pwm开关电源原理

pwm开关电源原理内容摘要：

50～ 1000 有 73 总结上面各个电路的拓扑的比较，如果设计一个 65W 的开关电源，选择反激 式电路拓扑即方案二是比较好的。 12 PWM 开关电源 第 4 章 系统设计 在本文中，是设计一个 65W 通用交流输入多路输出反激式变压器的 PWM 开关 电源。 这种开关电源可用于 AV85～ 240V 输入的电子产品中。 这种特殊的开关电 源可以提供 25～ 150W 的输出功率，可以用在办公室小型分组交 换机（ PBX）等产 品中。 技术指标 输入电压范围： AC90～ 240V， 50/60Hz。 输出： DC+5V，额定电流 1A，最小电流 750mA DC+12V，额定电流 1A， 最小电流 100mA DC－ 12V，额定电流 1A，最小电流 100mA DC+24V，额定电流 1A，最小电流 输出电压纹波： +5V， +12V：最大 100mV（峰峰值） +24V：最大 250mV（峰峰值） 输出精度： +5V， 177。 12V：最大 177。 5% +24V：最大 177。 10% 低电压输入限制：该电源产品允许最低输入电压为 AC85（ 1177。 5%） V 微处理器掉电信号：该电源系统在 +5V 输出端电压低于 （ 1177。 5%） V 时， 提供一个集电极输出开路的信号。 输入整流器 /滤波器部分的设计 输入整流器 /滤波 器电路在开关电源中不被人重视。 典型的输入整流器 /滤波 器电流由三到四个部分组成： EMI 滤波器、浪涌抑制器、整流级（离线应用场合） 和输入滤波电容。 许多交流输入离线式电源要求有功率因数校正（ PFC）。 其电路 图如图 4－ 2。 13 H1 AC H2 GND EMI滤波器 PWM 开关电源 过电压抑制器 整流器 + EMI 滤波器 图 4－ 2 输入整流滤波电路 随着电子设计、计算机与家用电器的大量涌现和广泛普及，电网噪声干 扰日益严重并形成一种公害。 特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、 电压振幅度高（几百伏至几千伏）、随机性强，对微机和数字电路易产生严重干 扰，常使人防不胜防，这已引起国内外电子界的高度重视。 电磁干扰滤波器（ EMI Filter）是近年来被推广应用的一种 新型组合器件。 它能有效地抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性，可广泛 用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统等领域。 输入滤波的前级是 EMI 滤波器。 这个电感流过的是相对较大的直流电流， 并且要防止高频开关噪声进入输入电源端。 在交流离线应用场合，经常用共模扼 流圈，在本设计中， EMI 滤波器选用二阶共模滤波器。 EMI 滤波器的主要作用是 滤除开关噪声和由输入线引起的谐波。 1 基本电路及其典型应用 14 PWM 开关电源 该五端器件有两个输入端、两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通 大地。 电路中包括共模扼流圈（亦称共模电感） L、滤波电容 C1～ C4。 L 对串模 干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合 后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作 共模扼流圈。 它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上，当有电 流通过时，两个线圈上的磁场就会互相加强。 L 的电感量与 EMI 滤波器的额定电 流 I 有关。 需要指出，当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应增大，以 便能承受较大的电流。 此外，适当增加电感量， 可改善低频衰减特性。 C1 和 C2 采用薄膜电容器，容量范围大致是 ～ F,主要用来滤除串模干 扰。 C3 和 C4 跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效地抑制共模干扰。 C3 和 C4 亦可并联在输入端，仍选用陶瓷电容，容量范围是 2200pF～ F。 为 减小漏电流，电容量不得超过 F，并且电容器中点应与大地 接通。 C1～ C4 的耐压值均为 630VDC 或 250VAC。 还有 EMI 滤波器要尽可能靠近电源里的供电线输入端。 如果滤波器前的线太 长，从外面引入的传导 EMI 会干扰开关电源的工作。 相反，开关电源里面的长导 线也会产生 RFI（射频干扰），并向外发射，这样无法通过电源 EMI 检测。 15 浪涌抑制部分 PWM 开关电源 浪涌抑制部分要放在 EMI 滤波电感后，但在整流（离线式）和输入滤波电 容（直流输入）前。 所有浪涌抑制器都要用 EMI 滤波电感 和串连阻抗来防止超过 它们额定的瞬时能量。 EMI 电感极大地减少了瞬时电压峰值，并在时间上把它延 长，这样提高了抑制器的工作寿命。 但是，不同的浪涌抑制器技术所串连的内部 电阻特性也不一样。 浪涌电压抑制器件基本上可以分为两大类。 第一种类为橇棒（ Crowbar）器 件，另一类为箝位保护器，即保护器件在击穿后，其两端电压维持在击穿电压上 不再上升，以箝位的方式起到保护作用。 常用的箝位保护器是氧化锌压敏电阻 ＭＯＶ，瞬态电压抑制器（ＴＶＳ）等。 在本文中，选择的是 金属氧化物变阻器 （ MOV），发生浪涌 时，抑制器的电阻会影响到加在它上面的额外电压。 单相桥式整流电路和电容滤波电路 单相桥式式整流电路适用与 1KW 以下的整流电路中。 完成这一电路主要是靠 二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。 (a) 工作原理 单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，因为是由四只整流 二极管 D1～ D4 接成电桥的形式，所以称为桥式整流电路。 如图 1（ a）所示。 为了更清楚的解释其工作原理，我将桥式整流电路的输出直接接一 个负载。 在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导 电性。 根据图 1（ a）的电路图可知： 16 PWM 开关电源 （ a）桥式整流电路 （ b）波形图 图 1 单相桥式整流电路 当正半周时，二极管 D D3导通，在负载 电阻上得到正弦波的正半周。 电流由 TR 次级上 端经 D1→ R L → D3 回到 TR 次级下端，在负载 RL 上得到一 半波整流电压。 如图 4 当负半周时，二极管 D D4导通，在负载 电阻上得到正弦波的负半周。 电流由 Tr 次级的 下端经 D2→ R L →D4 在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的 是同一个方向的单向脉动电压。 单相桥式整流 电路的波形图见图 1（ b）。 参数计算 根据图 1（ b）可知，输出电压是单相脉动 电压，通常用它的平均值与直流电压等效。 输 出平均电压为 : 17 PWM 开关电源 二级管的选择应主要考虑以上两个因素。 在这次设计中，我选用 的是二级管 IN4004。 2 电容滤波电路 滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。 电容器 C 对直 流开路，对交流阻抗小，所以 C 应该并联在负载两端。 经过滤波电路后，既可保 留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路 的脉动系数，改善了直流电压的质量。 (a) 电容滤波电路结构 现结合单相桥式整流和电容滤波电路为例来说明。 电容滤波电路如图 2 所示， 在负载电阻上并联了一个滤波电容 C。 图 2 电容滤波电路 (b) 滤波原理 若 V2处于正半周，二极管 D D3导通，变压器次端电压 V2给电容器 C 充电。 此时 C 相当于并联在 v2上，所以输出波形同 v2 ，是正弦波。 当 v2到达 t=/2 时，开始下降。 先假设二极管关断，电容 C 就要以指数规 律向负载Ｒ L放电。 指数放电起始点的放电速率很大。 在刚过 t=/2 时，正弦 18 PWM 开关电源 曲线下降的速率很慢。 所以刚过 t=/2 时二极管仍然导通。 在超过 t=/2 后 的某个点，正弦曲线下降的速 率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时， 二极管关断。 所以在 t2到 t3时刻，二极管导电，Ｃ充电， Vi=Vo按正弦规律变化； t1到 t2时刻二极管关断， Vi=Vo按指数曲线下降，放电时间常数为 RLC。 电容滤波 过程见图 3。 图 3 电容滤波电路波形 (c) 外特性 整流滤波电路中，输出直流电压 VO随负载电流 IO的变化关系曲线如图 4 所 示。 图 4 电容滤波外特性曲线 (d) 电容滤波电路参数的 计算 负载平均电压 VL升高，纹波减少，且 RLC 越大，电容放电速率越慢，则负载 电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。 为了得到平滑的负载电压，一般取： 19 PWM 开关电源 在本设计中，我采用 AD250V 的 100181。 F 电容。 电容滤波电路的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。 一般常采用 以下近似估算法： RLC =（ 35） 的条件下，近似认为 VO=。 变压器 变压器不论工作频率高低，都是通过电磁感应来传输能 量的。 传输能量的 大小，与变压器所用的材料、结构、尺寸和工作频率有关。 如果传输的能量为定 值，工作频率高，在一定时间内传输能量的次数多，每一次传输的能量可以少， 则变压器用的材料少，结构尺寸小。 用脉宽调制（ PWM）方式改变变压器传输能 量和电压大小，是一种外加控制方法。 使用条件包括两方面内容：可靠性和电磁兼容性。 可靠性是指在具体的使用条件下，高频电源变压器能正常工作到使用寿命为 止。 一般使用条件对高频电源变压器影响最大的是环境温度。 其磁通密度，磁导 率和损耗都随温度发生变化，故除正常 温度 25℃ 外，还要给出 60℃ ， 80℃ ， 100℃ 时的各种参考数据。 电磁兼容性是指高频电源变压器既不产生对外界的电磁干扰，又能承受外界 的电磁干扰。 电磁干扰包括可闻的音频噪声和不可闻的高频噪声。 高频电源变压 器产生电磁干扰的主要原因之一是磁芯的磁致伸缩。 磁致伸缩大的软磁材料，产 生的电磁干扰大。 屏蔽是防止电磁干扰，增加高频电源变压器电磁兼容性的好办 法。 但是为了阻止高频电源变压器的电磁干扰传播，在磁芯结构和绕组结构设计 也采取了相应的。