【正文】 與使用過程中的一些體會，即如何選用 設(shè)計所需元件 ，實現(xiàn)開關(guān)電源功能過程中的幾點注意及使用開關(guān)電源中的注意事項，并通過實例進(jìn)行說明。 關(guān) 鍵 字 開關(guān)電源 ， 自激振蕩，穩(wěn)壓 Summary The power supply is the foundation of the electric circuit switch power supply should be considered the cost, solution, size,value ,power and so on in the design. This article mainly introduces the experience of the design and use of the switch power supply, that is how to choose the ponent that design need, and attentions we should pay to the use and the realization of the functions of the switch power supply,and then it is explained through an example. Keyword switch power supply， autoexcitation,regulators XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 4 頁 共 43 頁 第 1 章 緒 論 隨著全球?qū)δ茉磫栴}的重視，電子產(chǎn)品的耗能問題將愈來愈突出，如何降低其待機(jī)功耗，提高供電效率成為一個急待解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但它存在著效率低（只有 40%－ 50%）、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點。為了提高效率，人們研制出了開關(guān)式穩(wěn)壓電源，它的效率可達(dá) 85%以上，穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。正因為如此，開關(guān)式穩(wěn)壓電源已廣泛應(yīng)用 于各種電子設(shè)備中 。 開關(guān)電源的發(fā)展歷史 開關(guān)穩(wěn)壓電源（以下簡稱開關(guān)電源）取代晶體管線性穩(wěn)壓電源（以下簡稱線性電源）已有 30 多年歷史，最早出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關(guān)電源，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，但功率晶體管 工 作于開關(guān)狀態(tài)后 ， 脈寬調(diào)制（ PWM）控制技術(shù)有了發(fā)展，用以控制開關(guān)變換器，得到 PWM 開關(guān)電源，它的特點是用 20kHz 脈沖頻率或脈沖寬度調(diào)制 — PWM 開關(guān)電源效率可達(dá) 65～ 70％，而線性電源的效率只有 30～ 40％。在發(fā)生世界性能源危機(jī)的年代，引起了人們的廣泛關(guān)往。線性電源工作于工頻，因此用工作頻率為 20kHZ的 PWM 開關(guān)電源替代，可大幅度節(jié)約能源，在電源技術(shù)發(fā)展史上譽(yù)為 20kHZ 革命。 隨著 ULSI 芯片尺寸不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；航天，潛艇，軍用開關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備（如手提計算機(jī)，移動電話等）更需要小型化，XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 5 頁 共 43 頁 輕量化的電源。因此對開關(guān)電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量要小。此外要求開關(guān)電源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。 我國開關(guān)電源歷程 從我國開關(guān)電源的發(fā)展過程可以了解國際開關(guān)電源發(fā)展的一個側(cè)面，雖然一般說來，我國技術(shù)發(fā)展水平與國際先進(jìn)水平平均有 5～ 10年差距。 70年代起，我 國 在黑白電視機(jī)，中小型計算機(jī)中開始應(yīng)用 5V， 20200A， 20kHZ AC－ DC 開關(guān)電源。 80 年代進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用階段，并開發(fā)研究 ～ 5MHz 準(zhǔn)諧振型軟開關(guān)電源。 80年代中，我國通信（如程 控 交換機(jī)）電源在 AC－ DC及 DC－ DC 開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域中所 占 比重還比較低。 80 年代末我國通信電源大規(guī)模更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的鐵磁穩(wěn)壓 整流電源和晶閘管 被相控穩(wěn)壓電源為大功率（ 48V， 6kw） AC－ DC 開關(guān)電源（通信系統(tǒng)中常稱為開關(guān)型整流器 SMR）所 取 代；并開始在辦公自動化設(shè)備中得到 應(yīng)用。工業(yè)應(yīng)用方面，在鍋爐火焰控制，繼電保護(hù)，激光，彩色 TV，離子管燈絲發(fā)射電流調(diào)節(jié)，離子注射機(jī)，鹵鎢燈控制等系統(tǒng)中均有應(yīng)用。 90年代我國又研制開發(fā)了一批新型專用 開 關(guān)電源 ， 典型例子如下： 。東方紅三號通信衛(wèi)星、風(fēng)云一號、二號氣象衛(wèi)星均應(yīng)用了開關(guān)電源。特點是：多路輸出，不可維修性，要求長期不改變性能，設(shè)置冗余模塊，可靠性高，EMC 滿足空間環(huán)境條件，高效，輕小。 DC－ DC開關(guān)電源，要求發(fā)射過程中高度可靠。 3. 1000kW 牽引變流器 4500V／ 1200A GTO 門控 250W 開關(guān)電源。 4. 40kW 固體脈沖激光器的軟開關(guān)電源。用 4 臺 10kw 全橋多諧振 ZVS 變換器并聯(lián)。 5.XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 6 頁 共 43 頁 焊機(jī)用雙 IGBT 管正激車電壓轉(zhuǎn)換 — 脈 寬 調(diào)制（ ZVT－ PWM）軟開關(guān)電源。輸出 20kW， 500A，開關(guān)頻率 40kHZ，效率 92％。特點是負(fù)載大范圍變化頻繁，工作環(huán)境惡劣。要求電源沖擊電流小，動態(tài)特性好，負(fù)載 不 影響軟開關(guān)性質(zhì)。 源。供繼電保護(hù)和自動裝置及蓄電池充電用。代替晶閘管調(diào)壓系統(tǒng)，輸出 10A， 180～ 286V。主開關(guān)管用 IGBT 或功率 MOSFET。 7.單相和三相高功 率因數(shù)整流器（有源功率 因 數(shù)校正器）?？梢钥闯?20～ 30 年中，我國開關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)性能有很大進(jìn)展，這與 國 家基礎(chǔ)工業(yè)和國力增強(qiáng)有密切關(guān)系，也和國際先進(jìn)開關(guān)電源技術(shù)影響有關(guān)。充分顯示了中國電源技術(shù)人員的聰明才智和艱苦奮斗的創(chuàng)業(yè)精神。 90 年代，中小型（ 500W 以下） AC－ DC和 DCDC開關(guān)電源的特點是：高頻化（開關(guān)頻率達(dá) 300－ 400kHZ）以達(dá)到高功率密度，體小量輕；力求高效和高可靠；低成本；低輸出電壓（ ≤3V ） ； AC 輸入端高功率 因 數(shù)等。在今后 5 年內(nèi)仍然將沿這些方向發(fā)展。 主要技術(shù)標(biāo)志 從技術(shù)上看，幾 十年來推動開關(guān)電源性能和技術(shù)水平不斷提高的 主 要標(biāo)志是： 器件的開發(fā)使實現(xiàn)開關(guān)電源高頻化有了可能。 如功率 MOSFET 和IGBT 已完全可代替功率晶體管和晶閘管，從而使中小型開關(guān)電源下作頻率可達(dá)到 400kHZ（ AC－ DC）和 1MHZ（ DCDC）的水平。超快恢復(fù)功率二極管， MOSFE 同 步整流技術(shù)的開發(fā)也為高效低電壓輸出（例如 3V）開關(guān)電源的研制有了可能?，F(xiàn)正在探索研制耐高溫的高性能碳化磚功率 的 導(dǎo)體器件。 關(guān)變換器的實現(xiàn)有了可能。 PWM 開關(guān)電源按硬開關(guān)模式工作（ 開／關(guān)過程中電壓 下 降／上升和電流上升／下降波形有交疊），因而開關(guān)損耗大。開關(guān)電源高頻化可以縮小體積重量，但開關(guān)損耗XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 7 頁 共 43 頁 卻更大了（功耗與頻率成正比）。為此必須研究開關(guān)電比／電流波形 的 交更的技術(shù)，即所謂零電壓（ ZVS）／本電流（ ZCS）開關(guān)技術(shù)，或稱軟開關(guān)技術(shù)（相對于 PWM 硬開關(guān)技術(shù)而言），小功率軟開關(guān)電源效率可提高到 80～ 85％。 70 年代 諧振 開關(guān)電源奠定了軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)。以后新的軟開關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如準(zhǔn)諧振（ 80年代中）全橋移相 ZVS－ PWM，恒頻 ZVS－ PWM／ ZCS－ PWM（ 80年代末） ZVS － PWM 有 源鉗位； ZVT－ PWM／ ZCTPWM（ 90年代初）全橋移相 ZV－ ZCS－ PWM（ 90 年代中）等。我國已將最新軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于 6KW通信電源中，效率達(dá) 93%。 。如電流型控制及多環(huán)控制，電荷控制，一周期控制，功率因數(shù)控制， DSP 控制；及相應(yīng)專用集成控制芯片的研制成功等，使開關(guān)電源動態(tài)性能有很大提高，電路也大幅度簡化。 因 校正技術(shù)（ APFC）的開發(fā)，提高了 AC－ DC 開關(guān)電源功率因數(shù)。 由于輸入端有整流 —— 電容 元件， AC－ DC 開關(guān)電源及一大類整流電源供電的電子設(shè)備（如逆變器， UPS）等的電網(wǎng)測功率 因 數(shù)僅為 ，80 年代用 APFC 技術(shù)后可提高到 ～ ，既治理了電網(wǎng)的諧波 “ 污染 ” ，又提高了開關(guān)電源的整體效率。單相 APFC 是 DC －DC 開關(guān)變換器拓?fù)浜凸β室驍?shù)控制技術(shù)的具體應(yīng)用，而三相 APFC則是三相 PWM 整流開關(guān)拓?fù)浜涂刂萍夹g(shù)的結(jié)合。 磁材料和新型變壓器的開發(fā)。 如集成磁路，平面型 磁芯 ，超薄型（ Low profile）變壓器；以及新型變壓器如壓電式，無磁 芯 印制電路（ PCB）變壓器等，使開關(guān)電源的尺寸重量都可減少許多。 6.新型電容器和 EMI 濾波器技 術(shù)的進(jìn)步，使開關(guān)電源小型化并提高了 EMC 性能。 用，提高了電源系統(tǒng)的可靠性。 90年代末又提出了新型開關(guān)電源XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 8 頁 共 43 頁 的研制開發(fā)，這也是新世紀(jì)開關(guān)電源的發(fā)展遠(yuǎn)景。如：用一級 AC－ DC 開關(guān)變換器實現(xiàn)穩(wěn)壓或穩(wěn)流，并具有功率因數(shù)校正功能，稱為單管單級或 4S 高功率因數(shù) AC－ DC 開關(guān)變換器；輸出 1V， 50A的低電壓大電流 DC－ DC 變換器，又稱電壓調(diào)節(jié)模塊 VRM，以適應(yīng)下一代超快速微處理器供電的需求；多通道（ Multi－ Channel 或Multi－ Phase） DC－ DC 開關(guān)變換器； 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（ Server）的開關(guān)電源可攜帶式電子設(shè)備的高頻開關(guān)電源等。 開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展動向 1. 小型、薄型、輕量化 由于電源輕、小、薄的關(guān)鍵使高頻化，因此，國外目前都在致力于同步開發(fā)新型元器件，特別使改善二次整流管的損耗、變壓器及電容小型化，并同時采用表面安裝（ SMT）技術(shù)在電路板兩面布置元器件以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。 2. 高效率 開關(guān)電源高頻化使傳統(tǒng)的 PWM 開關(guān)（硬開關(guān)）功耗加大，效率降低，噪聲也增大了，達(dá)不到高頻、高效的預(yù)期效益，因此，實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷的軟開關(guān)技術(shù)將成為開關(guān)電源未來的主流。 采用軟開關(guān)技術(shù)可以使效率達(dá)到 85％～ 88％。 3. 高可靠性 可用模塊電源使用的元器件比線性工作電源多數(shù)十倍，因此，降低了可靠性。追求壽命的延長要從設(shè)計方面著手，而不是從使用方面著想。 4. 模塊化 XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 9 頁 共 43 頁 可用模塊電源組成分布式電源系統(tǒng)；可以設(shè)計成 N+1 余電源系統(tǒng)，從而提高可靠性；可以做成插入式，實現(xiàn)熱交換，從而在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時能快速更換模塊插件；多臺模塊并聯(lián)可實現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)。此外，還可以在電源系統(tǒng)建成后，根據(jù)發(fā)展需要不斷擴(kuò)大容量。 5. 低噪聲 開關(guān)電源又一缺點時噪聲大，單純追求電源高頻化，噪聲也隨之增大。采用部分諧振變換 技術(shù)，在原理上說明可以高頻化，又可以低噪聲。但諧振變換技術(shù)也有其難點，如果難準(zhǔn)確地控制開關(guān)頻率、諧振時增大了 元器件負(fù)荷、場效應(yīng)管的寄生電容易引起短路損耗元器件熱應(yīng)力轉(zhuǎn)向開關(guān)管等問題難以解決。 6. 抗電磁干擾（ EMI） 當(dāng)開關(guān)電源在高頻下工作時，其噪聲通過電源線產(chǎn)生對其他電子設(shè)備干擾，世界各國已有抗 EMI 的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。 7. 電源系統(tǒng)的管理和控制 應(yīng)用微處理器或微機(jī)集中控制和管理，可以及時反映開關(guān)電源環(huán)境的各種變化。中央處理單元實現(xiàn)智能控制，可自動診斷故障，減少維護(hù)工作量，確保正常運(yùn)行。 8. 計算機(jī)輔助設(shè)計（ CAD） 利用計算機(jī)對開關(guān)電源進(jìn)行 CAD 設(shè)計和模擬試驗，十分有效，是最為快速經(jīng)濟(jì)的設(shè)計方法。 9. 產(chǎn)品更新加快 目前開關(guān)電源產(chǎn)品要求輸入電壓通用（使用世界各國電網(wǎng)電XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 10 頁 共 43 頁 壓規(guī)模），輸出電壓范圍擴(kuò)大（入計算機(jī)和工作站需要增加 這一擋電壓，程控需要增加直流 1