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此培训资料来源于德州仪器（TI）和中国电源学会（世纪电源网）
合作举办的“TI 现场培训”课程，世纪电源网同意在 TI 网站上分享
这些文档。
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小功率开关电源中的功率变换器拓扑、分析与设计
张兴柱 博士 2014年04月
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第一单元 DC-DC功率变换技术概论
1. 开关电源产品概况2. DC-DC产生的原因3. DC-DC的发展历史4. DC-DC的研究概要
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1. 开关电源产品概况
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--- 因电子技术、自动化技术、IC技术等等的迅速发展，导致了多种多样的电子设备，如：计算机、电视机、通信设备、工业控制设备、手机、数码相机、DVD、服务器、路由器、电机驱动、医疗仪器、。。；
--- 电子设备内部的各种IC、电子电路、执行装置所需的电源，多为直流电和交流电；--- 从电网所得的交流电或由电池所得的直流电是随环境、时间和负载所变化的，它们
不能直接成为电子设备所需的内部电源；--- 电子设备由于要完成许多高级的功能、对其供电电源的精度、随环境的变化、动态
响应能力、还有很多其它的指标都有非常高的要求；--- 将电网或电池的一次电能，转换为符合电子设备要求的二次电能，这样的变换设备
便是电源。
由此可见，电源是一切电子设备的心脏，没有电源，电子设备就不可能工作。
1：电源是什么？
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2：开关电源是电源中的一种，但是最有前途的电源，原因是：
--- 开关电源具有下列突出的优势：如：高功率密度---反映为高效率、小尺寸、低厚度等；
更多的功能---反映为可并联、可遥控、可热插拔等；
--- 目前极大部分电子设备的电源都是开关电源，可见http://www.darnell.com的市场分析报告。
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3：电源产品的种类：
--- 根据变换方式，电源产品有下列四大类；
（1）：第一大类：AC/DC开关电源；（2）：第二大类：DC/DC开关电源；（3）：第三大类：DC/AC开关电源；（4）：第四大类：AC/AC开关电源。
鉴于传统，目前只将前两类称为开关电源，而将后两类分别称为逆变器和变频器。
在国内，还将这四类电源产品合称为电力电子产品。
实际上对上述四类产品，相对精确的称呼应该是电源产品或功率变换产品。
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3：开关电源的分类：
（1）：外置电源 --- 与设备分开放置的电源模块或电源系统；如：
--- 通信用一次电源模块和系统；--- 电力操作电源模块和系统；--- 手机电池的充电器；--- 笔记本电脑的Adapter ；--- 各类手提设备、便携设备的电池充电器；
（2）：内置电源 --- 放在设备内部的电源模块或电源系统；如：
--- 计算机内部的Silver Box和VRM；--- 家电（如普通电视机、PDP电视机、液晶电视机）内部的供电电源；--- 工业控制设备内部的电源；--- 仪器中用的电源；--- 通信设备内部的电源模块和系统；--- 复印机、传真机、打印机等的内部电源；
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（3）：板上电源 --- 放在设备内单板上的电源模块；如：
--- 标准砖类电源（全砖、半砖、1/4砖、1/8砖）；--- 非隔离POL（Point of Load）变换器；--- VRM和VRD；--- 小功率SMD电源；--- SIP和DIP电源；
下面我们来看一些开关电源产品的图片，摘自电源公司网站。
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A：一次电源产品的图片（AC/DC）
FPS Series of Lambda
TH Series of Lambda
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B：工业电源产品的图片—标准产品（AC/DC）
CPCI Series of Lambda
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C：工业电源产品的图片（AC/DC）
HWS Series of Lambda
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D：工业电源产品的图片（AC/DC）
DT Series of Lambda
KW Series of Lambda
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E：工业电源产品的图片（AC/DC）
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F：二次电源产品的图片（DC/DC）--标准转类
Full Brick Half Brick Half Brick
1/4 Brick
1/8 Brick
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G：二次电源产品的图片（DC/DC）
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4：开关电源的组成：
一个开关电源产品有电气部分和结构部分组成；
其中电气部分有：--- 功率变换电路；--- 各种控制电路；--- 故障保护电路；--- EMI电路等等。
其中结构部分有：--- 安装各种电路的PCB；--- 功率器件的散热器或风扇；--- 安装变压器、输入输出插座等的结构件；--- 产品的外壳、面板等等。
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2. DC-DC产生的原因
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--- 高功率密度的两个关键：高效率和小型化；--- 要实现高效率变换，构成变换的电路只能采用下列元器件：
电子器件（如功率MOSFET、功率二极管），且工作于开关方式；电抗性元件（如电感、电容），作为无损耗储能或滤波元件；隔离元件（如功率变压器），作为输入/输出隔离元件。
--- 要实现元件的小型化，电路必须工作在高频；--- 因而开关型电源的主电路只能是电子开关和电抗性元件组成的高频开
关功率变换电路；
在输入和输出均是DC的高频开关功率变换电路，叫DC-DC功率变换器，简称DC-DC变换器，它是所有开关电源产品的基础，下面给出详细解释。
1：电源的高功率密度要求是开关型功率变换技术产生的直接原因
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2：DC-DC功率变换器的一般结构
gV
gI
oI
oV
ontsT
s
on
Tt
d =
--- 兰框中的电路是开关型DC-DC功率变换电路，有许多结构，是本课程的重点；--- DC-DC变换器有三个输入：两个是环境变量，分别为输入电压和负载电流，一
个是控制驱动，多数产品采用定频调宽（PWM）的控制，此时可用占空比d代表控制量。
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3：稳压的基本原理
在稳态工作时，通过DC-DC变换器的分析，可以解析出下面一般的稳态增益：
),,( KRDMVV
g
o=
其中：s
on
TT
D = 为控制信号的稳态占空比；
o
o
IV
R = 为负载端的等效电阻；
),,( RfLKK s= 是一个参变量；
L 为输出滤波电感；
ss
Tf
1= 为开关频率。
从稳态增益公式可知，当输入电压或负载电流变化时，其输出电压在占空比不变时，也将发生变化。为了保持输出电压不随输入电压和负载的变化而变化，我们可以改变占空比。这个原理是实现各类开关电源产品输出稳压的基础，下面从不同电源产品的结构框图，来说明DC-DC功率变换器是它们当中最重要和最基本的功率变换环节。
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4：AC/DC开关型稳压电源的一般结构框图（A）：无PFC的传统结构
整流器 滤波器 功率变换器及控制
acV acI
gI
gV
gVacV
acI
recI
acV
oI
oV
oVdV
recI
ontsT
s
on
Tt
d =
它直接将交流电网用二极管桥进行全波整流，再用一个大的输入电容将其滤波成含有2倍网频分量的直流输入，由于交流输入电压的范围和负载电流的范围都很宽，所以蓝色框中的DC-DC功率变换器及其控制便是这种开关电源中的核心。它不仅要实现全输入电压和全负载范围内的输出电压稳压，而且要实现输出电压的低纹波。用DC-DC中的高频变压器，可以大大减小传统线性电源中的变压器体积。另外还可灵活地实现所想要的输出电压和进行隔离。
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（B）：有PFC的实现
整流器 功率变换器及控制Boost
acV acI
recI
acV
acI
acV
oI
oV
ontsT
s
on
Tt
d =
oVgV dV
gV
gIrecI
这种AC/DC开关电源在DC/DC功率变换器之前加了一个PFC前置级，用来实现交流输入电流的近似正弦和PFC输出电压的近似稳压。从目前这种AC/DC开关电源的前置级PFC的实现来看，其功率级主要有一个全波桥式整流电路和一个DC/DC功率变换器组成，关键的电路仍是DC/DC功率变换器（已被固化为BOOST 变换器）。所以包含PFC的AC/DC开关电源的核心功率变换电路依然是两个DC/DC功率变换器。
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5：DC/DC开关型稳压电源的一般结构框图
功率变换器及控制
gV
gV
ontsT
s
on
Tt
d =
oI
oV
oV
gI
dV
DC/DC开关电源中的核心毫无疑问是DC/DC功率变换器，目前DC-DC开关电源是仅次于AC-DC开关电源的产品，它的应用非常多，尤其在通信领域。下几页给出两种通信单板的供电方案，这些方案中的DC-DC开关电源，品种烦多，有标准DC-DC模块和POL，但它们中的核心功率变换电路都是DC-DC变换器。
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ACAC/DC UPS
System
LOADDC/DC LOADDC/DC
48V
LOADDC/DC
LOADDC/DC
LOADDC/DC
LOADDC/DC
LOADDC/DC
LOADDC/DC
单板#1
单板#2
这种方案的DC/DC采用二次电源模块（标准DC/DC开关电源为主，如半砖、1/4砖和1/8砖）实现。
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ACAC/DC UPS
System
LOADLOAD
48V
LOADDC/DC
LOAD
LOAD
LOAD
LOADDC/DC
LOAD
单板#1
单板#2
POL
POL
POL
POL
POL
POLIB
US
这种方案的DC/DC采用中间BUS二次电源模块（标准DC/DC中间BUS变换器为主，如半砖、1/4砖和1/8砖等）和DC-DC变换器（POL为主，如Buck变换器构成的集成单片开关电源）实现。
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6：其它开关型功率变换产品的核心也是DC-DC变换器
在UPS中，为了实现输出AC电压的不间断，当输入电网断电后，要迅速通过电池和逆变器给输出提供与电网同频的AC电压。这个系统有输入PFC、逆变器、电池充电器、电池升压电路和相应的控制及切换电路组成。其中输入PFC、电池充电器和电池升压电路的核心功率变换电路就是DC/DC功率变换器，而逆变器的功率级电路，从形式上看也是一种DC/DC功率变换电路（如半桥逆变器、全桥逆变器），只是将AC/DC或DC/DC开关电源中的PWM控制改成了SPWM控制，将直流负载改成了交流负载，将单向电子开关改成了双向电子开关而已。所以UPS及逆变器产品中的核心功率变换电路依然是DC/DC功率变换器。
在变频器中，为了改变输出交流的频率，一般采用两级变换的方式来实现，第一级是AC/DC功率变换，目前这一级采用的多是PFC电路；第二级是DC/AC功率变换，它是一个逆变器，根据前面的分析，这种方式构成的变频器，其核心功率变换电路依然是DC/DC功率变换器。
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3. DC-DC的发展历史
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1：DC-DC功率变换可以追溯到上世纪50年代初
--- 可控硅直流斩波器便是最早的DC-DC功率变换器，它被用于直流牵引等领域；--- 在上世纪70年代，随着计算机的发展和功率MOSFET的出现，DC-DC功率变换技
术也开始了它的迅速发展。
2：DC-DC功率变换技术的历史发展阶段
--- DC-DC功率变换器的拓扑研究阶段 ；--- DC-DC功率变换器的控制研究阶段 ；--- DC-DC功率变换器的小信号建模研究阶段；--- DC-DC功率变换器的设计、应用与优化阶段。
每个阶段的研究并不是孤立的，而是相互交叉、相互渗透的。
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4. DC-DC的研究概要
29DC/DC的动态大信号分析、设计与优化，等等。
DC/DC的动态小信号分析、设计与优化
DC/DC的稳态分析、设计与优化DC-DC的应用研究
其它建模方法
三端PWM开关模型法
等效电源平均法
状态空间平均法DC-DC的建模研究
混合控制技术，等等。
V平方控制技术
一周期控制技术
其它控制技术：电荷控制技术
电流型控制技术（峰值电流控制，平均电流控制，CCM/DCM控制）
电压型控制技术DC-DC的控制研究
DC/DC变换器的级联技术，等等。
DC/DC变换器的串联技术
DC/DC变换器的并联技术
中大功率DC/DC功率变换器的软开关技术
DC/DC功率变换器的拓扑综合技术
从基本DC/DC功率变换器衍生的隔离DC/DC功率变换器拓扑
基本DC-DC功率变换器拓扑DC-DC的拓扑研究
DC-DC功率变换的研究内容
