1、第一章 开关变换器概论第一节 什么是开关电源电源有如人体心脏，是所有电设备的动力。但电源却不像心脏那样形式单一。因为，标志电源特性的参数有功率、电压、频率、噪声、及带载是参数的变化等等；在同一参数要求下，又有体积、重时、形态、功率、可靠性等指标，人可按此去“塑造”和完美电源，因此电源的形式是极多的。此次主要介绍一下开关电源的原理及其设计方法。一般电力（如市电）要经过转换才能符合使用的需要。转换例子有：交流转换为直流，高电压变为低电压，大功率中取小功率等等。这一过程有人形象地说成：粗电炼为精电。炼为精电后才好使用。按电力电子的习惯称谓，AC-DC （理解成 AC 转换为 DC，其中 AC 表示交
2、流电，DC 表示直流电）称为整流（包括整流及离线式转换） ，DC-AC 称为逆变，AC-AC 称为交流-交流直接变频（同时也变压） ，DC-DC 称为直流-直流交换。为达到转换目的，手段是多样的。六十年代前，研发了半导体器件，并用此器件为主实现此转换。电力电子学科从此形成并有了近三十年的迅速发展。所以，广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成中一形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源（Switching Power Supply） 。开关电源主要组成部分是 DC-DC 变换器，因为它是转换的核心，涉及频率变换，目前 DC-DC
3、 变换中所用的频率提高最快。它要提高频率中碰到的开关过程、损失机制，为提高效率而采用的方法，也可为其它转换方法参考。值得指出，常见到离线式开关变换器（off-line Switching Converter）名称，是 AC-DC 变换，也常称开关整流器；它不单是整流的意义，而且整流后又作了 DDC 变换。所说离线并不是变换器与市电线路无关的意思，只是变换器中因有高频变压器隔离，故称离线。第二节 DC-DC 变换器的基本手段和分类把直流电压变换为另一种直流电压最简单办法是串一个电阻，这样不涉及变频的问题，显示很简单，但是效率低。用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器（L 或/和 C）的负载线
4、路与直流电压一会相接，一会断开，则负载上也得到另一个直流电压。这就是 DC-DC 的基本手段，类似于 “斩波”（Chop ）作用。1- 1分类 ：按控制方式可分为三类一.PWM 变换器：脉宽调制二.PFM 变换器：频率调制三.脉宽与频率调制变换器：两者结合此三类中因调频系统不如 PWM 开关易控，且调频时谐振电压（电流）峰值高，开关管所受应力大，故一般用 PWM 控制。每类从输入与输出之间是否有变压器隔离，可分为有隔离，无隔离两种。每一种又有四种结构：Buck，Boost，Buck-Boost ，Cuk按激励形式不同，可分为自激式与他激式两种自激式：单管式与推挽式（开关晶体管的激励信号如来自本
5、身输出负载藕合而得，称之为自激）他激式：调频，调宽，调幅，谐振目前应用较广的为调宽型，它又包括正激，反激，半桥，全桥四种。第三节 DC-DC 变换器主回路使用的元件及其特征一、开关无论哪一种 DC-DC 变换器，主回路使用的元件都是电子开关、电感和电容。电子开关只是快速地开通、快速地关断这两种状态，并且快速地进和转换。只有力求快速，使开关快速地滤过线性放大工作区，状态转换引起的损耗才小。目前使用的电子开关是双极型晶体管、功率场效应管；逐渐普及的有各种特性较好的新式的大功率开关元件，例如 SITH（静电感应晶闸管）和 MCT（场控Vt制晶体闸流管） 。这些元件的基本特征在这就不一一介绍了。值得指
6、出，主回路也不是绝对不出现电阻元件。出现的前提是极有利于控制性能而又不引起多大的损耗，而且限于几十瓦以下的小功率变换器中应用。一般其阻值在毫欧级，其上得到的 mV 电压可用来作为当前工作周期进行电流控制或保护的信号。二、电感电感是开关电源中常见到的元件，由于它的电流、电压相位不同，因此理论损耗为零。常为储能元件，通常与电容共用在输入滤波器上。用于平滑电流，也称它为扼电流圈。其特点是流过其上的电流有“很大的惯性” 。换句话说，由于“磁通连续”性，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰波。电感为磁性元件，自然有磁饱和的问题。应用中允许有其饱和的，有允许其从一定电流值起开始进入饱和的，
7、也有不允许其出现饱和的。在具体线路中要注意区分。在多数情况下，电感工作在“线性区” ，此时电感值为一常数，不随端电压与流过电流而变化。但是，在开关电源中电感，有一个不可忽视的问题，就是电感的绕线所引起两个分布参数（可称寄生参数）的现象。其一是绕线电阻，这是不可避免的。其二是分布式杂散电容，随线制工艺、材料而定。杂散电容在低频时影响不大，随着频率的提高而渐显出来，到某一频率以上时，电感也许变成了电容的特性了。如果将杂散电容“集成”为一个，则从电感的等效电路，也可以明白地看出在某一频率后的电容性。在分析电感的线路工艺中工作或绘波形图时，不妨考虑下面几个特点：（1）在电感 L 中有电流 I 流过时，
8、储存有 的能量：（2）当电感 L 两端的电压 V 为不变时， 公式可知，忽略内阻 R时，电感电流变化率 =V/L ，表明是感电流线性增加：（3）正在储能的电感器，因为能量不能瞬时突变，若切断电感在变压器原边回路时，能量绝大部分经变压器副边出现的电流输送至负载，原、副边耦合1 2LI2 didtV=L didt中保持相同的安匝数，维持磁场不变，或每匝伏秒值不变。（4）就像电容有充、放电流一样，电感器也有充、放电电压。电容上的电压与电流通渠道积分（称为安秒值）成正比，电感上的电流与电压的积分（称为伏秒值）成正比，如图 1-1 所示。只要电感器电压变化，其电流斜率 也变化；正向电压，使电流从零线性上
9、升；反向电压，电流线性下降，根据能量守恒原理在电感器伏。秒值面积相等的某一时间点上，线性变化的电流重新降到零。三、电容电容是开关电源中常用的元件，它与电感一样也是储存电能和传递电能的元件，但对频率的特性却刚好相反。应用上，主要是“吸收”纹波，具有平滑电压波形的作用。实际的电容并不是理想的元件。电容器由于有介质、接点与引出线，造成一个等效电阻。这种等效电阻在开关电源中小信号反馈控制上，以及输出纹波抑制的设计上，起着不可忽视的作用。另外电容等效电路上有一个串联的电感，它在分析电容器滤波效果时，非常重要。有时加大电容容量并不能使电压波平直，就是因为这个串联寄生电感起着副作用。电容的串联电阻是与起点的
10、引线有关，也与电解液有关。常见电解电容电解质的成分为AL2O3，导电率 比空气约大七倍，为了续继提高电容量，把铝箔表面做成有规律的凸凹不平状，使氧化膜表面积加大（因为电容量与表面积成正比） 。加入 的电解液可在凸凹面上流动。电解液受温度影响，温度下降，电阻加大，即电容串联电阻加大。高温寿命电容的阻抗随温度下降面增加的情况示于图 1-2 中。温度下降，等效串联电阻（ESR）加大，导致电容寿命减短，这是铝电解电容的缺点。为了改善这一缺点，将电解液覆盖在氧化膜表面后将其干燥，形成固体式电解质电容，即“钽电容“。止前又用有机半导体代替电解液，也是固体式电解质电容称为”OS 电容“。 ”didtOS 电
11、容“的串联电阻小了许多，在图 1-3 中示出常用几种电容的串联电阻值，以供比较。在开关电源中的电容器，工作时平均电流为零，但因充电、放电电流波形不同，有效值电流是很大的。例如，市电整流输入到开关电源的滤波电路电容，其充电只是在市电正弦半波瞬时值高于电容上直流电压一个短时间内才发生，而且是低频的（50Hz） ，由电容放大电供给开关电源，入电频率是高频的（与开关频率相同） 。有效值电流 Ic（rms）比负载电流 I0 大，其计算式为Ic（r m s）=1.12 I 0电容器的选择，除考虑有效值外尚要考虑纹波电压和耐压的要求。第二章 PWM 的四种结构一.Buck又名串联开关稳压电源、开关降压稳压器
12、.线路组成二.Boost并联开关稳压电源、开关升压稳压器.线路组成三.Buck-Boost又名降压-升压稳压器.(反号稳压器)线路组成四.Cuk又名 Boost- Buck 串联稳压器. 线路组成五.四种基本形式的比较前面介绍的四种变换器,前三种用电感作传导能量元件,而最后一种则是以电容传送.Cuk 能达到 I/O 电流连续，而且通过将 I/O 电感藕合，可以达到“零纹波” ，体积小型化，但因其能量转换用的电容需耐受极大的纹波电流，成本高，可靠性也稍差一点。在实际应用中，就电气特性而言，四种形式都不是最佳的。一、 概述开关电源是一个闭环自动稳定系统，由主电路和控制电路两大部分组成。图 2-10
13、 中以推挽式变换器为例给出一个开关电子源（有电+源负载反馈的闭环系统，或称单环自动稳压系统）的原理框图。主电路包括：输入整流滤波、开关逆变、输出整流及滤波电路。控制电路包括：采样电路（这里是一个分压器） 、误差放大及补偿网络、脉宽调制器（PWM ） 、驱动电路。误差放大、补偿网络是一个有负反馈的误差放大器，其反馈支路中有比例（P ） 、积分（ I） 、微分、 （D）网络，简称 PID 网络，由 RC元件组成，以补偿和改善开关电源的瞬态性能，因此，这时的 PID 放大器即为补偿网络。补偿网络的设计涉及到开关电源的瞬态性能，也就是瞬态（动态）设计的部分。补偿网络设计的主要内容是：选择 PID 网络拓扑，选择、计算并确定 PID 网络各元件参数。传统的和现行的设计方法主要是一种依靠经验的试探法（TRY AND ERROR） ，设计过程中不断测量反映开关电源瞬态性能的幅频和相频特性（BODE 图） ，或者直接测量瞬态特性，每修改一次补偿网络的 PID 参数，做一次测量，直到满足给定的性能指标为止。第三章：线路应用由分立元件构成转变由开关厚膜电源构成第一章:组件认识开关电源(SPS)是由众多的元器件构成,因此,要了解开关电源的原理,学会看电路图.首先必须掌握元器件的主要性能,结构,工作原理,电路符号,参数标准方法和质量检测方法,本章将作逐一介绍.一.电阻器
