【正文】 的能量對開關波形進行微分平滑處理，從而更有效地調整脈沖的寬度及頻 率。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）。自激式包括單管式和推挽式，他激式包括調頻式（ PWF）、調寬式（ PWM）、調幅式（ PAM）和諧振式（ RSM） 4 種，我們用得最多的是調寬式變換器。 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。 開關電源設計中存在的問題與未來發(fā)展 開關電源中存在的問題 客觀上講，開關電 源的發(fā)展是非?？斓模@時因為它具有其他電源所無法比擬的優(yōu)勢。但是，它離人們的要求、應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。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。開關電源使用的磁芯、電解電容及整流二極管燈都很笨重，也是開關電源畢業(yè)論文 5 耗能的主要根源。按照習慣，變換有這樣幾種形式： AC/DC 變換、 DC/AC 變換以及 DC/DC 變換等。 (4) 軟件問題。要做到“軟開關”并實行程序化，更是有一定的困難。 (5) 生產工藝問題。這些問題大多是焊接問題和元器件技術性能問題， 還有生產工藝上的檢測、老化、粘結、環(huán)境等方面的因素。這就是開關電源的發(fā)展趨勢。 開關電源畢業(yè)論文 6 2． 開關電源元器件的選用 開關晶體管 無論那一種變換器，用的是那一種結構形式的開關電源，所使用的元器件都是開關晶體管、電阻、電容、電感及磁性材料等。往往設計的開關電源在試驗室中式成功的，一到生產線上進行規(guī)模生產時，就會出現(xiàn)各種問題。元器件本身質量的差異是影 響開關電源質量的一個重要原因。增強型 MOSFET 具有應用方便的“常閉”特性（即驅動信號為零時，輸出電流等于零）。這時因為 MOSFET 是一種依靠多數(shù)載流子工作的單極型器件，不存在二次擊穿和少數(shù)載流子的儲存時間問題，所以具有較大的安全工作區(qū)、良好的散熱穩(wěn)定性和非?？斓拈_關速度。所有類型的有源功率因數(shù)校正器都是為驅動功率 MOSFET 而設計的，所以說，用作開關的 MOSFET 是任何雙極型功率晶體管所不能替代的 [4]。由于它沒有少數(shù)載流子的存儲效應，所以它適用于 100~200MHz 的高頻場合，從而可以采用小型化和超小型化的磁性元件和電容器。 MOSFET 從驅動模式上來分，屬于電壓控 制器件，驅動電路設計比較簡單，驅動功率甚微，在啟動或穩(wěn)定工作條件下的峰值電流要比采用雙極型功率晶體管小得多。 MOSFET 對系數(shù)的可靠性與安全性的影響并不像雙極型晶體管那樣重要。 (2) MOSFET 的驅動 電路 MOSFET 的驅動電路如圖 21 和圖 22 所示。齊納二極管 DW1， DW2 反向串接在一起，用于對 VT 的柵 — 漏極進行鉗位，放置驅動電壓 VGS 過高而使 VT 幾串。盡管 MOSFET 的輸入阻抗很高，但仍會產生充電電流。 TR1 1 0 0V T1GDSM T D 5 N2 5 E2 5 TNSR21 KIDV DV T2B C 5 5 7 圖 22 功率驅動電路 圖 22 所示是加速漏極電流跌落時間、有利于零功率控制的電路。 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、高電壓激勵的場控制器件，是高壓、高速新型大功率器件。 IGBT 的主要特點是： ① 電流密度大，是 MOSFET 的 10 倍以上。 ③ 低導通電阻。 ④ 擊穿電壓高，安全工作區(qū)大，在受到較大瞬態(tài)功率沖擊時不會損壞。耐壓為 1kV 的 IGBT 的關斷時間為 ， 600V的產品的關斷時間僅為 。有關MOSFET 和 IGBT 的圖形符號見圖 23 和圖 24。但是，我們不能十分有把握地掌握磁性材料的特性，以及這種特性與溫度、頻率、氣隙等的依賴性和不易測量性。由于高頻變壓器、電感器所涉及的參數(shù)太多，例如電壓、開關電源畢業(yè)論文 9 電流、溫度、頻率、電感量、變比、漏感、磁性材料參數(shù)、銅損、鐵損、交流磁場強度、交流磁感應強度、真空導磁率等十幾種參量。鐵氧體受到的影響因素多、元器件選用以及電路板上元器件的布置和走線的方式等對此都有影響。 磁性材料的基本特性 (1) 磁場強度（ H）與磁感應強度（ B）。磁感應強度是指磁場作用于磁性物質上的作用力的大小，用（ Gs）表示。 (2) 居里溫度 TC。溫度越高，出事導磁率也越高，當超過 130℃時，初始導磁率為零。磁性材料的磁化曲線始端磁導率的極限值稱為初始導磁率。磁芯從飽和狀態(tài)除去磁場后剩余的磁感應強度稱為剩余磁感應強度。磁芯從飽和狀態(tài)除去磁場后繼續(xù)反向磁化，直到磁感應強度減小到零，此時的磁場強度稱為矯頑力（保磁力）。這種材料具有良好的開關特性，可產生優(yōu)良的振蕩波形，并要求磁芯具有祭祀舉行的磁滯回線。如果磁芯的S 矩形曲線在 B 方向上被壓扁，將會嚴重影響變壓器的振蕩波形，導致開關晶體管溫升加劇。其次還要注意磁芯的結構、脆度、硬度、穩(wěn)定性、導磁率及磁感應強度。在強磁場力作用下，磁性材料會收縮或膨脹，很可能出現(xiàn)磁共振，所以把磁芯變壓器裝在印制電路板上時要注意切實粘結牢固，防止出現(xiàn)機械噪聲和電磁噪聲。 (1) POT 是罐形磁芯，銅線繞在磁芯內面，此貼包圍線圈。 (2) PM 時 R 形磁芯，結構緊湊，體積小，但電能耦合不是很好，散熱性能也不是很好。其缺點是所占空間大，放置困難。其缺點是窗口面積比較小，對變壓器的匝數(shù)要有限制。磁芯面積的大小將決定開關電源的功率。 光電耦合器 光電耦合器（ Optical Coupler， OC）也叫光電隔離器（ Optical Isolationg， OI），簡稱光耦。它的光 — 電反應也是隨著光的強弱改變而變化的。光電耦合器的主要優(yōu)點是單向信號傳輸，輸入端和輸出端完全實現(xiàn)了隔離，不受其他任何電氣干擾和電磁干擾，具有很強的抗干擾能力。在儀器儀表、通信設備及各種電路接口中都應用到了光電耦合器。 圖 26 光電耦合器及其典型用法 實際上，光電耦合器有晶體管、達林頓、可控硅、磁效應管等多種輸出形式。普通光耦合器只能傳輸數(shù)字（開關）信號，不適合傳輸模擬信號。 (1) 光耦合器的性能特點及其抗干擾作用 光耦合器的主要優(yōu)點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高。 由于光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供的電流并不大，不易使半導體二極管發(fā)光。光電耦合器的隔離電阻很大、隔離電容很?。s幾個 pF），所以能阻止電路性耦合產生的電磁干擾。它由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，當發(fā)光二極管接通而發(fā)光，光敏三級管導通。在開關電源中，利用線性光耦合器可構成光耦反饋電路，通過調節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。一方面光電耦合器可以起到隔離兩個系統(tǒng)地線的作用，使兩個系統(tǒng)的電源相互獨立，消除地電位不同所產 生的影響。 (2) 光耦合器的技術參數(shù) 主要有發(fā)光二極管正向壓降 FV 、正向電流 FI 、電流傳輸比 CTR、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極 發(fā)射極反向擊穿電壓 (BR)CEOV 、集電極 發(fā)射極飽和壓降CE(sat)V 。 電流傳輸比 CTR 是光耦合器的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來表示。其公式為： OF( / )1 0 0 %CTR I I? （ 21） 采用一只光敏三極管的光耦合器， CTR 的范圍大多為 20%～ 300%（如 4N35），而PC817 則為 80%～ 160%，達林頓型光耦合器（如 4N30）可達 100%～ 5000%。因此， CTR 參數(shù)與晶體管的 hFE 有某種相似之處。線性光耦合器 的 FCTR I? 特性曲線具有良好的線性度，特別是在傳輸小信號時，其交流電流傳輸比 ( /CTR IC IF? ? ? ?)很接近于直流電流傳輸比 CTR 值。這是其重要特性。鑒于此類光耦合器呈現(xiàn)開關特性，其線性度差，適宜傳輸數(shù)字信號 (高、低電平 )，可以用于單片機的輸出隔離；所選用的光耦器件必須具有較高的耦合系數(shù)。 其次，必須正確選擇線性光耦合器的型號及參數(shù)。光耦合器的電流傳輸比 (CTR)的允許范圍是 50%～ 200%。若 CTR＞ 200%，在啟動電路或者當負載發(fā)生突變時，有可能將單片開關電源誤觸發(fā)，影響正常輸出。從結構上來分，有點接觸型和面接觸型二極管。按照功能來分，有快速恢復及超快速恢復二極管，有整流二極管、開關電源畢業(yè)論文 13 穩(wěn)壓二極管及開關二極管等。 開關二極管 開關管用在高速運行的電子電路中，起信號傳輸作用，在模擬電路中起作鉗位抑制作用。它的反向恢復時間 trr 只有幾納秒，而且體積小，價格低。 硅二極管的主要技術指標是： (1) 最高反向工作電壓 VRM 和反向擊穿電壓 VBR：這兩個參數(shù)越大越好。 (3) 最大工作電流 Id：大于 150mA。 穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管又叫齊納二極管（ Zener Diod），具有單向導電性，它工作在電壓反向擊穿狀態(tài)。它在電子電路中用作過壓保護、電平轉換，也可用來提供基準電壓。穩(wěn)壓值低于 40V 的叫做低壓穩(wěn)壓二極管；高于200V 的叫做高壓穩(wěn)壓二極管。穩(wěn)壓管 的直徑一般只有 2mm，長度為 4mm。穩(wěn)壓二極管從材料上分為 N 型和 P 型兩種。 (2) 穩(wěn)壓二極管的用途 穩(wěn)壓二極管具有以下幾個作用：第一，對漏極和源極經行鉗位保護；第二，起到加速開關管導通的作用；第三，在開關電源中常用高壓穩(wěn)壓二極管代替瞬態(tài)電壓抑制器 TVS 對初級回路產生的尖峰電壓進行鉗位；第四，在晶體管反饋回路中，常常在晶體管的發(fā)射極串聯(lián)一只穩(wěn)壓管作電壓負反饋，提高放大電路的穩(wěn)定性。設計人員根據(jù)需要選用。 ③ 溫度系數(shù) t? 。 快速恢復及超快速恢復二極管 快速恢復二極管（ Fast Recovery Diod）和超快速恢復二極管（ Superfast Recovery Diod， SRD）時很多電子設備中常用的器件，在開關電源中也經常用到。 (1) 超快速恢復二極管的性能特點 ① 反向恢復時間 trr：通過二極管的電流由零點正向轉反向后，再由反向轉換到規(guī)定值的時間。一般來說，選用管子的整流電流時設計輸出電流的 3 倍以上。所謂共陰、共陽是指兩只二極管接法不同。一般正向電阻為 6? ，反向電阻為無窮大，可從讀出的負載電壓計算出正向導通壓降。超快速恢復二極管的反向恢復時間在 20～ 50ns 之間；整流電流 Id 為最大輸出電流 IOM 的 3 倍以上，即 Id3IOM；最高反向工作電壓 VRM 為最大反向峰值電壓 V(BR)S的 2 倍以上，即 VRM2V(BR)S。當電路發(fā)生短路或用電電流超過極限值時，它起保護作用。 (1) 工作原理 自動恢復開關是由高分子晶狀聚合物和導電鏈構成的，它將聚合物緊密束縛在導電鏈上，在常態(tài)下它的電阻值非常低，只有 ? ，工作電流通過開關時功耗也很小，它所產生的熱量很少，不改變聚合物內部的晶狀結構。當故障排除以后，它又能很快恢復到低電阻狀態(tài)。自動恢復開關可在家用電器、計算機通信設備以及開關電源上用作過流保護。這里應特別注意：自動恢復開關只能進行低壓過流保護，而不能 接在 220V 或 110V 交流電壓上，否則將使開關燒壞。 (2) 檢測方法 ① 電阻檢查 用數(shù)字萬用表的電阻檔直接測量它的直流電阻，電阻值越小，自動恢復開關的容量越大。穩(wěn)壓電源 的輸出電壓從零開始逐漸升高，這時注意電流表的電流讀數(shù)也在不斷增加。關斷電源后，穩(wěn)壓電源的輸出電壓又從零點幾伏開始上升。 熱敏電阻 熱敏電阻時有錳鈷鎳的氧化物燒結成的半導體陶瓷制成的，具有負溫度系數(shù)，隨著溫度的升高，其電阻值降低。 (2) T? ：零功率電阻系數(shù)，表示零功率下溫度每變化 1℃ 所引起電阻值的相對變化率（ %/℃ ）。 熱敏電阻在開關電源中起過溫度保護和軟啟動的作用。剛啟動時，溫度低，電阻值高，相當于開路。當發(fā)熱越過極限值時，整開關電源畢業(yè)論文 16 流后的輸出電壓降低，開關電源高頻振蕩停振，或是由于熱敏電阻阻值降低后，將電路保險絲燒斷，電路與供電電源斷開，起到熱保護作用。為了解決這一問題，一般是在電路中串接幾歐姆的電阻，在啟動瞬間對電流加以限制。如果將電阻換為熱敏電阻，就可解決這一問題。隨著電流通過發(fā)出熱量，熱敏電阻的阻值迅速減小，啟動成功，功耗降低。 開關電源畢業(yè)論文 17 3． 開關電源的設計基礎 開關電源的控制方式 目前生產的開關電源多數(shù)采用脈寬調制方式，少數(shù)采用脈沖頻率調制方式，很少見到混合調制方式。在電路設計上要用固定頻率發(fā)生器來代替脈寬調制器的鋸齒波發(fā)生器，并利用電壓、頻率轉換器（例如壓控振蕩器 VCO）改變頻率 。調頻式開關電源的輸出電壓的調節(jié)范圍很寬，調節(jié)方便，輸出可以不接假負載，詳見圖