下载文档原格式
开关电源讲稿开关电源的电路结构有多种，分类方式也有多种，作如下说明：1．按驱动方式分有自激式和他激式。
2．按DC-DC 变换器的工作方式分（1）、隔离式有通/通方式、通/断方式、中心抽头方式、半桥和全桥方式、谐振方式。
（2）、非隔离式有降压型（●）、升压型（●）、极性反转型、开关电容型以及谐振型。
3．按控制方式分（1）、脉宽控制方式有自激式和他激式。
（2）、磁放大器的混合控制方式有电压控制、电流控制。
（3）、脉宽控制与磁放大器的混合控制方式。
4．按控制信号的隔离方式分（1）、光电耦合的隔离方式（●）。
（2）、变压器的隔离方式。
（3）、电压/频率变换、频率/电压变换、用变压器隔离控制信号的方式。
（4）、磁放大器的隔离方式。
5．按过流保护方式分（1）、输出电流检测方式（2）、开关电流检测方式以上这些方式的组合可构成多种方式的开关电源，今天我们主要介绍上面带黑点的三个项目，这也是最常见的开关电源类型。
一、降压型变换器低压型开关电源一般也称为DC-DC 变换器，它属于非隔离式开关电源。
在许多家电电器中有广泛的应用，比如象便携式CD 、VCD 、MP3，笔记本电脑等1．为了便于讲解降压型DC-DC 变换器，首先介绍降压型DC-DC 变换器的等效模型，如图（1）所示：开关导通时，加在电感L 两端的电压为O I V V -，这期间电感L 由电压O I V V -励磁，电感存储能量，磁通量增加量为on O I on t V V *-=∆Φ)(……………………①开关断开时，由于电感电流连续，二极管为导通状态。
输出电压O V 与开关导通时方向相反加到电感L 上。
这期间电感L 消磁，电感释放能量，磁通量减少量为off O off t V *=∆Φ……………………………②稳态时，电感L 中磁通量增加量与减少量相等，即off on ∆Φ=∆Φ，因此，上述①、②式联立可得：D V t t t V V I off on on I O *=+*=，其中D 是占空比1≤+=offon on t t t D ——显然这种结构形式的DC-DC 变换器输出的电压只会小于或等于输入的电压，因此它属于降压型变换器。
开关电源中的控制理论基础知识(八)普高（杭州）科技开发有限公司 张兴柱 博士组合环节的Bode 图有了上面介绍的基本环节Bode 图后，也就可以方便地作出一个复杂环节传递函数的Bode 图了。
一般情况下，一个复杂环节的传递函数往往可以用上面介绍的简单环节传递函数之乘积来表示。
如一个复杂的传递函数可用几个简单的传递函数表达成：)(...)()()(21s G s G s G s G n ××= ，利用公式：)(log 20...)(log 20)(log 20)()...()(log 20)(log 202121ωωωωωωωj G j G j G j G j G j G j G n n +++==)(...)()()]()...()([)(2121ωωωωωωωj G j G j G j G j G j G j G n n ∠++∠+∠=∠=∠将各基本环节的Bode 图之幅频特性和相频特性分别相加后，就可得到复杂传递函数Bode 图的幅频特性和相频特性。
下面用两个传递函数作为例子，来说明复杂传递函数的Bode 图。
例子一：Buck 变换器的功率级小信号传递函数之一：)1(1111)(2222zc oo g o o zc gvd s s Q s V s Q s s V s G ωωωωωω+×++×=+++= 这个小信号传递函数是Buck 变换器在CCM 模式下的控制占空比对输出电压的小信号传递函数。
它可用三个基本环节组合得到，第一个基本环节是一个增益为g V 的比例环节；第二个基本环节是一个谐振频率为o ω的双极点环节；第三个基本环节是一个零点频率为zc ω的左半平面单零点环节。
每一个基本环节的Bode 图都可容易获得，对它们进行相加后，也就可例子二：电压型控制的补偿器传递函数：)1()1()1()1()(2121p p z z I c s s s s s s G ωωωωω++++=这个小信号传递函数是多数DC-DC功率变换器在构成电压型控制时，所选择的补偿器传递函数。
开关电源中的磁元件基础知识(一)普高（杭州）科技开发有限公司张兴柱博士一：磁学基本定律图1：通电线圈周围所产生的磁场示意图在电磁学中，我们知道通有电流的导线或线圈周围会产生磁场，图1是通电线圈周围所产生的磁场示意图。
当线圈中的电流为直流电流时，所产生的磁场是直流磁场；当线圈中的电流是交流电流时，所产生的磁场是交流磁场。
图中的磁场用带方向的磁力线（磁通）表示，磁力线的方向可用右手定则判断（握住右手，四指对住电流的方向，大拇指的方向即为磁通的方向），另外要注意的就是磁力线的闭合性，这是磁场的一个重要特性。
m图2：环形铁芯中的磁场既然磁场是有电流产生的，那么磁场与电流之间究竟满足什么样的关系呢？对于图2所示的环形铁芯，假定其导磁率非常大，由线圈电流所产生的磁场均匀地分布在铁芯之内，那么在铁芯中所产生的磁场满足安倍环路定律（简称安倍定律），其数学表达式为：l tH m=（1）)(tni)(公式右边是线圈中的电流和线圈的匝数乘积，也叫线圈的安匝数，公式的左边是铁芯的磁场强度和铁芯的平均磁路长度乘积。
从公式（1）可知，当线圈的安匝数已知时，由该安匝数在铁芯中所产生的磁场强度为： ml t ni t H )()(= （2） 安倍定律告诉我们磁场产生的根本原因是电流，只要在线圈中通有电流，在线圈的周围就会有磁场，当线圈绕在一个导磁材料上时，因为导磁材料的导磁率非常高，所以由电流产生的磁场就主要集中在导磁材料内，为了简化分析，通常还把导磁材料内的磁场看成是均匀分布的磁场，下面要介绍的一些磁学定律都是建立在均匀分布磁场这一假定之上的。
一旦在铁芯中产生了磁场)(t H 后，铁芯中就会产生磁通)(t Φ，磁学中将单位面积通过的磁通定义为磁感应强度（或磁通密度，该定义也可用图3表示），如下式： cA t tB )()(Φ= （3）(Φ(B 总磁通磁通密度cA图3： 磁感应强度的定义 其中：c A 为铁芯的截面积。
对于导磁材料来讲，其磁感应强度和磁场强度存在着下列关系：)()(t H t B µ= （4）其中：o r µµµ=，o µ为真空的导磁率，meter Henries o /1047−⋅=πµ，为一常数；r µ为相对导磁率，6310~10=r µ，与导磁材料的组成有关，不是常数，详见后续介绍。
开关电源中的功率开关基础知识(一)普高（杭州）科技开发有限公司 张兴柱 博士理想开关的特征：理想开关是电路中早就学过的一个元件，其符号如图1(a)所示，通过控制，可以让开关K K控制K (a) 符号 (b) 简化图1：理想开关的电路符号图1：导磁材料的BH 曲线闭合或者断开，在电路教材中，为了简单起见，这种开关上的“控制”两字一般不加标注，其符号被进一步简化成图1(b)所示。
电路中的理想开关，其特征是闭合时的电压为零，断开时的电流为零。
考虑控制及实际开关的限制，我们可以把图1(a)的这种理想开关在工作时的特征进一步细化成稳态特征和动态特征，总结如下：A ：稳态特征：当开关闭合时，作为理想开关的必要条件是：（1）：开关两端的电压为零；（2）：开关中流过的电流方向和大小无限制，即开关中的电流方向既可以正方向、也可以反方向，开关中流过的电流额定为无限大。
当开关断开时，作为理想开关的必要条件是：（1）：开关中流过的电流为零；（2）：开关两端的电压方向和大小无限制，即开关中的电压方向既可以正方向、也可以反方向，开关两端的电压额定为无限大。
B ：动态特征：开通过程，即开关从断开到闭合的过程，作为理想开关的必要条件是：控制开关开通的信号功率为零；开关开通过程的时间为零，即开关的开通可瞬间完成而且其控制不需要功率。
断开过程，即开关从闭合到断开的过程，作为理想开关的必要条件是：控制开关断开的信号功率为零；开关断开过程的时间为零，即开关的断开可瞬间完成而且其控制不需要功率。
具有上面稳态特征和动态特征的开关就是理想开关，对这种理想开关，我们还可以用图2的波形来形象地表示其特征。
其中控制信号为“H ”时，开关闭合，闭合时开关中的电流为Ion ，其值由外部电路决定，方向既可以正方向也可以反方向，且大小无限制，闭合时开关两端的电压为零；当控制信号为L 时，开关断开，断开时开关两端的电压为Voff ，其值由控制开关 电流Ion HL开关电压Voff 控制图2：理想开关的电路波形外部电路决定，方向既可以正也可以负，且大小无限制，断开时开关中的电流为零；当控制从H 瞬间跳变到L 时，开关也从闭合瞬间跳变到断开，跳变过程中，开关两端不会有高压产生；当控制从L 瞬间跳变到H 时，开关也从断开瞬间跳变到闭合，跳变过程中，开关内部不会有浪涌电流产生。
开关电源培训讲义漆逢吉第一章不间断直流电源供电系统概述DC图1—1 不间断直流电源供电系统框图（一）系统框图开关电源设备中包含交流配电部分、整流器、直流配电部分和控制器，它连同蓄电池组和接地装置，构成不间断直流电源供电系统，如图1—1所示。
交流配电：防雷，并对交流电源进行分配、控制、检测和保护等，主电路原理图参看设备使用说明书。
输入交流应采用三相五线制。
在这种制式中，工作地线（零线）与保护地线必须严格分开。
交流导线的截面积，一般按发热条件来选择。
铜芯绝缘导线的线芯截面积，可按4A/mm2来选取。
绝缘导线的线芯标称截面积（mm2）系列为：1、1.5、2.5、4、6、10、16、25、35、50、70、95、120、150、185、240等。
机房内的交流导线应采用阻燃型电缆。
保护接地的接地线应采用多股铜芯绝缘导线。
其线芯截面积的选取原则是：相线截面积S≤35mm2时，采用16mm2；相线截面积S>35mm2时，选用≥S/2。
整流器：把交流电变成所需直流电。
现在一般都采用高频开关整流器。
高频开关整流器采用无工频变压器整流、功率因数校正电路和脉宽调制高频开关电源技术，具有小型、轻量、高效率、高功率因数、高可靠性以及智能化程度高、可以远程监控、无人值守或少人值守等优点，因此得到了广泛应用。
通信用高频开关整流器为模块化结构。
在一个高频开关电源系统中，通常是若干高频开关整流器模块并联输出，输出电压自动稳定，各整流模块的输出电流通过均流电路实现自动均衡。
直流配电：连接整流器的输出端、蓄电池组和负载，构成浮充供电的不间断直流电源系统。
它对输出直流进行分配、控制、检测和保护等。
其主电路原理图如后面的图2—1所示。
直流馈电线的截面积，按允许电压降来选择。
根据欧姆定律，可按下式计算ILS≥（1—1）ΔUν式中S—导体截面积（mm2）；I—流过导线的电流（A）；L—导线长度（m）；ΔU—导线上的允许压降（V）；ν—导体的电导率（m/Ω·mm2）,铜为57,铝为34，是电阻率的倒数。
开关电源培训资料开关电源培训资料【第一篇】开关电源是一种常见的电源供应器件，被广泛用于各种电子装置中。
它具有高效率、小体积和轻量化的特点，因此在现代电子设备中得到了广泛的应用。
本篇文章将介绍开关电源的基本工作原理和一些常用的开关电源类型。
1. 基本工作原理开关电源的基本工作原理是利用开关管实现电源输入电压的高效率转换。
通常，开关电源有以下几个基本组成部分：(1) 输入滤波电路：用来对输入电压进行滤波，防止高频噪声对电源的影响。
(2) 整流电路：将交流电源输入转换为直流电压。
(3) 稳压调整电路：对直流电压进行稳压调整，以确保输出电压的稳定性。
(4) 开关转换电路：通过开关和控制电路实现输入电压的高效率转换。
(5) 输出滤波电路：对开关电源输出电压进行滤波处理，提供干净稳定的输出电压。
2. 常用的开关电源类型根据不同的应用需求和输出功率的大小，开关电源可分为多种类型。
以下是一些常见的开关电源类型：(1) 开环开关电源：这种类型的开关电源不具备反馈控制回路，输出电压不稳定且容易受到输入电压变化的影响。
它适用于一些对电源质量要求较低的应用场景。
(2) 闭环开关电源：闭环开关电源通过反馈控制回路对输出电压进行稳定控制，能够有效地抑制输入电压的波动对输出电压的影响。
它适用于对电源质量要求较高的应用场景。
(3) 开关电源的调整方式：开关电源的输出电压可以通过直接改变变压器的变比或通过在控制回路中加入调整电路来实现。
前者适用于输出电压变化范围较大的场景，后者适用于输出电压变化范围较小的场景。
(4) 开关电源的拓扑结构：开关电源的拓扑结构有很多种，如反激式、降压式、升压式、反激降压式等。
不同的拓扑结构适用于不同的输出功率和电源输入条件。
以上只是对开关电源的基本工作原理和一些常用类型的简要介绍，如果想深入了解开关电源的设计和应用，还需进一步学习相关领域的知识。
下一篇将继续介绍开关电源的设计方法和一些要注意的问题。
开关电源中的控制理论基础知识(四)普高（杭州）科技开发有限公司 张兴柱 博士单极点环节的Bode 图作为一个稳定的传递函数，其极点必须在左半平面，所以单极点环节的传递函数为： ps s G ω+=11)( 用ωj s =代入后，得p j j G ωωω+=11)(，故有： 0)(1log 20)(log 202≈+−=p j G ωωω p ωω< pp j G ωωωωωlog 20)(1log 20)(log 202−≈+−= p ωω> °≈−=∠−0tan )(1pj G ωωω 10p ωω< °−=−=∠−45tan )(1pj G ωωω p ωω= °−≈−=∠−90tan )(1p j G ωωω p ωω10> 利用上面的近似关系，可以画出左半平面单极点Bode 图的渐近线，如图1所示。
从它的幅频特性可以看出，在频率低于极点频率p f 时，其增益为0dB 或传递函数的实际增益为1，当频率高于p f 时，其幅频特性的增益按Dec dB /20−的斜率衰减。
其中πω2p p f =。
是单极点环节的极点频率。
从它的相频特性可以看出，当输入信号的频率很低时（10p f f <），其输出信号基本上与输入信号同相，在输入信号的频率高到一定时（p f f 10>），其输出信号比输入信号滞后-90度。
°0°°°°)图1： 左半平面单极点环节的Bode 图图2是左半平面单极点的电路实现，从这个极点的Bode 图，我们还可以将其看成是一个一阶的低通滤波器，该一阶低通滤波器的转折频率即为其极点频率。
in v ov 1R 1C p in o s v v ω+−=11111C R p =ω1R图2：左半平面单极点环节的电路实现在后面将要介绍的开关稳压电源系统中，为了实现开关电源的宽带宽，通常在积分环节之后，先要加几个左半平面单零点环节来提升系统环增益的相位，然后再加几个左半平面单极点来提高系统抗高频扰动的能力。
磁学基本定律张兴柱博士
磁学与电学的相似性
磁学与电学的相似性
张兴柱博士
磁学的基本单位
磁学的基本单位张兴柱博士
磁芯材料的BH曲线
磁芯材料的BH曲线
张兴柱博士
磁路的基本元件—磁阻
磁路的基本元件—磁阻
张兴柱博士
张兴柱博士
张兴柱博士
复杂磁路的分析步骤
复杂磁路的分析步骤
张兴柱博士
分析步骤：
第一步：将实际的磁路画成等效的集中磁路；
第二步：计算各磁路元件的磁阻；
第三步：用磁路KCL，KVL定律计算磁通，磁密和磁场强度；
第四步：计算其它的变量。
铁芯的磁滞损耗
铁芯的磁滞损耗 张兴柱博士
铁芯的涡流损耗
铁芯的涡流损耗 张兴柱博士
实际铁芯损耗的经验公式
实际铁芯损耗的经验公式
张兴柱 博士
经验公式：
βmax )(B K l A P fe m c fe = ξf K K feo fe =
其中：公式中的系数可从铁芯制造商的手册中查得。
对于铁氧体：β在2.6~2.8之间。
单绕组铁芯元件-电感
单绕组铁芯元件－电感
张兴柱博士
绕组的低频损耗
绕组的低频损耗 张兴柱博士
张兴柱博士
张兴柱博士。
开关电源中的控制理论基础知识(二)普高（杭州）科技开发有限公司 张兴柱 博士比例环节的Bode 图比例环节的传递函数为： 0)(>=K s G用ωj s =代入后，得0)(>=K j G ω，故有：K j G log 20)(log 20=ω ，°=∠0)(ωj G 图1(a)和图1(b)分别是比例环节在1>K 和1<K 时的Bode 图。
图2是比例环节在K<1时的电路实现，在K>1时可用运算放大器来实现。
从其Bode 图inv 1R ov 2R图2： 比例环节在1<K 时的电路实现 可以看出，比例环节实际上这样的一个环节，对所有频率的输入信号，都有同样的增益，且输出的相位与输入的相位同相。
换句话说，任意一个信号经过比例环节后，其波形只会发生幅度的变化（或放大、或缩小），但形状绝不会失真。
另外还可以将其的相应速度理解为无限快（即输出与输入之间没有任何延迟）。
在后面将要介绍的开关电源系统中，有许许多多比例环节，如输出电压取样环节，电压型控制时的PWM调制器，光耦隔离环节，变压器隔离驱动环节、采用电阻或电流互感器的电流取样环节等等。
比例环节的特例：G(S)=1这是比例环节的一个特例。
在数学中，它指的是系统的输出与输入完全相同。
下面用两个例子来说明这个特殊比例环节的物理意义：例子一：测试用的示波器对示波器而言，其最希望的传递函数就是G(S)=1，因为只有这个传递函数，才能保证在测试的所有频段内，所测得的波形均不失真。
而一个实际的示波器，由于组成其的元器件有限制，它有一个带宽指标，在这个带宽内，其可用为G(S)=1的比例环节来等效，在这个带宽之上，其传递函数就不再是比例环节了，而可能是按（-20dB~-xxdB）/dec衰减的另外一种传递函数。
这就是说，用示波器来测试波形时，如果所测试的波形中，有高于示波器带宽的频率分量，则所测试的结果就不是真实的结果，因为那些高于示波器带宽的频率分量会被衰减和失真，结果是造成所测试波形的失真。
开关电源中的磁元件基础知识(二)普高（杭州）科技开发有限公司张兴柱博士磁性材料特性：)()(tHtBµ=（1）任何导磁材料，其磁通密度与磁场强度之间满足方程（1）的关系，仅从关系看，随着磁场强度的增加，其磁通密度也将增加，但对于一个实际的导磁材料，这个关系并不是一个线性关系，而可用图1所示的曲线来表示。
H图1：导磁材料的BH曲线导磁材料的BH曲线对称于原点，由于多数导磁材料的导磁率很高，所以图1绘制的BH曲线偏向于B轴，从图1的BH曲线可知，当在BH曲线的非饱和段内，用一个很小的磁场H就可以获得一个很大的磁通密度B，进而获得一个大的磁通Φ，这也正是研究导磁材料的目的，但从曲线中还发现，当外加磁场加到一定值后，其磁通密度就基本不变了，这一不变的磁通密度反映了磁性材料有一种特殊的现象---磁饱和，不同的导磁材料，其饱和的磁通密度会有很大的区别。
如硅钢片材料，其最大饱和磁密在20000Gass左右，铁粉芯材料，其最大饱和磁密在10000Gass左右，而铁氧体材料，其最大饱和磁密只有4000Gass左右。
导磁材料为什么在外部磁场增加到一定值时，其磁通或磁通密度就会饱和呢？这个问题的解释在电磁学原理中已有详细的介绍，下面再将这一解释简要地介绍给读者作一回顾。
图2N极和S极的==satH<satB<（a）（b）satHsatB=（c）图2：导磁材料在第一次磁化时的内部磁极子排列极小磁性，这个导磁材料在第一次加外部磁场前，其内部磁极子的N-S方向完全随机，对外不呈现磁场，所以有B=0，如图2（a）所示，这一点对应了图1 B-H曲线中的原点；此后如给上述导磁材料外加一个磁场H（也称磁化或励磁），则导磁材料内部的部分磁极子方向会趋向于和外部磁场相同的方向，外部磁场加得越大，就会有越多的磁极子方向与外部磁场H的方向相同，其对外呈现的磁通密度B也就越大，图2（b）是外部磁场还不是很大时的导磁材料中的磁极子排列；当外部磁场继续加大，直到导磁材料内部的所有磁极子方向均和外部磁场方向相同时，磁性对外呈现的磁通密度B为最大，此后即使继续增加外部磁场，磁性对外呈现的磁通密度B也不会再有变化，这就是导磁材料饱和现象的物理解释，磁性饱和时，其内部中的磁极子排列如图2（c）所示。
开关电源中的控制理论基础知识(一)普高（杭州）科技开发有限公司 张兴柱 博士传递函数的频域表示---Bode 图 v 图1： 控制理论中最常见单变量系统的传递函数方块图在控制理论中，一个典型的控制系统往往用它们传递函数的方块图来表示。
图1是最常见的一个单变量控制系统的传递函数方块图，它是一个负反馈随动系统。
通过取样输出，并与给定进行比较，再将比较后的误差信号进行放大，并有执行机构去调整输出，使之跟随给定。
在控制理论分析这种系统的稳定性时，会先将每一个环节用它们的传递函数表示出来，如图1中的取样环节，其传递函数用)(s H 表示，误差放大环节的传递函数用)(s G c 表示，执行机构的传递函数用)(s G 表示，然后绘制出系统的传递函数方块图，最后从这个方块图获得系统的闭环输出与给定的关系。
经推导可得图1这种系统的闭环输出和给定之间的关系为：)()(1)()(1)()()()()(1)()(s H V s T s T s T V s G s G s G s G s H V s G s G v ref ref c c ref c o +=+=+= 由于)(s G c 是需要设计的传递函数，所以闭环后的输出只有在0)(1≠+s T 时才有解。
)()()()(sG s G s H s T c =是引入的环增益，它为环内各传递函数的乘积，一个系统能否稳定工作，及稳定后工作的好坏都与环增益)(s T 有关，这是一个非常重要的参数。
那么如何用最简单的方法来分析一个已有系统的稳定性，或者来设计一个新系统的补偿参数以保证该系统具有最优越的动态特性呢？这些都会涉及到)(s T ，控制理论已用很大的篇幅介绍了分析和设计)(s T 的工具 --- Bode 图。
)()()(s v s v s G in o =图2： 传递函数的定义Bode 图是将图2定义的一个传递函数)(s G ， 在频域算子s 用ωj 代替后，得到的)(ωj G 用其幅频)(log 20ωj G 和相频)(ωj G ∠所绘制的一组曲线。
