第第8章章 开关电源开关电源 8.1.1 直流稳压电源的发展 直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。传统的转换方法设计制作直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。传统的转换方法设计制作的电源，其效率低，损耗大，温升高。加上多路电压输出，而各个电压的等级、质量要求的电源，其效率低，损耗大，温升高。加上多路电压输出，而各个电压的等级、质量要求又不相同时，使之传统的串联稳压式电源越来越难于得到解决。如图又不相同时，使之传统的串联稳压式电源越来越难于得到解决。如图8-18-1所示的串联式线所示的串联式线性稳压电源，就属此类。性稳压电源，就属此类。 当今计算机及自动化设备上大多数控制电源都向低压大电流，高效率，重量轻、体当今计算机及自动化设备上大多数控制电源都向低压大电流，高效率，重量轻、体积小的方向发展。在这种要求面前首先得到发展的是晶体管串联式开关稳压电源，如图积小的方向发展。在这种要求面前首先得到发展的是晶体管串联式开关稳压电源，如图8-28-2所示。所示。 图8-1 晶体管串联式线性稳压电源 图8-2 晶体管串联式开关稳压电源 随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢复二极管及其它元器件的电压得随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢复二极管及其它元器件的电压得到很大的提高，这为取消稳压电源中的工频变压器，发展高频开关电源创造了条件。由于到很大的提高，这为取消稳压电源中的工频变压器，发展高频开关电源创造了条件。由于它不需要工频变压器，故称无工频变压器开关式直流稳压电源。它使电源在小型化、轻量它不需要工频变压器，故称无工频变压器开关式直流稳压电源。它使电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了一步。图化、高效率等方面又迈进了一步。图8-38-3是无工频变压器的开关电源的方框图。是无工频变压器的开关电源的方框图。 图8-3 无工频变压器的开关电源原理框图 无工频变压器开关稳压电源，有如下的无工频变压器开关稳压电源，有如下的优点优点：1.1.效率高。一般在效率高。一般在707080%80%以上。以上。 2.2.体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。 3.3.稳压范围广，一般交流输入稳压范围广，一般交流输入8080265265V V，负载作大幅负载作大幅度变化时，性能很好。度变化时，性能很好。 4.4.噪声低，声频在噪声低，声频在2020kHzkHz以上时，已是人耳听不到的以上时，已是人耳听不到的超声波，而开关电源的工作频率一般都大于此频率；超声波，而开关电源的工作频率一般都大于此频率； 5.5.性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到低压大电性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到低压大电流、高压小电流；一个开关控制的一路输入可得到多流、高压小电流；一个开关控制的一路输入可得到多路输出以及同号、反号等输出；路输出以及同号、反号等输出； 6.6.电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算机、电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算机、现代自动化控制设备电源转换的需要，开关电源可在现代自动化控制设备电源转换的需要，开关电源可在几十毫秒内保证仍有电压输出。几十毫秒内保证仍有电压输出。 7.7.可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出现。电压出现。 无工频变压器开关稳压电源的无工频变压器开关稳压电源的不足之处不足之处：1.1.输出纹波较大，约有输出纹波较大，约有1010100100mVmV的峰的峰峰值；峰值； 2.2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；流变化率大；3.3.控制电路比较复杂，对元器件要求高；控制电路比较复杂，对元器件要求高； 4.动态响应时间至少要大于一个开关周动态响应时间至少要大于一个开关周期，不如串联式晶体管线性稳压电源。期，不如串联式晶体管线性稳压电源。 8.1.2 用高频变压器的开关电源结构概述 图8-5 高频变压器开关电源基本功能框图这类电源的共同特点是具有高频变压器、直流稳压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副方是隔离的，或是部分隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。 目前，用高频目前，用高频变压器的变换变压器的变换电路按其工作电路按其工作方式可分为五方式可分为五类，每类传输类，每类传输的功率也不相的功率也不相同，应用环境同，应用环境也稍有不同，也稍有不同，如下所示：如下所示：电路类型传输功率应用环境单端反激式变换器20100W小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备中的控制电源单端正激式变换器50200W小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备中的控制电源推换式变换器100500控制设备，计算机等电源半桥式变换器1005000W焊机，超声电源，计算机电源等全桥式变换器500W30kW焊机、高频感应加热，交换机等8.2 DC/DC变换的开关电源 对于输入与输出电压不需隔离对于输入与输出电压不需隔离只用一个工作开关和只用一个工作开关和L L、D D、C C组组成的变换器电路最基本的为如成的变换器电路最基本的为如下三种：（下三种：（1 1）降压变换器）降压变换器（buck converterbuck converter）；（）；（2 2）升升压变换器（压变换器（boost converterboost converter）；）；（3 3）降、升压变换器（降、升压变换器（buck-buck-boost converterboost converter）。）。其原理电其原理电路如图路如图8-68-6所示。所示。 图8-6 无隔离的DCDC变换电路 8.2.1 Buck converter a） 电路拓扑 b）工作波形图8-7 Buck converter （一）在开关（一）在开关VTVT导通期间导通期间 （二）在开关（二）在开关VTVT截止期间截止期间 1.1.临界连续工作状态临界连续工作状态2.2.电流断续的工作状态电流断续的工作状态3.3.电流连续的工作状态电流连续的工作状态 ( (三三) )电感电流的平均值计电感电流的平均值计算算 （四）输出电压纹波值的计算（四）输出电压纹波值的计算 8.2.2 8.2.2 Boost converterBoost converter a）电路拓扑 b）工作波形图8-8 Boost converter1.在 期间 2.在 期间 3.负载电流的平均值 4.输入电流的平均值 5.输出电压 的纹波计算 8.2.3 BuckBoost converter 图8-9 BuckBoost converter=图8-10 Buck-Boost converter工作波形图 8.3 单端功率输出的直流变换器 8.3.1 CW34063的工作原理 图8-11 CW34063的原理框图8.3.2 CW34063的应用电路 ( (一一) )降压式电路降压式电路 a）直接用于降压b） 外接NPN晶体管扩流电路图8-12 CW34063的降压应用电路（二）升压式电路（二）升压式电路 （a）（b）a） 直接升压式 b）外接NPN管扩流式图8-13 CW34063的Boost converter （三）反转电路（三）反转电路 (a)(b)a） 直接变换式 b）外接PNP管扩流式图8-14 CW34063的BuckBoost converter8.4单端反激式开关电源单端反激式开关电源 8.4.18.4.1 工作原理分析 （一）在开关（一）在开关VTVT导通期间：导通期间： （二）在开关（二）在开关VT截止期间截止期间 图8-15 单端反激式变换器单端反激式变换器也有三种工作状态： 1 磁通临界连续的工作情况： 图8-16 临界连续状态时的电压电流波形2 磁通不连续的工作状态 图8-17 磁通不连续时的工作波形3 磁通连续的工作状况图8-18 磁通连续时的工作波形 （3）输入电压U Uinin与导通比t t的对应关系 即即是是输输入入电电压压最最高高时时，相相应应的的导导通通比比是是最最小小，输输入入电电压压最最低低时时，相相应应的的导导通通比比是是最最大大。因因此此，输输入入电电压压与与导导通通比比是是一一一一对对应应，相相互互制制约约的的。运运行行中中由由于于闭闭环环调调节节，这这种种相相互互适适应应是是自自动动的的。但但必必须须指指出出的的是是，由由控控制制电电路路振振荡荡器器和和PWMPWM门门闩闩电电路路本本身身固固有有的的最最大大最最小小导导通通比比，一一定定要要与与运运行行条条件件所所需需的的最最大大最最小小导导通通比比不不矛矛盾盾，否否则则就就会会失失调调。(4)磁通复位问题 为了不致于出现磁路饱和每个开关周期为了不致于出现磁路饱和每个开关周期工作磁通都能复位，因此：工作磁通都能复位，因此： 1.1.单端反激式变换器开关变压器的铁芯单端反激式变换器开关变压器的铁芯都带有都带有气隙气隙 。2.2.原方绕组电流实现原方绕组电流实现脉冲限流控制脉冲限流控制。 （5）间歇振荡问题 当电网电压升到一定值而又很大的情况当电网电压升到一定值而又很大的情况下，欲维持输出电压恒定，则脉宽调制器会下，欲维持输出电压恒定，则脉宽调制器会使脉宽减少到某一极限值时，不能再减小了，使脉宽减少到某一极限值时，不能再减小了，只能以最小导通比运行，但由于导通时所储只能以最小导通比运行，但由于导通时所储存的能量没有释放回路，就有可能出现：有存的能量没有释放回路，就有可能出现：有的振荡周期没有的振荡周期没有PWMPWM脉冲输出，开关管不导脉冲输出，开关管不导通，有的振荡周期就很宽，变成了作周期性通，有的振荡周期就很宽，变成了作周期性或非周期性的间歇振荡器，这时输出电压不或非周期性的间歇振荡器，这时输出电压不稳，纹波大，变压器发出刺耳的哨叫声。克稳，纹波大，变压器发出刺耳的哨叫声。克服这一问题的办法之一，也是最安全和可靠服这一问题的办法之一，也是最安全和可靠的办法是在付绕组中加一固定负载电阻（假的办法是在付绕组中加一固定负载电阻（假负载），以防负载开路，这样电网电压最高，负载），以防负载开路，这样电网电压最高，负载开路了，由于有固定的假负载，脉宽保负载开路了，由于有固定的假负载，脉宽保证有一最小的宽度而不致于出现间歇振荡现证有一最小的宽度而不致于出现间歇振荡现象。最小的脉宽是由控制电路振荡器的最小象。最小的脉宽是由控制电路振荡器的最小导通比决定的。导通比决定的。 8.5 单端正激式变换器 图8-19 正激式变换器的原理电路图图8-20 正激式变压器等效电路图8-21 单端正激式变换器的电压电流波形 8.6 半桥式变换器 8.6.1 工作原理 图8-22 半桥式变换器原理电路图8-23 半桥式变换器的工作波形 图8-24 串联电容半桥式变换器原理电路 （a）串联电容前交流电压，斜格面积表示A1、A2的伏秒值不平衡波形（b）串联电容、变压器原边的伏秒值得到了平衡图8-25 变压器原边串联电容后的工作波形8.6.2 串联耦合电容C3的选择 8.7 全桥式变换器的开关电源 图8-26 全桥式变换器主电路8.7.1 全桥式变换器的工作原理 图8-27 全桥式变换器的工作波形