高频开关电源工作原理

1. 高频开关电源工作原理

2. 1、开关电源的概念 2、开关电源的主要指标 3、开关电源的概念和开关电源的分类 4、开关电源的工作原理 5、通信设备对开关电源的要求 培训内容

3. 1、开关电源的概念 开关电源是一个能量转换器，作为电源的功率器件工作在开关状态 （开关管、电感、高频变压器、电容、整流二极管）－开或关状态，其 特点是频率高、功耗低、工作效率高、体积小、输入范围宽(Switching Regulator -- A switching circuit that operates in a closed loop system to regulate the power supply output)通过闭环系统调节，使 输出电压保持稳定。 一、开关电源的概念

4. 2、开关电源和线性电源、相控电源的比较 ①线性电源：线性电源的主要特点就是功率器件工作在放大状态，具有 稳定度高、可靠性好、成本低等优点，但是效率低、笨重和体积大的缺 点。只能做中、小功率的电源。 ②相控电源：是通过控制可控硅的导通角来达到稳压作用，功率因数比 较低、效率低、笨重、体积大。 一、开关电源的概念

5. 3、开关电源（swiching－mode power supply） 开关电源因为体积小、效率高已经充斥了我们的日常生活，从移动电 话的充电器，到我们的彩电、音像供电电源；从路边的霓虹灯，到车站 的电子显示牌，这些都用到了开关电源；从我们的台式计算机，到便携 笔记本电脑等等，这些都离不开开关电源。 当然开关电源的输入并不限于是交流（AC/DC电源），还可以是直流 （DC/DC电源和DC/AC电源）。开关电源交流输入电压范围比较宽，可 以从几十伏到上千伏。就目前而言，开关电源的控制方式有两种：脉宽 调制和频率调制（Pulse Frequency Modulation －PFM）。脉宽调制 （Pulse Width Modulation－PWM）方式比较常见，我们中兴通讯电源 均采用的是这种方式。 一、开关电源的概念

6. 4、开关电源的主要指标 ①无故障运行间隔时间 这是开关电源最重要的指标，衡量了开关电源的工作可靠性。一般说 的是开关电源平均无故障运行间隔时间越长约好。 ②工作效率 输出功率与输入功率的比值就是开关电源的工作效率，衡量开关电 源在变换过程中所产生的损耗，对于目前我们的开关电源工作效率在85% 以上。 ③电压调整率 指在负载保持不变的情况下，输出电压变化与单位输出电源和输入 电压变化量的百分比。Sv＝（△V0÷V0 △Vi）％。该参数表示了电源的 稳压特性。 一、开关电源的概念

7. 4、开关电源的主要指标 ④负载调整率 指的是输出负载变化时，引起的输出电压的变化。 SL＝（△V0÷V0 ）％。 ⑤输出纹波（峰－峰值） 这个指标衡量了开关电源的电磁兼容性，纹波越小越好。一般小于输 出电压的百分之三毫伏，例如对于53.5V电压来说，输出纹波就位150毫 伏。 一、开关电源的概念

8. ５、开关电源的一些名词概念 ①有功功率（Acitive power):电能转换成其他能量所消耗的功率，单位 为瓦（W），用P表示。 ②无功功率(Unactive power):没有消耗功率，只是能量在电感和电容之 间转换的功率部分，单位为VA，用Q表示。 ③视在功率(Aparent power):指的是交流输入功耗，也叫表观功率， 其单位是VA，用S表示。 S2=P2+Q2 ④功率因数(Power factor):有功功率与视在功率的比值，它表示交流电 转化成其他能量的能力。功率因数＝P/S。功率因数校正后为0.9999。 一、开关电源的概念

9. 不管什么样的开关电源必须包括以下几个部分：不管什么样的开关电源必须包括以下几个部分： 1、输入电路 D级防雷电路、交流输入的EMI电路、输入整流器滤波电路、输入缓启 动电路、APFC电路。 D级防雷是吸收雷电残压，保护开关电源不受损坏，一般是由压敏电 阻和放电管组合使用；交流输入的EMI电路一般是用来抑制共模噪声干扰 的，是由共模电感、X、Y电容组成，将噪声吸收到大地（机壳）；输入 缓启动电路如下图所示,由于电容电压不能突变，所以在刚接通电源的瞬 间，电容的充电电流比较大，需要采取措施进行限制，否则电源设备无 法供电。 二、开关电源的电路组成

10. 1、输入电路（续） APFC电路，是有源功率因数校正电路。它是一个升压电路，电路结构 采用的是BOOT电路，输出电压一般规定在410VDC左右。由于开关电源所 采用的器件全部工作在非线性状态，电路上有电感和电容，所以会造成 交流输入电压和电流的相位存在相位差，导致交流电不能全部做功，一 部分在电感和电容中转换。另外交流电压和电流波形出现畸变，造成谐 波分量增加，干扰增加。功率因数校正电路就是将电压和电流相位强制 到一致，同时对波形给予修正。 二、开关电源的电路组成

11. 二、开关电源的电路组成 开关电源APFC电路

12. 输入缓启动电路原理图 二、开关电源的电路组成

13. 2、功率变换电路 将PFC输出的410VDC高压进行变换，变成高频高压脉冲电压，然后驱 动高频变压器，变压器将高压脉冲电压变成低压脉冲电压。该部分的主 要器件是开关功率器件和高频变压器。 3、输出电路 输出电路主要是全波整流电路和滤波电路、输出EMI电路。全波整流 器电路所用的整流二极管不是普通的，一般用采用快恢复二极管或肖特 基；滤波电容用的是高频低阻电容。 二、开关电源的电路组成

14. 4、控制电路 控制电路是开关电源电路的核心之一。PWM控制芯片决定开关电源的 工作模式，该芯片产生两路相位相反的驱动信号来驱动功率开关器件工 作，通过脉冲宽度来控制开关管的导通时间，从而调节能量传递的大 小。开关电源的控制电路是一个闭环控制系统，所以能及时保证输出电 压稳定不变，闭环有两个环来调节，内环是电流环调节，确保开关电源 的动态响应时间，速度比较快。外环是电压调节环，确保电压的稳定， 速度相对较慢。输出过压保护、均流电路、过热保护、限流保护、短路 保护以及交流输入过欠压保护是开关电源的辅助电路。 二、开关电源的电路组成

15. 二、开关电源的电路组成

16. 我们一般按照DC/DC变换的方式来划分开关电源的电路类我们一般按照DC/DC变换的方式来划分开关电源的电路类 型，包括单端正激电路、单端反激电路、推挽电路、半桥电 路和全桥电路。下面我们对每个电路的情况给予简单的描 述。 1、单端反激电路 反激式开关电源的核心部分是反激式直流——直流变换器，基本电 路如下图所示：单端反激电路一般用在小功率电源和开关电源的辅助电 源上。其占空比可达100％，控制芯片一般用的是UC3842和UC3843。 三、开关电源的常用电路类型

17. 反激式电路原理图 三、开关电源的常用电路类型

18. 3、单端正激电路 正激式开关电源的核心部分是正激式直流——直流变换器，基本电路 如下图所示。正激电路变压器的利用率比较高，工作时的占空比小于50 ％，工作频率是振荡频率的一半，所使用的控制芯片一般是UC3844和 UC3845。可以做中型功率的开关电源，使用双管正激电路，其功率可以 做得更高一点。虽然功率变压器不像反激式电路要开气隙，但是一般要 在变压器中加去磁绕组，在关断时将付边的能量反射到交流输入上。 三、开关电源的常用电路类型

19. 正激电路原理图（单管正激） 三、开关电源的常用电路类型

20. 正激电路原理图（双管正激） 三、开关电源的常用电路类型

21. 4、推挽电路 推挽式功率变换电路原理图，如图下图所示。推挽电路要求输入电压 低，两个开关管的耐压要求是输入电压的2倍，所以一般用在DC/DC电源 中。推挽电路一般用在中型功率电路上，变压器双向激励，变压器效率 高,但是变压器容易出现磁偏现象。它的功率比正激电路稍微大一点，但 是存在开关管“直通”的危险。 工作时两个功率开关管V1、V2交替导通或截止。当V1和V2分别导通 时，W1和W2有相应的电流流过，这时变换器次级将有功率输出。当V1 导通，V2截止时，V2集—射两端承受的电压为2倍的Uin，而在V1、V2 都处于截止时它们所承受的电压为输入直流电压Uin。 三、开关电源的常用电路类型

22. 推挽电路原理图 三、开关电源的常用电路类型

23. 5、半桥电路 半桥电路有两个功率开关管，通过两个串连的电容器来构成工作回 路，这两个功率管交替导通驱动高频变压器进行能量传递，变压器是双 向激励的。半桥电路同样存在变压器磁偏现象，会出现“直通”问题。 同样的变压器的情况，半桥的输出功率大于推挽电路。如下图所示：C1 和C2的作用主要是实现静态时分压，使Ua=1/2Uin。当V1导通，V2截止 时，输入电流方向为图中虚线方向，向C2充电；当V1截止，V2导通时， 输入电流方向为图中实线方向，向C1充电。当V1导通，V2截止时，V2两 端承受的电压为输入直流电压Uin。 三、开关电源的常用电路类型

24. 半桥型开关电源原理图 三、开关电源的常用电路类型

25. 6、全桥电路 全桥电路是大功率电源常用的电路，有四个开关管组成两个桥臂。两 个桥臂分别导通激励高频功率变压器，进行能量变换，但是存在开关管 “直通”的危险。 全桥电路原理图如下图所示。由四个功率开关器件V1~V4组成，变压器 T连接在四桥臂中间，相对的两只功率开关器件V1、V4和V2、V3分别交替 导通或截止，使变压器T的次级有功率输出。当功率开关器件V1、V4导通 时，另一对V2、V3则截止，这时V2和V3两端承受的电压为输入电压Uin在 功率开关器件关断过程中产生的尖峰电压被二极管V5~V8箝位于输入电压 Uin。 三、开关电源的常用电路类型

26. 全桥型电路原理图 三、开关电源的常用电路类型

27. 7、几种类型电路比较 三、开关电源的常用电路类型

28. 1、开关电源的均流 一套开关电源系统至少需要两个开关电源模块并联工作，大的系统 甚至多达数十个电源模块并联工作，这就要求并联工作的电源模块能够 共同平均分担负载电流，即均分负载电流。均分负载电流的作用是使系 统中的每个模块有效地输出功率，使系统中各模块处于最佳工作状态， 以保证电源系统的稳定、可靠、高效地工作。负载均分性能一般以不平 衡度指标来衡量，不平衡度越小，其均分性能越好，即各模块实际输出 电流值距系统要求值的偏离点和离散性越小。国家有关标准和信息产业 部入网要求其均分负载不平衡度≤±5%输出额定电流值。 四、通信用开关电源的基本要求

29. 一般是按照开关电源的输入和输出进行分类 Ac－dc：把交流输入变换成直流输出，一次电源。 Dc－dc：把直流输入变换成直流输出，二次电源。 Dc－Ac：把直流输入变换成交流输出，逆变器电源。 Ac－Ac：把交流输入变换成交流输出，UPS电源。 四、开关电源的分类

30. 2、均流在组合开关电源柜中的体现 对于组合电源来说，一般要配置2台以上的整流器，如果均流效果好， 那么每个整流器的输出电流基本“相近”。但是并不是理想状态下的 “非常均匀”，当负载比较小的情况下（负载电流为2A左右，平均状态 下每个整流器的输出不超过1A），有可能某一个整流器输出电流2A，而 其他整流器的输出电流为零，这并不是电源系统不均流，而是在小电流 情况下是否均流对组合电源系统来说意义并不是很大。均流的真正意义 在于在整流器输出电流比较大的情况下（30％以上负载），各个整流器 的输出电流在小于±5%范围之内，保证整流器的可靠性。这个指标是以 单个整流器的额定输出电流为依据的，详细情况请看下面的例子。 四、通信用开关电源的基本要求

31. 3、组合开关电源柜均流说明举例 例如有一个通信基站用的是一套ZXDU300 V2.0电源设备，配置了5个 整流器，负载使用的电流是30A。假如5个整流器的输出电流分别是： 7.5A、6A、6A、7A、4.5A，那么按照标准情况该组合电源的整流器均流 是符合条件的，即电流最大和最小之间的相差不超过30A×10％＝3A（最 大是7.5A，最小是4.5A），偏离中心值6A也符合要求。 假如这个基站设备的电流是3A，那么有可能出现某一个整流器的输出 电流3A，而其他整流器的输出电流很小，几乎为零。这种现象是正常现 象，按照标准计算符合要求。另外对这么小的电流，均流已经失去意 义。 五、通信用开关电源的基本要求

32. 4、开关电源的保护功能 对于通信设备使用的开关电源来说，需要有以下几个保护：输出过 压保护、过热保护、输出短路保护、限流功能、输入过欠压保护。 ①输出过压保护 开关电源的输出电压一般不会超出正常范围，但是一旦超出正常范 围，那么可能会对通信设备造成损坏。所以开关电源整流器设有输出过 压保护，一旦输出电压超过设定值，那么开关电源会将输出闭锁。此闭 锁是不能自恢复的，需要断电重启才可以。 五、通信用开关电源的基本要求

33. 4、开关电源的保护功能(续） ②输入过欠压保护 输入过欠压保护指的是在交流电压过高或过低时关闭电源输出，此关 闭是可以自动恢复的，一旦条件满足，开关电源会自动开始工作的。过 压保护是避免在输入电压高的时候，因功率开关管工作，而引起其损 坏；欠压保护是避免在输入电压低的时候，因输入电流过大，而造成输 入器件（整流桥、开关管、变压器）通过电流超过额定值而损坏，另外 也是保证整流器工作在最佳状态。 五、通信用开关电源的基本要求

34. 4、开关电源的保护功能（续） ③限流保护 开关电源的限流是通过降低输出电压来实现的，这种保护电路一般设 在开关电源的付边。其限流有两个方面的作用，一个方面就是保证开关 电源输出功率不超过额定值而损坏，提高可靠性（开关电源的限流点为 输出额定电流的110％）；另外一方面就是在给蓄电池充电时限流，确保 不过充（按照设定的限流值限流）。 ④短路保护 短路保护检测原边的电流，采用控制芯片自带的电流检测电路来进 行，短路保护响应速度快，采用的是逐脉冲限流方式，通过封锁开关管 驱动脉冲来达到限流的目的。短路保护是开关电源必须具备的最基本。 五、通信用开关电源的基本要求

35. 4、开关电源的保护功能（续） ⑤过热保护（Overheating protection) 开关电源在工作时会产生一定的热量，如果这些热量释放不出去或没 有达到发热和散热平衡，那么开关电源的内部的温度会上升。此时如果 没有保护，那么会造成功率器件过热而损坏。我们的过热保护是和冷却 风扇配合起来的，当温度达到65℃时将电源降半载工作，当温度继续上 升到75℃时整流器会关闭输出，这种保护是可以自恢复的。 当然过热保护并不能完全保护所有元器件，所以我们要尽量保证机房 环境温度在合适范围内，确保通信设备安全可靠运行。 五、通信用开关电源的基本要求

36. 4、开关电源的可靠性要求 可靠性是开关电源的重要指标，衡量标准是“平均无故障间隔时 间”。当然这个指标是在理想状态下的，交流电压在220Vac±15％内变 化，机房环境符合设备使用条件，配置合理等。 所以当大家在比较不同产品或不同型号的电源可靠性时，要注意使用 条件和环境，例如加有交流稳压器的站点要比没有交流稳压器的可靠， 故障率低；平地站点的电源故障率比高山站的低；规范的机房的电源故 障率要比不规范的低；机房条件好的要比条件差的故障率低出很多。 因而我们不能一概而论电源可靠性是好还是坏，需要根据具体情况而 定。 五、通信用开关电源要求

37. 1、目前通信用48v供电系统的开关电源输出电压为什么要设定为53.5V?1、目前通信用48v供电系统的开关电源输出电压为什么要设定为53.5V? 2、通信电源的均流非常重要，要求在小负载情况也必须均流，这种说法对吗？ 3、开关电源的输入必须是交流吗？为什么？ 4、组合电源柜中有一台整流器的输出电流为零，那么说明这台整流器坏了，对吗？为什么？ 5、如果开关电源整流器的限流灯亮，那么说明整流器有问题，这句话对吗？ 六、思考题

38. 6、整流器的输入灯亮，限流灯不亮，故障灯不亮，但是输出灯不亮，整流器没有电流输出。请您分析原因所在，并将故障排除掉。6、整流器的输入灯亮，限流灯不亮，故障灯不亮，但是输出灯不亮，整流器没有电流输出。请您分析原因所在，并将故障排除掉。 ７、开关电源前级为什么用ＡＰＦＣ电路？ＡＰＦＣ属于什么样的电路结构？ 六、思考题