SPS基本原理讲义教师版.docx

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SPS基本原理讲义教师版

SPS基本原理讲义

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（SwitchingPowerSupply）。

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-lineSwitchingConverter）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，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：

LI2

（1）在电感L中有电流I流过时，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ε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“。

”OS电容“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（rms）=1.12I0

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.

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（TRYANDERROR），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.

1.电阻器

电阻器简称电阻,英文Resistor

1.电路符号和外形.

（a）（b）（c）

（a）国外电阻器电路符号.（b）国内符号.（c）色环电阻外形

2.电阻概念:

电阻具有阻碍电流的作用.公式R=U/I常用单位为欧姆（Ω）,千欧（KΩ）

和兆欧（MΩ）.

1MΩ=10KΩ=10Ω

3.种类

电阻器的种类有:

碳膜电阻,金属氧化膜电阻,绕线电阻,贴片电阻,可调电阻,水泥电阻.

4.性能参数

（1）标称阻值与允许误差

（2）额定功率:

指在特定（如温度等）条件下电阻器所能承受的最大功率,当超过此功率,电阻器会过热而烧坏.

（3）电阻温度系数

5.标注方法:

（1）直标法

（2）色标法

色标法是用色环或色点来表示电阻的标称阻值,误差.色环有四道环和五道环两种.读色环时从电阻器离色环最进的一端读起,在色标法中,色标颜色表示数字如下:

颜色

黑

棕

红

橙

黄

绿

蓝

紫

灰

白

金

银

数字

-1

-2

四色环中,第一,二道色环表示标称阻值的有效值,第三道色环表示倍

数,第四道色环表示允许偏差,五色环中,前三道表示有效值,第四到为倍数,第五道为允许误差.精密电阻常用此法.

例1:

有一电阻器,色环颜顺序为:

棕,黑,橙,银,则阻值为:

10X10±10%（Ω）

二:

电容器英文Capacitor

┼

1.电路符号

（a）（b）

（a）,（b）分别表示为无极性,有极性的电容器的电路符号.

2.电容慨念

电容器是储存电荷的容器.电容器的容量C由下式决定:

C=Q/U=ΣS/4πd,单位法拉（F）.

3.种类

电容器可分为:

陶瓷电容,电解电容,安规电容,贴片电容,塑料电容.

4.主要性能参数

（1）标准容量及允许偏差

（2）额定电压

（3）损耗系数DF值

DF=P耗/P总

P耗为充放电损耗功率,P总为充放电总能量.

（4）温度系数

5.标注方法

（1）直标法

（2）色标法:

类似电阻器之色标法,三色环无偏差表示,单位PF

三.电感器（英文Choke即线圈）

1.电路符号

（普通电感无极性）

2.主要参数

（1）电感量及允许偏差

（2）品质因子（Q值）

感抗xL=WL=2πfLQ=2πfL/RQ即为品质因子

3.种类

可分为固定电感器,带磁心电感线圈,可变电感器

四.半导体二极管（英文Diode）

DIODE

Test#

Description

Forwardvoltage

Reversecurrentleakage

BVR

Breakdownvoltage

1.电路符号

▔

┼

2.单向导电性

二极管只能一个方向流过电流,即电能只能从它正极流向负极.在正常情况下,硅管的正向压降为0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V,即二极管正向压降基本保持不变,当外加正向电压达到一定程度,二极管正向电流会很大,将烧坏二极管.当加在二极管上的反向电压小于一个临界值时,二极管的反向电流很小,即反向时二极管的内阻很大,相当于二极管截止.当二极管的反向电压大于临界值时,二极管会反向击穿.

3.结构

是由一个P型半导体和一个N型半导体构成,组成一个PN结,PN结具有单向导电性.

4.种类

（1）普通二极管

（2）发光二极管（3）稳压二极管（4）变容二极管

5.主要参数

（1）最大平均整流电流IF:

表征二极管所能流过的最大正向电流.在一

个周期内的平均电流值不能超过IF,否则二极管将会烧坏.

（2）最大反向工作电压VR

（3）反向电流IR:

是在最大反向工作电压下的二极管反向电流值

（4）工作频率:

表示二极管在高频下的单向导电性能.

五.稳压二极管

ZENER

Test#

Description

Forwardvoltage

BVZ

MinimumZenervoltage.（Usetest#5）

BVZ

MaximumZenervoltage.（Usetest#5）

Reversecurrentleakage

BVZ

BVzwithprogrammablesoak

1KHzZenerImpedance（requiresZZ-1000orModel5310）

1.电路符号

（图一）（图二）

2.稳压原理

从（图二）稳压特性曲线可以看出,当稳压管反向击穿后,流过二极管的工作电流发生很大变化时,稳压二极管的电压降压V2基本不变,所以稳压管稳压就是利用二极管两端的电压能稳定不变的特性.若加在稳压管上的反向电压小于反向击穿电压值,那么稳压管处于截止状态,即开路.

3.主要参数

（1）稳定电压

（2）稳定电流:

稳压管工作对参考电流值,电流小于该值,稳压效果会略差

些.

（3）额定功率损耗

（4）电压温度系数

（5）动态电阻

六.半导体三极管（又称晶体三极管）

TRANSISTOR

Test#

Description

hFE

Forward-currenttransferratio

VBE

Baseemittervoltage（seealsoAppendixF）

IEBO

Emittertobasecutoffcurrent

VCESAT

Saturationvoltage

ICBO

Collectortobasecutoffcurrent

ICEO

Collectortoemitercutoffcurrent

ICER,

withbasetoemiterload,

ICEX,

reversebias,or

ICES

short（seealsoAppendixF）

BVCEO

Breakdownvoltage,collectortoemitter,

BVCER

withbasetoemiterload,

BVCEX

reversebias,or

BVCES

short（seealsoAppendixF）

BVCBO

Breakdownvoltage,collectortobase

BVEBO

Breakdownvoltage,emittertobase

VBESAT

Baseemittersaturationvoltage

1.电路符号

（a）NPN（b）PNP

cccc

2.结构集电极

bccc

eccc

cccc

（a）NPN

eccc

Iee

（b）PNP

结构如上图.三极管是由三块半导体组成,构成两个PN结,即集电结和发射结,基结3个电极,分别是集电极,基极,发射极,管子中工作电流有集电极电流Ic,基极电流Ib,发射极电流Ie,Ie=Ib+IcIc=βIb,β为三极管电流放大倍数.

3.工作原理

icc

uce

（1）NPN

（2）PNP（3）共发射极输出特性曲线

（1）放大区发射结正偏,集电结反偏,E1>E2,即NPN型三极管Vc>Vb>Ve,

PNP型三极管Vc

（2）截止

Ib≦0的区域称截止区,UBE<0.5V时,三极开始截止,为了截止可靠,常使UBE≦0,即发射结零偏或反偏,截止时,集电结也反向偏置.

（3）饱和区

当VCE

饱和压降UCE（sat）,小功率硅管UCE（sat）≒0.3V,锗管UCE（sat）≒0.1V

4.主要参数

（1）共发射极直流电流放大系数β,即Hfe,β=IC/IB

（2）共发射极交流电流放大系数β.β=ΔIC/ΔIB

（3）集电极,基极反向饱和电流ICBO

（4）集电极,发射极反向饱和电流ICEO,即穿透电流

（5）集电极最大允许功耗PCM

（6）集电极最大允许电流ICM

（7）集电极,基极反向击穿电压U（BR）CBO

（8）发射极,基极反向击穿电压U（BR）CBO

（9）集电极,发射极反向击穿电压U（BR）CBO

七.可控硅（英文简称SCR,也叫晶闸管）

SCR

Test#

Description

IGT

Gate-triggercurrent

IGKO

Reversegatecurrent

VGT

Gate-triggervoltage

BVGKO

Reversegaetbreakdownvoltage

IDRM

ForwardBlockingcurrent

IRRM

ReverseBlockingcurrent

Latchingcurrent

Holdingcurrent（seealsoAppendixF）

VTM

Forwardonvoltage

VDRM

Forwardblockingvoltage

VRRM

Reverseblockingvoltage

1.电路符号

阳极G控制极阴极

2.工作原理

（1）在阳,阴极间加上一个正电压,再在控制极和阴极之间加上正电压,可控硅导通.

（2）可控硅导通后,去掉控制极上的电压,可控硅仍然导通,所以控制极上的电压称为触发电压.

（3）导通后,UAK=0.6~1.2V

（4）要使导通的可控硅截止,得降低UAK,同时阳极电流也下降,当阳极电流小于最小维持电流IH时,可控硅仍能截止.

3.主要参数

（1）正向转折电压UB0,指在控制极开路,使可控硅导通所对应的峰值电压

（2）通态平均电压UF,约为0.6~1.2V

（3）擎住电流Ica—由断态至通态的临界电流.

（4）维持电流IH:

从通态至断态的临界电流

（5）控制极触发电压UG,一般1~5V

（6）控制极触发电流一般为几十毫安至几百毫安.

八.变压器

变压器是变换电压的器件

1.电路符号

L1L2

（a）

（a）图中是带铁芯（或磁芯）的变压器的符号,它有两组线圈L1,L2,其中L1为初级,L2为次级.圈中黑点表示线圈的同名端,它表明是同名端的两端上的信号相位是同样的.

1.结构

构成变压器的部件一般有初级线圈,次级线圈.铁芯线圈骨架,外壳等组成.为了防潮,绝缘,坚固,有时还泡有几立水.铁芯是用来提供磁路的.3.工作原理

当给初级通入交流电时,交流电流流过初级,初级要产生交变磁场,这一交变磁场的变化规律与输入初级的交流电变化规律一样.初级的交变磁场作用于次级线圈.次级线圈由磁励电,在次级两端便有感生电压,这样初级上的电压便传输到次级了.

4.主要参数

（1）变匝比:

变压器初级匝数为N1,次级匝数为N2,在初级上加信号电压为U1,次级上的电压为U2,则有下式成立:

U2/U1=N2/N1=NN为变压器的变压比

（2）效率

是在额定负载时,输出功率与输入功率之比值,

即η=Po/Pi*100%

（3）电压,电流的关系

若η=100%,则有P2=P1,式中:

P2为输出功率,P1为输入功率.因此有:

U2/U1=I1/I2=N2/N1=N

九.光电藕合器（英文PHOTOCOUPLE）

OPTOCOUPLER

Test#

（RequiresOptoAdapter）

LCOFF

Collectortoemitterdarkcurrent

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