【正文】 各行各業(yè)的要求。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源，進入 80 年代 計算機電源 全面實現(xiàn)了 開關(guān)電源化，率先完成計算機的電源換代，進入 90 年代開關(guān)電源相繼進入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源，更促進了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。隨著電 力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。這個脈沖電壓經(jīng)濾波電路進行平滑濾波就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓 U0。由于 PWM 式的開關(guān)頻率固定，輸出濾波電路比較容易設(shè)計，易實現(xiàn)最優(yōu)化，所以 PWM 式開關(guān)電源用 得較多。在各種開關(guān)電源中，以上三種脈沖占空比調(diào)節(jié)方式均有應(yīng)用。 2%以下。 開關(guān)電源的分類 ，開關(guān)電源可分為脈沖寬度調(diào)制 (PWM)式、脈沖頻率調(diào) 制 (PFM)式和脈沖調(diào)頻調(diào)寬式三種。 按電路的輸出取樣方式分類，可分為直接輸 出取樣開關(guān)電源，間接輸出取樣開關(guān)電源；開關(guān)電源按功率開關(guān)管的連接方式，可分為單端正激開關(guān)電源、單端反激開關(guān)電源、半橋開關(guān)電源和全橋開關(guān)電源；按功率開關(guān)管與電源供電、儲能電感、穩(wěn)壓電壓的輸出方式，可分為串聯(lián)開關(guān)電源和并聯(lián)開關(guān)電源。 電源調(diào)整率的定義為電源供應(yīng)器于輸入電壓變化時提供其穩(wěn)定輸出電 7 壓的能力。均方根值交流電壓表來測量輸入電源電壓，眾多的數(shù)字功率計能精確計量 V、 A、 W、 PF。此項測試系用來驗證電源在最惡劣負載環(huán)境下，如 在 負載 斷開 ，用電需求量最小 ， 其負載電流最低 的條件下，以及在 負載最多 ，用電需求量最大 ， 其負載電流最高的兩個極端下驗證電源的輸出電源穩(wěn)定度是否合乎需求的規(guī)格。 綜合調(diào)整率的定義為電源供應(yīng)器在輸入電壓與輸出負載電流變化時，提供其穩(wěn)定輸出電壓的能力。輸出噪聲是表示在經(jīng)過穩(wěn)壓及濾波 后 的直流輸出電壓 含 有不需要的交流和噪聲部份 ， 包含低頻50/60Hz 電源倍頻信號、高于 20 KHz 高頻切換信號及其諧波，再與其他隨機性信號所組成 等 ，通常以 mVpp 峰對峰值電壓為單位來表示。 9 第二章 開關(guān)電源元器件的選用 開關(guān)晶體管 無論那一種變換器，用的是那一種結(jié)構(gòu)形式的開關(guān)電源，所使用的元器件都是開關(guān)晶體管、電阻、電容、電感及磁性材料等。元器件本身質(zhì)量的差異是影響開關(guān)電源質(zhì)量的一個重要原因。這時因為 MOSFET 是一種依靠多數(shù)載流子工作的單極型器件，不存在二次擊穿和少數(shù)載流子的儲存時間問題，所以具有較大的安全工作區(qū)、良好的散熱穩(wěn)定性和非?？斓拈_關(guān)速度。由于它沒有少數(shù)載流子的存儲效應(yīng)，所以它適用于 100~200MHz 的高頻場合，從而可以采用小型化和超小型化的磁性元件和電容器。 MOSFET 對系數(shù)的可靠性與安全性的影響并不像雙極型晶體管那樣重要。齊納二極管 DW1， DW2 反向串接在一起，用于對 VT的柵 — 漏極進行鉗位，放置驅(qū)動電壓 VGS過高而使 VT 幾串。 11 TR1 1 0 0V T1GDSM T D 5 N2 5 E2 5 TNSR21 KIDV DV T2B C 5 5 7 圖 22 功率驅(qū)動電路 圖 22 所示是加速漏極電流跌落時間、有利于零功率控制的電路。 IGBT 的主要特點是： ① 電流密度大，是 MOSFET 的 10 倍以上。 ④ 擊穿電壓高，安全工作區(qū)大，在受到較大瞬態(tài)功率沖擊時不會損壞。有關(guān) MOSFET 和 IGBT 的圖形符號見圖 23 和圖 24。由于高頻變壓器、電感器所涉及的參數(shù)太多，例如電壓、電流、溫度、頻率、電感量、變比、漏感、磁性材料參數(shù)、銅損、鐵損、交流磁場強度、交流磁感應(yīng)強度、真空導(dǎo)磁率等十幾種參量。 磁性材料的基本特性 (1) 磁場強度（ H）與磁感應(yīng)強度（ B）。 (2) 居里溫度 TC。磁性材料的磁化曲線始端磁導(dǎo)率的極限值稱為初始導(dǎo)磁率。磁芯從飽和狀態(tài)除去磁場后繼續(xù)反向磁化，直到磁感應(yīng)強度減小到零，此時的磁場強度稱為矯頑力（保磁力）。如果 磁芯的 S 矩形曲線在 B 方向上被壓扁，將會嚴重影響變壓器的振蕩波形，導(dǎo)致開關(guān)晶體管溫升加劇。在強磁場力作用下，磁性材料會收縮或膨脹，很可能出現(xiàn)磁共振，所以把磁芯變壓器裝在印制電 14 路板上時要注意切實粘結(jié)牢固，防止出現(xiàn)機械噪聲和電磁噪聲。 (2) PM 時 R 形磁芯，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，但電能耦合不是很好，散熱性能也不是很好。其缺點是窗口面積比較小，對變壓器的匝數(shù)要有限制。 光電耦合器 光電 耦合 器（ Optical Coupler， OC）也 叫光 電隔 離器 （ Optical Isolationg， OI），簡稱光耦。光電耦合器的主要優(yōu)點是單向信號傳輸，輸入端和輸出端完全實現(xiàn)了隔離，不受其他任何電氣干擾和電磁干擾，具有很強的抗干擾能力。 圖 26 光電耦合器及其典型用法 實際上，光電耦合器有晶體管、達林頓、可控硅、磁效應(yīng)管等多種輸出形式。 (1) 光耦合器的性能特點及其抗干擾作用 光耦合器的主要優(yōu)點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸 效率高。光電耦合器的隔離電阻很大、隔離電容很?。s幾個 pF），所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。在開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。 (2) 光耦合器的技術(shù)參數(shù) 主要有發(fā)光二極管正向壓降 FV 、正向電流 FI 、電流傳輸比 CTR、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極 發(fā)射極反向擊穿電壓 (BR)CEOV 、集電極 發(fā)射極飽和壓降 CE(sat)V 。其公式為： OF( / )1 0 0 %C T R I I? （ 21） 采用一只光敏三極管的光耦合器， CTR 的范圍大多為 20%～ 300%（如4N35），而 PC817 則為 80%～ 160%，達林頓型光耦合器（如 4N30）可達 100%～ 17 5000%。線性光耦合器的 FCTR I? 特性曲線具 有 良 好 的 線 性 度 ， 特 別 是 在 傳 輸 小 信 號 時 ， 其 交 流 電 流 傳 輸 比( /CTR IC IF? ? ? ?)很接近于直流電流傳輸比 CTR 值。鑒于此類光耦合器呈現(xiàn)開關(guān)特性，其線性度差，適宜傳輸數(shù)字信號(高、低電平 )，可以用于單片機的輸出隔離；所選用的光耦器件必須具有較高的耦合系數(shù)。光耦合器的電流傳輸比 (CTR)的允許范圍是 50%～ 200%。從結(jié)構(gòu)上來分，有點接觸型和面接觸型二極管。 開關(guān)二極管 開關(guān)管用在高速運行的電子電路中，起信號傳輸作用，在模擬電路中起作鉗位抑制作用。 硅二極管的主要技術(shù)指標是： (1) 最高反向工作電壓 VRM和反向擊穿電壓 VBR：這兩個參數(shù)越大越好。 穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管又叫齊納二極管（ Zener Diod），具有單向?qū)щ娦?，它工作在電壓反向擊穿狀態(tài)。穩(wěn)壓值低于 40V 的叫做低壓穩(wěn)壓二極管；高于 200V 的叫做高壓穩(wěn)壓二極管。穩(wěn)壓二極管從材料上分為 N 型和 P 型兩種。設(shè)計人員根據(jù)需要選用。 快速恢復(fù)及超快速恢復(fù)二極管 快速恢復(fù)二極管（ Fast Recovery Diod）和超快速恢復(fù)二極管（ Superfast Recovery Diod， SRD）時很多電子設(shè)備中常用的器件，在開關(guān)電源中也經(jīng)常用到。一般來說，選用管子的整流電流時設(shè)計輸出電流的 3 倍以上。一般正向電阻為 6 ? ，反向電阻為無窮大，可從讀出的負載電壓計算出正向?qū)▔航?。?dāng)電路發(fā)生短路或用電電流超過極限值時，它起保護作用。當(dāng)故障排除以后，它又能很快恢復(fù)到低電阻狀態(tài)。這里應(yīng)特別注意：自動恢復(fù)開關(guān)只能進行低壓過流保護，而不能接在 220V 或 110V 交流電壓上，否則將使開關(guān)燒壞。穩(wěn)壓電源的輸出電壓從零開始逐漸升高，這時注意電流表的電流讀數(shù)也在不斷增加。 熱敏電阻 熱敏電阻時有錳鈷鎳的氧化物燒結(jié)成的半導(dǎo)體陶瓷制成的，具有負溫度系數(shù)，隨著溫度的升高，其電阻值降低。 22 熱敏電阻在開關(guān)電源中起過溫度保護和軟啟動的作用。當(dāng)發(fā)熱越過極限值時，整流后的輸出電壓降低，開關(guān)電源高頻振蕩停振，或是由于熱敏電阻阻值降低后，將電路保險絲燒斷，電路與供電電源斷開，起到熱保護作用。如果將電阻換為熱敏電阻，就可解決這一問題。 23 第三章 開關(guān)電源 的設(shè)計 開關(guān)電源的電路組成 開關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波 器（ EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、 PWM 控制器電路、輸出整流濾波電路組成。 ② 輸入濾波電路： C L C C3組成的雙 π 型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，防止對電 源干擾，同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。若 C5 容量變小，輸出的交流紋波將增大。在起機的瞬間，由于 C6 的存在 Q2 不導(dǎo)通，電流經(jīng) RT1 構(gòu)成回路。也稱為表面場效應(yīng)器件。從 R3測得的電流峰值信號參與當(dāng)前工作周波的占空比控制，因此 是當(dāng)前工作周波的電流限制。 Z1 通常將 MOS 管的 GS 電壓限制在 18V 以下，從而保護了 MOS 管。 推挽式功率變換電路： Q1 和 Q2 將輪流導(dǎo)通。 L1為續(xù)流電感， C LC5 組成 π 型濾波器。 同步整流電路： 28 工作原理：當(dāng)變壓器次級上端為正時，電流經(jīng) C R R R7 使 Q2導(dǎo)通，電路構(gòu)成回路， Q2 為整流管。 L2 為續(xù)流電感， C L C7 組成 π 型濾波器。周而復(fù)始，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。 短路保護電路 在輸出端短路的情況下， PWM 控制電路能夠把輸出電流限制在一個安全范圍內(nèi)，它可以用多種方法來實現(xiàn)限 流電路，當(dāng)功率限流在短路時不起作用時，只有另增設(shè)一部分電路。 下圖是中功率短路保護電路，其原理簡述如下： 30 當(dāng)輸出短路， UC3842① 腳電壓上升 ,U1 ③ 腳 電位高于 ② 腳時，比較器翻轉(zhuǎn) ① 腳輸出高電位，給 C1 充電，當(dāng) C1 兩端電 壓超過 ⑤ 腳基準電壓時 U1⑦ 腳輸出低電位， UC3842① 腳低于 1V， UCC3842 停止工作，輸出電壓為 0V，周而復(fù)始，當(dāng)短路 消失后電路正常工作。 下圖是用電流互感器取樣電流的保護電路，有著功耗小，但成本高和電路較為復(fù)雜，其工作原理簡述如下： 輸出電路短路或電流過大， TR1 次級線圈感 應(yīng)的電壓就越高，當(dāng) 31 UC3842③ 腳超過 1 伏， UC3842 停止工作，周而復(fù) 始，當(dāng)短路或過載消失，電路自行恢復(fù)。應(yīng)用最為普遍的過壓保護電路有如下幾種： 可控硅觸發(fā)保護電路： 如上圖，當(dāng) Uo1 輸出升高，穩(wěn)壓管 （ Z3）擊穿導(dǎo)通，可控硅（ SCR1）的控制 32 端得到觸發(fā)電壓，因此可控硅導(dǎo)通。 Q1 基極得電導(dǎo)通， 3842 的 ③ 腳電降低，使 IC 關(guān)閉，停止整個電源的工作， Uo為零，周而復(fù)始。在圖 B 中， UO 升高 U1③ 腳電壓升高， ① 腳輸出高電平，由于 D R1 的存在， U1① 腳始終輸出高電平 Q1 始終導(dǎo)通， UC3842① 腳始終是低電平而停止工作。 D2 是 PFC 整流二極管， C C7 濾波。 取樣電壓分為兩路，一路經(jīng)R R R R4 分壓后輸入比較器 3 腳，如取樣電壓高于 2 腳基準電壓，比較器 1 腳輸出高電平去控制主控制器使其關(guān)斷，電源無輸出。 TL494 能產(chǎn)生PWM，能調(diào)整頻率和脈寬，還有一路基準電壓，這些都滿足 DCDC 的條件，采用不同拓撲，得到升壓和降壓，如圖： 1，采用推挽（ pushpull）方式，升壓，可以改變反饋電阻，得到其他電壓； 2，采用 BUCK 拓撲降壓 ，可以改變反饋電阻，得到其他電壓； 其外形圖如圖 31。 (4)內(nèi)止 5V 參考基準電壓源。 TL494 的工作原理 TL494 是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào) 制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)，輸出脈沖的寬度是通過電容 CT 上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)。 控制信號由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。兩個誤差放大器具有從 到（ ）的共模輸入范圍。 TL494 內(nèi)部電路框圖見圖32。 (3)觸發(fā)器的兩路輸出設(shè)有控制電路，使內(nèi)部 2 只開關(guān)管既可輸出雙端時序不同的驅(qū)動脈沖，驅(qū)動推挽開關(guān)電路和半橋開關(guān)電路，也可輸出同相序的單端驅(qū)動脈沖，驅(qū)動單端開關(guān)電路。若用于驅(qū)動 MOS FET 管，則需另加入灌流驅(qū)動電路?？山尤胝`差檢出的基準電壓。 3 腳電壓反比于輸出脈寬，也可利用該端功能實現(xiàn)高電平保護。 5 腳為鋸齒波振蕩器外接定