sps基本原理讲义 讲义.教材.doc

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-DCwitching Power Supply）。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-line Switching Converter）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 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。 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： （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