【文章內(nèi)容簡介】 高達(dá) ，長期使用完好，壽命在 80000h 以上。這就是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢。所謂高標(biāo)準(zhǔn)就是對未來開關(guān)電源的挑戰(zhàn)：第一，能不能全面通容電磁兼容性的各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；第二，在企業(yè)里能不能大規(guī)模地、穩(wěn)定地生產(chǎn)，或快捷地進(jìn)行單項(xiàng)生產(chǎn)；第三，按照人們的需要，能不能組裝或拼裝大容量、高效率的電源；第四，能否使新的開關(guān)電源具有比運(yùn)行中的電氣額定值更高的功率因數(shù)、更低的輸出電壓（ 1~3V）、更大的輸出電流（數(shù)百安）；第五，能不能實(shí)現(xiàn)更小的電源模塊。 開關(guān)電源的控制方式 目前生產(chǎn)的開關(guān)電源多數(shù)采 用脈寬調(diào)制方式，少數(shù)采用脈沖頻率調(diào)制方式，很少見到混合調(diào)制方式。脈沖頻率調(diào)制（ Pulse Frequency Modulation， PFM）是將脈沖寬度固定，通過調(diào)節(jié)工作頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓。在電路設(shè)計上要用固定頻率發(fā)生器來代替脈寬調(diào)制器的鋸齒波發(fā)生器，并利用電壓、頻率轉(zhuǎn)換器（例如壓控振蕩器 VCO）改變頻率。穩(wěn)壓原理是：當(dāng)輸出電壓升高時，控制器輸出信號的脈沖寬度不變，而工作周期變長，使占空比減小，輸出電壓降低。調(diào)頻式開關(guān)電源的輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍很寬，調(diào)節(jié)方便，輸出可以不接假負(fù)載，詳見圖 32所示的波形圖。混合 調(diào)制方式是指脈沖寬度與頻率都不固定，都可以改變。目前這種調(diào)節(jié)方式應(yīng)用得不是很多，產(chǎn)品類型也不多，只是在個別實(shí)驗(yàn)室中使用，其原因是兩種調(diào)制方式共存，相互影響較大，穩(wěn)定性差。再者，這種開關(guān)電源電路比較復(fù)雜，集成控制電路也不是很多。但是它的占空比調(diào)節(jié)范圍很寬，輸出電壓能做到很低。 to nto ntto f fTto f fTVi nVi nV0V000t (a) PWM控制方式 to nto f fT1T2tVi nVi nV0V000 t (b) PFM控制方式 圖 32 PWM、 PFM控制方式和波形圖 脈寬調(diào)制的基本 原理 開關(guān)電源采用脈寬調(diào)制方式的占很大比例，所以有必要對脈寬調(diào)制的基本原理加以了解。 220V 交流輸入電壓經(jīng)過整流（ BR）濾波后變?yōu)槊}動直流電壓，供給功率開關(guān)管作為動力電源。開關(guān)管的基極或場效應(yīng)管的柵極有脈寬調(diào)制器的脈沖驅(qū)動。脈寬調(diào)制器由基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、 PWM比較器和鋸齒波發(fā)生器組成，如圖 33所示。開關(guān)電源的輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較、放大，然后將其差值送到脈寬調(diào)制器。脈寬調(diào)制的頻率是不變的，當(dāng)輸出電壓 V0下降時，與基準(zhǔn)電壓比較的差值增加，經(jīng)發(fā)達(dá)后輸入到 PWM比較器，加寬了脈沖寬度。寬脈沖經(jīng)開關(guān)晶體 管功率放大后，驅(qū)動高頻變壓器，使變壓器初級電壓升高，然后耦合到次級，經(jīng)過二極管 VD 整流和電容 C2濾波后，輸出電壓上升，反之亦然。 P W M比 較 器鋸 齒 波發(fā) 生 器+基 準(zhǔn)電 壓 源P W M 調(diào) 制 器A C2 2 0 V5 0 H ZB RT RV DC2++V0V T誤 差 放 大 器 圖 33 脈寬調(diào)制的原理圖 脈沖頻率調(diào)制的基本原理 脈沖頻率調(diào)制的過程是這樣的：如圖 34所示，從輸出電壓中取出一信號電壓并由誤差放大器放大，放大后的電壓與 5V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，輸出誤差電壓 Vr，并以此電壓作為控制電壓來調(diào)制 VCO 的震蕩頻率 f。再經(jīng)過瞬間定時器、控制邏輯和輸出級，輸出一方波信號，驅(qū)動 MOS 開關(guān) 管，最后經(jīng)高頻變壓器 TR 和整流濾波獲得穩(wěn)定的輸出電壓 V0。假設(shè)由于某種原因而使 V0上升或負(fù)載阻抗下降，控制電路立即進(jìn)行下述閉環(huán)調(diào)整：V0↑→ Vr↑→ f↓→ V0↓。該循環(huán)的結(jié)果是輸出電壓 V0趨于穩(wěn)定，反之亦然。這就是 PFM的工作原理。假設(shè)電源效率為 η ，脈沖寬度為 m，脈沖頻率為 f，則有 V0= 1Vfm ???? 。當(dāng) 1Vm??? 確定后，通過調(diào)制 VCO 的震蕩頻率就可以調(diào)節(jié)輸出電壓 V0，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出。需要指出的是： a、 b、 c 是壓控振蕩器外圍元件連接端，它們將決定振蕩的工作頻率和頻率調(diào)制靈敏度。 D端為鋸齒波電壓輸入端，由它改變定時器的定時時間。 壓 控 振 蕩 器零 電 壓 比 較 器 控 制 邏 輯誤 差 放 大 器V C 0瞬時定時器++abcd0 . 5 V5VVrFV TT R+ BV DV0CR 圖 34 脈沖頻率調(diào)制的基本原理 諧振式電源與軟開關(guān)技術(shù) 諧振式電源的基本原理 諧振式電源是新型開關(guān)電源的發(fā)展方向。它利用諧振電路產(chǎn)生正弦波，在正弦波過零時切換開關(guān)管，從而大大提高了開關(guān)管的控制能力，并減小了電源體積。同時，也使得電源諧波成分大為降低。另外，電源頻 率得到大幅度提高。 PWM一般只能達(dá)到幾百 K，但諧振開關(guān)電源可以達(dá)到 1M 以上。 普通傳統(tǒng)的開關(guān)電源功率因數(shù)在 ，諧振式電源結(jié)合功率因數(shù)校正技術(shù)，功率因數(shù)可以達(dá)到 以上，甚至接近于 1。從而大大抑制了對電網(wǎng)的污染。 這種開關(guān)電源又分為： ① ZCS—— 零電流開關(guān)。開關(guān)管在零電流時關(guān)斷。 ② ZVS—— 零電壓開關(guān)。開關(guān)管在零電壓時關(guān)斷。 在脈沖調(diào)制電路中，加入 L、 C 諧振電路，使得流過開關(guān)的電流及管子兩端的壓降為準(zhǔn)正弦波。下面是這兩種開關(guān)的簡單原理圖。 圖 316 電流諧振式開關(guān)電路和電壓諧振式開關(guān)電路 ZCS 電流諧振開關(guān)中， Lr、 Cr 構(gòu)成的諧振電路通過 Lr 的諧振電流通過 S，我們可以控制開關(guān)在電流過零時進(jìn)行切換。這個諧振電路的電流是正弦波，而 Us 為矩形波電壓。 ZVS 電壓諧振開關(guān)中， Lr、 Cr 構(gòu)成的諧振電路的 Cr端諧振電壓并聯(lián)到 S，我們可以控制開關(guān)在電壓過零時進(jìn)行切換。這個諧振電路的電壓是正弦波，而 Is 接近矩形波。以上兩種電路，由于開關(guān)切換時，電流、電壓重疊區(qū)很小，所以切換功率也很小。以上開關(guān)電源是半波的，當(dāng)然也可以設(shè)計成全波的。所以又有半波諧振開關(guān)和全波諧振開關(guān)的區(qū)分。 諧振開關(guān)的動態(tài)過程分析 實(shí)際上，諧振開關(guān)中的所謂 “ 諧振 ” 并不是真正理論上的諧振，而是 L、 C 電路在送電瞬間產(chǎn)生的一個阻尼振蕩過程。下面，我們對這個過程做一些分析，以了解諧振開關(guān)的工作原 理。 (1) 零電流開關(guān) 實(shí)際的零電流開關(guān)諧振部分拓補(bǔ)又分 L型和 M型。如下面兩組圖形所示 圖 317 L型零電流諧振開關(guān)（中半波，右全波） on off S Is Ts Ton Toff S Us Ts Ic Ui S Lr Cr VD Ic Ui S Lr Cr VD S L1 C1 S L1 C1 VD1 S L1 C1 VD1 圖 318 M型零電流諧振開關(guān)（中半波，右全波） 這里的 L1 用于限制 di/dt， C1用于傳輸能量，在開關(guān)導(dǎo)通時，構(gòu)成串聯(lián)諧振。用零電流開關(guān)替代 PWM 電路的半導(dǎo)體開關(guān)，可以組成諧振式變換器電路。按照 Buck 電路的 拓?fù)?結(jié)果，可以得到如下電路： 圖 319 Buck型準(zhǔn)諧振 ZCS變換器（ L型） 圖 320 Buck型準(zhǔn)諧振 ZCS變換器（ M型） 這里，我們分析一下 L 型電路的工作過程。 假定這是一個理想器件組成的電源。 L2 遠(yuǎn)大于 L1，從 L2左側(cè)看，可以認(rèn)為流過 LC RL的輸出電流是一個恒流源，電流 I0。諧振角頻率： 0 r r1/ LC? ? (39) S L1 C1 S L1 C1 VD1 S L1 C1 VD1 Vi VD2 VD1 L1 L2 C2 RL S C1 V0 i1 Vi VD2 VD1 L1 L2 C2 RL S C1 V0 特性阻抗： 0 r r/Z L C? (310) 動態(tài)過程如下： ① 線性階段（ 01tt? ）： 在 S 導(dǎo)通前， VD2處于續(xù)流階段。此時 VD2 C1 0VV??。 S導(dǎo)通時， L1 電流由 0 開始上升，由于續(xù)流沒有結(jié)束，此時初始 L1 iVV? 。 由 L1 i 1 /V V L di dt?? ，且 L1初始電流為 0，有： 1 i 0 1( ) /i V t t L?? (311) 到 t1 時刻，達(dá)到負(fù)載電流 I0，因此： 此階段持續(xù)時間： 1 1 0 1 0 i/T t t L I V? ? ? (312) 可以看出，此階段 1i 是時間的線性函數(shù)。 ② 諧振階段（ 12tt? ）： 在電流 i1上升期間，當(dāng) 10iI? 時，由于 1i 無法供應(yīng)恒流 0I ，續(xù)流過程將維持。當(dāng) 10iI?時，將以 10iI? 對 C1 充電， VD2 開始承受正壓， VD2 電流下降并截止。 L C1 開始串聯(lián)諧振， 1i 因諧振繼續(xù)上升。 c1 1 c1 1 0/i C dV dt i I? ? ? (313) L 1 1 1 i C 1/V L di dt V V? ? ? (314) 因而： 1 0 c 1 0 1 0 0 1/ * sin * ( )i I i I V Z t t?? ? ? ? ? (315) 其中， c1i 為諧振電流 。 c 1 1 L 1 1 1 0 1 1 0 1c o s ( ) [ 1 c o s ( ) ]V V V V V t t V t t??? ? ? ? ? ? ? ? (316) 諧振到 at 時刻，諧振電流歸零。如為半波開關(guān)，則開關(guān)自行關(guān)斷；如果是全波開關(guān)，開關(guān)關(guān)斷后，將通過 VD1 進(jìn)行阻尼振蕩，將電容能量饋送回電源，到時刻 bt 電流第二次為 0。本階段結(jié)束，這時的時刻為 t2。 VC1在 i1諧振半個周期， 10iI? 時，達(dá)最大值。 1i 第一次過零（ at ）時， S 斷開。如為半波開關(guān)，則諧振階段結(jié)束。如為全波開關(guān)， C1 經(jīng)半個周期的阻尼振蕩到電流