【正文】 式中， T 表示開(kāi)關(guān) S 的 開(kāi)關(guān)重復(fù)周期； TON 表示開(kāi)關(guān) S 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的導(dǎo)通時(shí)間。 T 不變，只改變 n0T 來(lái)實(shí)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)。若保持 n0T 不變，利用改變開(kāi)關(guān)頻率 f=1/T實(shí)現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)，從而實(shí)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)。既改變 n0T ，又改變 T，實(shí)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。 開(kāi)關(guān)電源的組成 開(kāi)關(guān)電源的基本組成如圖 12 所示。除此之外，開(kāi)關(guān)電源還有輔助電路，包括啟動(dòng)、 過(guò)流過(guò)壓保護(hù)、 輸入濾波、 輸出采樣、 功能指示等電路。 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(zhǔn)正弦波的諧振變換器應(yīng)用較為普遍。 圖 12 開(kāi)關(guān)電源的基本組成 4 開(kāi)關(guān)電 源的特點(diǎn) 開(kāi)關(guān)電源具有如下特點(diǎn)： (1) 效率高。由于開(kāi)關(guān)電源省掉了笨重的電源變壓器，節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，從而使其重量只有同容量線性電源的 1/5，體積也大大縮小了 ； (3) 穩(wěn)壓范圍寬。2%以下。在開(kāi)關(guān)電源中，由于可以方便地設(shè) 置各種形式的保護(hù)電路，因此當(dāng)電源負(fù)載出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)切斷電源，保障其功能可靠 ； (5) 功耗小。 開(kāi)關(guān)器件 開(kāi)關(guān)器件的特征 同處理信息的電子器件相比，開(kāi)關(guān)電源的電子器件具有以下特征： (1) 能處理電功率的大小，即 承受電壓和電流的能力是開(kāi)關(guān)器件最重要的參數(shù)，其處理電功率的能力小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí)，大多遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。 (3) 開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)態(tài)特性也是很重要的方面，有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問(wèn)題。 (4) 電路中的開(kāi)關(guān)器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。 器件 TL431. TL431 是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為 ，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(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開(kāi)關(guān)電源等等 [3]。％ ，典型值 25℃ （ TL431B） ； （ 3） 低動(dòng)態(tài)輸出阻抗，典型 ； （ 4） 負(fù)載電流能力 to 100mA； （ 5） 等效全范圍溫度系數(shù) 50 ppm/℃ 典型 ； （ 6） 溫度補(bǔ)償操作 全額定工作溫度范圍 ； （ 7） 低輸出噪聲電壓 。 (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(kāi)關(guān)頻率不高 (1 kHz 以下 )的整流電路中。其正向電流定額值和反向電壓定額值可以達(dá)到很 6 高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。快速二極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(jìn)的 PiN 結(jié)構(gòu)?？焖俣O管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)，前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在 100 ns 以下，有的甚至達(dá)到 20~30 ns。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)很多，主要是：反向恢復(fù)時(shí)間很短 (10~40 ns)，正向恢復(fù)過(guò)程中不會(huì)有明顯的電壓過(guò)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(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。 光耦 PC817 PC817[12]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(jí)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(hào)時(shí)，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(shí)現(xiàn)了 “電 光 電 ”的轉(zhuǎn)換。線性光電耦合器是一種新型的光電隔離器件，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號(hào)，這樣隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光信號(hào)，從而使光敏晶體管的導(dǎo)通程度也不同，輸出的電壓或電流也隨之不同 ,PC817 光電耦合器不但可以起到反饋?zhàn)饔眠€可以起到隔離作用。 圖 1－ 4 PC817 的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu) 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOSFET (1) 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特點(diǎn) 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管主要指絕緣柵型中的 MOS 型，簡(jiǎn)稱電力 MOSFET。 (2) 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理 (a) N 溝道內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖； (b) 電氣圖形符號(hào) 圖 15 電力 MOSFET 的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) 電力 MOSFET 的種類(lèi)按導(dǎo)電溝道可分為 P 溝道和 N 溝道，如圖 15所示。電力 MOSFET 的工作原理是：在截止?fàn)顟B(tài)，漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。 8 第 2 章 主要開(kāi)關(guān)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(hào)，同時(shí)也防止開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)產(chǎn)生的諧波和電磁干擾信號(hào)影響交流電網(wǎng)。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。為了減小漏電流， C C3 宜選用陶瓷電容器 [ 7]。電流互感器的輸出分為 電流瞬時(shí)值反饋和電流平均值反饋兩路， R2 上的電壓反映電流瞬時(shí)值。 通過(guò) 調(diào)節(jié) R R2 的分壓比可改變開(kāi)關(guān)管的限流值，實(shí)現(xiàn)電流瞬時(shí)值的逐周期比較，屬于限流式保護(hù)。兩種過(guò)流保護(hù)互為補(bǔ)充，使電源更為安全可靠。 9 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。如果輸出電壓 UO 升高，集成穩(wěn)壓器 TL431 的陰極到陽(yáng)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(duì)地的分流變大， UC3842 的輸出脈寬相應(yīng)變窄，輸出電壓 UO 減小。 圖 23 電壓反饋電路 電壓保護(hù)電路 圖 24 所示為輸出過(guò)電壓保護(hù)電 路。當(dāng)輸出過(guò)壓時(shí)， VS 擊穿， V 受觸發(fā)導(dǎo)通，使光電耦合器輸出三極管電流增大，通過(guò) UC3842 控制開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。其特點(diǎn)是除內(nèi)部 PWM 系統(tǒng)外，還設(shè)有多路保護(hù)輸入和穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器，同時(shí)還具有小電流啟動(dòng)功能。 UC3842 是美國(guó)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(diào)制器芯片。主要由 基準(zhǔn)電壓源、用來(lái)精確地控制占空比調(diào)定的振蕩器、降壓器、電流測(cè)定比 較器、 PWM 鎖存器、高增益 E/A 誤差放大器和適用于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET 的大電流推挽輸出電路等構(gòu)成。 11 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 如圖 3－ 1 ： ○ 1 腳為內(nèi)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頻率特性 。 ○ 5 腳為接地端。 lA； ○ 7 腳為啟動(dòng) /工作電壓輸入端 腳是直流電源供電端，具有欠、過(guò)壓鎖定功能，芯片功耗為 15mW。 UC3842 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) UC3842 為雙列 8 腳單端輸出的它激式開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)集成電路，其內(nèi)部電路包括振蕩器、誤差放大器、電流取 樣比較器、 PWM 鎖存電路、5VC 基準(zhǔn)電源、欠壓鎖定電路、圖騰柱輸出電路 [ 15]、輸出電路等，見(jiàn)圖32。 Comp 端引出接外部 RC 網(wǎng) 絡(luò) ,以改變?cè)鲆婧皖l率特性 . (4) 輸出電路：圖騰柱輸出結(jié)構(gòu)，電路 1A，驅(qū)動(dòng) MOS 管及雙極型晶體管。這實(shí)際上是一個(gè)過(guò)流保護(hù)電路。具有滯回特性。另外， VCC 與 GND 之間的穩(wěn)壓管用于保護(hù)，防止器件損壞。輸出極采用一個(gè)上電阻接一個(gè) NPN 型晶體管的集電極，這個(gè)晶體管的發(fā)射極接下面管子的集電極同時(shí)輸出；下晶體管的發(fā)射極接地。就是上下兩個(gè)輸出晶體管，從直流角度看是串聯(lián)，兩晶體管聯(lián)接處為輸出端。在開(kāi)關(guān)電源中，類(lèi)似的電路常稱為“半橋電路”。 200mA，峰值可達(dá)177。 (2) 啟動(dòng)電壓大于 16 V，啟動(dòng)電流僅 1 mA 即可進(jìn)入工作狀態(tài)。超出此限制，開(kāi)關(guān)電源呈欠電壓或過(guò)電壓保護(hù)狀態(tài)，無(wú)驅(qū)動(dòng)脈沖輸出。 (4) 輸出電流為 200 mA，峰值為 1 A，既可驅(qū)動(dòng)雙極型三極管也可驅(qū)動(dòng) MOSFET 管。若驅(qū)動(dòng) MOSFET 管，振蕩頻率由外接 RC 電路設(shè)定，工作頻率最高可達(dá) 500 kHz。誤差放大器輸入構(gòu)成主 PWM 控制系統(tǒng)，可使負(fù)載變動(dòng)在 30％～ 100％時(shí)輸出負(fù)載調(diào)整率在 8 ％以下，負(fù)載變動(dòng)在 70％～ 100％時(shí)負(fù)載調(diào)整率在 3％以下。如果③腳電壓大于 1 V 或①腳電壓小于 1 V， PWM 比較器輸 出高電平使鎖存器復(fù)位，直到下一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)才重新置位。因此，電路的抗干擾性極強(qiáng)，開(kāi)關(guān)管不會(huì)誤觸發(fā)，提高了可靠性。集成電路內(nèi)部基準(zhǔn)電壓通過(guò)④腳引入外同步。工作過(guò)程 是 ： 開(kāi)關(guān) 開(kāi)通后， V 處于斷態(tài)， 初級(jí) 繞組的電流線性增長(zhǎng)，電感儲(chǔ)能增加； 開(kāi)關(guān) 關(guān)斷后， 初級(jí) 繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場(chǎng)能量通過(guò) 次級(jí) 繞組和 V 向輸出端釋放。電源的輸出電壓等級(jí)有三種：＋ 5V、＋ 12V、－ 12V。由單管驅(qū)動(dòng)隔離變壓器 TC 主繞組 N1 電流， C R3 可以提供變壓器原邊泄放的通路。芯片所用的電源 Vcc由 R2 從整流后電壓提供提供。 反饋比較電路信號(hào)是從輔助繞組 N3 經(jīng)過(guò) V V C C4 等整流濾波后得到的 Vcc 分壓提取的。開(kāi)關(guān)管電流被 R10取樣后，經(jīng) R C7 濾波，送芯片 ISENSE 端，當(dāng)反饋信號(hào)值超過(guò)閾值 1V時(shí)，確認(rèn)過(guò)載，關(guān)斷電源輸出。 圖 33 UC3842 組成的反激式電源 15 UC3842 控制的同步整流電路 圖 3－ 4 為使用它激式驅(qū)動(dòng)電路 UC3842 組成的 5V／ 10A 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。 設(shè)驅(qū)動(dòng)脈沖在 Tn 期間，變換器開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，向電感存儲(chǔ)磁能。在驅(qū)動(dòng)脈沖 Tn 截止后，經(jīng)過(guò)設(shè)定的死區(qū)時(shí)間TD，脈沖間歇期的低電平輸出通過(guò)控制電路，使續(xù)流二極管上并聯(lián)的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。死區(qū)時(shí)間的設(shè)定，是為了避免兩只不同功能開(kāi)關(guān)管形成瞬間共態(tài)導(dǎo)通，造成供電電路短路損壞開(kāi)關(guān)管。 圖 3－ 4 基于同步整流技術(shù)的電源電路 UC3842 采用脈沖寬度調(diào)制方式穩(wěn)定輸出電壓，其各腳功能及外圍元器件作用如下： ○ 1 腳為內(nèi)部誤差比較器的誤 差檢測(cè)輸出端，在集成電路內(nèi)部控制脈寬調(diào)制器。 C8 作為頻率 特性 16 校正，避免比較器產(chǎn)生自激。穩(wěn)壓器輸出 5V電壓，由 R R1 分壓，正常穩(wěn)壓狀態(tài)為 取樣電壓。 ○ 3 腳為高電平保護(hù)輸入端，其輸入電平保護(hù)閾值為 1V。在圖 412中，由電流互感器 T1 對(duì)開(kāi)關(guān)管 VT2 導(dǎo)通電流取樣，經(jīng) V1 整流， R R6 分壓后，送入集成電路⑵腳作為開(kāi)關(guān)管過(guò)流保護(hù)。 ○ 4 腳為內(nèi)部振蕩器的外接定時(shí)電路端子， 5V基準(zhǔn)電壓通過(guò)電阻向電容器 C10 充電。該振蕩器頻率設(shè)定為 120KHz。 ○ 6 腳為 PWM 驅(qū)動(dòng)脈沖輸出端，用以驅(qū)動(dòng) PN 溝道對(duì)管 VTl 組成的移相驅(qū)動(dòng)器。 該電路的同步整流器由 VT VT2 和 VT3 組成。 開(kāi)關(guān)管 VT3 為 N 溝道 FET 管 IRF3205，其導(dǎo)通電阻 8M?，其漏一源極并聯(lián)接在續(xù)流二極管 V2 兩端。 VT 3 導(dǎo)通后，與V2 并聯(lián)，將此電壓降低到 100mV，大大降低了開(kāi)關(guān)管的損耗。 VT1 內(nèi)部由 P 溝道和 N 溝道 FET 對(duì)管組成。電流呈線性增長(zhǎng)。在 VT 2導(dǎo)通的同時(shí)， VT1 導(dǎo)通，其⑺腳和⑴腳將 VT3 柵源極短路，使 VT3 截止。 在驅(qū)動(dòng)脈沖的截止期， IC1⑹腳輸 出低電平， VT1 內(nèi)部 P 溝道 FET 管導(dǎo) 17 通，將 VT2 的柵源極短路。使 VT2 也截止， L2 釋放磁場(chǎng)能量， V2 正偏導(dǎo)通， VT 1⑸腳漏極輸出高電平經(jīng)過(guò) R7，使VT 3 導(dǎo)通，其漏源極低內(nèi)阻并聯(lián)在續(xù)流二極管 V2 兩端，使 L2 的釋放電流增大。由于 L2 在磁 電的存儲(chǔ)／釋放過(guò)程中難免形成開(kāi)關(guān)脈沖紋波，因此電路中濾波電容 C12 為 6只 100μ F 的電容并聯(lián)，以有效地降低電解電容的分布電感 ，使其高次諧波的濾波性能更好。儲(chǔ)能電感 L 開(kāi)關(guān)管 VT7 組成斬波式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器， UC3842 構(gòu)成開(kāi)關(guān)控制電路。當(dāng) VT7 導(dǎo)通時(shí)，輸入整流電壓經(jīng) L VT7 漏源極、 R6 完成回路，輸入整流電壓全部加在 L5 兩端，從而使電能變?yōu)榇拍艽鎯?chǔ)于 L5。 VT7 導(dǎo)通時(shí)間正比于 L5 存儲(chǔ)能量，因此，控制 VT7 通斷占空比，可以控制升壓幅度。 圖 35 由 UC3842