開關(guān)電源基本原理與設(shè)計

1、開關(guān)電源基本原理與設(shè)計介紹,Summary,基本原理介紹開關(guān)電源中的相關(guān)設(shè)計,基本原理介紹,DC-DC變換器主要架構(gòu)及其拓補(bǔ)EMI 部分PFC 部分同步整流部分均流技術(shù)保護(hù)與控制線路,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組件所組成，其與電網(wǎng)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

2、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采用隔離變壓器進(jìn)行隔離確保人身與低壓電子器件之安全，這樣不僅達(dá)到高低電壓隔離,還做到高低電壓的轉(zhuǎn)換功能.工作原理交流輸入電壓(AC)經(jīng)EMI濾波電路濾波一些電網(wǎng)來的干擾與噪聲后, 直接予以整流與濾波得到高壓直流(DC).再將直流高壓進(jìn)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(jìn)入隔離變壓器初級,而由次級所感應(yīng)出

3、的低壓交流電勢經(jīng)整流濾波后,得到低壓穩(wěn)定直流輸出,供給負(fù)載.不管輸入電壓有無變化或輸出負(fù)載是否變動,都要保持輸出直流電壓的穩(wěn)定.因此,經(jīng)直流輸出監(jiān)控電路對輸出電壓加以監(jiān)控,并把信號回饋給PWM邏輯控制電路調(diào)整占空比.從而調(diào)整輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定效果.當(dāng)負(fù)載發(fā)生故障(如:短路,過載等)時可通過保護(hù)電路把信號迅速回饋給PWM邏輯控制電路使方波切換組件停止工作,達(dá)到保護(hù)的功能.,Boost DC-DC變換器主要架構(gòu),peak drain curr

4、ent,,.peak drain voltage,2. Boost (step up),Ideal transfer function,Diode voltages (vrm,,Average diode currents,,,Boost變換器工作狀態(tài),Boost DC-DC變換器主要架構(gòu),,DPS-350MB ABOOST CIRCUIT,Buck DC-DC變換器主要架構(gòu),1.Buck (step down),,,,,peak

5、 drain current,Ideal transfer function,peak drain voltage,Average diode currents,,Diode voltages (vrm),,Buck變換器工作狀態(tài),Buck變換器工作原理,,當(dāng)S關(guān)閉時,電流就會順向地流經(jīng)電感器L,此時在負(fù)載上就會有帶極性的輸出電壓產(chǎn)生,如上面圖2所示,當(dāng)開關(guān)打開時,電感器L會改變磁場,二級體D則為順向偏壓狀態(tài),因此在電容器C中就會有電流

6、流過,因此在負(fù)載RL上輸出電壓的極性仍是相同的,一般我們稱此二級體D為飛輪二級體.由于此種轉(zhuǎn)換動作,使得輸出電源是一種連續(xù)而非脈動電流形式,相對的由于開關(guān)S在ON/OFF之間改變,所以輸入電流則為不連續(xù)形式,也就是所謂的脈動電流形式.,Buck DC-DC變換器主要架構(gòu),實(shí)際舉例,,DPS-350MB A BUCK CIRCUIT,Buck&Boost DC-DC變換器主要架構(gòu),,,Voltage and current wa

7、veforms,Buck,Boost,BUCK-BUST(FLYBACK)變換器,原理圖,BUCK-BUST(FLYBACK)變換器,工作狀態(tài),BUCK-BUST(FLYBACK)變換器,工作原理,當(dāng)電路中的開關(guān)S關(guān)閉時,電流就會流經(jīng)電感L,并將能量儲存于其中,由于電壓極性的關(guān)系,二級體D是在逆向偏壓狀態(tài),此時負(fù)載電阻RL上就沒有電壓輸出.當(dāng)開關(guān)S打開時,由于磁場的消失,電感L呈逆向極性,二級體D為順向偏壓,環(huán)路中則有Ic感應(yīng)電流產(chǎn)生

8、,因此負(fù)載RL上的輸出電壓極性正好和輸入電壓極性相反,由于開關(guān)ON/OFF的作用,使得電感器的電流交替地在輸入與輸出間,連續(xù)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(dāng)開關(guān)是在導(dǎo)通周期時,能量是儲存在電感器里,反之,當(dāng)開關(guān)是在打開周期時能量會轉(zhuǎn)移至負(fù)載上.,Isolated Forward DC-DC變換器拓補(bǔ),3.IsolatedForward,Ideal transfer function,,Pea

9、k drain current,,,Peak drain voltage,Average diode currents,,,Diode voltages (vrm),,IsolatedForward 工作原理,由于該轉(zhuǎn)換器中使用的隔離組件是一個真正的變壓器,因此為了獲得正確有效的能量轉(zhuǎn)移,必須在輸出端有電感器,作為次級感應(yīng)的能量儲存組件.而變壓器的初級繞組和次級繞組有相同的極性.當(dāng)晶體管Q1在ON時,初級繞組漸漸會有電流流過,并將能

10、量轉(zhuǎn)移至輸出,且同時經(jīng)由順向偏壓二級體D2,儲存與電感器L中,此時的二級體D3為逆向偏壓狀態(tài).當(dāng)Q1換成OFF狀態(tài)時,變壓器的繞組電壓會反向,D2二級體此時就處于逆向偏壓的狀況,此時與飛輪二級體D3則為順向偏壓,在輸出回路上有導(dǎo)通電流流過,并經(jīng)由電感器L,將能量傳導(dǎo)至負(fù)載上.變壓器上的第三個繞組與D1互相串聯(lián)在一起,可達(dá)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(zhuǎn)回至輸入直流總線上.,Forward,實(shí)際舉例,,30

11、0LB A FORWARD CIRCUIT,Isolated Flyback DC-DC變換器拓補(bǔ),4. Isolated Flyback,,Ideal transfer function,Peak drain current,Peak drain voltage,Diode voltages (vrm),Average diode currents,,IsolatedFlyback 工作原理,當(dāng)晶體管Q1導(dǎo)通時,變壓器的初級繞組漸

12、漸會有初級電流流過,并將能量儲存與其中,由于變壓器扼流圈的輸入與輸出繞組,其極性是相反的,因此二級體被逆向偏壓,此時沒有能量轉(zhuǎn)移至負(fù)載,當(dāng)晶體管不導(dǎo)通時,由于磁場的消失導(dǎo)致繞組的極性反向,此時二級體D會被導(dǎo)通,輸出電容器C會被充電,負(fù)載RL上有IL的電流流過.由于此種隔離組件的動作就象是變壓器與扼流圈,因此在反擊式轉(zhuǎn)換器輸出部分,就不需要額外的電感器了,但是在實(shí)際應(yīng)用中,為了抑制高頻的轉(zhuǎn)換電訊波尖,還是會在整流器與輸出電容之間加裝小型

13、電感器.,Flyback,實(shí)際舉例,,DPS-200PB-135 B FLYBACK CIRCUIT,,,Voltage and current waveforms,Forward,Flyback,Forward&Flyback DC-DC變換器拓補(bǔ),TWO- SWITCH FORWARD,,,,Ideal transfer function,,,,Peak drain current,Peak drain voltage,Av

14、erage diode currents,Average diode currents,Tow Switch Forward DC-DC變換器拓補(bǔ),DC-DC變換器拓補(bǔ),Voltage and current waveforms實(shí)際舉例,,,DC-DC變換器拓補(bǔ),HALF BRIDGE,,Ideal transfer function,,Peak drain current,,Peak drain voltage,,Average di

15、ode currents,,,,Diode voltages (vrm),,DC-DC變換器拓補(bǔ),FULL BRIDGE,,Ideal transfer function,Peak drain current,Peak drain voltage,Average diode currents,Diode voltages (vrm),,,,,DC-DC變換器拓補(bǔ),Voltage and current waveforms,,,HALF

16、BRIDGE FULL BRIDGE,FULL BRIDGE circuit,,DPS-1001AB C FULLBRIDGE CIRCUIT,零電流開關(guān)變換器,軟開關(guān) ZCS變換器,在大功率的開關(guān)電源中,為了降低電路的開關(guān)損耗及提高開關(guān)器件的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力,軟開關(guān)技術(shù)也就得到了研究并得到了迅速發(fā)展.所謂軟開關(guān)通常指的是零電壓開關(guān)ZVS和零電流開關(guān)ZCS.軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)

17、主要是借助于附加的電感L和電容C的諧振,使開關(guān)器件中電流(或電壓)按正弦規(guī)律來變化,當(dāng)電流過零時,使器件關(guān)斷,當(dāng)電壓下降到零時,使器件導(dǎo)通.此次討論零電流開關(guān)變換器---ZCS-PWM.ZCS-PWM變換器是ZCS-QRC和PWM開關(guān)變換器的綜合,同時兼有二者的特點(diǎn).在一個周期內(nèi),電路有時以ZCS準(zhǔn)諧振方式運(yùn)行,有時又以PWM方式運(yùn)行.以Buck ZCS-PWM為例,對此電路的工作過程進(jìn)行討論和分析.,基本電路,BUCK變換器基本電

18、路,在此電路中將開關(guān)S用零電流諧振開關(guān)代替后,就構(gòu)成了下圖的零電流開關(guān)諧振Buck變換電路.,基本變換電路,BUCK ZCS-QRS變換電路,,在Buck ZCS-QRS變換電路的基礎(chǔ)上增加一個功率開關(guān)管Q2以及與其反并聯(lián)的二極管D2就構(gòu)成了Buck ZCS-PWM變換電路.,基本變換電路,Buck ZCS-PWM變換器,,基本變換電路,Buck ZCS-PWM變換器工作原理,設(shè)初始時刻主開關(guān)管Q1和輔助開關(guān)管Q2均處于關(guān)斷狀態(tài),輸出負(fù)

19、載電流Io從續(xù)流二極管D上流過,電容Cr兩端的電壓為零.一個開關(guān)從主開關(guān)管Q1的導(dǎo)通開始.當(dāng)Q1在Snubber電感Lr作用下零電流導(dǎo)通后,電感電流 將在電源電壓作用下線性上升,當(dāng) 上升倒等于IO時,續(xù)流二極管D關(guān)斷.之后,D2導(dǎo)通,LR與CR諧振.經(jīng)過半個諧振周期, 以諧振方式再次達(dá)到IO, 以諧振方式上升到 ,此時由于輔助開關(guān)管Q2處于關(guān)斷狀態(tài),故 與 將保持在該值上,無法繼續(xù)

20、諧振.這個狀態(tài)的持續(xù)時間由電路輸出的PWM控制要求確定.如果這一段時間等于零,則ZCS-PWM電路就完全等同于ZCS-QRC電路了.當(dāng)電路的輸出PWM控制要求關(guān)斷主開關(guān)管Q1時,首先應(yīng)導(dǎo)通開關(guān)管Q2(在SNUBBER電感LR的作用下零電流導(dǎo)通),之后 與 再次諧振.當(dāng)電感電流諧振到零時,二極管D1導(dǎo)通,之后, 繼續(xù)向反方向諧振并再次諧振到零.在電感電流反方向運(yùn)行期間,主開關(guān)管Q1可在零電流零電壓下完成關(guān)斷過程.在此

21、之后,電容電壓 將在輸出電流的作用下線性衰減到零,使續(xù)流二極管D自然導(dǎo)通,直到下一個開關(guān)周期到來..輔助開關(guān)管Q2可以在D到同之后及下一個開關(guān)周期到來之前的任何,以下分析都是在下列條件成立時進(jìn)行的:a.所有元器件都是理想的,即開通時管壓降為零,關(guān)斷時漏電流為零,開通與關(guān)斷瞬間完成.b.濾波電感 足夠大,故濾波器 及負(fù)載 在一個開關(guān)周期中,可用其值等于該周期輸出電流Io的恒流源代替.Buck ZCS-

22、PWM 變換電路的開關(guān)周期可分為六個時間段來描述,對應(yīng)于六種基本的電路拓?fù)淠Ｊ?如下圖所示.設(shè)電路初始狀態(tài)為主電路開關(guān)Q1關(guān)斷,輔助開關(guān)Q2關(guān)斷,續(xù)流二極管D導(dǎo)通,輸出電流全部通過D續(xù)流,電感電流 =0,電容電壓 =0.,工作過程分析,.,時刻,以零電壓零電流方式完成關(guān)斷過程.從上述工作原理可看出,在ZCS-PWM電路中,所有開關(guān)管及二極管都是在零電壓或零電流下完成通斷的.同時,電路可以以恒定頻率通過調(diào)節(jié)輸出脈寬占空比來調(diào)節(jié)

23、輸出電壓.,各時間段的電路拓補(bǔ)圖,,主要電量波形,,半橋式轉(zhuǎn)換器介紹,雙輸入電壓半橋式轉(zhuǎn)換器,,二個主要優(yōu)點(diǎn),第一點(diǎn)就是它能在數(shù)放交流電壓115V或230Vac的工作情況下,不需使用到高壓晶體管.第二點(diǎn)就是我們只需使用到簡單的方法就能來平衡每一轉(zhuǎn)換晶體管的伏特-秒(volt-senconds)區(qū)間,而功率變壓器不需有間隙且不需使用到價格高的對稱修正電路,,雙輸入電壓半橋式轉(zhuǎn)換器,在半橋式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)中,功率變壓器有一端點(diǎn)連接到由串聯(lián)電容器

24、C1與C2所產(chǎn)生的浮點(diǎn)電壓值端點(diǎn),其浮點(diǎn)電壓值為Vin/2,所以在標(biāo)準(zhǔn)的輸入電壓下,其值為160Vdc.變壓器的另一端點(diǎn)則經(jīng)由串聯(lián)電容器C3連接到Q1的射極與Q2的集極接頭處,當(dāng)Q1晶體管ON時,此處變壓器端點(diǎn)會產(chǎn)生正的160V電壓脈波,當(dāng)Q1晶體管OFF,Q2晶體管ON時,變壓器的初級圈會極性反轉(zhuǎn),因此,會產(chǎn)生負(fù)的160V電壓脈波,在這Q1與Q2晶體管ON-OFF動作中,其產(chǎn)生的峰對方波電壓值為320V,經(jīng)由變器轉(zhuǎn)換降低為次級電壓,再

25、經(jīng)過整流,濾波而得到直流輸出電壓.,工作原理,RCC(Ringing choke converter)電路,RCC電路的工作原理,,以DPS-180KB-1 D 的STANDBY電路為例 如圖所示,Q902的控制極(G極)由R914A~R914C得到啟動電壓后,Q902開始導(dǎo)通,電流經(jīng)過T901的8,10腳,Q902的漏源極和R906到地,同時T901開始儲能,R906的電壓也同時升高,當(dāng)R906的電壓達(dá)到一定值的時候,Q901

26、導(dǎo)通,使得Q902的G極電壓拉低,Q902截止.在Q902截止的期間內(nèi),由開關(guān)變壓器T901向負(fù)載提供能量,在T901次級繞組的電流經(jīng)過LC濾波后得到直流輸出.當(dāng)Q901由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r,Q902再次導(dǎo)通,如此反復(fù)的循環(huán),形成自激振蕩.,RCC電路舉例,Input EMI Section,EMI的定義EMI 的產(chǎn)生和傳播及處理方式在SPS中的架構(gòu)模型EMI的處理及量測裝置LISN的原理與使用開關(guān)電源的噪聲分析EMI濾波器

27、的組成組件,EMI的定義,EMI:Electromagnetic interference 電磁干擾EMI包括傳導(dǎo)(conduction)和輻射(radiation)兩個部分.傳導(dǎo)EMI是待測物經(jīng)由導(dǎo)線(電源線)所傳遞出來的噪聲.輻射EMI是直接由開放空間傳遞的.,Input EMI Section架構(gòu),EMI的產(chǎn)生傳播及處理方式,,噪聲傳遞的主要方式為﹕（1）傳導(dǎo)耦合﹒2）公共阻抗耦合﹒（3）輻射耦合﹒根據(jù)電磁干擾的傳

28、播途徑﹐開關(guān)電源中的電磁干擾可以分為輻射干擾和傳導(dǎo)干擾﹐兩種干擾可以相互轉(zhuǎn)換﹒傳導(dǎo)干擾可以分為共模（Common Mode－CM）干擾和差模（Differential Mode－DM）干擾﹒由于寄生參數(shù)的存在以及開關(guān)電源中開關(guān)器件的高頻開通和關(guān)斷﹐使得開關(guān)電源在其輸入端（即交流電網(wǎng)側(cè)）產(chǎn)生較大的共模干擾和差模干擾﹒傳導(dǎo)EMI經(jīng)由介質(zhì)進(jìn)行傳導(dǎo)﹒因此﹐在電路上經(jīng)常是加濾波器的方式抑制噪聲﹒但是輻射EMI不經(jīng)由介質(zhì)﹐噪聲可以bypass

29、EMI而影響其它系統(tǒng)﹒因此其處理方式多為屏蔽（shielding）接地（grounding）濾波等﹒,開關(guān)電源的噪聲分析,由LISN所取得的噪聲中,都包含有CM噪聲(common-mode noise)及DM噪聲(differential-mode noise)兩個分量CM噪聲由CM噪聲電流產(chǎn)生,DM噪聲有DM噪聲電流產(chǎn)生.其中CM噪聲電流ICM是L,N相對于接地線共同的噪聲,而DM噪聲電流IDM是直接經(jīng)L,N而不經(jīng)過接地線的噪聲分量

30、.此兩分量用數(shù)學(xué)表示如下:,為總噪聲電流,它是流經(jīng)LISN的50ohm阻抗所產(chǎn)生的噪聲電壓,開關(guān)電源的噪聲分析,CM噪聲電流與DM噪聲電流由什么造成的?根據(jù)前人的實(shí)驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)CM噪聲主要是由Power MOSFET及變壓器上的寄生電容及雜散電容造成的.而DM噪聲電流則由電源電路初級端的非連續(xù)電流機(jī)輸入端濾波大電容(bulk capacitor)上的寄生電感所造成的.,EMI濾波器的組成組件,常見的EMI濾波組件共有四種:CM電感

31、 DM電感 X電容 Y電容1. CM電感CM電感是將兩組線圈繞在一個鐵芯上制成的.且其繞線的方向能使得其DM電流所產(chǎn)生的磁場HDM相互抵消, 而對CM電流而言,由于其是對地而言的,因此兩組線圈可看成是L,N對地獨(dú)立電感,其所產(chǎn)生的磁場HCM是相同方向的.同時由于DM的磁場相互抵消的關(guān)系,CM電感比較不易飽和,因此一選用u值較高的ferrite core作為鐵芯.2. DM電感DM電感的濾波原理和電源供應(yīng)器輸出端的濾波電感

32、并無不同,由于需要流經(jīng)大電流,因此材質(zhì)多用u值較低的powder core以避免飽和.,EMI濾波器的組成組件,3.X電容X電容是跨接于電源的L,N兩端.一般為金屬皮鏌(metal film)為材質(zhì),其容值規(guī)格為0.015uF 0.1uF 0.22uF 0.33uF 0.47uF 0.68uF 最大為1uF.4.Y電容Y電容扮演的是CM電容的角色.其最大的特點(diǎn)是以兩個為一組而存在.一般Y電容均為高壓陶瓷電容,其電容容值較小,從47

33、0pF 1000pF 2200pF 3300pF到最大為4700pF.,Active Power Factor Correction,PFC Section,What is Power Factor Correction?,,WithoutPFC,WithPFC,PFC工作原理,How does PFC work?,PFC section,功率因子校正 功率因子校正是一非線性負(fù)載,從AC 電壓來看就象一個負(fù)阻特性的

34、負(fù)載.對于一個電阻來說,其電流與電壓同相位并且成正比.所以功率因子是一非線性負(fù)載.通常是大多數(shù)電源的輸入,這些電源用橋式整流和輸入濾波電容來補(bǔ)償.輸入濾波電容最大充電結(jié)果導(dǎo)致短暫的很大幅度的電流脈沖流過電源.而不是同電壓同相位的正鉉電流.這樣的電源其功率因子小于一.如果輸入電流被這樣的電源汲取,其功率因子將小于一.,含有PFC工能的IC ML4824,ML4824 的PFC 部分采用升壓模式的DC-DC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了輸入電流同輸入電壓同

35、相位并且成比例.轉(zhuǎn)換器的輸入是全波整流交流電壓,用于跟隨橋式整流起器,所以升壓變換器輸入電壓的范圍從零到交流電壓最大值又回到零,.通過使升壓變換器滿足兩個同時存在的狀況,保證變換器從電源電壓得到的電流與瞬間線電壓一致就成為可能.狀況之一是升壓變換器的輸出電壓必須設(shè)定的高于線電壓的最大值,通常使用的是385VDC來滿足高壓的275VACrms.另一狀況為轉(zhuǎn)換器在任一給定時刻所得電流必須與線電壓成比例.第一個要求通過對轉(zhuǎn)換器建立一個合適的電

36、壓環(huán)可以被滿足.接著驅(qū)動電流誤差放大器和輸出驅(qū)動開關(guān).第二個要求通過運(yùn)用整流過的交流電壓來調(diào)制電壓環(huán)的輸出來滿足.這樣的調(diào)制使電流誤差放大器來控制直接隨輸入電壓而變化的電源轉(zhuǎn)換電流.為了阻止在升壓電路必然會出現(xiàn)的紋波通過電壓誤差放大器產(chǎn)生失真,電壓環(huán)的帶寬特意保持很低.最終目的是調(diào)整PFC的整體增益來使其與Vin的平方成反比,從而使系統(tǒng)在交流輸入電壓變化時的傳輸線性化.,ML4824內(nèi)部框圖,管腳功能,IEAO: PFC跨導(dǎo)電流

37、誤差比較輸出.用于控制PFC 占空比IAC:輸入電壓的采樣電流輸入.用于PFC控制.線性反映輸入電壓.通過電阻采樣減小了ground noiseISENSE:PFC 電流誤差比較器的sense current輸入.也是限流器輸入.該點(diǎn)電壓小于-1v, PFC輸出 將無效.4.VRAMS: PFC 級輸入電壓幅值采樣.5.SS:控制PWM軟啟動的外部電容連接點(diǎn).內(nèi)部有一50uA電流源提供電容充電電流.6. Vdc:

38、PWM電壓回授輸入端.即PWM輸出電影誤差信號.7. RAMP2:電流模式時為來自PWM’OUPUT變壓器初級側(cè)采樣電流輸入端,電壓模式時為來自PFC輸出的PWM輸入端.,8.RAMP1:外接ＲＴ,ＣＴ.設(shè)定晶振周期.該點(diǎn)波形如圖. 9.DC I limite:PWM 限流比較器輸入端.該端電壓大于1v,則PWM輸出將 無效,

39、直到下一個PWM周期觸發(fā)器被時鐘脈沖重置 10.GND:接地腳.11.PWM OUT:PWM驅(qū)動信號輸出端.12.PFC OUT: PFC驅(qū)動輸出.13.VCC :電源腳.14.VREF:內(nèi)部7.5v參考電壓緩沖器輸出.15.VFB:來自PFC DC高壓輸出的電阻分壓.VFB 大于2.7v,PFC輸出驅(qū)動被關(guān)掉,而PWM繼續(xù)工作,直至低于2.58v將重新開始.作為PFC的過壓保護(hù)用.16.VEAO