1. 开 关 电 源 概 念 的 引 入 开 关 电 源 入 门 介 绍 1.1 电 源 的 重 要 性 : ( 对 电 源 的 理 解!) 电 源 犹 如 人 体 的 心 脏, 是 所 有 电 器 设 备 的 动 力 一 切 设 备 需 要 电 源 ; 设 备 更 新, 电 源 也 跟 随 更 新 市 电 220Vac/50Hz 通 常 不 能 直 接 给 设 备 供 电, 因 为 不 同 的 设 备 需 要 的 不 同 电 压 电 流 或 者 功 率 等, 需 要 经 过 变 换 上 级 电 能 形 式 Vin, Iin Vo, Io f, phase f, phase 负 载 Power Supply Power Supply 是 一 种 提 供 电 力 能 源 的 设 备, 它 可 以 将 一 种 电 力 能 源 形 式 转 换 成 另 外 一 种 电 力 能 源 形 式, 并 能 对 其 进 行 控 制 和 调 节
AC(Alternating Current) 是 交 流 电 的 简 称 DC(Direct Current) 是 直 流 电 的 简 称 开 关 电 源 入 门 介 绍 上 级 电 能 形 式 Vin, Iin Vo, Io f, phase f, phase 负 载 Power Supply Power Supply 是 一 种 提 供 电 力 能 源 的 设 备, 它 可 以 将 一 种 电 力 能 源 形 式 转 换 成 另 外 一 种 电 力 能 源 形 式, 并 能 对 其 进 行 控 制 和 调 节 根 据 输 入 输 出 电 压 的 类 型 分 类 : (1)AC-DC( 交 流 直 流 ), 又 称 离 线 式 开 关 电 源 ; direct-off-line switching power supply (2)DC-DC( 直 流 直 流 ), 又 称 模 块 电 源 ; (3)DC-AC( 直 流 交 流 ), 又 称 逆 变 电 源 (UPS); (4)AC-AC ( 交 流 -- 交 流 ) 2016/3/2 2
上 级 电 能 形 式 开 关 电 源 入 门 介 绍 Vin, Iin Vo, Io f, phase f, phase 负 载 Power Supply Power Supply 是 一 种 提 供 电 力 能 源 的 设 备, 它 可 以 将 一 种 电 力 能 源 形 式 转 换 成 另 外 一 种 电 力 能 源 形 式, 并 能 对 其 进 行 控 制 和 调 节 根 据 转 换 的 方 法 分 类 : 线 性 电 源, 相 控 电 源, 开 关 电 源 根 据 调 控 的 效 果 分 类 : 稳 压, 恒 流, 调 频, 调 相 标 志 电 源 特 性 的 参 数 有 功 率 电 压 电 流 可 靠 性 效 率 体 积 等 因 此, 电 源 产 品 的 品 种 是 非 常 多 的 2016/3/2 3
1. 开 关 电 源 概 念 的 引 入 开 关 电 源 入 门 介 绍 通 常 电 源 单 独 存 在, 无 法 集 成 : (1) 电 源 的 功 率 一 般 很 大, 从 几 瓦 到 几 千 瓦 (2) 不 同 的 设 备 需 要 不 同 电 源, 包 括 电 压 电 流 功 率 密 度 体 积 效 率 EMI 等 等 (3) 变 压 器 电 感 大 的 电 解 电 容 也 无 法 集 成 (4) 电 源 的 功 率 大, 损 耗 也 很 大, 散 热 也 是 一 个 问 题 2016/3/2 4
线 性 电 源 相 比 开 关 电 源 本 质 区 别 线 性 电 源 (Linear Power) 与 传 统 的 具 有 效 率 高 功 率 密 度 高 电 压 调 整 率 高 体 积 小 重 量 轻 等 诸 多 优 势 因 而, 在 各 行 各 业 的 电 力 设 备 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 具 体 的 应 用 如 下 : 开 关 电 源 (Switching Power) 降 压 变 换 器 ⑴ 开 关 电 源 的 功 率 器 件 工 作 在 开 关 状 态, 而 线 性 电 源 的 功 率 器 件 工 作 在 线 性 放 大 状 态 ; ⑵ 开 关 电 源 工 作 在 高 频, 线 性 电 源 工 作 在 工 频 和 直 流 2016/3/2 5
如 :(1)PC 电 源 : 输 出 电 压 为 :12V/14A, -12V/0.5A,5V/18A,3.3V/14A; (2) 笔 记 本 适 配 器 : 输 入 100-240Vac,50-60Hz, 输 出 20V/3.25A; (3) 打 印 机 传 真 机 复 印 机 的 电 源 ; (4) 通 讯 电 源 ; (5) 数 电 模 电 和 高 频 实 验 箱 中 的 电 源 : 输 出 ±5V, ±12V,±15V 给 芯 片 或 者 三 极 管 供 电,( 差 分 放 大 电 路 中 三 极 管 工 作 时 需 要 正 负 电 源, 运 算 放 大 器 有 时 也 需 要 正 负 电 源 ); 2016/3/2 6
(6) 不 间 断 电 源 (UPS); (7) 医 疗 器 械 上 的 电 源 ( 如 CT 扫 描 仪 ); (8) 航 空 电 源 ; (9) 弧 焊 机 电 源 (10) 液 晶 电 视 电 源 ; (11) 电 子 镇 流 器 ; (12) 电 动 汽 车 充 电 器 ; (13) 手 机 电 池 充 电 器 ; (14)LED 灯 驱 动 电 源 等 等 功 率 变 换 器 的 结 构 框 图 如 下 页 2016/3/2 7
功 率 变 换 的 结 构 框 图 如 下 : 输 入 功 率 ( 输 入 电 压 : ac 或 者 dc) 开 关 变 换 Switching Converter 输 出 功 率 P P= 输 出 电 压 * 电 流 开 关 电 源 的 定 义 : 控 制 的 输 入 用 半 导 体 功 率 器 件 作 为 开 关, 将 一 种 电 源 形 态 转 变 成 为 另 一 种 的 主 电 路 叫 做 开 关 变 换 器 电 路 ; 其 基 本 的 功 率 器 件 有 开 关 管 二 极 管 储 能 电 感 转 变 时 用 自 动 控 制 闭 环 稳 定 输 出 并 有 保 护 环 节 则 称 开 关 电 源 (Switching Power Supply) 2016/3/2 8
开 关 电 源 或 开 关 功 率 变 换 器 的 基 本 原 理 : 输 入 功 率 ( 输 入 电 压 : ac 或 者 dc) 开 关 变 换 Switching Converter 输 出 功 率 P P= 输 出 电 压 * 电 流 其 基 本 的 功 率 器 件 有 开 关 管 二 极 管 储 能 电 感 控 制 的 输 入 开 关 功 率 变 换 器 连 续 不 断 地 从 输 入 源 (V IN ) 获 取 能 量, 通 过 开 关 晶 体 管 (MOSFET) 按 一 定 的 开 关 频 率 f, 将 输 入 能 量 分 成 若 干 能 量 包 ( 每 秒 多 少 个 能 量 包?), 再 借 助 一 些 储 能 元 件 ( 电 感 L 或 电 容, 它 们 能 够 容 纳 这 些 能 量 包 ) 运 送 或 按 需 求 在 它 们 之 间 彼 此 交 换, 最 后 负 载 上 就 能 得 到 按 输 出 功 率 P 进 行 输 出 的 能 量 流 能 量 包?? 每 个 周 期 的 输 出 能 量 2016/3/2 9
能 量 包, 功 率 变 换 器 每 个 周 期 的 输 出 能 量 一 个 变 换 器 的 额 定 输 出 功 率 为 50W, 开 关 频 率 为 100kHz, 则 每 个 周 期 的 输 出 能 量 多 少? 若 该 变 换 器 的 开 关 频 率 为 1MHz, 则 每 个 周 期 的 输 出 能 量 又 是 多 少? 其 基 本 的 功 率 器 件 有 开 关 管 二 极 管 储 能 电 感 ( 见 课 本 P129) 根 据 定 义, 功 率 ( 瓦 特 ) 是 单 位 时 间 ( 每 秒 ) 内 的 能 量 (J 焦 耳 ), 则 该 变 换 器 每 秒 输 出 的 额 定 能 量 为 50 焦 耳, 当 该 变 换 器 的 开 关 频 率 为 100kHz, 每 个 周 期 的 输 出 能 量 : e o PO 50 J / S = = = = 3 f 100 10 / S -4 5*10 J 500 当 该 变 换 器 的 开 关 频 率 为 1MHz, 则 每 个 周 期 的 输 出 能 量 : e o PO 50 J / S = = = = 6 f 10 / S -5 5*10 J 50 2016/3/2 10 uj uj
2. 电 源 电 路 的 结 构 框 图 和 完 整 的 电 路 图 a. 离 线 式 开 关 电 源 的 结 构 框 图 : direct-off-line switching power supply (1) 非 隔 离 式 ( 非 离 线 式 ) 电 路 结 构 框 图 2016/3/2 11
2. 电 源 电 路 的 结 构 框 图 和 完 整 的 电 路 图 a. 离 线 式 开 关 电 源 的 结 构 框 图 : direct-off-line switching power supply (2) 离 线 式 ( 隔 离 式 ) 电 路 结 构 框 图 AC input EMI 滤 波 器 功 率 因 数 校 正 隔 离 的 降 压 电 路 DC output 2016/3/2 12
b. 离 线 式 开 关 电 源 的 电 路 示 意 图 : 负 载 ( 需 输 入 整 流 桥 要 供 电 的 设 备 ) PFC PFC(Power Factor Correction): 功 率 因 数 校 正 AC input EMI 滤 波 器 隔 离 降 压 电 路 功 率 因 数 校 正 隔 离 的 降 压 电 路 2016/3/2 13 DC output
c. 电 源 电 路 实 例 实 例 1: D2 F1 Fuse 1 220V/AC R24 50K D18 D Zener R26 R25 1K 270K Q3 Q4 R27 27K T4 Trans R1 C11 473 R17 1K C? 102 C1 100pF C2 100pF C3 100pF D1 C4 104pF R2 1.3M R3 7K U1 3 2 1 6 MULT IN VCC CMPEN FB ZD DRV OUT GND ISEN MC34262P C? C12473 100pF C10 122 R9 Res2 1K R20 6K T1 R6 22K R28 120K4 C6 8 5 100pF 7 4 T3 Q1 R7 0.4 R5 2M R4 10K 2 3 1 5 U2 VFB VCC ISEN OUT CMPEN VREF GND RT/CT UC3842AN R21 7 6 8 4 R18 6K 6 R10 47 D13 MOSFET-N R11 20K Q2 D9 R13 5K 5 C8 102 D10 D8 10mH L4 D7 C9 22uF R19 1K 5V /2A 1K C13 122 C7 102 R12 0.8 R14 27K Trans3 Ideal 2016/3/2 14
电 源 的 实 物 图 : 2016/3/2 15
电 源 的 实 物 图 : 2016/3/2 16
电 源 的 实 物 图 : 2016/3/2 17
手 机 充 电 器 电 脑 适 配 器 ATX 电 源 模 块 电 源 LED 电 源 LCD 电 视 电 源 2016/3/2 18
4. 著 名 电 源 厂 家 1. 艾 默 生 网 络 能 源 有 限 公 司 (Emerson network power) 2. 雅 达 电 源 / 腾 讯 亚 太 电 子 (powerconversion.com) 3. 台 达 电 子 有 限 公 司 (deltaww. com.cn) 4. 山 特 电 子 有 限 公 司 (stk.com.cn) 5. 宝 威 电 源 有 限 公 司 (power-one.com) 6. 爱 立 信 电 源 (Ericsson DC-DC power) 7. 科 索 电 源 (coselasia.com) 据 统 计, 在 珠 三 角 ( 深 圳 东 莞 广 州 中 山 佛 山 等 ), 有 1000 多 家 公 司 生 产 电 源 2016/3/2 19
5. 本 课 程 的 大 致 内 容 本 书 重 点 介 绍 开 关 电 源 以 下 几 个 方 面 的 内 容 : (1) 基 本 理 论 和 拓 扑 结 构 ; (2) 控 制 方 法 - 著 名 厂 家 的 PWM 控 制 芯 片 的 介 绍 ; (3) 元 器 件 的 设 计 或 选 择 功 率 元 器 件 和 磁 性 元 器 件 ; (4) 电 源 输 入 级 的 介 绍 ; (5) 介 绍 PC 离 线 式 电 源 和 模 块 电 源 开 关 电 源 技 术 涉 及 电 子 技 术 自 动 控 制 原 理 磁 性 元 件 和 半 导 体 功 率 器 件 等, 是 一 个 多 学 科 交 叉 且 应 用 性 极 强 的 技 术 2016/3/2 20
6. 培 养 目 标 和 职 业 的 规 划 与 发 展 a. 培 养 目 标 分 为 知 识 目 标 能 力 目 标 和 素 质 目 标 : 知 识 目 标 : (1) 解 读 和 理 解 电 源 规 格 书 ; (2) 阅 读 控 制 芯 片 的 英 文 资 料 ; (3) 开 关 电 源 的 基 本 拓 扑 结 构 和 控 制 方 法 ; (4) 分 析 电 源 电 路 的 工 作 原 理 ; (5) 调 试 和 测 试 开 关 电 源 电 路 2016/3/2 21
能 力 目 标 : (1) 会 使 用 实 验 设 备, 如 数 字 万 用 表 数 字 示 波 器 交 流 可 调 电 源 直 流 电 子 负 载 和 直 流 稳 压 电 源 等 ; (2) 根 据 控 制 芯 片 的 资 料, 分 析 外 围 电 路 参 数 的 选 择 ; (3) 会 分 析 开 关 电 源 电 路 的 工 作 原 理 ; (4) 会 调 试 和 测 试 简 单 的 整 体 电 路, 对 电 路 中 出 现 的 故 障 能 进 行 分 析 和 解 决 ; 2016/3/2 22
素 质 目 标 : (1) 实 验 室 实 行 6S 管 理, 培 养 良 好 的 职 业 素 养 和 职 业 规 范 ; (2) 培 养 团 队 合 作 的 意 识 ; (3) 培 养 学 生 表 述 回 答 等 语 言 表 达 能 力 2016/3/2 23
b. 职 业 的 规 划 与 发 展 : 通 过 本 课 程 的 系 统 学 习, 在 电 源 公 司 或 者 相 关 的 电 源 公 司 从 事 以 下 职 位 的 工 作, 并 进 行 未 来 职 业 的 规 划 和 发 展 : 技 术 员 助 理 工 程 师 测 试 员 ( 工 程 部 / 设 计 部 QA 品 质 认 证 等 ) 工 程 师 应 用 工 程 师 /FAE 工 程 师 ( 著 名 芯 片 管 理 公 司 )/ 市 场 开 拓 工 程 师 高 级 工 程 师 工 程 师 总 经 理 2016/3/2 24
控 制 芯 片 公 司 的 网 站 www.ti.com www.st.com www.onsemi.com.cn www.infineon.com www.irf.com www.dianyuan.com www.21dianyuan.com www.fairchildsemi.com www.powerint.com 精 品 课 程 网 站 :jpkc.zstp.cn 开 关 电 源 技 术 进 入 网 络 课 程 2016/3/2 25
教 材 特 点 : 内 容 全 面, 但 内 容 编 排 不 适 合 初 学 者 学 习 ; 很 多 内 容 非 常 深 入, 细 节, 更 适 合 有 了 一 定 的 开 关 电 源 基 础 的 读 者 阅 读 所 以 我 们 在 学 习 这 门 课 时 不 可 能 照 本 宣 科, 请 同 学 们 按 照 老 师 讲 课 思 路, 再 参 考 教 材 进 行 学 习 2016/3/2 26