【精品】剖析切换式电源供应器的原理及常用元件规格

1、剖析切换式电源供应器的原理及常用元件规格宋自恒（品佳股份有限公司）、林庆仁（屮央研究院地球科学研究所）转换效率高、可直流输入的切换式电源供应器山于大部分电了器材（如电视机、音响、电脑等）其内部元件所使用的电源均为直流电，故必须有电源供应器（或整流器）來把交流市电转 换成各种不同的直流电丿禾以使电器发挥功能。依其电路结构的不同，电源供应器可分为线性式和切换式电源供应器两种，简单的线性式电源供 应器是山变压器、二极体整流器和电容滤波器所组成（如图一），其优点是电路简单、稳定度高、暂态响应快、可靠度高、涟波小、电磁干扰 小，然而因其使用大电流变压器，体积大且重量重，大多无法直接安装在电路基板上，转换

2、效率低（约3050%）、不可做直流输入都是其 缺点。为克服线性式电源供应器的种种缺点所发展出的切换式电源供应器（方块图如图二所示），其优点是转换效率高、空载时耗电小、重量 轻、可做直流输入。虽然在电路结构上比线性式电源供应器來得复杂，涟波比较大、电磁干扰也比较大，但整体而言，切换式电源供应器仍 优于线性式电源供应器，故目前电源供应器的市场乃以切换式电源供应器为主流。圖一線性式電源供應器電路簡圖input stage9 |i1pfc stage :;=»=emi 濾波器isv：il d r>b 1 | |1功率因數 調整逝路 t 1i 1a功率開關隔離高頻 變壓器整流 二極简&g

3、t;柿出谶波器odc輸出pwm與 驅動也路1*<41 1111光隔離器誤差 放大器图二切换式电源供应器方块图一个优质的切换式电源供应器至少应具冇下列特点：*输入电压范围为90264伏特z间。*输入频率范围4763hzo i转换效率80%以上。*停电后输出维持时间(hold up time)最少10毫秒以上。* 产生之电磁干扰(electromagnetic interfrence, emi)杂讯(power line noise)须符合f c c和c e标准。(注 1.)*输出入端具隔离效果。*输入电压超出额定值时输出电压的改变量(line regulation)须小j-± 1

4、 %以下。*输出涟波和杂讯在1 %以下。*具过电压、过电流保护功能。*具冇防静电和防雷击功能。*机壳的漏电流在0.75ma以下。典熨的切换式电源供应器是山9个部分所组成 分别是输入级(input stage)包s emi滤波器和桥式整流电路 功率因数调整级(power factor correction, pfcstage)包含功率因数调整电路;功率级(power stage)包含功率开关、脉波宽度调变(pulse width modulation, pwm) 与驱动电路、隔离高频变压器、整流二极体及输出滤波器；回授级(feedback stage)包含谋差放大器及光隔离器。emi滤波器的主要

5、h的是防止连接在同一电力系统的电气装汽所产牛的传导性电磁杂讯经由电源导线而彼此互相干扰。桥式整流电路把输入交 流电源转换为直流电vi。功率因数调整(pfc)电路的忖的是调整电源供应器的功率因数，使符合环保标准。pwm与骡动电路用来控制功率 开关的导通与否，当功率开关导通时，输入电压vi会供应到隔离高频变压器的初级绕组上，此时初级绕组上的电流逐渐增加并将能虽储存于 其中，同吋把能量感应在变压器的次级绕组上，整流二极体把变压器次级绕组上的电压转变为直流电，经输出滤波器滤除涟波成分后输出直流 电压，当功率开关截止时，储存在隔离岛频变压器初级绕组上的能量转移到次级绕组上，持续提供输出电流。误差放人器截

6、取一部分输出电压 与想得到的电压做比较，误差值经光隔离器耦合到pwm控制电路上，藉由改变脉波宽度来控制功率开关的导通时间，以粘确得到想要的直流 输出电压。为因应各种不同的输出功率，切换式电源供应器发展出下列几种常用的电路拓仆(topology),分别是返驰式(flyback)、顺向式(forward)> 全桥式(full bridge).半桥式(half bridge)和推挽式(push-pull)等，木文将针对此五种电路拓仆，分析其原理及设计方法，并提供 一些冃前市售元件的产品规格给读者参考。注仁fcc为美国联邦通讯委员会的缩写，ce为欧盟共同标准。电路简单、成本低廉的返驰式电路拓仆图

7、三为h前故普遍被使用的返驰式电路拓仆之电路简图，在100w以下的应用上，山于它的变压器又兼作输出储能电感使用，且次级端仅需一 个二极体，故电路简单成木低廉，以成木的角度來说，它几乎是没有别的电路所能取代的。由l1、pfcic、q1、d1和c1组成pfcstage, 用來调整电源供应器的功率因数,使符合坏保标准。l1的典型值约数hph数mhzi'hj, 一般采用铁粉芯(iron power core)材质，q1 电晶体的规格要求为耐电压600v,耐电流7 a以上，表一为业界帘用的规格。pfc ic控制q1的导通与截止，一般依流过电感的电流波形 分为连续式(continuous)和不连续式

8、(discontinuous)两种，业界一般采用的型号有ti的uc3852. uc3854. st的6561及infineon 的tda4863等。d1为功因调整用超快速冋复二级体(pfc hyperfast recovery diode), 一般规格为耐电压600v、耐电流5a以上、 反向冋复时间(reverse recovery time, trr)为20ns以下，表二为业界一般采用的规格型号。c1则依其输出涟波规格大小來决定其值， 典型值通常在loopf以上，耐压在450500v之间，一般釆用电解电容材质。表一業界常用的pfc級600v耐壓電晶體規格型號表1(a)rds on (ohm)

9、type no.brandpackage71.2phx7nq60ephilipsto220f7.30.6spp07n60c2infineonto220100.75phx10nq60ephilipsto220f表二業界常用的pfc二極體規格型號表io(av)/ if(a巧(a)vrrmw(ns)packagesurface mountleadedd2-pack (so t-404)to-220ac(so d59)560019byc05b-600byc05-600860019byc08b-600byc08-6001060019byc10b-600byc10-600圖三、返馳式電路拓僕之電路簡圖由p

10、wmic、q2、t1、d2、c2组成power stage.藉由pwm ic控制q2电子开关的导通与否，配合次级侧的二极体和电容，即可得到 dc电压的输出，而变压器t1因为有气隙z故，其初级圈具有隔离、变压和电感的三重功能，藉由q2电子开关作用将储存于在变压器的能 量传递给次级侧，再藉由电容c2的充电保持功能来得到直流电压vo,此外改变变压器初、次级的圈数，就可以得到想要的dc电源。早期的 pwm ic人多采用uc384x系列（如uc3842、uc3843）,然而近年来由于环保意识抬头，国内的厂商如崇贸等更改良了以往pwm ic 的工作模式而设计t 384xg及6840等具有green fun

11、ction的ic （注2）,此外欧系的infineon coolset ice2axxx及ice2bxxx系 列不仅具有green function,并且把以往外加的q2电晶体包装在8dip的ic内，以节省空间和制造流程。现今业界一般采用的型号仍以 384x系列的传统ic屈多，但由于新产品越来越积体化及环保和安规要求越来越严苛的趋势下，相信不久z后，市场会有革命性的变化。q2 为耐电压600v的mosfet,业界一般采用的型号如表三所示。t1的一般规格为el core或eecore,业界一般采用的型号为el28ei40。 d2为肖特基二级体（schokky diode）,作为整流z用，业界一般

12、采用的型号如表四所示。c2是滤波电容，英电容值视输出涟波要求而定， 一般在400|jf以上，而耐压则选择输出电压的1.2-1.5倍z间，-般采用电解电容材质。表三 業界常用的600v mosfet規格型號表1(a)rds on (ohm)type no.brandpackage1112sk3491sanyoi pack1.83spu02n60s5infineoni pack32.62sk2624sanyoto220f42.5phx4nq60ephilipsto220f61.22sk2628sanyoto220f71.2phx7nq60ephilipsto220f7.30.6spp07n60c2

13、infineonto220100.75phxlonqrsoephilipsto220f110.38spp11n60c2infineonto220110.38spw11n60c2infineonto247200.19spp20n60c2infineonto220200.19spw20n60c2infineonto247470.07spw47n60c2infineonto247| lo（a由r1、r2、r3、ph1、d3组成feedback stage, r2. r3组成分压电路撷取一部分输出电压，经ph1光耦合器回授到pwmic,藉调整 pwm ic的输出脉波宽度以稳定输出电压值，r1、r2&g

14、t; r3 般采用1/4w碳膜电阻，ph1的型号为infineon的sfh615、sfh617, d3 为三端稳压元件主要产生2.5v的稳定参考电压，tl431为业界常用的烈号。注2： green function为环保功能的意:思，亦有ic特性乎册称之为blue angel,其要求是在满载70w以下的电源产品，当负载没有输出 功率的情况下，输入电源仍照常供应时，电路消耗功率必需小于1w以下。输出功率高于1 50w的顺向式电路拓仆图四为顺向式电路拓仆z电路简图，与返驰式电路拓仆的主要差別在于power stage的次级侧部分，顺向式多用了一个肖特基二级体d4和 电感l2,当q2截止时，隔离变压

15、器t1 z绕组上的电压极性会反转，使得d2z1极体变成逆向偏压而不导通，而d4二级体则处于导通状态， 此时负载端z能量，则由l2和c2所储存的能暈经由d4來供给。因此在顺向式电路拓仆中，l2和c2除了做为低通滤波器z外，亦为一储 能元件。在元件的采用上和flyback电路人同小异，然而由于在电晶体q2关闭（off）时來ht1初级侧的反向电压会和c1上的输出电压 相累积而成为两倍的pfc stage输出电压，故q2的耐压必需高达800v以上，实务上通常都采用耐压800v的mosfet来扌h任此任务，业 界一般采用的型号如表五所示。表四业界常用的肖特基二极体规榕型号表lo(av)vrrmvfifs

16、inglepackageif(av)(v)(mv)(a)/dualsurface mountlead(a)sot 223d-packd2-packto220acto220absod 113sot 186 ato247(sot 428)(sot 404)(sod 59)(sot 78)(sot 186 a)(sot 429)2404501dualpbyr240ct2254501dualpbyr245ct3405701.5dualpbyr340ctd3455701.5dualpbyr345ctd6406003dualpbyr640ctd6456003dualpbyr645ctd7.5405707.

17、5singlepbyr740dpbyr740bpbyr740pbyr740x7.5455707.5singlepbyr745dpbyr745bpbyr745pbyr745x104057010singlepbyr1040dpbyr1040bpbyr1040104059010singlepbyr1040x10406005dualpbyr1040ctd104557010singlepbyr1045dpbyr1045bpbyr1045104559010singlepbyr1045x10456005dualpbyr1045ctd106070010singlepbyr1060bpbyr1060101007

18、0010singlepbyr10100bpbyr1010015405707.5dualpbyr1540ctbpbyr1540ctpbyr1540ctx15455707.7dualpbyr1545ctbpbyr1545ctpbyr1545ctx164057016singlepbyr1640bpbyr1640164060016singlepbyr1640x164557016singlepbyr1645bpbyr1645164560016singlepbyr1645x204057010dualpbyr2040ctbpbyr2040ctpbyr2040ctx204065020dualpbyr2540c

19、tx204557010dualpbyr2045ctbpbyr2045ctpbyr2045ctx204565020dualpbyr2545ctx206070010dualpbyr2060ctbpbyr2060ct2010070010dualpbyr20100ctbpbyr20100ct304060020dualpbyr3040wt304062020dualpbyr2540ctbpbyr254(k?t304560020dualpbyr3o45wt304562020dualpbyr2545ctbpbyr2545ct306070015dualpbyr3060xvt3010070015dualpbyr3

20、()i()()wt404060020dualpbyr4040wt404560020dualpbyr3045wt604060030dualpbyr6040wt604560030dualpbyr6045wt表五 業界常用的800v mosfet規格型號表1(a)rds on (ohm)type no.brandpackage3.41.3spa04n80c3infineonto220f60.95spp06n80c3infineonto2204.90.65spa08n80c3infineonto220f5.90.45spa11n80c3infineonto220f170.29spp17n80c3inf

21、ineonto220170.29spw17n80c3infineonto247forward电路拓仆的特点为(1 )输出功率可高于150w。(2)流经变压器初级侧及次级侧的电流较小(因为变压器不作电感作用，无需加 气隙，故感量高电流小)，因此变压器的铜损(copper less)小，所以温升低,可用小一点的变压器。(3)成本增加,因为power stage 的输出端多用了一个二极体d4和电感l2 z故。需使用2颗40 0 v开关晶体的半桥式电路拓图五为半桥式电路拓仆之电路简图，q1和q2电晶体为互补工作模式，即当q1导通时，q2截止。而其pwm ic所产生的控制信号及变压 器初级侧的电压vc如

22、图六所示。本电路的动作方式可分为四个状态(state)来讨论，其中第1个状态是当q1为on、q2为off时，电流 方向如图五中虛线所示，此时若pfc stage的输出为vd = 400v,则变压器之初级侧电压vc约为vd/2=200v,而q2所需的耐压约为 vd = 400vo初级侧电压vc经由变压器耦合到次级，次级侧的电流经d1把能量储存在电感l中，并供应到输岀vo端。当q2耍由off 转到on的状态时，为防止q1和q2同时on,造成输入端短路致使电路烧毁的严重后果，必需先进到第2个状态，u|j q1和q2皆为off 的情形，这段时间称为截止时间(deadtime),此时变压器的初级侧完全没

23、有能量耦合到次级侧，而落在q1q2的压降约各为200v,次级 侧则将上一个状态储存在电感l能量释放到负载。接下来进入第3个状态，即q1为off而q2为on,电流方向如图五中的双虚线所示此时 若pfc的输出为vd = 400v,则变压器之初级侧电压vc约为-vd/2 = 200v,而q1所需的耐压约为vd = 400v,与状态1极为类似， 初级侧电压vc经由变压器耦合至次级，使次级侧电流经由d2将能量储存在电感l中，同时供应到输出vo端。同样地，当q1要由off转 到on的状态时，也必需先使q1和q2皆为off,以避免输入端短路致使电路烧毁，此为第4个状态。接下来再进到第1个状态，如此周而 复始

24、不段地循环下去。圖丘半檎式電路祐僕之電路簡圖半橋式電路之控制侣烝時序圖由上述地原理可知，半桥式电路需使用2颗400v的开关晶体，通常基于成本考囲 业界通常使用耐电压400v的电晶体來担任此任务，其常 用的规格如表六所示。而pwm ic则常选用以tl494 ic。表六 業界常用的400v功率晶體規格型號表1(a)type no.brand4phe13005philips72sc5763sanyo72sc4106sanyo8phe13007philips12phe13009philips12tt2144sanyo122sc4108sanyo162sc4109sanyo252sc4110sanyo输

25、出功率比半桥式大1倍的全桥式电路拓仆图七为全桥式电路拓仆之电路简图，其pwmic所产生的控制信号如图八所示，其中q1、q4为同步运作，而q2、q3为同步。类似半桥式 电路，全桥式电路的动作方式也可分为四个状态来讨论，其中第1个状态是当q1、q4为on、q2、q3为off时，电流方向如图七中虚线 所示，此时若pfc stage的输岀为400v,则变压器之初级侧电压vc亦为400v, q1、q4导通而q2、q3所需的耐压约为400v° vc经 由变压器耦合到次级，次级侧的电流经d2把能量储存在电感l中并供应到输出v0端。第2个状态是当q1、q4、q2. q3为off,称为 截止时间（de

26、adtime）,此时变压器的初级侧完全没有能量耦合到次级侧，而落在q1、q4、q2、q3的压降约各为200v,次级侧则将 上一个状态储存在电感l能量释放到负载。第3个状态是即q1、q4 1为off而q2. q3为on,电流方向如图七中的双虚线所示，此时若 pfc的输出为400v, vc约为-400v, q2. q3导通而q1、q4所需的耐压约为400v, vc经由变圧器耦合至次级，使次级侧电流经由 d1将能量储存在电感l中，并供应到输出v0端。第4个状态和第2状态同样是q1、q4、q2、q3为均为截止，接下来再进到第1个状 态，如此周而复始不段地循环下去。im putz>pkmicfee

27、dback stage圖七、全橋式電路拓僕之電路簡圖全橋式也路之控制信號時序圖山上述地原理可知，全桥式电路需使用4颗400v的开关,基于成本考量,业界通常以耐电压400v的电晶体來制作。比较全桥式和半桥式电 路，在相同的输出功率下，山于全桥式电路的变压器输入电压vc为半桥式的两倍，因此流经全桥式电路晶体开关的电流仅有半桥式电路的一 半，所以若使用相同耐电压、耐电流的电晶体，金桥式电路输出的功率可比半桥式大一倍，其常用的规格和半桥式相同，如表六所示。而pwm ic则帘以tl494 ic加上一些逻辑闸來制作。提供大功率需求的推挽式电路拓仆图九为推挽式电路拓仆z电路简图，而pwm ic所产工的控制信

28、号和各fet品体的vds波形如图i所示。电路的动作方式亦分为四个状态來 讨论，其中第1个状态是当q1为on、q2为0ff时，电流方向如图九中的虚线所示，此时若pfc stage的输出为vd约400v,贝u变压器 z初级侧电压vc1为-400v,肓接传递能量到次级vs1,此时d1导通使电流流过电感l并把能量储存其屮，11供应到输出v0端，而此时 q2fet的耐压为2vd= 800v.这是本电路和半桥式电路的最人不同点 而业界常用的mosfet规格与顺向式电路所用的mosfet规格相同， 如衣五所示。此外亦冇业者为节省成本而使用高耐压bjt电品体來取代，但耐压800v的bjt较不多见。第2个状态是

29、当q1和q2皆为截 止状态，此时变压器没冇能量耦合到输出端，而落在q1和q23的压降约为vd=400v,次级侧则将上一个状态储存在电感l上的能量释放到 负载。第3个状态是即q1为off而q2转为on,电流方向如图十中的双虚线所示，此时若pfc stage的输出为400v,则变压器初级绕 组上的电压vc2约为+400v,直接传递能杲到次级vs2,则d2导通并流过电流到电感l将能量储存于其屮并供应到输出vo端 « q2fet 的耐压为2vd=800vo第4个状态和笫2状态同样是q1、q4、q2、q3为通通截止，接下來再进到第1个状态，如此周而复始不段地循 环下去。推挽式电路和半桥式电路同

30、样使用两个开关元件，只是电路的接法不同，然而为何较大功率需求的产品如ups、通信设备或仪器川电源大多仍 使川此种架构呢？其实是由于在第1个状态时半桥式电路的变压器初级侧电压值vc约为vd/2,而推挽式电路的丨vc丨约为vd,当变压器 要传递相同能量时，半桥式电路的变压器初级侧电流要比推挽式电路高上一倍，使得变压器木身的磁滞损失和涡流损失增加而捉高温升，而使 用较人的变压器不仅增加成本，在某些应用上由丁变压器体枳变人而显得较为麻烦。在元件的采用上开关元件使用如衣5的800v耐压fet,而pwm ic常以tl494來制作。推挽式电路虽然仍冇其市场，但其缺点是开关元件 需使用耐压高达800v以上的mosfet,故以价格导向且数量庞人如个