开关电源讲义(经典版)
开关稳压电源的设计与制作
2007国赛：设计并制作如下图所示的
开关稳压电源。
?二、要求
?在电阻负载条件下，使电源满足下述要求：
?1．基本要求：输出电压U O可调范围：30V～36V；
?最大输出电流I Omax：2A；
?U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%
（I O=2A）；
?I O从0变到2A时，负载调整率SI≤5%
（U2=18V）；
?输出噪声纹波电压峰-峰值U OPP≤1V
（U2=18V,U O=36V,I O=2A）；
?DC-DC变换器的效率≥70%
（U2=18V,U O=36V,I O=2A）；
?具有过流保护功能，动作电流I O（th）
=2.5±0.2A；
?2．发挥部分
?进一步提高电压调整率，使SU≤0.2%
（I O=2A）；进一步提高负载调整率，使
SI≤0.5%（U2=18V）；
?进一步提高效率，使≥85%
（U2=18V,U O=36V,I O=2A）；排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；
?能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。
?简介
由于线性调节器式直流稳压电源，存在诸多缺点，如体积大，很难小型化、损耗大、效率低、输出与输入之间有公共端，不易实现隔离，只能降压，不能升压，很难在输出大于5A的场合应用。
?因此开关电源得到广泛利用，凡采用半导体功率开关器件作
为开关管，通过对开关管的高频开通与关断控制，将一种电能形态转换成另一种电能形态的装置，叫做开关转换器。以开关转换器为主要组成部分，用闭环自动控制来稳定输出电压，并在电路中加入保护环节的电源，叫做开关电源。开关电源组要组成部分是DC-DC功率变换器，因为它是转换的核心。
?高频开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和
MOSFET构成。分类多，应用广。开关电源参数有额定输出电压、额定输出电流、输出电压的稳定范围，输出电流的变化范围和输出电压的纹波。开关电源应具有输出过压、欠压、过流和过热保护功能，还应具有较高的电能转换效率、低的转换损耗、低的噪声、好的电磁兼容和绝缘性等。
DC/DC升压电路有很多，Buck电路，Boost电路，Cuk电路
隔离型电路有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路
推挽式升压原理：
根据变压器得变压比：变压器两组线圈圈数分别为N1和N2，N1为初级，N2为次级，在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势，当N2>N1时，其感应电动势要比初级所加得电压还要高，这种变压器称为升压变压器；当N2 这种电路结构特点是：对称性结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断。 优点：高频变压器磁芯利用率高、输出功率大、驱动电路简单…. 器件的选择： 控制芯片：KA3525 ,SG3525 ,TL494 开关管：IRF640 IFR540 系列MOS 场效应管 IRF640,18A,200V Rds (on) =0.180欧所以不会击穿同时导通损耗也比较小。 可自查资料准备 我们使用台湾KA3525 PWM调变IC来作此推挽式转换的控制IC，此IC具有振荡器，利用改变RT与CT之值，就可以设定PWM的切换频率；此外尚有两组PWM输出、软启动及完全截止的功能，因此在电路设计上可大大降低硬件电路。KA3525采用电压模式控制方法。占空比为0-100%，考虑到死区时间，最大占空比通常为90-95%。其采用分频器，可以得到两路互补的占空比分别为0-50%的PWM信号，同样，考虑到死区时间的存在，最大占空比通常为45%-47.5%。这样的PWM信号试用于半桥、全桥、推挽等双端电路的控制。 KA3525内部结构 引脚功能…. 软启动：由于次级通常有大滤波电容,所以开关电源在启动时不以额定功率启动,否则相当于短路.只能小电流充满大滤波电容以后再正常工作.这就是软启动.KA3525自带软启动功能，在第8脚处接5uF电容。（）充电完成后再振荡。 变压器设计绕制?设定开关管工作频率为50KHz，初级采用抽头的形式 根据法拉第定律,取原线圈为4匝+4匝。 ?设原边最小输入电压为16V，副边最大输出电压为 42V，所以原副匝比2:6，副线圈为12匝。实际上由于绕制变压器工艺的限制，我们的变压器的原边线圈是以绕满一层为止，前提是匝数不小于4，副线圈的匝 数按匝数比来绕制. ?骨架的选择应选用高频变压器骨架，目前常使用的有 金属锰锌镁铜等， ?绕制时应使初、次级线圈紧密地耦合在一起，这样可 以减少变压器漏感，因为如果漏感过大，将会造成较大的尖峰脉冲，从而击穿开关管。因此在绕制高频变压器线圈时，应尽量使初、次级线圈之间的距离近些。 ?漆包线线径的选择，要使电流大，那么线径要大，但 过大会产生趋肤效应，使电流减小。所以可以多组并绕。 ?包胶带 前级电路 ?设定与稳压 ?开环稳压通过改变输出PWM波的占空比，来调节输出 电压的大小 ?在实际电路中，DA设定值接在误差放大器的同相输入端 上，设定输出电压，输出电压的采样电压加在误差放大器的反相输入端上实现稳态。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。 ?缓冲电路 ?输出电压有较大尖峰，这是由于开关管的高频开关造成 的，尤其是关断时，由于电路有寄生电感，瞬间电路的切断会在电感两端出现冲击电压，因此对开关管加缓冲电路，并上R、C改善关断性能。 ?驱动问题（） 后级电路 ?输出为全桥整流，四个整流二极管均并上R、C，因为当输入停止的时候，会有反动电动势 ?在输出端接上加假负载,如图R19和R20组成。因为负载开路时，输入电感照常周期 性地不断储能和释放能量，而能量没有被 负载消耗，电容将持续升高即多余的能量 都存储到电容极板间，很快导致电容击穿。因此接上假负载，也就说，当检测到电源 处于空载转态时，自动投入一个轻负载， 这个负载电阻值较大，即能维持输出电压 为给定值、本身功率损耗又较小。 过流保护电路 当电路输出电流过 大，或者负载短路 时，将对负载造成伤 害，因此过流保护是 必须的。 相关开关电源原理及电路图 2012-06-03 17:39:37 来源:21IC 关键字：开关电源电路图 什么是开关电源?所谓开关电源，故名思议，就是这里有一扇门，一开门电源就通过，一关门电源就停止通过，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)控制极(可控硅)上加上脉冲信号来完成导通和截止的，脉冲信号正半周到来，控制极上电压升高，开关管或可控硅就导通，由220V整流、滤波后输出的300V电压就导通，通过开关变压器传到次级，再通过变压比将电压升高或降低，供各个电路工作。振荡脉冲负半周到来，电源调整管的基极、或可控硅的控制极电压低于原来的设置电压，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。这个开关变压器就叫高频变压器，因为他的工作频率高于50HZ低频。那么推动开关管或可控硅的脉冲如何获得呢，这就需要有个振荡电路产生，我们知道，晶体三极管有个特性，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- -0.3V就工作在振荡状态，那么其工作点调好后，就靠较深的负反馈来产生负压，使振荡管起振，振荡管的频率由基极上的电容充放电的时间长短来决定，振荡频率高输出脉冲幅度就大，反之就小，这就决定了电源调整管的输出电压的大小。那么变压器次级输出的工作电压如何稳压呢，一般是在开关变压器上，单绕一组线圈，在其上端获得的电压经过整流滤波后，作为基准电压，然后通过光电耦合器，将这个基准电压返回振荡管的基极，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也升高，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基极上，就使振荡频率降低，起到了稳定次级输出电压的稳定，太细的工作情况就不必细讲了，也没必要了解的那么细的，这样大功率的电压由开关变压器传递，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，是与后级分离的，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。 图开关电源原理图1 TND313/D Rev 3, Sep-11 High-Efficiency 305 W ATX Reference Design Documentation Package ? 2011 ON Semiconductor. Disclaimer: ON Semiconductor is providing this reference design documentation package “AS IS” and the recipient assumes all risk associated with the use and/or commercialization of this design package. No licenses to ON Semiconductor’s or any third party’s Intellectual Property is conveyed by the transfer of this documentation. This reference design documentation package is provided only to assist the customers in evaluation and feasibility assessment of the reference design. The design intent is to demonstrate that efficiencies beyond 80% are achievable cost effectively utilizing ON Semiconductor provided ICs and discrete components in conjunction with other inexpensive components. It is expected that users may make further refinements to meet specific performance goals. 开关电源维修步骤及常见故障分析- 电源 1、修理开关电源时，首先用万用表检测各功率部件是否击穿短路，如电源整流桥堆，开关管，高频大功率整流管;抑制浪涌电流的大功率电阻是否烧断。再检测各输出电压端口电阻是否异常，上述部件如有损坏则需更换。 2、第一步完成后，接通电源后还不能正常工作，接着要检测功率因数模块(PFC)和脉宽调制组件(PWM)，查阅相关资料，熟悉PFC和PWM模块每个脚的功能及其模块正常工作的必备条件。 3、然后，对于具有PFC电路的电源则需测量滤波电容两端电压是否为380VDC左右，如有380VDC左右电压，说明PFC模块工作正常，接着检测PWM组件的工作状态，测量其电源输入端VC ，参考电压输出端VR ，启动控制Vstart/Vcontrol端电压是否正常，利用220VAC/220VAC隔离变压器给开关电源供电，用示波器观测PWM模块CT端对地的波形是否为线性良好的锯齿波或三角形，如TL494 CT端为锯齿波，FA5310其CT端为三角波。输出端V0的波形是否为有序的窄脉冲信号。 4、在开关电源维修实践中，有许多开关电源采用UC38××系列8脚PWM组件，大多数电源不能工作都是因为电源启动电阻损坏，或芯片性能下降。当R断路后无VC，PWM 组件无法工作，需更换与原来功率阻值相同的电阻。当PWM组件启动电流增加后，可减小R值到PWM组件能正常工作为止。在修一台GE DR电源时，PWM模块为UC3843，检测未发现其他异常，在R(220K)上并接一个220K的电阻后，PWM组件工作，输出电压均正常。有时候由于外围电路故障，致使VR端5V电压为0V，PWM组件也不工作，在修柯达8900相机电源时，遇到此情况，把与VR端相连的外电路断开，VR从0V变为5V，PWM 组件正常工作，输出电压均正常。 5、当滤波电容上无380VDC左右电压时，说明PFC电路没有正常工作，PFC模块关键检测脚为电源输入脚VC，启动脚Vstart/control，CT和RT脚及V0脚。修理一台富士3000相机时，测试一板上滤波电容上无380VDC电压。VC，Vstart/control,CT和RT波形以及V0波形均正常，测量场效应功率开关管G极无V0 波形，由于FA5331(PFC)为贴片元件，机器用久后出现V0端与板之间虚焊，V0信号没有送到场效应管G极。将V0端与板上焊点焊好，用万用表测量滤波电容有380VDC电压。当Vstart/control 端为低电平时，PFC亦不能工作，则要检测其端点与外围相连的有关电路。 开关电源介绍 一、基础知识： 新型变压器：磁性元件，新型磁材料和新型变压器的开发。如集成磁路，平面型磁心，超薄型变压器；以及新型变压器如压电式，无磁芯印制电路变压器等，使开关电源的尺寸重量都可减少许多。 硬开关的条件下MOSFET和IGBT开关损耗分析： 1)．开通损耗方面：由于MOSFET的输出电容大，器件处于断态时，输入电压加在输出电容上，输出电容储存较大能量。在相继开通时这些能量全部消耗在器件内，开通损耗大。器件的开通损耗和输出电容成正比，和频率成正比和输入电压的平方成正比[12]。而IGBT的输出电容比MOSFET小得多，断态时电容上储存的能量较小，故开通损耗较小。 2)．关断损耗方面：MOSFET属单极型器件，可以通过在施加栅极反偏电压的方法，迅速抽走输入电容上的电荷，加速关断，使MOSFET关断时电流会迅速下降至零，不存在拖尾电流，故关断损耗小[10]；而IGBT由于拖尾电流不可避免，且持续时间长(可达数微秒)，故关断损耗大。 综合以上分析，硬开关条件下MOSFET的开关损耗主要是由开通损耗引起，而IGBT则主要是由关断损耗引起。因此使用MOSFET作为主开关器件的电路，应该工作于ZVS条件下，这样在器件开通前，漏极和源极之间的电压先降为零，输出电容上储存能量很小，可以大大降低MOSFET的开通损耗；而使用IGBT作为主开关器件的电路，应该工作于ZCS条件下，这样在器件关断前，流过器件的电流先降为零，可以大大降低因拖尾电流造成的关断损耗。 软开关：当电流过零时，使器件关断；当电压过零时，使器件开通-实现开关损耗为零。 变流器：把输入的电源，进行电压、电流变换，达到规定的要求后输出给用电设备。 DC-DC：直流变压器。斩波器。 为什么反激开关电源只能适合小功率？200W以下。正激开关电源适合大功率开关电源？ 高效率小体积（高功率密度）一直是DC-DC变换器用户的追求，也是设计的要点。提高功率密度最有效的方式就是提高开关频率，线圈和变压器对高速变化的磁力线感应灵敏度高、特别高效率，衰减特别小，传递效率特别高，而对低频变化的磁力线灵敏度低、衰减大，传递效率差，因此高频下的磁芯体积会大幅度减小，但频率的提高会使开关管的开关损耗加大，对变换器的效率造成影响。如何在高频下减小开关管的开关损耗，是DC-DC变换器是否能实现高效率高功率密度的关键，在这种背景下，高频软开关技术逐渐成为研究的热点，LLC谐振变换器是在串联谐振变换器的基础上增加了一个与负载并联的电感，是目前效率最高的开关电源。 SWITCHING REGULATOR CONTROL DESCRIPTION M51995A is the primary switching regulator controller which is especially designed to get the regulated DC voltage from AC power supply. This IC can directly drive the MOS-FET with fast rise and fast fall output pulse. Type M51995A has the functions of not only high frequency OSC and fast output drive but also current limit with fast response and high sensibility so the true "fast switching regulator" can be realized. It has another big feature of current protection to short and over current,owing to the integrated timer-type protection circuit,if few parts are added to the primary side. The M51995A is equivalent to the M51977 with externally re-settable OVP(over voltage protection)circuit. 500kHz operation to MOS FET ?Output current...............................................................±2A ?Output rise time 60ns,fall time 40ns ?Modified totempole output method with small through current Compact and light-weight power supply ?Small start-up current............................................90μA typ. ?Big difference between "start-up voltage" and "stop voltage" makes the smoothing capacitor of the power input section small.Start-up threshold 16V,stop voltage 10V ?Packages with high power dissipation are used to with-stand the heat generated by the gate-drive current of MOS FET. 16-pin DIP,20-pin SOP 1.5W(at 25°C) Simplified peripheral circuit with protection circuit and built-in large-capacity totempole output ?High-speed current limiting circuit using pulse-by-pulse method(Two system of CLM+pin,CLM-pin) ?Protection by intermittent operation of output over current...... ..........................................................Timer protection circuit ?Over-voltage protection circuit with an externally re-settable latch(OVP) ?Protection circuit for output miss action at low supply voltage(UVLO) High-performance and highly functional power supply ?Triangular wave oscillator for easy dead time setting APPLICATION Feed forward regulator,fly-back regulator RECOMMENDED OPERATING CONDITIONS Supply voltage range............................................12 to 36V Operating frequency.................................less than 500kHz Oscillator frequency setting resistance ?T-ON pin resistance R ON ...........................10k to 75k ? ?T-OFF pin resistance R OFF ..........................2k to 30k ? 三种基础拓扑（buck boost buck-boost ）的电路基础： 1， 电感的电压公式dt dI L V =＝T I L ??，推出ΔI ＝V ×ΔT/L 2， sw 闭合时，电感通电电压V ON ，闭合时间t ON sw 关断时，电感电压V OFF ，关断时间 t OFF 3， 功率变换器稳定工作的条件：ΔI ON ＝ΔI OFF 即，电感在导通和关断时，其电流变化相等。 那么由1，2的公式可知，V ON ＝L ×ΔI ON /Δt ON ，V OFF ＝L ×ΔI OFF /Δt OFF ，则稳定条件为伏秒定律：V ON ×t ON ＝V OFF ×t OFF 4， 周期T ，频率f ，T ＝1/f ，占空比D ＝t ON /T ＝t ON /（t ON ＋t OFF ）→t ON ＝D/f ＝TD →t OFF ＝（1－D ）/f 电流纹波率r P51 52 r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 对应最大负载电流值和最恶劣输入电压值 ΔI ＝E t /L μH E t ＝V ×ΔT （时间为微秒）为伏微秒数，L μH 为微亨电感，单位便于计算 r ＝E t /（ I L ×L μH ）→I L ×L μH ＝E t /r →L μH ＝E t /（r* I L ）都是由电感的电压公式推导出来 r 选值一般0.4比较合适，具体见 P53 电流纹波率r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 在临界导通模式下，I AC ＝I DC ，此时r ＝2 见P51 r ＝ΔI/ I L ＝V ON ×D/Lf I L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/Lf I L →L ＝V ON ×D/rf I L 电感量公式：L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/rf I L ＝V ON ×D/rf I L 设置r 应注意几个方面： A,I PK ＝（1＋r/2）×I L ≤开关管的最小电流，此时r 的值小于0.4，造成电感体积很大。 B,保证负载电流下降时，工作在连续导通方式P24-26， 最大负载电流时r ’＝ΔI/ I LMAX ,当r ＝2时进入临界导通模式，此时r ＝ΔI/ I x ＝2→ 负载电流I x ＝（r ’ /2）I LMAX 时，进入临界导通模式,例如：最大负载电流3A ，r ’＝0.4，则负载电流为（0.4/2）×3＝0.6A 时，进入临界导通模式 避免进入临界导通模式的方法有1，减小负载电流2，减小电感（会减小ΔI ，则减小r ）3，增加输入电压 P63 电感的能量处理能力1/2×L ×I 2 电感的能量处理能力用峰值电流计算1/2×L ×I 2PK ，避免磁饱和。 确定几个值:r 要考虑最小负载时的r 值 负载电流I L I PK 输入电压范围V IN 输出电压V O 最终确认L 的值 基本磁学原理：P71――以后花时间慢慢看《电磁场与电磁波》用于EMC 和变压器 H 场：也称磁场强度，场强，磁化力，叠加场等。单位A/m B 场：磁通密度或磁感应。单位是特斯拉（T ）或韦伯每平方米Wb/m 2 恒定电流I 的导线，每一线元dl 在点p 所产生的磁通密度为dB ＝k ×I ×dl ×a R /R 2 dB 为磁通密度，dl 为电流方向的导线线元，a R 为由dl 指向点p 的单位矢量，距离矢量为R ，R 为从电流元dl 到点p 的距离，k 为比例常数。 在SI 单位制中k ＝μ0/4π，μ0=4π×10-7 H/m 为真空的磁导率。 则代入k 后，dB ＝μ0×I ×dl ×R/4πR 3 对其积分可得B ＝ 3 40R C R Idl ?? π μ 开关电源设计 开关直流稳压电源设计 摘要 直流稳压电源应用广泛，几乎所有电器，电力或者电子设备都毫不例外的需要稳定的直流电压（电流）供电，它是电子电路工作的“能源”和“动力”。不同的电路对电源的要求是不同的。在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不点的电源。电子设备中的电源一般由交流电网提供，如何将交流电压（电流）变为直流电压（电流）供电？又如何使直流电压（电流）稳定？这是电子技术的一个基本问题。解决这个问题的方案很多，归纳起来大致可分为线性电子稳压电源和开关稳压电源两类，他们又各自可以用集成电路或分立元件构成。开关稳压电源具有效率高，输出功率大，输入电压变化范围宽，节约能耗等优点。 一、引言 1.1基本要求 稳压电源。 1.基本要求 ①输出电压UO可调范围：12V～15V； ②最大输出电流IOmax：2A； ③U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%（IO=2A）； ④IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%（U2=18V）； ⑤输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； ⑥DC-DC变换器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； ⑦具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.5±0.2A； 1.2发挥部分 (1)排除短路故障后，自动恢复为正常状态； (2)过热保护； 二、方案设计与论证 开关式直流稳压电源的控制方式可分为调宽式和调频式两种。实际应用中，调宽式应用较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数为脉宽调制（PWM）型。开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值，即占空比来改变输出电压，通常有三种方式：脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和混合调制。PWM调制是指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。因为周期恒定，滤波电路的设计比较简单，因此本次设计采用PWM调制方式实现电路设计要求。主要框架如图1所示。由变压器降压得到交流电压，再经过整流滤波电路，将交流电变成直流电，然后再经过DC-DC变换，由PWM的驱动电路去控制开关管的导通和截止，从而产生一个稳定的电压源。 & 课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 开关电源设计 初始条件： 输入交流电源：单相220V，频率50Hz。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）? 1、输出两路直流电压：12V，5V。 2、直流最大输出电流1A。 3、完成总电路设计和参数设计。 时间安排： 课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。 第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。 第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。 ） 第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 目录 ） 引言 (1) 1设计意义及要求 (2) 设计意义 (2) 开关电源的组成部分 (2) 开关电源的工作过程 (2) 开关电源的工作方式 (3) 脉宽调制器的基本原理 (3) 2方案设计 (5) ） 设计要求 (5) 方案选择 (5) 整流滤波部分 (6) 降压斩波电路 (7) 脉宽调制电路 (8) MOSFET管的驱动电路 (9) 总电路图 (11) 3主电路参数设定 (12) { 变压器、二极管、MOSFET管选择 (12) 反馈回路的设计 (13) MOSFET的驱动设计 (14) 结束语 (15) 参考文献 (16) 附录一 (17) ] 引言 随着电力电子技术的高速发展，电力电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、电器设备领域，远程控制交换机、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。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IGBT和MOSFET构成。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。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。 开关电源根据输入输出的性质不同可分为AC/DC和DC/DC两大类。AC/DC称为一次电源，也常称为开关整流器。值得指出的是，AC-DC变换不单是整流的意义，而是整流后又做DC-DC变换。所以说，DC-DC变换器是开关电源的核心。DC/DC称为二次电源，其设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，所以学习设计开关电源有重要的意义。 开关电源安规主要内容 森树强电子 一. 安全距离规范 (针对初, 次级及高压, 大电流区域PCB布板) 1. 交流输入L - N, N- GND, L- GND间距必须大于 3.5毫米. 2. 初级整流滤波电容正, 负级间距须大于4毫米. 3. 初, 次级间距须大于6毫米(光耦处间距最小). 4. 次级电路电压小于48V的区域布板时一般不作安全间距要求. 注: 电气间隙与爬电距离应符合相关要求. 二. 耐压测试规范 测试内容及标准: 1. 输入–输出耐压测试及标准 l 交流3000V, 1分钟打耐压, 漏电流设为10mA l 耐压仪指示漏电流<10mA, 且无飞弧现象为合格. 2. 输入–大地耐压测试 l 交流1500V, 1分钟打耐压, 漏电流设为10mA l 耐压仪指示漏电流<10mA, 且无飞弧现象为合格. 3. 输出–大地耐压测试 l 直流500V, 1分钟打耐压, 漏电流设为10mA l 耐压仪指示漏电流<10mA, 且无飞弧现象为合格. 注：大地为外壳地.测试仪器为耐压测试仪. 三. 绝缘测试规范 测试内容及标准: 1. 输入 - 大地>500Mohm为合格 2. 输出 - 大地 >500Mohm为合格 3. 输入 - 输出 >500Mohm为合格 四. 温度测试规范 1. 测试内容: 开关电源长时间稳定工作后, 测试开关 MOSFET, 开关变压器, 初级整流滤波电容, 次级整流管, 滤波电感的温度值并记录. 2. 判定标准: 将所测温度数值和相关标准安全值对比, 以 上器件的温度值必须小于安全值. 五. 过载测试规范 测试内容: 对每路输出均单独作过载试验(多路输出不同 时作过载试验). 测试方法及判定标准 (1) 在该路输出开关变压器次级交流输出端加负载并使其带满载, 长时间通电工作. (2) 监测开关变压器(磁芯, 漆包线包)的恒定温度值并记录, 不能超过允许值(厂商提供), 且应有15%左右裕量. 同时, 应无过温度保护动作. (3) 若出现过温度保护, 记录此时温度值. 开关电源设计 三种基础拓扑（buck boost buck-boost ）的电路基础： 1， 电感的电压公式dt dI L V =＝T I L ??，推出ΔI ＝V ×ΔT/L 2， sw 闭合时，电感通电电压V ON ，闭合时间t ON sw 关断时，电感电压V OFF ，关断时间t OFF 3， 功率变换器稳定工作的条件：ΔI ON ＝ΔI OFF 即，电感在导通和关断时，其电流变化相等。 那么由1，2的公式可知，V ON ＝L ×ΔI ON /Δt ON ，V OFF ＝L ×ΔI OFF /Δt OFF ，则稳定 条件为伏秒定律：V ON ×t ON ＝V OFF ×t OFF 4， 周期T ，频率f ，T ＝1/f ，占空比D ＝t ON /T ＝t ON /（t ON ＋t OFF ）→t ON ＝D/f ＝TD →t OFF ＝（1－D ）/f 电流纹波率r P51 52 r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 对应最大负载电流值和最恶劣输入电压值 ΔI ＝E t /L μH E t ＝V ×ΔT （时间为微秒）为伏微秒数，L μH 为微亨电感，单位便于计算 r ＝E t /（ I L ×L μH ）→I L ×L μH ＝E t /r →L μH ＝E t /（r* I L ）都是由电感的电压公式推导出来 r 选值一般0.4比较合适，具体见 P53 电流纹波率r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 在临界导通模式下，I AC ＝I DC ，此时r ＝2 见P51 r ＝ΔI/ I L ＝V ON ×D/Lf I L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/Lf I L →L ＝V ON ×D/rf I L 电感量公式：L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/rf I L ＝V ON ×D/rf I L 设置r 应注意几个方面： A,I PK ＝（1＋r/2）×I L ≤开关管的最小电流，此时r 的值小于0.4，造成电感体积很大。 B,保证负载电流下降时，工作在连续导通方式P24-26， 最大负载电流时r ’＝ΔI/ I LMAX ,当r ＝2时进入临界导通模式，此时r ＝ΔI/ I x ＝2→ 负载电流I x ＝（r ’ /2）I LMAX 时，进入临界导通模式,例如：最大负载电流3A ，r ’＝0.4，则负载电流为（0.4/2）×3＝0.6A 时，进入临界导通模式 避免进入临界导通模式的方法有1，减小负载电流2，减小电感（会减小ΔI ，则减小r ）3，增加输入电压 P63 电感的能量处理能力1/2×L ×I 2 电感的能量处理能力用峰值电流计算1/2×L ×I 2PK ，避免磁饱和。 确定几个值:r 要考虑最小负载时的r 值 负载电流I L I PK 输入电压范围V IN 输出电压V O 最终确认L 的值 基本磁学原理：P71――以后花时间慢慢看《电磁场与电磁波》用于EMC 和变压器 H 场：也称磁场强度，场强，磁化力，叠加场等。单位A/m B 场：磁通密度或磁感应。单位是特斯拉（T ）或韦伯每平方米Wb/m 2 恒定电流I 的导线，每一线元dl 在点p 所产生的磁通密度为dB ＝k ×I ×dl ×a R /R 2 dB 为磁通密度，dl 为电流方向的导线线元，a R 为由dl 指向点p 的单位矢量，距离矢量为R ，R 为从电流元dl 到点p 的距离，k 为比例常数。 在SI 单位制中k ＝μ0/4π，μ0=4π×10-7H/m 为真空的磁导率。 目录 1 前言 (2) 2．总体方案设计 (3) 2.1 方案一 (3) 2.2 方案二 (4) 2.3方案选择 (4) 3．单元模块设计 (5) 3.1单元模块功能介绍 (5) 3.1.1辅助电源部分设计 (5) 3.1.2主要电源部分设计 (6) 3.1.3保护电路部分设计 (7) 3.1.4继电器驱动部分设计 (8) 3.1.5输出电压比较部分设计 (8) 3.1.6编码译码部分设计 (9) 3.2电路设计及参数计算 (10) 3.3特殊器件介绍： (11) 3.4各单元模块连接 (16) 4．系统调试及结果分析 (17) 5．设计总结 (17) 【参考文献】 (18) 6 系统原理图 (19) 1、前言 可以说，有电器的地方就有电源。所有的电子设备都离不开可靠的电源为其供电。现代电子设备中的电路使用了大量的半导体器件，这些半导体需要几伏到几十伏的直流供电，以便得到正常工作所必需的能源。这些直流电源有的属于化学电源，如采用干电池和蓄电池，但这些不能持久性的供电。大多数电子设备的直流供电方法都是将交流电源经过变压、整流、滤波、稳压等变换为所需的直流电压。完成这种变换任务的电源成为直流稳压电源。 现代电子设备中使用的直流稳压电源有两大类：线性稳压电源和开关性稳压电源。所谓线性稳压电源就是其调整管工作在线性放大区，这种稳压电源的最主要的缺点是变换效率低，一般只有35%~60%左右。开关稳压电源的开关管工作在开关状态，其主要的优越性就是变换效率高，可高达70%~95%。目前，计算机、通信设备、雷达、电视及家用电器等现代电子设备中的稳压电源已基本采用了开关稳压电源，因此，下面将介绍开关稳压电源的设计。 --------------------------------------------------------------------------- 常用开关电源芯片大全 第1章DC-DC电源转换器/基准电压源 1.1 DC-DC电源转换器 1.低噪声电荷泵DC-DC电源转换器AAT3113/AAT3114 2.低功耗开关型DC-DC电源转换器ADP3000 3.高效3A开关稳压器AP1501 4.高效率无电感DC-DC电源转换器FAN5660 5.小功率极性反转电源转换器ICL7660 6.高效率DC-DC电源转换控制器IRU3037 7.高性能降压式DC-DC电源转换器ISL6420 8.单片降压式开关稳压器L4960 9.大功率开关稳压器L4970A 10.1.5A降压式开关稳压器L4971 11.2A高效率单片开关稳压器L4978 12.1A高效率升压/降压式DC-DC电源转换器L5970 13.1.5A降压式DC-DC电源转换器LM1572 14.高效率1A降压单片开关稳压器LM1575/LM2575/LM2575HV 15.3A降压单片开关稳压器LM2576/LM2576HV 16.可调升压开关稳压器LM2577 17.3A降压开关稳压器LM2596 18.高效率5A开关稳压器LM2678 19.升压式DC-DC电源转换器LM2703/LM2704 20.电流模式升压式电源转换器LM2733 21.低噪声升压式电源转换器LM2750 22.小型75V降压式稳压器LM5007 23.低功耗升/降压式DC-DC电源转换器LT1073 24.升压式DC-DC电源转换器LT1615 25.隔离式开关稳压器LT1725 Quasi-Resonant (准谐振) Converter Topology : 简介： Advantage： 1)可以降低MOSFET 开关损耗，从而提高可靠性 2)可以改善EMI 特性，在增加功率传输效率的同时减少EMI 干扰，减少滤波器使用数量，降低成本 备注：谐振电路的定义—在具有R 、 L、 C 的交流电路中，电路两端的电压和电流位相一般是不同的，如果通过变更L 、C的参数或电源频率使其达到电压与电流的位相相同，此时电路呈现纯电阻性，这种状态就叫做谐振。在这种情况下，电路的电阻值达到极值（最大或者最小）。谐振分为串联谐振和并联谐振。 3)当工作在 discontinuous conduction mode 时，转换器会侦测到drain （漏极）电压波谷并在drain电压最小时开启MOSFET. 当工作在 continuous conduction mode 时，转换器会工作在固定工作频率。 工作机理： 1）当MOSFET 在导通时（Ton），输入电压Vin加在初级线圈上 Lm ，此时MOSFET 电流Ids 从0线性增加至最大值Ipk，在这段时间内，能量储存在 初级电感，为（Lm*Ipk*Ipk）/2 . 2）当MOSFET 关闭时，储存在线圈中的能量导致次级输出端的整流二极管开启。 在二级管开启的时间内（Td），输出电压Vo施加在次级线圈上，此时整流 二极管的电流从最大值Ipk*Np/Ns线性减少, 而此时输入电压Vin和次级线 圈反馈到初级线圈的点烟V0*Np/Ns 叠加到FET 上。 3）当二极管电流降至0时，FET的Vds 电压通过初级线圈Lm以及FET 的输出电容Coss以振幅V0*Np/Ns开始共振。当Vds达到最小值时，准谐振开关开启 MOSFET。这样就可以减少由于漏极与源极之间的电容导致的开关损益。这 就是所谓的ZVS . 4）当输出负载减少或者输入电压增大的时候， MOSFET 的Ton会减少并且开关频率增加。这就会导致严重的开关损失以及间歇性开关和噪音问题。 相关图形请参看以下： 第一章:元件認識 開關電源(SPS)是由眾多的元器件構成,因此,要了解開關電源的原理,學會看電路圖.首先必須掌握元器件的主要性能,結構,工作原理,電路符號,參數標準方法和質量檢測方法,本章將作逐一介紹. 一.電阻器 電阻器簡稱電阻,英文Resistor 1.電路符號和外形. (a) (b) (c) (a)國外電阻器電路符號.(b)國內符號.(c)色環電阻外形 2.電阻概念: 電阻具有阻礙電流的作用.公式R=U/I常用單位為歐姆(Ω),千歐(KΩ) 和兆歐(MΩ). 1MΩ=10 KΩ=10 Ω 3.種類 電阻器的種類有:碳膜電阻,金屬氧化膜電阻,繞線電阻,貼片電阻, 可調電阻,水泥電阻. 4.性能參數 (1)標稱阻值與允許誤差 (2)額定功率: 指在特定(如溫度等)條件下電阻器所能承受的最大功率,當超過此功率,電阻器會過熱而燒壞. (3)電阻溫度系數 5.標注方法: (1)直標法 (2)色標法 色標法是用色環或色點來表示電阻的標稱阻值,誤差.色環有四道環和五道環兩種.讀色環時從電阻器離色環最進的一端讀起,在色標法中,色 標顏色表示數字如下: 四色環中,第一,二道色環表示標稱阻值的有效值,第三道色環表示倍 數,第四道色環表示允許偏差,五色環中,前三道表示有效值,第四到為倍數,第五道為允許誤差.精密電阻常用此法. 例1:有一電阻器,色環顏順序為:棕,黑,橙,銀,則阻值為:10X 10 ±10%(Ω) 二:電容器 英文Capacitor 1.電路符號 (a) (b) (a),(b)分別表示為無極性,有極性的電容器的電路符號. 2.電容慨念 電容器是儲存電荷的容器.電容器的容量C 由下式決定: 反激式开关电源设计资料 前言 反激式开关电源的控制芯片种类非常丰富，芯片厂商都有自己的专用芯片，例如UC3842、UC3845、OB2262、OB2269、TOPSWITCH 等等。虽然控制芯片略有不同，但是反激式开关电源的拓扑结构和电路原理基本上是一样的，本资料以UC3842为控制芯片设计了一款反激式开关电源。 单端反激式开关稳压电源的基本工作原理如下： D1 T R L 图1 反激式开关电源原理图 当加到原边主功率开关管Q1的激励脉冲为高电平使Q1导通时，直流输入电压V IN加载原边绕组N P两端，此时因副边绕组相位是上负下正，使整流管D1反向偏置而截止；当驱动脉冲为低电平使Q1截止时，原边绕组N P两端电压极性反向，使副边绕组相位变为上正下负，则整流管被正向偏置而导通，此后存储在变压器中的磁能向负载传递释放。因单端反激式电源只是在原边开关管到同期间存储能 量，当它截止时才向负载释放能量，故高频变压器在开关工作过程中，既起变压隔离作用，又是电感储能元件。因此又称单端反激式变换器是一种“电感储能式变换器”。 学习了反激式开关电源的工作原理之后，我们可以自行设计一款电源进行调试。开关电源是一门实验科学，理论知识的学习是必不可少的，但是光掌握了理论知识是远远不够的，还要多做实验，测试不同环境不同参数下的电源工作情况，这样才能对电源有更深的认识。除此之外，掌握大量的实验数据可以对以后设计电源和电源的优化提供很大帮助，可以更快速更合理的设计出一款新电源或者排除一些电源故障。通过阅读下面的章节，可以使你对电源从原理理解到设计能力有一个快速的提升。 第一章 电源参数的计算 第一步，确定系统的参数。我们设计一个电源首先要确定电源工作在一个什么样的环境，比如说输入电压的范围、频率、网侧电压是否纯净，接下来是电源的输出能力包括输出电压、电流和纹波大小等等。先要确定这些相关因素，才能更好的设计出符合标准的电源。我们在第二章会详细介绍如何利用这些参数设计电源。 输入电压范围（V line min 和V line max ）； 输入电压频率（f L ）； 输出电压（V O ）； 输出电流（I O ）； 最大输出功率 （P 0）。 效率估计（E ff ）：需要估计功率转换效率以计算最大输入功率。如果没有参考数据可供使用，则对于低电压输出应用和高电压输出应用，应分别将E ff 设定为0.8~0.85。 利用估计效率，可由式（1-1）求出最大输入功率。 O IN ff P P E = （1-1） 第二步：确定输入整流滤波电容（C DC ）和DC 电压范围。 最大DC 电压纹波计算： max DC V ?= （1-2） 式（1-2）中，D ch 为规定的输入整流滤波电容的充电占空比。其 典型值为0.2。对于通用型输入（85~265Vrms ），一般将max V DC ?设定为 开关电源基础 一 开关电源概述 什么是电源？很难用一句话来概括。在现代人的生活中谁都离不开电源。文化娱乐，办公学习，科学研究，工农业生产，国防建设，教育，环境保护，医疗卫生，交通运输，照明，通讯，等等，只用有电就离不开电源。绝大部分的电是发电厂生产并发送的，称之为市电。像灯泡，电炉，交流电动机等只要接上市电就可以使用；计算机，电视机等虽然也是一打开开关就能工作，但是其内部都已经做了电能变换处理，将正弦波的交流电转化成各自需要的直流电，高压电，脉冲电，让计算机，电视机等工作起来；在无法提供市电的岛屿，车船上，可以用蓄电池经过电能转化获得跟市电一样的交流电，让计算机等设备工作起来。进入太空的卫星利用太阳能转化为自己需求的各种电能来维持长期的运行。电能是宝贵的资源，所以需要珍惜和节约，所以90年代又提出绿色电源的要求。总之，所谓的电源乃是利用电能变换技术将市电或者电池等一次电能转化成适合各种用电对象的二次电能的系统或者装置。 一些国家使用的市电电压有所不同，比如美国是110V电网、欧洲大多国家是230V的电网，再没有使用高频开关技术以前，这些要求很难实现。高频开关电源的输入电压范围之宽是线性开关电源所无法比拟的，也就是现在人常说的全球通用电源AC100V~AC240V。 人体的心脏只有一种形式，而电源的形式却多种多样，那是因为标志电源特性的参数有许多，比如功率、电压、频率、噪声等等，而且在实际使用中还有体积、重量、形态、效率等诸多限制，人们在设计电源时会在某种限制下或为了实现某种特性而去塑造电源，也就使电源的形式变得多种多样。 在60年代，大功率半导体器件被开发出来以来，用其做功率开关器件转换，开关电源开始飞速发展。广义地说，凡是用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转换为另一种电源形态的电路就叫开关转换电路，转换时用自动控制闭环稳定输出的就成为开关电源。随着半导体技术的高速发展，高耐压的快速开关晶体管的出现使没有工频变压器的开关电源迅速实用化。随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，电子设备向着小型化、固态化方向发展，同时也对电源设备提出了更高的要求，要求电源设备同样向着小型化、高效化方向发展。小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源开始取代那些体积大而笨重的、使用工频变压器的线性调节稳压电源。在70年代，开关电源开始被广泛应用与电子计算机、彩色电视机、卫星通讯设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。因为开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。 半导体集成电路技术的迅速发展使适应各类开关电源控制要求的集成电路应运而生；开关电源的功能不断完善，集成化水平不断提高，外接元件越来越少，使开关电源的设计、生产日益简化，成本不断下降。上个世纪末高耐压的大功率MOS管的广泛应用使开关电源的工作频率由最初的20kHz提高到100kHz，又使开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。现在，只要电子设备的消耗功率在20W以上，就要考虑使用开关电源。虽然开关电源的优点很多，但也带来了对人有害的高频干扰，为了合理的使用，世界各国纷纷出台了开关电源的使用规范和制造要求，对开关电源的变化技术又提出了新的挑战，也就是人常说的CE标准，FCC标准，GS，CCC等等。一方面对开关电源技术有了更高的要求，另一方面对规范电源市场也起了很好的推动作用。 二 常用术语 效率：电源的输出功率和输入功率的百分比。 ESR：等效串联电阻，作为电解电容的指标之一，在选择输出滤波电容时会考量。一般来说，ESR越低，电容性能越好。相关开关电源原理及电路图
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