般是在升关变压器上,单绕一组线圈, 在其上端获得的电压过整流滤后,作为基准电压,然后通过光电耦合器,将这个基准电压返囯振荡管的基极,来调整震荡频率的高低,如果变压器次级电压升高,本取样线圈输出的电压乜升髙,通过光电耦合器获得的正反馈电压也升高,这个电压加到振荡管苿极上,就使振荡频窣降低,起到了稳定次级输出电压的稳定,太细的工作情况就不必绀讲了,也没必要」解的那么细的,这样大功率的电压由开关变压器传并与后级隔开,返回的取样电压由光耦传递也与后级隔开,所以前级的市电电压,是与后级分离內,这就叫冷板,是安全的,变压器前的电源是独立的,这就叫开关电源。说到这里吧开关条件电力电子器件⊥作在开关状态而不是线性状态高频条件电力电了器件工作在高频而不是接近工频的低频直流条件开关电溟输出的是直流而不是交流也可以输出高频交流如电子变压器各种功能功能 DC/DC变换冂CC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流圻波。斩波器的工作方式仨两种,一是脉宽调制)式Ts不变,改变ton(通用),二是频率调制方式,ton不变,改变Ts(易产生干扰)。其具休的电路由以下几类 Buck电路 ——降压轩波器,其输出平均电压 U0小于输入电压Ui,极性相同。 Boost电路 -升压轩波器,其输出平均电压

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