《開關(guān)電源培訓(xùn)講義》PPT課件.ppt

自我介紹,姓名 ：陳天翼 工作部門：電氣事業(yè)部電源項目組 從事工作：曾從事鹵鎢燈電源，低氣壓放電燈電源，高氣壓放電燈電源,LED驅(qū)動電源 職業(yè)定向：專職于雙D照明電源驅(qū)動HID/LED照明電源驅(qū)動器 社會教育經(jīng)歷：2000年復(fù)旦大學(xué)電光源系熒光燈驅(qū)動器系列研發(fā)實訓(xùn) 2005年信息產(chǎn)業(yè)部電子五所EMC設(shè)計，測試，整改與認證專題整機可靠性設(shè)計與分析 2006年上海大學(xué)上海市物理學(xué)會第二屆磁學(xué)研討班,開關(guān)電源,什么是開關(guān)電源？ 通俗地說-電路中具有一個開關(guān)器件和一個能量轉(zhuǎn)換器件的電源，就是開關(guān)電源。 開關(guān)可以是有觸點，也可以是無觸點。當(dāng)開關(guān)在通斷過程中，能量轉(zhuǎn)換器件把電場能轉(zhuǎn)換成磁場能，磁場能經(jīng)線圈耦合后轉(zhuǎn)換成電場能，最后把電能從一端轉(zhuǎn)換到另一端供其他用電器使用。 對于開關(guān)電源的最簡單的拓撲電路必須滿足下述三個條件：能量，開關(guān)，耦合器件。,開關(guān)電源分類,開關(guān)電源按電流種類的入出可分為AC/DC, DC/DC兩大類 DC/DC類開關(guān)電源 DC/DC類開關(guān)電源是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流載波器 按工作方式：一是脈寬調(diào)制方式T不變改變調(diào)制頻率t；二是頻率調(diào)制方式t不變，改變T 具體電路有以下幾類： 1 Buck電路稱為降壓載波器，U0小于Ud,，極性入出相同 2 Bost電路稱為升壓載波器，U0大于Ud ， 極性入出相同 3 Buck-Bost降壓或升壓載波器 U0大于或小于U d極性入出相反，電感傳輸 4 Cuck 電路 降壓或升壓載波器 U0大于或小于U d極性入出相反，電容傳輸 AC/DC 變換器 AC/DC變換器是將交流變換為直流，電路結(jié)構(gòu)形式有多種 1按驅(qū)動方式分，有自勵式和他勵式； 2按工作方式分，有單端正激和反激，推挽式，半橋式，全橋式，降壓式，升壓式和升降壓式等， 3 按電路組成分 ，有諧振型和非諧振； 4按控制方式分，有PWM式，PFM式，PWM與PFM混合式； 5按電源是否隔離和反饋控制信號耦合方式分，有隔離式非隔離式和變壓器耦合式，光電耦合式,開關(guān)電源拓撲SCH,開關(guān)電源LED/HID驅(qū)動電源拓撲,重點介紹單級APFC反激拓撲:,離線式反激電源的設(shè)計涉及到很多電子工程方面的知識，包括模擬數(shù)字電路、雙極性晶體管和MOSFET功率器件的特性、磁學(xué)、散熱考慮、安全要求以及控制環(huán)路的穩(wěn)定性等等。在如此多的設(shè)計變量之間進行復(fù)雜的抉擇是一項巨大的挑戰(zhàn)。因此，即使對該領(lǐng)域?qū)＜壹壍墓こ處煻裕_發(fā)一個新的離線式電源也常是枯燥乏味和費時的。本應(yīng)用指南介紹了一種基于L6562的離線式電源的簡單而高效的設(shè)計方法。關(guān)于單級APFC反激電源設(shè)計，我們從實例出發(fā)TBP-025C070SPA,25W700mA的LED恒流驅(qū)動電源來詳細介紹單級APFC反激開關(guān)電源的設(shè)計： 設(shè)計思路：由結(jié)果反推，即從輸出參數(shù)-25W700mA反推整個單級APFC反激電路各個節(jié)點的設(shè)計參數(shù)，首先應(yīng)用我們在學(xué)校學(xué)到公式：P=UI=IIR分別計算出LED燈的工作電壓及等效電阻（即電子負載CR模式對應(yīng)標稱設(shè)定值) P=UI變形得到U=P/I，即U=35.71VDC P=IIR變形得到R=P/I/I,即R=51 由此計算得出的電阻值可作出生產(chǎn)過程中調(diào)整TBP-025C070SPA的電子負載CR模式,定標值,并以此定標值R=51來調(diào)整批量生產(chǎn)TBP-025C070SPA過程中輸出電流值. 同時生產(chǎn)老化過程中輸出端的電阻負載也依此R=51定標值來選擇,即選盡可能靠近該中心值的電阻負載R= 5050W 輸入端電壓由客戶訂單要求來決定,通常按下述三種方式定標: 一:歐洲/國家電網(wǎng)定標 165VAC265VAC 50/60Hz 二:北美電網(wǎng)定標 90VAC138VAC 50/60Hz 三:寬壓定標 90VAC265VAC 50/60Hz 四:電源效率由客戶要求定標-85%,五:電源功率因數(shù)依據(jù)客戶需求來定標0.95 由上述五個已知條件即可確定輸入端最大有效電流值,計算公式Po/Vin/PF=Iin Po=輸出功率(25W) Vin=最低輸入電網(wǎng)電壓 =電源轉(zhuǎn)換效率 PF=電源功率因數(shù) Iin=輸入端最大電流有效值= 0.363A 由上述一系列公式計算得到輸入/輸出端的電流值,即可依此電流借助工具查表得出所需要的漆包線線徑值如下表: 輸出端漆包線線徑=0.51mm 輸入端漆包線線徑= 0.35mm,TBP-025C070SPA SCH,由上述計算得出的輸入,輸出電流經(jīng)查表后得到的漆包線線徑值 輸出端漆包線線徑=0.51mm 輸入端漆包線線徑= 0.35mm 即可確定輸入端L1 L2共模電感及差模電感及T1中N1繞組所使用的漆包線線徑和輸出端T1中N2繞組 L3共模電感所使用的漆包線線徑. 通過上述計算,漆包線線徑確定下來后,下一步工作進入變壓器的設(shè)計環(huán)節(jié),對于變壓器的設(shè)計與計算,公式那是相當(dāng)?shù)責(zé)┈?要記的系列推導(dǎo)公式大家可以查閱相關(guān)工具書,在此給大家介紹一款工具包應(yīng)用.,在應(yīng)用之前,先給大家講講變壓器磁材方面的知識: 高頻變壓器的作用就是前面所講到的將輸入端電網(wǎng)的電能傳輸?shù)捷敵鯨ED工作所消耗的電能,變壓器傳輸能量的大小由下述因素制約:工作頻率,磁芯的窗口面積 傳統(tǒng)的工頻變壓器,它的工作頻率已確定,它的傳輸功率主要決定于磁芯的窗口面積.本節(jié)所要講的高頻變壓器得分兩個先天條件來講: 一:磁芯的窗口面積已定,僅能改變工作頻 率來提高功率傳輸值.,工作頻率是定值時,功率傳輸值的大小僅能依靠磁芯的窗口面積的來決定.即磁芯的窗口面積越大,傳輸?shù)墓β示驮酱?即負載輸出就越大. 對于單級APFC反激開關(guān)電源來講,高頻變壓器的工作頻率是一個變量,它的變化規(guī)律跟輸入端電網(wǎng)電壓成正比關(guān)系,即輸入電壓越高,工作頻率就越高,因此在設(shè)計該類高頻變壓器時要死死扣住最低輸入電網(wǎng)電壓所對應(yīng)的工作頻率點,防止磁芯在正常工作過程發(fā)生磁飽和現(xiàn)象,杜絕電源因磁飽和燒機. 磁飽和究竟是怎么回事?,磁飽和現(xiàn)象得做一個簡單實驗來說明-即用一個固定圈線的線包,配上相應(yīng)的磁芯,測量出室溫狀態(tài)的電感量值并記錄下來,然后把整個裝有磁芯的被測件置于裝有變壓器油的燒杯中,采用均勻加溫的方式進行升溫,以10作為記錄點(恒溫3分鐘記錄感量),當(dāng)溫度上升到某一值時,線圈中的電感值突然變0或消失,這種現(xiàn)象即為磁飽和.同時對應(yīng)的溫度點就是磁材發(fā)生磁飽和的溫度值磁芯的居里溫度. 磁芯的居里溫度跟磁芯的初始磁導(dǎo)率成反比關(guān)系-磁導(dǎo)率越高,居里溫度越低.,什么是磁飽和?,在上述實驗中,我們不妨把70 到130 這一段的溫度值連接起來,這條曲線越平滑,說明所選用的磁材性能越穩(wěn)定. 為什么最大值選130 ,依據(jù)是什么-那就是漆包線QA-1的漆膜溫度安全值,如果選用的是QZY-1,溫度安全閥值是150 ,磁芯的溫度曲線得從70 到150 進行連線. 不同材質(zhì)磁芯居里溫度值- R2K-230 R2K3-220 R2K5-210 R5K-180 R10K-150 ,那么在高頻變壓器中磁飽和是如何發(fā)生的? 當(dāng)線圈一定時,依據(jù)電阻率公式R=*L/S可知線圈的內(nèi)阻也就確定下來了,當(dāng)流徑線圈的電流變大時,線圈本身產(chǎn)生熱量就會變大,同時磁損也會跟著變大,線損,磁損疊加,最后以溫度體現(xiàn)出來,當(dāng)溫度達到磁材的居里溫度時,圈中的電感量突然消失,這就是所謂的磁飽和. 產(chǎn)生的后果:線包燒糊,整機不能正常工作或燒毀.,如何設(shè)計高頻變壓器,在這里給大家推薦一款簡單易懂的工具包(不嫌麻煩的可以采用公式推算),然后實驗驗證. 在下面這份EXCEL工具包中，背景色為綠色區(qū)域是高頻變壓器設(shè)計輸入?yún)?shù)窗口： 最低輸入電壓：依訂單要求填入 最高輸入電壓：依訂單要求填入 電網(wǎng)頻率：依訂單要求填入 輸出電壓：將計算所得值填入 輸出電流：將恒流值填入 輸出電壓紋波：,最低開關(guān)頻率：由設(shè)計者自主設(shè)定填入 變壓器反射電壓：由設(shè)計者自主設(shè)定填入 磁芯截面積（Ae）：查磁芯參數(shù)表就近填入 磁芯窗口面積（Aw）：查表所得值填入 將上述數(shù)值填入后，在計結(jié)果區(qū)域得到我們 想要高頻變壓器相關(guān)參數(shù)- 原邊匝數(shù)，副邊匝數(shù)，輔助繞組， MOS管最大峰值電壓，Diode最大峰值電壓 輸出所需電容，變壓器原邊電感量， 變壓器所需磁芯的AP值等等。,在上表中知道了原邊，副邊匝數(shù)及線徑，原邊MOS參數(shù)值等等，依據(jù)就近原則進行查表驗證即可。,輸出電流及輸出電壓的設(shè)定,經(jīng)過上述表格中一系列參數(shù)設(shè)定，通過公式 運算后，得出變壓器參數(shù)的設(shè)計，從而確定 了高頻變壓器，至此高頻變壓器設(shè)計結(jié)束。 結(jié)合TBP-025C070SPA 原理圖進行輸出端電 流，輸出電壓最大值的設(shè)定。公式如下： Io=R25/（R25+R34）2.5V/R2 VO=2.5V/R38/(R32+R38) 系列保護功能,由APFC驅(qū)動芯片固有功能決 定,由其是開環(huán)保護.具體保護調(diào)整如下:,在原理圖中光耦中發(fā)光二極管因某種原因停止 工作(內(nèi)置發(fā)光二極管不發(fā)光),此時電源工作在 開環(huán)狀態(tài),如果沒有開環(huán)功率限制或開環(huán)保護, 輸出電壓便會遠遠超出VO的設(shè)定值,PO超標工 作,輸出端LED負載便會因過載而損壞,輸出電容 會因過壓而冒頂或直接爆炸. 對于圖定芯片L6562,開環(huán)功率限制制約于R1阻 值的大小,當(dāng)選定R1的值時,能夠滿足開環(huán)功率限 制時,還需考慮整機在低壓狀態(tài)時電源輸出電流 值是否滿足客戶需求的恒流值.只有二都兼得,方 可定R1的值. 對于SN7530 芯片本身具有開環(huán)保護功能,R1選 取會相對容易一點,在設(shè)計時只需滿足低壓狀態(tài) 時電源輸出電流的恒流值符合客戶需求. 類似芯片還有昂寶的03ACP等等,當(dāng)輸出端短路時，對于 SN7530及03ACP芯片而 言，它們的第8腳具過壓 保護，第4腳過流點電壓 檢測，當(dāng)檢測到電壓值 超過芯片內(nèi)置閥值，保 護電路動作并鎖機。 而對于L6562短路保護僅 能以打嗝模式工作，短 路視在功率在2W6W之 間變化。,磁芯AW值及AP值查照表,LED Lighting 介紹,LED發(fā)展概況 LED結(jié)構(gòu) LED照明常用術(shù)語 LED優(yōu)缺點 LED封裝種類 應(yīng)用場所 常見LED燈具 LED Lighting驅(qū)動及機會,1962年, 開發(fā)出發(fā)紅光的半導(dǎo)體化合物GaAsP； 1965年，全球第一款商用化的用鍺材料做成的可發(fā)出紅光的LED誕生。效率大約為0.1流明/瓦。 1968年，利用氮摻雜工藝使GaAsP材料LED器件的效率達到了1流明/瓦，并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃色光。 1971，推出具有相同效率的GaP綠色芯片LED。 80年代早期,開發(fā)出AlGaAs LED，效率10流明/瓦。 1990年，開發(fā)出AlInGaP LED，比當(dāng)時標準的GaAsP器件性能要高出10倍。 1994年，研制出了第一只藍光LED。 90年代后期，研制出通過藍光激發(fā)YAG熒光粉產(chǎn)生白光的LED。 近年來白光LED的發(fā)展相當(dāng)迅速，白光LED的發(fā)光效率已大大提高，已經(jīng)超過100流明/瓦。,發(fā)光二極管的核心部分（LED芯片）是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，稱為PN結(jié)。外部用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內(nèi)部芯線的作用。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED 陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)。 LED 因其顏色不同,而其PN結(jié)的材料也不同: 如紅色 ：鋁-銦-鎵-磷化物 綠色和藍色: 銦-鎵-氮化物 白色和其它色都是用RGB 三基色按適當(dāng)?shù)谋壤旌隙傻摹?波 長：不同顏色的光有不同的波長，范圍在380至780nm之間。單位：納米（nm） 亮 度：亮度是指物體明暗的程度，定義是單位面積的發(fā)光強度。單位：尼特（nit） 光 強：發(fā)光體在特定方向單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光通量。單位：坎德拉（cd） 光通量：光源每秒鐘所發(fā)出的可見光量之總和。單位：流明（Lm） 光 效：電光源將電能轉(zhuǎn)化為光的能力。它是衡量光源節(jié)能的重要指標。單位：每瓦流明（Lm/w）。 色 溫：光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時，黑體的溫度稱為該光源的色溫。單位：開爾文（k）。 顯色性：光源的顯色性是由顯色指數(shù)來表明，它表示物體在光下顏色比基準光（太陽光）照明時顏色的偏離。單位：Ra。,優(yōu)點,缺點,效率高 超長壽命 可組成各種顏色 驅(qū)動相對簡單 體積小 響應(yīng)時間短 環(huán)保，無有害金屬汞 低壓，安全性高,每瓦的流明成本高. 光效還沒有熒光燈或HID高. 顯色指數(shù)低。,LED 封裝種類,普通LED系列 食人魚LED系列 大功率LED系列 數(shù)碼管、點陣系列 貼片系列,普通LED系列(2-3 流明,If = 30mA),食人魚LED系(4-8 流明,If = 70mA),大功率LED系列(15 流明,If 150mA),數(shù)碼管、點陣系列,貼片系列,應(yīng)用領(lǐng)域,信號指示：電子設(shè)備的功能指示、交通信號燈等； 顯示應(yīng)用：指示牌、廣告牌、大屏幕顯示等； 照明應(yīng)用： 手電筒、頭燈、礦燈、潛水燈等； 汽車用燈：剎車燈、轉(zhuǎn)向燈、倒車燈、側(cè)燈、霧燈、車內(nèi)照明燈、前燈等； 特殊照明：太陽能庭院燈、太陽能路燈、小夜燈、臺燈、射燈、室內(nèi)裝飾燈、櫥窗燈、景觀燈、護攔燈、地埋燈、水底燈等； 背光照明：手機背光源、筆記本電腦背光源、大尺寸LCD顯示器背光源等； 通用照明,常見LED燈具,目前，市面上常見的LED燈具有如下：,LED地埋燈、LED水底燈、LED草坪燈、LED輪廓燈、LED彩虹管、LED燈杯、 LED投光燈、LED射燈、LED地磚燈、 LED墻壁燈、LED球泡等,LED Lighting驅(qū)動及機會,驅(qū)動器的基本作用是給LED 一個恒定的電流而非恒定電壓， 要求在任何情況下，例如輸入電壓、溫度或正向電壓有任何變動，都要輸出恒定而平均的電流，紋波電流控制在可接受的范圍內(nèi)?？煞譃椋?非隔離式驅(qū)動控制,隔離式驅(qū)動控制,非隔離式驅(qū)動控制,沒有隔離，安全性較差，其主要工作方式就是將整流后的電壓直接采用開關(guān)降壓的方式控制LED燈。代表芯片有,Supertex公司的HV9910 PI公司的LNK30X系列 IR公司IRS254X系列 dsPIC30F系列,HV9910典型應(yīng)用電路,LNK30X系列典型應(yīng)用電路,IRS254X系列典型應(yīng)用電路,IRS254X控制原理及圖形,采用dsPIC30F1010驅(qū)動LED的應(yīng)用框圖,隔離式驅(qū)動控制,由于采用了變壓器隔離，安全性高。其主要工作方式就是通過開關(guān)電源將電壓降低，再控制LED的電流。,電流控制方法,電阻限流 線性電流調(diào)節(jié) 開關(guān)電流調(diào)節(jié) 開關(guān)電源電流反饋控制,電阻限流,線性電流調(diào)節(jié),開關(guān)電流調(diào)節(jié),開關(guān)電源的電流反饋控制,TNY274/275/276/277 /278/279/280 TOP242/243/244/245/246 /247/248/249/250,用PI公司TOP247YN設(shè)計的帶PFC的LED控制器(DER-167),模擬調(diào)節(jié):通過線性改變回路的阻抗，實現(xiàn)改變流過白光LED的電流。優(yōu)點:沒干擾。缺點:效率低；色溫改變。,調(diào)光控制方式有兩種,LED燈調(diào)光控制,PWM調(diào)節(jié)：在LED的額定電流下，通過改變導(dǎo)通截至?xí)r間比，調(diào)節(jié)流過LED的平均電流。優(yōu)點:色溫不變；應(yīng)用簡單；效率高。缺點：容易產(chǎn)生噪聲；光干擾。,模擬調(diào)節(jié),PWM調(diào)節(jié),開關(guān)電源的電流反饋電路實現(xiàn)調(diào)光控制,PIC10F2XX PIC12F615/510 PIC16F616/716 IR公司MOS(電壓/電流),低電壓輸入LED驅(qū)動,使用電荷泵驅(qū)動LED 升壓LED驅(qū)動 降壓LED驅(qū)動,使用MCP1252的電荷泵LED驅(qū)動器,電荷泵電源不具有其它SMPS拓撲所必需的電感器。這使電路更緊湊更便宜。不足之處是，電荷泵無法提供很大的電流。電荷泵電路在背光照明應(yīng)用中最有用。常見應(yīng)用包括PC、LCD顯示屏和汽車儀表。,升壓LED驅(qū)動,使用MCP1650的電池供電升壓LED驅(qū)動器,使用12V輸入的LED智能驅(qū)動器,降壓LED驅(qū)動,使用比較器的降壓LED驅(qū)動器,使用數(shù)字控制的PIC12HV615降壓LED驅(qū)動器,金鹵燈驅(qū)動電源拓撲,整流濾波電路,PFC控制電路L6562,BUCK型降壓電路UC2845,全橋電路如下圖:,TB-MH070 SCH:,車用氙氣燈驅(qū)動電源拓撲,The vital parameters requirements for the performance of HID controller,Requirement for A/D 1:Sampling resolution HID Lamp Work condition: Max load current:2A， Nomal current:0.4A， Sample resisitor: 0.2， Nomal working voltage:80mV； Max Load voltage:400V， Min load voltage:25V， Suppose the samle voltage is 1/100 of load voltage，for example 0.25V stand for 25v； 10bit ，5Vsource voltoge，resolution=4.88mV,the value in register =0.25v/4.88mV=51 12bit，3.3Vsource voltage, resolution=0.8mV,the value in register =0.25v/0.8mV=312 The better the resolution is ,the better control performance we can get. Sampling speed: It is the best that the A/D controller sampling speed is the same as the PWM controller speed。,Requirements for PWM controlle: 1:PWM controller speed PWM speed is determined by the size of transformer. The smaller the size is ,the faster the speed is required. Generally speaking ,200KHZ is required for the super-thin HID lamp contorller. the voltage range for auto-used HID lamp is 915V ,Max power consumption is about 70W ;Because of the flyback inverter, the max duty cycle should be set to 50 when the lamp is working in Max Power. If PWM resolution is T ,then the number of steps for adjust is T*50% In another two conditons ,for example: 1: when the lamp work under 35W nomal condition, duty cycle=50%*35/70=25%, number of steps=T*25% 2:in the worst working condition, the lamp work under 15v,35W conditions , duty cycle=25%*9/15,then number of steps=T*15%. So we can learn a formula that P =35/(T*15%) For example： When PWM solution is 6 bit ,T is 64,then P=3.64W； When PWM solution is 8 bit ,T is 256,then P=0.91W； When PWM solution is 9bit , T is 512,then P=0.46W；,PIC16F913 vs. AT90PWM2,PIC16F913 28 PIN 4 KWords Flash 256 Bytes RAM 256 Bytes EEPROM Intosc: 8MHZ 2.0-5.5V 1MIPS throughput per 4MHz No Multiplier Timer: 2x8-bit, 1x16-bit 2xPWM(6.67Bit200KHz&20MHz) 5 Ch x 10-bit A/D(56Ksps conversion) No Amplifier,AT90PWM2 24 PIN 8 KBytes Flash 512 Bytes RAM 512 Bytes EEPROM Intosc: 8MHZ 2.7-5.5V 1MIPS throughput per 1MHz 2-cycle Multiplier Timer: 1x8-bit, 1x16-bit 2 xPWM(8.32Bit200KHz& Intosc 8MHz) 8 Ch x 10-bit ADC(120Ksps conversion) 2 x Differential input Amplifier with programmable gain 5/10/20/40,DsPIC33FJ12MC201 vs. AT90PWM2,DsPIC33FJ12MC201 20 PIN 12 KBytes Flash 1 KBytes RAM No EEPROM Run-Time Self-Programming Intosc: 8MHZ 3.0-3.6V 1 MIPS throughput per 2MHz single-cycle multiplier Timer: 3x16-bit 2xPWM(8.64Bit200KHz&20MHz) 4 Ch x 12-bit A/D (500Ksps conversion) No Amplifier,AT90PWM2 24 PIN 8 KBytes Flash 512 Bytes RAM 512 Bytes EEPROM Self-Programming Intosc: 8MHZ 2.7-5.5V 1 MIPS throughput per 1MHz 2-cycle Multiplier Timer: 1x8-bit, 1x16-bit 2xPWM(8.32Bit200KHz& Intosc 8MHz) 8 Ch x 10-bit ADC (120Ksps conversion) 2 x Differential input Amplifier with programmable gain 5/10/20/40,