达员工技能培训-开关电源基本原理与设计

開關電源基本原理与設計介紹Summary基本原理介紹開關電源中的相關設計基本原理介紹DC-DC變換器主要架构及其拓補EMI部分PFC部分同步整流部分均流技術保護与控制線路SPS基本原理框圖基本原理簡介一般由三部分組成:一是輸入回路.二是輸出回路.三是控制回路.輸入回路由EMI濾波電路.高壓整流濾波.隔離變壓器初級和高壓方波切割元件所組成，其與電網直接連接高電壓.輸出回路由隔離變壓器次級.低壓整流濾波電路所組成，其與控制回路都由低壓電子元器件組成.輸入回路與輸出回路兩者間採用隔離變壓器進行隔離確保人身與低壓電子器件之安全，這樣不僅達到高低電壓隔離,還做到高低電壓的轉換功能.工作原理交流輸入電壓(AC)經EMI濾波電路濾波一些電網來的干擾與雜訊後,直接予以整流與濾波得到高壓直流(DC).再將直流高壓進入方波切割器件(MOSFET)中,切割成20~200KHZ的高頻電壓方波信號.該方波信號進入隔離變壓器初級,而由次級所感應出的低壓交流電勢經整流濾波後,得到低壓穩定直流輸出,供給負載.不管輸入電壓有無變化或輸出負載是否變動,都要保持輸出直流電壓的穩定.因此,經直流輸出監控電路對輸出電壓加以監控,並把信號回饋給PWM邏輯控制電路調整占空比.從而調整輸出電壓達到穩定效果.當負載發生故障(如:短路,過載等)時可通過保護電路把信號迅速回饋給PWM邏輯控制電路使方波切換元件停止工作,達到保護的功能.BoostDC-DC變換器主要架构peakdraincurrent.peakdrainvoltage2.Boost(stepup)IdealtransferfunctionDiodevoltages(vrmAveragediodecurrentsBoost變換器工作狀態BoostDC-DC變換器主要架构DPS-350MBABOOSTCIRCUITBuckDC-DC變換器主要架构1.Buck(stepdown)peakdraincurrentIdealtransferfunctionpeakdrainvoltageAveragediodecurrentsDiodevoltages(vrm)Buck變換器工作狀態Buck變換器工作原理當S關閉時,電流就會順向地流經電感器L,此時在負載上就會有帶極性的輸出電壓產生,如上面圖2所示,當開關打開時,電感器L會改變磁場,二級体D則為順向偏壓狀態,因此在電容器C中就會有電流流過,因此在負載RL上輸出電壓的極性仍是相同的,一般我們稱此二級体D為飛輪二級体.由于此種轉換動作,使得輸出電源是一种連續而非脈動電流形式,相對的由于開關S在ON/OFF之間改變,所以輸入電流則為不連續形式,也就是所謂的脈動電流形式.BuckDC-DC變換器主要架构實際舉例DPS-350MBABUCKCIRCUITBuck&BoostDC-DC變換器主要架构VoltageandcurrentwaveformsBuckBoostBUCK-BUST(FLYBACK)變換器原理圖BUCK-BUST(FLYBACK)變換器工作狀態BUCK-BUST(FLYBACK)變換器工作原理當電路中的開關S關閉時,電流就會流經電感L,並將能量儲存于其中,由于電壓極性的關系,二級体D是在逆向偏壓狀態,此時負載電阻RL上就沒有電壓輸出.當開關S打開時,由于磁場的消失,電感L呈逆向極性,二級体D為順向偏壓,環路中則有Ic感應電流產生,因此負載RL上的輸出電壓极性正好和輸入電壓极性相反,由于開關ON/OFF的作用,使得電感器的電流交替地在輸入与輸出間,連續不斷的改變其方向,不過這二者電流都是屬于脈動電流形式.所以該變換器電路中,當開關是在導通周期時,能量是儲存在電感器裏,反之,當開關是在打開周期時能量會轉移至負載上.IsolatedForwardDC-DC變換器拓補3.IsolatedForwardIdealtransferfunctionPeakdraincurrentPeakdrainvoltageAveragediodecurrentsDiodevoltages(vrm)IsolatedForward工作原理由于該轉換器中使用的隔离元件是一個真正的變壓器,因此為了獲得正确有效的能量轉移,必須在輸出端有電感器,作為次級感應的能量儲存元件.而變壓器的初級繞組和次級繞組有相同的極性.當電晶體Q1在ON時,初級繞組漸漸會有電流流過,并將能量轉移至輸出,且同時經由順向偏壓二級体D2,儲存与電感器L中,此時的二級体D3為逆向偏壓狀態.當Q1換成OFF狀態時,變壓器的繞組電壓會反向,D2二級体此時就處于逆向偏壓的狀況,此時与飛輪二級体D3則為順向偏壓,在輸出回路上有導通電流流過,並經由電感器L,將能量傳導至負載上.變壓器上的第三個繞組与D1互相串聯在一起,可達到變壓器消磁的作用,如此可避免Q1在OFF時,變壓器的磁能會轉回至輸入直流匯流排上.Forward實際舉例300LBAFORWARDCIRCUITIsolatedFlybackDC-DC變換器拓補4.IsolatedFlybackIdealtransferfunctionPeakdraincurrentPeakdrainvoltageDiodevoltages(vrm)AveragediodecurrentsIsolatedFlyback工作原理當電晶體Q1導通時,變壓器的初級繞組漸漸會有初級電流流過,並將能量儲存与其中,由于變壓器扼流圈的輸入与輸出繞組,其極性是相反的,因此二級体被逆向偏壓,此時沒有能量轉移至負載,當電晶體不導通時,由于磁場的消失導致繞組的極性反向,此時二級体D會被導通,輸出電容器C會被充電,負載RL上有IL的電流流過.由于此種隔离元件的動作就象是變壓器与扼流圈,因此在反擊式轉換器輸出部分,就不需要額外的電感器了,但是在實際應用中,為了抑制高頻的轉換電訊波尖,還是會在整流器与輸出電容之間加裝小型電感器.Flyback實際舉例DPS-200PB-135BFLYBACKCIRCUITVoltageandcurrentwaveformsForwardFlybackForward&FlybackDC-DC變換器拓補TWO-SWITCHFORWARDIdealtransferfunctionPeakdraincurrentPeakdrainvoltageAveragediodecurrentsAveragediodecurrentsTowSwitchForwardDC-DC變換器拓補DC-DC變換器拓補Voltageandcurrentwaveforms實際舉例DC-DC變換器拓補HALFBRIDGEIdealtransferfunctionPeakdraincurrentPeakdrainvoltageAveragediodecurrentsDiodevoltages(vrm)DC-DC變換器拓補FULLBRIDGEIdealtransferfunctionPeakdraincurrentPeakdrainvoltageAveragediodecurrentsDiodevoltages(vrm)DC-DC變換器拓補VoltageandcurrentwaveformsHALFBRIDGEFULLBRIDGEFULLBRIDGEcircuitDPS-1001ABCFULLBRIDGECIRCUIT零電流開關變換器軟開關ZCS變換器在大功率的開關電源中,為了降低電路的開關損耗及提高開關器件的電壓應力和電流應力,軟開關技術也就得到了研究並得到了迅速發展.所謂軟開關通常指的是零電壓開關ZVS和零電流開關ZCS.軟開關的實現主要是借助于附加的電感L和電容C的諧振,使開關器件中電流(或電壓)按正弦規律來變化,當電流過零時,使器件關斷,當電壓下降到零時,使器件導通.此次討論零電流開關變換器---ZCS-PWM.ZCS-PWM變換器是ZCS-QRC和PWM開關變換器的綜合,同時兼有二者的特點.在一個周期內,電路有時以ZCS準諧振方式運行,有時又以PWM方式運行.以BuckZCS-PWM為例,對此電路的工作過程進行討論和分析.基本電路BUCK變換器基本電路在此電路中將開關S用零電流諧振開關代替后,就构成了下圖的零電流開關諧振Buck變換電路.基本變換電路BUCKZCS-QRS變換電路在BuckZCS-QRS變換電路的基礎上增加一個功率開關管Q2以及與其反并聯的二極體D2就构成了BuckZCS-PWM變換電路.基本變換電路BuckZCS-PWM變換器基本變換電路BuckZCS-PWM變換器工作原理Lri設初始時刻主開關管Q1和輔助開關管Q2均處于關斷狀態,輸出負載電流Io從續流二极管D上流過,電容Cr兩端的電壓為零.一個開關從主開關管Q1的導通開始.當Q1在Snubber電感Lr作用下零電流導通後,電感電流將在電源電壓作用下線性上升,當上升倒等於IO時,續流二極體D關斷.之後,D2導通,LR與CR諧振.經過半個諧振週期,以諧振方式再次達到IO,以諧振方式上升到,此時由於輔助開關管Q2處於關斷狀態,故與將保持在該值上,無法繼續諧振.這個狀態的持續時間由電路輸出的PWM控制要求確定.如果這一段時間等於零,則ZCS-PWM電路就完全等同於ZCS-QRC電路了.當電路的輸出PWM控制要求關斷主開關管Q1時,首先應導通開關管Q2(在SNUBBER電感LR的作用下零電流導通),之後與再次諧振.當電感電流諧振到零時,二極體D1導通,之後,繼續向反方向諧振並再次諧振到零.在電感電流反方向運行期間,主開關管Q1可在零電流零電壓下完成關斷過程.在此之後,電容電壓將在輸出電流的作用下線性衰減到零,使續流二極體D自然導通,直到下一個開關週期到來..輔助開關管Q2可以在D到同之後及下一個開關週期到來之前的任何inVLriLricrvinV2LricrvrLrCLricrV以下分析都是在下列條件成立時進行的:a.所有元器件都是理想的,即開通時管壓降為零,關斷時漏電流為零,開通與關斷瞬間完成.b.濾波電感足夠大,故濾波器及負載在一個開關週期中,可用其值等於該週期輸出電流Io的恆流源代替.BuckZCS-PWM變換電路的開關周期可分為六個時間段來描述,對應于六種基本的電路拓扑模式,如下圖所示.設電路初始狀態為主電路開關Q1關斷,輔助開關Q2關斷,續流二极管D導通,輸出電流全部通過D續流,電感電流=0,電容電壓=0.工作過程分析.fLffCLLRLricrv時刻,以零電壓零電流方式完成關斷過程.從上述工作原理可看出,在ZCS-PWM電路中,所有開關管及二極體都是在零電壓或零電流下完成通斷的.同時,電路可以以恆定頻率通過調節輸出脈寬占空比來調節輸出電壓.各時間段的電路拓補圖主要電量波形半橋式轉換器介紹雙輸入電壓半橋式轉換器二个主要优點,第一点就是它能在數放交流电压115V或230Vac的工作情况下,不需使用到高压晶体管.第二点就是我们只需使用到簡單的方法就能来平衡每一轉換晶体管的伏特-秒(volt-senconds)区间,而功率變压器不需有間隙且不需使用到价格高的对称修正電路,雙輸入電壓半橋式轉換器在半橋式轉換器結構中,功率變壓器有一端點連接到由串聯電容器C1與C2所産生的浮點電壓值端點,其浮點電壓值爲Vin/2,所以在標準的輸入電壓下,其值爲160Vdc.變壓器的另一端點則經由串聯電容器C3連接到Q1的射極與Q2的集極接頭處,當Q1電晶體ON時,此處變壓器端點會産生正的160V電壓脈波,當Q1電晶體OFF,Q2電晶體ON時,變壓器的初級圈會極性反轉,因此,會産生負的160V電壓脈波,在這Q1與Q2電晶體ON-OFF動作中,其産生的峰對方波電壓值爲320V,經由變器轉換降低爲次級電壓,再經過整流,濾波而得到直流輸出電壓.工作原理RCC(Ringingchokeconverter)電路RCC電路的工作原理以DPS-180KB-1D的STANDBY電路為例如圖所示,Q902的控制极(G极)由R914A~R91