【正文】 種趨勢(shì)。在電子儀器、自控裝置中也要給各種模擬和數(shù)字電路提供多路電源。第一章 多路輸出式單片電源開關(guān)的原理與應(yīng)用 6 第一章 多路輸出式單片電源開關(guān)的原理與應(yīng)用 許多家電產(chǎn)品（如電視機(jī)、機(jī)頂盒解碼器、錄像機(jī)）都需要由多路穩(wěn)壓電源來供電。利用單片 開關(guān)電源可以實(shí)現(xiàn)多路電壓輸出。下面來介紹其原理和應(yīng)用。變換器用開關(guān) S 來等效。 L 上的電壓極性是左端正、右端負(fù)，此時(shí)續(xù)流二極管 VD 截止。 第一章 多路輸出式單片電源開關(guān)的原理與應(yīng)用 6 LM2673 降壓式模塊的應(yīng)用 眾所周知，采用集成工藝是無法將大量的電容器、電位器磁芯電感器、高頻變壓器、整流器等集中在芯片中的。這就給用戶帶來了諸多不便。 LM2673 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種微型降壓式 DC/DC 變換器模塊，通過各家生產(chǎn)制造廠商的預(yù)先設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了使外部元件最小化的完整設(shè)計(jì)方案。輸出電壓為 3V、 5V、 12V（固定輸出電壓型號(hào)）和 ~37V（輸出電壓可調(diào)型號(hào)），輸出電流為 100mA~3A。它采用脈寬調(diào)制式（ PWM），具有限流保護(hù)、軟啟動(dòng)、欠壓鎖定等多種保護(hù)功能。在全程及負(fù)載條件，可調(diào)輸出 電壓在 177。 LM2673 采用標(biāo)準(zhǔn)的 TO220 封裝，見圖 。下面分別簡(jiǎn)單介紹其功能。此開關(guān)為一個(gè)電感器、一個(gè)輸出電容以及一個(gè)脈沖寬度調(diào)制器（ PWM）控制下的負(fù)載電路提供能量。在標(biāo)準(zhǔn)降壓應(yīng)用中，開關(guān)電源的工作周期（ Time ON/Time OFF）與電源輸出電壓和輸入電壓之間的比值成正比例關(guān)系。 管腳 2：輸入 (Input） 電源的輸入電壓與管腳 2相連。為了實(shí)現(xiàn)所有額定性能，輸入電壓的浮動(dòng)范圍必須在 8V到 40V之間。 管腳 3： C增壓（ C Boost） 在管腳 3與管腳 1（輸出開關(guān)）之間必須連接一個(gè)電容，這個(gè)電容增壓門驅(qū)動(dòng)到半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，當(dāng)電壓在輸入電壓之上時(shí)則完全導(dǎo)通，在開關(guān)電源上實(shí)現(xiàn)最小傳導(dǎo)損耗以維持高能效。 管腳 4：接地（ Ground） 是電源中所有元件的接地參考連接。 管腳 5：整流（ Current Adjust) LM2673的一個(gè)關(guān)鍵性特性是用來調(diào)節(jié)開關(guān)峰值電流上限使之達(dá)到符合特殊應(yīng)用要求的水平，它可以降低使用外置元件時(shí)必須完全符合額定電流水平的要求（例如在第一章 多路輸出式單片電源開關(guān)的原理與應(yīng)用 11 短路條件下），使得這個(gè)電流水平可以比正常電路的操作電流的要求出高很多。 管腳 6：反饋（ Feedback） 電源的實(shí)際輸出相接以獲得一個(gè)直流輸出電壓。在可調(diào)節(jié)輸出版本中，兩個(gè)外置電阻被要求提供直流輸出電壓。 管腳 7：軟啟動(dòng)（ Softstart） 一個(gè)連接著管腳 7與接地的電容器提供了一個(gè)緩慢增加的開關(guān)調(diào)節(jié)器，該電容用來提供一 個(gè)時(shí)間延遲，以逐漸增加內(nèi)部開關(guān)電源的工作周期，這樣做可以顯著地減少輸入電源在輸入電壓的突變中所產(chǎn)生的浪涌電流量。 開關(guān)電源的輸入電路 輸入整流器 在選擇組合元件和分立元件時(shí)，設(shè)計(jì)者必須要查對(duì)下面一些重要的技術(shù)參數(shù)。這個(gè)參數(shù)主要根據(jù)開關(guān)設(shè)計(jì)的輸出功率決定。 （ 2）峰值反向截止電壓（ PIV）。一般應(yīng)在 600V 以上。浪涌電流是由開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的峰值電流所產(chǎn)生的。一般情況下，高質(zhì)量的電解電容器所具有的濾除交流波紋電壓的能力越強(qiáng)，它的 ESR 值就越低。 計(jì)算濾波電容的公式如下： ItC V? （ 11） 公式中， C：電容量， F； I：負(fù)載電流， A； t：電容提供電流的時(shí)間， s。 開關(guān)電源的輸出電路 一般情況下，開關(guān)電源的一路或多路輸出電壓通常都是直流低電壓，具有一定的輸出功率，用來驅(qū)動(dòng)其他電子電路。 開關(guān)電源的大多數(shù)輸出電路，都是對(duì)高頻變壓器次 級(jí)的高頻方波電壓進(jìn)行整流濾波。一般在反激式變換器中所使用的輸出電路，在反激式變換器電路中，因?yàn)樽儔浩?T1 還起存儲(chǔ)能量的電感作用，所以二極管 VD1 和電容器 C1 是產(chǎn)生直流輸出電壓的整流濾波元件。其作用是使輸出電壓更加平滑。 在任何開關(guān)電源的輸出電路設(shè)計(jì)中，都應(yīng)嚴(yán)格選擇整流二極管和續(xù)流二極管的反向截止電壓，使之反向耐壓能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最小值。 正激式變換器的輸出電路與反激式的相比較，其明顯區(qū)別是在電路中增加了一個(gè)二極管 VD2，我們稱之為續(xù)流二極管。 在驅(qū)動(dòng)晶體管截止期間，由二極管 VD2 給輸出端提供電流，因此，把二極管 VD1和 VD2 結(jié)合起來使用，就可以在整個(gè)變化周期都能為輸出端提供全波電流輸出。 推挽式、半橋式、全橋式變換器的輸出電路中，由于二極管 VD1 和 VD2 都給輸出端提供半周期的電流，所以它們分擔(dān)這相等的負(fù)載電流。 但是，對(duì)于 二 極 管 的 反 向 截 止 電 壓 參 數(shù) 的 要 求 就 提 高 了 ， 它 的 最 小 值 應(yīng) 為 ：*。普通的 PN 結(jié)二極管不適于作為開關(guān)使用。在開關(guān)電源中，可以使用以下三種類型的整流二極管： （ 1）高效快速恢復(fù)二極管； （ 2）高效超快恢復(fù)二極管； （ 3）肖特基勢(shì)壘整流二極管。 肖特基勢(shì)壘整流二極管（見圖 中曲線 a）展示的正向壓降 VF為最小 ，因此第一章 多路輸出式單片電源開關(guān)的原理與應(yīng)用 17 它的效率也最高。 。其范圍是從 ~。因此，它們特別適合于在輸出小功率，電壓在 12V 左右的輔助電源電路中的使用。因此，大大提高了電源的效率。 這兩種整流二極管還減小了開關(guān)電壓尖峰。雖然某些“軟”恢復(fù)型整流二極管的噪音較小，但是它們的反向恢復(fù)時(shí)間 trr較長(zhǎng)，反向電流 IRM 也較大。 圖 說明的是快速恢復(fù)型與“軟”恢復(fù)型二極管的特性。 第一章 多路輸出式單片電源開關(guān)的原理與應(yīng)用 17 從圖 可見兩種不同類型的整流管的 trr 和 IRM 數(shù)值有著明顯的區(qū)別。一般情況下，這些二極管在制造時(shí)允許的結(jié)溫在 175℃左右。 流二極管 圖 揭示了肖特基勢(shì)壘整流二極管即使在大的正向電流作用下，其正向壓降也很低，僅有 左右。因?yàn)樵谝话闱闆r下，低電壓輸出所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電流都較大。 肖特基勢(shì)壘整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間是可以忽略不計(jì)的，因此該器件是多數(shù)載流子半導(dǎo)體器件，在器件的開關(guān)過程中，沒有清除少數(shù)載流子存在電荷的問題。 第一是其反向截止電壓的承受能力較低，目前的產(chǎn)品大約 為 100V。當(dāng)然，這些問題也可以通過增加瞬時(shí)過壓保護(hù)電路及適當(dāng)控制結(jié)溫來克服。變壓器次級(jí)一半的電壓 VS最小是 2VOUT。 高頻變壓器的漏電感和肖特基勢(shì)壘整流二極管的結(jié)電容在管子截止 時(shí)，形成了一個(gè)諧振回路，它會(huì)引起瞬時(shí)過壓振蕩。 增加了 RC 吸收電路之后，會(huì)使振蕩波形的振幅下降到安全范圍內(nèi)。對(duì)于那些小電流輸出的電路，把一個(gè) RC 吸收回路加在變壓器次級(jí)的兩端即可。 RC 吸收回路的電阻 RS 值可以由下邊的公式求出。 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。電感的存在，有兩方面的作用。 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。這些磁芯對(duì)于設(shè)計(jì)電感都是很好用的。 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。 （ 2）能量存儲(chǔ)能力強(qiáng)。 （ 4）供選擇的尺寸寬。鐵氧體扼流圈的特點(diǎn)是容易繞制。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關(guān)的原理與應(yīng)用 12 射的射頻干擾會(huì)減小。 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程中具有較高的穩(wěn)定性等。 PWM 系統(tǒng) 盡管許多開關(guān)技術(shù)可用于開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，但直到目前為止，使用最多的開關(guān)技術(shù)還是固定頻率的 PWM 技術(shù)。 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）。 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)體電路來實(shí)現(xiàn)。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。 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。通常 PWM 控制器在其外部經(jīng)緩沖后去驅(qū)動(dòng)主電源開關(guān)晶體管。 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)。 這些 PWM 控制芯片在很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)成為了開關(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。 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。 開關(guān)電源的輔助電路 為了增強(qiáng)開關(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。 此外，主振回路還包括其它一些電路類型：如軟啟動(dòng)電路、過流保護(hù)電路、過壓保護(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。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。 光電耦合器主要由兩個(gè)元件組成：一個(gè)是光源。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。 開關(guān)電源主振 回路所使用的自舉式輔助電源 在高頻開關(guān)電源中，用驅(qū)動(dòng)變壓器推動(dòng)開關(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。 第一章 多路輸出式單片電源開關(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。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。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。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)壓器即無功率消耗了。要求此晶體管在截止時(shí)，要能承受基極 集電極的高壓。 開關(guān)電源中的軟啟動(dòng)電路 在大多數(shù)開關(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關(guān)接通的瞬間產(chǎn)生過流現(xiàn)象和使變壓器產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。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程是緩慢進(jìn)行的。 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，具體工作過程分析如下：在時(shí)間 t=0 時(shí)，電源開關(guān) 剛接通，電容器開始處于未被 充電狀態(tài)，而誤差放大器的輸出端通過二極管 VD1 保持在零電平。 第一章 多路輸出式單片電源開關(guān)的原理與應(yīng)用 31 在時(shí)間 t=0?時(shí)，電容器通過電阻 R 開始充電，充電時(shí)間