【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ； CJ：肖特基勢(shì)壘管的結(jié)電容， F； n：變壓器初 級(jí)對(duì)次級(jí)的匝數(shù)比， NP/NS。 吸收回路中的電容器 CS的值可以在 F 到 F 之間任意選擇，電阻上的功率損耗 PR可以由下式求出： 212 inRSVP C fn??? ???? （ 14） 其中 f 是變換器的工作頻率。 功率輸出電感的特性 在設(shè)計(jì)隔離式高頻開(kāi)關(guān)電源時(shí)，大多數(shù)人都使用電感作為輸出濾波電路的一部分。電感的存在，有兩方面的作用。第一個(gè)作用是它可以存儲(chǔ)能量，以便在開(kāi)關(guān)功率管截止或“死區(qū)”時(shí)間內(nèi)，能夠給負(fù)載提供連續(xù)不斷的電流 ；第二個(gè)作用就是使輸出的直流電壓更加平滑，使輸出電壓波紋能夠達(dá)到允許的標(biāo)準(zhǔn)。 目前，市場(chǎng)上有多種材料制成的磁芯可供設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)電感時(shí)選擇。常用的磁芯有鐵氧體磁芯，鐵粉磁芯和坡莫合金（ MPP）磁芯。這些磁芯對(duì)于設(shè)計(jì)電感都是很好用的?；镜脑O(shè)計(jì)原則是要與成本、重量和實(shí)用性等因素綜合起來(lái)考慮。 鐵粉磁芯與 MPP 磁芯一般是圓環(huán)形狀，由于具有如下特點(diǎn)，所以最適合于作扼流圈。 （ 1）飽和磁通密度高，可達(dá)4800010??T 以上。 （ 2）能量存儲(chǔ)能力強(qiáng)。 （ 3）由于有固有的氣隙口，因此無(wú)須對(duì)磁芯再 開(kāi)氣隙口。 （ 4）供選擇的尺寸寬。 對(duì)于鐵氧體磁芯來(lái)說(shuō)，由于其飽和磁通密度 Bsat 低，所以必須要開(kāi)氣隙口，它們對(duì)溫度比較敏感，其體積也較大。鐵氧體扼流圈的特點(diǎn)是容易繞制。它更適于使用粗導(dǎo)線繞制電感線圈。如果用罐形磁芯作輸出電感，由于其固有的屏蔽特性，電感所輻第一章 多路輸出式單片電源開(kāi)關(guān)的原理與應(yīng)用 12 射的射頻干擾會(huì)減小。 開(kāi)關(guān)電源的控制電路 當(dāng)今的開(kāi)關(guān)電源大部分采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù) (PWM)，這一技術(shù)主要是在主變換器工作周期不變的情況下，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間，以控制輸出電壓穩(wěn)定在預(yù)先確定的電壓值上。 PWM 提供了優(yōu)越的性能，如良好的線性、負(fù)載調(diào)整率高以及在溫度變化過(guò)程中具有較高的穩(wěn)定性等。 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓系統(tǒng)的隔離技術(shù) 隔離式高穩(wěn)定開(kāi)關(guān)電源的任務(wù)主要有兩個(gè)方面，首先，它必須提供高度穩(wěn)定的若干組低輸出，為電子設(shè)備或機(jī)電電路提供充足的供電電源；另一方面，它必須在輸出和輸出之間提供很高的隔離特性，以保護(hù)電器免受因高壓及沖擊電流引起的電氣短路的危害。 PWM 系統(tǒng) 盡管許多開(kāi)關(guān)技術(shù)可用于開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，但直到目前為止，使用最多的開(kāi)關(guān)技術(shù)還是固定頻率的 PWM 技術(shù)。在一個(gè) PWM 系統(tǒng)中， 通常是產(chǎn)生一組方波脈沖來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)晶體管的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，用改變脈沖寬度的方法，來(lái)改變晶體管相應(yīng)的導(dǎo)通和截止時(shí)間，因而能夠使輸出電壓穩(wěn)定在預(yù)定的值上。 PWM 控制電路可以是單端的，即能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)單晶體管變換器（如反激式和正激式變換器電路）。如果有兩個(gè)或更多 的晶體管需要驅(qū)動(dòng)（采用半橋式或全橋式變換器電路），則需要采用一個(gè)雙路的 PWM 電路。 PWM 控制電路 一個(gè)簡(jiǎn)單的閉環(huán)回路 PWM 控制電路，可用很少幾個(gè)分立元件構(gòu)成的半導(dǎo)體電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)時(shí)鐘脈沖生成電路 IC1 產(chǎn)生一串 固定頻率的不對(duì)稱方波脈沖，固定頻率為 20kHZ， IC1 可選用 555 時(shí)基電路或其他等效電路進(jìn)行設(shè)計(jì) PWM 控制器 第一章 多路輸出式單片電源開(kāi)關(guān)的原理與應(yīng)用 12 近年來(lái)已開(kāi)發(fā)出許多高頻開(kāi)關(guān)電源控制集成電路，這些電路包含了建立 PWM 開(kāi)關(guān)電源所需的所有功能，使開(kāi)關(guān)電源用一片集成電路和若干附加元件即可制成。圖 描述了一個(gè)簡(jiǎn)單的 PWM 控制器的基本構(gòu)成框圖和它相關(guān)部位的波形。這個(gè)電路電路的工作過(guò)程如下：誤差放大器將從電源輸出端引入的反饋信號(hào)與其反相輸出端的固定參考電壓 Vref進(jìn)行比較，誤差信號(hào)被放大并送到比較器的反相輸入端，而比較器 的同相輸入端輸入的是由一個(gè)固定頻率振蕩器產(chǎn)生的具有線性斜率的鋸齒波，振蕩器的輸出同時(shí)送到一個(gè)翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器（ F/F),產(chǎn)生方波輸出 Q 和 。 比較器的輸出方波和觸發(fā)器的方波輸出，都用于驅(qū)動(dòng)與門，使得兩個(gè)輸入信號(hào)均為“ 1”時(shí)輸出，這樣，在 A 路和 B 路最終得到的是可變脈沖占空比的脈沖串。圖 用虛線說(shuō)明了，當(dāng)誤差信號(hào)幅度變化時(shí)，輸出脈沖的寬度是如何被調(diào)制的。通常 PWM 控制器在其外部經(jīng)緩沖后去驅(qū)動(dòng)主電源開(kāi)關(guān)晶體管。這一類的電路可被用來(lái)驅(qū)動(dòng)兩支晶體管或是驅(qū)動(dòng)單晶體管，在后一種情況下，輸 出可在片外進(jìn)行“與”處理（直接相與），或者只允許有一路作為驅(qū)動(dòng)。 這種 PWM 控制器的優(yōu)點(diǎn)是很突出的，包括可編程的固定頻率振蕩器，線性 PWM可從 0%~100%地調(diào)整占空比，防止輸出晶體管同時(shí)導(dǎo)致的死區(qū)時(shí)間調(diào)整，并具有電路簡(jiǎn)捷、可靠性高和價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。 PWM 控制器及其應(yīng)用 早期出現(xiàn)的單片 PWM 集成控制電路是摩托羅拉公司生產(chǎn)的 MC3420 開(kāi)關(guān)方式的穩(wěn)壓控制器和 SG 公司生產(chǎn)的 SG3524PWM 控制器，這兩種集成電路已經(jīng)成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件。 這些 PWM 控制芯片在很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi) 成為了開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的中心部分，它們既可以單端應(yīng)用，也可以雙端應(yīng)用，效果很好。而后許多生產(chǎn)廠家又相繼推出了多款PWM 控制芯片，其中德州儀器公司推出的 TL494 芯片就是對(duì) SG3524 的改進(jìn)，提供了可調(diào)整的死區(qū)時(shí)間控制功能，輸出晶體管也具有較高的拉、灌電流能力，改進(jìn)了限流控制，輸出方向控制等功能。 由于功率 MOSFET 管的引入，又首次出現(xiàn)了 SG1525A 和 SG1526 系列芯片，它們采取圖騰柱式輸出方式，具有直接驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 和雙極性晶體管的功能。這些電路還具有低壓時(shí)鎖定輸出，可編程式軟啟動(dòng)，數(shù)字式電 流限制，并可在高達(dá)400kHZ 的頻率下工作。 開(kāi)關(guān)電源的輔助電路 為了增強(qiáng)開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性和可靠性，還需要許多外圍電路和輔助電路。 在開(kāi)關(guān)電源的主振回路中，廣泛的應(yīng)用了像光電耦合器一類的元器件，這些元器 件在反激式變換器和正激式變換器電路中，除了提供必要的輸入 輸出隔離功能外，它們還能提供良好的信號(hào)傳遞功能。 此外，主振回路還包括其它一些電路類型：如軟啟動(dòng)電路、過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)壓保護(hù)電路等，這些電路可以有效防止電源由于意外原因造成失效損壞。 光電耦合器 光電 耦合器又叫做光電隔離器，在開(kāi)關(guān)電源的主振回路中，它在輸入回路和輸出回路之間起隔離作用。同時(shí)，它還為電源的穩(wěn)壓控制電路提供信號(hào)傳遞通路。圖 表示的是一個(gè)典型的光電耦合器結(jié)構(gòu)圖。 光電耦合器主要由兩個(gè)元件組成：一個(gè)是光源。實(shí)際上它是一個(gè)發(fā)光二極管（ LED），另一個(gè)是光敏器件，它可以是光電池、光敏三極管、光敏單向可控硅等器件。最通用的光電耦合器是把一個(gè)砷化鎵發(fā)光二極管（ LED）和一個(gè)硅光敏三極管封裝在一個(gè)完全與外界光線隔絕的外殼中。 光電耦合器的基本工作過(guò)程如下：當(dāng)有電流經(jīng)過(guò) LED 時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)光源，光的 強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的強(qiáng)度，此光源照射到封裝在一起的 光敏三極管上后，控制光敏三極管產(chǎn)生一個(gè)與 LED 正向電流成比例的集電極電流。 開(kāi)關(guān)電源主振回路所使用的自舉式輔助電源 在高頻開(kāi)關(guān)電源中，用驅(qū)動(dòng)變壓器推動(dòng)開(kāi)關(guān)管的基極可以實(shí)現(xiàn)必要的輸入 輸出時(shí)間隔離，但通常是用在半橋式和全橋式變換器電路中。在大多數(shù)正激式和反激式變換電路中，都是利用光電耦合器作隔離器件。 第一章 多路輸出式單片電源開(kāi)關(guān)的原理與應(yīng)用 27 利用光電隔離器可以大大簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗恍枰?qū)動(dòng)變壓器和輔助電源變壓器。在這種情況下，總的控制電路是以變壓器的初級(jí) 側(cè)為基準(zhǔn)的。啟動(dòng)電路和自舉式輔助電源技術(shù)可以直接應(yīng)用于直流高壓線和高頻變壓器之間，并為控制電路提供電源。 自舉式輔助電源電路的功能如下：當(dāng)輸入交流電壓加上后， PWM 控制和驅(qū)動(dòng)電路得到了啟動(dòng)電壓 VC,此電壓是由直接與直流高壓相連的 R VDW1 和 VT1 線性穩(wěn)壓電路形成的啟動(dòng)電壓。在電源啟動(dòng)后，主變壓器的輔助線圈提供了電壓 VD，其電壓值高于 VC，從而是二極管 D5 處于反向偏置。因此，把線性穩(wěn)壓器也關(guān)閉了。在這一條件下，電源提供了自舉的輔助電源電壓 VD 以保持它本身的工作，而啟動(dòng)穩(wěn)壓器即無(wú)功率消耗了。 在設(shè)計(jì)以上電路時(shí)，必須選用符合條件的晶體管。要求此晶體管在截止時(shí)，要能承受基極 集電極的高壓。這種電路形式只要稍加變化，便可在許多的實(shí)際電路中被采用。 開(kāi)關(guān)電源中的軟啟動(dòng)電路 在大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，都要有一個(gè)延時(shí)啟動(dòng)電路，目的是為了避免在電源開(kāi)關(guān)接通的瞬間產(chǎn)生過(guò)流現(xiàn)象和使變壓器產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。完成這一功能的電路稱為“軟啟動(dòng)電路”。一般的軟啟動(dòng)電路都由 RC 網(wǎng)絡(luò)組成，它使得 PWM 控制電路輸出從零電壓上升到其工作電壓的過(guò)程是緩慢進(jìn)行的。 在 PWM 控制電路中軟啟動(dòng)電路的組成如圖 所示。 在圖 中電路可以使 PWM 控制信號(hào)從零到其工作電壓逐漸地上升，具體工作過(guò)程分析如下：在時(shí)間 t=0 時(shí)，電源開(kāi)關(guān) 剛接通，電容器開(kāi)始處于未被充電狀態(tài)，而誤差放大器的輸出端通過(guò)二極管 VD1 保持在零電平。這樣，它就禁止了比較放大器的輸出。 第一章 多路輸出式單片電源 開(kāi)關(guān)的原理與應(yīng)用 31 在時(shí)間 t=0?時(shí)，電容器通過(guò)電阻 R 開(kāi)始充電，充電時(shí)間常數(shù)由下式?jīng)Q定： RC?? （ 17） 充電電壓為 Vref。當(dāng)電容器充滿電荷時(shí)，二極管 VD1 則 處于反向偏置。因此，誤差放大器的輸出就和軟啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)隔離開(kāi)來(lái)。電容器 C 緩慢地充電導(dǎo)致比較放大器輸入端的 PWM 波形逐漸地上升。這樣，開(kāi)關(guān)元件的軟啟動(dòng)功能就完成了。 二極管 VD2 用于旁路電阻 R，為了確保在系統(tǒng)關(guān)閉的情況下，使電容器 C 有足夠的速度放電，這樣，即使在很短的中斷時(shí)間，也可以啟動(dòng)另一個(gè)新的軟啟動(dòng)周期。在一些第二代的 PWM 集成控制電路中，電阻 R 已被集成在電路芯片上的電源生成器所代替，因此，只需要一個(gè)外圍器件電容器 C 便可以完成軟啟動(dòng)功能。 很顯然，軟啟動(dòng)電路使得輸出電壓的上升時(shí)間產(chǎn)生一定的時(shí)間 延時(shí)，因此，必須要合理的選擇電阻 R 和電容器 C 的值，以保證這個(gè)延時(shí)時(shí)間在允許的范圍內(nèi)。 第一章 多路輸出式單片電源 開(kāi)關(guān)的原理與應(yīng)用 31 作為開(kāi)關(guān)使用的功率 MOSFET 管 基本的 MOSFET 管定義 盡管場(chǎng)效應(yīng)管（ FET）在各種電路中已經(jīng)應(yīng)用多年，但是金屬 氧化物的半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（ MOSFET）是在最近十幾年內(nèi)才發(fā)展起來(lái)的，并廣泛應(yīng)用于電源設(shè)計(jì)中。MOSFET 管的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)開(kāi)關(guān)電源對(duì)于器件的要求，它的工作頻率超過(guò) 20kHZ，可以達(dá)到 100kHZ 到 200kHZ，完全超過(guò)了雙極性晶體管工作頻率的限制。 它有幾個(gè)適用于設(shè)計(jì)電源變換 器的優(yōu)點(diǎn)，如其工作頻率可達(dá) 100kHZ 以上更重要的是它減小了體積和重量，功率 MOSFET 管向電源設(shè)計(jì)者提供了一種高速、大功率、高耐壓的器件，它還具有高增益，幾乎不存在存儲(chǔ)時(shí)間，不會(huì)有熱擊穿等優(yōu)點(diǎn)。 圖 是 N 溝道 MOSFET 管與 NPN 型雙極性晶體管相比較的原理圖符號(hào)。還有一種 P 溝道的 MOSFET，它的電流流動(dòng)方向與 N 溝道的 MOSFET 相反。在圖 中，雙極性晶體管分為集電極、基極和發(fā)射極， MOSFET 與之相對(duì)應(yīng)的極分別是漏極、柵極和源極，分別用字母 D、 G 和 S 表示。 雖然這兩種器 件都叫做“晶體管”，但是它們?cè)跇?gòu)造上和工作原理上有嚴(yán)格的區(qū)別最重要的區(qū)別是 MOSFET 管是多數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)的半導(dǎo)體器件，而雙極性晶體管是少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)的半導(dǎo)體器件。第一章 多路輸出式單片電源開(kāi)關(guān)的原理與應(yīng)用 33 開(kāi)關(guān)電源所用的術(shù)語(yǔ) 效率：電源的輸出功率與輸入功率的百分比。其測(cè)量條件是滿負(fù)載，輸入交流電壓為標(biāo)準(zhǔn)值。 ESR：等效串聯(lián)電阻。它表示電解電容呈現(xiàn)的電阻值的總合。一般情況下， ESR值越低的電容，其性能就越好。 輸出電壓保持時(shí)間：在開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓撤銷后，依然保持其額定輸出電壓 的時(shí)間。 啟動(dòng)浪涌電流限制電路：它屬于保護(hù)電路。它對(duì)電源啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的尖峰電流起限制作用。為了防止不必要的功率損耗，在設(shè)計(jì)這一電路時(shí)，一定要保證濾波電容充滿電之前，就起到限流作用。 隔離電壓：電源電路中的任何一部分與電源基板地之間的最大電壓?；蛘吣軌蚣釉陂_(kāi)關(guān)電源的輸入端與輸出端之間的最大直流電壓。 線性調(diào)整率：輸出電壓隨輸入線性電壓在指定范圍內(nèi)變化的百分率。條件是負(fù)載和周圍溫度保持恒定。