【正文】 反饋信號進(jìn)行比較運(yùn)算，控制開關(guān)信號的幅值、 頻率、 波形等，通過驅(qū)動(dòng)器控制開關(guān)器件的占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。除此之外，開關(guān)電源還有輔助電路，包括啟動(dòng)、 過流過壓保護(hù)、 輸入濾波、 輸出采樣、 功能指示等電路。反饋回路檢測其輸出電壓，并與基準(zhǔn)電壓比較，其誤差通過誤差放大器進(jìn)行放大，控制脈寬調(diào)制電路，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制半導(dǎo)體開關(guān)的通斷時(shí)間，從而調(diào)整輸出電壓。 DC/DC 變換器有多種電路形式，其中控制波形為方波的PWM 變換器以及工作波形為準(zhǔn)正弦波的諧振變換器應(yīng)用較為普遍。開關(guān)電源的負(fù)載變換瞬態(tài)響應(yīng)主要由輸出端 LC 濾波器的特性決定，所以可以通過提高開關(guān)頻率、 降低輸出濾波器 LC 的方法來改善瞬態(tài)響應(yīng)特性。 圖 12 開關(guān)電源的基本組成 4 開關(guān)電 源的特點(diǎn) 開關(guān)電源具有如下特點(diǎn)： (1) 效率高。開關(guān)電源的功率開關(guān)調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以調(diào)整管的功耗小，效率高，一般在 80%～ 90%，高的可達(dá) 90%以上 ； (2) 重量輕。由于開關(guān)電源省掉了笨重的電源變壓器，節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，從而使其重量只有同容量線性電源的 1/5，體積也大大縮小了 ； (3) 穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)電源的交流輸入電壓在 90~270 V 內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓的變化在 177。2%以下。合理設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路，還可使穩(wěn)壓范圍更寬并保證開關(guān)電源的高效率 ； （ 4）安全可靠。在開關(guān)電源中，由于可以方便地設(shè) 置各種形式的保護(hù)電路，因此當(dāng)電源負(fù)載出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)切斷電源，保障其功能可靠 ； (5) 功耗小。由于開關(guān)電源的工作頻率高，一般在 20 kHz 以上，因此濾波元件的數(shù)值可以大大減小，從而減小功耗；特別是，由于功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，不需要采用大面積散熱器，電源溫升低，周圍元件不致因長期工作在高溫環(huán)境而損壞，因此采用開關(guān)電源可以提高整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性 [2]。 開關(guān)器件 開關(guān)器件的特征 同處理信息的電子器件相比，開關(guān)電源的電子器件具有以下特征： (1) 能處理電功率的大小，即 承受電壓和電流的能力是開關(guān)器件最重要的參數(shù)，其處理電功率的能力小至毫瓦級，大至兆瓦級，大多遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。 (2) 開關(guān)器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通時(shí) (通態(tài) )阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，電流由外電路決定；阻斷時(shí)阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，管子兩端電壓由外電路決定。 (3) 開關(guān)器件的動(dòng)態(tài)特性也是很重要的方面，有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問題。作電路分析時(shí)，為簡單起見往往用理想開關(guān)來代替實(shí)際 5 開關(guān)。 (4) 電路中的開關(guān)器件往往需要由信息電子電路來控制。在主電路和控制 電路之間，需要一定的中間電路對控制電路的信號進(jìn)行放大，這就是開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路。 器件 TL431. TL431 是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從 Vref（ ）到 36V 范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為 ，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等 [3]。 TL431 特點(diǎn)： （ 1）最大 輸出電壓為 36V； （ 2） 電壓參考誤差： 177。％ ，典型值 @25℃ （ TL431B） ； （ 3） 低動(dòng)態(tài)輸出阻抗，典型 ； （ 4） 負(fù)載電流能力 to 100mA； （ 5） 等效全范圍溫度系數(shù) 50 ppm/℃ 典型 ； （ 6） 溫度補(bǔ)償操作 全額定工作溫度范圍 ； （ 7） 低輸出噪聲電壓 。 RKA 圖 1－ 3 tl431 的外觀和管腳 電力二極管 電力二極管可分為普通二極管 , 快恢復(fù)二極管 ,肖特基二極管三種。 (1) 普通二極管 (General Purpose Diode) 普通二極管又稱為整流二極管 (Rectifier Diode)，多用于開關(guān)頻率不高 (1 kHz 以下 )的整流電路中。其反向恢復(fù)時(shí)間較長，一般在 5 s 以上，這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要。其正向電流定額值和反向電壓定額值可以達(dá)到很 6 高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。 (2) 快恢復(fù)二極管 (FRD) 快恢復(fù)二極管是恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短的二極管，簡稱為快速二極管。快速二極管在工藝上多采用了摻金措施，有的采用 PN 結(jié)型結(jié)構(gòu)，有的采用改進(jìn)的 PiN 結(jié)構(gòu)。采用外延型 PiN 結(jié)構(gòu)的快恢復(fù)外延二極管 (Fast Recovery Epitaxial Diodes， FRED)，其反向恢復(fù)時(shí)間更短 (可低于50 ns)，正向壓降也很低 ( V 左右 )，但其反向耐壓多在 400 V 以下?？焖俣O管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級，前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長，后者則在 100 ns 以下，有的甚至達(dá)到 20~30 ns。 (3) 肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管 (SBD)，簡稱為肖特基二極管。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)很多，主要是：反向恢復(fù)時(shí)間很短 (10~40 ns)，正向恢復(fù)過程中不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低 的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。肖特基二極管的不足之處是：當(dāng)反向耐壓提高時(shí)，其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于 200 V 以下；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度 [ 4] 。 光耦 PC817 PC817[12]是常用的線性光藕，在各種要求比較精密的功能電路中常常被當(dāng)作耦合器件，具有上下級電路完全隔離的作用，相互不產(chǎn)生影響 . 當(dāng)輸入端加電信號時(shí)，發(fā)光器發(fā)出光線，照射在受 光器上，受光器接受光線后導(dǎo)通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了 “電 光 電 ”的轉(zhuǎn)換。普通光電耦合器只能傳輸數(shù)字信號（開關(guān)信號），不適合傳輸模擬信號。線性光電耦合器是一種新型的光電隔離器件，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號，這樣隨著輸入信號的強(qiáng)弱變化會產(chǎn)生相應(yīng)的光信號，從而使光敏晶體管的導(dǎo)通程度也不同，輸出的電壓或電流也隨之不同 ,PC817 光電耦合器不但可以起到反饋?zhàn)饔眠€可以起到隔離作用。 主要 應(yīng)用 范圍：開關(guān)電源、適配器、充電器、 UPS、 DVD、空調(diào)及其 7 它家用電器等產(chǎn)品 [6]。 圖 1－ 4 PC817 的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu) 電力場效應(yīng)晶體管 MOSFET (1) 電力場效應(yīng)晶體管的特點(diǎn) 電力場效應(yīng)晶體管主要指絕緣柵型中的 MOS 型，簡稱電力 MOSFET。其特點(diǎn)是：用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性好，電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過 10 kW 的電源電子裝置 。 (2) 電力場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理 (a) N 溝道內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖； (b) 電氣圖形符號 圖 15 電力 MOSFET 的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 電力 MOSFET 的種類按導(dǎo)電溝道可分為 P 溝道和 N 溝道，如圖 15所示。其中 G 為 柵極， S 為源極， D 為漏極。電力 MOSFET 的工作原理是：在截止?fàn)顟B(tài)，漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。 P 基區(qū)與 N 漂移區(qū)之間形成的 PN 結(jié)反偏，漏源極之間無電流流過；在導(dǎo)電狀態(tài)，在柵源極間加正電壓 UGS，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過，但柵極的正電壓會將其下面 P 區(qū)中的空穴推開，而將 P 區(qū)中的電子吸引到柵極下面的P 區(qū)表面。 8 第 2 章 主要開關(guān)變換電路 濾波電路 輸入濾波電路具有雙向隔離作用，它可抑制從交流電網(wǎng)輸入的干擾信號，同時(shí)也防止開關(guān)電源工作時(shí)產(chǎn)生的諧波和電磁干擾信號影響交流電網(wǎng)。圖 21 所示濾波電路是一種復(fù)合式 EMI 濾波器， L L2 和 C1 構(gòu)成第一級濾波，共模電感 L3 和電容 C C3 進(jìn)行第二級濾波 圖 21 輸入濾波電路 C1 用于濾除差模干擾，選用高頻特性較好的薄膜電容。電阻 R 給電容提供放電回路，避免因電容上的電荷積累而影響濾波器的工作特性。 CC3 跨接在輸出端，能有效地抑制共模干擾。為了減小漏電流， C C3 宜選用陶瓷電容器 [ 7]。 反饋電路 電流反饋電路 電流反饋電路采用電流互感器 ，通過 檢測開關(guān)管上的電流 作為采樣電流 ，原理如圖 22 所示。電流互感器的輸出分為 電流瞬時(shí)值反饋和電流平均值反饋兩路， R2 上的電壓反映電流瞬時(shí)值。開關(guān)管上的電流 變化 會使UR2 變化 ， UR2 接入 UC3842 的保護(hù)輸入端⑶腳， 當(dāng) UR2＝ 1V 時(shí)， UC3842芯片 的 輸出脈沖 將 關(guān)斷。 通過 調(diào)節(jié) R R2 的分壓比可改變開關(guān)管的限流值，實(shí)現(xiàn)電流瞬時(shí)值的逐周期比較，屬于限流式保護(hù)。輸出脈沖關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對電流平均值的保護(hù)，屬于截流式保護(hù)。兩種過流保護(hù)互為補(bǔ)充，使電源更為安全可靠。采用電流互感器采樣，使控制電路與主電路隔離，同時(shí)與電阻采樣相比降低了功耗，有利于提高整個(gè)電源的效率 [1]。 9 圖 22 電流反饋電路 電壓反饋電路 電壓反饋電路如圖 23 所示。輸出電壓通過集成穩(wěn)壓器 TL431 和光電耦合器反饋到 UC3842 的 ⑴ 腳，調(diào)節(jié) R R2 的分壓比可設(shè)定和調(diào)節(jié)輸出電壓，達(dá)到較高的穩(wěn)壓精度。如果輸出電壓 UO 升高，集成穩(wěn)壓器 TL431 的陰極到陽極的電流增大，使光電耦合器輸出的三極管電流增大，即 UC3842⑴ 腳對地的分流變大， UC3842 的輸出脈寬相應(yīng)變窄，輸出電壓 UO 減小。同樣如果輸出電壓 UO 減小，可通過反饋調(diào)節(jié)使之升高 [ 10]。 圖 23 電壓反饋電路 電壓保護(hù)電路 圖 24 所示為輸出過電壓保護(hù)電 路。穩(wěn)壓管 VS 的擊穿，電壓稍大于輸出電壓額定值，輸出正常時(shí)， VS 不導(dǎo)通，晶閘管 V 的門極電壓為零，不導(dǎo)通。當(dāng)輸出過壓時(shí)， VS 擊穿， V 受觸發(fā)導(dǎo)通，使光電耦合器輸出三極管電流增大，通過 UC3842 控制開關(guān)管關(guān)斷。 10 圖 24 輸出過電壓保護(hù)電 第 3 章 UC3842 UC3842 簡介 繼 MC139 AN5900 之后，人們又開發(fā)出功能更完善的它激單端輸出驅(qū)動(dòng)集成電路。其特點(diǎn)是除內(nèi)部 PWM 系統(tǒng)外，還設(shè)有多路保護(hù)輸入和穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器，同時(shí)還具有小電流啟動(dòng)功能。典型的 UC3842 就是其中的代表，它功能完善， 性能可靠，目前廣泛被各種普通電源采用，還被用于有源因數(shù)改善電路和高壓升壓式開關(guān)電源中。 UC3842 是美國Unitrode 公司 [14]生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片。 UC3842 為 8 腳雙列直插式封裝，其內(nèi)部原理框圖如圖 1 所示。主要由 基準(zhǔn)電壓源、用來精確地控制占空比調(diào)定的振蕩器、降壓器、電流測定比 較器、 PWM 鎖存器、高增益 E/A 誤差放大器和適用于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET 的大電流推挽輸出電路等構(gòu)成。端 1 為 COMP 端；端 2 為反饋端；端 3 為電流測定端；端 4 接 Rt、 Ct 確定鋸齒波頻率；端 5 接地；端 6 為推挽輸出端，有拉、灌電流的能力；端 7 為集成塊工作電源電壓端，可以工作在 8～ 40V；端 8 為內(nèi)部供外用的基準(zhǔn)電壓 5V，帶載能力 50mA。 11 UC3842 的引腳及其功能 U c 3 8 4 2V c c7V r e f8R t / C t4V f b2C o m p1O u t6G n d5I S E N S E3 圖 3－ 1 UC3842 的引腳 如圖 3－ 1 ： ○ 1 腳為內(nèi)部誤差放大器輸出端 ，外接阻容元件可改善誤差放大器的增益和頻率特性 。 ○ 2 腳為誤差放大器的取樣電壓輸入端 ，此腳電壓與誤差放大器同相端的 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，而控制脈沖寬度； ○ 3 腳為 PWM 比較器的另一輸入端 ，當(dāng)檢測電壓超過 lV時(shí)停止脈沖輸出使電源處于間歇工作狀態(tài)； ○ 4 腳為定時(shí)電容 CT 端， 內(nèi)部振蕩器工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)決定， f=／ (RT CT)。 ○ 5 腳為接地端。 ○ 6 腳為推挽輸出端 ，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時(shí)間僅為 50ns 驅(qū)動(dòng)能力為177。