小功率开关电源设计1

1、兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）摘 要 随着电力电子技术的发展，开关电源逐渐取代了线性电源，称为当今电源的主流形式，在电力、电器等领域中得到广泛应用。本论文是通过开关电源集成控制芯片M51995AFP设计制作的一种降压型开关电源，输出电压5VDC。此开关电源是通过脉宽调制技术控制接通占空比来调整输出电压，达到稳定输出目的的。论文主要完成了以下内容： (1)根据需要选择开关电源拓扑结构；(2)基于M51995AFP设计开关电源的控制核心部分；(3)设计整流滤波电路，减小输出纹波；(4)建立开关电源的电路模型并分析；(5)选择控制模型并仿真分析，确定系统参数。本论文根据控制芯片内各部件的工作原

2、理，设计了合理的辅助电路，通过计算和仿真分析，得到了系统优化参数。掌握了开关电源设计的核心技术，并对设计过程做了详细阐述。关键词：开关电源 占空比 脉宽调制 ABSTRCTWith the development of power electronics technology, switching power supply is gradually replaced by a linear power supply, known as the mainstream form of today's power supply, and is widely used in electrici

3、ty, electronics and other fields.This paper is a switching power supply integrated the control chip M51995AFP design a step-down switching power supply, the output voltage of 5VDC. This switching power supply is on duty through pulse width modulation control to adjust the output voltage to achieve a

4、 stable output purposes.The thesis, completed the following:(1)Need to select the switching power supply topology;(2)Based on the design of switching power supply control core M51995AFP part;(3)Design rectifier filter circuit reduces the output ripple;(4)The establishment of the switching power supp

5、ly circuit model and analysis;(5)Select the model and simulation analysis to determine the system parameters.This thesis is based on the works of the various components within the control chip design reasonable auxiliary circuit, calculation and simulation analysis, system tuning parameters. Mastere

6、d the core technology of the switching power supply design, and the design process elaborate.Keywords: Switching Power Supply Duty Cycle Pulse Width Modulation目 录1. 绪 论11.1 开关电源的概念和分类11.1.1 开关电源的概念11.1.2 开关电源的分类22. 开关电源的设计基础42.1 开关电源中的电力电子电路42.1.1 非隔离型电路42.1.2 隔离型电路62.2 软开关技术82.2.1 零电压开关和零电流开关82.2.2

7、 常见软开关电路92.3 谐振式电源92.3.1 谐振变换电路的原理及分类92.3.2 谐振式电源原理103. 开关电源元器件的选用113.1 二极管113.1.1 开关二极管113.1.2 稳压二极管113.1.3 快速恢复及超快速恢复二极管123.2 开关晶体管123.2.1 功率开关MOSFET123.2.2 绝缘栅双极型晶体管143.3 自动恢复开关143.5 光电耦合器153.6 软磁铁软体磁芯173.7 磁芯的选用174. 开关电源设计184.1 开关电源集成控制器184.1.1 芯片管脚排列184.1.2 芯片的基本特性184.1.3 芯片工作原理194.2 开关电源电路分析25

8、4.2.1 开关电源电路原理图254.2.2 开关电源个各单元电路的具体分析275. 建模仿真与分析325.1 电路模型的建立325.2 滑模控制345.2.1 滑模变结构控制简介345.2.2 滑动模型分析345.3 开关电源建模总结分析36结 论38参考资料391. 绪 论近年来开关电源发展迅速，以其小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。1.1 开关电源的概念和分类通常所说的电源，是指发出电能的电源和变换电能的电源。电源输出的是电能，人们通常所用的电能是通过机械能、热能、化学能转换而来的，很多情况下，所得的电源并不符合使用的

9、需求，需要进行再次变换，这种变换是指电能从一种形态变换为另一种形态。开关电源的输入、输出都是电能，因此开关电源属于电能变换的电源。1.1.1 开关电源的概念通常把电力分为直流（AC）和交流（DC），所以电力电子电路有四大类：AC-DC电路、AC-AC电路、DC-AC电路、DC-DC电路。自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管等半导体器件，然后就用半导体器件作转换。这种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，称为开关电源电路。开关电源电路的核心元器件是电力电子器件，一般都工作在开和关的状态，损耗很

10、小，因而开关电源渐渐替代了线性稳压电源。开关电源通常由六大部分组成，见图1.1：图1.1 开关电源组成框图输入电路：由低通滤波和一次整流环节组成。功率因数校正电路：从输入电路输入的交流电经低通滤波和一次整流后得到未稳压的直流电压，为提高功率因数，保持输入电压与输入电流同相，经此部分需进行功率因数校正。其校正方法分为无源功率因数校正和有源功率因数校正，通常采用有源功率因数校正。功率转换电路：由电子开关和高频方波脉冲电压组成。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。控制电路：输出电压经过分压、采样后经此电路与基准电压进行比较、放大。频率振荡发生器：由频率震荡发生器产生一种高频

11、波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。电能的转换通常使用高频电子开关，在它的一个开关周期T内，其接通时间与整个周期之比称为接通占空比，即接通占空比D=/T,开关断开时间与周期之比称为断开占空比，即断开占空比D'=/T。经过上面的分析可知，开关电源较其他形式的电源具有以下优点节能、体积小、重量轻、不易损坏、改变输出容易且稳定可控，易根据人们要求完成设计。1.1.2 开关电源的分类目前开关电源种类很多，按其工作性质可以分为“硬开关”和“软开关”两类。在很多电路中，开关器件工作在高电压或大电流由基极（或栅极）控制电子开关的通和断。开关的过程中，电压、电流均不为零，出现

12、重叠区，开关器件有一定消耗，且比通态或断态时的消耗大很多倍，这种开关过程称为硬开关。通过在原来的电路中增加很小的电抗性谐振原件，构成辅助换相网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关器件开通前电压先降为零或关断前电流先降为零，这样就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低了电压、电流的变化率，大大减小甚至消除开关损耗等，像这样的开关过程称为软开关。根据上面的介绍，可以知道电子开关具有零电压导通和零电流关断的外部条件，像这样的变换器称为准谐振变换器。准谐振变换器开关电源的输出电压不受输入电压变化的影响、输出电流也不瘦负载变化的影响，这种开关电源的主变换器依靠开关的频率来稳定其输出参数，称这样的电源为

13、调频开关电源。但调频式开关电源不像脉冲调制开关电源那么容易控制，而且准谐振电路的电压峰值高，开关所受压力大，因此目前还未得到广泛应用。开关电源按谐振方式分，还可以分为串联谐振式、并联谐振式和串并联谐振式；按能量传递方式，有连续模式和不连续模式之分。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 开关电源的发展趋势随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电

14、源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。但不可否认，开关电源离人们的要求、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。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化是开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化

15、、轻便化。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。另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。2. 开关电源的设计基础2.1 开关电源中的电力电子电路开关电源的核心电路是开关电源中的电力电子电路，即主电路。对不同种类开关电源主电路的工作原理有深入的理解，是进行开关电路选型的基础，也是主电路和控制电路设计的基础。根据电路是否具有回馈能力、输入端和输出端是否电气隔离以及电路的结构形式等三个原则，可以将开关电源中的电力电子电路分为不同的种

16、类。不同种类的电路有着不同的特点和应用场合。总的来说，非回馈型的电路要比回馈型的电路结构简单、成本低，而绝大部分应用不需要开关电源具备回馈能力，所以，非回馈型的电路应用远比回馈型的电路广泛。非隔离型的电路要比隔离型的电路结构简单、成本低，但多数应用需要开关电源的输入端与其输出端隔离，或需要多组相互隔离的输出，因此，隔离型的电路应用更为广泛。2.1.1 非隔离型电路非隔离型电路即各种直流斩波电路，根据电路形式的不同，可以分为降压（Buck）型电路、升压（Boost）型电路、升降压（Buck-Boost）型电路、丘克（Cuk）型电路等。降压（Buck）型电路降压型电路结构如图2.1所示：UoIDS

17、IDVDIDLIDCID 图2.1 Buck电路拓扑结构稳态时，电感充放电伏秒积相等，即有： , 式（2.1） 化简得： 式（2.2）即，Buck型电路的输入输出电压关系为： (占空比) 式（2.3）开关S导通时，电源通过L平波和C滤波后向负载端提供电流；揩干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的存在，其值不会超过输入电压。升压（Boost）型电路升压型电路结构如图2.2所示：UiIDUoIDSIDVDIDLIDCID 图2.2 Boost电路拓扑结构根据稳态时电感L的充放电伏秒积相等的原理，同理可得出Boost型电路的输入输出电压关系为： 式（2.4）开关S和负载

18、构成并联。S导通时，电流通过L平波，电源对L充电。S关断时，L向负载及电源放电，输出电压为，因而有升压作用。升降压（Buck-Boost）型电路升降压型电路结构如图2.3所示：UiIDUoIDSIDVDIDCIDL图2.3 Buck-Boost电路拓扑结构同理可得输入输出电压关系： 式（2.5）S导通时，电源仅对电感充电，S关断时，通过电感对负载放电来实现电源传输。因此，此电路中的电感L的作用是传输能量。丘克（Cuk）型电路丘克型电路结构如图2.4所示：C1C2L2RUoVDL1SUi图2.4 Cuk变换器电路拓扑结构电压关系： 式（2.6） 开关S闭合时，电源对L1充电。S断开时，电源及电感

19、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。此电路中的C1用于传递能量，而且输出极性和输入极性相反。2.1.2 隔离型电路正激型电路 正激型电路结构如图2.5所示：TN3CLR N2UoSN1VD1VD2VD3Ui图2.5 正激型变换器电路开关S导通时，原边经过输入电源-N1-S-输入电源线路，产生电流。S关闭时，N1能量转移到N3，经N3-电源-VD3线路向输入端释放电能，避免变压器过度饱和。此电路中二极管VD1用于整流，VD2用于S关闭期间的续流。半桥型电路C2UiS2S1LRN1 N2N2UoTC1C2反激型电路结构如图2.6所示：图2

20、.6 半桥式变换电路开关S1和S2轮流导通时，一次侧通过电源-S1-T-C2-电源及电源-C1-T-S2-电源产生交变电流，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。这个电路相当于降压型电路。全桥型电路全桥型电路结构如图2.7所示：CUiS3S2LRN1 N2N2UoTS4S1图2.7 全桥式变换电路开关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，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型型电路。推挽型电路推挽型电路结构

21、如图2.8所示：S2S1LCRN1N1 N2N2UiUoT图2.8 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。隔离Cuk型电路隔离Cuk型电路结构如图2.9所示： N2C12TC2L2RUoSN1VDUiL1C11图2.9 隔离型Cuk变换器 开关S导通时，Ui对L1充电。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关断，并通过L2

22、、C2滤波后，对负载放电。此电路中的C12明显是用于传递能量的，所以Cuk电路是电容传输变换电路。2.2 软开关技术开关电源的发展趋势是装置的小型化、轻量化，同时对效率和电磁兼容性也提出了很高的要求。在一个开关电源装置中，滤波电感、电容和变压器占体积和重量的比重很大。采取有效措施减小滤波器和变压器的体积和重量是实现电源小型化和轻量化的主要途径。根据开关电源滤波器和变压器的工作原理可以知道，开关电源的小型化、轻量化最直接的途径是提高开关频率。但在提高开关电源频率的同时，开关损耗也随之增加，电路效率严重下降，电磁干扰也会增大，所以简单的提高开关电源频率是不行的。针对这些问题出现了软开关技术，它主要

23、解决电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高。采用谐振变换器也是解决开关频率和开关损耗、开关噪声的另一种常用方法。2.2.1 零电压开关和零电流开关使开关开通前其端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通；使开关关断前电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断。在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开关。零电压开通和零电流关断主要依靠电路的谐振来实现，与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低开关损耗，有时称这种关断过程为零电压关断；与开关相串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了

24、开通损耗，有时称之为零电流开通。但简单的在硬开关电路中给开关并联电容或串联电感，不仅会降低开关损耗，还会带来总损耗增加、关断过电压增大等负面问题，这是要注意的。通常，在零电压开通的开关两端并联适当的电容可以在不增加开通损耗的前提下，显著降低开关损耗，是经常采用的手段。2.2.2 常见软开关电路软开关按照控制方式可以分为：脉冲宽度调制式（PWM）、脉冲频率调制式（PFM）、脉冲移相式（PS）三种。下面分别介绍这三种常见软开关:(1) PWM变换器PWM控制方式是指在开关工作频率一定的条件下，通过调节脉冲宽度来实现稳定输出。这种控制方式应用最多，适用于中小功率的开关电源。(2) PFM变换器脉冲频

25、率调制式PFM变换器，顾名思义，是通过调节脉冲频率来实现稳压输出的。其控制电路相对简单工作频率不稳定，所以一般用于负载及输入电压相对稳定的场合。(3) PS软开关变换器PS软开关变换器用于桥式变换器。桥式变换器必须在对角开关管都导通时，才输出功率。可以通过调整对角开关管的重合角度，来完成调节电压的目的。在大中功率开关电源中，经常使用这种变换器。2.3 谐振式电源2.3.1 谐振变换电路的原理及分类应用各种软开关电路虽然可以大大降低开关器件的开关损耗，但是一种软开关电路一般情况下仅能减小一种开关损耗，如零电压开通电路主要降低器件的开通损耗，而零电流关断电路主要减少器件的关断损耗。当电路的开关频率

26、很高时，器件的开关损耗仍是一个严重的问题。降低器件开关损耗除采用软开关电路，还可以采用准谐振型变换电路。因此，谐振变换电路在高频变换电路中得到广泛的应用。谐振变换电路分为以下三类：(1) 串联谐振电路：当等效负载电阻与谐振网络串联连接时，称为串联谐振变换电路。(2) 并联谐振网络：当等效负载电阻与谐振网络中的电容并联连接时，称为并联谐振变换电路。(3) 串并联谐振电路：串并联谐振电路中的LC谐振网络是由两个电容电路和一个电感或两个电感和一个电容构成，因此又称为LCC和LLC谐振电路，等效负载与谐振网络两个电容（LCC）或两个电感（LLC）分别串联和并联。谐振变换电路的主要优点是器件开关损耗大大

27、减小，同时回路中的电流波形接近正弦，在电磁干扰方面也具有优势。但对电源电压、负载变化的灵活性不如PWM变换电路。此外，由于电路中的工作电流接近正弦波，其有效值、峰值偏高，会造成较大的导通损耗。2.3.2 谐振式电源原理根据谐振变换电路的特点可知，随着电力电子技术的发展，谐振式电源将是新型开关电源的发展方向。谐振式电源是利用谐振变换电路产生正弦波，在正弦波过零时切换开关，这不仅大大提高了开关的控制能力、减小了电源体积，而且也使得电源谐波成分大为降低、电源频率得到大幅度提高。谐振变换电源结合功率校正电路，功率因数可以达到0.95，甚至更高，远远超过普通传统开关电源的功率因数，这大大抑制了对电网的污

28、染。谐振式开关电源分为零电流开关（ZCS）和零电压开关（ZVS）。零电流开关和零电压开关工作的简单原理图如图2.19所示：onoffSIsTsTonToffSUsTsIcUiSLrCrVDIcUiSLrCrVD图2-19 电流谐振式开关和电压谐振式开关原理图电流谐振开关中，电感、电容构成的谐振电路中Lr的谐振电流通过S，可以人为控制开关在电流过零时进行切换。这种谐振电路的电流是正弦波电流，而Us为矩形波电压。电压谐振开关中，电感、电容构成的谐振电路中Cr端谐振电压并联到S上，可以人为控制开关在电压过零时进行切换。这种谐振电路的电压是正弦波电压，而Is接近矩形波。以上两种开关电源是半波的，也可以

29、设计成全波的。因此谐振开关有半波谐振和全波谐振之分。3. 开关电源元器件的选用设计制作开关电源时，无论采用的是那一种变换器、那一种结构形式，所使用的元器件都是开关晶体管、磁性材料、电感、电容、电阻等。所设计的开关电源往往在试验室中调试成功，到生产线上进行规模生产时，却出现各种问题。有工艺方面的，设计方面的，也有焊接方面的，但多数都是元器件选用的问题。因此决定开关电源质量的关键在于是否选用好元器件。随着半导体材料及及技术的发展，新型电力电子器件不断推出，传统电力电子器件的性能也不断提高，这成为包括开关电源在内的各种电力电子装置的体积、效率等性能指标不断提高的重要因素。了解和掌握各种电力电子器件的

30、特性和使用方法是正确设计开关电源的基础。3.1 二极管二极管是最为简单但又是十分重要的一种电力电子器件，在开关电源的输入整流电路、逆变电路、输出高频整流电路以及缓冲电路中均有使用。二极管按照功能来分，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。下面分别介绍几种常见二极管的特点。3.1.1 开关二极管 半导体二极管的导通相当于开关闭合，截止则相当于开关打开，所以二极管可用作开关，常用型号有IN4148和IN4448。利用二极管的单向导电特性，二极管在电路中起到控制电流接通或关断的作用，成为一个理想的电子开关。开关二极管具有开关速度快、可靠性高、体积小、寿命长等特点，广泛

31、应用于电子设备中。开关硅二极管的主要技术指标是：(1) 反向最高工作电压和反向击穿电压，二者越大越好。(2) 最大管压降应小于0.8V。(3) 最大工作电流应大于150mA。(4) 反向恢复时间应小于10ns。3.1.2 稳压二极管稳压二极管工作在反向击穿状态，当反向电压达到并超过稳定电压时，反向电流迅速增大，但管压降恒定，有稳压作用。因此在电力电子电路中，稳压二极管可用于过压保护、电平转换，也可用来提供基准电压。稳压二极管有高压与低压之分，稳压状态下端电压高于200V的称为高压稳压二极管，端电压值低于40V的叫做低压稳压二极管。稳压二极管从材料上可以分为N型稳压二极管和P型稳压二极管。市场上

32、，稳压值从2.4V到200V的稳压二极管型号规格齐全，且性能好、体积小、价格便宜。选用稳压二极管时要注意其稳压值的标称值及电压的温度系数。稳定电压要设计人员根据需要选用，温度系数越高，稳压误差就越大。稳压二极管对漏极和源极有钳位保护作用，它还可以加速开关管的导通。在开关电源中常用高压稳压二极管代替瞬态电压抑制器，对初级回路产生的尖峰电压进行钳位；在晶体管反馈电路中，常在晶体管的发射极串联一个稳压管，组成电压负反馈回路，提高放大电路的稳定性。3.1.3 快速恢复及超快速恢复二极管在很多电子设备中，都常用到快速恢复二极管和超快速恢复二极管。这两种二极管具有体积小、耐压高、正向电流大等优点，常用在整

33、流、续流、限流等电路中。二极管的一般选用原则和检测方法如下：(1) 选用原则：在开关电源中，超快速恢复二极管可用作次级输出电压的整流管和阻塞二极管。超快速恢复二极管的反向恢复时间为2050ns；最高反向工作电压应为最大反向峰值电压的2倍以上；整流电流应为最大输出电流的3倍以上；(2) 检测方法：利用万用表的电阻档能够检测出二极管的单向导电特性，一般情况下，其正向电阻约为6欧，反向电阻为无穷大。或用数字万用表的二极管检测档，也可完成上述检测；用万用表可以测得负载电压，从而计算出二极管的正向导通压降；用兆欧表能测出其反向击穿电压。3.2 开关晶体管3.2.1 功率开关MOSFET电力MOSFET是

34、近年来发展最快的全控型电力电子器件之一。它显著的特点是用栅极电压控制漏极电流，因此所需驱动功率小、驱动电路简单；又由于MOSFET是靠多数载流子导电，没有少数载流子导电所需的存储时间，是目前开关速度最高的电力电子器件，在小功率电力电子装置中是应用最为广泛的器件。电力MOSFET与电子电路中应用的MOSFET类似，按导电沟道可分为P沟道和N沟道。在电力MOSFET中，应用最多的是绝缘栅N沟道增强型。电力MOSFET在导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，属单极型晶体管，不存在少数载流子的存储时间和二次击穿问题，所以具有非常快的开关速度、良好的散热稳定性和较大的安全工作区。所有有源功率因数校

35、正器都是为驱动功率MOSFET而设计的。在大功率开关电源开关方面，MOSFET比双极型功率晶体管具有明显的优势，是任何双极型功率晶体管都不能代替的。3.2.2 MOSFET的驱动电路MOSFET的加速TR关断电路如图3.1所示：图3.1 加速TR关断驱动电路如图所示，稳压二极管DW1，DW2反向串联在一起，对VT的栅漏极进行钳位 ，防止驱动电压过高而使VT击穿。其中，电阻R是MOSFET的栅极限流电阻，阻值一般为60200。R值小，开关速度快，只要驱动电压撤销，VT便会立即截止。MOSFET的功率驱动电路如图3.2所示：图3.2 功率驱动电路如图3.2所示电路，可以加速漏极电流的跌落时间，有利

36、于零功率控制。MOSFET栅极驱动电压突降到门线电压，MOSFET便由导通状态转换成截止状态，三极管加速了ID的跌落，为MOSFET起到了加速作用。3.2.2 绝缘栅双极型晶体管MOSFET具有驱动方便、开关速度快等优点，但导通后呈现电阻性质，在电流较大时的压降较高，而且器件的容量较小，仅能适用于小功率装置。大功率晶体管的饱和压降低、容量大，但其为电流驱动，驱动功率较大，开关速度低。20世纪80年代出现的绝缘栅双极型晶体管是把MOSFET和大功率晶体管复合而成，不仅具有MOSFET的电压型驱动、驱动功率小的特点，还具有大功率晶体管饱和压降低和可耐高电压、大电流等一系列应用上的优点，开关频率低于

37、MOSFET，但高于GTR。目前绝缘栅双极型晶体管已基本取代了大功率晶体管，称为当前在工业领域应用最广泛的电力电子器件。绝缘栅双极型晶体管在开关电源中用作功率开关，具有MOSFET无可比拟的优点。3.3 自动恢复开关自动恢复开关又称为自动恢复保险丝，起过流保护作用。在电路发生短路或用电电流超过其额定值时，自动恢复开关便会发挥作用，具有开关特性好、使用安全、自动恢复、不需维护、可反复使用等优点。自动恢复开关由高分子晶状聚合物和导电链构成，聚合物紧密束缚着导电链，常态下其电阻值极低，仅有0.2。因此自动恢复开关工作时，其功耗很小，产生的热量很少，不会改变聚合物内部晶状结构。当电路发生短路或电流电流

38、超过最大设计电流时，电流增加，由导电链产生的热量将聚合物由晶状体状态转变为非晶状体状态，电路电流立即切断，保护电路。故障排除以后，自动恢复开关便很快恢复到低电阻状态，可反复使用而不损坏。自动回复开挂在开关电源、家用电器、计算机通信设备上起过流保护，但它只能进行低压过流保护，不能接在220V等交流电压上。下面介绍一下自动恢复开关的检测方法：(1) 电阻检查用万用表的电阻档测量自动恢复开关的直流电阻，测得值越小，其容量就越大。(2) 过流后自动恢复能力的检查将自动恢复开关与电流表串联，由直流稳压电源供电，要求所用稳压电源的输出电流大于自动恢复开关的电流容量。电源输出电压从零开始逐渐升高，注意观察电

39、流表读数，这时的读数会随着供给电压的增大而增大。当稳压电源的输出输出电流接近或超过其电流容量时，电流表的读数突然变小，自动恢复开关进入高阻状态。关闭电源，稳压电源的输出电压便会上升。观察电流表，一段时间后电流表的读数回升到一定值，那么这段时间就是自动恢复开关的自动恢复时间。3.4 热敏电阻热敏电阻是一种由锰钴镍的氧化物烧制成的半导体陶瓷制成，具有负温度系数的器件，即温度升高，热敏电阻降低。其主要参数如下：(1) 零功率电阻值RT0，表示在室温25时元件电阻值。(2) 零功率电阻系数，表示在零功率状态下，温度每变化1，热敏电阻阻值的相对变化率，单位为%/。(3) 耗散系数，表示热敏电阻温度每变化

40、1所消耗电功率的相对变化量，单位为mW/。热敏电阻在开关电源中的作用是：过温度保护和软启动。过温保护是将热敏电阻并联入输入电路中。初始时，热敏电阻温度低，阻值高，相当于开路。当电路输入电压超高，通过热敏电阻的电流增大，热敏电阻发热，电阻值降低，对输入电路分流。当热敏电阻发热超过其极限值时，整流后的输出电压变低，开关电源的高频振荡便会停振，或因为热敏电阻阻值降低后，电路保险丝熔断，电路与供电电源断开，这就是热保护作用。在电源刚通电时，滤波电容的电压不能突变，容抗很小，趋于零，瞬间对电容的充电电流很大，这容易损坏电解电容。在电路中串接几欧的电阻，在启动瞬间对电流加以限制，上述问题便得到解决。但随着

41、电阻功耗上升，电源的效率会随之下降。热敏电阻可以解决这一问题，把电阻换成热敏电阻。电路刚接通，热敏电阻的温度低，阻值大，瞬时对充电电流有一定的限制作用。热敏电阻随着电流的通过便会发出热量，其阻值便会迅速减小，启动成功，功耗较低。这就是热敏电阻所起的软启动作用。3.5 光电耦合器光电耦合器又称为光电隔离器，简称光耦。光电耦合器由两部分组成，一是发光体，二是受光器。发光体实际上就是一只发光二级管，根据不同的的输入电流发出不同的红外光；受光器接受光照，产生光电流从输出端输出，它的光电反应是随着光的强度而变化的。这便实现了“电光电”的功能转换，即信号隔离传递。光耦的主要优点是输入与输出实现了完全隔离，

42、不受其他电气和电磁的干扰，且信号是单向传输的，抗干扰能力很强。它是由低电平的电源供电，使用寿命长，效率高，而且体积较小，所以可广泛应用于信号传输、电气隔离、级间耦合、电路开关等。在通信设备、仪器仪表以及各种电路接口方面，光电耦合器都有所应用。开关电源电路中，用光电耦合器构成返回回路，来调整、控制输出电压，达到稳定输出的目的。通过光电耦合器也可进行脉冲转换。光电耦合器及其典型用法结构如图3.3所示： 图3.3 光电耦合器及其典型用法光电耦合器由于其非线性，在模拟电路中只限制用于较高频率的小信号隔离传送。普通的光耦只适用于传输开关（数字）信号，不适于传送模拟信号。随着光电耦合器技术的发展，线性光耦

43、合器出现，它能够传送连续变化的模拟信号，这使得光电耦合器的应用领域大为拓宽。(1) 光电耦合器的抗干扰作用与一般干扰源的阻抗相比，光电耦合器的输入阻抗较小，分压在光电耦合器输入端的干扰电压较小，由光耦提供的电流不大，不易使发光二级管发光。由于光电耦合器的外壳封闭，所以它不会受到外界光的影响；由于光电耦合器的隔离电容很小、隔离电阻很大，所以它能阻挡由电路性耦合产生的电磁干扰。开关电源中，采用电压反馈实现输出电压的稳定输出，光电耦合器是输入采样，输出驱动、反馈信号的隔离器件。一方面，光电耦合器中的发光二级管是电流型驱动元件，能形成电流环路的传送形式。电流环路是低阻抗电路，对噪音有较低的敏感度，这提

44、高了系统的抗干扰能力，起到了隔离抗干扰和电磁兼容的作用，电路中高频电流的电磁干扰对控制电路不会产生干扰。(2) 线性光耦合器的选取原则光电耦合器的使用主要是为提供输入电路和输出电路间的隔离，设计电路时，应遵循以下原则：所选用的光电耦合器件必须要符合国际和国内有关隔离击穿电压的标准；由美国摩托罗拉公司、英国埃索柯姆公司生产的4N系列光电耦合器，目前在国内的应用十分普遍。由于这类光电耦合器呈开关特性，线性度差，适于数字信号的传输，可用于单片机的输出隔离；所选用的光电耦合器件需具有较高的耦合系数。开关电源应选择线性光电耦合器。选用线性光电耦合器时，应正确选择线性光电耦合器的参数及型号。除了遵循普通光

45、耦的选用原则外，还应考虑合理选择光电耦合器的电流传输比CTR的值。当CTR<50%时，光耦中的发光二级管需要较大的工作电流才能正常控制单片开关电源的占空比，这必然会增大光耦的功耗；当CTR>200%时，在启动电路或负载发生突变时，单片开关电源可能会误触发，影响其正常输出。所以光电耦合器CTR的允许范围为50%200%。3.6 软磁铁软体磁芯软磁铁氧体从20世纪40年代开始使用，它是一种非金属磁性材料，一般由铁、锰、镁、铜等金属氧化物粉末按一定比例混合压制成形，然后在高温下烧结而成。由于具有电阻率高、涡流损耗小的特点，现已成为中、高频电磁元件中使用最主要的软磁材料。软磁铁样题材料常用

46、在电感整流器、高频变压器、脉冲变压器等电路中，在开关电源电路中也是一种非常重要的元件。但磁性材料的特性不好掌握，并且这种特性与频率、气隙、温度等的依赖性也不容易掌握。它不像电子元件那样，具体的特性、参数不容易在显示测量仪器上显示出来。高频变压器和电感在设计中所涉及的参数有电压、电流、频率、温度、电感、漏感、变比、磁性材料参数、交流磁场强度、交流磁感应强度、铁损、磁损、真空磁导率等，涉及参数较多，所以对高频变压器的设计制作是开关电源设计制作中最为重要的任务。设计时，元器件布局、散热处理、铁氧体磁芯的颜色、线圈的屏蔽等都要处理得当。3.7 磁芯的选用选用磁芯时首先要考虑的问题是使用磁芯一定要在一定

47、的距离温度以内，其次还要注意磁芯的脆度、硬度、结构、稳定性、磁导率以及磁感应强度。设计时，还应十分注意噪声干扰和工作频率。磁性材料在强磁场力的作用下会膨胀或收缩，很可能出现磁共振现象，因此把磁芯变压器装在印制电路板上时一定要粘结牢固，防止出现电磁噪声和机械噪声。4. 开关电源设计4.1 开关电源集成控制器随着电力电子技术的发展，开关电源集成控制芯片技术已经相当成熟，这为开关电源的设计制造带来极大便利，并促使了制作成本的降低。这类芯片中集成有电源管理电路、PWM专用SPIC、MOSFET智能开关、半桥或全桥逆变器、线性集成稳压器、开关集成稳压器等。设计开关电源所用到的集成控制芯片是M51995A

48、FP。它是MITSUBISHI公司推出的专门为AC/DC变换而设计的离线式开关电源初级PWM控制芯片。该芯片内置有大容量半桥电路，可以直接驱动MOSFET管。M51995AFP不仅具有高频振荡和快速输出能力，而且 具有快速响应的电流限制功能。它的另一大特点是过流时采用断续方式工作。下面将介绍M51995AFP芯片。4.1.1 芯片管脚排列M51995AFP芯片是M51995AP的扩展，M51995AP芯片管脚排列如图4.1所示：M51995AFP芯片管脚排列如图4.2所示：图4.1M51995AP管脚排列图 图4.2 M51995APF管脚排列图4.1.2 芯片的基本特性(1) 芯片特性芯片M

49、51995AFP的主要特性为：工作频率为500kHz；启动电流小，典型值为90A；输出电流2A，输出的上升时间为60s，下降时间为40s；起动电压为16V，关闭电压为10V，起动和关闭电压间压差大；过流保护采用断续方式工作；改进半桥电路输出方法，穿透电流小；有欠压、过压锁存电路；用逐脉冲法快速限制电流。 (2) 芯片的推荐使用条件工作频率应小于500kHz，电源电压在1236V间，振荡频率设置电阻Ron在1075k欧，Roff在230k欧。4.1.3 芯片工作原理 (1) 芯片结构M51995AFP主要由振荡器、反馈电压检测变换、PWM比较、PWM锁存、欠压锁存、过压锁存、断续工作电路、断续方

50、式和震荡控制电路、驱动输出以及内部基准电压等部分组成。(2) 芯片应用原理分析 振荡器(a) 振荡器原理振荡电路的等效电路如图4.3所示。其中Ron为充电电阻，Roff为放电电阻，Cf为计时电容。CF端电压由于恒流源的充放电作用而呈三角波。如图4.3所示，由内部的充放电控制信号来控制对电容CF 进行充放电过程。其中充电电流由充电电阻Ron控制，放电电流由放电电阻Roff控制。图4.3 振荡器等效电路(b) 振荡器的相关计算与分析在振荡器控制电路和断续方式不工作时，有关数据的核算关系如下：死区时间： 式（4.1） 占空时间： 式（4.2）而实际振荡周期为二者之和，即周期T=死区时间+占空时间。其

51、中，4.4V，2.0V，4.5V，3.5V。振荡器波形图如图4.4所示：图4.4 振荡器波形图由图4.4可以看出，芯片的输出脉宽时间为三角波的上升时间，而输出关断时间则为三角波的下降时间。当电路发生过流时，振荡控制电路和断续方式便开始工作，这时Toff端电压由VF控制端电压控制，振荡器的死区时间将延长。占空时间： 式（4.3）死区时间： 式（4.4）实际振荡周期为二者之和。其中2.0V，0.4V，4.5V，4.4V。当，我们取；当时，我们取；在03.5V范围内，取其实际值。因此，当时，振荡器的工作和没发生过流时一样。这种情况下的波形，除启动时，三角波从零开始，其余情况下也就是稳态时波形与图4.

52、4所示波形类似。(c) VF端的使用方法正激型变换其中VF端的使用如图4.5所示：图4.5 正激式变换器中VF端的应用通常使VF端的电压正比于变换器的输出电压，所以当发生过流输出电压变低时，VF端电压也变低，使得Cf的放电电流减小，放电时间相应变长，从而进一步降低了占空比。自然，VF端反馈电压也可通过隔离变压器的相关绕组分压后获得。 PWM比较锁存部分PWM比较锁存部分电路如图4.6所示。其中，E点OSC是由振荡电路产生的矩形波，低电平时对应放点，高电平时对应充电。由图可以看出，F/B与A点电位的波动规律相同，A点电位与振荡三角波比较厚锁存，之后与从振荡器输出的控制信号进行逻辑组合后输出。所以

53、，B、C、D、E各点的逻辑关系为： D点在三角波低于A点时为低电平，高于A点时为高电平。B=DE，由此可以得到B点波形。C=BE，由此可以得到C点波形。图4.6 PWM比较和锁存电源的输出越低，反馈电压VF/B就越高（IF/B小），C点的波形脉冲就越宽，这一信号经反向后，送至芯片输出开关管基极。这样，电源输出开关管得到的积极激励信号刚好与电源输出构成负反馈关系，实现了对电源的输出调节。 输出电路芯片的输出电路应具有优良的拉电流和灌电流的能力，以便驱动MOSFET。而半桥电路正恰好满足这一点，但其穿透电流较大。这样将引起Ic电流的增大，增加了芯片损耗，并且增加了噪声电压。M51995AFP芯片通过改进的半桥电路，穿透电流由常规的1A左右降低到了100mA。输出电路逻辑图如图4.7所示： 图4.7 输出电路从逻辑关系可知，输出电路是在比较及锁存电路的C点输出高电平期间开通，从而触发电源电路的输出。所以，当电源电压变低时，电压反馈端的反馈电压越高，C脉冲就越宽，输出时间就越长，从而使电源电压回升。反之亦然。 断续方式和振荡控制电路当过流检测端达到阈值时，电流限制电路将以脉冲形式发出电流限制信号，在半桥电路输出端呈高电平期间，电流限制锁存电路并输出高电