开关电源基本原理.ppt

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1、开关电源基本原理与设计2011.08.08目录基本概念基本PWM拓扑原理设计实例基本概念开关电源定义：用半导体器件作为开关，将一种形式的电源转换为另一种形式的电源，转换时有闭环控制系统的变换器。开关电源的分类：调制方式：PWM，PFM，双模调制开关方式：硬开关，软开关隔离特性：非隔离，隔离非隔离：BUCK，BOOST，BUCK-BOOST隔离：反激，正激，半桥，全桥，谐振等开关电源的主要元器件：开关：开关电源中的开关要求开关速度快，损耗小，快速渡过线性放大区。目前主要使用的是三极管，MOS管，他们各有特点。电感：是电路的储能器件，一般与电容组成滤波电路；电感的电流不会突变；是磁

2、性元件，会出现饱和现象。电容：和电感一样都是储存和传递电能的器件，主要吸收电路纹波，使输出的电压平滑稳定。电容的串联电阻ESR越大，发热越严重，寿命越短。下图是各种电容的ESR比较，BUCK电路：1.电路原理如下图：以占空比工作的开关管Tr，二极管D1、电感L和电容C组成的BUCK变换电路，将电压Vs转换为电压Vo。2.工作原理：按电感的电流IL在周期开始是否从零开始，可分为电感CCM和DCM两种模式。波形如图所示：基本PWM变换拓扑图1BUCK变换器电路图2CCM模式各点的波形3.原理分析：DC-DC变化器的基本工作原理，其电路原理图及其波形见图1和图2。这里的分析过程元器件

3、均为理想模型。D1为开关管Tr导通时间占空比，D2为开关管Tr断开时间占空比，D1、D2均小于1，Ts为周期。开关管闭合时间t1=D1Ts断开时间t2-t1=D2Ts,连续模式下D1+D2=1，当开关管Tr导通时，电感电流IL如图所示方向流过电感线圈L，电流线性增加，电能以磁场能量形式储存在电感线圈L中。此时，对电容C充电，负载R上流过的电流为IO，R两端的输出电压为VO，极性上正下负。由于开关管Tr导通，续流二极管D阳极接Vs负极，续流二极管D承受反方向电压，呈现高阻态。在开关管Tr导通期间，电感电流增量为：当开关管Tr断开时，由于电感线圈L中的磁场将改变电感线圈L两端的电压

4、极性，以保持电感电流IL不变。这样电感线圈L中的磁能将转换成电压VL（VL极性左负右正），VL将向电容C和负载R供电。当VL高于VO时，电容C上有充电电流；当VL等于VO时，电容C上充电电流为零；当VO有降低趋势时，电容C向负载R放电，维持VO不变，在开关管Tr断开期间，电感电流增量为：当该buck变换器工作在电感电流连续工作模式，则Dl+D2=l，化简上式可得buck电路在电感电流连续工作模式下的输出电压和输入电压的一般表达式：当该buck变换器工作在电感电流不连续工作模式，则Dl+D2≠1，化简上式可得buck电路在电感电流不连续工作模式下输出电压和输入电压的一般表达式：当

5、电感较小或负载较小或周期T较大时，buck变化器会工作在电感电流不连续工作模式，将造成整体功耗的增加和整体性能变差，因此应避免变换器工作在电感电流不连续工作模式。buck变换器工作在电感电流连续工作模式和不连续工作模式之间有个临界状态，其发生条件为：连续工作模式：临界工作模式：不连续工作模式：临界电感量的值为LC=一般实际电路的电感值取Lc值的5-10倍。另外一种计算实际电感中L的计算方法：纹波电流设计为：K为纹波电流系数，实际应用中一般取K=0.2~0.4，一般取0.3，根据公式那么纹波电压计算：在输出部分，电感的电流给电容充电和负载供电，那么流经电容的电流为iC=iL-io

6、，在稳态情况下输出电流io不变，则iC=iL，在输出电容为理想状态，流经电容的iC产生的电压Vo，那么在电容为为非理想状态下，存在串联等效电阻ESR，那么iC在ESR两端产生的电压为：总的纹波电压为：BOOST电路：1.电路原理如下图：以占空比工作的开关管Tr，二极管D1、电感L和电容C组成的BOOST变换电路，将电压Vs转换为电压Vo。2.工作原理：按电感的电流IL在周期开始是否从零开始，可分为电感CCM和DCM两种模式。波形如图所示：图3BOOST变换器电路图4CCM模式各点的波形3.原理分析：参照图3和图4，在开关管Tr导通期间，电感电流增量为：在开关管Tr断开期间，电感

7、电流增量为：化简得：Vs=Vo（1-D1）反激变换器：1.概述：反激变换器在某些场合应用很方便，例如在输出电源有多组的情况、输入电压变化大且幅值较高、可隔离，成本等多方面的优点而广泛应用。但是输出纹波较大，输出电压和负载调整率较差等缺点（可以加LDO处理）。2.基本原理图如下图5所示：图5反激变换器基本原理Vo反激变换器基本原理图由变压器、开关管、整流二极管和PWM芯片等元器件组成。3.工作原理：如上图所示，开关管导通期间，变压器进行电能存储阶段，这是相当于电感。如下图6所示：图6a能量存储