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《开关电源电路设计》课件

《开关电源电路设计》PPT课件
目录
• 开关电源概述 • 开关电源电路设计基础 • 开关电源性能分析与优化 • 开关电源的故障诊断与维护 • 开关电源的未来发展与挑战
01
开关电源概述
开关电源的定义与特点
总结词
开关电源是一种将电能进行转换的装置，通过控制开关管的工作状态，将电能从一种形式转换为另一种形式。
开关电源的基本原理是通过控制开关管的工作状态，将输入的直流电压转换成高频脉冲电压，再通过滤波和稳压电路转换成稳定的直流电压输出。开关电源主要由输入电路、控制电路、输出电路和开关管组成。Fra bibliotek详细描述
开关电源的基本原理是通过控制开关管的工作状态，将输入的直流电压转换成高频脉冲电压，再通过滤波和稳压电路转换成稳定的直流电压输出。开关电源主要由输入电路、控制电路、输出电路和开关管组成。输入电路的作用是滤除噪声并保护电路；控制电路则负责调节和稳定输出电压；输出电路则起到滤波和稳压的作用；而开关管则是实现电能转换的核心元件。
03
开关电源性能分析与优化
效率与热设计
效率分析
分析开关电源的效率，探究效率与电路参数、工作状态的关系，提出提高效率的方法。
热设计
研究开关电源的发热问题，分析热源分布、散热方式，提出有效的散热方案。
电磁兼容性分析
电磁干扰源
识别开关电源中的电磁干扰源，分析其产生机理和传播途径。
电磁兼容标准
整流电路设计
整流电路的作用
将交流电转换为直流电，为开关电源提供直流输入。
整流电路的组成
由整流二极管或整流桥堆等整流元件组成。
整流电路的设计要点
根据输入电压的波形和大小，选择合适的整流元件，确定整流电路的输出电压和电流。

《开关电源的设计》课件

详细描述
开关电源是一种将电能进行转换的装置，通过控制开关管的工作状态，将输入的直流电压或交流电压转换成所需的电压或电流。它主要由输入电路、输出电路、开关管、控制电路等部分组成。
开关电源的特点
总结词
开关电源具有效率高、体积小、重量轻、动态响应快、可靠性高等特点。
详细描述
开关电源的效率一般在80%以上，甚至可以达到90%以上，因此具有较高的能源利用率。同时，由于开关电源采用了高频变压器，使得其体积和重量都大大减小，方便了设备的集成和运输。此外，开关电源的动态响应速度快，可以快速地响应输入电压和负载的变化，提高了系统的稳定性和可靠性。
02 开关电源的基本原理
开关电源的工作原理
01
开关电源通过控制开关管开通和关断的时间比率，维
持输出电压的稳定。
02
当输入电压或负载电流发生变化时，控制电路会调整
开关管的通断时间，以保持输出电压的稳定。
03
开关电源的效率较高，因为开关管在截止期间不消耗
电能。
开关电源的电路组成
输入电路
包括滤波器、整流器和限流电路，用于将交流输入电压转换为直流电压。
根据不同的控制方式，可以选择不同的控制电路类型，如脉冲宽度调制（PWM）和脉冲频率调制（PFM）。
控制电路的设计原则
根据输出电压、电流的要求，选择合适的控制芯片、电阻和电容元件，并确定其参数。
04 开关电源的优化
提高效率的优化
优化电路拓扑结构
选择合适的电路拓扑结构，如 Boost、Buck等，以降低能量
设计故障诊断与保护电路，及时检测并处理电源故障，提高电源的可靠性。
05 开关电源的测试与调试
测试方法
输入测试

开关电源的工作原理与电路设计课件

03
开关电源的关键技术
开关管的选型与驱动设计
选型原则
根据应用需求选择合适的开关管型号，考虑耐压、耐流、导通电阻等参数。
驱动设计
设计合适的驱动电路，确保开关管在高频工作状态下可靠导通与关断。
保护措施
加入过压、过流、过热等保护措施，提高开关管的可靠性。
磁性元件的设计与优化
01
02
03
04
磁芯选型
。
开关电源在新能源、智能制造等领域的应用前景
新能源领域
随着新能源技术的快速发展，如太阳能、风能等，高效、可靠的开关电源将成为这些系统中的关键部件。它们需要将不稳定的原始能源转换为稳定的电能供给负载。
智能制造领域
智能制造、工业4.0等概念的兴起，要求电源系统更加智能、高效和可靠。开关电源因其特性，将成为智能制造领域中的首选。
针对开关电源动态响应和稳定性问题，探讨合适的控制策略，如采用恒频或变频控制、电流模式或电压模式控制等。同时，分析环路稳定性的关键因素，提出改善稳定性的方法。
06
开关电源的发展趋势与应用前景
开关电源的技术发展趋势
01
高效能转换技术
随着电力电子技术的进步，开关电源的效率已经接近理论极限。为了
进一步提升效能，新的拓扑结构、控制策略及高性能元器件将被不断引
应用领域
开关电源广泛应用于各种电子设备、通讯设备、家用电器、工业自动化设备等领域，是现代电子设备不可或缺的电源之一。
开关电源的优点和缺点
02
01
03
优点 • 高效能：开关电源具有高效能量转换率，能够节省
能源，降低能源成本。 • 稳定性好：输出稳定性好，不受市电电压波动和负
载变化的影响。

如何设计高效率开关电源

如何设计高效率开关电源开关电源中广泛用于我们的生活中，高效率的开关电源越来越受市场的青睐。

如何提高电源效率，成了电源设计时的重大课题。

本文将为你解读NTC 热敏电阻的使用方法，以及通过减小NTC 自身损耗提升电源效率的方法。

下图是一个较为完整的开关电源框架图：包括EMI 电路，输入，输出整流电路，PFC 电路，PWM 驱动电路,保护电路，变压器转换等。

想要提高开关电源的效率，首先需要了解开关电源在工作中存在哪些地方的损耗。

开关电源的损耗主要有输入整流器损耗，开关管损耗和缓冲电路损耗，控制，检测驱动和保护电路损耗，变压器和电感损耗，滤波电容器的损耗，多级电源变换的损耗，不合理控制方式的损耗，线路损耗等。

如何使用用继电器减小热敏电阻(NTC)损耗：在AC-DC 的开关电源设计中，工程师常常会在到AC 输入端加个热敏电阻（NTC ）来降低电源启动时浪涌电流冲击给电源带来的损害。

事实上热敏电阻在电源正常工作后电流持续流过会给电源带来一定的损耗。

比如使用一个25℃时为10Ω的NTC 热敏电阻，假设滤波电容的等效串联电阻为1Ω，那么浪涌电流的大小将相应的降到十分之一左右，可见NTC 的阻值越大限制浪涌电流的效果越好。

但是NTC 得阻值越大相对应的给电源带来的损耗也就越高。

如下图所示电路：LN上图所示的是一个输出100W 的AC-DC 电源前端电路的一部分，假设Z1使用一个25℃时为10Ω的NTC,在刚接通电源时，NTC 电阻将会有2W 左右的功率损耗：I 平均=P 总/V 有效值=100w/200V=0.45AP损耗=I平2*R=0.45A*0.45A*10=2W随后随着电流流过NTC热敏电阻，温度逐步升高，使用负温度系数的电阻在温度达到85℃的时候，电阻将会降到2Ω左右，在热敏电阻上长期损耗将会在0.4W左右。

假设100W 开关电源效率为80%，那么热敏电阻上损耗的占比将会是[0.4W/(100W/0.8)]*100%=0.32%。

高效率开关电源设计课程

32
低电压输出时整流二极管的损耗不可忽视（1）
低电压输出时整流二极管的电压降将不可忽略。
例如输出电压为24V或低于24V时，如果采用桥式整流电路结构和超快速二极管所产生的电压降将超过2.4V，这时由于整流器的导通损耗就使得输出整流电路本身的效率不会超过90%。采用全波整流电路可以使整流电路的损耗降低到原来的一半。
38
变压器漏感储能的处理与效率（1）
如果箝位电路是RCD电路，则漏感的储能将被完全转化为热能消耗掉，使得电源的效率降低。为了使这一部分能量不转化为热量，需要将箝位电路改为有源箝位或准谐振电路结构和相应的工作模式。或者将单管电路结构变为双管箝位电路结构，这样就可以使变压器漏感中的储能在开关管关断过程回馈的直流母线。
TVJM, ：125 ℃
RthJC, max, ：0.55 ℃ /W
26
碳化硅二极管的反向恢复时间与峰值电流更低
通过采用性能优异的 FRED或碳化硅二极管可以有效地降低由于二极管的反向恢复造成的损耗，提高开关频率，减小变换器的体积。
27
（三）其它元件损耗分析
28
线路寄生电感产生的开关损耗
42
变压器漏电感储能的处理与效率
在桥式电路结构和推挽式电路结构中，变压器漏感的储能可以部分回馈到直流母线。
40
变压器激磁电感储能的处理与效率（3）
如果电路采用桥式电路结构或推挽式电路结构，则变压器的激磁电感的储能在每一侧开关管关断后作为另一侧开关管开通时的反向激磁电流分量。
这种通过正反向激磁的方式充分利用激磁电感中的储能。
41
变压器激磁电感与漏感储能的处理与效率
如果单管正激、反激式开关电源采用双管箝位电路结构则可以用直流母线实现电压的箝位，这时的变压器激磁电感与漏感储能将回馈到直流母线中。因此，常规技术的双管箝位电路的效率比单管电路的效率高一些。其差值主要是变压器激磁电感与漏感储能的处理方式

开关电源设计 PPT

0.3 0m m
副边线径:
DS
4S
I 0 RMS
2
2 0.798m m
１、４输入整流桥计算
由于输入整流桥流过的最大峰值电流为０、６６７Ａ, 故选择２Ａ／６００Ｖ以上整流桥。
１、５输入滤波电容计算
输入滤波电容一般取输出功率的１－２倍,故取３３uF/400V
1、6、输出滤波电容计算
D min
3、1 单片机选择
考虑到BUCK电路开关频率需20Khz以上,选用总线频率高、并自身带ＰＷＭ发生器的单片机较合适。具体选ＦＲＥＥＳＣＡＬＥ公司的ＭＣ９Ｓ０８ＳＨ８。
选其内置振荡器工作方式,ＢＵＳ频率调至最高２０ＭＨＺ,ＰＷＭ选９位,此时ＰＷＭ频率可达５０ＫＨＺ
单片机Ｉ／Ｏ分配:
Ａ／Ｄ通道２路ＰＷＭ输出１路 “＋”、“－”按键２路ＬＥＤ或ＬＣＤ显示１１根共用１６根Ｉ／Ｏ
已知条件:
输入电压 AC:85—265V 输出功率PO=15W
输出电压:7、5V
额定输出电流:2A
输出纹波电压:≤ １００mV
1、2 电路结构选择
考虑到输出功率较小,主电路可选择单端反激式,为此选择
API(Advanced Power Integration) 公司的集成控制芯片
TOP202。
TOP202主要参数:
5、推换式开关电源
当滤波电感L的电流连续时,输出电压为: 当负载开路,则输出电压极限值为:
二、PWM控制芯片介绍
目前AC/DC常用的控制芯片有电压式和电流式两种。 1、电压式典型芯片有:TL494
2、电流型PWM控制器
例一、AC/DC 单路输出15W开关电源设计
1、1 设计要求

《开关电源详解》课件

开关电源的电路分析
01
02
03
04
开关管
是开关电源的核心元件，负责控制电流的通断。
整流二极管
负责将交流电转换为直流电。
滤波电容
用于平滑输出电压，减小纹波。
电阻、电感等元件
用于实现电压和电流的调节。
开关电源的波形分析
输入波形
Байду номын сангаас输出波形
开关管波形
整流二极管波形
表示输入电压和电流的波形。
表示输出电压和电流的波形。
04
开关电源的测试与调试
开关电源的测试项目与设备
测试项目
输入电压范围、输出电压范围、效率、功率因数、纹波电压等。
测试设备
万用表、示波器、功率计、效率计、频谱分析仪等。
开关电源的调试步骤与方法
调试步骤检查电路板焊接和元件安装是否正确；
测量输入和输出电压是否符合设计要求；
开关电源的调试步骤与方法
开关电源的可靠性设计
可靠性设计是保证开关电源长期稳定运行的关键，包括元件应力分析、冗余设计、故障诊断和预防性维护等。
元件应力分析需要考虑元件的工作电压、电流和温度等参数，避免过应力导致元件损坏。冗余设计可以在部分元件失效时保证电源的正常工作。故障诊断和预防性维护可以及时发现并处理潜在问题，提高电源的可靠性。
每种拓扑结构都有其特点和应用范围，选择合适的拓扑结构可以提高电源的效率、可靠性和性能。
拓扑结构的选取需要考虑输入输出电压、功率等级、效率和可靠性要求等因素。
开关电源的元件选择与计算
元件选择是开关电源设计中的重要环节，包括电感器、变压器、电容器的选择和计算。
电感器和变压器的磁芯材料、线圈匝数和绝缘层等参数需要根据电源的特性和要求进行选择和计算。

《开关电源设计》课件

电感的计算
根据电路要求计算合适的电感值，需要考虑输入输出电压、电流、开关频率等参数。
电阻的选择与计算
根据电路要求选择合适的电阻，需要考虑其阻值、功率、精度等参数，并根据电路参数计算出所需的阻值。
开关电源的优化设计方法
提高效率
采用低损耗元件、优化电路结构、降低热损耗等方法提高效率。
降低噪音
3
AFR（年度故障率）
设备在单位时间内发生故障的概率。
影响开关电源可靠性的因素
元器件质量
元器件的品质和可靠性直接影响开关电源的寿命和稳定性。
电路设计
合理的电路设计能够提高开关电源的稳定性和可靠性。
制造工艺
制造工艺的精细程度和质量控制影响产品的可靠性和稳定性。
环境因素
温度、湿度、灰尘等环境因素对开关电源的可靠性产生影响。
全桥式开关电源
适用于大功率、要求输出电压较高的场合。具有输出电压高
、效率高的特点。
开关电源的元件选择与计算
开关管的选择
根据电路要求选择合适的开关管，如MOSFET、IGBT等，需要考虑其额定电压、电流、开关频率等参数。
滤波电容的选择
根据输出电压的要求选择合适的滤波电容，需要考虑其容量、耐压、温度系数等参数。
详细描述
开关电源是一种将电能进行高效转换的设备，通过控制开关管的工作状态，实现电压和电流的调节。它具有高效率、高可靠性、体积小、重量轻等特点，因此在许多领域得到广泛应用。
开关电源的应用领域
总结词
开关电源广泛应用于通信、计算机、工业控制、医疗器械等领域。
详细描述
开关电源具有高效率、高可靠性、体积小、重量轻等特点，因此在许多领域得到广泛应用。它广泛应用于通信、计算机、工业控制、医疗器械等领域，为各种电子设备提供稳定的电源供应。

开关电源原理设计及实例ppt课件

2
4.1 概述
一般电力(如市电)要经过转换才能符合使用的需要。转换方式有交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率中取小功率等。按电力电子的习惯称谓，AC-DC(AC表示交流电，DC表示直流电)称为整流，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 -直流变换。开关电源主要组成部分是DC-DC变换器，涉及频率变换，其实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，显得很简单，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。
全桥
变压器双向激磁，容易达到大功率结构几百W~几百kW 大功率工业用电复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，源、焊接电源、需要复杂的多组隔离驱动电路电解电源等变压器双向激磁，没有变压器偏磁问题，几百W~几kW 开关较少，成本低有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路变压器双向激磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W~几kW 各种工业用电源，计算机电源等低输入电压的电源
3
4.1 概述
单管正激单端反激 DC-DC变换器推挽双端半桥全桥双管
4
4.1 概述
带变压隔离器的变换器是从第3章基本变换器派生、组合、演变而来的。它们从哪个基本变换器变来，就带有哪个基本变换器的本质特征。所谓派生，是指变压隔离器插入到各基本变换器各不同的点上而形成的电路。由于变压隔离器有单端式、并联式、半桥式和全桥式四种，因此，可得到很多电路。所谓组合是指变换器的串联形式引起的变化。例如降压与升压变换器相串，或者升压与降压变换器相串等等。这与第3章讨论的角度不同，本章是有意识地往隔离方向引导，并加以讨论，从而得到一些有应用价值、使用较广的电路。图4-1给出了隔离DC-DC变换器功能示意图。

开关电源PPT课件

的损耗，目前开关电源工作效率在85%以上。
③电压调整率
负载保持不变的情况下，输出电压变化与单位输出电
压和输入电压变化量的百分比。
V0
04.12.2020
SV
V0 Vi
%
21
④负载调整率
输出负载变化时，引起的输出电压的变化。
SL
V0
V0
%
⑤输出纹波（峰－峰值）
衡量开关电源的电磁兼容性，纹波越小越好。一般小
04.12.2020
17
5）电源产品的图片
A：一次电源产品的图片（AC/DC）
B：工业电源产品的图片（AC/DC）
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18
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19
04.12.2020
20
3、开关电源的主要指标
①无故障运行间隔时间
开关电源平均无故障运行间隔时间越长约好。
②工作效率
输出功率与输入，衡量开关电源在变换过程中所产生
04.12.2020
14
3）开关电源缺点：效率低（40%左右），变压器、散热片体积大。
由电磁感应定律：
d d
B
e
dt
dt
S
B
dS
S
t
dS
B
H
S
t
dS
S
t
dS
开关电源的中心思想：用提高工作频率来提高电源的
功率密度，减少变压器的体积和重量。采用开关提高
了电能的转换效率，典型的PC电源效率为70%-75%，
电源稳定度：<2%
负载稳定度：<2%
转换效率：>80%
功率因素：>50%
纹波电压：<100mV

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• 10、人的志向通常和他们的能力成正比例。14:43:0614:43:0614:4312/5/2020 2:43:06 PM
• 11、夫学须志也，才须学也，非学无以广才，非志无以成学。20.12.514:43:0614:43Dec-205-Dec-20
• 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。14:43:0614:43:0614:43Saturday, December 05, 2020
电流泵对功率因数的贡献
通过简单的电路可以将开关电源的功率因数提高到要求值。
3. 用NCP1207实现准谐振反激式开关电源
（1）75W显示器开关电源电路图
75W显示器开关电源电路板图
75W显示器开关电源电路板元件排布图
动态自供电示意
（2）12V24W带有同步整流器的准谐振开关电源设计实例8127D
2. 应用ICE1QS01实现准谐振反激式开关电源
解决方法2：数字降频
利用Infineon的数字降频的准谐振反激式开关电源控制芯片ICE1QS01对反激式开关电源进行控制，实现数字降频。
数字降频特性
数字降频的开关管漏-源极电压波形
重负载时开关管的漏-源极电压波形
数字降频的开关管漏-源极电压波形
电路图
电路板图
元件排布图
变压器设计
输入电压与整流输出电压
变压器设计
效率按87%计算，输入功率与输出功率的关系：
变压器设计
直流母线的电流平均值
变压器设计
开关管选择800V耐压，对应的反冲电压：其中尖峰电压选330V。
变压器设计
最大占空比：
变压器设计
开关管峰值电流：
变压器设计
开关频率为70kHz时对应的开关管导通时间
• 13、志不立，天下无可成之事。20.12.520.12.514:43:0614:43:06December 5, 2020
• 14、Thank you very much for taking me with you on that splendid outing to London. It was the first time that I had seen the Tower or any of the other famous sights. If I'd gone alone, I couldn't have seen nearly as much, because I wouldn't have known my way about.
最高电源电压和最大负载时开关管漏-源极电压波形
电源电压在180 VAC时效率与输出功率的关系
电源电压在240 VAC时效率与输出功率的关系
满负载的开关管栅极电压与漏极电压波形（180V、输入时）
中等负载的开关管栅极电压与漏极电压波形
轻负载
空载的开关管栅极电压与漏极电压波形
• 9、春去春又回，新桃换旧符。在那桃花盛开的地方，在这醉人芬芳的季节，愿你生活像春天一样阳光，心情像桃花一样美丽，日子像桃子一样甜蜜。20. 12.520.12.5Saturday, December 05, 2020
变压器设计
选择EF25磁芯，有效截面积：52.5mm2，最大磁感应强度选250mT，对应的初级绕组匝数：
变压器设计
绕组导线的选择，为了降度绕组的损耗，可以采用多股线绕制，如0.12mm/4股绞和后绕制
变压器设计
对应的初级电感量：
变压器设计
对应的磁芯的电感系数：
变压器设计
次级绕组匝数：
变压器设计
次级绕组可采用多股线绕制，可选用 0.22mm/24股绞和后绕制，或直接购买同规格的lizi线。
变压器设计
辅助绕组匝数：
变压器设计
辅助绕组可以采用0.15mm漆包线绕制。
变压器设计
绕法：最里面为1/2初级，然后为次级，再绕另1/2初级，最后是辅助绕组。
输出电流互感器设计
不同输出功率时开关管漏-源极电压波形
• 17、一个人如果不到最高峰，他就没有片刻的安宁，他也就不会感到生命的恬静和光荣。下午2时43分6秒下午2时43分14:43:0620.12.5
谢谢观看
负载减轻后开关管在第二个漏-源电压的极小值处开通
数字降频的开关管漏-源极电压波形
负载进一步减轻时开关管在第三个漏-源电压的极小值处开通
数字降频的开பைடு நூலகம்管漏-源极电压波形
负载更加减小时开关管在第七个漏-源电压的极小值处开通
应用ICE1QS01实现准谐振反激式开关电源
电路板元件排布图
电路的印制板图
（二）准谐振反激式开关电源的实现
应用IRIS4015实现准谐振反激式开关电源; 应用ICE1QS01实现准谐振反激式开关电源;
应用NCP1207实现准谐振反激式开关电源。
1. 应用IRIS4015 实现准谐振反激式开关电源
样机的电路板元件排布图
样机的电路板图
轻载时的开关管漏-源极电压波形
。2020年12月5日星期六下午2时43分6秒14:43:0620.12.5
• •
T H E E N D 15、会当凌绝顶，一览众山小。2020年12月下午2时43分20.12.514:43December 5, 2020
16、如果一个人不知道他要驶向哪头，那么任何风都不是顺风。2020年12月5日星期六2时43分6秒14:43:065 December 2020
满负载时的开关管漏-源极电压波形
需要解决的问题
轻负载时开关频率升高的限制。解决方法1：采用QR/PRC（准谐振/脉冲比率控制）控制方式。
PRC工作状态下的空载漏/源极电压波形
测试结果
1. 样机：输入220VAC±20%，输出电压 24VDC/3.5A。 2.电源效应与负载效应：＜1%。 3.效率：89%。 4. 输出电压尖峰：88mV（100MHz示波器测试）