开关电源工作原理与设计要点

什么是开关电源? 开关电源的核心就是通过控制开关管高速导通与截止，将直流电转化为高频交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。

为什么开关电源的效率比较高? 开关电源的开关管工作在开关状态，截止时有电压无电流，导通时有电流无电压，损耗比较小，效率高。 为什么开关电源能够做到体积小重量轻？ 开关管高频工作时，高频变压器线圈的匝数少，磁芯的体积小，滤波元件的量值和体积也相应减小，高效率是开关管的散热器较小。总体重量和体积都变小。 开关电源的优缺点： 开关电源的高率高，体积小，重量轻，发热量小。 开关电源的电路复杂，干扰大，成本高。 开关电源的分类： 降压型，升压型，极性反转型 单端反激时，单端正激时，半桥式，全桥式 隔离型，非隔离型 软开关电源，DC/DC变换器

串联调整型----升压型 1.在 期间 2.在 期间 3.负载电流的平均值 4.输入电流的平均值 5.输出电压 的纹波计算

串联调整型----降压型 在开关VT导通期间 在开关VT截止期间 1.临界连续工作状态 2.电流断续的工作状态 3.电流连续的工作状态 电感电流的平均值计算

串联调整型----电压反转型 =

单端反激式开关电源 单端反激式变换器也有三种工作状态： （一）在开关VT导通期间： 1 磁通临界连续的工作情况 （二）在开关VT截止期间

2 磁通不连续的工作状态

3 磁通连续的工作状况

（3）输入电压Uin与导通比αt的对应关系 为了不致于出现磁路饱和每个开关周期工作磁通都能复位，因此： 1.单端反激式变换器开关变压器的铁芯都带有气隙 。 2.原方绕组电流实现脉冲限流控制。 （5）间歇振荡问题 即输入电压最高时，相应的导通比是最小，输入电压最低时，相应的导通比是最大。因此，输入电压与导通比是一一对应，相互制约的。运行中由于闭环调节，这种相互适应是自动的。但必须指出的是，由控制电路振荡器和PWM门闩电路本身固有的最大最小导通比，一定要与运行条件所需的最大最小导通比不矛盾，否则就会失调。 当电网电压升到一定值而又很大的情况下，欲维持输出电压恒定，则脉宽调制器会使脉宽减少到某一极限值时，不能再减小了，只能以最小导通比运行，但由于导通时所储存的能量没有释放回路，就有可能出现：有的振荡周期没有PWM脉冲输出，开关管不导通，有的振荡周期就很宽，变成了作周期性或非周期性的间歇振荡器，这时输出电压不稳，纹波大，变压器发出刺耳的哨叫声。克服这一问题的办法之一，也是最安全和可靠的办法是在付绕组中加一固定负载电阻（假负载），以防负载开路，这样电网电压最高，负载开路了，由于有固定的假负载，脉宽保证有一最小的宽度而不致于出现间歇振荡现象。最小的脉宽是由控制电路振荡器的最小导通比决定的。 (4)磁通复位问题

单端正激式变换器 正激式变换器的原理电路图 正激式变压器等效电路

半桥式变换器

半桥式变换器的工作波形 （a）串联电容前交流电压，斜格面积表示A1、A2的伏秒值不平衡波形 （b）串联电容、变压器原边的伏秒值得到了平衡图 变压器原边串联电容后的工作波形 串联电容半桥式变换器原理电路

串联耦合电容C3的选择

全桥式变换器的开关电源 全桥式变换器主电路

开关电源基本结构

电磁干扰（Electromagnetic interference ----EMI）的概念： 电磁兼容性的概念： 电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility----EMC)是指设备或系统在其电磁 环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。 （国标GB/T4365-1995） 通俗的讲：电磁兼容是指多个设备或系统在同一环境中能够正常工作。 其含义包括两个方面：不能形成干扰，也不能被干扰。 换句话说：电磁兼容解决的是设备间干扰与被干扰的问题。 电磁干扰（Electromagnetic interference ----EMI）的概念： 电磁干扰的三要素 根据传播方式将EMI分为传导干扰(conduction)和辐射干扰(radiation)两种 传导干扰是通过导体进行传播的干扰 辐射干扰是以电场、磁场、电磁场的形式进行传播的干扰 干扰源 耦合通道 敏感体

输入端EMI的典型电路

整流滤波电路 高压整流滤波电路由一个全桥（由四个二极管组成）和两个高压电解电容组成。把220V交流市电转换成300V直流电。 低压整流滤波电路由二极管和电解电容组成(12V使用快恢复管，5V和3.3V使用肖特基管 )，如图。

PFC电路 PFC（Power Factor Correction）即“功率因数校正”，主要用来表征电子产品对电能的利用效率。功率因数越高，说明电能的利用效率越高。通过CCC认证的电脑电源，都必须增加PFC电路。 PC电源采用传统的桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变，向电网注入大量的高次谐波，因此网侧的功率因数不高，仅有0.6左右，并对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰。 PFC有两种，一种是无源PFC（也称被动式PFC），一种是有源PFC（也称主动式PFC）。

PFC 波形示意图 Without PFC With PFC

无源PFC 无源PFC一般采用电感补偿方法，通过使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，但无源PFC的功率因数不是很高，只能达到0.7~0.8。 位置在第二层滤波之后，全桥整流电路之前。 有源PFC 输入电压可以从90V到270V； 高于0.99的线路功率因数，并具有低损耗和高可靠等优点； 有源PFC电路可用作辅助电源，而不再需要辅助电源变压器； 输出不随输入电压波动变化，因此可获得高度稳定的输出电压； 有源PFC输出DC电压纹波很小，且呈100Hz/120Hz（工频2倍）的正弦波，因此采用有源PFC的电源不需要采用很大容量的滤波电容。

PFC工作原理 Cs Cd Ld Df S R Rect. Ki Ko Rs Vref UC3854, UC3855

开关稳压电源控制器SG3524 利用开关电源控制器可以方便地构成开关电源。 SG3524是一个典型的性能优良的开关电源控制器，其内部的结构框图如图所示。 SG3524的内部方框图 它的内部包括误差放大器、限流保护环节、比较器、振荡器、触发器、输出逻辑控制电路和输出三极管等环节。

SG3524构成开关稳压电源的典型电路如图所示。 开关稳压电源应用电路

3524从11和14脚输出在时间上互相错开的两路控制信号，其开关频率由6和7脚外接的RT和CT决定。1和2脚是内部运算放大器的输入端，R1和R2构成反馈回路。16脚是基准源，由R3和R4给误差运算放大器提供一个与反馈信号比较的给定电压。 V3和V4是或非门的输出，只要或非门的输入端有高电平，它的输出即为低电平。 V3和V4的输出由V2、CP、Q或Q决定。因Q和Q只能有一个是高电平，T2和T1不可能同时导通。 T1和T2只能按推挽方式工作，轮流交替导通。

SG3524电路控制过程的波形如图所示。 锯齿波由振荡器提供，V1是误差放大器的输出，它们一起加到比较器上。 V2是比较器的输出。振荡器输出的时钟驱动T '触发器，CP、Q和V2 的或非是V3，决定T1的通断。CP、Q和V2 的或非是V4，决定T2的通断。由于Q和Q等宽，加上V2的存在，所以V3和V4这两路信号之间有一定的死区，以保证T1和T2 管不会同时导通。 SG3524的波形图

(3) SG3524构成的开关稳压电源 现在来讨论3524构成的开关稳压电源的工作原理。 设负载电流加大，VO下降，反馈电压减小，误差放大器的输出V1增加， T1和T2的导通时间增加，输出电压VO增加。 图16.15 SG3524的内部方框图 图16.16 开关稳压电源应用电路 反之，当VO增加时，反馈电压增加， V１输出减小， T1和T2的导通时间减小，输出电压VO 减小。

当三极管的电流过大时，电阻R9上的压降增加到使限流运算放大器的输出为低，即V1在大大下降， 使T1和T2 关断。 　SG3524的10脚也有保护功能，当10脚加高电平时，可以强迫V1下降， T1和T2关断。10脚与4脚可实现双重保护。 由于SG3524可在较高的频率下工作，T1和T2 应选用高频开关管。变压器应采用高频变压器，滤波电感和滤波电容都可以选用较小的数值。

TL494框图