开关电源的原理与设计

1、摘 要随着电力电子技术的发展和新型功率元器件的不断出现，开关电源技术得到了飞速的发展，在计算机、通讯、电力、家用电器、航空航天等领域得到广泛应用，取得了显著的成果。本论文是通过用电源控制芯片M51995AFP设计并制作一种开关电源，该开关电源是通过PWM技术控制开关的占空比来调整输出电压的，以达到稳定输出的目的。论文主要完成的内容有：（1）根据设计需要选择开关电源电路；（2）设计输入整流滤波电路，并确定相关器件参数；（3）基于M51995AFP对开关电源的控制核心部分进行设计；（4）设计输出整流滤波电路，并确定相关器件参数；（5）设计电压反馈电路；（6）通过实验和计算对设计中的数据进行验证。本

2、论文对开关电源的滤波、整流、反馈电路等分别作了细致的研究工作，通过实验和计算，掌握了开关电源设计的核心技术，并对设计过程进行了详尽的阐述。关键词：开关电源；占空比；PWM - 58 - AbstractWith the development of the electronic technology and the emerging of new power components, switching power supply has been widely used in computer, communications, electricity, home appliances and a

3、erospace fields, achieving remarkable results. The purpose of this papers is to design and make a switching power supply based on control chip M51995AFP and PWM Control. This switching power supply could adjust the output voltage by using the duty cycle of PWM Control. Stable output purposes could b

4、e attained. The main content of the papers are: (1)Choose switching power supply circuit based on the requirement; (2)Design input rectifier filter circuit and identify the relevant device parameters; (3)Design the core control parts of switching power supply based on M51995AFP; (4)Design rectifier

5、output filter circuit and establish the relevant device parameters; (5)Design voltage feedback circuit; (6)Validate data of the designing by adoption of experimental and computations.In the thesis , the switching power supply filtering, rectifier and the feedback circuit are studied in details. The

6、main technology of designing switching power supply is obtained by experiments and calculations. The design process is specified also. Key words: Switching Power Supply; Duty cycle; PWM按照电子理论，所谓AC/DC就是交流转换为直流；AC/AC称为交流转换为交流，即为改变频率；DC/AC称为逆变；DC/DC为直流变交流后再变直流。为了达到转换的目的，电源变换的方法是多样的。自20世纪60年代，人们研发出了二极管、

7、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（Switching Power Supply）1。开关电源在转换过程中，用高频变压器隔离称之为离线式开关变换器（Off-line Switching Cpnwerter），常用的AC/DC变换器就是离线式变换器。开关电源通常由六大部分组成，如图1-1所示。 图1-1 开关电源工作原理框图第一部分是输入电路，它包含有低通滤波和一次整流环节。220V交流电直接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压

8、Vi，此电压送到第二部分进行功率因数校正，其目的是提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电压同相。功率因数校正的方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。所谓有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，APFC），是指电源在校正过程中常采用三极管和集成电路。开关电源电路常采用有源功率因数校正。第三部分是功率转换，它是由电子开关和高频方波脉冲电压。第四部分是输出电路，用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。第五部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后于电路的基准电压进行比较、放大。第六部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控

9、制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。有了高频振荡才有电源变换，所以说开关电源的实质是电源变换。高频电子开关是电能转换的主要手段和方法。在一个电子开关周期（T）内，电子开关的接通时间与一个电子周期所占时间之比，叫接通占空比（D），D=。断开时间所占T的比例称为断开占空比（D'），。开关周期是开关频率的倒数，。例如：一个开关电源的工作频率是50kHz，它的周期（微秒）。很明显，接通占空比（D）越大，负载上的电压越高，表明电子开关接通时间越长，此时负载感应电压较高，工作频率也较高。这对于开关电源的高频变压器实现小型化有帮助，同时，能量传递的速度也快。但是，开关电源中断开关功率管、高频变

10、压器、控制集成电路以及输入整流二极管的发热量高、损耗大。对于不同的变换器形式，所选用的占空比大小是不一样的。开关电源与铁芯变压器电源以及其他形式的电源比较起来具有较多的优点：(1) 节能。绿色电源是开关电源中用途最为广泛的电源，它的效率一般可以达到85%，质量好的可以达到95%甚至更高，而铁芯变压器的效率只有70%或者更低。最近欧盟和美国消费者协会统计，美国一般家用电器和工业电气设备的单机能源消耗指数大于92%。美国的“能源之星”对电子镇流器、开关电源以及家用电器的效率都制定有很仔细的、非常严格的规章条款。(2) 体积小，重量轻。据统计，100W的铁芯变压器的重量为1200g左右，体积达350

11、cm3，而100W的开关电源的重量只有250g，而且敞开式的电源更轻，体积不到铁芯变压器的1/4。(3) 开关电源具有各种保护功能，不易损坏。而其他的电源由于本身原因或使用不当，发生短路或断路的事故较多。(4) 改变输出电流、电压比较容易，且稳定、可控。(5) 根据人们的要求，可设计出各种具有特殊功能的电源，以满足人们的需要。1.1.2开关电源的分类目前开关电源的种类很多，从工作性质来分，大体上可分为“硬开关”和“软开关”两种。所谓硬开关，是指电子脉冲、外加控制信号强行对电子开关进行“开”和“关”，而与电子开关自身流过的电流以及两端施加的电压无关。显然，开关是接通和关断期间是有电流、电压存在的

12、，因此，这种工作方式是有损耗的。但是它比其他变换电源的形式简单的多，所以，硬开关在很多地方仍然在应用，如脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）器就属于硬开关。目前，很多开关电源都用PWM来控制。另一类叫做软开关，电子开关在零电压下导通，在零电流下关断。可见，电子开关是在“零状态”下工作的，所以，理论上它的损耗为零，对浪涌电压、脉冲尖峰电压的抑制能力很大，其工作频率可以提高到5MHz以上，开关电源的重量和体积则可进行更大的改变。为了实现零电压“开”和零电流“关”，我们常采用谐振的方法。从电子理论可知道，谐振就是容抗等于感抗，总的电抗为零，电路中的电流无穷大。如果正弦波电

13、压加到并联的电感回路上，这时电感上的电压就无穷大。利用谐振电路可实现正弦波振荡，当振荡倒零时，电子开关导通，称之为零电压导通（Zero Voltage Switching）。同样，流过电子开关的电流振荡到零时，电子开关关断，称之为零电流关断（Zero Current Switching）。总之，电子开关具有零电压导通、零电流关断的外部条件，这种变换器称为准谐振变换器。它是在脉宽调制器上附加谐振网络而形成的，固定电子开关导通时间，通过调整振荡频率，最终使电路产生谐振，从而获得准谐振变换器的模式。准谐振变换器开关电源的输出电压不随输入电压的变化而变化，它的输出电流也不随用电负载的变化而变化，这种开

14、关电源的主变换器依靠开关频率来稳定输出参数，我们称之为调频开关电源。调频开关电源没有脉冲调制开关电源那么容易控制，再加上准谐振电路电压峰值高，开关所受到的应力大，目前还没有得到广泛应用。DC/DC变换类型是开关电源变换的基本类型，它通过控制开关通、断时间的比例，用电抗器与电容器上蓄积的能量对开关波形进行微分平滑处理，从而更有效地调整脉冲的宽度及频率。从输入、输出有无变压器隔离来说，DC/DC变换分为有变压器隔离和没有变压器隔离两类。每一类有6种拓扑，即降压式（Buck）、升压式（Boost）、升压降压式（Buck-Boost）、串联式（Cuk）、并联式（Sepic）以及赛达式（Zata）。按激

15、励方式分，有自激式和他激式两种。自激式包括单管式和推挽式，他激式包括调频式（PWF）、调宽式（PWM）、调幅式（PAM）和谐振式（RSM）4种，我们用得最多的是调宽式变换器。调宽式变换器有以下几种：正激式（Forward Converter）、反激式（Feedback Converter Mode）、半桥式（Half Bridge Converter）、全桥式（Overall Bridge Mode）、推挽式（Push Draw Mode）和阻塞式（Ringing Choke Converter，RCC）等6种。按谐振方式分，有串联谐振式、并联谐振式和串并联谐振式；按能量传递方式分，有连续模式

16、和不连续模式两种。凡是以脉冲宽度来调制的电子开关变换器都叫PWM变换器。1.2 开关电源设计中存在的问题与未来发展1.2.1开关电源中存在的问题客观上讲，开关电源的发展是非常快的，这时因为它具有其他电源所无法比拟的优势。材料之新、用途之广，是它快速发展的主要动力。但是，它离人们的要求、应用的价值还差得很远，体积、重量、效率、抗干扰能力、电磁兼容性以及使用的安全性都不能说是十分完美。目前要解决的问题有：(1) 器件问题。电源控制集成度不高，这就影响了电源的稳定性和可靠性，同时对电源的体积和效率来说也是一个大问题。(2) 材料问题。开关电源使用的磁芯、电解电容及整流二极管灯都很笨重，也是耗能的主要

17、根源。(3) 能源变换问题。按照习惯，变换有这样几种形式：AC/DC变换、DC/AC变换以及DC/DC变换等。实现这些变换都是以频率为基础，以改变电压为目的，工艺复杂，控制难度大，始终难以形成大规模生产。(4) 软件问题。开关电源的软件开发目前只是刚刚起步，例如软开关，虽然它的损耗低，但难以实现高频化和小型化。要做到“软开关”并实行程序化，更是有一定的困难。要真正做到功率转换、功率因数改善、全程自动检测控制实现软件操作，目前还存在很大的差距。(5) 生产工艺问题。往往在试验室中能达到相关的技术标准，但在生产上会出现各种问题。这些问题大多是焊接问题和元器件技术性能问题，还有生产工艺上的检测、老化

18、、粘结、环境等方面的因素。1.2.2开关电源的发展趋势未来的开关电源像一只茶杯的盖子：它的工作频高达210MHz，效率达到95%，功率密度为36W/cm2，功率因数高达0.99，长期使用完好，寿命在80000h以上。这就是开关电源的发展趋势。所谓高标准就是对未来开关电源的挑战：第一，能不能全面通容电磁兼容性的各项技术标准；第二，在企业里能不能大规模地、稳定地生产，或快捷地进行单项生产；第三，按照人们的需要，能不能组装或拼装大容量、高效率的电源；第四，能否使新的开关电源具有比运行中的电气额定值更高的功率因数、更低的输出电压（13V）、更大的输出电流（数百安）；第五，能不能实现更小的电源模块2。2

19、 开关电源元器件的选用2.1 开关晶体管无论那一种变换器，用的是那一种结构形式的开关电源，所使用的元器件都是开关晶体管、电阻、电容、电感及磁性材料等。选用好元器件，是决定开关电源质量的关键。往往设计的开关电源在试验室中式成功的，一到生产线上进行规模生产时，就会出现各种问题。当然，有设计方面的，有工艺方面的，还有焊接方面的，但多数是元器件选用问题。元器件本身质量的差异是影响开关电源质量的一个重要原因。2.1.1功率开关MOSFETMOSFET分P沟道耗尽型、P沟道增强型、N沟道耗尽型和N沟道增强型4种类型。增强型MOSFET具有应用方便的“常闭”特性（即驱动信号为零时，输出电流等于零）。在开关电

20、源中，用作开关功率管的MOSFET几乎全部都是N沟道增强型器件。这时因为MOSFET是一种依靠多数载流子工作的单极型器件，不存在二次击穿和少数载流子的储存时间问题，所以具有较大的安全工作区、良好的散热稳定性和非常快的开关速度。MOSFET在大功率开关电源中用作开关，比双极型功率晶体管具有明显的优势。所有类型的有源功率因数校正器都是为驱动功率MOSFET而设计的，所以说，用作开关的MOSFET是任何双极型功率晶体管所不能替代的4。 (1) MOSFET的主要特点MOSFET是一种依靠多数载流子工作的典型场控制器件。由于它没有少数载流子的存储效应，所以它适用于100200MHz的高频场合，从而可以

21、采用小型化和超小型化的磁性元件和电容器。MOSFET具有负的电流温度系数，可以避免热不稳定性和二次击穿，适合在大功率和大电流条件下应用。MOSFET从驱动模式上来分，属于电压控制器件，驱动电路设计比较简单，驱动功率甚微，在启动或稳定工作条件下的峰值电流要比采用双极型功率晶体管小得多。MOSFET中大多数集成有阻尼二极管，而双极型功率晶体管中大多没有内装阻尼二极管。MOSFET对系数的可靠性与安全性的影响并不像双极型晶体管那样重要。MOSFET的主要缺点是导通电阻（RDS(ON)）较大，而且具有正温度系数，用在大电流开关状态时，导通损耗较大，开启门限电压VGS(th)较高（一般为24V），要求驱

22、动变压器绕组的匝数比采用双极型晶体管多1倍以上。 (2) MOSFET的驱动电路MOSFET的驱动电路如图2-1和图2-2所示。图2-1 加速TR关断驱动电路在图2-1中，NS为脉冲变压器次级驱动绕组，R是MOSFET的栅极限流电阻。齐纳二极管DW1，DW2反向串接在一起，用于对VT的栅漏极进行钳位，放置驱动电压VGS过高而使VT几串。R的阻值一般为60200。尽管MOSFET的输入阻抗很高，但仍会产生充电电流。R值小，则开关速度高，只要栅极的驱动电压一撤销，就会立刻截止。图2-2 功率驱动电路图2-2所示是加速漏极电流跌落时间、有利于零功率控制的电路。当MOSFET的栅极驱动电压突然降到门限

23、电压时，MOSFET由导通突变为截止，三极管BC557加速了ID的跌落，为MOSFET起到加速作用。2.1.2 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种大电流密度、高电压激励的场控制器件，是高压、高速新型大功率器件。它的耐压能力为6001800V，电流容量为100400A，关断时间低至0.2s，在开关电源中作功率开关用，具有MOSFET与之不可比拟的优点。IGBT的主要特点是： 电流密度大，是MOSFET的10倍以上。 输入阻抗高，栅极驱动功率小，驱动电路简单。 低导通电阻。IGBT的导通电阻只有MOSFET的10%。 击穿电压高，安全工作区大，在受到较大瞬态功率冲击时不会损坏。

24、 开关速度快，关断时间短。耐压为1kV的IGBT的关断时间为1.2s，600V的产品的关断时间仅为0.2s。上述这些特征克服了MOSFET的一些缺陷，即在大功率、高电压、大电流条件下工作时导通电阻大、器件发热严重、输出功率下降、电源效率低下的弊病。有关MOSFET和IGBT的图形符号见图2-3和图2-4。图2-3 MOSFET的图形符号图2-4 IGBT的图形符号 2.2 软磁铁氧体磁芯软磁铁氧体材料常用在高频变压器、电感整流器、脉冲变压器以及PFC中的升压电感等电路中，在开关电源中时一种非常重要的元件。但是，我们不能十分有把握地掌握磁性材料的特性，以及这种特性与温度、频率、气隙等的依赖性和不

25、易测量性。在选择铁氧体时，它不像电子元件那样可以测量，它的具体的参数、特性曲线在显示测量仪器上也不时一目了然。由于高频变压器、电感器所涉及的参数太多，例如电压、电流、温度、频率、电感量、变比、漏感、磁性材料参数、铜损、铁损、交流磁场强度、交流磁感应强度、真空导磁率等十几种参量。设计开发人员对高频变压器的设计制作，时开关电源设计制作的头等重要任务。铁氧体受到的影响因素多、元器件选用以及电路板上元器件的布置和走线的方式等对此都有影响。对于一个产品，我们不看它的电路布置如何漂亮，而是要看各元器件布局是否合理，铁氧体磁芯的颜色、线圈的屏蔽是否合适，散热处理是否得当等等。2.2.1磁性材料的基本特性(1

26、) 磁场强度（H）与磁感应强度（B）。磁场强度时表示磁场强弱与方向的一个物理量，用安/米（A/m）表示。磁感应强度是指磁场作用于磁性物质上的作用力的大小，用（Gs）表示。温度越高，磁感应强度越低。(2) 居里温度TC。磁芯的磁状态由铁磁性转变成顺磁性时，在T曲线上，80%max与20%max的连线跟导磁率等于1的直线的交点相对应的温度称为居里温度。温度越高，出事导磁率也越高，当超过130时，初始导磁率为零。(3) 初始导磁率i。磁性材料的磁化曲线始端磁导率的极限值称为初始导磁率。 (4) 剩余磁感应强度Br。磁芯从饱和状态除去磁场后剩余的磁感应强度称为剩余磁感应强度。(5) 矫顽力HC。磁芯从

27、饱和状态除去磁场后继续反向磁化，直到磁感应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力（保磁力）。选用磁性材料时，要选用可饱和的磁性材料。这种材料具有良好的开关特性，可产生优良的振荡波形，并要求磁芯具有祭祀举行的磁滞回线。这样的磁性材料的磁滞回线可使线圈中的电流波形前后沿陡峭，能很好地传递各种波形电信号。如果磁芯的S矩形曲线在B方向上被压扁，将会严重影响变压器的振荡波形，导致开关晶体管温升加剧。2.2.2磁芯的结构与选用磁芯的使用一定要在一定的居里温度以内，这时选择磁芯材料首先要考虑的问题。其次还要注意磁芯的结构、脆度、硬度、稳定性、导磁率及磁感应强度。在设计时，工作频率和噪声干扰应十分注意。在强磁

28、场力作用下，磁性材料会收缩或膨胀，很可能出现磁共振，所以把磁芯变压器装在印制电路板上时要注意切实粘结牢固，防止出现机械噪声和电磁噪声。一下是一些主要磁芯结构的说明。(1) POT 是罐形磁芯，铜线绕在磁芯内面，此贴包围线圈。它的优点是导磁感应好，传递电能佳，可大量减少EMI；它的缺点是散热效果极差，温升很高，只能用在小功率开关电源上。(2) PM 时R形磁芯，结构紧凑，体积小，但电能耦合不是很好，散热性能也不是很好。(3) RM、X 形磁芯的磁耦合能力和散热效果都很好，适合用在100W以上的大中功率电源上。其缺点是所占空间大，放置困难。(4) EC 磁芯是在开关电源上常用的一种磁芯，磁芯截面积

29、大，散热效果好，常用在100150W的开关电源上。其缺点是窗口面积比较小，对变压器的匝数要有限制。(5) EE 磁芯是一种常用磁芯，对于中小功率的变压器来说很适合。磁芯面积的大小将决定开关电源的功率。一般来说，磁芯面积越大，输出功率也越大。2.3 光电耦合器光电耦合器（Optical Coupler，OC）也叫光电隔离器（Optical Isolationg，OI），简称光耦。它时一种以红外光进行信号传递的器件，由两部分组成：一是发光体，实际上时一只发光二极管，受输入电流的控制，发出不同强度的红外光；另一部分时受光器，受光器接受光照以后，产生光电流并从输出端输出。它的光电反应也是随着光的强弱改

30、变而变化的。这就实现了“电光电”功能转换，也就是隔离信号传递。光电耦合器的主要优点是单向信号传输，输入端和输出端完全实现了隔离，不受其他任何电气干扰和电磁干扰，具有很强的抗干扰能力。因为它时一种发光体，而且用低电平的电源供电，所以它的使用寿命长，传输效率高，而且体积小，可广泛用于级间耦合、信号传输、电气隔离、电路开关以及电平转换等5。在仪器仪表、通信设备及各种电路接口中都应用到了光电耦合器。在开关电源电路中利用光电耦合器构成反馈电路，通过光电耦合器来调整、控制输出电压，达到稳定输出电压的目的；通过光电耦合器进行脉冲转换。 图2-6 光电耦合器及其典型用法实际上，光电耦合器有晶体管、达林顿、可控

31、硅、磁效应管等多种输出形式。通常的光电耦合器由于它的非线性，因此在模拟电路中的应用只限于对较高频率的小信号的隔离传送。普通光耦合器只能传输数字（开关）信号，不适合传输模拟信号。近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓宽。 (1) 光耦合器的性能特点及其抗干扰作用光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分

32、压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光。光电耦合器的外壳是密封的，它不受外部光的影响。光电耦合器的隔离电阻很大、隔离电容很小（约几个pF），所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。线性方式工作的光电耦合器是在光电耦合器的输入端加控制电压，在输出端会成比例地产生一个用于进一步控制下一级的电路的电压。它由发光二极管和光敏三极管组成，当发光二极管接通而发光，光敏三级管导通。光电耦合器是电流驱动型，需要一定的电流才能使发光二极管导通，如果输入信号太小，发光二极管不会导通，其输出信号将失真。在开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改

33、变占空比，达到精密稳压目的。在开关电源中我们是采用电压环进行闭环调节实现输出电压的稳定输出的，光电耦合器作为输入采样、反馈信号、输出驱动的隔离器件。一方面光电耦合器可以起到隔离两个系统地线的作用，使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响。另一方面，光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路的传送形式，电流环路是低阻抗电路，对噪音的敏感度低，提高了系统的抗干扰能力，起到了电磁兼容和隔离抗干扰的作用，不会因为电路中的高频电流的电磁干扰对控制电路产生干扰。(2) 光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降、正向电流、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射

34、极反向击穿电压、集电极-发射极饱和压降。此外，在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间等参数。电流传输比CTR是光耦合器的重要参数，通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流与直流输入电流IF的百分比。其公式为： （2-1）采用一只光敏三极管的光耦合器，CTR的范围大多为20%300%（如4N35），而PC817则为80%160%，达林顿型光耦合器（如4N30）可达100%5000%。这表明欲获得同样的输出电流，后者只需较小的输入电流。因此，CTR参数与晶体管的hFE有某种相似之处。普通光耦合器的特性曲线呈非线性，在较小时的非线性失真尤为严重，因此它不适合

35、传输模拟信号。线性光耦合器的特性曲线具有良好的线性度，特别是在传输小信号时，其交流电流传输比()很接近于直流电流传输比CTR值。因此，它适合传输模拟电压或电流信号，能使输出与输入之间呈线性关系。这是其重要特性。(3) 线性光耦合器的产品及选取原则使用光电耦合器主要是为了提供输入电路和输出电路间的隔离，在设计电路时，必须遵循下列原则：所选用的光电耦合器件必须符合国内和国际的有关隔离击穿电压的标准；由英国埃索柯姆(Isocom)公司、美国摩托罗拉公司生产的4N系列(如4N25、4N26、4N35)光耦合器，目前在国内应用地十分普遍。鉴于此类光耦合器呈现开关特性，其线性度差，适宜传输数字信号(高、低

36、电平)，可以用于单片机的输出隔离；所选用的光耦器件必须具有较高的耦合系数。开关电源则应该选择线性光电耦合器，上表给出了常见的线性光电耦合器及主要数据。其次，必须正确选择线性光耦合器的型号及参数。再次，除了必须遵循普通光耦的选取原则外，还必须考虑合理选择CTR值。光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是50%200%。这是因为当CTR50%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流(IF5.0mA)，才能正常控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗。若CTR200%，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出。2.4 二极管二极管在电子电路中用得较多，功能各异

37、。从结构上来分，有点接触型和面接触型二极管。面接触型二极管的工作电流比较大，发热比较厉害，它的最高工作温度不允许超过100。按照功能来分，有快速恢复及超快速恢复二极管，有整流二极管、稳压二极管及开关二极管等。以下介绍几种二极管的特点及检测方法。2.4.1开关二极管开关管用在高速运行的电子电路中，起信号传输作用，在模拟电路中起作钳位抑制作用。高速开关硅二极管是高频开关电源中的一个主要器件，这种二极管具有良好的高频开关特性。它的反向恢复时间trr只有几纳秒，而且体积小，价格低。在开关电源的过压保护、反馈控制系统中常用到硅二极管，如1N4148、1N4448。硅二极管的主要技术指标是：(1) 最高反

38、向工作电压VRM和反向击穿电压VBR：这两个参数越大越好。(2) 最大管压降VFM：小于0.8V。(3) 最大工作电流Id：大于150mA。(4) 反向恢复时间trr：小于10ns。2.4.2稳压二极管稳压二极管又叫齐纳二极管（Zener Diod），具有单向导电性，它工作在电压反向击穿状态。当反向电压达到并超过稳定电压时，反向电流突然增大，而二极管两端的电压恒定，这就叫做稳压。它在电子电路中用作过压保护、电平转换，也可用来提供基准电压。 (1) 稳压二极管的分类稳压二极管分低压和高压两种。稳压值低于40V的叫做低压稳压二极管；高于200V的叫做高压稳压二极管。现在市面上从2.4V到200V，

39、各种型号规格齐全。稳压管的直径一般只有2mm，长度为4mm。它的稳压性能好，体积小，价格便宜。稳压二极管从材料上分为N型和P型两种。选用稳压二极管的原则是：第一，注意稳定电压的标称值；第二，注意电压的温度系数。 (2) 稳压二极管的用途稳压二极管具有以下几个作用：第一，对漏极和源极经行钳位保护；第二，起到加速开关管导通的作用；第三，在开关电源中常用高压稳压二极管代替瞬态电压抑制器TVS对初级回路产生的尖峰电压进行钳位；第四，在晶体管反馈回路中，常常在晶体管的发射极串联一只稳压管作电压负反馈，提高放大电路的稳定性。 (3) 稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数如下： 稳定电压VZ。设计人员根

40、据需要选用。 稳定电流IE。 温度系数。温度越高，稳压误差越大。2.4.3快速恢复及超快速恢复二极管快速恢复二极管（Fast Recovery Diod）和超快速恢复二极管（Superfast Recovery Diod，SRD）时很多电子设备中常用的器件，在开关电源中也经常用到。这两种二极管具有开关特性好、耐压高、正向电流大、体积小等优点，在电子镇流器、不间断电源、变频电源、高频微波炉等设备中常用在整流、续流、限流等电路中。 (1) 超快速恢复二极管的性能特点 反向恢复时间trr：通过二极管的电流由零点正向转反向后，再由反向转换到规定值的时间。 平均整流电流Id：这时选用二极管的又一个主要指

41、标。一般来说，选用管子的整流电流时设计输出电流的3倍以上。恢复和快速恢复二极管有3种结构，即单管、共阴对管和共阳对管。所谓共阴、共阳是指两只二极管接法不同。 (2) 检测方法及选用原则 检测方法：利用万用表的电阻档或数字万用表的二极管检测档，能够检查二极管的单向导电性，并测出正向导通压降；用兆欧表能测出反向击穿电压。一般正向电阻为6，反向电阻为无穷大，可从读出的负载电压计算出正向导通压降。 选用原则：超快速恢复二极管在开关电源中可作为阻塞二极管和次级输出电压的整流管。超快速恢复二极管的反向恢复时间在2050ns之间；整流电流Id为最大输出电流IOM的3倍以上，即Id>3IOM；最高反向工

42、作电压VRM为最大反向峰值电压V(BR)S的2倍以上，即VRM>2V(BR)S。2.5 自动恢复开关自动恢复开关（Resettable Swithing，RS）又叫自动恢复保险丝，它是一种过流保护器件。当电路发生短路或用电电流超过极限值时，它起保护作用。它具有开关特性好、使用安全、不需维护、自动恢复、可反复使用等特点。 (1) 工作原理自动恢复开关是由高分子晶状聚合物和导电链构成的，它将聚合物紧密束缚在导电链上，在常态下它的电阻值非常低，只有0.2，工作电流通过开关时功耗也很小，它所产生的热量很少，不改变聚合物内部的晶状结构。当电路电流超过最大设计值或发生短路故障时，电流增加，导电链产生

43、的热量时聚合物从晶状体状态变为非晶状体状态，立即将电路电流切断，对电路起到保护作用。当故障排除以后，它又能很快恢复到低电阻状态。这种可持续性的转换器件能反复使用而不损坏。自动恢复开关可在家用电器、计算机通信设备以及开关电源上用作过流保护。通常，将自动恢复开关串接在低压直流输出端，此时交流输入端的保险管可省去。这里应特别注意：自动恢复开关只能进行低压过流保护，而不能接在220V或110V交流电压上，否则将使开关烧坏。日光灯短路或漏气时，镇流器的工作电流是正常工作电流的3倍以上，这时只要在镇流器的输出端与灯之间的电路上串接一只自动恢复开关，就能非常有效地进行过流保护，提高电子镇流器的可靠性。 (2

44、) 检测方法 电阻检查用数字万用表的电阻档直接测量它的直流电阻，电阻值越小，自动恢复开关的容量越大。 过流后自动恢复能力的检查在直流稳压电源输出端，将自动恢复开关与电流表串联，要求稳压电源的输出电流必须大于自动恢复开关的电流容量IH。稳压电源的输出电压从零开始逐渐升高，这时注意电流表的电流读数也在不断增加。当稳压电源的输出电流接近或超过自动恢复开关的电流容量时，电流表上的电流读数突然减小，此时自动恢复开关已进入高阻状态。关断电源后，稳压电源的输出电压又从零点几伏开始上升。观察电流表，如果一段时间后电流表上的电流读数升到一定值，这段时间就是自动恢复开关的自动恢复时间。2.6 热敏电阻热敏电阻时有

45、锰钴镍的氧化物烧结成的半导体陶瓷制成的，具有负温度系数，随着温度的升高，其电阻值降低。热敏电阻的主要参数有：(1) RT0：零功率电阻值，表示室温为25时的电阻值。(2) ：零功率电阻系数，表示零功率下温度每变化1所引起电阻值的相对变化率（%/）。(3) ：耗散系数，指热敏电阻的温度每变化1所消耗功率的相对变化量（mW/）。热敏电阻在开关电源中起过温度保护和软启动的作用。过温保护时将热敏电阻并接在输入电路中。刚启动时，温度低，电阻值高，相当于开路。如果电路输入电压超高，热敏电阻就会发热，其电阻值降低，对输入电流分流。当发热越过极限值时，整流后的输出电压降低，开关电源高频振荡停振，或是由于热敏电

46、阻阻值降低后，将电路保险丝烧断，电路与供电电源断开，起到热保护作用。所谓软启动是指电源刚通电时，因滤波电容C的电压不能突变，容抗趋于零，瞬时对电容充电的电流很大，容易损坏电解电容。为了解决这一问题，一般是在电路中串接几欧姆的电阻，在启动瞬间对电流加以限制。但是，由于电阻功耗上升，电源效率下降。如果将电阻换为热敏电阻，就可解决这一问题。电路刚通电时，热敏电阻的温度低，阻值很大，瞬时能对充电电流加以限制。随着电流通过发出热量，热敏电阻的阻值迅速减小，启动成功，功耗降低。这就是热敏电阻对软启动的作用。3 开关电源的设计基础3.1 开关电源的控制方式目前生产的开关电源多数采用脉宽调制方式，少数采用脉冲

47、频率调制方式，很少见到混合调制方式。脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）是将脉冲宽度固定，通过调节工作频率来调节输出电压。在电路设计上要用固定频率发生器来代替脉宽调制器的锯齿波发生器，并利用电压、频率转换器（例如压控振荡器VCO）改变频率。稳压原理是：当输出电压升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变，而工作周期变长，使占空比减小，输出电压降低。调频式开关电源的输出电压的调节范围很宽，调节方便，输出可以不接假负载，详见图3-1所示的波形图。混合调制方式是指脉冲宽度与频率都不固定，都可以改变。目前这种调节方式应用得不是很多，产品类型也不多，只是在个别实验室中使

48、用，其原因是两种调制方式共存，相互影响较大，稳定性差。再者，这种开关电源电路比较复杂，集成控制电路也不是很多。但是它的占空比调节范围很宽，输出电压能做到很低6。 (a) PWM控制方式 (b) PFM控制方式图3-1 PWM、PFM控制方式和波形图3.1.1脉宽调制的基本原理开关电源采用脉宽调制方式的占很大比例，所以有必要对脉宽调制的基本原理加以了解。220V交流输入电压经过整流（BR）滤波后变为脉动直流电压，供给功率开关管作为动力电源。开关管的基极或场效应管的栅极有脉宽调制器的脉冲驱动。脉宽调制器由基准电压源、误差放大器、PWM比较器和锯齿波发生器组成，如图3-2所示。开关电源的输出电压和基

49、准电压进行比较、放大，然后将其差值送到脉宽调制器。脉宽调制的频率是不变的，当输出电压V0下降时，与基准电压比较的差值增加，经发达后输入到PWM比较器，加宽了脉冲宽度。宽脉冲经开关晶体管功率放大后，驱动高频变压器，使变压器初级电压升高，然后耦合到次级，经过二极管VD整流和电容C2滤波后，输出电压上升，反之亦然。图3-2 脉宽调制的原理图3.1.2脉冲频率调制的基本原理脉冲频率调制的过程是这样的：如图3-3所示，从输出电压中取出一信号电压并由误差放大器放大，放大后的电压与5V基准电压进行比较，输出误差电压Vr，并以此电压作为控制电压来调制VCO的震荡频率f。再经过瞬间定时器、控制逻辑和输出级，输出

50、一方波信号，驱动MOS开关管，最后经高频变压器TR和整流滤波获得稳定的输出电压V0。假设由于某种原因而使V0上升或负载阻抗下降，控制电路立即进行下述闭环调整：V0VrfV0。该循环的结果是输出电压V0趋于稳定，反之亦然。这就是PFM的工作原理。假设电源效率为，脉冲宽度为m，脉冲频率为f，则有V0=。当确定后，通过调制VCO的震荡频率就可以调节输出电压V0，并实现稳定输出。需要指出的是：a、b、c是压控振荡器外围元件连接端，它们将决定振荡的工作频率和频率调制灵敏度。D端为锯齿波电压输入端，由它改变定时器的定时时间。图3-3 脉冲频率调制的基本原理3.2 各类拓扑结构电源分析(1) 非隔离型开关变

51、换器 降压变换器Buck电路：降压斩波器，入出极性相同。由于稳态时，电感充放电伏秒积相等，因此： , (3-1) , (3-2)即，输入输出电压关系为：(占空比)UoIDSIDVDIDLIDCID 图3-4 Buck电路拓扑结构在开关管S通时，输入电源通过L平波和C滤波后向负载端提供电流；当S关断后，L通过二极管续流，保持负载电流连续。输出电压因为占空比作用，不会超过输入电源电压。 升压变换器Boost电路：升压斩波器，入出极性相同。利用同样的方法，根据稳态时电感L的充放电伏秒积相等的原理，可以推导出电压关系： (3-3)UiIDUoIDSIDVDIDLIDCID图3-5 Boost电路拓扑结

52、构这个电路的开关管和负载构成并联。在S通时，电流通过L平波，电源对L充电。当S断时，L向负载及电源放电，输出电压将是输入电压，因而有升压作用。 逆向变换器Buck-Boost电路：升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。电压关系： (3-4)UiIDUoIDSIDVDIDCIDL图3-6 Buck-Boost电路拓扑结构S通时，输入电源仅对电感充电，当S断时，再通过电感对负载放电来实现电源传输。所以，这里的L是用于传输能量的器件。 丘克变换器Cuk电路：升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。电压关系： (3-5)C1C2L2RUoVDL1SUi 图3-7 Cuk变换器电路拓扑结构当开关S闭合

53、时，Ui对L1充电。当S断开时，Ui+EL1通过VD对C1进行充电。再当S闭合时，VD关断，C1通过L2、C2滤波对负载放电，L1继续充电。这里的C1用于传递能量，而且输出极性和输入相反。(2) 隔离型开关变换器 推挽型变换器下面是推挽型变换器的电路。S2S1LCRN1N1 N2N2UiUoT图3-8 推挽型变换电路S1和S2轮流导通，将在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。由于电感L在开关之后，所以当变比为1时，它实际上类似于降压变换器。 半桥型变换器图3-9给出了半桥型变换器的电路图。当S1和S2轮流导通时，一次侧将通过电源-S1-T-C2-电源

54、及电源-C1-T-S2-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。同样地，这个电路也相当于降压式拓扑结构。C2UiS2S1LRN1 N2N2UoTC1C2图3-9 半桥式变换电路 全桥型变换器CUiS3S2LRN1 N2N2UoTS4S1图3-10 全桥式变换电路当S1、S3和S2、S4两两轮流导通时，一次侧将通过电源-S2-T-S4-电源及电源-S1-T-S3-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。这个电路也相当于降压式拓扑结构。 正激型变换器下图为正激式变换器TN3CLR N2UoSN1VD1VD2VD3Ui图3-11 正激型变换器电路当S导通时，原边经过输入电源-N1-S-输入电源，产生电流。当S断开时，N1能量转移到N3，经N3-电源-VD3向输入端释放能量，避免变压器过饱和。VD1用于整流，VD2用于S断开期间续流。 隔离型Cuk变换器隔离型Cuk变换器电路如下所示： N2C12TC2L2RUoSN1VDUiL1C11图3-12 隔离型Cuk变换器当S导通时，Ui对L1充电。当S断开时，Ui+EL1对C11及变压器原边放电，同时给C11充电，电流方向从上向下。附边感应出脉动直流信号，通过VD对C12反向充电。在S导通期间，C12的反压将使VD关