PWM-开关电源原理.docx

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1、第1章绪论随者全球对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构简洁、工作牢靠，但它存在若效率低（只有40%50%、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范国小等缺点。为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源，它的效率可达85%以上，稳乐范闹宽，除此之外，还具有稳压精度高、不运用电源变压器等特点，是一种较志向的稳压电源。正因为如此，开关式桎压电源已广泛应用于各种电子设备中。1.1 课题背景1.1.1 开关电源的发展历史开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线性电源）己有30多年历

2、史，依早出现的是申联至开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后，脉宽调制（PWM）限制技术有了发展,用以限制开关变换器,得到PWM开关电源，它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制一PwM开关电源效率可达6570%,而线性电源的效率只有3040%。在发生世界性能源危机的年头，引起了人们的广泛关往。线性电源工作于工频，因此用工作频率为20kHZ的PWM开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHZ革命。随若U1.SI芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多：航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等）更须

3、要小型化，轻量化的电源。因此对开关电源提出了小型轻地要求，包括磁性元件和电容的体积亚收要小。此外要求开关电源效率要更高，性能更好，牢共性更高等。1.1.2 我国开关电源历程从我国开关电源的发展过程可以了解国际开关电源发展的一个侧面，虽然一般说来，我国技术发展水平与国际先进水平平均有5-10年差距,70年头起，我同在黑白电视机，中小型计算机中起先应用5V,2O-2A,20kHZAC-DC开关电源。80年头进入大规模生产和广泛应用阶段，井开发探讨055MHz准谐振型软开关电源“80年头中，我国通信(如程注交换机)电源在AC-DC及DC-DC开关电源应用领域中所占比全还比较低。80年头末我国通信电源

4、大规模更新换代，传统的铁腋稳压-整潦电源和晶闸管被相控稳压电源为大功率(48V,6kw)AC-DC开关电源(通信系统中常称为开关型整流器SMR)所取代：并起先在办公室自动化设备中得到应用。工业应用方面，在锅炉火焰限制，继电爱护，激光，彩色TV.离子管灯丝放射电流调整，离子注射机，卤铝灯限制等系统中均有应用。90年头我国又研制开发了一批新型专用开关电源，典型例子如下：I.卫星开关电源。东方红：号通信卫星、风云一号、二号气R星均应用f开关电源。特点是：多路输出，不行修理性，要求长期不变更性能，设置冗余模块，牢罪性高，EMC满意空间环境条件，高效,轻小。2.远程火箭限制系统的DC-DC开关电源，要求

5、放射过程中高度牢靠“3.100OkW牵引变潦器45(X)V12(X)AGTO11控250W开关电源。4.40kW固体脉冲激光器的软开关电源。用4台IOkw全桥多谐振ZVS变换器并联。5.焊机用双IGBT管正激车电压转换一脉定调制(ZvT一PWM)软开大电源。输出20kW,5(K)A,开关频率40kHZ,效率92%。特点是负我大范:图变更频繁，工作环境恶劣，要求电源冲击电潦小，动态特性好，负载不影响软开关性质.6.变电所在潦操作系统开关电源。供继电爱护和自动装巴及蓄电池充电用。代替晶闸管调压系统,输出10A,180-286V.主开关管用IGBT或功率MOSFETe7.单相和三相高功率因数整流潺(

6、有源功率同数校正涔)。可以看出20-3()年中，我国开关电源的应用领域和技术性能有很大进展，这与国家基础工业和国力蝌加有亲密关系，也和国际先进开关电源技术影响有关。充分显示了中国电源技术人员的聪怒才智和艰苦奋斗的创业精神。90年头，中小型(500W以下)AC-DC和DcDC开关电源的特点是：高领化(开关频率达30040()kHZ)以达到高功率密度，体小量轻：力求高效和高牢靠：低成本：低输出电压3V)；AC输入端高功率同数等.在今后5年内仍旧将沿这些方向发展“主要技术标记从技术上看，几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的主要标记是：1.新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可

7、能。如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶体管和晶闸管，从而使中小型开关电源卜作频率可达到4(X)kHZ(AC-DC)fIMHZ(DC-DC)的水平。超快复原功率二极管，MOSFE同步整流技术的开发也为商效低电压输出（例如3V）开关电源的研制有了可能。现正在探窕研制耐高温的而性能碳化砖功率来导体器件“2.软开关技术使高效率而频开关变换器的实现有了可能。PWM开关电源按硬开关模式工作（开/关过程中电压卜降/上升和电流上升/下降波形有交费），因而开关损耗大。开关电源高频化可以缩小体积重不，但开关损耗却更大了（功耗与频率成正比）。为此必需探讨开关电比/电流波形个交更的技术，即所谓零电压（ZV

8、S）/本电流（ZCS）开关技术，或称软开关技术（相对于PWM硬开关技术而言），小功率软开关电源效率可提高到8085%.70年头谐振开关电源奠定了软开关技术的基珈。以后新的软开关技术不断涌现，如准谐振（80年头中）全桥移相ZVS-PWM.恒频ZVS-PWM/ZCS-PWMC开关电源功率因数。由于输入端有整流电容元件，AC-DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备（如逆变器，UPS）等的电网测功率因数仅为0.65,80年头用APFC技术后可提高到0.95099.既治理了电网的谐波“污染乂提高了开关电源的整体效率。堆相APFC是DC-DC开关变换器拓扑和功率因数限制技术的详细应用，而三相APFC则

9、是:相PWM整潦开关拓扑和限制技术的结合。5.磁性元件新型磁材料和新型变压器的开发。如集成磁路，平面型磁芯，超薄型（1.owprofilc）变压器：以及新型变压潜如压电式，无磁芯印制电路（PCB）变压器等，使开关电源的尺寸重星都可削减很多。6.新型电容器和EMl/波器技术的进步，使开关电源小型化并提高了EMC性能。7.微处理器监控和开关电源系统内部通信技术的应用，提而了电源系统的牢靠性“90年头末又提出新型开关电源的研制开发，这也是新世纪开关电源的发展远景。如：用一级AC-DC开关变换器实现槎压或稳流，并具有功率因数校正功能，称为中管中级或4S高功率因数AC-DC开关变换器：输出IV.50A的

10、低电压大电流DC-DC变换器，又称电压谢整模块VRM,以适应卜一代超快速微处理器供电的需求：多通道(Muki-Channcl或Multi-Phasc)DC-DC开关变换器：网络股务器(Server)的开关电源可携带式电子设备的高频开关电源等。1.1.3 开关电源技术发展动向1.小型、薄型、轻量化由于电源轻、小、薄的关键使高频化，因此，国外目前都在致力于同步开发新型元需件，特殊使改善二次禁潦管的损耗、变压器及电容小型化，并同时采纳表面安装(SMT)技术在电路板两面布置元器件以确保开关电源的轻、小、薄。2.裔效率开关电源尚频化使传统的PWM开关(硬开关)功耗加大，效率降低，嗓声也增大了，达不到高频

11、、高效的预期效益，因此，实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源将来的主流。采纳软开关技术可以使效率达到85%88%.3 .高牢靠性可用模块电源运用的元器件比线性工作电源多数十倍，因此，降低了牢辨性。追求寿命的延长要从设计方面若手，而不是从运用方面着想。4 .模块化可用模块电源组成分布式电源系统：可以设计成N+1余电源系统,从而提高牢靠性；可以做成插入式，实现热交换，从而在运行中出现故障时能快速更换模块插件：多台模块并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，依据发展须耍不断扩大容量。5 .低噪声开关电源又一缺点时噪声大，单纯追求电源i频化，噪声也随之增大。采纳部分谐振

12、变换技术，在原理上说明可以高频化，又可以低噪声。但谐振变换技术也有其难点，假如难精确地限制开关频率、谐振时增大了元器件负荷、场效应管的寄生电简洁引起知.路损耗元罂件热应力转向开关管等问题难以解决。6 .抗电磁干扰(EMl)当开关电源在高频下工作时，其噪声通过电源线产生对其他电子设备干扰，世界各国已有抗EMl的规范或标准。7 .电源系统的管理和限制应用微处理器或微机集中限制和管理，可以刚好反映开关电源环境的各种变更。中心处理单元实现智能限制，可自动诊断故附，削减维护工作是，确保正常运行。8 .计算机协助设计（CAD）利用计克机对开关电源进行CAD设计和模拟试验，特别有效，是最为快速经济的设计方法

13、。9 .产品更新加快目前开关电源产品要求输入电压通用（运用世界各国电网电压规模）,输出电压能因扩大（入计算机和工作站须要增加3.3V这一挡电压，程控须要增加百潦150V电压），输入端公里.因数进一步提高，具有平安、过压爱护等功能。第2章PWM开关电源的基本原理2.1 PWM开关电源的基本原理开关电源的工作过程相当简洁理解。在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电海是让功率晶体管工作在导通和关断状态.在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏安乘积总是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）。功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线

14、性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比是开关电源的限制器来调整.一旦辘入电压被斩成沟通方波，其幅值就可以通过变压器来生而或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以熠加输出的电压组数。最终这些沟通波形经过推流浊波后就得到直流输出电压。限制器的主要FI的式保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的限制器很类似。也就是说限制器的功能模块电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相I可.它们的不同之处在手，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压脉冲转换单元。开关电源有两种主要的工作方式：正

15、激式变换和升压式变换。尽管它们小部分的布置差别很少，但是工作过程相差很大，在特定的场合卜个有优点。正激式变换器的优点式：辘出电压的纹波峰峰值比升压式变换器低，同时可以输出比较高的功率，正激式变换器可以供应数千瓦的功率。升压式变换器中峰值电流较高，因此只适合功率不大于150W的应用场合，在全部拓扑中，这类变换器所用的元器件最小，因而在中小功率的应用场合中和流行。开关电源的工作原理是：1 .沟通电源输入经整流滤波成直流：2 .通过高频PwM（脉冲宽度调制）信号限制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上；3 .开关变压器次级感应出高频电压.经整流滤波供应负效：4 .输出部分通过肯定的电路反馈给限制电路,限制PWM占空比,以达到稳定输出的目的.2.2 PWM开关电源的组成模块VoUt(DC)Vin(DC)第3章设计思想与方案论证3.1 设计思想PWM开关电源在运用时比线性电源具有更高的效率和敏捷性。我们可以在航空和自动化产品、仪器仪表、离线式产品中发觉它们的踪影，它们通常应用于要求效率和多组电源电压输出的场合