【正文】 ，當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)成全波的。這個(gè)諧振電路的電壓是正弦波，而Is接近矩形波。這個(gè)諧振電路的電流是正弦波，而Us為矩形波電壓。下面是這兩種開關(guān)的簡(jiǎn)單原理圖。開關(guān)管在零電壓時(shí)關(guān)斷。開關(guān)管在零電流時(shí)關(guān)斷。從而大大抑制了對(duì)電網(wǎng)的污染。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。同時(shí)，也使得電源諧波成分大為降低。諧振式電源是新型開關(guān)電源的發(fā)展方向。從外部看，L、C部分類似于開路，L、C各自有效電流卻達(dá)到最大。③ 諧振頻率：。明顯地，串并諧振的特點(diǎn)是：① 導(dǎo)納角等于零，電路呈純電阻性，因而電路端電壓U和電流I同相。⑤ 諧振發(fā)生時(shí)，C、L中的能量不斷互相轉(zhuǎn)換，二者之間反復(fù)進(jìn)行充放電過程，形成正弦波振蕩。Q值越大，振蕩越強(qiáng)。從外部看，L、C部分類似于短路。② 此時(shí)的阻抗最小，電路電流有效值達(dá)到最大。(1) 串聯(lián)電路的諧振一個(gè)R、L、C串聯(lián)電路，在正弦電壓作用下，其復(fù)阻抗： (36)一定條件下，使得XL=XC，即，此時(shí)的電路狀態(tài)稱為串聯(lián)諧振。開關(guān)管在零電壓時(shí)關(guān)斷。開關(guān)管在零電流時(shí)關(guān)斷。所以諧振開關(guān)電源是當(dāng)前開關(guān)電源發(fā)展的主流技術(shù)。這種開關(guān)電源稱為諧振式開關(guān)電源。因此，L有升壓作用。在開關(guān)導(dǎo)通期間，L積蓄能量。其作用是在SS2斷開期間，使得變壓器能量轉(zhuǎn)移到N3繞組，通過VD3回饋到輸入端。S2S1CRN1N1 N2N2UiUoTN4N3VD1VD2VD3圖313 能量回饋型電流變換器電路該電路與推挽電路類似。這里的C12明顯是用于傳遞能量的，所以Cuk電路是電容傳輸變換電路。附邊感應(yīng)出脈動(dòng)直流信號(hào)，通過VD對(duì)C12反向充電。⑤ 隔離型Cuk變換器隔離型Cuk變換器電路如下所示： N2C12TC2L2RUoSN1VDUiL1C11圖312 隔離型Cuk變換器當(dāng)S導(dǎo)通時(shí)，Ui對(duì)L1充電。當(dāng)S斷開時(shí)，N1能量轉(zhuǎn)移到N3，經(jīng)N3電源VD3向輸入端釋放能量，避免變壓器過飽和。這個(gè)電路也相當(dāng)于降壓式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同樣地，這個(gè)電路也相當(dāng)于降壓式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。② 半橋型變換器圖39給出了半橋型變換器的電路圖。S2S1LCRN1N1 N2N2UiUoT圖38 推挽型變換電路S1和S2輪流導(dǎo)通，將在二次側(cè)產(chǎn)生交變的脈動(dòng)電流，經(jīng)過全波整流轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，再經(jīng)L、C濾波，送給負(fù)載。這里的C1用于傳遞能量，而且輸出極性和輸入相反。當(dāng)S斷開時(shí)，Ui+EL1通過VD對(duì)C1進(jìn)行充電。④ 丘克變換器Cuk電路：升/降壓斬波器，入出極性相反，電容傳輸。電壓關(guān)系： (34)UiIDUoIDSIDVDIDCIDL圖36 BuckBoost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)S通時(shí)，輸入電源僅對(duì)電感充電，當(dāng)S斷時(shí)，再通過電感對(duì)負(fù)載放電來實(shí)現(xiàn)電源傳輸。當(dāng)S斷時(shí)，L向負(fù)載及電源放電，輸出電壓將是輸入電壓，因而有升壓作用。利用同樣的方法，根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)電感L的充放電伏秒積相等的原理，可以推導(dǎo)出電壓關(guān)系： (33)UiIDUoIDSIDVDIDLIDCID圖35 Boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這個(gè)電路的開關(guān)管和負(fù)載構(gòu)成并聯(lián)。輸出電壓因?yàn)檎伎毡茸饔?，不?huì)超過輸入電源電壓。圖33 脈沖頻率調(diào)制的基本原理 各類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源分析(1) 非隔離型開關(guān)變換器① 降壓變換器Buck電路：降壓斬波器，入出極性相同。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。假設(shè)電源效率為η，脈沖寬度為m，脈沖頻率為f，則有V0=。該循環(huán)的結(jié)果是輸出電壓V0趨于穩(wěn)定，反之亦然。再經(jīng)過瞬間定時(shí)器、控制邏輯和輸出級(jí)，輸出一方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)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。寬脈沖經(jīng)開關(guān)晶體管功率放大后，驅(qū)動(dòng)高頻變壓器，使變壓器初級(jí)電壓升高，然后耦合到次級(jí)，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。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。開關(guān)管的基極或場(chǎng)效應(yīng)管的柵極有脈寬調(diào)制器的脈沖驅(qū)動(dòng)。 (a) PWM控制方式 (b) PFM控制方式圖31 PWM、PFM控制方式和波形圖開關(guān)電源采用脈寬調(diào)制方式的占很大比例，所以有必要對(duì)脈寬調(diào)制的基本原理加以了解。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?；旌险{(diào)制方式是指脈沖寬度與頻率都不固定，都可以改變。穩(wěn)壓原理是：當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，控制器輸出信號(hào)的脈沖寬度不變，而工作周期變長(zhǎng)，使占空比減小，輸出電壓降低。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。這就是熱敏電阻對(duì)軟啟動(dòng)的作用。電路剛通電時(shí)，熱敏電阻的溫度低，阻值很大，瞬時(shí)能對(duì)充電電流加以限制。但是，由于電阻功耗上升，電源效率下降。所謂軟啟動(dòng)是指電源剛通電時(shí)，因?yàn)V波電容C的電壓不能突變，容抗趨于零，瞬時(shí)對(duì)電容充電的電流很大，容易損壞電解電容。如果電路輸入電壓超高，熱敏電阻就會(huì)發(fā)熱，其電阻值降低，對(duì)輸入電流分流。過溫保護(hù)時(shí)將熱敏電阻并接在輸入電路中。(3) ：耗散系數(shù)，指熱敏電阻的溫度每變化1℃所消耗功率的相對(duì)變化量（mW/℃）。熱敏電阻的主要參數(shù)有：(1) RT0：零功率電阻值，表示室溫為25℃時(shí)的電阻值。觀察電流表，如果一段時(shí)間后電流表上的電流讀數(shù)升到一定值，這段時(shí)間就是自動(dòng)恢復(fù)開關(guān)的自動(dòng)恢復(fù)時(shí)間。當(dāng)穩(wěn)壓電源的輸出電流接近或超過自動(dòng)恢復(fù)開關(guān)的電流容量時(shí)，電流表上的電流讀數(shù)突然減小，此時(shí)自動(dòng)恢復(fù)開關(guān)已進(jìn)入高阻狀態(tài)。 ② 過流后自動(dòng)恢復(fù)能力的檢查在直流穩(wěn)壓電源輸出端，將自動(dòng)恢復(fù)開關(guān)與電流表串聯(lián)，要求穩(wěn)壓電源的輸出電流必須大于自動(dòng)恢復(fù)開關(guān)的電流容量IH。日光燈短路或漏氣時(shí)，鎮(zhèn)流器的工作電流是正常工作電流的3倍以上，這時(shí)只要在鎮(zhèn)流器的輸出端與燈之間的電路上串接一只自動(dòng)恢復(fù)開關(guān)，就能非常有效地進(jìn)行過流保護(hù)，提高電子鎮(zhèn)流器的可靠性。通常，將自動(dòng)恢復(fù)開關(guān)串接在低壓直流輸出端，此時(shí)交流輸入端的保險(xiǎn)管可省去。這種可持續(xù)性的轉(zhuǎn)換器件能反復(fù)使用而不損壞。當(dāng)電路電流超過最大設(shè)計(jì)值或發(fā)生短路故障時(shí)，電流增加，導(dǎo)電鏈產(chǎn)生的熱量時(shí)聚合物從晶狀體狀態(tài)變?yōu)榉蔷铙w狀態(tài)，立即將電路電流切斷，對(duì)電路起到保護(hù)作用。它具有開關(guān)特性好、使用安全、不需維護(hù)、自動(dòng)恢復(fù)、可反復(fù)使用等特點(diǎn)。 自動(dòng)恢復(fù)開關(guān)自動(dòng)恢復(fù)開關(guān)（Resettable Swithing，RS）又叫自動(dòng)恢復(fù)保險(xiǎn)絲，它是一種過流保護(hù)器件。② 選用原則：超快速恢復(fù)二極管在開關(guān)電源中可作為阻塞二極管和次級(jí)輸出電壓的整流管。 (2) 檢測(cè)方法及選用原則① 檢測(cè)方法：利用萬用表的電阻檔或數(shù)字萬用表的二極管檢測(cè)檔，能夠檢查二極管的單向?qū)щ娦?，并測(cè)出正向?qū)▔航?；用兆歐表能測(cè)出反向擊穿電壓。③恢復(fù)和快速恢復(fù)二極管有3種結(jié)構(gòu)，即單管、共陰對(duì)管和共陽對(duì)管。② 平均整流電流Id：這時(shí)選用二極管的又一個(gè)主要指標(biāo)。這兩種二極管具有開關(guān)特性好、耐壓高、正向電流大、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在電子鎮(zhèn)流器、不間斷電源、變頻電源、高頻微波爐等設(shè)備中常用在整流、續(xù)流、限流等電路中。溫度越高，穩(wěn)壓誤差越大。② 穩(wěn)定電流IE。 (3) 穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)如下：① 穩(wěn)定電壓VZ。選用穩(wěn)壓二極管的原則是：第一，注意穩(wěn)定電壓的標(biāo)稱值；第二，注意電壓的溫度系數(shù)。它的穩(wěn)壓性能好，體積小，價(jià)格便宜。各種型號(hào)規(guī)格齊全。 (1) 穩(wěn)壓二極管的分類穩(wěn)壓二極管分低壓和高壓兩種。當(dāng)反向電壓達(dá)到并超過穩(wěn)定電壓時(shí)，反向電流突然增大，而二極管兩端的電壓恒定，這就叫做穩(wěn)壓。(4) 反向恢復(fù)時(shí)間trr：小于10ns。(2) 最大管壓降VFM：。在開關(guān)電源的過壓保護(hù)、反饋控制系統(tǒng)中常用到硅二極管，如1N4141N4448。高速開關(guān)硅二極管是高頻開關(guān)電源中的一個(gè)主要器件，這種二極管具有良好的高頻開關(guān)特性。以下介紹幾種二極管的特點(diǎn)及檢測(cè)方法。面接觸型二極管的工作電流比較大，發(fā)熱比較厲害，它的最高工作溫度不允許超過100℃。 二極管二極管在電子電路中用得較多，功能各異。這是因?yàn)楫?dāng)CTR＜50%時(shí)，光耦中的LED就需要較大的工作電流(IF＞)，才能正?？刂茊纹_關(guān)電源IC的占空比，這會(huì)增大光耦的功耗。再次，除了必須遵循普通光耦的選取原則外，還必須考慮合理選擇CTR值。開關(guān)電源則應(yīng)該選擇線性光電耦合器，上表給出了常見的線性光電耦合器及主要數(shù)據(jù)。(3) 線性光耦合器的產(chǎn)品及選取原則使用光電耦合器主要是為了提供輸入電路和輸出電路間的隔離，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須遵循下列原則：所選用的光電耦合器件必須符合國(guó)內(nèi)和國(guó)際的有關(guān)隔離擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)；由英國(guó)埃索柯姆(Iso)公司、美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的4N系列(如4N24N24N35)光耦合器，目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用地十分普遍。因此，它適合傳輸模擬電壓或電流信號(hào)，能使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。普通光耦合器的特性曲線呈非線性，在較小時(shí)的非線性失真尤為嚴(yán)重，因此它不適合傳輸模擬信號(hào)。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí)，它等于直流輸出電流與直流輸入電流IF的百分比。此外，在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下降時(shí)間、延遲時(shí)間等參數(shù)。另一方面，光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)器件，可以形成電流環(huán)路的傳送形式，電流環(huán)路是低阻抗電路，對(duì)噪音的敏感度低，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，起到了電磁兼容和隔離抗干擾的作用，不會(huì)因?yàn)殡娐分械母哳l電流的電磁干擾對(duì)控制電路產(chǎn)生干擾。在開關(guān)電源中我們是采用電壓環(huán)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出的，光電耦合器作為輸入采樣、反饋信號(hào)、輸出驅(qū)動(dòng)的隔離器件。光電耦合器是電流驅(qū)動(dòng)型，需要一定的電流才能使發(fā)光二極管導(dǎo)通，如果輸入信號(hào)太小，發(fā)光二極管不會(huì)導(dǎo)通，其輸出信號(hào)將失真。線性方式工作的光電耦合器是在光電耦合器的輸入端加控制電壓，在輸出端會(huì)成比例地產(chǎn)生一個(gè)用于進(jìn)一步控制下一級(jí)的電路的電壓。光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、開關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。近年來問世的線性光耦合器能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或模擬電流信號(hào)，使其應(yīng)用領(lǐng)域大為拓寬。通常的光電耦合器由于它的非線性，因此在模擬電路中的應(yīng)用只限于對(duì)較高頻率的小信號(hào)的隔離傳送。在開關(guān)電源電路中利用光電耦合器構(gòu)成反饋電路，通過光電耦合器來調(diào)整、控制輸出電壓，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的；通過光電耦合器進(jìn)行脈沖轉(zhuǎn)換。因?yàn)樗鼤r(shí)一種發(fā)光體，而且用低電平的電源供電，所以它的使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高，而且體積小，可廣泛用于級(jí)間耦合、信號(hào)傳輸、電氣隔離、電路開關(guān)以及電平轉(zhuǎn)換等[5]。這就實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”功能轉(zhuǎn)換，也就是隔離信號(hào)傳遞。它時(shí)一種以紅外光進(jìn)行信號(hào)傳遞的器件，由兩部分組成：一是發(fā)光體，實(shí)際上時(shí)一只發(fā)光二極管，受輸入電流的控制，發(fā)出不同強(qiáng)度的紅外光；另一部分時(shí)受光器，受光器接受光照以后，產(chǎn)生光電流并從輸出端輸出。一般來說，磁芯面積越大，輸出功率也越大。(5) EE 磁芯是一種常用磁芯，對(duì)于中小功率的變壓器來說很適合。(4) EC 磁芯是在開關(guān)電源上常用的一種磁芯，磁芯截面積大，散熱效果好，常用在100～150W的開關(guān)電源上。(3) RM、X 形磁芯的磁耦合能力和散熱效果都很好，適合用在100W以上的大中功率電源上。它的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)磁感應(yīng)好，傳遞電能佳，可大量減少EMI；它的缺點(diǎn)是散熱效果極差，溫升很高，只能用在小功率開關(guān)電源上。一下是一些主要磁芯結(jié)構(gòu)的說明。在設(shè)計(jì)時(shí)，工作頻率和噪聲干擾應(yīng)十分注意。磁芯的使用一定要在一定的居里溫度以內(nèi)，這時(shí)選擇磁芯材料首先要考慮的問題。這樣的磁性材料的磁滯回線可使線圈中的電流波形前后沿陡峭，能很好地傳遞各種波形電信號(hào)。選用磁性材料時(shí)，要選用可飽和的磁性材料。(5) 矯頑力HC。 (4) 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br。(3) 初始導(dǎo)磁率μi。磁芯的磁狀態(tài)由鐵磁性轉(zhuǎn)變成順磁性時(shí)，在μ—T曲線上，80%μmax與20%μmax的連線跟導(dǎo)磁率等于1的直線的交點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的溫度稱為居里溫度。溫度越高，磁感應(yīng)強(qiáng)度越低。磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱與方向的一個(gè)物理量，用安/米（A/m）表示。對(duì)于一個(gè)產(chǎn)品，我們不看它的電路布置如何漂亮，而是要看各元器件布局是否合理，鐵氧體磁芯的顏色、線圈的屏蔽是否合適，散熱處理是否得當(dāng)?shù)鹊取ＴO(shè)計(jì)開發(fā)人員對(duì)高頻變壓器的設(shè)計(jì)制作，時(shí)開關(guān)電源設(shè)計(jì)制作的頭等重要任務(wù)。在選擇鐵氧體時(shí)，它不像電子元件那樣可以測(cè)量，它的具體的參數(shù)、特性曲線在顯示測(cè)量?jī)x器上也不時(shí)一目了然。圖23 MOSFET的圖形符號(hào)圖24 IGBT的圖形符號(hào) 軟磁鐵氧體磁芯軟磁鐵氧體材料常用在高頻變壓器、電感整流器、脈沖變壓器以及PFC中的升壓電感等電路中，在開關(guān)電源中時(shí)一種非常重要的元件。上述這些特征克服了MOSFET的一些缺陷，即在大功率、高電壓、大電流條件下工作時(shí)導(dǎo)通電阻大、器件發(fā)熱嚴(yán)重、輸出功率下降、電源效率低下的弊病。④ 擊穿電壓高，安全工作區(qū)大，在受到較大瞬態(tài)功率沖擊時(shí)不會(huì)損壞。③ 低導(dǎo)通電阻。IGBT的主要特點(diǎn)是：① 電流密度大，是MOSFET的10倍以上。 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種大電流密度、高電壓激勵(lì)的場(chǎng)控制器件，是高壓、高速新型大功率器件。圖22 功率驅(qū)動(dòng)