高頻開關(guān)電源原理.doc

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1、高頻開關(guān)電源（電源技術(shù)講座四）1：高頻開關(guān)電源的組成與分類　　開關(guān)電源具有體積小、效率高等一系列優(yōu)點，在各類電子產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。但由于開關(guān)電源的控制電路比較復(fù)雜、輸出紋波電壓較高，所以開關(guān)電源的應(yīng)用也受到一定的限制?！　‰娮友b置小型輕量化的關(guān)鍵是供電電源的小型化，因此需要盡可能地降低電源電路中的損耗。開關(guān)電源中的調(diào)整管工作于開關(guān)狀態(tài)，必然存在開關(guān)損耗，而且損耗的大小隨開關(guān)頻率的提高而增加。另一方面，開關(guān)電源中的變壓器、電抗器等磁性元件及電容元件的損耗，也隨頻率的提高而增加?！　∧壳笆袌錾祥_關(guān)電源中功率管多采用雙

2、極型晶體管，開關(guān)頻率可達(dá)幾十kHz；采用MOSFET的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)幾百kHz。為提高開關(guān)頻率必須采用高速開關(guān)器件。對于兆赫以上開關(guān)頻率的電源可利用諧振電路，這種工作方式稱為諧振開關(guān)方式。它可以極大地提高開關(guān)速度，原理上開關(guān)損耗為零，噪聲也很小，這是提高開關(guān)電源工作頻率的一種方式。采用諧振開關(guān)方式的兆赫級變換器已經(jīng)實用化。　　開關(guān)電源的集成化與小型化已成為現(xiàn)實。然而，把功率開關(guān)管與控制電路都集成在同一芯片上，必須解決電隔離和熱絕緣的問題。1．1開關(guān)電源的基本構(gòu)成　　開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件，通過周

3、期性間斷工作，控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖1所示，其中DC/DC變換器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，它是開關(guān)電源的核心部分，此外還有起動、過流與過壓保護(hù)、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路（R1、R2）檢測輸出電壓變化，與基準(zhǔn)電壓Ur比較，誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制（PWM）電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制功率器件的占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的。圖2是一種電路實現(xiàn)形式?！　C/DC變換器有多種電路形式，常用的有工作波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準(zhǔn)正弦波的諧振型變換器。圖1開關(guān)電源的基本構(gòu)成圖2開關(guān)

4、型穩(wěn)壓電源的原理電路　　對于串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源，輸出對輸入的瞬態(tài)響應(yīng)特性主要由調(diào)整管的頻率特性決定。但對于開關(guān)型穩(wěn)壓電源，輸入的瞬態(tài)變化比較多地表現(xiàn)在輸出端。提高開關(guān)頻率的同時，由于反饋放大器的頻率特性得到改善，開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)問題也能得到改善。負(fù)載變化瞬態(tài)響應(yīng)主要由輸出端LC濾波器特性決定，所以可以利用提高開關(guān)頻率、降低輸出濾波器LC乘積的方法來改善瞬態(tài)響應(yīng)特性。1．2開關(guān)型穩(wěn)壓電源的分類　　開關(guān)型穩(wěn)壓電源的電路結(jié)構(gòu)有多種：　?。?）按驅(qū)動方式分，有自勵式和他勵式?！　。?）按DC/DC變換器的工作方式分：①單端正

5、勵式和反勵式、推挽式、半橋式、全橋式等；②降壓型、升壓型和升降壓型等?！　。?）按電路組成分，有諧振型和非諧振型。　?。?）按控制方式分：①脈沖寬度調(diào)制(PWM)式；②脈沖頻率調(diào)制(PFM)式；③PWM與PFM混合式?！　。?）按電源是否隔離和反饋控制信號耦合方式分，有隔離式、非隔離式和變壓器耦合式、光電耦合式等?！　∫陨线@些方式的組合可構(gòu)成多種方式的開關(guān)型穩(wěn)壓電源。因此設(shè)計者需根據(jù)各種方式的特征進(jìn)行有效地組合，制作出滿足需要的高質(zhì)量開關(guān)型穩(wěn)壓電源。2開關(guān)電源常用的電路類型2．1PWM變換器　　脈沖寬度調(diào)制（PWM）

6、變換器就是通過重復(fù)通/斷開關(guān)工作方式把一種直流電壓（電流）變換為高頻方波電壓（電流），再經(jīng)過整流平波后變?yōu)榱硪环N直流電壓輸出。PWM變換器有功率開關(guān)管、整流二極管及濾波電路等元器件組成。輸入輸出間需要進(jìn)行電氣隔離時，可采用變壓器進(jìn)行隔離和升降壓。PWM變換器的工作原理如圖3所示。由于開關(guān)工作頻率的提高，濾波電感L，變壓器T等磁性元件以及濾波電容C等都可以小型化?！　τ赑WM變換器，加在開關(guān)管S兩端的電壓us及通過S的電流is的波形近似為方波，如圖4所示。占空比D定義為式中：Ts——開關(guān)工作周期；　　ton——一個開

7、關(guān)周期內(nèi)導(dǎo)通時間；　　toff——一個開關(guān)周期內(nèi)斷開時間；　　對于這種變換器，有兩種工作方式。一種是保持開關(guān)工作周期Ts不變，控制開關(guān)導(dǎo)通時間ton的脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式，另一種是保持導(dǎo)通時間ton不變，改變開關(guān)工作周期Ts的脈沖頻率調(diào)制（PFM）方式。圖3PWM變換器的基本工作原理圖4變換器開關(guān)工作的波形2．2隔離型變換器　　DC/DC變換器用于開關(guān)電源時，很多情況下要求輸入與輸出間進(jìn)行電隔離。這時必須采用變壓器進(jìn)行隔離，稱為隔離變換器。這類變換器把直流電壓或電流變換為高頻方波電壓或電流，經(jīng)變壓器升壓或降壓后

8、，再經(jīng)整流平滑濾波變?yōu)橹绷麟妷夯螂娏?。因此，這類變換器又稱為逆變整流型變換器?！　。?）推挽型變換器與半橋型變換器　　推挽型變換器與半橋型變換器是典型的逆變整流型變換器，電路結(jié)構(gòu)和工作波形如圖5所示。加在變壓器一次繞阻上的電壓幅度為輸入電壓UI，寬度為開關(guān)導(dǎo)通時間ton的脈沖波形，變壓器二次電壓經(jīng)二極管V1、V2全波整流為直流。圖5（a）表示推