1、开关电源拓朴结构分析,FAE NAME：CARY.CHEN,SZ2,2,电源的分类,什么是Power Supply?,Power Supply,负载,Vin, Iin,Power Supply是一种提供电力能源的设备，它可以将一种电力能源形式转换成另外一种电力能源形式，并能对其进行控制和调节。,上级电能形式,Vo, Io,f, phase,f, phase,根据转换的形式分类: AC/DC, DC/DC, DC/AC, AC/AC,根据转换的方法分类: 线性电源，相控电源，开关电源,根据调控的效果分类: 稳压， 恒流， 调频，调相,根据调控的方法分类: 传统反馈控制，矢量控制，数位控制,3,开
2、关电源的元件构成,开关电源的基本元件：,有源开关(Switch),二极管(Diode),电感(Inductor),电容器(Capacitor),变压器(Transformer),4,三种基本的非隔离开关电源,Vo=Vin *D/(1-D),Vo=Vin *D,Vo=Vin /(1-D),VoVin, Bulk 降压型电路,VoVin, Boost 升压型电路,VoVin 当D0.5,buckboost 升降压型电路,5,三种基本的隔离开关电源,正激型变换器,反激型变换器,桥式变换器,6,反激变换器（Flyback）工作原理 （电流连续模式）,根据变压器的伏秒平衡：,7,反激变换器（Flybac
3、k）工作原理 （电流断续模式）,根据变压器的伏秒平衡：,Vgs,ID,Vds,D,1-D,T,Io,Vin,Vin+nVo,Im,VL,Vin,-nVo,ID-p,-nVo,根据能量守恒：,8,反激变换器（Flyback）工作原理（1）,Vr=？,9,反激变换器（Flyback）工作原理（2）,Ploss=(Vc-Vin)2/R,Ploss=(Vc)2/R,10,反激变换器（Flyback）工作原理（3）,Vo=？,根据Co在DT时间的基本方程：,11,反激变换器（Flyback）工作原理（4）,多路输出的反激变换器：,减小交叉调整率的措施： 尽量减少两个绕组之间的漏感。 在辅助输出一路中加入
4、尖峰抑制器（饱和电感） 主路输出工作于电流连续模式。 采用双路加权反馈的控制方式,12,反激变换器（Flyback）特征总结,缺点： 输出纹波电流大。 输出控制特性非线性。 通常需要辅助的吸收回路。 转换效率较低。,优点： 电路简单。 输入电压范围广。 容易实现多路输出。,13,谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（1）,Io,n:1,Vin,Vo,Lo,G,DS,Vgs,IL,Vds,D,1-D,T,Ip,VL,Io,Vin/n-Vo,-Vo,Im,Vin,IL,IL,Lm,Lk,Cr,t0,t1,t2,t3,t4,Ip,t0, t1,t5,14,谐振复位正激变
5、换器（Resonant Reset Forward)（2）,Io,n:1,Vin,Vo,L,G,DS,Vgs,IL,Vds,D,1-D,T,Ip,VL,Io,Vin/n-Vo,-Vo,Im,Vin,IL,IL,Lm,Lk,Cr,t0,t1,t2,t3,t4,Ip,t1, t2,t5,15,谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（3）,Io,n:1,Vin,Vo,L,G,DS,Vgs,IL,Vds,D,1-D,T,Ip,VL,Io,Vin/n-Vo,-Vo,Im,Vin,IL,IL,Lm,Lk,Cr,t0,t1,t2,t3,t4,Ip,t2, t3,t5,16,谐振复
6、位正激变换器（Resonant Reset Forward)（4）,Io,n:1,Vin,Vo,L,G,DS,Vgs,IL,Vds,D,1-D,T,Ip,VL,Io,Vin/n-Vo,-Vo,Im,Vin,IL,IL,Lm,Lk,Cr,t0,t1,t2,t3,t4,Ip,t3, t4,t5,Lm,Cr的选取原则：,17,谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（5）,Io,n:1,Vin,Vo,L,G,DS,Vgs,IL,Vds,D,1-D,T,Ip,VL,Io,Vin/n-Vo,-Vo,Im,Vin,IL,IL,Lm,Lk,Cr,t0,t1,t2,t3,t4,Ip,
7、t4, t5,t5,(Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D)T,根据电感的伏秒平衡：,Vo=VinD/n,18,谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)特征,Vin,Vo,Cr,缺点： 原边开管电压应力较高。 谐振电容的损耗大。 宽范围输入效率很难兼顾。,优点： 电路简单。 线性输出控制特性。 不需要辅助的吸收回路。,Vin,Vo,Cr,Vin,Vo,Cr,19,有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（1）,Io,n:1,Vin,Vo,Lo,G,DS,Sa,IL,Vds,D,T,Ip,VT,Io,Vin/n,-Vc/n,Im,Vin,IL,
8、IL,Lm,Lk,Cr,t0,t1,t2,t3,t4,Ip,t0, t1,t5,S1,S1,Sa,1-D,+ VT -,20,有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（2）,Io,n:1,Vin,Vo,Lo,G,DS,Sa,IL,Vds,D,Ip,VT,Io,Vin/n,-Vc/n,Im,Vin,IL,IL,Lm,Lk,- Vc +,t0,t1,t2,t3,t4,Ip,t1, t2,t5,S1,S1,Sa,1-D,+ VT -,* 副边电压的死区跟Lk和Io有关，跟原边开管的死区无关,21,有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（3）,Io
9、,n:1,Vin,Vo,Lo,G,DS,Sa,IL,Vds,D,Ip,VT,Io,Vin/n,-Vc/n,Im,Vin,IL,IL,Lm,Lk,- Vc +,t0,t1,t2,t3,t4,Ip,t2, t3,t5,S1,S1,Sa,1-D,+ VT -,Sa在零电压条件下开通,* 原边开管的死区时间需满足：,22,有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（4）,Io,n:1,Vin,Vo,Lo,G,DS,Sa,IL,Vds,D,Ip,VT,Io,Vin/n,-Vc/n,Im,Vin,IL,IL,Lm,Lk,- Vc +,t0,t1,t2,t3,t4,Ip,t3, t4
10、,t5,S1,S1,1-D,+ VT -,激磁电流反向，变压器被复位,23,有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（5）,Io,n:1,Vin,Vo,Lo,G,DS,Sa,IL,Vds,D,Ip,VT,Io,Vin/n,-Vc/n,Im,Vin,IL,IL,Lm,Lk,- Vc +,t0,t1,t2,t3,t4,Ip,t4, t5,t5,S1,S1,Sa,1-D,+ VT -,激磁电流对主开关的输出电容放电。,t6=t0,24,有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（6）,Io,n:1,Vin,Vo,Lo,G,DS,Sa,IL,Vds,D
11、,Ip,VT,Io,Vin/n,-Vc/n,Im,Vin,IL,IL,Lm,Lk,- Vc +,t0,t1,t2,t3,t4,Ip,t4, t5,t5,S1,S1,Sa,1-D,+ VT -,激磁电流对主开关的输出电容放电。,t6=t0,25,有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（7）,Io,n:1,Vin,Vo,Lo,G,DS,Sa,IL,Vds,D,Ip,VT,Io,Vin/n,-Vc/n,Im,Vin,IL,IL,Lm,Lk,- Vc +,t0,t1,t2,t3,t4,Ip,t5, t6,t5,S1,S1,Sa,1-D,+ VT -,t5时刻副边二极管钳位主
12、开关的输出电容放电结束。 t6时刻新的周期开始,t6=t0,26,有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（8）,Io,n:1,Vin,Vo,Lo,G,DS,Sa,IL,Vds,D,Ip,VT,Io,Vin/n,-Vc/n,Im,Vin,IL,IL,Lm,Lk,- Vc +,t0,t1,t2,t3,t4,Ip,t5,S1,S1,Sa,1-D,+ VT -,t6=t0,(Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D)T,根据电感的伏秒平衡：,Vo=VinD/n,VinDT=Vc(1-D)T,根据变压器的伏秒平衡：,Vc=VinD/(1-D),Vds=Vc+Vin,Vds=Vin
13、/(1-D),27,有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（9）,Vc=VinD/(1-D),Vds=Vin/(1-D),Vin,28,有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（10）,Vin,Vo,Vin,Vo,Vin,Vo,Sa,Sa,Sa,缺点： 钳位电压建立较慢，启动过程变压器易偏磁。 对输入电压的动态响应慢。,优点： 变压器最优化复位（电压应力低）。 输入电压范围宽。 线性输出控制特性。 不需要辅助的吸收回路。,29,桥式变换器（Bridge Type Converter),Vin,Vo,L,S1,D1,D2,S2,半桥变换器,V
14、in,Vo,L,S1,D1,D2,S2,全桥变换器,Vin,Vo,L,S1,D1,D2,S2,推挽变换器,Vin,Vo,S1,D2,S2,半桥变换器（倍流整流）,30,桥式变换器（Bridge Type Converter)（1）,Vin,Vo,Lo,S1,D1,D2,S2,n:1+1,Lm,Lk,Ip,Io,C,B,VT,S1,IL,Vds1,D,Ip,VT,Io,Vin/2n,-Vin/2n,Im,Vin,IL,t0,t1,t2,t3,t4,t5,S2,D,t6=t0,T/2,T/2,Vc,t0, t1,变换器正半周工作，Ip, Im增加；Vc减少。,C1,C1,31,桥式变换器（Brid
15、ge Type Converter)（2）,Vin,Vo,Lo,S1,D1,D2,S2,n:1+1,Lm,Lk,Ip,Io,B,VT,S1,IL,Vds1,D,Ip,VT,Io,Vin/2n,-Vin/2n,Im,Vin,IL,t0,t1,t2,t3,t4,t5,S2,D,t6=t0,T/2,T/2,Vc,C1,C,C1,Vin/2,t1, t2,S1关断，变压器副边续流，原边漏感能量被S2体二极管钳位。,32,桥式变换器（Bridge Type Converter)（3）,Vin,Vo,Lo,S1,D1,D2,S2,n:1+1,Lm,Lk,Ip,Io,B,VT,S1,IL,Vds1,D,Ip
16、,VT,Io,Vin/2n,-Vin/2n,Im,Vin,IL,t0,t1,t2,t3,t4,t5,S2,D,t6=t0,T/2,T/2,Vc,C1,C,C1,Vin/2,t2, t3,S1，S2全部关断，变压器副边续流，Lm保持不变，D1,D2电流之差为Lm。,33,桥式变换器（Bridge Type Converter)（4）,Vin,Vo,Lo,S1,D1,D2,S2,n:1+1,Lm,Lk,Ip,Io,A,B,S1,IL,Vds1,D,Ip,VT,Io,Vin/2n,-Vin/2n,Im,Vin,IL,t0,t1,t2,t3,t4,t5,S2,D,t6=t0,T/2,T/2,Vin/2
17、,VT,Vc,t3, t4,变换器负半周工作，Ip, Im减少；Vc增加。,34,桥式变换器（Bridge Type Converter)（5）,Vin,Vo,Lo,S1,D1,D2,S2,n:1+1,Lm,Lk,Ip,Io,A,B,S1,IL,Vds1,D,Ip,VT,Io,Vin/2n,-Vin/2n,Im,Vin,IL,t0,t1,t2,t3,t4,t5,S2,D,t6=t0,T/2,T/2,Vin/2,VT,Vc,t4, t5,S2关断，变压器副边续流，原边漏感能量被S1体二极管钳位。,35,桥式变换器（Bridge Type Converter)（6）,Vin,Vo,Lo,S1,D1
18、,D2,S2,n:1+1,Lm,Lk,Ip,Io,B,VT,S1,IL,Vds1,D,Ip,VT,Io,Vin/2n,-Vin/2n,Im,Vin,IL,t0,t1,t2,t3,t4,t5,S2,D,t6=t0,T/2,T/2,Vc,C1,C,C1,Vin/2,t5, t6,S1，S2全部关断，变压器副边续流，Lm保持不变，D1,D2电流之差为Lm。,t0, t1,t1, t3,36,桥式变换器（Bridge Type Converter)（7）,Vin,Vo,Lo,S1,D1,D2,S2,n:1+1,Lm,Lk,Ip,Io,B,VT,C1,C,C1,缺点： 变压器结构复杂。 输入电压范围较小。,优点： 变压器正负工作，不需要辅助的复位电路。 输出纹波频率是开关频率的两倍，所需电感量小。 线性输出控制特性。 电路平衡对称。,37,几种隔离式变换器之比较,38,AC/DC Application Block Diagram,Bridge Diode,Vin,Vo,S,Lm,D,PFC,PWM,AC INPUT,PHC,Vref,LM431 AZ431,LM5021 AZ3843,
