开关电源基础知识学习资料

开关电源基础知识培训资料

工程技术研发中心何爱平2010.5.12

目录

一、开关电源的基本概念

二、开关电源最常用的三种拓朴电路三、典型反激式开关电源的电路分析四、开关的电源的工程设计五、开关电源常见的故障分析六、有关开关电源的概念问题七、开关电源的发展方向

2012-9-14

开关电源的基本概念1--什么是开关电源

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什是开关源什么是开关电源？

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IC和MOSFET加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某输出功率点上，反而高加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。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，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。

开关电源中应用的电力电子器件主要为快速恢复二极管、肖特基二极管和MOSFET，SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用。开关电源的三大特征

1、开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态；2、高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频；高频电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频3、直流：开关电源输出的是直流而不是交流。

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开关电源的种类

分类方法多种多样。分为分类方法多种多样分为AC/DC和DC/DC两大类，两大类DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可。但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。又可分为离线式非离线式，反激式、正激式半桥式全桥式Adaptor/内置式开关电源open open frame正激式、半桥式全桥式，openopenframe等。等

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我们公司常用的是AC/DC开关电源，都是离线反激式，2W~120W，有Adapter也有内置式。都由以下几部分组成：输入滤波器、整流、逆变器、输出整流器及输出滤波电路，控制电路保护电路等。

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开关电源基本概念2--线性电源PK开关电源

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线性电源：

整电路使输出稳定度很高、纹波很小，基本无干扰及噪声，技术成熟，在一定功率范围内有成本优势；

缺点：调整管工作在线性状态，调整管上的压差，导致损耗大，效率低35~60%，很难满足能效指令；体积大笨重；当电源功率达到一低，很难满足能效指令体积大笨重当电功率达到定程度（10~15W）时，其与开关电源相比已无成本优势；输入电压范围受限，只能用在降压条件下。开关电源：

优点：体积小重量轻(线性电源的20~30%)；效率高70~95%,易满足各国的能效要求；输入输出电压范围宽，模块化。

缺点电路复杂开发制程难度较大由于工作在高频缺点：电路复杂、开发、制程难度较大，由于工作在高频（50K~300K），干扰大、EMC难解决。

总而言之开关电源正逐渐取代线性电源应用领域越来越广泛总而言之，开关电源正逐渐取代线性电源，应用领域越来越广泛。

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开关电源基本概念3--主要技术指标要技术指标

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输入要求；

1、输入电压范围，2、输入电压频率，3、额定输入电流，4及瞬间停电，5、浪涌冲击电流，6、静态功耗效率，能效标准，7、输入单相或三相制，单相分两线制或三线制（classⅠ，classⅡ)，8、保险管。输出要求：

1、额定输出电压，2、额定输出电流，3、稳压精度：电压调整率，负载调整率，纹波及噪声；4、瞬态特性：启动时间，保持时间，输出电压的上升时间、下降时间、过冲、欠冲。保护功能及附属功能保护功能及附属功能：

1、OCP，OVP，OTP，欠压保护，限功率；2、绝缘电阻、绝缘电压、漏电流。结构求结构要求：

1、外形尺寸，2、外包装，3、安装条件，4、冷却方式，5、接口方式，6、重量，7、名牌。

安规标准及EMC标准：标准

1、认证标志，3C，UL，GS，PSE，2、EMI测试标准。使用环境条件：温度，湿度，耐震动冲击

寿命：。MTBF，MIL-STD-217F，XXXX小时

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开关电源基本概念4—专业术语

SMPS-switch mode power supply 开关电源开关电源PCB-Print circuit board 印刷电路板

PFC-power factor correction 功率因素校正p功率因素校正PWM-Pulse width modulation 脉宽调制FET-Field effect transistor 场效应管MTBFMTBF-Meantime between failure 平均无故障时间Mtibtfil平均无故障时间NTC-Negative temperature coefficient 负温度系数SOA-Safe operating area 安全工作区UVLO-under voltage lockout 欠压锁定OCP-Over current protection 过流保护OVPOVP-Over voltage protection 过压保护Overvoltageprotection过压保护OTP-Over temperature protection 过温保护

Irms. Iavg, Ir, Ip 电流的有效值，平均值，纹波值，峰值EMC=EMI+EMS，电磁兼容

RFI-Radio frequency interference 射频干扰100KHZ~300GHZROHS-RestrictionROHSRestriction of hazardous substanceofhazardoussubstance

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开关电源最常用的三种拓朴电路1—BUCK Converter 工作原理

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降压电路（Buck）其主要原件为：开关管SW、续流流二级管D电感L、电容电容C和负载电阻RL。

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ON-Stage:当SW导通时，电流经S、L到负载，能量同时储存在电感中，输出平均直流电压Vo；

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开关电源最常用的三种拓朴电路2—BUCK Converter 2

BUCKCt工作原理

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Off Stage:OffStage:当SW SWL电流方向不变，IL是下降的。感应电压使D上负下正导通续流，电容平滑输出电压；

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开关电源最常用的三种拓朴电路4—Boost Converter 工作原理

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升压电路（Boost）其主要元件：压控开关Q、二极管D、电感L容C和负载电阻RL。

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开关电源最常用的三种拓朴电路5—Boost Converter 工作原理

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On Stage：Q导通时，输入电压Vin全部加在电感上，同时在L上储存能量，负载的电流全来自C放电；

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Off StageOffStage：Q截止时，电感L电流方向不变，电压反向，这时L上的电压为左负右正，L上的自感电压和Vin相加为输出电压Vo，所以Vo高于Vin，这个高电压经D一部分为R供电，另一部分为C充电。这里的D是阻碍C的输出电压给Q短路烧坏Q，这里的C在设计时要求大点，用CLC滤波，纹波更小。

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开关电源最常用的三种拓朴电路7—Buck-Boost Converter 工作原理

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其主要元件：开关Q、二极管D、电感L、电容C2电阻。

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开关电源最常用的三种拓朴电路8—Buck-Boost Converter 工作原理

工作原理

1、当开关管Q导通Ton时，输入的直流电压Vi全部加在电感L两端，电感上的电压是上正下负，电感中的电流方向是由上向下流的，在原来的基础上线性增加，此时的电感储存能量；2、当开关管当开关管Q截止Toff时，电感中的磁能变成电能，电感时电感中的磁能变成电能电感L两端相当于一个电源变压器的绕组两端一样向外供电，电感中的电流方向与原来方向相同，仍由上向下流动，但电压极性是上负下正，这个负电压，通过二极管D整流和电容器C2滤波后，输出负的直流电压加在负载RL上。上z特点：

1、所谓反转式，就是输入电压的正负极性颠倒后输出。输出和输入相比可升可降。

2、buck-boost 是唯一纯“反激”拓朴，即从输入到输出的所有能量必须先存储在电感中，其他电路都不具备此特性。

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开关电源最常用的三种拓朴电路9—Buck-Boost Converter 计算公式

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输出电压为：Vo/Vi = -D/1-D

这里给出电感的计算公式：L=(Vin-Vout)/((ΔI*f)*(Vout-Vin))

总结：如何区分以上三种拓朴？这取决于电感的连接方式。

设置合适的参考地后，可以得到三个不同的端子，输入端，输出端，参考地。若电感一端与地连接，则得到BUCK-BOOST电路；若电感一端与输入端连接，则得到BOOST电路；若电感一端与输出端连接，则得到BUCK电路。

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开关电源最常用的三种拓朴电路9—衍生电路

基于变压器的ConverterCt：

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buck+Transformer=Forword Converter；

Buck-Boost+Transformer=Flyback Converter,

简单成本低适合小于150W，目前我们公司所有的产品基本上都是反激式。简单，成本低，适合小于目前我们公司所有的产品基本上都是反激式注意变压器的同名端。

特殊的反激式电路：RCC，QR。

基本计算公式：Vo/Vi = （Ns/Np）×（D/1-D）Boost+Controller= PFC Converter；LLC；

Full-Bridge Converter

总结：理论深，公式多，但只要抓住以下两个纲就可以了。

法拉第电磁感应定律（Lenz law)伏秒平衡法则

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典型反激式开关电源的电路分析1

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实物照片YJS120A：

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典型反激式开关电源的电路分析

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120W （YJS120A）电路原理图：

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常用反激式开关电源的电路分析3-工作原理

电路构成电路构成：

1、输入部分：保险管，抗雷击的压敏电阻，抗浪涌电流的NTC，滤波电感-模电感，滤波电容-X 电容、Y 电容，整流；

2、PFC 部分：BOOSTER 电路,IC 控制电路组成3、DC-AC 逆变器（核心）

主要包括：变压器，开关管，PWM IC 及控制环路，保护电路，起动电路Snuber 电路4 、输出部分：整流、滤波、稳压工作原理：

通市电，经起动电阻R32 R33 R34给电容C8充电到15V-UVLO(OFF)。IC 开始工作，输出PWM 脉冲，驱动MOSFET Q2导通，由于输出整流二极管D5、D6反偏截止，能量存储在变压器T2原边电感。当变压器原边电流上升到输出反馈的设定值，无输出脉原边电感当变压器原边电流上升到输出反馈的设定值无输出脉冲，MOSFET Q2关断，D5、D6导通，进入反激阶段，能量从变压器原边传递到变压器次级，经整流滤波给客户负载供电。如此周而复始，直至关机或保护。变压器和电感的两套公式都适用于反激式电源变压器:V=L(di/dt)Vp/Vs=Np/Ns, Ip/Is=Ns/Np

开关管导通：从初级到次级输出计算。开关管关断：从次级到次级初级计算。

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开关电源的工程设计11—基本流程

首先根据客户的技术要求区分：

标准产品的衍生品、全新的电源开发，走两条不同的开发流程z衍生品（Modified）：基于成熟的电路，采用标准化元件基于成熟的电路采用标准化元件z开关电源新产品的开发流程

Pilot样机→EVT工程验证→ DVT 设计验证→ PVT试产；z开关电源的工程设计方法及步骤：1.电路确定及元件选型：

PI 公司的一文献将反激式开关电源电路设计细分为35个步骤，可以简化为：

设计输入条件（Vin,fs,Vo.Po,n,Z) →选择拓扑及控制IC →反馈控制电路计算→ 输入存储电容→反射电压Vor确定→ 变压器原边电流计算（Iavg，Ip，Irms，△I）→变压器计算(磁芯选择，匝数匝比，原边感量，线径及绕组排布）→ 开关管Mosfet的选择→ 输出整流二极管的选型（Vr≥1.25 ×PIV，Id≥3 ×Io) →输入要滤波电路→输入整流桥（Vr≥1.25 ×1.414 ×VACMAX，Id≥2 ×IACRMS) →输出电容及滤波电感的计算.

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2.PCB LayoutCayou；

3.结构件设计：胶壳，散热片，绝缘件,名牌等；4. 设计验证：功能测试、Hi-pot，电应力及热应力测试；5.EMI测试,安规认证申请；6QE 6. QE验证：环境及可靠性试验；验证环境及可靠性试验7. 工程文件编制受控.；8.试产。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wsch.html