【文章內容簡介】 感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻 50Hz 提高到 20kHz,提高400 倍的話 , 用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的 5 ~ l 0 % 。無論是逆變式整流焊機 , 還是通訊電源用的開關式整流器 , 都是基于這一原理。同樣 , 傳統(tǒng) 整流行業(yè) 的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造 , 成為 開關變換類電源 , 其主要材料可以節(jié)約 9 0 % 或更高 , 還可節(jié)電 3 0 % 或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高 , 促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化 , 帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益 , 更可體現(xiàn)技術含量的價值。 共 45 頁 第 12 頁 （ 2） 模塊化 模塊化有兩方面的含義 , 其一是指功率器件的模塊化 , 其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊 , 含有一單元、兩單元、六單元直至七單元 , 包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管 , 實質上都屬于 標準 功率模塊 ( S P M ) 。近年 ,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去 , 構成了 智能化 功率模塊 ( I P M ) , 不但縮小了整機的體積 , 更方便了整機的設計制造。實際上 , 由于頻率的不斷提高 , 致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重 , 對器件造成更大的電應力 ( 表現(xiàn)為過 電壓、過電流毛刺 ) 。為了提高系統(tǒng)的可靠性 , 有些制造商開發(fā)了 用戶專用 功率模塊 (ASPM), 它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中 , 這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合 理的熱、電、 機械方面的設計 , 達到優(yōu)化完美的境地。由此可見 , 模塊化的目的不僅在于使用方便 , 縮小整機體積 , 更重要的是取消傳統(tǒng)連線 , 把寄生參數(shù)降到最小 , 從而把器件承受的電應力降至最低 ,提高系統(tǒng)的可靠性。 （ 3） 數(shù)字化 在傳統(tǒng)功率電子技術中 , 控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代 , 電力電子技術完 全是建立在模擬 電路基礎上的。但是 , 現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要 , 數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟 , 顯示出越來越多的優(yōu)點 : 便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾 ( 提高抗干擾能力 ) 、便于軟件包調試和遙感遙測遙調 , 也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以 , 在八、九十年代 , 對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說 , 模擬技術還是有用的 ,特別是 : 諸如印制版的布圖、電磁兼容 (EMC) 問題以及功率因數(shù)修正 (PFC)等問題的解決 , 離不開模擬技術的知識 , 但是對于智能化的開關電源 , 需要 用計算機控制時 , 數(shù)字化技術就離不開了。 （ 4） 綠色化 電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義 : 首先是顯著節(jié)電 , 這意味著發(fā)電容量的節(jié)約 , 而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因 , 所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染 。 其次這些電源不能 ( 或少 ) 對電網(wǎng)產(chǎn)生污染 ,國際電工委員會 ( I E C )對此制定了一系列標準 , 如 IEC55 IEC91 IECl000 等。事實上 ,許多功率電子節(jié)電設備 , 往往會變成對電網(wǎng)的污染源 : 向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流 ,使總功率因數(shù)下降 , 使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰 , 甚至出現(xiàn)缺角和畸變 。 2 0 世紀末 , 各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生 , 有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些 共 45 頁 第 13 頁 為 21 世紀批量生產(chǎn)各種綠色開關電源產(chǎn)品奠定了基礎。 總而言之 , 開關電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn) , 將標志著開關電源技術的成熟 , 實現(xiàn)高效率用電和高品質用電相結合。這幾年 , 隨著通信行業(yè)的發(fā)展 , 以開關電源技術為核心的通信用開關電源 , 吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨 , 因此 , 同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內市場正在啟動 , 并將很快發(fā) 展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們去開發(fā)。 開關電源的技術指標與基本設計要求 直流穩(wěn)壓電源的技術指標可以分為兩大類：一類是特性指標，反映直流穩(wěn)壓電源的固有特性，如輸入 電壓、輸出電壓、輸出電流、輸出電壓調節(jié)范圍；另一類是質量指標，反映直流穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，包括穩(wěn)定度、等效內阻（輸出電阻 ）、紋波電壓及溫度系數(shù)等。 （ 1） 特性指標 i． 輸出電壓范圍 符合直流穩(wěn)壓電源工作條件情況下，能夠正常工作的輸出電壓范圍。該指標的上限是由最大輸入電壓和最小輸入－輸出電壓差所規(guī)定，而其下限由直流穩(wěn)壓電源內部的 基準電壓 值決定。 ii． 最大輸入－輸出電壓差 該指標表征在保證直流穩(wěn)壓電源正常工作條件下，所允許的最大輸入－輸出之間的電壓差值，其值主要取決于直流穩(wěn)壓電源內部調整晶體管的耐壓指標。 －輸出電壓差 該指標表征在保證直流穩(wěn)壓電源正常工作條件下，所需的最小輸入－輸出之間的電壓差值。 負載電流 范圍 輸出負載電流范圍又稱為輸出電流范圍，在這一電流范圍內，直流穩(wěn)壓電源應能保證符合指標規(guī)范所給出的指標。 （ 2） 質量指標 SV 電壓調整率是表征直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓性能的優(yōu)劣的重要指標，又稱 為穩(wěn)壓系數(shù)或穩(wěn)定系數(shù)，它表征當輸入電壓 VI 變化時直流穩(wěn)壓電源輸出電壓 VO 穩(wěn)定 共 45 頁 第 14 頁 的程度，通常以單位輸出電壓下的輸入和輸出電壓的相對變化的百分比表示。電壓調整率公式見圖 2－ 2－ 1。 ii． 電流調整率 SI 電流調整率是反映直流穩(wěn)壓電源負載能力的一項主要自指標，又稱為電流穩(wěn)定系數(shù)。它表征當輸入電壓不變時，直流穩(wěn)壓電源對由于負載電流（輸出電流）變化而引起的輸出電壓的波動的抑制能力，在規(guī)定的負載電流變化的條件下，通常以單位輸出電壓下的輸出電壓變化值的百分比來表示直流 穩(wěn)壓電源的電流調整率。 iii． 紋波抑制比 SR 紋波抑制比反映了直流穩(wěn)壓電源對輸入端引入的市電電壓的抑制能力，當直流穩(wěn)壓電源輸入和輸出條件保持不變時，紋波抑制比常以輸入紋波電壓峰－峰值與輸出紋波電壓峰－峰值之比表示，一般用分貝數(shù)表示，但是有時也可以用百分數(shù)表示，或直接用兩者的比值表示。 iv． 溫度穩(wěn)定性 K 集成直流穩(wěn)壓電源的溫度穩(wěn)定性是以在所規(guī)定的直流穩(wěn)壓電源工作溫度 Ti最大變化范圍內（ Tmin≤Ti≤Tmax）直流 輸出電壓的相對變化的百分值。 （ 3） 極限指標 i． 最大輸入電壓 是保證直流穩(wěn)壓電源安全工作的最大輸入電壓。 ii． 最大輸出電流 是保證穩(wěn)壓器安全工作所允許的最大輸出電流。 共 45 頁 第 15 頁 第二章 開關變換電路 濾波電路 輸入濾波電路具有雙向隔離作用，它可抑制從交流電網(wǎng)輸入的干擾信號，同時也防止開關電源工作時產(chǎn)生的諧波和電磁干擾信號影響交流電網(wǎng)。圖 21所示濾波電路是一種復合式 EMI 濾波器， L L2 和 C1 構成第一級濾波，共模電感 L3 和電容 C C3 進行第二級濾波。 圖 21輸入濾波電路 C1 用于濾除差模干擾，選用高頻特性較好的薄膜電容。電阻 R 給電容提供放電回路，避免因電容上的電荷積累而影響濾波器的工作特性。 C C3 跨接在輸出端，能有效地抑制共模干擾。為了減小漏電流， C C3 宜選用陶瓷電容器。 反饋電路 電流反饋電路 電流反饋電路采用電流互感器，通過檢測開關管上的電流作為采樣電流，原理如圖 22 所示。電流互感器的輸出分為電流瞬時值反饋和電流平均值反饋兩路， R2 上的電壓反 映電流瞬時值。開關管上的電流變化會使 UR2 變化， UR2接入 UC3842 的保護輸入端 ⑶ 腳，當 UR2＝ 1V時， UC3842 芯片的輸出脈沖將關斷。通過調節(jié) R R2 的分壓比可改變開關管的限流值，實現(xiàn)電流瞬時值的逐周期比較，屬于限流式保護。輸出脈沖關斷，實現(xiàn)對電流平均值的保護，屬于截流式保護。兩種過流保護互為補充，使電源更為安全可靠。采用電流互感器采樣，使控制電路與主電路隔離，同時與電阻采樣相比降低了功耗，有利于提高整個電源的效率。 共 45 頁 第 16 頁 圖 22 電流反饋電路 電壓反饋電路 電壓反饋電路如圖 23 所 示。輸出電壓通過集成穩(wěn)壓器 TL431 和光電耦合器反饋到 UC3842 的 ⑴ 腳，調節(jié) R R2 的分壓比可設定和調節(jié)輸出電壓，達到較高的穩(wěn)壓精度。如果輸出電壓 UO 升高，集成穩(wěn)壓器 TL431 的陰極到陽極的電流增大，使光電耦合器輸出的三極管電流增大，即 UC3842⑴ 腳對地的分流變大， UC3842 的輸出脈寬相應變窄，輸出電壓 UO 減小。同樣如果輸出電壓UO 減小，可通過反饋調節(jié)使之升高。 圖 23 電壓反饋電路 電壓保護電路 圖 24 所示為輸出過電壓保護電路。穩(wěn)壓管 VS 的擊穿，電壓稍大于輸出電壓額定值，輸出正常 時， VS 不導通，晶閘管 V 的門極電壓為零，不導通。當輸出過壓時， VS 擊穿， V 受觸發(fā)導通，使光電耦合器輸出三極管電流增大，通過 UC3842 控制開關管關斷。 共 45 頁 第 17 頁 圖 24 輸出過電壓保護電 共 45 頁 第 18 頁 第三章 UC3842 UC3842 簡介 繼 MC139 AN5900 之后，人們又開發(fā)出功能更完善的它激單端輸出驅動集成電路。其特點是除內部 PWM 系統(tǒng)外，還設有多路保護輸入和穩(wěn)定的基準電壓發(fā)生器，同時還具有小電流啟動功能。典型的 UC3842 就是其中的代表，它功能完善，性能可靠，目前廣泛被各種普通電源采用 ，還被用于有源因數(shù)改善電路和高壓升壓式開關電源中。 UC3842 是美國 Unitrode 公司 [14]生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調制器芯片。 UC3842 為 8 腳 雙列直插式封裝 ，其內部原理框圖如圖 1 所示。主要由 基準電壓源、用來精確地控制占空比調定的振蕩器、降壓器、電流測定比較器、PWM 鎖存器、高增益 E/A 誤差 放大器和適用于驅動功率 MOSFET 的大電流推挽輸出電路等構成。端 1 為 COMP 端；端 2 為反饋端；端 3 為電流測定端；端4 接 Rt、 Ct 確定鋸齒波頻率；端 5 接地；端 6 為推挽輸出端，有拉、灌電流的能力；端 7 為集成塊工作電源電壓端，可以工作在 8～ 40V；端 8 為內部供外用的基準電壓 5V，帶載能力 50mA。 UC3842 的引腳及其功能 U c 3 8 4 2V c c7V r e f8R t / C t4V f b2C o m p1O u t6G n d5I S E N S E3 圖 3－ 1 UC3842 的引腳 UC3842 的引腳 如圖 3－ 1 所示 ，其中： ① 腳為內部誤差放大器輸出端，外接阻容元件可改善誤差放大器的增益和 共 45 頁 第 19 頁 頻率特性 。 ② 腳為誤差放大器的取樣電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的 基準電壓進行比較，產(chǎn)生誤差電壓，而控制脈沖寬度； ③ 腳為 PWM 比較器的另一輸入端，當檢測電壓超過 l V 時停止脈沖輸出使電源處于間歇工作狀態(tài)； ④ 腳為定時電容 CT 端，內部振蕩器工作頻率由外接的阻容時間常數(shù)決定，f=／ (RTC T)。 ⑤ 腳為接地端。 ⑥ 腳為推挽輸出端 ，內部為圖騰柱式，上升、下降時間僅為 50ns 驅動能力為 177。l A