开关电源原理、设计及实例[陈纯锴][电子教案(PPT版本)]第1章.ppt

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1111.1111开关电源简介开关电源简介开关电源简介开关电源简介1111.2222稳压电源稳压电源稳压电源稳压电源1111.3333开关电源的分类开关电源的分类开关电源的分类开关电源的分类1111.4444开关电源的主要技术指标开关电源的主要技术指标开关电源的主要技术指标开关电源的主要技术指标1.51.51.51.5需要掌握基本概念需要掌握基本概念需要掌握基本概念需要掌握基本概念第第11章章绪论绪论本章简介本章简介本章首先本章首先对电对电源、开关源、开关电电源概念作了源概念作了简单简单介介绍绍，同，同时给时给出了开关出了开关电电源源发发展展历历程以及目前开关程以及目前开关电电源技源技术发术发展方向与最新技展方向与最新技术术。

其次重点。

其次重点阐阐述了述了线线性性电电源与开关源与开关电电源及其区源及其区别别，包括，包括线线性性电电源源结结构原理、开关构原理、开关电电源源结结构和原理，构和原理，对对基准基准电压电压源、源、简单简单分立元件分立元件组组成的成的稳压电稳压电路和集成路和集成稳压电稳压电源原理均作了源原理均作了详细说详细说明。

最后明。

最后给给出开关出开关电电源的主要技源的主要技术术指指标标和和应该应该掌握的技掌握的技术术语术术语，为为更好的更好的进进行开关行开关电电源源设计设计打下打下坚实坚实基基础础。

本。

本章要求了解开关章要求了解开关电电源概念及相关知源概念及相关知识识，重点掌握，重点掌握线线性性电电源和开关源和开关电电源源原理及其区原理及其区别别。

1.11.1开关电源简介开关电源简介电源有交流电源和直流电源两种。

由交流发电机提供的是交流电源，直流电源有交流电源和直流电源两种。

由交流发电机提供的是交流电源，直流电源一般由电池或蓄电池供电的。

由于直流电源成本较高，交流电源成本低，电源一般由电池或蓄电池供电的。

由于直流电源成本较高，交流电源成本低，所以多数大功率设备采用交流电源供电。

开关电源和线性电源相比，二者的所以多数大功率设备采用交流电源供电。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

线性电源成本在成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。

随着电力电子技某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

开关电源高频化低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都便化。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

具有重要的意义。

1.11.1开关电源简介开关电源简介1.1.11.1.1开关电源的发展历史开关电源的发展历史开关稳压电源开关稳压电源（以下简称开关电源以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源取代晶体管线性稳压电源（以下简称以下简称线性电源线性电源）已有已有3030多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态后，脉宽调制与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态后，脉宽调制（PWM）（PWM）控制技控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWMPWM开关电源，它的特点是用开关电源，它的特点是用20kHz20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制，脉冲频率或脉冲宽度调制，PWMPWM开关电源效率可达开关电源效率可达65657070，而线性电源的，而线性电源的效率只有效率只有30304040。

在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。

在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。

线性电源工作于工频，因此用工作频率为线性电源工作于工频，因此用工作频率为20kHZ20kHZ的的PWMPWM开关电源替代，可大幅开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为度节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHZ20kHZ革命。

革命。

随着随着ULSIULSI芯片尺寸不断芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备及用电池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻更需要小型化，轻量化的电源。

因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的量化的电源。

因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。

此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。

体积重量要小。

此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。

1.11.1开关电源简介开关电源简介表表1-11-1开关电源应用领域开关电源应用领域工业电工业电子设备子设备信息设备信息设备计算机计算机CPUCPU和数据存储设备和数据存储设备通信设备通信设备有线和无线通信设备，交换机、传真机、广播设备、汽有线和无线通信设备，交换机、传真机、广播设备、汽车电话车电话办公设备办公设备台式计算机、笔记本电脑、复印机、打印机台式计算机、笔记本电脑、复印机、打印机控制设备控制设备工厂自动化系统、机器人，数控设备，空调机，自动售工厂自动化系统、机器人，数控设备，空调机，自动售货机，货机，ATMATM机机电子测量仪电子测量仪示波器、频谱仪、振荡器、信号发生器示波器、频谱仪、振荡器、信号发生器其他设备其他设备医疗和汽车设备，检测设备医疗和汽车设备，检测设备消费类消费类电子设电子设备备视频设备视频设备电视机，电视机，VCRVCR，游戏机，游戏机音频设备音频设备DVDDVD播放机，音响设备，电子设备播放机，音响设备，电子设备其他设备其他设备民用和家电设备，各种电源充电器民用和家电设备，各种电源充电器1.11.1开关电源简介开关电源简介图图1-11-1几种开关电源实物图几种开关电源实物图1.11.1开关电源简介开关电源简介1.1.21.1.2开关电源技术发展方向开关电源技术发展方向1.1.小型、薄型、轻量化小型、薄型、轻量化2.2.高效率高效率3.3.高可靠性高可靠性4.4.模块化模块化5.5.低噪声低噪声6.6.电源系统的管理和控制电源系统的管理和控制7.7.计算机辅助设计计算机辅助设计（CAD）（CAD）1.21.2稳压电源稳压电源1.2.11.2.1线性稳压电源线性稳压电源1.1.线性稳压电源原理线性稳压电源原理线性稳压电源通常包括：

调整管、比较放大部分线性稳压电源通常包括：

调整管、比较放大部分（误差放大器误差放大器）、反馈采、反馈采样部分以及基准电压部分，它的典型原理框图如图样部分以及基准电压部分，它的典型原理框图如图1-22所示。

调整管与负载所示。

调整管与负载串联分压，因此只要将它们之间的分压比随时调节到适当值，就能保证输串联分压，因此只要将它们之间的分压比随时调节到适当值，就能保证输出电压不变。

出电压不变。

这个调节过程是通过一个反馈控制过程来实现的。

反馈采样部分监测这个调节过程是通过一个反馈控制过程来实现的。

反馈采样部分监测输出电压，然后通过比较放大器与基准电压进行比较判断：

输出电压是偏输出电压，然后通过比较放大器与基准电压进行比较判断：

输出电压是偏高了还是偏低了，偏差多少？

再把这个偏差量放大去控制调整管，如果输高了还是偏低了，偏差多少？

再把这个偏差量放大去控制调整管，如果输出电压偏高，则将调整管上的压降调高，使负载的分压减小；如果输出电出电压偏高，则将调整管上的压降调高，使负载的分压减小；如果输出电压偏低，则将调整管上的压降调低，使负载的分压增大，从而实现输出稳压偏低，则将调整管上的压降调低，使负载的分压增大，从而实现输出稳压。

压。

1.21.2稳压电源稳压电源1.21.2稳压电源稳压电源图图1-21-2线性串联稳压电源原理框图线性串联稳压电源原理框图1.21.2稳压电源稳压电源线性稳压电源的线路简单、干扰小，对输入电压和负载变化的响应非线性稳压电源的线路简单、干扰小，对输入电压和负载变化的响应非常快，稳压性能非常好。

但是，线性稳压电源功率调整管始终工作在线性常快，稳压性能非常好。

但是，线性稳压电源功率调整管始终工作在线性放大区，调整管上功率损耗很大，导致线性稳压电源效率较低，只有放大区，调整管上功率损耗很大，导致线性稳压电源效率较低，只有20%40%，发热损耗严重，所需的散热器体积大，重量重，因而功率体，发热损耗严重，所需的散热器体积大，重量重，因而功率体积系数只有积系数只有2030W/dm3；另外线性电源对电网电压大范围变化的适应性；另外线性电源对电网电压大范围变化的适应性较差，输出电压保持时间仅有较差，输出电压保持时间仅有5ms。

因此线性电源主要用在小功率、对稳。

因此线性电源主要用在小功率、对稳压精度要求很高的场合，如：

一些为通信设备内部的集成电路供电的辅助压精度要求很高的场合，如：

一些为通信设备内部的集成电路供电的辅助电源等。

电源等。

1.21.2稳压电源稳压电源图图1-31-3串联反馈式稳压电路结构图串联反馈式稳压电路结构图22基准电压源基准电压源基准电压源一般可以用稳压管组成的稳压源来承担，但目前有很多基准电压源一般可以用稳压管组成的稳压源来承担，但目前有很多基准电压集成电路，这些电路稳压性能非常好，被广泛用作高性能稳压基准电压集成电路，这些电路稳压性能非常好，被广泛用作高性能稳压电源的基准电源，或电源的基准电源，或A/D和和D/A转换器的参考电源。

常用的型号是转换器的参考电源。

常用的型号是MC1403、MC1503和和TL431。

TL431是一个性能优良的基准电压集成电路。

该器件主要应用于稳压、是一个性能优良的基准电压集成电路。

该器件主要应用于稳压、仪器仪表、可调电源和开关电源中，是稳压二极管的良好替代品，其主仪器仪表、可调电源和开关电源中，是稳压二极管的良好替代品，其主要特点是：

可调输出电压要特点是：

可调输出电压2.536V，典型输出阻抗，典型输出阻抗0.2，吸收电流，吸收电流1100mA，温度系数，温度系数30ppm/，多种封装形式。

，多种封装形式。

该器件的图形符号见图该器件的图形符号见图1-4a。

图。

图1-4b是使用是使用TL431的稳压电路。

最大的稳压电路。

最大稳定电流稳定电流2A，输出电压的调节范围为，输出电压的调节范围为2.524V。

在图中发光二极管作为稳。

在图中发光二极管作为稳压管使用，使压管使用，使T22的发射结恒定，从而使电流的发射结恒定，从而使电流I11恒定，保证当输入电压变化恒定，保证当输入电压变化时，时，TL431不会因电流过大而损坏。

当输入电压变化时，不会因电流过大而损坏。

当输入电压变化时，TL431的参考电的参考电压压VREF随之变化，当输出电压上升时，随之变化，当输出电压上升时，TL431的阴极电压随的阴极电压随VREF上升而上升而下降，输出电压随之下降。

下降，输出电压随之下降。

1.21.2稳压电源稳压电源1.21.2稳压电源稳压电源图图1-4基准集成电路基准集成电路TL431及其应用电路及其应用电路33简单分立元件组成的稳压电路简单分立元件组成的稳压电路分立元件组成的稳压电源电路如图分立元件组成的稳压电源电路如图1-5所示，该电路就是典所示，该电路就是典型的串联稳压电源，其中变压器用于将型的串联稳压