开关电源的工作原理解析

PWM开关电源工作原理

WM开关电源的工作原理分析

开关电源是通过控制高频开关功率管开通和关断的时间比率，从而稳定输出电压的一种电源。开关电源和线性电源相比，具有工作频率高，体积小，重量轻，变换效率高等优点。开关电源变换电路一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新发展，得到了越来越广泛的应用。图7-27所示为日常使用的开关电源实物图。

图7-27　开关电源实物图

1.典型开关电源的组成

如图7-28所示，典型开关电源由交流电压（脉动直流电压）输入电路、整流滤波电路、高频变换电路、输出电路、取样反馈电路、脉宽调制电路、保护电路等组成。

2.开关电源与线性电源区别

线性电源中，功率晶体管工作在线性放大状态，而开关电源中功率晶体管工作在开关状态，其导通或关断时，加在功率晶体管上的伏-安乘积很小（导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小），功率器件上的伏安乘积就是功率晶体管器件上所产生的损耗。

图7-28　典型开关电源的组成

与线性电源相比，开关电源先通过“斩波”，即把直流电压信号斩波成幅值等于输入电压幅值的高频脉冲信号，通过改变高频变压器的绕组匝数来升高或降低输出电压幅值，再经过高频整流滤波后就得到直流输出电压，开关电源工作最高频率可达到MHz级。

开关电源工作过程与线性电源的控制器类似，它们的不同之处在于，误差放大器的输出在驱动功率晶体管之前，要经过一个电压/脉冲宽度转换单元，通过脉宽调制器调节脉冲的占空比，使输出电压保持稳定。

3.开关电源脉宽调制工作方式

脉冲宽度调制（PWM）方式是将振荡周期T固定，通过改变脉冲宽度ton来调节输出电压，而脉冲频率调制方式（PFM）是将脉冲宽度ton固定，通过调节工作频率，即调节振荡周期T来调节输出电压，如当输出电压uo升高时，控制器输出信号的脉冲宽度ton不变，而工作周期T变长，使占空比减小，使输出电压降低，从而保持输出电压稳定。目前开关电源大多采用脉宽调制（PWM）方式，部分采用脉冲频率调制（PFM）方式。PWM及PFM调制方式开关电源变换波形如图7-29所示。

图7-29　PWM及PFM调制方式开关电源变换波形

1）脉宽调制（PWM）

开关管基极或场效应管栅极一般由脉宽调制器的输出脉冲驱动，而脉宽调制器一般由基准电压源、误差放大器、PWM比较器和锯齿波发生器组成。如图7-30所示，输出取样反馈电压与基准电压进行比较、放大，然后将其误差值送到脉宽调制器，脉宽调制时频率固定不变，当输出电压uo下降时，取样反馈电压与基准电压比较的差值增加，经放大后输入到PWM比较器，将脉冲宽度展宽，再经开关功率管驱动高频变压器，使变压器原边电压升高，并耦合到次边，经过二极管VD高频整流和电容C2滤波后，使输出电压uo上升，从而稳定输出电压；当输出电压uo升高时，稳压过程与前述相反，将脉冲宽度变窄，开关功率管工作时间缩短，使输出电压uo下降，从而稳定输出电压。脉宽调制时，反馈信号前沿要尽量陡峭，后沿要短促，并需要斜坡补偿校正。

图7-30　脉宽调制的原理图

2）脉冲频率调制（PFM）

脉冲频率调制的过程如图7-31所示，PFM的工作原理：输出取样反馈电压与基准电压比较，经误差放大器放大，输出误差电压ur控制压控振荡器（VCO）的振荡频率f，再经过控制逻辑和输出级驱动功率管VT及高频变压器，最后经高频整流滤波电路，输出稳定电压uo，如某原因使uo上升，则通过uo↑→ur↑→f↓→uo↓环节，使输出电压uo稳定。

图7-31　脉冲频率调制的基本原理

4.开关电源电路分类

（1）按主要变换方式可分为：正激式、反激式、推挽式、半桥式、全桥式等开关电源。

（2）按输入输出电压对比变化可分为：升压式和降压式开关电源。

（3）按变换电路是否隔离可分为：隔离型或非隔离型开关电源。

（4）按输入输出电源形式可分为：AC/DC变换、DC/DC变换开关电源。

其中DC/DC变换器是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波器。DC/DC变换器有以下几种常用的变换电路。(www.xing528.com)

①Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压Uo（AV）小于输入电压Ui，极性相同。

②Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压Uo（AV）大于输入电压Uo，极性相同。

③Buck-Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo（AV）大于或小于输入电压Ui，电压极性可反转。

④Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo（AV）大于或小于输入电压Ui，电压极性可反转。

5.开关电源电路

1）正激式变换电路

如图7-32所示，正激式变换电路中，变压器起隔离作用，它的原边绕组为N1a和N1b，中心抽头接输入电压Ui，次边绕组接高频整流二极管VD1、电感L及负载。

正激式变换电路利用电感L储能及传送电能，变压器的原次边绕组同名端相同，当功率管VT导通时，次边高频开关二极管VD1导通，经滤波后输出电压；当功率管VT截止时，次边高频开关二极管VD1截止，电感储能经续流二极管VD2向负载供电。

图7-32　正激式变换电路

2）反激式变换电路

反激式是指变压器的原次边绕组极性相反，如图7-33所示，同名端标记中，连接功率管VT集电极绕组端与二极管VD阳极端标记相同，剩余的另一端标记相同。

图7-33　反激式变换电路

反激式变换电路工作原理：电源电压Ui通过变压器原边绕组N1向晶体管VT供电，此时变压器绕组N1储能，二极管VD截止，而当晶体管VT截止时，二极管VD导通，经整流及电容滤波后向负载RL供电，当变压器原边储能释放到一定程度后，电感中电流极性反转，进入下一周期循环，变换电路的输出电压为：

式中：D为脉冲驱动信号占空比。

与正激式变换电路相比，反激式变换电路电源转换效率较高。

例7-3

如图7-33所示反激式变换电路，已知电阻N2＝30，N1＝12，Ui＝12 V，占空比D＝0.8。试计算变换电路的输出电压。

解

变换电路的输出电压为：

3）桥式变换电路

桥式变换电路可分为半桥式变换电路和全桥式变换电路，半桥式变换电路只有两只晶体管，如图7-34（a）所示，而全桥式变换电路由4只开关晶体管组成，如图7-34（b）所示，由VT1～VT4组成一个全桥式变换电路。4只晶体管中每一条对角线上的两只管子为一组。当原边输入电压波形处于正半周时，VT1、VT4导通工作，而当原边输入电压波形处于负半周时，VT2、VT3导通工作，变压器原边中电流极性反转，次边绕组感应电压经高频整流滤波后提供给负载，如此周期循环。桥式变换电路中不会出现偏磁现象，且功率器件应力大为减少，工作可靠性得到提高。

图7-34　桥式变换电路

6.开关电源的发展趋势

开关电源的发展趋势是高频化、模块化、高效率、高可靠性、低损耗、低噪声和强抗干扰性。由于实现开关电源轻、小、薄目标的关键技术是高频化，因此国内外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型电子元器件，改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT表面贴装技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，目前实现零电压开关（ZVS）、零电流开关（ZCS）的软开关技术已成为开关电源变换的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。另外开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。

模块化是开关电源发展的总体趋势，可采用模块化电源组成分布式电源系统，或设计成N＋1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。

伴随着开关电源变换频率提高，其噪声也必将随着增大，目前采用部分谐振转换电路技术，在理论上可实现高频化又可降低噪声。当今软开关技术使得DC/DC变换器发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300 W、600 W、800 W等，相应的功率密度为6.2 W/cm3、10 W/cm3、17 W/cm3，效率为80%～90%。日本Nemic Lambda公司推出的采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为200～300 kHz，功率密度已达到27 W/cm3，它采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90%。

思考题：PWM调制与PFM调制的区别在哪里？