1、高頻開關電源工作原理高頻開關電源工作原理 1培訓內容1、開關電源的概念2、開關電源的主要指標3、開關電源的概念和開關電源的分類4、開關電源的工作原理5、通信設備對開關電源的要求2一、開關電源的概念1 1、開關電源的概念、開關電源的概念 開關電源是一個能量轉換器，作為電源的功率器件工作在開關狀態（開關管、電感、高頻變壓器、電容、整流二極管）開或關狀態，其特點是頻率高、功耗低、工作效率高、體積小、輸入范圍寬(Switching Regulator - A switching circuit that operates in a closed loopsystem to regulate the p

2、ower supply output)通過閉環系統調節，使輸出電壓保持穩定。 3一、開關電源的概念2 2、開關電源和線性電源、相控電源的比較、開關電源和線性電源、相控電源的比較 線性電源：線性電源的主要特點就是功率器件工作在放大狀態，具有穩定度高、可靠性好、成本低等優點，但是效率低、笨重和體積大的缺點。只能做中、小功率的電源。 相控電源：是通過控制可控硅的導通角來達到穩壓作用，功率因數比較低、效率低、笨重、體積大。4一、開關電源的概念3 3、開關電源（、開關電源（swichingswichingmode power supplymode power supply） 開關電源因為體積小、效率高已

3、經充斥了我們的日常生活，從移動電話的充電器，到我們的彩電、音像供電電源；從路邊的霓虹燈，到車站的電子顯示牌，這些都用到了開關電源；從我們的臺式計算機，到便攜筆記本電腦等等，這些都離不開開關電源。 當然開關電源的輸入并不限于是交流（AC/DC電源），還可以是直流（DC/DC電源和DC/AC電源）。開關電源交流輸入電壓范圍比較寬，可以從幾十伏到上千伏。就目前而言，開關電源的控制方式有兩種：脈寬調制和頻率調制（Pulse Frequency Modulation PFM）。脈寬調制（Pulse Width ModulationPWM）方式比較常見，我們中興通訊電源均采用的是這種方式。 5一、開關電源

4、的概念4 4、開關電源的主要指標、開關電源的主要指標無故障運行間隔時間 這是開關電源最重要的指標，衡量了開關電源的工作可靠性。一般說的是開關電源平均無故障運行間隔時間越長約好。工作效率 輸出功率與輸入功率的比值就是開關電源的工作效率，衡量開關電源在變換過程中所產生的損耗，對于目前我們的開關電源工作效率在85%以上。電壓調整率 指在負載保持不變的情況下，輸出電壓變化與單位輸出電源和輸入電壓變化量的百分比。Sv（V0V0 Vi）。該參數表示了電源的穩壓特性。6一、開關電源的概念4 4、開關電源的主要指標、開關電源的主要指標負載調整率 指的是輸出負載變化時，引起的輸出電壓的變化。 SL（V0V0 ）

5、。 V0 是原先的輸出紋波（峰峰值） 這個指標衡量了開關電源的電磁兼容性，紋波越小越好。一般小于輸出電壓的百分之三毫伏，例如對于53.5V電壓來說，輸出紋波就位150毫伏。7一、開關電源的概念、開關電源的一些名詞概念有功功率（Acitive power):電能轉換成其他能量所消耗的功率，單位為瓦（W），用P表示。無功功率(Unactive power):沒有消耗功率，只是能量在電感和電容之間轉換的功率部分，單位為VA，用Q表示。視在功率(Aparent power):指的是交流輸入功耗，也叫表觀功率，其單位是VA，用S表示。 S S2 2=P=P2 2+Q+Q2 2功率因數(Power fac

6、tor):有功功率與視在功率的比值，它表示交流電轉化成其他能量的能力。功率因數P/S。功率因數校正后為0.9999。8二、開關電源的電路組成 不管什么樣的開關電源必須包括以下幾個部分：不管什么樣的開關電源必須包括以下幾個部分：1、輸入電路、輸入電路 D D級防雷電路、交流輸入的級防雷電路、交流輸入的EMIEMI電路、輸入整流器濾波電路、輸入緩啟電路、輸入整流器濾波電路、輸入緩啟動電路、動電路、APFCAPFC電路。電路。 D級防雷是吸收雷電殘壓，保護開關電源不受損壞，一般是由壓敏電阻和放電管組合使用；交流輸入的EMI電路一般是用來抑制共模噪聲干擾的，是由共模電感、X、Y電容組成，將噪聲吸收到大

7、地（機殼）；輸入緩啟動電路如下圖所示,由于電容電壓不能突變，所以在剛接通電源的瞬間，電容的充電電流比較大，需要采取措施進行限制，否則電源設備無法供電。9二、開關電源的電路組成1 1、輸入電路（續）、輸入電路（續） APFCAPFC電路，是有源功率因數校正電路電路，是有源功率因數校正電路。它是一個升壓電路，電路結構采用的是BOOsT電路，輸出電壓一般規定在410VDC左右。由于開關電源所采用的器件全部工作在非線性狀態，電路上有電感和電容，所以會造成交流輸入電壓和電流的相位存在相位差，導致交流電不能全部做功，一部分在電感和電容中轉換。另外交流電壓和電流波形出現畸變，造成諧波分量增加，干擾增加。功率

8、因數校正電路就是將電壓和電流相位強制到一致，同時對波形給予修正。10二、開關電源的電路組成 開關電源APFC電路11二、開關電源的電路組成 輸入緩啟動電路原理圖輸入緩啟動電路原理圖12二、開關電源的電路組成2、功率變換電路、功率變換電路 將PFC輸出的410VDC高壓進行變換，變成高頻高壓脈沖電壓，然后驅動高頻變壓器，變壓器將高壓脈沖電壓變成低壓脈沖電壓。該部分的主要器件是開關功率器件和高頻變壓器。3、輸出電路、輸出電路 輸出電路主要是全波整流電路和濾波電路、輸出EMI電路。全波整流器電路所用的整流二極管不是普通的，一般用采用快恢復二極管或肖特基；濾波電容用的是高頻低阻電容。13二、開關電源的

9、電路組成4、控制電路、控制電路 控制電路是開關電源電路的核心之一。PWM控制芯片決定開關電源的工作模式，該芯片產生兩路相位相反的驅動信號來驅動功率開關器件工作，通過脈沖寬度來控制開關管的導通時間，從而調節能量傳遞的大小。開關電源的控制電路是一個閉環控制系統，所以能及時保證輸出電壓穩定不變，閉環有兩個環來調節，內環是電流環調節，確保開關電源的動態響應時間，速度比較快。外環是電壓調節環，確保電壓的穩定，速度相對較慢。輸出過壓保護、均流電路、過熱保護、限流保護、短路保護以及交流輸入過欠壓保護是開關電源的輔助電路。14二、開關電源的電路組成15三、開關電源的常用電路類型 我們一般按照我們一般按照DC/

10、DCDC/DC變換的方式來劃分開關電源的電路類變換的方式來劃分開關電源的電路類型，包括單端正激電路、單端反激電路、推挽電路、半橋電型，包括單端正激電路、單端反激電路、推挽電路、半橋電路和全橋電路。下面我們對每個電路的情況給予簡單的描路和全橋電路。下面我們對每個電路的情況給予簡單的描述。述。1 1、單端反激電路、單端反激電路 反激式開關電源的核心部分是反激式直流直流變換器，基本電路如下圖所示：單端反激電路一般用在小功率電源和開關電源的輔助電源上。其占空比可達100，控制芯片一般用的是UC3842和UC3843。16三、開關電源的常用電路類型 反激式電路原理圖17三、開關電源的常用電路類型3、單端

11、正激電路 正激式開關電源的核心部分是正激式直流直流變換器，基本電路如下圖所示。正激電路變壓器的利用率比較高，工作時的占空比小于50，工作頻率是振蕩頻率的一半，所使用的控制芯片一般是UC3844和UC3845。可以做中型功率的開關電源，使用雙管正激電路，其功率可以做得更高一點。雖然功率變壓器不像反激式電路要開氣隙，但是一般要在變壓器中加去磁繞組，在關斷時將付邊的能量反射到交流輸入上。18三、開關電源的常用電路類型 正激電路原理圖（單管正激）+-Uin RL UO +-+IO LO V3 V4 C T V1 V2 W2 i iL 1W 1W 1i 19三、開關電源的常用電路類型 正激電路原理圖（雙

12、管正激）+-Uin +-+C LT1T2K1K2K3K4V1V2V3V420三、開關電源的常用電路類型4、推挽電路 推挽式功率變換電路原理圖，如圖下圖所示。推挽電路要求輸入電壓低，兩個開關管的耐壓要求是輸入電壓的2倍，所以一般用在DC/DC電源中。推挽電路一般用在中型功率電路上，變壓器雙向激勵，變壓器效率高,但是變壓器容易出現磁偏現象。它的功率比正激電路稍微大一點，但是存在開關管“直通”的危險。 工作時兩個功率開關管V1、V2交替導通或截止。當V1和V2分別導通時，W1和W2有相應的電流流過，這時變換器次級將有功率輸出。當V1導通，V2截止時，V2集射兩端承受的電壓為2倍的Uin，而在V1、V

13、2都處于截止時它們所承受的電壓為輸入直流電壓Uin。21三、開關電源的常用電路類型 推挽電路原理圖+Uin-LV1V2W1W2Uce2Uin Uintt Ic00TonToffT22三、開關電源的常用電路類型5、半橋電路 半橋電路有兩個功率開關管，通過兩個串連的電容器來構成工作回路，這兩個功率管交替導通驅動高頻變壓器進行能量傳遞，變壓器是雙向激勵的。半橋電路同樣存在變壓器磁偏現象，會出現“直通”問題。同樣的變壓器的情況，半橋的輸出功率大于推挽電路。如下圖所示：C1和C2的作用主要是實現靜態時分壓，使Ua=1/2Uin。當V1導通，V2截止時，輸入電流方向為圖中虛線方向，向C2充電；當V1截止，

14、V2導通時，輸入電流方向為圖中實線方向，向C1充電。當V1導通，V2截止時，V2兩端承受的電壓為輸入直流電壓Uin。23三、開關電源的常用電路類型 半橋型開關電源原理圖+-LV1V2Uce Uin Uin/2tt Ic00TonToffT+-C1C2V3V4 Uin Ua24三、開關電源的常用電路類型6 6、全橋電路、全橋電路 全橋電路是大功率電源常用的電路，有四個開關管組成兩個橋臂。兩個橋臂分別導通激勵高頻功率變壓器，進行能量變換，但是存在開關管“直通”的危險。 全橋電路原理圖如下圖所示。由四個功率開關器件V1V4組成，變壓器T連接在四橋臂中間，相對的兩只功率開關器件V1、V4和V2、V3分

15、別交替導通或截止，使變壓器T的次級有功率輸出。當功率開關器件V1、V4導通時，另一對V2、V3則截止，這時V2和V3兩端承受的電壓為輸入電壓Uin在功率開關器件關斷過程中產生的尖峰電壓被二極管V5V8箝位于輸入電壓Uin。25三、開關電源的常用電路類型 全橋型電路原理圖+-LV1V2Uce Uin Uin/2tt Ic00TonToffTT+-V3V4V7V8V5V626三、開關電源的常用電路類型7 7、幾種類型電路比較、幾種類型電路比較27四、通信用開關電源的基本要求1 1、開關電源的均流、開關電源的均流 一套開關電源系統至少需要兩個開關電源模塊并聯工作，大的系統甚至多達數十個電源模塊并聯工

16、作，這就要求并聯工作的電源模塊能夠共同平均分擔負載電流，即均分負載電流。均分負載電流的作用是使系統中的每個模塊有效地輸出功率，使系統中各模塊處于最佳工作狀態，以保證電源系統的穩定、可靠、高效地工作。負載均分性能一般以不平衡度指標來衡量，不平衡度越小，其均分性能越好，即各模塊實際輸出電流值距系統要求值的偏離點和離散性越小。國家有關標準和信息產業部入網要求其均分負載不平衡度5%輸出額定電流值。28四、開關電源的分類 一般是按照開關電源的輸入和輸出進行分類 AcAcdcdc：把交流輸入變換成直流輸出，一次電源。：把交流輸入變換成直流輸出，一次電源。 DcDcdcdc：把直流輸入變換成直流輸出，二次電

17、源。：把直流輸入變換成直流輸出，二次電源。 DcDcAcAc：把直流輸入變換成交流輸出，逆變器電源。：把直流輸入變換成交流輸出，逆變器電源。 AcAcAcAc：把交流輸入變換成交流輸出，：把交流輸入變換成交流輸出，UPSUPS電源。電源。29四、通信用開關電源的基本要求2 2、均流在組合開關電源柜中的體現、均流在組合開關電源柜中的體現 對于組合電源來說，一般要配置2臺以上的整流器，如果均流效果好，那么每個整流器的輸出電流基本“相近相近”。但是并不是理想狀態下的“非常均勻”，當負載比較小的情況下（負載電流為2A左右，平均狀態下每個整流器的輸出不超過1A），有可能某一個整流器輸出電流2A，而其他整

18、流器的輸出電流為零，這并不是電源系統不均流，而是在小電流情況下是否均流對組合電源系統來說意義并不是很大。均流的真正意義在于在整流器輸出電流比較大的情況下（30以上負載），各個整流器的輸出電流在小于5%范圍之內，保證整流器的可靠性。這個指標是以單個整流器的額定輸出電流為依據的，詳細情況請看下面的例子。30五、通信用開關電源的基本要求3 3、組合開關電源柜均流說明舉例、組合開關電源柜均流說明舉例 例如有一個通信基站用的是一套ZXDU300 V2.0電源設備，配置了5個整流器，負載使用的電流是30A。假如5個整流器的輸出電流分別是：7.5A、6A、6A、7A、4.5A，那么按照標準情況該組合電源的整

19、流器均流是符合條件的，即電流最大和最小之間的相差不超過30A103A（最大是7.5A，最小是4.5A），偏離中心值6A也符合要求。 假如這個基站設備的電流是3A，那么有可能出現某一個整流器的輸出電流3A，而其他整流器的輸出電流很小，幾乎為零。這種現象是正常現象，按照標準計算符合要求。另外對這么小的電流，均流已經失去意義。 31五、通信用開關電源的基本要求4 4、開關電源的保護功能、開關電源的保護功能 對于通信設備使用的開關電源來說，需要有以下幾個保護：輸出過壓保護、過熱保護、輸出短路保護、限流功能、輸入過欠壓保護。輸出過壓保護 開關電源的輸出電壓一般不會超出正常范圍，但是一旦超出正常范圍，那么

20、可能會對通信設備造成損壞。所以開關電源整流器設有輸出過壓保護，一旦輸出電壓超過設定值，那么開關電源會將輸出閉鎖。此閉鎖是不能自恢復的，需要斷電重啟才可以。32五、通信用開關電源的基本要求4 4、開關電源的保護功能、開關電源的保護功能( (續）續）輸入過欠壓保護 輸入過欠壓保護指的是在交流電壓過高或過低時關閉電源輸出，此關閉是可以自動恢復的，一旦條件滿足，開關電源會自動開始工作的。過壓保護是避免在輸入電壓高的時候，因功率開關管工作，而引起其損壞；欠壓保護是避免在輸入電壓低的時候，因輸入電流過大，而造成輸入器件（整流橋、開關管、變壓器）通過電流超過額定值而損壞，另外也是保證整流器工作在最佳狀態。3

21、3五、通信用開關電源的基本要求4 4、開關電源的保護功能（續）、開關電源的保護功能（續）限流保護 開關電源的限流是通過降低輸出電壓來實現的，這種保護電路一般設在開關電源的付邊。其限流有兩個方面的作用，一個方面就是保證開關電源輸出功率不超過額定值而損壞，提高可靠性（開關電源的限流點為輸出額定電流的110）；另外一方面就是在給蓄電池充電時限流，確保不過充（按照設定的限流值限流）。短路保護 短路保護檢測原邊的電流，采用控制芯片自帶的電流檢測電路來進行，短路保護響應速度快，采用的是逐脈沖限流方式，通過封鎖開關管驅動脈沖來達到限流的目的。短路保護是開關電源必須具備的最基本。 34五、通信用開關電源的基本

22、要求4 4、開關電源的保護功能（續）、開關電源的保護功能（續）過熱保護（Overheating protection) 開關電源在工作時會產生一定的熱量，如果這些熱量釋放不出去或沒有達到發熱和散熱平衡，那么開關電源的內部的溫度會上升。此時如果沒有保護，那么會造成功率器件過熱而損壞。我們的過熱保護是和冷卻風扇配合起來的，當溫度達到65時將電源降半載工作，當溫度繼續上升到75時整流器會關閉輸出，這種保護是可以自恢復的。 當然過熱保護并不能完全保護所有元器件，所以我們要盡量保證機房環境溫度在合適范圍內，確保通信設備安全可靠運行。35五、通信用開關電源要求4 4、開關電源的可靠性要求、開關電源的可靠性要求 可靠性是開關電源的重要指標，衡量標準是“平均