开关电源 电源工程师必备

本课程主要学习内容： 一、开关电源的基础知识及功率器件； ◆二、开关电源技术的主电路（电源输入电路及功率变换电路）； ◆三、开关电源的控制、驱动及保护电路； ◆四、开关电源中的磁性元件（滤波电感及高频变压器）； 五、开关电源实际应用电路。 1.1 开关稳压电源和线性串联稳压电源1.1.1 电源的定义（电源犹如人体的心脏，是所有电设备的动力）—利用电能变换技术将市电或电池中的电通过一次电路转换为适合各种用电对象应用的二次电能的装置,利用电子线路反馈技术实现输出电压稳定。分为交流电源、直流稳压电源,或工频电源、高频电源，本文的研究对象是直流稳压电源,包括串联稳压电源和开关稳压电源。串联稳压电源—当输入或输出电压变化时，通过连续线性调整功率管的压降获得稳定的输出电压。（功率管工作在线性放大状态）开关稳压电源—通过调整功率管的导通（或截止）时间获得稳定的输出电压。（功率管工作在饱和导通状态） 基本工作原理为：工频交流电源经过变压器T1降压、通过VD1-VD4 整流C1滤波为直流电压、VT1调压成为一稳定的直流电。◆优点：结构简单，稳压性能好，无高频噪声污染。◆缺点： (1) 输入采用50 Hz工频变压器， 体积庞大。  (2) 电压调整器件（如图所示的三极管）工作在线性放大区 内，损耗大，效率低。  (3) 过载能力差。 ◆主电路的工作原理为：50 Hz单相交流220 V电压或三相交流220 V/380 V电压首先经EMI防电磁干扰的电源滤波器滤波（这种滤波器主要滤除电源的高次谐波），直接整流滤波（不经过工频变压器降压，滤波电路主要滤除整流后的低频脉动谐波），获得一直流电压；然后再将此直流电压经变换电路变换为数十或数百千赫的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压（或升压）后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。  ◆控制电路的工作原理是：电源接上负载后，通过取样电路获得其输出电压，将此电压与基准电压做比较后，将其误差值放大，用于控制驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，使输出电压升高（或降低），以获得一稳定的输出电压。 开关电源的优点：(1） 功耗小、 效率高。  开关管中的开关器件交替工作在导通—截止—导通的开关状态，转换速度快， 这使得功率损耗小，电源的效率可以大幅度提高，可达90％～95％。  (2） 体积小、重量轻。  开关电源效率高， 损耗小，可以省去较大体积的散热器； 用起隔离作用的高频变压器取代工频变压器，可大大减小体积，降低重量；因为开关频率高，输出滤波电容的容量和体积也可大为减小。 (3） 稳压范围宽。  开关电源的输出电压由占空比来调节，输入电压的变化可以通过占空比的大小来补偿。这样，在工频电网电压变化较大时， 它仍能保证有较稳定的输出电压。 (4） 电路形式灵活多样。  设计者可以发挥各种类型电路的特长， 设计出能满足不同应用场合的开关电源。 ◆开关电源的缺点：主要是存在开关噪声干扰，开关器件工作在开关状态，它产生的交流电压和电流会通过电路中的其它元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，此外，这些干扰还会串入工频电网，使电网附近的其它电子仪器、设备和家用电器受到干扰。因此，设计开关电源时，必须采取合理的措施来抑制其本身产生的干扰。 　1.2 开关电源的分类1. 按输出能量的形式分类(1)直流开关电源(2)交流开关电源2. 按驱动方式分类(1)自激式开关电源(2)他激式开关电源 　1.4 开关电源的应用一、金属焊接与切割电源二、表面处理工程三、在环境保护中的应用四、在激光中的应用五、在电力系统中的应用六、在通信领域中的应用（ PC电源：输出电压为：12V/14A， -12V/0.5A，5V/18A，3.3V/14A ；笔记本适配器：输入100-240Vac，50-60Hz，输出20V/3.25A,不间断电源(UPS) ） 　　　1.3 对开关电源的基本要求一、使用性能要求1、高的可靠性 平均无故障时间（MTBF）>3000h2、高的安全性3、好的可维修性 平均故障维修时间（MTTR）4、高的功率密度（单位体积的功率容量及单位质量的功率容量）5、高性价比、低使用维修费用6、环境适宜性要求 电气性能参数1、 输入电压变化范围：当稳压电源的输入电压发生变化时，使输出电压保持不变的输入电压变化范围。目前开关电源的输入电压变化范围已做到90~270 V，可以省去许多电器中的110 V/220 V转换开关。2、源电压功率因数（PF或 ） 一般功率因数PF≥0.83、效率η：电源输出功率Po与输入功率Pi的比值。这个比值越高，开关电源的体积越小，同时可靠性也越高。目前开关电源的效率可达到90％以上。 4、 输出电压调节范围：由于电源的输出电压只和基准电压与输出取样电路的元器件参数有关，因此，输出电压调节范围反映在线性电源上是稳压调整管集电极电流的变化范围，反映在开关电源上是开关调整管脉冲占空比D的变化范围。5、 输出电压稳定性：输出电压随负载变化而变化的特性，这个变化量越小越好。它主要和反馈调节回路的增益及频响特性有关。反馈调节回路增益越高，基准电压UE越稳定，输出电压Uo的稳定性就越好。6、 输出功率Po：电源能输出给负载的最大功率，它和负载功率有关。为了保证电源安全，要求输出功率有20％～50％的裕量。7、电气保护：输入过电压、欠电压保护，输出过电压、欠电压保护，输出过电流保护。8、功率器件过热保护 9、电网电压调整率指在额定负载范围内，输入电压在允许范围内变化，引起输出电压变化量与输出额定电压的百分比。10、负载调整率在规定的源电压范围内，负载电流从空载至满载变化时，引起输出电压的变化量与输出额定电压的百分比。11、输出纹波与噪声纹波电压可用峰-峰值VP-P