开关电源电路拓扑结构的研究

1、绪论开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流 直流或直流直流电能变换，通常称其为开关电源（ Switched Mode Power Supply-SMPS。其功率从零点几瓦到数十千瓦，广泛用于生活、生产、科研、 军事等各个领域。彩色电视机、 VCDS放机等家用电器、医用 X光机、CT机， 各种计算机设备，工业用的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置，以及飞机、 卫星、导弹、舰船中，都大量采用了开关电源。开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或 稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行 控制。开关电源的这一技术特点使其同其

2、他形式的电源，如采用调整管的线性 电源和采用晶闸管的相控电源相比具有效率高和体积小、重量轻两个明显的优 点。因为具有这些优点，开关电源的应用越来越广泛，大有取代线性电源和相 控电源的趋势。值得注意的是，开关电源的输出噪声和纹波一般比线性电源大， 所以在需要非常低的噪声与纹波（如纹波峰峰值要小于 510mV的情况下，仍 需要线性电源，由于大功率全功率非常大（1MW以上）时，仍需采用相控电源。 但随着控制技术和元器件技术的不断发展，开关电源的各方面的性能都在不断 提高，容量也在不断扩大。开关电源的开关管工作在高速的通与断两种状态，所以称为开关电源，其 原理是用整流电路先把交流变成直流，再用开关管把

3、直流电变成高频的直流电， 这个高频直流在通过开关变压器时，在次级感应出交流电流，再通过整流滤波 后，变成平稳的直流电，同时有控制电路根据输出电压调整开关管的通与断的 比例（占空比）。由于开关变压器的频率很高，同样的功率，体积可以做的很 小，所以整个电源可以做到体积小重量轻。开关电源能输出多种可控的直流电 压供不同的电路使用。第 1 章 开关电源简介1.1 开关电源的发展简史开关电源是相对线性电源说的。他输入端直接将交流电整流变成直流电， 再在高频震荡电路的作用下，用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。 在电感（高频变压器）的帮助下，输出稳定的低压直流电。由于变压器的磁芯 大小与他的工作频率

4、的平方成反比，频率越高铁心越小。这样就可以大大减小 变压器，使电源减轻重量和体积。而且由于它直接控制直流，使这种电源的效 率比线性电源高很多。这样就节省了能源，因此它受到人们的青睐。随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的 种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设 备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和 低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳 压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已 有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用 可

5、靠等优点。但其通用都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大 的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电 极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低， 一般只有 45%左右。另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功 率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的要求。20 世纪 50 年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。 在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发 热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应 用于电子整机与设备中。 2

6、0世纪 80 年代，计算机全面实现了开关电源化，率 先完成计算机的电源换代。 20 世纪 90年代，开关电源在电子、电器设备、家 电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入高速发展期。并且自开关稳压电源问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸 管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿， 但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制（pwm技术的发展，pw开关电 源问世，它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达 65%70%而线性电源的效率只有 30%40%因此，用工作频率为 20kHz的PWM 开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们

7、的广泛关注，在 电源技术发展史上被誉为20kHz革命。随着超大规模集成（ultra-large-scale- integrated-ULSI） 芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多； 而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备 （如手提计算机、移 动电话等 ）更需要小型化、轻量化的电源。因此，对开关电源提出了小型轻量要 求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。此外，还要求开关电源效率要更 高，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求边不断促进了开关电源的发展 和进步。1.2开关电源的发展趋势和前景展望随着电力电子、电机制造技术以及新型材料的飞速发展，电源已成为 各种电子

8、设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指 标及能否安全可靠的工作。目前常用的直流稳压电源和开关电源两大类。由于 开关电源本身消耗的能量低，电源效率比普通线性稳压电源提高一倍，被广泛 用于电子计算机、通讯、家电等各个行业，开关电源被誉为高效节能型电源。 开关电源广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、通讯设备、电力设备、仪器仪表等领域。它不仅体积小重量轻，并且电源效率非常 高，效率甚至能达到90沖上。迅速发展的社会，对能源的要求越来越高，开 关电源的高效率不但节省了大量电能，而且节省的大量的材料。虽然开关电源 的成本相对较高，但研究发现在功率超过一定功率时，

9、成本反而比线性电源低。 并且高可靠性的开关电源还是各种设备可靠工作的保证。调查发现，大多数的 设备损坏都是电源造成的，因此研究高可靠性的开关电源，对生产生活是至关 重要的。开关电源可将电网输入的交流电压直接整流再进行PWM控制，这样可省去笨重的电源变压器，使电源的体积大大缩小，重量减轻。在隔离式开关电 源中，高频隔离变压器由于频率高而可以使体积小、重量轻。对产品推广有重 要意义。迄今为止，电源已成为非常重要的基础科技和产业，并广泛应用于各行业, 从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持，其发展趋势为高 频、高效、高密度化，低压、大电流化和多元化。同时，封装结构、外形尺寸 日趋接国际

10、标准化，以适应全球一体化市场的要求。半个世纪以来，开关电源 大致经历了四个发展阶段。早期的开关电源全部由分立元件构成，不仅开关频率低、效率不高，而且 电路复杂，不易调试。在20世纪70年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对 开关电源种的控制电路实现了集成化。20世纪80年代问世的单片开关稳压器 从本质上讲仍属于AC/DC电源变换器。随着各种类型单片开关电源集成电路的 问世。AC/DC电源变换器的集成化变为现实。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在着效率低、 体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小的缺点。开关电源的效率比 线性电源高很多。这样就节省了能源，因此它受到了人们的

11、青睐。但它也有缺 点，就是电路复杂维修困难，对于电路的污染严重。电源噪声大，不适合用于 某些低噪声电路。开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面 ：小型化、微型化、 轻量化、高频化。开关电源的体积、重量主要由储能元件（磁性元件和电容） 决定的，因此开关电源的小型化实质上就是竟可能减小其中储能元件的体积。 在一定范围能，这样就节省了能源，因此它受到人们的青睐。但它也有缺点， 就是电路复杂，维修困难，对电路的污染严重。电源噪声大，不适合用于某些 低噪声电路。开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面：（1）小型化、薄型化、轻量化、高频化。开关电源的体积、重量主要是由 储能元件（磁

12、性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可 能减小其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地 减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能， 因此高频化是开关电源的主要发展方向。（2）高可靠性。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此 降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命 决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高 集成度，采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要提高系统的可靠性。（3）低噪声。开关电源的缺点之一是噪声大，单纯地追求高频化，噪声 也会随之增大。采用部分谐

13、振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以 降低噪声，所以，尽可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。（4）采用计算机辅助设计和控制。采用 CAA技术设计最新变换拓扑和最佳 参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制， 可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关，高 频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展电 力MOSFETIGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的 结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等方面的工 作，对于开关电

14、源小型化始终产生着巨大的推动作用。总之，人们在开关电源技术领域里，边开发低损耗回路技术，边开发新型 元器件，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数的市场增长率向小型、 薄型、高频、低噪声、高可靠方向发展。第二章 开关电源的分类、特点和基本工作原理2.1 开关电源的分类开关型稳压电源的种类很多，分类方法也有多种。从推动功率管的方式来 分可分为自激式和它激式，在自激式开关电源中由开关管和高频变压器构成正 反馈环路来完成自激振荡；它激式开关稳压电源必须附加一个振荡器，振荡器 产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截至。按开关管的个数及 连接方式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等，单端

15、式开关电源仅用一 个开关管，推挽式和半桥式采用两个开关管，全桥式则采用四个开关管。按开 关管的连接方式，开关电源分为串联型与并联型开关电源，串联型开关电源的 开关管是串联在输入电压与输出负载之间的，属于降压式稳压电路 ; 而并联型开 关电源的开关管是并联在开关电源之间的，属于升压式电路。一般来说，功率很小的电源(iioovy采用电路简单、成本低的反激型电 路较好；当电源功率在100W以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输 出短路频繁时，则应采用正激型电路；对于功率大于500W工作条件较好的电源，则采用半桥或全桥电路较为合理；如果对成本要求比较严，可以采用半桥 电路；如果功率很大，则应采用

16、全桥电路；推挽电路通常用于输入电压很低、 功率较大的场合。2.2 开关电源的特点(1) 效率高。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功 耗小，效率高，一般在80%-90%高的可达90%以上;(2) 重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线 和硅钢片，从而使其重量只有同容量线性电源的 1/5，体积也大大缩小了；(3) 稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在 90270 V 内变化时，输出电 压的变化在± 2%以下。合理设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽并保证开 关电源的高效率；(4) 安全可靠。在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，

17、因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠；(5) 功耗小。由于开关电源的工作频率高，一般在 20 kHz 以上，因此滤波 元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长 期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。2.3开关电源的基本工作原理目前生产的开关电源大多采用采用脉宽调制方式，少数采用频率调制方式， 下面对开关电源控制方式及脉宽调制的基本原理做简要介绍。（1）脉宽调制型,即为PWM技术。PWM技术，全称脉冲宽度调制（Pulse width Modulati

18、on ，PWM技术，是通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地 获得所需波形（含形状和幅值）的。PWMI制技术主要是利用微处理器的数字 输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从事测量、通 信到功率控制与变换的诸多领域。PWMF关稳压电源的基本工作原理就是在输 入电压、内部参数以及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控信号与基准 信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电 源的输出电压被控制信号稳定。调宽式开关稳压电源的控制原理如图2.1所示。对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越 直流平均电压Uo

19、可由（2.2.1 ）计算:Uo Um?Tl（ 2.2.1）T式中Um为矩形脉冲最大电压值，T为矩形脉冲周期，T1为矩形脉冲宽度。 当Um与 T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。这样，只要设法 使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳压输出目的。V3U4-0图2.1脉宽调制式开关电源控制原理图（2）脉冲频率调制方式，简称脉频调制（PFM式。它式将脉冲宽度固定， 通过改变开关频率来调节占空比的。其稳压原理是，当输出电压Uo升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小，Uo降低。PFM式开关电源的输出电压调节范围很宽，输出端可不接假负载。开关稳压电源的电路

20、原理框图如图 2.2所示。交流电压经整流电路及滤波 电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压通过功率转换电 路进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流 滤波变为所需要的直流电压。反馈控制电路为脉冲宽度调制器，它主要由取样 器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前己集 成化，制成了各种开关电源专用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的 开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。图2.2开关电源电路框图第三章 开关电源电路中主要元器件介绍随着PMW技术的不断发展和完善，开关电源得到了广泛的应用，以往开 关电源的设计通常采用控制电路与功

21、率管相分离的拓扑结构，但这种方案存在 成本高、系统可靠性低等问题。1977年国外首先研制成功脉宽调制控制器集成 电路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司等相继推出一批PWM芯片，典型产品有MC3520 SG3524 UC3842 20世纪80年代，意-法半导体有限公司率先推出 L4960系列单片式稳压器，之后又推出了 L4970A系列。90年代，美国功率集成 公司POWER Integration Inc 在世界上收购西安研制成功三端隔离、脉宽调制 型单片开关电源，该系列芯片将自启动电路、功率开关管、PMW控制电路及保护电路等集成在一起，从而提高了电源的效率，简化了开关电源的设计和新产 品的开发，使

22、开关电源发展到一个新的时代。TOPSwitch系列单片开关电源经 历了四代发展。第一代单片开关电源包括 TOP1O0 TOP20C两大系列，TOP20C与TOP10（的 重要区别有两点：第一，用作单片开关电源时 TOP20O勺交流输入电压为 220/230V，或85265V,这更适合我国的电网情况。第二，TOP200各内部功率MOSFE的耐压值提升到700V,两者的引脚排列及内部电路相同。TOPSwitch-n与第一代相比，不仅在性能上有进一步的改善，而且输出功 率得到显著提高，现已成为国际上开发中、小功率开关电源及电源模块的优选 集成电路。TOPSwitch -FX 系列是美国 PI 公司

23、2000年最新研制的具有高性能的五端 单片开关电源，该产品出具备 TOPSwitch-n的全部优点之外，还对内部电路做 了重大改进，增加了许多新颖，使用的功能。而且输出功率比TOPSwitch- n系列提高了 10%15%.第四代单片高压开关TOP-GX系列比第三代单片高压开关TOP-FX系列有了 较大改进，它不仅使输出功率扩展到了 250W而且还增加了很多内置以及用户 可配置的功能，从而使应用可开发为员可灵活地以最低的系统成本完成优化的 电源设计。3.1 TOPSwitch-GX 系列产品介绍TOPSwitch-GX系列不仅继承了早期的TOPSwitch将高压功率MOSFE管、PWM控制、故

24、障自动保护及其它控制电路集成在一个CMO芯片上的优点，而且还增加了许多新功能，从而有效地降低了电源系统成本，提高了电源性能，改 善了设计灵活性并扩展了电源输出功率。其中的TOP250型芯片是世界上功率最高的单片电源IC,其最大输出功率可达290W该芯片极大地扩展了开关电源芯 片在大功率领域内的应用范围。TOPSwitch-GX系列新增的主要功能及其优点如下：1 ）更宽的输出功率范围，最大可达 290W；2）可减少外围器件的损耗；3）在极低压或过压时能实现完全软启动，进一步减小了器件在启动时的电 压、电流应力； 4）外部可编程精确地设定限制电流，减小了变压器铁芯体积， 提高了电源效率；5）更大的

25、占空比，能提供更大的输出功率并减小了输入电容；6）在 Y、 R、 F 型式封装中将电压检测管脚与限流管脚分开封装，提高了设 计的灵活性；7）欠压保护，不会造成误关断；8）有过压保护，可以限制浪涌电流；9）采用线电压前馈，减小了低压时的输出电压纹波，限制了高压时的最大 占空比（DmaX ；10） 有3%的频率抖动，减小了电磁干扰（EM）,并降低了 EMI滤波器的 损耗；11）空载、轻载时可降低工作频率，使输出电路无需加假负载，从而显著 地减少了能量损耗；12）高达132kHz的工作频率，减小了变压器和电源的体积；13）在视频应用时可选择半频（66kHz）运行（只限于Y、R、F封装）；14）温度范

26、围更宽的滞后热关断，允许电源在高温下输出更大的功率，并 有效地防止装置过热。TOPSwitch GX系列的这些优点使其可广泛地应用于手 提电脑、PDA集线器、交换器、路由器、台式电脑、小型服务器、机顶盒、数 码电视、打印机、DVD播放器、UPS电视游戏机、音频放大器等装置中。TOPSwitch-GX系列开关器件增加了许多功能，同时输出功率也有较大提高。 实践证明，用TOPSwitch-GX系列开关器件设计开关稳压电源，其电路结构更加 简单，抗干扰性能更好，可靠性更高。3.1.1 TOPSwitch系列单片开关电源的基本工作原理TOPSwitch系列单片开关电源的典型应用电路如图3.1所示。由于

27、单端反激式开关电源电路简单、所用元件少，输出与输入间有电气隔离，能方便的实 现多路输出，开关管驱动简单，因此该电源采用单端反激式电路。图3.1单片开关电源的典型应用电路由图可见，高频变压器初级绕组 NP的极性与次级绕组NS、反馈绕组2的极 性相反。在TOPSwitch的MOSFE导通时，次级整流管 VD截止，此时电能以磁 能量形式存储在初级绕组中；当 TOPSwitch的MOSFE截止时，VD导通，能量 传输给次级。高频变压器在电路中兼有能量存储、隔离输出和电压变换这三大 功能。图中，BR为整流桥，Cn为输入端滤波电容，Gut是输出端滤波电容。交 流电压庆经过整流滤波后得到直流高压，经初级绕组

28、加至TOPSwitch的漏极上 在功率MOSFE关断瞬间，高频变压器漏感会产生尖峰电压，另外在初级绕组上 还会产生感应电压（即反向电动势）Uor,两者叠加在直流输入电压桥上，加至内 部功率开关管MOSFE的漏极上，因此必须在漏极增加钳位保护电路。钳位电路 由瞬态电压抑制器或稳压管 VDi和阻塞二极管VD组成，VD宜采用超快恢复二 极管。当MOSFE导通时，变压器的初级极性上端为正，下端为负，从而导致 VD截止，因而钳位电路不起作用。在 MOSFE截止瞬间，初级极性则变为上负 下正，此时尖峰电压就被 VDi所吸掉。该电源的稳压原理简述如下：反馈绕组电压经过VD, CF整流滤波后获得反馈电压UFa

29、,经光耦合器中的光敏三极管给 TOPSwitch的控制端提供偏压。CT是 控制端C的旁路电容。输出电压Uo通过电阻分压器R、R2分压并获得取样电压, 与TL431中的2.5V基准电压进行比较后输出误差电压，然后通过光耦去改变 TOP248Y勺控制端电流,TOPSwitch的输出占空比D与lc成反比，故D变化， 从而达到稳压目的。当Uo减小，导致UF减小，Ic减小，进而D增大，最终使 Uo增大。由此可见，反馈电路正是通过调节TOPSwitch的占空比，使输出电压趋于稳定的。3.2 光电耦合器随着开关电源技术和绿色电源的飞速发展,APFC技术成为当前研究的热点 电子式开关电源技术已经成熟 ,而且有

30、相当多的控制方式。目前人们正在进行数 字式开关电源的研究与开发 , 已经有数字式带功率因数校正的开关电源产品上市。 对于数字式开关电源 ,隔离技术和抗干扰技术是至关重要的 ,随着电子元器件的 迅速发展,光电耦合器的线性度越来越高 ,光电耦合器是目前在单片机和开关电 源中用得最多隔离抗干扰器件。光耦合器（ optical coupler, 英文缩写为 OC） 亦称光电隔离器或光电耦合器 , 简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件 通常把发光器（红外线发光二极管 LED与受光器（光敏半导体管）封装在同 一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线 ,受光器接受光线之后就产生光 电流, 从输出端流

31、出 , 从而实现了“电光电”转换。以光为媒介把输入端信 号耦合到输出端的光电耦合器 ,由于它具有体积小、寿命长、无触点 ,抗干扰能 力强, 输出和输入之间绝缘 , 单向传输信号等优点 , 在数字电路上获得广泛的应用。 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。3.2.1 光耦合器的性能特点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

32、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 ;由于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(约1012Q)、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。线性光电耦合器由发光二极

33、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，需要足够大的电流才 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，尤其是数字开关电源中，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变占空比，达到精密稳压目的。光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF、正向电流If、电流传输比CTR输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压 V(BR)CEO集电极-发射极饱和压降VCE(sat)。此外,在传输数字信号时还需考虑上升 时间、下降时间、延迟时间和存储时间等参数。电流传输比是光耦合器的重要

34、 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IC与直流输入电流I F的百分比。其公式为：(321 )CTR= 100%If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。线性光耦合器与普通光耦合器典型的CTR-IF特性曲线如图3.2中虚线和实线所示。1201003080402010D.2 0-4124102040100Ir /uiA图3.

35、2 CTR-I f特性曲线由图可见,普通光耦合器的CTR-If特性曲线呈非线性,在I f较小时的非线性 失真尤为严重,因此它不适合传输模拟信号。线性光耦合器的CTR-If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( CTR= I c/ I f)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。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

36、XX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。3.3可调式精密并联稳压器本设计的基准电压和反馈电路采用常用的三端稳压器TL431来完成，其特性功能如图3.3所示。在反馈电路的应用中运用采样电压通过TL431限压，再通过光电耦合器PC817把电压反馈到TOP249Y勺控制端C端。由于TL431具有 体积小、基准电压精密可调，输出电流大等优点，所以用 TL431可以制作多种 稳压器。其性能是输出电压连续可调达 36V,工作电

37、流范围宽达0.1100mA动 态电阻典型值为0.22 Q,输出杂波低。其最大输入电压为 37V,最大工作电流 为150mA内基准电压为2.5V，输出电压范围为2.530V。图3.3 TL431 特性功能图TL431是由美国德州仪器（TI ）和摩托罗拉公司生产的2.536V可调式精 密并联稳压器。其性能优良，价格低廉，可广泛用于单片精密开关电源或精密 线性稳压电源中。此外，TL431还能构成电压比较器、电源电压监视器、延时 电路、精密恒流源等。TL431大多采用DIP-8或TO-92封装形式。图3.4中，A 为阳极，使用时需接地；K为阴极，需经限流电阻接正电源。TL431的电路图形 符号和基本接

38、线如图3.4所示。图3.4 TL431的基本接线和电路图形符号R是Ika的限流电阻。其稳压原理为：当 Uo上升时，取样电压UREF也随之 升高，使UF>Uef，比较器输出高电平，使 VT导通，Uo开始下降。反之，Uo下降会导致LUf下降，从而lk<Uef，使比较器再次翻转，输出变 成低电平，VT截止Uo上升。这样的循环下去，从动态平衡的角度来看，就迫 使Uo趋于稳定，从而达到了稳定的目的，并且 UhEF=Uef.在本设计中就是利用TL431和光耦构成反馈电路，其工作原理就是当输出 电压发生波动时，经分压电阻得到的取样电压就与TL431中的2.5V基准电压进行比较，在阴极上形成误差电

39、压，使 LED的工作电流发生变化，再通过光耦去 改变TOP248Y空制C端电流的大小，调节TOP248Y勺输出占空比，从而达到稳 压的目的。第四章 开关电源的拓扑结构分类开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。1.非隔离式电路的类型： 非隔离输入端与输出端电气相通，没有隔离。1.1.串联式结构串联一一在主回路中开关器件（下图中所示的开关三极管T）与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过 开关管T及电感器L对负载供电，并同时对电感器 L充电，当开关管T关断时, 电感器L中的反向电动势使续流二极管 D自动导

40、通，电感器L中储存的能量通 过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续 的电流。串联型幵关稳压址路主回路串联式结构，只能获得低于输入电压的输出电压，因此为降压式变换。上图是在图1-1-a电路的基础上，增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。其中L是储能滤波电感，它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过，防止输入电压Ui直接加到负载R上，对负载R进行电压冲击，同时对 流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关T关断期间Toff把磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输出；C是储能滤波电容，它 的作用是在控制开关K接通期间Ton把流过储能电感L的部

41、分电流转化成电荷 进行存储，然后在控制开关 K关断期间Toff把电荷转化成电流继续向负载 R提 供能量输出；D是整流二极管，主要功能是续流作用，故称它为续流二极管， 其作用是在控制开关关断期间 Toff，给储能滤波电感L释放能量提供电流通路。在控制开关关断期间Toff，储能电感L将产生反电动势，流过储能电感 L 的电流iL由反电动势eL的正极流出，通过负载 R,再经过续流二极管D的正 极，然后从续流二极管D的负极流出，最后回到反电动势 eL的负极。 对于图1-2，如果不看控制开关T和输入电压Ui，它是一个典型的反r型滤 波电路，它的作用是把脉动直流电压通过平滑滤波输出其平均值。串联式开关电源输

42、出电压uo的平均值Ua为:= DXUiUo”(1；ll«llnF r(14)12并联式结构并联在主回路中，相对于输入端而言，开关器件（下图中所示的开关 三极管T）与输出端负载成并联连接的关系。开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过 开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载R靠电容器存储的电 能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，输入端电源电压与电感器 L 中的自感电动势正向叠加后，通过续流二极管 D对负载R供电，并同时对电容 器C充电。I)井联型幵关稳压屯路主回站由此可见，并联式结构中，可以获得高于输入电压的输出电压，因此为升 压式变换。并

43、且为了获得连续的负载电流，并联结构比串联结果对输出滤波电 容C的容量有更高的要求。并联开关电源输出电压Uo为：(1-50)boots 拓扑输出电压 Uo: Uo=Ui(1+D/1-D)=Ui(1/1-D)(D 为占空比)1.3. 极性反转型变换器结构（inverting ）极性反转 输出电压与输入电压的极性相反。电路的基本结构特征是:在主回路中，相对于输入端而言，电感器 L与负载成并联。极性反转型换能电路开关管T交替工作于通/断两种状态，工作过程与并联式结构相似，当开关 管T导通时，输入端电源通过开关管 T对电感器L充电，同时续流二极管D关 断，负载RL靠电容器存储的电能供电；当开关管 T关断

44、时，续流二极管D导 通，电感器L中的自感电动势通过续流二极管 D对负载RL供电，并同时对电容 器C充电；由于续流二极管D的反向极性，使输出端获得 相反极性的电压输出。反转式串联开关电源输出电压 Uo为:U.xTI Off巧X D1-D(1-27)由（1-27）式可以看出，反转式串联开关电源输出电压与输入电压与开关接通 的时间成正比，与开关关断的时间成反比。2隔离式电路的类型:隔离输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量，输入输出完全电气隔离2.1.单端正激式single Forward Converter （又叫单端正激式变压器开关电源）单端一一通过一只开关器件单向驱动脉冲

45、变压器;正激式：就是只有在开关管导通的时候，能量才通过变压器或电感向负载 释放，当开关关闭的时候，就停止向负载释放能量。目前属于这种模式的开关 电源有：串联式开关电源，buck拓扑结构开关电源，激式变压器开关电源、推 免式、半桥式、全桥式都属于正激式模式。反激式：就是在开关管导通的时候存储能量，只有在开关管关断的时候释放才向负载释放能量。属于这种模式的开关电源有：并联式开关电源、boots、极性反转型变换器、反激式变压器开关电源。正激变压器一一脉冲变压器的原/付边相位关系，确保在开关管导通, 驱动脉冲变压器原边时，变压器付边同时对负载供电。所谓正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激 励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。（正激式变压器开关电源是推免式 变压器开关电源衍生过来的，