开关电源原理、设计及实例[陈纯锴][电子教案(PPT版本)]第5章

1、第5章 开关电源一次侧电路的设计o本章主要介绍了开关电源一次侧主要电路的设计，包括：输入保护电路的基本构成和主要元器件参数及其选择；开关电源噪声及其电磁干扰滤波器的设计；输入整流管、整流器及其倍压整流电路；概述了几种常用的开关管；高频变压器磁芯和导线的主要类型参数和选择。 5.1输入保护电路的设计5.1.1输入保护电路的基本构成 开关电源输入保护电路具有过电流保护、过电压保护和防浪涌冲击等多种功能，能够在复杂环境条件下迅速地对电源电路和负载进行有效保护，常用的几种基本电路形式如图5-1所示。.o其中，图(a)中熔丝管FU起到输入过电流保护的作用，图(b)中的熔断电阻器RF与熔断器FU作用相同，

2、而压敏电阻RV可以吸收浪涌电压，具有过电压保护的作用。图(d)、(e)和(f)与图(a)、 (b) 和(c)结构形式相同，只是在输入回路中串联了负温度系数热敏电阻RT，可以在通电的瞬间起到限流保护的作用。o开关电源常用的输入保护元件主要有熔丝管、熔断电阻器、负温度系数热敏电阻和压敏电阻等，其主要特点和功能如表5-1所示。.o表5-1 开关电源常用输入保护元件的主要性能表 5.1.2熔丝管o熔丝管（Fuse-link）俗称保险管，电路符号为FU，是一种保证电路安全运行的电器元件。熔丝管是一种过电流保护元件，串联于开关电源输入电路的首端。正常情况下，通过熔体的电流比较小，温度升高但没有达到熔点，熔

3、体不会熔化，输入电路可以可靠地接通。一旦发生故障，当流过熔丝管的电流超过规定值达到一定的时间，那么由熔体自身产生的热量使熔体熔断，切断输入电源，从而起到过电流保护的作用。熔丝管具有反时延特性，当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。在一定范围内的过载电流并且过载时间较短，熔断器不会熔断，可以继续使用。熔丝由铅锑合金制成，熔点较低，由银铜合金制成，熔点较高。采用熔丝管保护电路具有结构简单，维护方便、价格便宜、熔断快速、动作灵敏等优点。.o熔丝管一般由熔体、电极和支架三部分组成。熔体是核心部分，决定了熔断电流的大小。同一类、同一规格熔丝管的熔体其材质和几何尺寸相同，电阻值应尽可能地小

4、且要一致，从而保证熔断特性一致。电极通常有两个，用来连接熔丝管与电路，因此必须具有良好的导电性，特别注意的是不应产生明显的安装接触电阻。保险丝的熔体一般都纤细柔软，一般通过支架将熔体和电极固定，便于安装和使用，支架必须有良好的机械强度、绝缘性、耐热性和阻燃性，在使用中不应产生断裂、变形、燃烧及短路等现象。.o根据熔断速度不同，熔丝管可分为特慢速（一般用TT表示）、慢速（一般用T表示）、中速（一般用M表示）、快速（一般用F表示）和特快速（一般用FF表示）几种。慢速保险丝也叫延时保险丝，它的延时特性表现在电路出现非故障脉冲电流时保持完好，而对于长时间的过载电流提供保护。在电源开关瞬间会产生大于几倍

5、正常工作电流的脉冲电流，尽管这种电流峰值很高，但是持续时间很短，这种脉冲电流称为冲击电流或浪涌电流。普通的保险丝无法承受这种电流而熔断，若使用更大规格的保险丝，那么当故障时电流过载又得不到及时保护。延时保险丝的熔体经特殊加工而成，熔断时需要更大的能量，调整能量吸收量就能使它即可以抗住冲击电流又能对过载提供保护。.o选用熔丝管时应考虑以下几个方面：o 额定电流是指熔丝管能长期正常工作的电流，是由熔丝管各部分长期工作时的允许温升决定的。为了延长熔丝管的使用寿命，额定电流不应太接近于在最小输入电压和最大负载条件下电源输入电流的最大有效值，可取最大值的150。在计算电流有效值时要考虑到波形系数，对电容

6、输入滤波器来说近似为0.6。大多数传统的熔丝管采用的材料具有较低的熔化温度，因此对环境温度的变化比较敏感。.o 熔丝管的电压额定值必须大于供电输入电压的峰值。熔丝管的标准电压额定值系列为32V、125V、250V、600V。若熔丝管的实际工作电压大于其额定值，熔体熔断时可能发生电弧不能熄灭的危险。o 在低压电路中应考虑熔丝管电阻的影响，一般小于1A的熔丝管电阻为几个欧姆。o 熔丝管的寿命受温度影响较大。环境温度越高，熔丝管的工作温度就越高，其寿命也就越短。相反，在较低的温度下运行会延长熔丝管的寿命。并且其性能受到工作环境温度的影响，根据产品在高温条件下的折减曲线，选择额定电流。o 熔断器的安秒

7、特性即其动作电流和动作时间特性为反时限特性。一般定义熔体的最小熔断电流与熔体的额定电流之比为最小熔化系数，常用熔体的熔化系数大于1.25，例如：额定电流为10A的熔体在电流12.5A以下时不会熔断。o 极限断路电流是熔丝管在额定电压下能够确实熔断的最大短路电流。安全运行要求短路时保险丝保持完整的状态(无爆裂或断裂)并消除短路。.o传统一次性保险丝作为过流保护元件，只能保护一次，熔断后需要更换。o自恢复熔丝(Resettable Fuse，简称RF)是20世纪90年代问世的一种新型过电流保护器件。传统的熔丝属于一次性过电流保护器，使用很不方便。美国硅谷的瑞侃(Raychem)公司研制的自恢复保险

8、丝是由高科技聚合树脂及纳米导电晶粒经特殊工艺加工制成，具有体积小、种类规格齐全、开关特性好、能自行恢复、反复使用、不需维修等优点。其中，RXE系列为圆片形，RUE系列为方形，miniSMD为小型化表面安装元件，SRP系列为片状。.o正常情况下，纳米导电晶体随树脂基链接形成链状导电通路，保险丝正常工作；当电路发生短路或者过载时，流经保险丝的大电流使其集温升高，当达到居里温度时，其态密度迅速减小，相变增大，内部的导电链路呈雪崩态变或断裂，保险丝呈阶跃式迁到高阻态，电流被迅速夹断，从而对电路进行快速、准确的限制和保护，其微小的电流使保险丝一直处于保护状态，当断电和故障排除后，其集温降低，态密度增大，

9、相变复原，纳米晶体还原成链状导电通路，自恢复保险丝恢复为正常状态，无需人工更换。自恢复保险丝没有极性，可以选择DIP直插式或SMD表面贴装式，串联于AC或DC电源均可。自恢复保险丝要安装在通风状态下，对高温敏感的元器件不要与其直接接触。.o自恢复保险丝的主要参数有保持电流（25）IH、动作电流（25）IT、最大电压（耐压值）Vmax、最大电流（耐流值）Imax、标称电阻（25）R0、最小电阻（25）Rmin、最大电阻（25）Rmax等。o选择自恢复保险丝可参考以下步骤： o 确定线路的平均工作电流和工作电压（无须考虑峰值）及元件工作的大致环境温度。o 根据工作电流、工作电压及安装方式，选择产品

10、类型，如表5-2所示。.o表5-2 主要产品类型及用途.o 根据工作环境温度，依据表5-3中的电流换算率，将工作电流折算成实际动作电流IH，实际动作电流IH=平均工作电流/折算率。o表5-3 不同环境温度下电流值折算表.o 查看该系列产品相应的保持电流IH、最高工作电压Vmax、最大电流Imax、最大功耗PDmax、最小电阻Rmin、最大电阻Rmax等参数，选择合适的自恢复保险丝，部分产品参数如表5-4所示。其中参数IH值大于或等于上一步的计算值。额定电流是在一定的条件下给出的，如果要求工作在较宽的温度范围，应该留有一定的裕量，一般可以取1.52倍。 .o表5-4 部分产品规格.o 从相应的产

11、品曲线上查出保护动作时间，保护动作时间与电流成反比。其中miniSMD020、miniSMD075两种熔断丝的短路电流和动作保护时间的关系曲线如图5-2所示。o 使用时注意有一定导通电阻，额定电流越大，电阻越小；高压型的电阻要更大一些。.o图5-2 短路电流与动作保护时间的关系曲线图.o举例说明，一台笔记本电脑的键盘（含鼠标器）的工作电流及工作电压分别为0.1A、3.3V，环境温度TA=40。拟选用miniSMD系列自恢复保险丝。查表5-3可知，40时折算率为87%，故。查表5-4选用miniSMD020，其IH=0.20A，大于计算值0.115A，并留有一定的裕量。确定型号后，由图5-2可以

12、看出，当短路电流达2A时，其动作保护时间仅为0.2s。5.1.3熔断电阻器 熔断电阻器（熔断电阻器（Fusible Resistor，简称，简称FR）是一种具有电阻）是一种具有电阻器和熔断器双重功能的特殊元件，在电路中用字母器和熔断器双重功能的特殊元件，在电路中用字母RF或或R表示。表示。在正常工作时，熔断电阻器在额定功率下发出的热量与周围介在正常工作时，熔断电阻器在额定功率下发出的热量与周围介质达到平衡，具有电阻器的功能；当电路出现异常过载超过其质达到平衡，具有电阻器的功能；当电路出现异常过载超过其额定功率时，流过熔断电阻器的电流增大并超过其熔断电流，额定功率时，流过熔断电阻器的电流增大并超

13、过其熔断电流，熔断电阻器像保险丝一样熔断，使连接的电路断开，对电路和熔断电阻器像保险丝一样熔断，使连接的电路断开，对电路和元器件起到过电流保护作用，防止因过电流而烧毁电路中其他元器件起到过电流保护作用，防止因过电流而烧毁电路中其他元器件。熔断电阻器适用于低压电源的保险装置，用可熔断电元器件。熔断电阻器适用于低压电源的保险装置，用可熔断电阻器代替熔丝管的优点是在熔断时不会产生电火花或烟雾，既阻器代替熔丝管的优点是在熔断时不会产生电火花或烟雾，既安全又不造成干扰。采用熔断电阻器减少了一般熔断丝安装时安全又不造成干扰。采用熔断电阻器减少了一般熔断丝安装时使用的支架，具有体积小、安装方便的优点。使用的

14、支架，具有体积小、安装方便的优点。 .1.外形特征和电路符号外形特征和电路符号 熔断电阻器外形同普通色环电阻器一样，比普通电阻器略粗、长一些，有两根引脚，不分正、负极性。标称阻值采用色标方式，阻值一般比较小，只有几欧姆到一百欧姆左右，主要用于直流电源电路中。 熔断电阻器的电路符号如图5-3所示。. 图5-3 熔断电阻器电路符号.o(a)所示是日本夏普公司常用的熔断电阻器电路符号，R表示是电阻器，Fusible表示熔断电阻器；o(b)是熔断电阻器通用的电路符号，但不常用；o(c)所示是日本日立公司常用的熔断器符号；o(d)所示是日本胜利公司、东芝公司的熔断电阻器电路符号，电路符号采用熔断器符号形

15、象地表示这种电阻器具有熔断丝的功能；o(e)表示是日本松下公司、三洋公司熔断电阻器的电路符号，这一符号中也有熔断丝的标记；o(f)所示是波兰采用的熔断电阻器的电路符号；o(g)是国内常用的熔断电阻器的电路符号；o在许多电路图中熔断电阻器也采用普通电阻器的电路符号。 2.熔断电阻器分类熔断电阻器分类o熔断电阻器的种类很多，按工作方式的不同可分为可恢复式熔断电阻器和一次性熔断电阻器两种 .o(1)可恢复式熔断电阻器可恢复式熔断电阻器o可恢复式熔断电阻器是将普通电阻器（或电阻丝）用低熔点焊料与弹性金属片串联焊接在一起后，再密封在一个圆柱形或方形外壳中。外壳有金属和透明塑料等几种。o在额定电流内，可恢

16、复式熔断电阻器起固定电阻器作用。一旦元件过载发热时，可恢复熔断电阻器的焊点首先熔化，弹性金属片或金属丝便与电阻器断开，切断电路起保护作用。可复式熔断电阻丝在发生熔断后，可以修复使用。可复式熔断电阻器的功率一般为312W，阻值在15.1k之间，熔断时间在几十秒至几百秒之间。 .o一次性熔断电阻器也称不可恢复型熔断电阻器，在电路正常工作时起固定电阻器作用，当其工作电流超过额定电流时，熔断电阻器将会像熔断器一样熔断，对电路进行保护，一次性熔断电阻器熔断后，呈开路状态，再也不能回复正常，只能更换新的熔断电阻器。o一次性熔断电阻器按电阻体使用材料可分为线绕式熔断电阻器和膜式熔断电阻器。o线绕式熔断电阻器

17、属于功率型涂釉电阻器，其阻值较小，通常应用于工作电流较大的电路中。在制作过程中，将功率型涂釉电阻器的一部分用细线绕制或裸露部分（不涂釉质保护层），在被保护电路出现过电流故障时，电阻器的细线部分或裸露部分（不涂釉部分）将会因过热而烧断，对电路进行保护。.o膜式熔断电阻器是目前使用最多的熔断电阻器，又分为碳膜熔断电阻器、金属膜熔断电阻器和金属氧化膜熔断电阻器等多种。膜式熔断电阻器在制作时，通常是将膜层局部的螺纹间距缩短或在膜层表面覆低熔点的玻璃浆料（或玻璃粉与金属氧化物等的混合物），当通过熔断电阻器的工作电流过大时，电阻器的导电膜层将迅速熔断。膜式熔断电阻器的外壳有陶瓷、有机硅树脂、阻燃漆等材料，

18、封装外形有长方形、圆柱形、腰鼓形等多种形式。常用的国产金属膜熔断电阻器有RJ90-A、FJ90-B系列和RF10、RF11系列。oRJ90-A系列有0.5W、13W四种规格。阻值范围在0.225.1k，均采用腰鼓形封装外形，属于涂覆型（电阻膜外涂覆阻燃漆）熔断电阻器。 oRJ90-B系列为陶瓷封装型熔断电阻器，也分0.5W、13W四种规格。其中0.5W熔断电阻器封装外形为圆柱形。.oRF10系列熔断电阻器为涂覆型色环金属膜熔断电阻器，有0.25W、0.5W、1W和2W四种规格，阻值范围为0.3310k。 oRF11系列熔断电阻器为陶瓷外壳金属膜熔断电阻器，有0.5W、13W四种规格，阻值范围与

19、RF10系列相同，其封装外形有圆柱形和长方形两种形式。o不可复式熔断电阻的功率一般为0.253W，阻值在0.220k之间，当超过额定功率925 倍时，可在60s内熔断。不可复式熔断电阻器的外表大多为灰色，阻值及精度一般用色环表示，其额定功率则由电阻器的外形尺寸确定。在电子设备中，大多数采用不可复式熔断电阻。3.熔断电阻器选择熔断电阻器选择 选用时应考虑其双重性能，根据电路的具体要求选择其阻值和功率等参数。既要保证熔断电阻器在过负荷时能快速熔断，又要保证在正常条件下能长期稳定地工作。电阻值过大或功率过大，均不能起到保护作用。熔断电阻器的主要特性有额定功率、标称阻值、阻值精度、开路电压及熔断特性等

20、。熔断特性是熔断电阻器的最重要特性，是指电路实际功耗为额定功耗的若干倍时，连续负荷运行一定时间后，在规定的环境温度范围内保证电阻熔断的特性。5.1.4负温度系数功率热敏电阻器o负温度系数（Negative Temperature Coefficient，简称NTC）热敏电阻器其阻值所温度的升高而减小。oNTC热敏电阻器是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用先进陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC热敏

21、电阻器在室温下的变化范围在100欧1M欧姆，温度系数-2%-6.5%。NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。o热敏电阻的基本特性是电阻-温度特性。典型产品的电阻-温度特性曲线如图5-4所示。.o图5-4 典型产品的电阻-温度特性曲线.oNTC热敏电阻器的主要参数如下：o零功率电阻温度系数T(%/)表示在规定温度下，NTC热敏电阻的零功率电阻值随温度的变化率与零功率电阻的比值。o零功率电阻值RT ()指在规定温度下，采用引起电阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计的测量功率测得的电阻值。o额定零功率电阻值 R25()是指在基准温度 25 时测得的零功率电阻值并。

22、通常所说 NTC 热敏电阻的阻值即指该值，它是热敏电阻器的设计电阻值，也是标称电阻值。o耗散系数(mW/)是指在规定的环境温度下，热敏电阻耗散的功率变化率与其相应的温度变化之比值。它表示使热能电阻体升高1温度所需消耗的功率。在工作范围内，随环境温度变化而有所变化。o额定功率Pn：在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许消耗的功率。在此功率下，电阻体自身温度不超过其最高工作温度。o热时间常数(S)是指在零功率条件下，当温度发生突变时，热敏电阻体的温度变化了始未温度差的 63.2% 时所需的时间，与热敏电阻的热容量C成正比，与其耗散系数成反比。.o典型NTC产品的主要参数如表5-5所示。表

23、5-5 几种NTC产品的主要参数 .o开关电源的输入电路采用整流加电容滤波形式，在电源启动开关管开始导通的瞬间，输入端滤波电容器上的初始电压为零，电容对交流呈现出很低的阻抗，一般情况下，只是电容的ESR值。如果不采取任何保护措施，必将产生一个极高的浪涌电流，这种浪涌电流作用的时间虽短，但其峰值却很大。特别是大功率开关电源，其输入采用较大容量的滤波电容器，其冲击电流可达100A以上。因此，必须有效的抑制这种浪涌电流。一般在输入端滤波电容之前加装一个热敏电阻，以限制启动瞬间输入电流值。当电流直接加在功率型NTC热敏电阻器上时，其电阻值就会随着电阻体发热而迅速下降。当开关电源接通时，由于功率型NTC

24、热敏电阻器有一个规定的零功率电阻值， 当其串联在电源回路的交流输入端或者串联在经过桥式整流后的直流线上时，阻值较大，用以增加对交流线路的阻抗，就可以有效地抑制电源接通瞬间的浪涌电流。随后，电容开始充电，充电电流持续流过热敏电阻，开始对其加热，由于热敏电阻具有负温度系数，其电阻值将下降到非常小的程度。如果热敏电阻选择得合适，在负载电流达到稳定状态时，其阻值很小，消耗的功率可以忽略不计，这样，不会对正常的工作电流造成影响，不会影响整个开关电源的效率。所以，在电源回路中使用功率型NTC热敏电阻器，是抑制开机时的浪涌电流，以保护电子设备免遭破坏的最为简便而有效的措施。.o抑制浪涌电流功率型NTC热敏电

25、阻器具有体积小、功率大、抑制浪涌电流能力强，反应速度快、残余电阻小、寿命长、可靠性高、系列安全、工作范围宽等特点。MF72系列是常用于浪涌抑制的功率型NTC热敏电阻器，主要技术参数如表5-6所示。o表5-6 MF72系列主要技术参数.5.1.5 压敏电阻器o压敏电阻器（Voltage Dependent Resistor，简称VDR）按其用途有时也称为“突波（浪涌）抑制器（吸收器）”，由氧化锌为主要成份的金属氧化物半导体材料制成，是一种对电压敏感的非线性半导体元件，用符号RV或R表示。压敏电阻器，由于其具有良好的非线性特性、通流量大、残压水平低、动作快和无续流等特点，广泛地应用在电子产品中，起

26、过电压保护、防雷、抑制瞬态电压、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等作用。o当压敏电阻器两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器的电阻值接近无穷大，内部几乎无电流流过。当压敏电阻器两端电压略高于标称额定电压时，压敏电阻器将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大。当其两端电压低于标称额定电压时，压敏电阻器又能恢复为高阻状态，近乎开路，因而不会影响设备的正常工作。当压敏电阻器两端电压超过其最大限制电压时，压敏电阻器将完全击穿损坏，无法再自行恢复。.o压敏电阻器按其伏安特性可分为对称型压敏电阻器（无极性）和非对称型压敏电阻器（有极性）。压敏电阻作为交流电压浪

27、涌吸收器时，具有正反对称的伏安特性，一般并联在电路中使用。当压敏电阻两端电压发生急剧变化时，压敏电阻短路将电流保险丝熔断，具有瞬态电压抑制功能，防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电压（如雷击等）而造成的损坏。浪涌抑制型压敏电阻器是用于抑制雷电过电压和操作过电压等瞬态过电压的压敏电阻器，这种瞬态过电压的出现是随机的，非周期的，电流电压的峰值可能很大。绝大多数压敏电阻器都属于这一类。o压敏电阻器的主要参数有压敏电压、电压比、最大控制电压、残压比、通流容量、漏电流、电压温度系数、电流温度系数、电压非线性系数、绝缘电阻、静态电容等。o压敏电压（或称标称电压）是指在规定的温度范围内，通过规定的直流电流（通常

28、是1mA）时压敏电阻两端的电压值（U1mA）。.o最大允许电压指压敏电阻能长期承受的最大交流电压有效)UAC或最大直流电压UDC。一般UAC0.64 U1mA，UDC0.83 U1mA。o通流容量： 所谓通流容量，又称最大冲击电流，是指在25环境温度下，对于规定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言，压敏电压的变化率不超过 10时规定范围时，运行通过压敏电阻器的最大电流幅值。o电压比： 电压比是指压敏电阻器的电流为1mA时产生的电压值与压敏电阻器的电流为0.1mA时产生的电压值之比。o残压：压敏电阻在通过规定波形的大电流时其两端出现的最高峰值电压。残压比则为残压与压敏电压之比。o漏电流：漏电流

29、又称等待电流，是指压敏电阻器在规定的温度和最大直流电压下，流过压敏电阻器的电流。o压敏电阻器有多种型号和规格，所选压敏电阻器的主要参数包括压敏电压、最大连续工作电压、最大限制电压、通流容量等必须符合应用电路的要求，尤其是压敏电压要准确。.o压敏电压过高，压敏电阻器起不到过电压保护作用，压敏电压过低，压敏电阻器容易误动作或被击穿。在直流回路中，应当有：min(U1mA) (1.82) UDC，式中UDC为回路中的直流额定工作电压。在交流回路中，应当有：min(U1mA) (2.22.5) UAC，式中UAC为回路中的交流工作电压的有效值。上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时，有适

30、当的安全裕度。对于220V240V交流电源防雷器，应选用压敏电压为470V620V的压敏电阻较合适。选用压敏电压高一点的压敏电阻，可以降低故障率，延长使用寿命，但残压略有增大。o压敏电阻的标称放电电流应大于要求承受的浪涌电流或每年可能出现的最大浪涌电流。标称放电电流应按压敏电阻浪涌寿命次数定额曲线中冲击10次以上的数值进行计算，约为最大冲击通流量的30%左右。 .o通常产品给出的通流量是按产品标准给定的波形、冲击次数和间隙时间进行脉冲试验时产品所能承受的最大电流值。而产品所能承受的冲击数是波形、幅值和间隙时间的函数，当电流波形幅值降低50时冲击次数可增加一倍。所以在实际应用中，压敏电阻的通流容

31、量应根据防雷电路的设计指标来定。一般而言，压敏电阻的通流容量要大于等于防雷电路设计的通流容量。o此外选用时还需注意压敏电阻器的温度系数。o压敏电阻可以串联使用。将通流量相同的压敏电阻串联后，压敏电压、持续工作电压和限制电压相加，而通流量指标不变。例如在高压电力避雷器中，要求持续工作电压高达数千伏、数万伏，将多个压敏电阻串联而成。o压敏电阻可以并联，并联后压敏电压不变，可以获得更大的通流量，或者在冲击电流峰值一定的条件下减小电阻体中的电流密度，以降低限制电压。由于高非线性，压敏电阻的并联需要特别小心谨慎，只有伏安特性相同的压敏电阻相并联，才能保证电流在各电阻之间均匀分配。5.2 电磁干扰滤波器的

32、设计o5.2.1电源噪声及其抑制方法o开关电源尤其是高频变压器的开关电源，无论在体积，重量和效率等方面部有显著的优点，已日益为人们所重视，也越来越广泛地运用到各个领域。但是开关电源最大缺点就是容易产生噪声和干扰，这是开关电源的一个重要技术问题，也是开关电源能不能得到更广泛运用的重要因素。o开关电源噪声的产生一般可分两类：o 开关电源内部元件形成的干扰o开关电源是把工频交流整流为直流后，再通过开关电路变换为高频交流，其后再整流为稳定直流的一种电源，这样就有开关电源的整流波形畸变产生的高次谐波噪声，开关器件在大电流、高电压导通与截止时，其电流、电压急剧变化，形成宽频带电磁干扰噪声，整流二极管的开通

33、及关断过程产生浪涌电流尖峰和高频振荡噪声，此外，输出滤波器的输入端由于变压器漏感、分布电容及滤波电感电容的存在而产生振荡形成的电磁干扰噪声等。.o 由于外界因素影响而使开关电源产生的干扰o外界电磁场干扰通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源，其中又可分两种： o人为干扰源。电子、电力电子、电气设备应用越来越广泛，它们在运行中产生的高密度、宽频谱的电磁信号充满整个空间，形成复杂的电磁环境。特别是瞬态电磁干扰，其电压幅度高（几百伏至上千伏）、上升速度快、持续时间短、随机性强。如220V/50Hz交流电网或115V/400Hz交流发电机，都存在各式各样的EMI噪声，各种雷达、导航、通信等设备

34、的无线电发射信号，会在电源线上和电子设备的连接电缆上感应出电磁干扰信号，电动旋转机械和点火系统，会在感性负载电路内产生瞬态过程和辐射噪声干扰。o自然干扰源。比如雷电放电现象和宇宙中天电干扰噪声，前者的持续时间短但能量很大，后者的频率范围很宽。.o对电源设备来说，其驱动电路、控制电路、保护电路等容易受到电磁干扰而发生误动作。而开关电源本身就是较强的EMI噪声源，在正常工作时可能向外发射电磁干扰，其产生的EMI噪声既有很宽的频率范围，又有很高的强度。这些电磁干扰噪声也同样通过辐射和传导的方式污染电磁环境，从而影响其它电子设备的正常工作。o干扰通过空间电磁辐射传播的称为辐射噪声，辐射干扰随着距离增加

35、而减小。通过设备各种连接线如电源线、信号线、控制线、数据线、公共地线等传播的称为传导噪声。必须采取有效的措施来防止噪声干扰信号的传递，阻止这些噪声进出。在抑制EMI辐射噪声方面，电磁屏蔽是最好的方法。而抑制EMI传导噪声方面，采用EMI滤波器是有效的手段.o采用屏蔽技术可以有效地抑制辐射干扰。开关电源采用金属外壳屏蔽盒或屏蔽网板，选用导电良好的铜板或铝板制作。铜板或铝板的厚度一般在0.5-1mm即可。为了散热，屏蔽盒壁板上应开设通风孔，孔洞最好为圆形。为了使屏蔽盒接缝处接触良好，可在接缝处加入簧片。当频率较高时，在缝隙处电磁场的泄漏般要比孔洞更为严重，而且在缝隙处，磁场泄漏又大于电场泄漏。因此

36、，当屏蔽盒与盖板用螺钉连接时，螺钉间距不要太大，而且要拧紧，以减小缝隙。o开关电源直接接在市电电网上，电网与电源设备之间有着双向的电磁干扰影响。开关电源从电源进线引入电网噪声，并经电源线将开关电源产生的谐波和寄生振荡的能量等噪声传导出去。为减少电源线的传导噪声，在电源输入端加电磁干扰滤波器。5.2.2简易电磁干扰滤波器的设计o采用开关电源电磁干扰滤波器能有效地抑制电网中的噪声窜入电源，也可以抑制开关电源产生的噪声污染电网。传导噪声有两种，一种是共模噪声，另一种是差模噪声。共模噪声是电源线对地的噪声，差模噪声是电源线之间的噪声。o开关电源输入端采用的EMI滤波器是一种双向滤波器，是由电容和电感构

37、成的低通滤波器，如图5-5所示为开关电源滤波器的结构图。图中C1和C2是高频旁路电容，通常选用薄膜电容器，取值范围一般在0.011F，用于抑制差模噪声。电感L1和L2、电容C3和C4形成共模滤波，电容器通常选用自谐振频率较高的陶瓷电容，取值范围一般为22006800pF，用于抑制高频率的共模噪声。由于接地，共模电容上会产生漏电流。因为漏电流会对人体安全造成伤害，所以漏电流应尽量小，通常小于1.0mA。共模电容取值与漏电流大小有关，所以不宜过大，为减小漏电流，电容器的容量不宜超过0.1F。 .o图5-5 开关电源滤波器的结构.oL1和L2为共模扼流圈， 共模扼流圈是在一个磁环(闭磁路)的上下两个

38、半环上，分别绕制相同匝数但绕向相反的线圈。两个线圈的磁通方向一致，当有共模电流通过时，由于两个线圈的磁通方向相同，两个线圈上产生的磁场就会互相加强，耦合后总电感迅速增大呈现很大的感抗，使共模信号不易通过，从而有效地衰减共模噪声，而对于工频5060Hz交流电源输入电流，两个线圈所产生的磁场可互相抵消，线圈电感几乎为零。为了更好地抑制共模噪声，共模扼流圈应选用损耗低、磁导率高、高频性能好的磁芯。共模扼流圈的电感值L与额定电流I有关，如表5-6所示。当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应加大，以承受较大的电流。此外，适当增加电感量，可以改善低频衰减特性。.o表5-7 电感量范围与额定电流的关系.

39、o滤波器加在开关稳压电源的工频220V或110V的输入端，允许400Hz以下的低频信号通过，对于1kHz-20kHz之间的高频信号具有40-100dB的衰减量。o为了减少高频电流信号旁路，电感L应具有小的分布电容，应均匀地绕制在无气隙的圆环骨架上；磁芯应选用与频率相一致的材料。有关磁芯材料使用频率的极限如下：o叠片式铁芯：约10kHz；o粉末状坡莫合金铁芯：1kHz-1MHz；o铁氧体铁芯：100kHz-150kHz。o在实际应用中，为了使加工工艺简便，共模电感不采用圆环状，而常采用C型材料的铁芯来加工。滤波器中的电容也应采用高频特性较好的陶瓷电容或聚酯薄膜电容，电容的连接引线应尽量短，以便减

40、小引线高频分布电感。5.2.3复杂电磁干扰滤波器的设计o为了抑制差模干扰，也可以在两根进线端各自串联一个独立磁芯线圈L1和L2，如图5-6所示，差模电感线圈L1、L2与差模电容器C1构成交流进线独立端口间的一个低通滤波器，用来抑制交流进线上的差模干扰噪声，防止电源设备受其干扰。差模电感线圈由棒状铁氧体磁心绕线构成，一般选用铁镍钼MPP、铁镍HF或铁硅铝SUPER MSS磁粉芯，电感量在10600uF之间选取。当外部产生泄漏磁通时，电感器本身自谐振的Q值增加，容易产生谐振，对某一频率有高值阻抗，其他频率时阻抗则迅速下降。电容C1是差模噪声滤波电容，取值范围在0.0471uF之间取。.o图5-6

41、复杂电磁干扰滤波器的结构.o在有些场合，为了得到十分理想的滤波效果，可以使用23级组合的LC滤波器，但会增加成本。图5-7是一种两级复合式电源噪声滤波器，由两级噪声滤波器组成，因此滤除噪声效果更好。o图5-7 两级复合式电源噪声滤波器.o5.3开关电源输入整流电路的设计o将电网输入电源进行整流滤波，为变换器提供纹波较小的直流电压。而且，当电网瞬时停电时，滤波电容器贮存的能量尚能使开关电源输出维持一定的时间。 .o5.3.1输入整流管的选择o整流二极管（rectifier diode）是一种用于将交流电能转变为直流电能的半导体器件，通常它包含一个PN结，有阳极和阴极两个端子。P区的载流子是空穴，

42、N区的载流子是电子，在P区和N区间形成一定的位垒。外加使P区相对N区为正的电压时，位垒降低，位垒两侧附近产生储存载流子，能通过大电流，具有低的电压降（典型值为0.7V），称为正向导通状态。若加相反的电压，使位垒增加，可承受高的反向电压，流过很小的反向电流（称反向漏电流），称为反向阻断状态。整流二极管具有明显的单向导电性。整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造(掺杂较多时容易反向击穿）。这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高，一般在几十千赫以下。.o整流二极管的主要技术参数

43、包括最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等。o最大平均整流电流IF：指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。该电流由PN结的结面积和散热条件决定。工作时，通过二极管的平均电流不能大于此值，并要满足散热条件，否则导致二极管过热而损坏。例如1N4000系列二极管的IF为1A。o最高反向工作电压UR：指二极管不击穿所允许加的最大反向电压。超过此值，则反向电流IR剧增，二极管的单向导电性被破坏，从而引起反向击穿。UR通常取反向击穿电压的1/21/3。例如1N4001的UR为50V，1N4002-1N4006分别为100V、200V、400V、600V和800V，1N4007的U

44、R为1000V。o最大反向电流IR：IR是二极管在常温下承受最高反向工作电压时的反向漏电流，一般很小，但其受温度影响较大。当温度升高时，IR显著增大。此参数反映了二极管单向导电性能的好坏。o击穿电压VB：VB指二极管反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值。o最高工作频率fm：fm是指保持二极管单向导通性能时，外加电压允许的最高频率。二极管工作频率与PN结的极间电容大小有关，容量越小，工作频率越高。例如1N4000系列二极管的fm为3kHz。.o如图5-8所示，开关稳压电源中输入部分的工频整流电路即为一次整流，由四个整流二极管接成全桥的形式，把220V、50Hz的工频电压或其它的交流输入电压直接引入

45、，进行全波整流，然后送给下一级滤波器变成直流电压输出，给直流变换器提供直流电源。o图5-8 开关电源一次整流电路.o在选择组合元件或分立元件的整流器时，必须要查对下面一些重要参数：o（1）最大正向整流电流。这个参数主要根据开关电源设计的输出功率决定。最大输入电流确定最大输出整流电流Io，所选择的整流二极管的稳态电流容量至少应是最大输入电流计算值的2倍以上。考虑到大功率输出时，整流二极管的导通电流增大，引起二极管发热，所以应尽量提高电源的转换效率，可以降低内部功耗。例如，大功率输出电源整流二极管导通电流为5A，正向压降为0.7V，此时整流管的功耗可达3.5W。在选择整流二极管时，除了正向压降小，

46、整流二极管的正向导通电流要留有两倍的裕量，根据所设计的开关稳压电源的输出功率和转换效率要求，一次整流电路中的整流二极管的导通电流ID计算公式如下：o (5-1)22 2 02oDPI.o（2）峰值反向截止电压。工频整流和滤波后的直流电源电压，一般直接连接储能电感线圈或者是开关变压器的初级绕组线圈，都是感性负载。考虑到感性负载瞬间产生的反向电动势的影响，在确定整流二极管的反向峰值电压时，一般选取整流二极管的反向峰值电压是计算值的2倍是比较安全的。o（3）要有能承受高的浪涌电流的能力。浪涌电流是由开关管导通时的峰值电流所产生的。o输入整流管对截止频率的反向恢复时间要求不高，只要根据电路的要求选择最

47、大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管即可。通常选用一般类型的整流二极管，例如1N系列、2CZ系列、RLR系列等，输入在1A 以下的通常选用1N4007。.o5.3.2输入整流桥的选择o输入整流的作用是对来自电网的50Hz工频交流电源实现整流，通常采用全波桥式整流，由四只硅整流管连成整流桥，也可直接选用塑封的成品硅整流桥，具有体积小、使用方便、各整流管的参数一致性好等优点。硅整流器的最大整流平均值有0.5A、1A、1.5A、2A、3A、4A、6A、8A、10A、15A、25A、35A、40A等规格，最高反向工作电压有50V、100V、200V、400V、800V、1000V等规格。小

48、功率硅整流器可直接焊在印刷板上，大、中功率硅整流器则要用铆钉固定，并且需要安装合适的散热器。.o5.3.3倍压整流及交流输入电压转换电路的设计o1. 倍压整流倍压整流o倍压整流电路的实质是电荷泵。最初由于核技术发展需要更高的电压来模拟人工核反应，于是在1932年由COCCROFT和WALTON提出了高压倍压电路，通常称为C-W倍压整流电路。倍压整流电路有多种结构，各有优缺点。采用倍压整流电路，可实现利用低电压的交流电源和低耐压的整流二极管获得高于输入电压许多倍的直流输出电压。o（1）二倍压整流电路o采用两个整流二极管和两只电容组成的二倍压整流电路如图5-9所示。假定电容器的容量足够大，负载电阻

49、的阻值也很大。在交流电的正半周，即上正下负时，VD1导通，电流流经VD1对C1充电，C1两端电压达到，并基本保持不变；在负半周，即下正上负时，VD2导通，电流流经VD2对C2充电，C2两端电压达到，两电压大小相同，串联后AB间输出的直流电压为。在空载的情况下，。.o每只二极管所承受的最大反向电压为，电容器C1、C2上所承受的电压为。 .o另一种半波二倍压整流电路如图5-10所示，由两个整流二极管VD1、VD2及两个电容器C1、C2组成，假定电容器的容量和负载阻值足够大.o在交流电压为正半周期间（上正下负），二极管VD1导通，VD2截止，电流经过VD1并向电容C1充电，电容C1上的电压接近Ui的

50、峰值电压(极性左正右负) ，并基本保持不变。同样，在交流电压的负半周（下正上负）期间，二极管VD2导通，VD1截止，电流经过VD2对电容器C2充电，充电电压是交流电源峰值电压和电容C1两端电压之和，即，C2两端电压被充到接近，极性上负下正。o倍压整流电路中每个二极管所承受的最大反向电压为 ，电容C1所承受的电压为 ， 电容C2所承受的电压为 。2 2iU2 2iU2iU.o2. 多倍压整流电路多倍压整流电路o根据二倍压整流电路的工作原理，依此类推，用n个整流二极管和n个电容器组合就可以实现n倍压整流，如图5-11所示。o图5-11多倍压整流电路.o在交流电压的正半周时，极性上正下负，电流通过V

51、Dl对电容器C1充电，电容C1上的电压接近Ui的峰值电压(极性左负右正) ，在交流电压的负半周时，极性上负下正，这时交流电源峰值电压和电容C1两端电压迭加后，通过VD2对电容器C2充电，C2两端电压为。在交流电压的下一个正半周期时，极性再次上正下负，这时交流电源和电容C1、电容C2两端电压迭加后，通过VD3对电容器C3充电。因为电容C1和电容C2上电压极性相反，C3两端充得的电压为。这时电容C1和电容C3上的电压之和为。实际上电容C1和电容C3同时充电，在开始的几个周期内，电容器上的电压并不能充到很高，经过几个周期后，电容器上的电压才渐渐稳定在最高值，得到的直流输出电压。.o依此类推，n个整流

52、二极管和n个电容器可以实现n倍压整流。从图中a、c两端输出电压，其中n为偶数，从b、d两端输出电压，其中n为奇数。o其中，除了电容器C1所承受的电压为，其余电容器上所承受的电压均为，每个整流二极管承受的最大反向电压为。o倍压整流电路虽然可以提高直流输出电压的幅度，但增加了总的损耗功率，因而输出电流将随n的增加而减小。所以，倍压整流只适用于高电压、小电流的场合。o整流二极管可用高压硅整流堆，其系列型号为2DL，如2DL20.2，表示最高反向电压为2千伏，整流电流平均值为200毫安。电容器容量比较小，不用电解电容器，其耐压值要大于1.5倍的才安全可靠。3.各种倍压整流电路分析各种倍压整流电路分析o

53、常见电路如图5-12所示：o(a) (b) o 图5-12 各种被压整流电路原理图o (c).o这三个电路都是6倍压整流电路，各有特点。我们通常称每2倍为一阶，用N表示，上述电路都是3阶，即N=3。如果希望输出电压极性不同，只要将所有的二极管反向就可以了。o电路1的优点是每个电容上的电压不会超过变压器次级峰值电压U的两倍，即2U，所以可以选用耐压较低的二极管。缺点是电容是串联放电，纹波大。o电路2的优点是纹波小，缺点是对电容的耐压要求高，随着N的增大，电容的电压应力随之增加。图中最后一个电容的电压达到了6U。o电路3是电路1的改进，优点是纹波比电路1小很多，电容电压应力不超过2U。缺点是电路复

54、杂。o下面以电路图5-12(a)为例简单说明工作原理：.o图5-13 电路工作原理图1o如图5-13，当变压器次级输出为上正下负时，电流流向如图所示。变压器向上臂三个电容充电储能。.o如图5-13，当变压器次级输出为上正下负时，电流流向如图所示。变压器向上臂三个电容充电储能。o图5-14 电路工作原理图2.o当变压器次级输出为上负下正时，电流流向如图5-14所示。上臂电容通过变压器次级向下臂充电。o如果不带负载，稳态时，除了最左边的那个电容，其他每个电容上的电压为2U，所以总的输出电压为6U。事实上，由于高阶倍压整流电路带载能力很差，输出很小的功率就会导致输出电压的大幅度跌落。假设输出电流为I

55、，每个电容的容量相同，为C，交流电源频率为f，则电压跌落为：o (5-2)o o输出电压纹波为： 324326IUNNNfC14NNIfC.o4. 110/220V交流输入电压转换电路交流输入电压转换电路o隔离式开关电源是直接对输入的交流电压进行整流，而不需要低频线性隔离变压器。现代的电子设备生产厂家一般都要满足国际市场的需求，所以他们所设计的开关电源必须要适应世界范围的交流输入电压，通常是交流90130V和180260V的范围。为了实现两种输入电源的转换，要利用倍压整流技术，如图5-15所示。o在图中，两种输入交流电压的转换由开关S1来完成，此外，本电路中的压敏电阻RV和可控硅VS具有浪涌电

56、流抑制、瞬间输入电压保护的功能。o电路工作过程如下：当开关S1闭合时，电路在115V交流输入电压下工作。在交流电的正半周，通过二极管VD1和电容器C1被充电到交流电压的峰值。即115V1.4=160V，在交流电的负半周，电容器C2通过二极管VD4也被充电到160V。这样，电路输出的直流电压应该是电容器C1和C2上充电电压之和，即160V+160V=320V。当开关S1打开时，二极管VD1VD4组成了全桥式整流电路，对输入的交流230V进行整流，也同样产生320V的直流电压。.o图5-15 110/220V交流输入电压转换电路.o5.4开关管的选择o开关元件具有许多种类，例如双极型晶体管BJT、

57、快速晶闸管SCR、可关断晶闸管GTO、场效应晶体管MOSFET和绝缘栅双极型晶体管IGBT等。其中，经常使用的是场效应晶体管和IGBT，在小功率变换器上也延续使用双极型晶体管。o选择开关管时，根据变换器类型、功率和可靠性等性能，选择开关管的耐压值和导通电流等参数。o双极晶体管工作截止频率较低，一般在50Hz左右，MOSFET管的开关工作频率可达到200kHz。.o5.4.1双极型功率开关管o双极型晶体管(BJT)本质上是一种电流控制器件，即加入变动的基极电流Ib，产生变动的集电极电流Ic。共射极电流放大倍数为即通过向晶体管的基极注入一个较小的电流，在晶体管的集电极得到一个较大的电流，集电极电流

58、的大小，取决于晶体管的放大倍数，称为值。o (5-4)cbII.o5.4.2 MOSFET功率开关管oMOSFET是利用多数载流子导电的半导体器件，而双极型晶体管是利用少数载流子导电的半导体器件。与双极型晶体管相比，MOSFET开关速度快，工作频率超过100kHz，可以达到100kHz到200kHz，高频率的开关电源在设计上体积更小，重量更轻，适应开关电源小型化、高效率化和高可靠性的发展要求。o功率MOSFET又叫功率场效应管或者功率场控晶体管，分为 N 沟道、P 沟道两种符号，如图5-16所示，电极分别为栅极G、漏极D、源极S。.o图5-16 MOSFET的符号o一般使用的功率MOSFET多

59、数是N沟道增强型，与一般小功率MOS管的横向导电结构不同，功率MOSFET采用垂直导电结构，从而提高了耐压、电流能力，因此又叫VMOSFET。.oMOSFET管是电压控制型器件， 在MOSFET管的G极和S极间加一个受控的电压，在D极获得较大的电流。因为MOSFET的栅极与源极在电气上是靠硅氧化层相互隔离的，输入绝缘电阻大，约1 万兆欧以上，栅极电流基本为零。漏电流小，因此MOSFET具有极高的增益和阻抗。驱动功率小，速度高，安全工作区宽。但高压时，导通电阻与电压的平方成正比，因而提高耐压和降低高压阻抗困难，通常应用在低压 100V 以下的场合。oMOSFET动作快，频率高，不存在二次击穿。在

60、有限管子直接并联时，由于具有正温度系数，可以自动均衡电流不会产生过热点，热稳定性好。.o5.4.3绝缘栅双极晶体管(IGBT)结构与工作原理o绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT) 集 MOSFET 与 GTR 的优点于一身，具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、通态电压低、耐压高、电流大等优点，正逐步取代大功率晶体管和一些MOSFET的应用领域，成为现代功率电子器件的主流。oIGBT结构上与MOSFET类似，栅极、集电极与MOSFET相同，增加了P+层，引出作为发射极。PNP晶体管与N沟道MOSFET结合组成的IGBT为N-IGB