【正文】 率、電壓、電流、頻率等；在同一參數(shù)要求下，又有重量、體積、效率和可靠性等指標。我們用的電，一般都需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能適合使用的需求，例如交流轉(zhuǎn)換成直流，高電壓變成低電壓，大功率變換為小功率等。按照電子理論，所謂AC/DC就是交流轉(zhuǎn)換為直流；AC/AC稱為交流轉(zhuǎn)換為交流，即為改變頻率；DC/AC稱為逆變；DC/DC為直流變交流后再變直流。為了達到轉(zhuǎn)換的目的，電源變換的方法是多樣的。自20世紀60年代，人們研發(fā)出了二極管、三極管半導(dǎo)體器件后，就用半導(dǎo)體器件進行轉(zhuǎn)換。所以，凡是用半導(dǎo)體功率器件作開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的電路，叫做開關(guān)變換電路。在轉(zhuǎn)換時，以自動控制穩(wěn)定輸出并有各種保護環(huán)節(jié)的電路，稱為開關(guān)電源（Switching Power Supply）[1]。開關(guān)電源在轉(zhuǎn)換過程中，用高頻變壓器隔離稱之為離線式開關(guān)變換器（Offline Switching Cpnwerter），常用的AC/DC變換器就是離線式變換器。開關(guān)電源通常由六大部分組成，如圖11所示。圖11 開關(guān)電源工作原理框圖第一部分是輸入電路，它包含有低通濾波和一次整流環(huán)節(jié)。220V交流電直接經(jīng)低通濾波和橋式整流后得到未穩(wěn)壓的直流電壓Vi，此電壓送到第二部分進行功率因數(shù)校正，其目的是提高功率因數(shù)，它的形式是保持輸入電流與輸入電壓同相。功率因數(shù)校正的方法有無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。所謂有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction，APFC），是指電源在校正過程中常采用三極管和集成電路。開關(guān)電源電路常采用有源功率因數(shù)校正。第三部分是功率轉(zhuǎn)換，它是由電子開關(guān)和高頻方波脈沖電壓。第四部分是輸出電路，用于將高頻方波脈沖電壓經(jīng)整流濾波后變成直流電壓輸出。第五部分是控制電路，輸出電壓經(jīng)過分壓、采樣后于電路的基準電壓進行比較、放大。第六部分是頻率振蕩發(fā)生器，它產(chǎn)生一種高頻波段信號，該信號與控制信號疊加進行脈寬調(diào)制，達到脈沖寬度可調(diào)。有了高頻振蕩才有電源變換，所以說開關(guān)電源的實質(zhì)是電源變換。高頻電子開關(guān)是電能轉(zhuǎn)換的主要手段和方法。在一個電子開關(guān)周期（T）內(nèi)，電子開關(guān)的接通時間與一個電子周期所占時間之比，叫接通占空比（D），D=。斷開時間所占T的比例稱為斷開占空比（D39。）。開關(guān)周期是開關(guān)頻率的倒數(shù)。例如：一個開關(guān)電源的工作頻率是50kHz，它的周期（微秒）。很明顯，接通占空比（D）越大，負載上的電壓越高，表明電子開關(guān)接通時間越長，此時負載感應(yīng)電壓較高，工作頻率也較高。這對于開關(guān)電源的高頻變壓器實現(xiàn)小型化有幫助，同時，能量傳遞的速度也快。但是，開關(guān)電源中斷開關(guān)功率管、高頻變壓器、控制集成電路以及輸入整流二極管的發(fā)熱量高、損耗大。對于不同的變換器形式，所選用的占空比大小是不一樣的。開關(guān)電源與鐵芯變壓器電源以及其他形式的電源比較起來具有較多的優(yōu)點：(1) 節(jié)能。綠色電源是開關(guān)電源中用途最為廣泛的電源，它的效率一般可以達到85%，質(zhì)量好的可以達到95%甚至更高，而鐵芯變壓器的效率只有70%或者更低。最近歐盟和美國消費者協(xié)會統(tǒng)計，美國一般家用電器和工業(yè)電氣設(shè)備的單機能源消耗指數(shù)大于92%。美國的“能源之星”對電子鎮(zhèn)流器、開關(guān)電源以及家用電器的效率都制定有很仔細的、非常嚴格的規(guī)章條款。(2) 體積小，重量輕。據(jù)統(tǒng)計，100W的鐵芯變壓器的重量為1200g左右，體積達350cm3，而100W的開關(guān)電源的重量只有250g，而且敞開式的電源更輕，體積不到鐵芯變壓器的1/4。(3) 開關(guān)電源具有各種保護功能，不易損壞。而其他的電源由于本身原因或使用不當(dāng)，發(fā)生短路或斷路的事故較多。(4) 改變輸出電流、電壓比較容易，且穩(wěn)定、可控。(5) 根據(jù)人們的要求，可設(shè)計出各種具有特殊功能的電源，以滿足人們的需要。目前開關(guān)電源的種類很多，從工作性質(zhì)來分，大體上可分為“硬開關(guān)”和“軟開關(guān)”兩種。所謂硬開關(guān)，是指電子脈沖、外加控制信號強行對電子開關(guān)進行“開”和“關(guān)”，而與電子開關(guān)自身流過的電流以及兩端施加的電壓無關(guān)。顯然，開關(guān)是接通和關(guān)斷期間是有電流、電壓存在的，因此，這種工作方式是有損耗的。但是它比其他變換電源的形式簡單的多，所以，硬開關(guān)在很多地方仍然在應(yīng)用，如脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）器就屬于硬開關(guān)。目前，很多開關(guān)電源都用PWM來控制。另一類叫做軟開關(guān)，電子開關(guān)在零電壓下導(dǎo)通，在零電流下關(guān)斷?？梢姡娮娱_關(guān)是在“零狀態(tài)”下工作的，所以，理論上它的損耗為零，對浪涌電壓、脈沖尖峰電壓的抑制能力很大，其工作頻率可以提高到5MHz以上，開關(guān)電源的重量和體積則可進行更大的改變。為了實現(xiàn)零電壓“開”和零電流“關(guān)”，我們常采用諧振的方法。從電子理論可知道，諧振就是容抗等于感抗，總的電抗為零，電路中的電流無窮大。如果正弦波電壓加到并聯(lián)的電感回路上，這時電感上的電壓就無窮大。利用諧振電路可實現(xiàn)正弦波振蕩，當(dāng)振蕩倒零時，電子開關(guān)導(dǎo)通，稱之為零電壓導(dǎo)通（Zero Voltage Switching）。同樣，流過電子開關(guān)的電流振蕩到零時，電子開關(guān)關(guān)斷，稱之為零電流關(guān)斷（Zero Current Switching）?？傊?，電子開關(guān)具有零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷的外部條件，這種變換器稱為準諧振變換器。它是在脈寬調(diào)制器上附加諧振網(wǎng)絡(luò)而形成的，固定電子開關(guān)導(dǎo)通時間，通過調(diào)整振蕩頻率，最終使電路產(chǎn)生諧振，從而獲得準諧振變換器的模式。準諧振變換器開關(guān)電源的輸出電壓不隨輸入電壓的變化而變化，它的輸出電流也不隨用電負載的變化而變化，這種開關(guān)電源的主變換器依靠開關(guān)頻率來穩(wěn)定輸出參數(shù)，我們稱之為調(diào)頻開關(guān)電源。調(diào)頻開關(guān)電源沒有脈沖調(diào)制開關(guān)電源那么容易控制，再加上準諧振電路電壓峰值高，開關(guān)所受到的應(yīng)力大，目前還沒有得到廣泛應(yīng)用。DC/DC變換類型是開關(guān)電源變換的基本類型，它通過控制開關(guān)通、斷時間的比例，用電抗器與電容器上蓄積的能量對開關(guān)波形進行微分平滑處理，從而更有效地調(diào)整脈沖的寬度及頻率。從輸入、輸出有無變壓器隔離來說，DC/DC變換分為有變壓器隔離和沒有變壓器隔離兩類。每一類有6種拓撲，即降壓式（Buck）、升壓式（Boost）、升壓—降壓式（BuckBoost）、串聯(lián)式（Cuk）、并聯(lián)式（Sepic）以及賽達式（Zata）。按激勵方式分，有自激式和他激式兩種。自激式包括單管式和推挽式，他激式包括調(diào)頻式（PWF）、調(diào)寬式（PWM）、調(diào)幅式（PAM）和諧振式（RSM）4種，我們用得最多的是調(diào)寬式變換器。調(diào)寬式變換器有以下幾種：正激式（Forward Converter）、反激式（Feedback Converter Mode）、半橋式（Half Bridge Converter）、全橋式（Overall Bridge Mode）、推挽式（Push Draw Mode）和阻塞式（Ringing Choke Converter，RCC）等6種。按諧振方式分，有串聯(lián)諧振式、并聯(lián)諧振式和串并聯(lián)諧振式；按能量傳遞方式分，有連續(xù)模式和不連續(xù)模式兩種。凡是以脈沖寬度來調(diào)制的電子開關(guān)變換器都叫PWM變換器。 開關(guān)電源的工作原理開關(guān)電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比調(diào)整輸出電壓，開關(guān)電源的工作原理可以用圖12進行說明。圖中輸入的直流不穩(wěn)定電壓Ui經(jīng)開關(guān)S加至輸出端，S為受控開關(guān)，是一個受開關(guān)脈沖控制的開關(guān)調(diào)整管，若使開關(guān)S按要求改變導(dǎo)通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓Ui變成矩形脈沖電壓。這個脈沖電壓經(jīng)濾波電路進行平滑濾波后就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓Uo。(a) 電路圖；(b) 波形圖圖12開關(guān)電源的工作原理為方便分析開關(guān)電源電路，定義脈沖占空比如下 (11)式中，T表示開關(guān)S的開關(guān)重復(fù)周期；TON表示開關(guān)S在一個開關(guān)周期中的導(dǎo)通時間。開關(guān)電源直流輸出電壓Uo與輸入電壓Ui之間有如下關(guān)系：　　　　　　　　　　　Uo=UiD (12)由式(11)和式(12)可以看出，若開關(guān)周期T一定，改變開關(guān)S的導(dǎo)通時間，即可改變脈沖占空比D，從而達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。T不變，只改變來實現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式叫做脈沖寬度調(diào)制(PWM)。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，因此PWM式開關(guān)電源用得較多。若保持不變，利用改變開關(guān)頻率f=1/T實現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)輸出直流電壓Uo穩(wěn)壓的方法，稱做脈沖頻率調(diào)制(PFM)。由于該方式的開關(guān)頻率不固定，因此輸出濾波電路的設(shè)計不易實現(xiàn)最優(yōu)化。既改變，又改變T，實現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式稱做脈沖調(diào)頻調(diào)寬方式。在各種開關(guān)電源中，以上三種脈沖占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式均有應(yīng)用。 開關(guān)電源的組成開關(guān)電源的基本組成如圖13所示。其中DC/DC變換器用以進行功率變換，它是開關(guān)電源的核心部分；驅(qū)動器是開關(guān)信號的放大部分，對來自信號源的開關(guān)信號進行放大和整形，以適應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動要求；信號源產(chǎn)生控制信號，該信號由它激或自激電路產(chǎn)生，可以是PWM信號、 PFM信號或其他信號；比較放大器對給定信號和輸出反饋信號進行比較運算，控制開關(guān)信號的幅值、 頻率、 波形等，通過驅(qū)動器控制開關(guān)器件的占空比，以達到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。除此之外，開關(guān)電源還有輔助電路，包括啟動、 過流過壓保護、 輸入濾波、 輸出采樣、 功能指示等電路。反饋回路檢測其輸出電壓，并與基準電壓比較，其誤差通過誤差放大器進行放大，控制脈寬調(diào)制電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制半導(dǎo)體開關(guān)的通斷時間，從而調(diào)整輸出電壓。DC/DC變換器有多種電路形式，其中控制波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準正弦波的諧振變換器應(yīng)用較為普遍。開關(guān)電源的負載變換瞬態(tài)響應(yīng)主要由輸出端LC濾波器的特性決定，所以可以通過提高開關(guān)頻率、 降低輸出濾波器LC的方法來改善瞬態(tài)響應(yīng)特性。圖13 開關(guān)電源的基本組成客觀上講，開關(guān)電源的發(fā)展是非?？斓?，這時因為它具有其他電源所無法比擬的優(yōu)勢。材料之新、用途之廣，是它快速發(fā)展的主要動力。但是，它離人們的要求、應(yīng)用的價值還差得很遠，體積、重量、效率、抗干擾能力、電磁兼容性以及使用的安全性都不能說是十分完美。目前要解決的問題有：(1) 器件問題。電源控制集成度不高，這就影響了電源的穩(wěn)定性和可靠性，同時對電源的體積和效率來說也是一個大問題。(2) 材料問題。開關(guān)電源使用的磁芯、電解電容及整流二極管燈都很笨重，也是耗能的主要根源。(3) 能源變換問題。按照習(xí)慣，變換有這樣幾種形式：AC/DC變換、DC/AC變換以及DC/DC變換等。實現(xiàn)這些變換都是以頻率為基礎(chǔ)，以改變電壓為目的，工藝復(fù)雜，控制難度大，始終難以形成大規(guī)模生產(chǎn)。(4) 軟件問題。開關(guān)電源的軟件開發(fā)目前只是剛剛起步，例如軟開關(guān)，雖然它的損耗低，但難以實現(xiàn)高頻化和小型化。要做到“軟開關(guān)”并實行程序化，更是有一定的困難。要真正做到功率轉(zhuǎn)換、功率因數(shù)改善、全程自動檢測控制實現(xiàn)軟件操作，目前還存在很大的差距。(5) 生產(chǎn)工藝問題。往往在試驗室中能達到相關(guān)的技術(shù)標準，但在生產(chǎn)上會出現(xiàn)各種問題。這些問題大多是焊接問題和元器件技術(shù)性能問題，還有生產(chǎn)工藝上的檢測、老化、粘結(jié)、環(huán)境等方面的因素。 未來的開關(guān)電源像一只茶杯的蓋子：它的工作頻高達2~10MHz，效率達到95%，功率密度為3~6W/cm2，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。所謂高標準就是對未來開關(guān)電源的挑戰(zhàn)：第一，能不能全面通容電磁兼容性的各項技術(shù)標準；第二，在企業(yè)里能不能大規(guī)模地、穩(wěn)定地生產(chǎn)，或快捷地進行單項生產(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，能不能實現(xiàn)更小的電源模塊。35 第2章 開關(guān)電源元器件的選用TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準電壓源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（）到36V范圍內(nèi)的任何值。，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。TL431特點： （1）最大輸出電壓為36V； （2）電壓參考誤差：177。％ ，典型值@25℃（TL431B）；（3）低動態(tài)輸出阻抗， ； （4） to 100mA； （5）等效全范圍溫度系數(shù)50 ppm/℃典型； （6）溫度補償操作全額定工作溫度范圍； （7）低輸出噪聲電壓。圖2－1tl431的外觀和管腳電力二極管可分為普通二極管, 快恢復(fù)二極管,肖特基二極管三種。(1) 普通二極管(General Purpose Diode)普通二極管又稱為整流二極管(Rectifier Diode)，多用于開關(guān)頻率不高(1 kHz以下)的整流電路中。其反向恢復(fù)時間較長，一般在5 s以上，這在開關(guān)頻率不高時并不重要。其正向電流定額值和反向電壓定額值可以達到很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上。 (2) 快恢復(fù)二極管(FRD)　　快恢復(fù)二極管是恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短的二極管，簡稱為快速二極管?？焖俣O管在工藝上多采用了摻金措施，有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)，有的采用改進的PiN結(jié)構(gòu)。采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的快恢復(fù)外延二極管(Fast Recovery Epitaxial Diodes，F(xiàn)RED)，其反向恢復(fù)時間更短(可低于50 ns)，正向壓降也很低( V左右)，但其反向耐壓多在400 V以下。快速二極管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級，前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100 ns以下，有的甚至達到20~30 ns。(3) 肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管(SBD)，簡稱為肖特基二極管。肖特基二極管的優(yōu)點很多，主要是：反向恢復(fù)時間很短(10~40 ns)，正向恢復(fù)過程中不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。肖特基二極管的不足之處是：當(dāng)反向耐壓提高時，其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200 V以下；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。 。PC817是常用的線性光藕，在各種要求比較精密的功能電路中常常被當(dāng)作耦合器件，具有上下級電路完全隔離的作用，相互不產(chǎn)生影響.當(dāng)輸入端加電信號時，發(fā)光器發(fā)出光線，照射在受光器上，受光器接受光線后導(dǎo)通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出，從而實現(xiàn)了“電光電”的轉(zhuǎn)換。普通光電耦合器只能傳輸數(shù)字信號（開關(guān)信號）