【正文】 (12) 由式 (11)和式（ 12）可以看出，若開關周期 T 一定，改變開關 S 的導通時間 TON，即可改變脈沖占空比 D，從而達到調節(jié)輸出電壓的目的。 T洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 3 不變，只改變 TON 來實現(xiàn)占空比調節(jié)的穩(wěn)壓方式叫做脈沖寬度調制（ PWM）。由于 PWM 式的開關頻率固定的，輸出濾波電路比較容易設計，易實現(xiàn)最優(yōu)化，因此 PWM 式開關電源用得比較多。若保持 TON 不變，利用改變開關頻率 ?=1/T 實現(xiàn)脈沖占空 比調節(jié)，從而實現(xiàn)輸出直流電壓 Uo 穩(wěn)壓的方法，稱做脈沖頻率調節(jié)（ PFM）。由于該方式的開關頻率不固定，因此輸出濾波電路的設計不易實現(xiàn)最優(yōu)化。即改變 TON,又改變 T，實現(xiàn)脈沖占空比調節(jié)的穩(wěn)壓方式叫做脈沖調頻調寬方式。在各種開關電源中，以上三種脈沖占空比調節(jié)的穩(wěn)壓方式均有應用。 開關電源的組成 開關電源的組成如圖 12 所示。其中 DC/DC 變換器用以進行功率交換，它是開關電源的核心部分；驅動器是開關信號的放大部分，對來自信號源的開關信號進行放大和整形，以適應開關管的驅動要求；信號源產生控制信號，該信 號由他激或自激電路產生，可以是 PWM 信號、 PFM 信號或其他信號；比較放大器對給定信號和輸出反饋信號進行比較運算，控制開關信號的幅值、頻率、波形等，通過驅動器控制開關器件的占空比，以達到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。除此之外，開關電源還有輔助電路，包括啟動、過流過壓保護、輸入濾波、輸出采樣、功能指示等電路。 圖 12 開關電源的基本組成 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正弦波的諧振變換器應用較為普通。 開關電源與線性電源相比，其輸入的瞬態(tài)變換比較多的表現(xiàn)在輸出 端，在提高開關頻率的同時，由于比較放大器的頻率特性得到改善，開關電源洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 4 的瞬態(tài)響應指標也能得到改善。開關電源的負載變換瞬態(tài)響應主要由輸出端 LC 濾波器的特性決定，所以可以通過提高開關頻率、降低輸出濾波器LC 的方法來改善瞬態(tài)響應特性。 開關電源的特點 開關電源具有如下特點： （ 1） 效率高。開關電源的功率開關調整管工作在開關狀態(tài)，所以調整管的功耗小，效率高，一般在 80%～ 90%,高的可達 90%以上。 （ 2）重量輕。由于開關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。開關電源的交流輸入電壓在 90～ 270V 內變化時，輸出電壓的變化在177。 2%以下。合理設計開關電源電路，還可使穩(wěn)壓范圍更寬，并保證開關電源的高效率。 （ 4）安全可靠。在開關電源中，由于可以方便的設置各種形式的保護電路，因此當電源負載出現(xiàn)故障時，能自動切斷電源，保障其功能可靠。 （ 5）功耗小。由于開關電源的工作頻率高，一般在 20kHz 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，由于功率開關管工作在開關狀態(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，因此采用開關電源可以提高整機的可靠性和穩(wěn)定性。 開關電源的主要技術指標 開關電源有以下主要技術指標。 （ 1） 輸入電壓變化范圍：當穩(wěn)壓電源的輸入電壓發(fā)生變化時，使輸出電壓保持不變的輸入電壓的變化范圍。這個范圍越寬，表示電源適應外界電壓變化的能力越強，電源使用范圍越寬。它和電源的誤差放大、反饋調節(jié)電路的增益以及占空比調節(jié)范圍有關。目前開關電源的輸入電壓變化范圍已達到 90～ 270V，可以省去許多電器中的 110V/220V 轉換開關。 （ 2） 輸出內阻 Ro:輸出電壓 的變化量 Δ Uo 與輸出電流的變化量 Δ Io 的洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 5 比值。這個比值越小，表示電源輸出電壓隨負載電流的變化越小，穩(wěn)定性越好。 （ 3） 效率 η：電源輸出功率 Po 與輸入功率 Pi 的比值。這個比值越高，開關電源的體積越小，同時可靠性也越高。目前開關電源的效率可達到 90%以上。 （ 4）輸出紋波電壓：由于開關電源的穩(wěn)壓過程是一個不斷反饋調節(jié)的過程，因此在輸出的直流電壓 Uo 上會出現(xiàn)一個疊加的波動的紋波電壓，即輸出紋波電壓。這個電壓值越小，表示電源的輸出性能越好。這個參數(shù)的表示有兩種方法：一是輸出紋波電壓有效值；二是輸出紋波電壓的峰峰值Upp。 （ 5）輸出電壓調節(jié)范圍：由于電源的輸出電壓只和基準電壓與輸出取樣電路的元器件參數(shù)有關，因此，輸出電壓調節(jié)范圍反應在線性電源上時穩(wěn)壓調整管集電極電流的變化范圍。 （ 6）輸出電壓穩(wěn)定性：輸出電壓隨負載變化而變化的特性，這個變化量越小越好。它主要和反饋調節(jié)回路的增益及頻響特性有關。反饋調節(jié)回路增益越高，基準電壓 UE 越穩(wěn)定，輸出電壓 Uo 的穩(wěn)定性越好。 （ 7）輸出功率 Po：電源能輸出給負載的最大功率，它和負載功率有關。為了保證電源安全，要求輸出功率有 20%～ 50%的裕量。 開關電源的分類 現(xiàn)在，電子 技術和應用迅速的發(fā)展，對電子儀器和設備的要求是：在性能上，更加安全可靠；在功能上，不斷地增加；在使用上，自動化程度要越來越高；在體積上，要日趨小型化。這使采用具有更多優(yōu)點的開關穩(wěn)壓電源就顯的更加重要了。所以，開關穩(wěn)壓電源在計算機、通信、航天、彩色電視機等方面都得到了越來越廣泛的應用，發(fā)揮了巨大的作用，這大大促進了開關穩(wěn)壓電源的發(fā)展，從事這方面的研究和生產人員也越來越多。圖 13 給出了各種類型的開關穩(wěn)壓電源的原理圖。 常見的開關穩(wěn)壓電源分類方法有已下幾種： 1．按激勵方式劃分 （ 1）它激式 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 6 它激式開關電源必須 有一個振蕩器，用以產生開關脈沖來控制開關管，使開關電源工作，輸出直流電壓。 電路中專設激勵信號產生的振蕩器，電路形式如圖 13（ c）所示。 （ 2）自激式 自激式開關電源利用電源電路中的開關晶體管和高頻脈沖變壓器構成正反饋電路，來完成自激振蕩，使開關電源輸出直流電壓。在顯示設備的PWM 式開關電源中，自激振蕩頻率同步于行頻脈沖，即使在行掃描電路發(fā)生故障時，電源電路仍能維持自激振蕩而有直流輸出電壓。 開關管兼作振蕩器中的振蕩管，電路形式如圖 13（ d）所示 2．按調制方式劃分 （ 1）脈沖調制型 振蕩頻率保持不變， 通過改變脈沖寬度來改變和調節(jié)輸出電壓的大小，有時通過取樣電路，耦合電路等構成反饋閉環(huán)回路，來穩(wěn)定輸出電壓的幅度。 （ 2）頻率調整型 頻率調整型占空比保持不變，通過改變振蕩器的振蕩頻率來調節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的幅度。 （ 3）混合型 通過調節(jié)導通時間的振蕩頻率來完成調節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓幅度的目的。 3．按開關管電流的工作方式劃分 （ 1）開關型 用開關晶體管把直流變成高頻標準方式，電路形式類似于他激式。 （ 2）諧振型 開關晶體管與 LC 諧振回路將直流變成標準的正弦波，電路形式類似于自激式。 4．按開關晶體管的類型劃分 （ 1）晶體管型 采用晶體管作為開關管，電路形式如圖 13（ b）所示。 （ 2）可控硅型 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 7 采用可控硅作為開關管，這種電路的特點是直接輸交流電，不需要一次整流部分，其電路形式如圖 13（ g）所示。 5．按儲能電感與負載的連接方式劃分 （ 1）串聯(lián)型 儲能電感串聯(lián)在輸入與輸出電壓之間，電路形式如圖 13（ a）所示。 （ 2）并聯(lián)型 儲能電感并聯(lián)在輸入與輸出電壓之間，電路形式如圖 13（ b）所示。 6．按晶體管的連接方式劃分 （ 1）單端式 僅使用一個晶體管作為電路中的開關管，這種電路的特點是價格低，電路結構簡單 ，但輸出功率不能提高，其電路形式如圖 13（ a）（ b）（ c）。 （ 2）推挽式 使用兩個開關晶體管，將其連接成推挽功率放大器形式，這種電路的特點是開關變壓器必須是有中心抽頭，電路形式如圖 13（ I）所示 （ 3）半橋式 使用兩個開關晶體管，將其連接成半橋的形式，它的特點是適應于輸入電壓較高的場合，其電路形式如圖 13（ m）所示。 （ 4）全橋式 使用四個開關晶體管，將其連接成全橋的形式，它的特點是輸出功率較大，其電路形式如圖 13（ h）所示。 7．按輸入與輸出電壓大小劃分 （ 1）升壓式 輸出電壓比輸入電壓高，實際 就是并聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源。 （ 2）降壓式 輸出電壓比輸入電壓低，實際就是串聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源。 8．按工作方式劃分 （ 1）可控整流型 所謂可控整流型開關穩(wěn)壓電源，是指采用可控硅整流元件作為調整開關管，可由交流市電電網直接供電，在可工作的半波內，截去正弦曲線的前一部分，這一部分所占角度稱為截止角，導通的正弦曲線后一部分稱為洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 8 導通角，依靠調節(jié)導通角的大小，可達到調整輸出電壓和穩(wěn)定輸出電壓的目的，其電路形式如圖 13（ f）所示。 （ 2）斬波型 斬波型開關穩(wěn)壓電源是指直流供電，輸入直流電壓加到開關電路上，在開關電路的輸出 端得到單相的脈動直流，經過濾波得到與輸入電壓不同的穩(wěn)定的直流輸出電壓。電路還從輸出電壓取樣，經過比較、放大，控制脈沖發(fā)生電路產生的脈沖信號，用以控制調整開關的導通時間和截止時間的長短和開關的工作頻率，最后達到穩(wěn)定輸出電壓的目的，電路的過壓保護電路也是依據這一部分所提供的取樣信號來進行工作的，斬波型電路形式如圖 13（ e）所示。 （ 3）隔離型 這種形式的開關電源是在輸入回路與逆變電路之間，經過高頻變壓器，利用磁場的變化實現(xiàn)能量傳遞，沒有電流間的之間流通，隔離型開關穩(wěn)壓電源采用直流供電，經過開關電路將直流電變成 頻率很高的交流電，再經變壓器隔離、變壓，然后經整流器整流，最后就可以得到新的、極性和數(shù)值各不相同的多組直流輸出電壓。電路從輸出端取樣，經放大后反饋至開關控制端，控制驅動電路的工作，最后達到穩(wěn)定輸出電壓的目的，這種形式的開關穩(wěn)壓電源在實際中應用的最為廣泛。 9．按電路結構劃分 （ 1）散件式 整個開關穩(wěn)壓電源電路都是采用分立式元器件組成的，它的電路形式較為復雜，可靠性較差。 （ 2）集成電路式 整個開關穩(wěn)壓電源電路或電路的一部分是由集成電路組成的，這種集成電路通常為厚膜電路。有的厚膜集成電路包括開關晶體管，有的則 不包括開關晶體管。這種電源的特點是電路結構簡單、調試方便、可靠性高。彩色電視機中常采用這種開關電源。 10．按電路的輸出取樣樣式分類 （ 1）直接輸出取樣開關電源 直接輸出取樣開關電源在光電耦合器尚未應用時，主要在串聯(lián)開關電洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 9 源上使用；在光電耦合器應用后，開始在變壓器耦合并聯(lián)開關電源上使用。 （ 2）間接輸出取樣開關電源 間接輸出取樣方式輸出電壓的變化須經開關變壓器磁耦合才能反映到取樣繞組兩端，所以穩(wěn)壓速度低，并且這種開關電源不能空載檢修，檢修時須在輸出端接替代負載。 以上五花八門的開關穩(wěn)壓電源都是站在不同的角度 ，已開關穩(wěn)壓電源不同的特點命名的。圖 13 示出開關穩(wěn)壓電源的原理框圖。盡管電路的激勵方法、輸出直流電壓的調節(jié)手段、儲能電感的連接方式、開關管的器件種類以及串并聯(lián)結構各不相同，但是它們最后總可以歸結為串聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源和并聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源這兩大類。 URCV 0( a ) 串 聯(lián) 型UV DCL R( b ) 并 聯(lián) 型驅 動 器開 關 元 件振 蕩 器濾 波 電 路誤 差 放 大 器 取 樣 電 路基 準 電 壓U 0 U i（ c ） 他 激 式 圖 13 各種開關電源原理圖（ a） (c) 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 10 圖 13 各種開關電源原理圖（ d） (n) 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 11 開關電源設計中存在的問題與未來發(fā)展 開關電源設計中存在的問題 隨著半導體技術和微電技術的高速發(fā)展， 集成度高、功率強的大規(guī)模的集成電路的不斷出現(xiàn)，使得電子設備的體積在不斷的縮小，重量在不斷的減輕，所以從事這方面的研究和生產的人們對開關穩(wěn)壓電源中開關變壓器還感到不是十分的理想，他們正致力于研制出效率更高、體積更小、重量更輕的開關變壓器或者通過別的途徑來取代開關變壓器，使之能過滿足電子儀器和設備微小型化的需要。這是從事開關穩(wěn)壓電源研制的科技人員目前正在克服的第一困難。 開關穩(wěn)壓電源的效率與開關管的變換速度成正比的，并且開關穩(wěn)壓電源中采用了開關變壓器以后，才能使之一組輸入得到極性、大小各不相同的多組輸出，要進一 步提高開關穩(wěn)壓電源的效率，就必須提高電源的工作頻率。但是，當頻率提高以后，對整個電路中的元器件又有了新的要求，高頻電容、開關管、開關變壓器、儲能電感等都會出現(xiàn)新的問題，近一步研制適應高頻率工作的有關電路元器件，是從事開關穩(wěn)壓電源研制科技人員要解決的第二困難。 工作在線性狀態(tài)的線性穩(wěn)壓電源，具有穩(wěn)壓和濾波的雙重作用，因而串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源不產生開關干擾，且紋波電壓輸出較小。但是，開關穩(wěn)壓電源的開關管工作在開關狀態(tài)，其交變