【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 要研究脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)。 常見的開關(guān)穩(wěn)壓電源分類方法有下列幾種：按激勵(lì)方式劃分有：（1）反激式。電路中專設(shè)激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的震蕩器。（2）自激式。開關(guān)管兼作震蕩器中的震蕩管。按調(diào)制方式劃分有：（1）脈寬調(diào)制型。震蕩頻率保持不變，通過改變脈沖寬度來改變和調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。有時(shí)通過取樣電路、耦合電路等構(gòu)成反饋閉環(huán)回路，來穩(wěn)定輸出電壓的幅度。（2）頻率調(diào)整型。占空比保持不變，通過改變震蕩器的震蕩頻率來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的幅度。（3）混合型。通過調(diào)節(jié)到導(dǎo)通時(shí)間的振蕩頻率來完成調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓幅度的目的。按開關(guān)管電流的工作方式劃分有：（1）開關(guān)型。用開關(guān)晶體管把直流變成高頻標(biāo)準(zhǔn)方波，電路形式似于他激式。（2）諧振型。開關(guān)晶體管與LC諧振回路將直流變成標(biāo)準(zhǔn)正弦波，電路形式類似于自激式。按儲(chǔ)能電感與負(fù)載的連接方式劃分有：（1）串聯(lián)型。儲(chǔ)能電感串聯(lián)在輸入與輸出電壓之間。（2）并聯(lián)型。儲(chǔ)能電感并聯(lián)在輸入與輸出電壓之間。按晶體管的連接方式劃分有：（1）單端式。僅使用一個(gè)晶體管作為電路中的開關(guān)管。這種電路的特點(diǎn)是價(jià)格低、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出功率不能提高。（2）推挽式。使用兩個(gè)開關(guān)晶體管，將其連接成推挽功率放大器形式。這種電路的特點(diǎn)是開關(guān)變壓器必須具有中心抽頭。（3）半橋式。使用兩個(gè)開關(guān)晶體管，將其連接成半橋的形式。它的特點(diǎn)是適應(yīng)輸入電壓較高的場(chǎng)合。（4）全橋式。使用四個(gè)開關(guān)晶體管，將其連接成全橋的形式。它的特點(diǎn)是輸出功率較大。按工作方式劃分有：（1）可控整流型。所謂可控整流型開關(guān)穩(wěn)壓電源，是指采用可控硅整流元件作為調(diào)整開關(guān)管，可由交流市電電網(wǎng)直接供電，也可用電壓器變壓后供電。（這種供電方式在開關(guān)穩(wěn)壓電源剛興起的初期常常采用，目前基本上不太采用。（2）斬波型。斬波型開關(guān)穩(wěn)壓電源是指直流供電，輸入直流電壓加到開關(guān)電路上，在開關(guān)電路的輸出端得到單向的脈動(dòng)直流，經(jīng)過濾波得到與輸入電壓不同的穩(wěn)定的輸出電壓。電路還從輸出電壓取樣，經(jīng)過比較、放大，控制脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，用以控制調(diào)整開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間的長(zhǎng)短或開關(guān)的工作頻率，最后達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。電路的過壓保護(hù)電路也是依據(jù)這一部分所提供的取樣信號(hào)來進(jìn)行工作的。（3）隔離型。這種形式的開關(guān)電源是在輸入回路與逆變電路之間、經(jīng)過高頻變壓器（也可稱為開關(guān)變壓器），利用磁場(chǎng)的變化實(shí)現(xiàn)能量傳遞，沒有電流間的直流流通。隔離型開關(guān)穩(wěn)壓電源采用直流供電，經(jīng)過開關(guān)電路，將直流電變成頻率很高的交流電，再經(jīng)過變壓器、變壓（升壓或降壓），然后經(jīng)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(jīng)放大后反饋至開關(guān)控制端，控制驅(qū)動(dòng)電路的工作，最后達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。這種形式的開關(guān)穩(wěn)壓電源在實(shí)際應(yīng)用得最為廣泛。按控制信號(hào)的隔離方式分有：（1）采用光電耦合的隔離方式。（2）采用變壓器的隔離方式。（3）電壓/頻率變換、頻率/電壓變換、用變壓器隔離控制信號(hào)的方式。（4）采用磁放大器的隔離方式。以上開關(guān)穩(wěn)壓電源的品種都是站在不同的角度，以開關(guān)穩(wěn)壓電源不同的特點(diǎn)命名的。盡管各種電路的激勵(lì)方法、輸出直流電壓的調(diào)節(jié)手段、儲(chǔ)能電感的連接方式、開關(guān)管器件種類以及串并聯(lián)結(jié)構(gòu)等各不相同，但是它們最后總可以歸結(jié)為串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源和并聯(lián)型穩(wěn)壓電源這兩大類。本章小結(jié)：開關(guān)電源的發(fā)展經(jīng)歷了從線性電源、相控電源到開關(guān)電源的發(fā)展歷程，而開關(guān)電源具有功率效率高等特點(diǎn)。本章主要通過線性電源和開關(guān)電源的比較和區(qū)別，分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，從中特出了開關(guān)電源的重要作用。同時(shí)，本章也介紹了開關(guān)電源的基本組成、工作原理和分類方法。第三章：主要電路的設(shè)計(jì)第三章：主要電路的設(shè)計(jì) 控制、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 不論是降壓型開關(guān)電源、升壓型開關(guān)電源，還是極性反轉(zhuǎn)型開關(guān)電源電路，要能夠保證其正常工作，都需要相應(yīng)的、要求非常嚴(yán)格的控制信號(hào)來控制和調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而使電路中的功率開關(guān)管能夠安全、可靠地按照我們對(duì)輸出電壓的要求所對(duì)應(yīng)的脈沖寬度或脈沖頻率來導(dǎo)通或者截止。產(chǎn)生這種控制信號(hào)的電路即為開關(guān)電源電路中的控制電路。常用的控制電路包括取樣、比較、基準(zhǔn)源、振蕩器、脈寬調(diào)制器（PWM）或脈頻調(diào)制器（PFM）等電路。目前，新型的較為先進(jìn)的開關(guān)穩(wěn)壓電源電路中還包括有誤差檢測(cè)和誤差放大電路部分。它們均是把輸出端的不穩(wěn)定因素（其中包括過流、過壓、欠壓、過熱等現(xiàn)象）檢測(cè)出來并放大后輸送給調(diào)制電路，最后使調(diào)制電路通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度或者頻率來消除這些不穩(wěn)定因素的，整個(gè)電路形成一個(gè)具有自適應(yīng)能力的自動(dòng)控制反饋閉合環(huán)路，其等效原理圖如下圖31所示： 圖31 開關(guān)電源等效原理圖 對(duì)于自激式開關(guān)電源電路來說，控制電路起著從主電路中取出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的任務(wù)；對(duì)于他激式開關(guān)電源電路來說，控制電路則起著要產(chǎn)生控制信號(hào)的任務(wù)；對(duì)于雙端式開關(guān)電源電路來說，則要求控制電路能夠產(chǎn)生兩個(gè)相位差為180度、具有一定死區(qū)間隔、脈沖寬度可以調(diào)節(jié)的控制脈沖信號(hào)。因此，不同類型的開關(guān)電源電路對(duì)控制電路的在求是各不相同的。下圖所示的開關(guān)電源電路就是一個(gè)采用分立器件組成的脈沖寬度固定、脈沖頻率可調(diào)的控制電路。圖中的二極管VD4 在電路中起增大功率開關(guān)管V1反壓的作用。圖 所示的開關(guān)電源電路卻是一個(gè)采用分立元器件組成的脈沖頻率固定、脈沖寬度可調(diào)的控制電路。開關(guān)電源中驅(qū)動(dòng)電路的作用是將控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖放大到足以激勵(lì)開關(guān)晶體管，它是決定PWM型開關(guān)電源優(yōu)劣的要素之一。開關(guān)電源電路中的功率開關(guān)管要求在關(guān)斷時(shí)能夠迅速地關(guān)斷，并能維持關(guān)斷期間的漏電流近似等于零件；在導(dǎo)通時(shí)要能夠迅速地導(dǎo)通，并能維持導(dǎo)通期間的管壓降近似等于零。功率開關(guān)管趨于關(guān)斷時(shí)的下降時(shí)間和趨于導(dǎo)通時(shí)的上升時(shí)間的長(zhǎng)短是降低功率開關(guān)管損耗功率、提高開關(guān)穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換效率的主要因素。要縮短這兩個(gè)時(shí)間，除選擇高反壓、高速度、大電流功率開關(guān)管以處，主要還取決于加在功率開關(guān)管基板的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。下面是常用的幾種驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法。單端式脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路單端式脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一個(gè)單端正激式逆變器電路，其原理電路如圖32所示。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用元器件少，電路中的脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器可以與功率開關(guān)變壓器合用一個(gè)；缺點(diǎn)是它所提供的反向偏壓幅度和持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短與正向驅(qū)動(dòng)電流的大小和持續(xù)時(shí)間有關(guān)，僅依靠反向激勵(lì)能量有時(shí)不易得到滿意的效果。因此，這種電路僅適宜在較小功率的條件下使用。圖32 單端式驅(qū)動(dòng)電路原理圖 圖33 抗飽和驅(qū)動(dòng)電路原理圖抗飽和驅(qū)動(dòng)電路抗飽和的目的是防止功率開關(guān)管在導(dǎo)通期間進(jìn)入飽和區(qū)太深，以致造成當(dāng)功率開關(guān)管退出導(dǎo)通狀態(tài)而進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的下降時(shí)間太長(zhǎng)，從而造成功率開關(guān)管的功耗增大。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，從圖33所示的抗飽和驅(qū)動(dòng)原理電路中可以看出，因此就可以防止功率開關(guān)管進(jìn)入深飽和區(qū)狀態(tài)。這種電路的特點(diǎn)是減小了關(guān)斷存儲(chǔ)時(shí)間即關(guān)斷功耗，提高了功率開關(guān)管的工作頻率；缺點(diǎn)是略微增加了功率開關(guān)管的導(dǎo)通功耗。比例驅(qū)動(dòng)電路這種比例驅(qū)動(dòng)電路一般都使用于要求電源輸出功率較大的場(chǎng)合，電路的優(yōu)點(diǎn)是它所提供的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以隨功率開關(guān)管基極所要求的驅(qū)動(dòng)頻率和驅(qū)動(dòng)電流而變化，使用較為靈活，并且可以實(shí)現(xiàn)初、次級(jí)的隔離等；缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，若不采用光耦合器進(jìn)行耦合或隔離，就得采用變壓器進(jìn)行耦合或隔離。固定反偏壓驅(qū)動(dòng)電路圖34所示的電路就是一個(gè)固定反偏壓驅(qū)動(dòng)電路的原理電路圖。從圖中可以看出，基極驅(qū)動(dòng)電路中加進(jìn)了一個(gè)固定反偏壓E，這就要求正向驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的幅度和能量足夠大，功率開關(guān)管正向?qū)〞r(shí)，除了要有一部分電壓和能量來抵消掉反偏壓E以外，還要能夠維持功率開關(guān)管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)結(jié)束后，反偏壓E通過一個(gè)阻值較小的電阻R立即加到功率開關(guān)管的基極，使功率開關(guān)管能夠以很快的速度、在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到了降低功率開關(guān)管功耗的目的。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是提高了電路的抗干擾能力，避免了功率開關(guān)管的誤導(dǎo)通現(xiàn)象；缺點(diǎn)是增加了一組負(fù)電源，使電路結(jié)構(gòu)變得較為復(fù)雜。圖34 固定反偏壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖 圖35 互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路原理圖 互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一個(gè)互補(bǔ)推挽式射極跟隨器電路，其最基本的電路原理如圖35所示。它由兩個(gè)極性相反的晶體管V1和V2構(gòu)成推挽式射極跟隨電路。這種電路特別適應(yīng)容性負(fù)載的場(chǎng)合，能使電源電路中功率開關(guān)管的上升沿和下降沿的特性變好，能降低功率開關(guān)管的功率損耗；缺點(diǎn)是構(gòu)成電路的這兩個(gè)極性相反的晶體管要求較為嚴(yán)格，必須配對(duì)。發(fā)射極開路式驅(qū)動(dòng)電路發(fā)射極開路式驅(qū)動(dòng)電路的原理電路如圖125所示。這種驅(qū)動(dòng)電路主要是為了消除固定反偏壓驅(qū)動(dòng)電路所存在的反偏壓二次擊穿的潛在危險(xiǎn)而設(shè)計(jì)的。其缺點(diǎn)是對(duì)元器件選擇和要求較為苛刻，也就是要求電路中的晶體管V1放大倍數(shù)。 圖36 發(fā)射極開路式驅(qū)動(dòng)電路原理圖 開關(guān)電源的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)該是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣技術(shù)指標(biāo)滿足正常使用要求的條件下，為使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，必須設(shè)計(jì)多種保護(hù)電路，比如防浪涌的軟啟動(dòng)，防過壓、過熱、過流等保護(hù)電路。對(duì)于開關(guān)電源的保護(hù)電路的要求一般要做到如下幾點(diǎn)：（1）軟啟動(dòng)自動(dòng)保護(hù)電路的延遲時(shí)間一定要大于開關(guān)電源電路中一次整流和濾波電路的恢復(fù)時(shí)間，主要是指一次整流后的濾波電容的充電時(shí)間。（2）過流、過壓和過熱保護(hù)電路中的取樣處理、反饋控制和關(guān)斷功率開關(guān)管等過程所用的時(shí)間總和要小于功率轉(zhuǎn)換周期時(shí)間，也就是這些保護(hù)電路的控制關(guān)斷功率速度一定要快。只有這樣才能夠做到即保護(hù)了負(fù)載系統(tǒng)，又保護(hù)了穩(wěn)壓電源電路本身免遭破壞。（3）對(duì)于過流保護(hù)電路來說，當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)生過流現(xiàn)象的故障被排除后，或過流現(xiàn)象恢復(fù)后，電源電路要能夠自動(dòng)恢復(fù)正常工作。另外對(duì)于一些較為先進(jìn)的電子設(shè)備和機(jī)電產(chǎn)品中的電源系統(tǒng)，不但要求具有各種保護(hù)電路，而且還要求肯有各種狀態(tài)顯示以及自診斷功能。一款好的LED開關(guān)電源除了需要穩(wěn)定、高效、可靠外，電路的各種保護(hù)措施也必須精心設(shè)計(jì)，以避免在復(fù)雜環(huán)境條件下能夠迅速的對(duì)電源電路和負(fù)載進(jìn)行有效保護(hù)，現(xiàn)在介紹LED開關(guān)電源的幾種常見保護(hù)電路。 　　過電流保護(hù)電路 在直流LED開關(guān)電源電路中，為了保護(hù)調(diào)整管在電路短路、電流增大時(shí)不被燒毀。其基本方法是，當(dāng)輸出電流超過某一值時(shí)，調(diào)整管處于反向偏置狀態(tài)，從而截止，自動(dòng)切斷電路電流。如圖1所示，過電流保護(hù)電路由三極管BG2 和分壓電阻RR5組成。電路正常工作時(shí)，通過R4與R5的壓作用，使得BG2 的基極電位比發(fā)射極電位高，發(fā)射結(jié)承受反向電壓。于是BG2 處于截止?fàn)顟B(tài)（相當(dāng)于開路），對(duì)穩(wěn)壓電路沒有影響。當(dāng)電路短路時(shí)，輸出電壓為零，BG2 的發(fā)射極相當(dāng)于接地，則BG2 處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)（相當(dāng)于短路），從而使調(diào)整管BG1 基極和發(fā)射極近于短路，而處于截止?fàn)顟B(tài)，切斷電路電流，從而達(dá)到保護(hù)目的。 圖37 LED開關(guān)電源輸入過電流保護(hù)電路　　過電壓保護(hù)電路 　　直流LED開關(guān)電源中開關(guān)穩(wěn)壓器的過電壓保護(hù)包括輸入過電壓保護(hù)和輸出過電壓保護(hù)。如果開關(guān)穩(wěn)壓器所使用的未穩(wěn)壓直流電源（諸如蓄電池和整流器）的電壓如果過高,將導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓器不能正常工作,甚至損壞內(nèi)部器件,因此LED開關(guān)電源中有必要使用輸入過電壓保護(hù)電路。圖3為用晶體管和繼電器所組成的保護(hù)電路，在該電路中，當(dāng)輸入直流電源的電壓高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值時(shí)，穩(wěn)壓管擊穿，有電流流過電阻R，使晶體管T導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作，常閉接點(diǎn)斷開，切斷輸入。輸入電源的極性保護(hù)電路可以跟輸入過電壓保護(hù)結(jié)合在一起,構(gòu)成極性保護(hù)鑒別與過電壓保護(hù)電路。 圖38 LED開關(guān)電源輸入過電壓保護(hù)電路　　軟啟動(dòng)保護(hù)電路 　　開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路比較復(fù)雜，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入端一般接有小電感、大電容的輸入濾波器。在開機(jī)瞬間,濾波電容器會(huì)流過很大的浪涌電流,這個(gè)浪涌電流可以為正常輸入電流的數(shù)倍。這樣大的浪涌電流會(huì)使普通電源開關(guān)的觸點(diǎn)或繼電器的觸點(diǎn)熔化,并使輸入保險(xiǎn)絲熔斷。另外，浪涌電流也會(huì)損害電容器,使之壽命縮短,過早損壞。為此,開機(jī)時(shí)應(yīng)該接入一個(gè)限流電阻,通過這個(gè)限流電阻來對(duì)電容器充電。為了不使該限流電阻消耗過多的功率，以致影響開關(guān)穩(wěn)壓器的正常工作,而在開機(jī)暫態(tài)過程結(jié)束后，用一個(gè)繼電器自動(dòng)短接它,使直流電源直接對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器供電，這種電路稱之謂直流LED開關(guān)電源的“軟啟動(dòng)”電路 。 　　過熱保護(hù)電路 　　直流LED開關(guān)電源中開關(guān)穩(wěn)壓器的高集成化和輕量小體積，使其單位體積內(nèi)的功率密度大大提高，因此如果電源裝置內(nèi)部的元器件對(duì)其工作環(huán)境溫度的要求沒有相應(yīng)提高，必然會(huì)使電路性能變壞，元器件過早失效。因此在大功率直流LED開關(guān)電源中應(yīng)該設(shè)過熱保護(hù)電路。 本文采用溫度繼電器來檢測(cè)電源裝置內(nèi)部的溫度，當(dāng)電源裝置內(nèi)部產(chǎn)生過熱時(shí)，溫度繼電器就動(dòng)作，使整機(jī)告警電路處于告警狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的過熱保護(hù)。如圖39所示，在保護(hù)電路中將P型控制柵熱晶閘管放置在功率開關(guān)三極管附近，根據(jù)TT102的特性（由R