【正文】 出功率為 100W 的開關電源。在美國， 300KHZ 到幾 MHZ 頻率范圍的開關電源已普遍達到2W/cc，在日本， 特別是低噪聲、高效率的電視機電源已批量生產(chǎn)。除了損耗與開關頻率以外決定開關電源體積的還有構成 電源的元器件。這時，開關損耗只不過時全部損耗中地一部分，若在高頻領域，磁性器件地損耗所占比例較大。若 提高開關電源的開關頻率，這些器件就會小型化。因此，開關穩(wěn)壓電源的應用受到一定的限制。 ③ 體積小、重量輕 開關穩(wěn)壓電源可將電網(wǎng)輸入的交流電壓直接整流，再通過 高頻變壓器獲得各種不同交流電壓，這樣就可免去笨重的工頻變壓器，從而節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，使電源體積縮小、重量減輕。 開關 穩(wěn)壓電源的優(yōu)越性還表現(xiàn)在： ① 功耗小 由于開關管功率損耗小，因而不需要采用大散熱器。 開關電源的集成化與小型化正在變?yōu)楝F(xiàn)實，目前正在研制開發(fā)主開關與控制電路集成于同一芯片的集成模塊。作為高可靠性控制元件是采用磁放大器，而非晶磁芯在次起著關鍵作用。諧振開關方式可以極大地提高開關速度，原理上開關損耗為零，噪聲也很小，這是提高開關電源工作頻率地一種最有效方式。然而，電源高速開關時，電路存在的分布電感于電容，會由于二極管蓄積電荷的影響產(chǎn)生浪涌電壓于噪聲，不但影響周圍電子設備的工作，而且也使電源本身的可靠性顯著地降低。開關電源基本上是半導體器件的開關工作，從原理上講是低損耗的，但是半導體開關工作也必然存在著開關損耗，而且損耗隨著開關頻率成比例地增加。此外，開關頻率工作在幾十 KHZ，濾波電感、電容可用較小數(shù)值的元件，允許的環(huán)境溫度也可以大大提高。這種穩(wěn)壓器的缺點是承受過載和短路的能力差。 關鍵詞：開關電源、變壓器、開關管 3 目 錄 第一章 緒論 2 1－ 1 概述 2 1－ 2 開關電源的新技術 4 1－ 3 開關電源的基本構成 9 1－ 4 開關電源的穩(wěn)定度 9 1－ 5 開關電源的分類 11 第二章 小型開關電源原理 14 2－ 1 RCC 變換器的電路結構 14 2－ 2 簡單的 RCC 方式開關電源 18 第三章 開關電源電路設計 24 第四章 性能改善 40 4－ 1 保護電路 40 4－ 2 效率的提高 41 4－ 3 浪涌及其吸收電路 43 4－ 4 噪聲及其抑制 54 4－ 5 功率 FET 在開關電源中的幾個問題 57 第五章 小型開關電源主控元件 59 5－ 1 二極管 59 5－ 2 開關電源中使用的磁性元件 61 5－ 3 開關電源中選用的電容器 64 第六章 硬件調試 68 第七章 結論 70 致謝 71 4 參考文獻 72 附錄 74 第一章 概 論 11 概述 目前空間技術、計算機、通信。 第二部分主要介紹其 工作 原理，第三部分介紹設計步驟。主電路包括輸入、輸出和反饋控制部分。雷達、電視及家用電器中的電源逐漸被開關電源取代。效率低，一般只有 35 ∽ 60%。但是，由于調整元件的控制電路比較復雜，輸出的紋波電壓較高，瞬間響應較差。 另一方面，開關電源中必須采用變壓器、電抗器等 磁性元件以及平滑濾波用地電容元件，開關頻率高，可使這些元件小型化，然而，開關頻率提高 5 時，這些元件地損耗也隨之增加。 為防止開關工作產(chǎn)生地噪聲，需要用 RC 或 LC 吸收電路，對于二極管蓄積電 荷產(chǎn)生地浪涌電壓要采用非晶體磁性、矩形磁芯地磁吸收電路。采用諧振開關方式地幾 MHZ 變換器已實用化，美國已研制成功 20MHZ 以上工作頻率地變換器。然而，開關頻率達到 MHZ 以上，期待著開發(fā)幾 m? 厚膜 非晶 磁材料。然而，把功率開關與控制電路包括反饋電路都集成于同一芯片上，必須 解決電氣隔離與熱絕緣的問題，這是今后一大課題。 功耗小使得電子設備內(nèi)溫升也低，周圍元件不會因長時間工作在高溫環(huán)境下而損壞，這有利于提高整個電子設備的可靠性和穩(wěn)定性。 ④ 安全可靠 開關穩(wěn)壓電路一般都具有自動保護電路。 目前，世界各國正在大力研制開發(fā)新型開關電源，包括新的理論、新型電路方案于新型功率器件等，以適應各種電子設備的小型化。然而，開關頻率提高時，不但有 磁損耗，而且電路的損耗也會增大。開發(fā)低電壓地集成電路是一種趨勢，因此，低壓大電流地電源顯得非常重要。為了減少電源的元器件數(shù)目，需要開發(fā)電源模塊，有效利用漏磁通的寄生參量。與此相適用的是已經(jīng)開發(fā)的眾多的磁性元器件。 （ 3） 超薄型電源的研制成功 8 最近，通信與便攜式電子設備都要薄型化，其電源當然需要采用薄型變壓器，正在研究采用薄膜技術，但現(xiàn)在已經(jīng)實用化的薄型變壓器是在鐵氧體磁芯 上繞制銅片式狀繞組的變壓器。 ⒉ 諧波電流印制技術 （ 1） 扼流圈輸入方式 這種 方式是在電源的輸入級增設扼流圈、靜噪濾波器或電抗器等，所用元器件數(shù)量最少。 （ 2） 部分平滑方式 這種方式是利用無源元件的組合來擴展電流導通角，它本是為防止換流器照明閃爍而開發(fā)的，當用于處理功率 的開關電源時，需要增設所用元器件數(shù)量以提高性能。 ⒊ 元器件性能的改善 （ 1） 功率 MOSFET 隨著電子設備的小型化，大規(guī)模機場電路的性能不斷提高，相應地直流 /直流變換器地輸出電壓也將降到 1V 以下。在目前的市場上，用戶十分需求可耐 C0105 高溫而壽命長達 7000 ～ 10000 小時的品種和高度較低的品種。 ⒋ 引人注目的新技術 （ 1） 軟開關方式 軟開關方式包括零電流開關方式、零電壓開關方式及兩者兼用的方式。 利用 預先制作的組件，可以縮短設計和制造周期，減少產(chǎn)品中所用元器件數(shù)量，降低維護費用。 利用數(shù)字控制技術，可以根據(jù)發(fā)送 /接受模式時負載變化量的大小，對升壓 斬波器的通 /斷控制進行連續(xù)模式和不連續(xù)模式的轉換，從而提高開關電源的效率并延長電池的壽命。 3W 或 5W 的小功率開關方式交流適配器，外形小巧扁薄，重量輕，使用時像插頭一樣，面向個人機的 35 ～ 45W 量級的開關方式交流適配器，采 11 用的是諧振換流器電路，也已經(jīng)開始進入市場。反饋回路檢測其輸出電壓，并與基準電壓比較，其誤差電壓通過放大器放大及控制脈寬 調制電路，再經(jīng)過驅動電路控制半導體開關地通斷時間比，從而調整輸出電壓的大小。若 A 設為 1000， 310 10????VV ,這就意味著輸入電壓變化 10V，輸出電壓就要變化 10mV。 對于串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源，輸出對輸入的瞬間響應特性由調整管的 rbh 為晶體管基極接地工作方式的輸入反饋系數(shù)，實用時此值可忽略不計。負載變化地串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源地瞬態(tài)響應，由反饋放大器地頻率地頻率特性以及輸出電容地容量與特性決定，而對于開關穩(wěn)壓電源，瞬態(tài)響應主要是輸出LC 濾波器特性決定，因此，可以提高開關工作頻率，降低輸出濾波器 LC 乘積地方法來改善其瞬態(tài)響應特性。 3． 按控制方式分 1） 脈寬控制方式有它激式與自激式。 2） 采用變壓器的隔離方式。 以上這些方式的組合可構成多種方式的開關穩(wěn)壓電源，因此，設計時務必弄清各種方式的特性，進行有效的組合，設計出高質量的開關穩(wěn) 壓電源。 圖 21 RCC 基本電路 oft 結束時 ,變壓器電壓 1tV 波形自由振蕩返回到 0 V,見 圖 22（ c） 。晶體管 1VT 導通 , 因此變壓器 1T 的初級線圈 1L 兩 端加上輸入電壓 1V 。 oft 時等效電路如 圖 23（ b） 所示，因初級側無電流，所以， 圖 中未畫出。 圖 24 次級側電壓與電流之間關系 設變壓器輸出功率為 2P ,則： 002 IVP ?? fILP p ????? ?2222 21 （ 2– 4） 102 VVVV F ??? （ 2– 5） 式中，η為變壓器的效率。 D較大時， cI 較小，但 ceV 較高，因此，務必選用高 耐壓晶體管。 二、簡單的 RCC 方式開關穩(wěn)壓電源 15V/3A 的 RCC 方式開關穩(wěn)壓電源，它由主開關電路、浪涌電壓吸收電路、電壓檢測電路、次級側整流平滑電路組成。 圖 26 開關晶體管的基極電流與集電極電流 20 （ a）基極驅動電路 （ b）工作波形 反饋線 圖 pN 產(chǎn)生的正向電壓，使晶體管 1VT 的基極電流按 11CR 時間常數(shù)衰減。 cpi 大小與電阻 1R 有關， 1R 越小， cpi 就越大。電路中 4VD 與 2C 是供給控制 2VT 基極電流的光電耦合器的電源。若輸入電壓升高，輸出電流又下降，它作為 ont 最小值的輸入電壓與輸出電流的界限時，就不能維持正常的振蕩，產(chǎn) 生如 圖 28 所示的間歇振蕩。 圖 28 間歇振蕩實例 圖 29 防止間歇振蕩的電路 主開關電路中還有保護開關晶體管 1VT 的保護電路。 因整流平滑后的直流電壓變動范圍為 105195V，195V 時的 集電極電流峰值時 105 時的 2 倍。 圖（ b） 電路是用兩個二極管替代晶體管電路。流經(jīng)二極管 1VD 的電流 Si 其峰值較大，如 圖 中所示，但平均 電流小，選用 電流二極管即可，其耐壓等于或大于 CBOV 。有效電流為平均電流（輸出電流）的 ∽ 倍。當輸出電壓為 8V 以下時，檢測電路采用可變串聯(lián)穩(wěn)壓器，如 圖 215(a)所示，輸出電壓???????? ??2101 RRVV ref 。 20% 輸出電壓： DC15V