小功率開關電源設計1

1、蘭州交通大學博文學院畢業(yè)設計（論文）摘 要 隨著電力電子技術的發(fā)展，開關電源逐漸取代了線性電源，稱為當今電源的主流形式，在電力、電器等領域中得到廣泛應用。本論文是通過開關電源集成控制芯片M51995AFP設計制作的一種降壓型開關電源，輸出電壓5VDC。此開關電源是通過脈寬調(diào)制技術控制接通占空比來調(diào)整輸出電壓，達到穩(wěn)定輸出目的的。論文主要完成了以下內(nèi)容： (1)根據(jù)需要選擇開關電源拓撲結(jié)構；(2)基于M51995AFP設計開關電源的控制核心部分；(3)設計整流濾波電路，減小輸出紋波；(4)建立開關電源的電路模型并分析；(5)選擇控制模型并仿真分析，確定系統(tǒng)參數(shù)。本論文根據(jù)控制芯片內(nèi)各部件的工作原

2、理，設計了合理的輔助電路，通過計算和仿真分析，得到了系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)。掌握了開關電源設計的核心技術，并對設計過程做了詳細闡述。關鍵詞：開關電源 占空比 脈寬調(diào)制 ABSTRCTWith the development of power electronics technology, switching power supply is gradually replaced by a linear power supply, known as the mainstream form of today's power supply, and is widely used in electrici

3、ty, electronics and other fields.This paper is a switching power supply integrated the control chip M51995AFP design a step-down switching power supply, the output voltage of 5VDC. This switching power supply is on duty through pulse width modulation control to adjust the output voltage to achieve a

4、 stable output purposes.The thesis, completed the following:(1)Need to select the switching power supply topology;(2)Based on the design of switching power supply control core M51995AFP part;(3)Design rectifier filter circuit reduces the output ripple;(4)The establishment of the switching power supp

5、ly circuit model and analysis;(5)Select the model and simulation analysis to determine the system parameters.This thesis is based on the works of the various components within the control chip design reasonable auxiliary circuit, calculation and simulation analysis, system tuning parameters. Mastere

6、d the core technology of the switching power supply design, and the design process elaborate.Keywords: Switching Power Supply Duty Cycle Pulse Width Modulation目 錄1. 緒 論11.1 開關電源的概念和分類11.1.1 開關電源的概念11.1.2 開關電源的分類22. 開關電源的設計基礎42.1 開關電源中的電力電子電路42.1.1 非隔離型電路42.1.2 隔離型電路62.2 軟開關技術82.2.1 零電壓開關和零電流開關82.2.2

7、 常見軟開關電路92.3 諧振式電源92.3.1 諧振變換電路的原理及分類92.3.2 諧振式電源原理103. 開關電源元器件的選用113.1 二極管113.1.1 開關二極管113.1.2 穩(wěn)壓二極管113.1.3 快速恢復及超快速恢復二極管123.2 開關晶體管123.2.1 功率開關MOSFET123.2.2 絕緣柵雙極型晶體管143.3 自動恢復開關143.5 光電耦合器153.6 軟磁鐵軟體磁芯173.7 磁芯的選用174. 開關電源設計184.1 開關電源集成控制器184.1.1 芯片管腳排列184.1.2 芯片的基本特性184.1.3 芯片工作原理194.2 開關電源電路分析25

8、4.2.1 開關電源電路原理圖254.2.2 開關電源個各單元電路的具體分析275. 建模仿真與分析325.1 電路模型的建立325.2 滑?？刂?45.2.1 滑模變結(jié)構控制簡介345.2.2 滑動模型分析345.3 開關電源建模總結(jié)分析36結(jié) 論38參考資料391. 緒 論近年來開關電源發(fā)展迅速，以其小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。1.1 開關電源的概念和分類通常所說的電源，是指發(fā)出電能的電源和變換電能的電源。電源輸出的是電能，人們通常所用的電能是通過機械能、熱能、化學能轉(zhuǎn)換而來的，很多情況下，所得的電源并不符合使用的

9、需求，需要進行再次變換，這種變換是指電能從一種形態(tài)變換為另一種形態(tài)。開關電源的輸入、輸出都是電能，因此開關電源屬于電能變換的電源。1.1.1 開關電源的概念通常把電力分為直流（AC）和交流（DC），所以電力電子電路有四大類：AC-DC電路、AC-AC電路、DC-AC電路、DC-DC電路。自20世紀60年代，人們研發(fā)出了二極管、三極管等半導體器件，然后就用半導體器件作轉(zhuǎn)換。這種用半導體功率器件作開關，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，稱為開關電源電路。開關電源電路的核心元器件是電力電子器件，一般都工作在開和關的狀態(tài)，損耗很

10、小，因而開關電源漸漸替代了線性穩(wěn)壓電源。開關電源通常由六大部分組成，見圖1.1：圖1.1 開關電源組成框圖輸入電路：由低通濾波和一次整流環(huán)節(jié)組成。功率因數(shù)校正電路：從輸入電路輸入的交流電經(jīng)低通濾波和一次整流后得到未穩(wěn)壓的直流電壓，為提高功率因數(shù)，保持輸入電壓與輸入電流同相，經(jīng)此部分需進行功率因數(shù)校正。其校正方法分為無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正，通常采用有源功率因數(shù)校正。功率轉(zhuǎn)換電路：由電子開關和高頻方波脈沖電壓組成。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?？刂齐娐罚狠敵鲭妷航?jīng)過分壓、采樣后經(jīng)此電路與基準電壓進行比較、放大。頻率振蕩發(fā)生器：由頻率震蕩發(fā)生器產(chǎn)生一種高頻

11、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)。電能的轉(zhuǎn)換通常使用高頻電子開關，在它的一個開關周期T內(nèi)，其接通時間與整個周期之比稱為接通占空比，即接通占空比D=/T,開關斷開時間與周期之比稱為斷開占空比，即斷開占空比D'=/T。經(jīng)過上面的分析可知，開關電源較其他形式的電源具有以下優(yōu)點節(jié)能、體積小、重量輕、不易損壞、改變輸出容易且穩(wěn)定可控，易根據(jù)人們要求完成設計。1.1.2 開關電源的分類目前開關電源種類很多，按其工作性質(zhì)可以分為“硬開關”和“軟開關”兩類。在很多電路中，開關器件工作在高電壓或大電流由基極（或柵極）控制電子開關的通和斷。開關的過程中，電壓、電流均不為零，出現(xiàn)

12、重疊區(qū)，開關器件有一定消耗，且比通態(tài)或斷態(tài)時的消耗大很多倍，這種開關過程稱為硬開關。通過在原來的電路中增加很小的電抗性諧振原件，構成輔助換相網(wǎng)絡，在開關過程前后引入諧振過程，開關器件開通前電壓先降為零或關斷前電流先降為零，這樣就可以消除開關過程中電壓、電流的重疊，降低了電壓、電流的變化率，大大減小甚至消除開關損耗等，像這樣的開關過程稱為軟開關。根據(jù)上面的介紹，可以知道電子開關具有零電壓導通和零電流關斷的外部條件，像這樣的變換器稱為準諧振變換器。準諧振變換器開關電源的輸出電壓不受輸入電壓變化的影響、輸出電流也不瘦負載變化的影響，這種開關電源的主變換器依靠開關的頻率來穩(wěn)定其輸出參數(shù)，稱這樣的電源為

13、調(diào)頻開關電源。但調(diào)頻式開關電源不像脈沖調(diào)制開關電源那么容易控制，而且準諧振電路的電壓峰值高，開關所受壓力大，因此目前還未得到廣泛應用。開關電源按諧振方式分，還可以分為串聯(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，有連續(xù)模式和不連續(xù)模式之分。凡是以脈沖寬度來調(diào)制的電子開關變換器都叫PWM變換器。1.2 開關電源的發(fā)展趨勢隨著電力電子技術的高速發(fā)展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現(xiàn)了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電

14、源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發(fā)展。但不可否認，開關電源離人們的要求、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。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化是開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產(chǎn)品的小型化

15、、輕便化。未來的開關電源像一只茶杯的蓋子：它的工作頻高達210MHz，效率達到95%，功率密度為36W/cm2，功率因數(shù)高達0.99，長期使用完好，壽命在80000h以上。另外開關電源的發(fā)展與應用在安防監(jiān)控，節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。2. 開關電源的設計基礎2.1 開關電源中的電力電子電路開關電源的核心電路是開關電源中的電力電子電路，即主電路。對不同種類開關電源主電路的工作原理有深入的理解，是進行開關電路選型的基礎，也是主電路和控制電路設計的基礎。根據(jù)電路是否具有回饋能力、輸入端和輸出端是否電氣隔離以及電路的結(jié)構形式等三個原則，可以將開關電源中的電力電子電路分為不同的種

16、類。不同種類的電路有著不同的特點和應用場合?？偟膩碚f，非回饋型的電路要比回饋型的電路結(jié)構簡單、成本低，而絕大部分應用不需要開關電源具備回饋能力，所以，非回饋型的電路應用遠比回饋型的電路廣泛。非隔離型的電路要比隔離型的電路結(jié)構簡單、成本低，但多數(shù)應用需要開關電源的輸入端與其輸出端隔離，或需要多組相互隔離的輸出，因此，隔離型的電路應用更為廣泛。2.1.1 非隔離型電路非隔離型電路即各種直流斬波電路，根據(jù)電路形式的不同，可以分為降壓（Buck）型電路、升壓（Boost）型電路、升降壓（Buck-Boost）型電路、丘克（Cuk）型電路等。降壓（Buck）型電路降壓型電路結(jié)構如圖2.1所示：UoIDS

17、IDVDIDLIDCID 圖2.1 Buck電路拓撲結(jié)構穩(wěn)態(tài)時，電感充放電伏秒積相等，即有： , 式（2.1） 化簡得： 式（2.2）即，Buck型電路的輸入輸出電壓關系為： (占空比) 式（2.3）開關S導通時，電源通過L平波和C濾波后向負載端提供電流；揩干S關斷后，L通過二極管續(xù)流，保持負載電流連續(xù)。輸出電壓因為占空比的存在，其值不會超過輸入電壓。升壓（Boost）型電路升壓型電路結(jié)構如圖2.2所示：UiIDUoIDSIDVDIDLIDCID 圖2.2 Boost電路拓撲結(jié)構根據(jù)穩(wěn)態(tài)時電感L的充放電伏秒積相等的原理，同理可得出Boost型電路的輸入輸出電壓關系為： 式（2.4）開關S和負載

18、構成并聯(lián)。S導通時，電流通過L平波，電源對L充電。S關斷時，L向負載及電源放電，輸出電壓為，因而有升壓作用。升降壓（Buck-Boost）型電路升降壓型電路結(jié)構如圖2.3所示：UiIDUoIDSIDVDIDCIDL圖2.3 Buck-Boost電路拓撲結(jié)構同理可得輸入輸出電壓關系： 式（2.5）S導通時，電源僅對電感充電，S關斷時，通過電感對負載放電來實現(xiàn)電源傳輸。因此，此電路中的電感L的作用是傳輸能量。丘克（Cuk）型電路丘克型電路結(jié)構如圖2.4所示：C1C2L2RUoVDL1SUi圖2.4 Cuk變換器電路拓撲結(jié)構電壓關系： 式（2.6） 開關S閉合時，電源對L1充電。S斷開時，電源及電感

19、通過VD對C1進行充電。再當S閉合時，VD關斷，C1通過L2、C2濾波對負載放電，L1繼續(xù)充電。此電路中的C1用于傳遞能量，而且輸出極性和輸入極性相反。2.1.2 隔離型電路正激型電路 正激型電路結(jié)構如圖2.5所示：TN3CLR N2UoSN1VD1VD2VD3Ui圖2.5 正激型變換器電路開關S導通時，原邊經(jīng)過輸入電源-N1-S-輸入電源線路，產(chǎn)生電流。S關閉時，N1能量轉(zhuǎn)移到N3，經(jīng)N3-電源-VD3線路向輸入端釋放電能，避免變壓器過度飽和。此電路中二極管VD1用于整流，VD2用于S關閉期間的續(xù)流。半橋型電路C2UiS2S1LRN1 N2N2UoTC1C2反激型電路結(jié)構如圖2.6所示：圖2

20、.6 半橋式變換電路開關S1和S2輪流導通時，一次側(cè)通過電源-S1-T-C2-電源及電源-C1-T-S2-電源產(chǎn)生交變電流，在二次側(cè)產(chǎn)生交變的脈動電流，經(jīng)過全波整流轉(zhuǎn)換為直流信號，再經(jīng)L、C濾波，送給負載。這個電路相當于降壓型電路。全橋型電路全橋型電路結(jié)構如圖2.7所示：CUiS3S2LRN1 N2N2UoTS4S1圖2.7 全橋式變換電路開關S1、S3和S2、S4兩兩輪流導通時，一次側(cè)將通過電源-S2-T-S4-電源及電源-S1-T-S3-電源產(chǎn)生交變電流，在二次側(cè)產(chǎn)生交變的脈動電流，經(jīng)過全波整流轉(zhuǎn)換為直流信號，再經(jīng)L、C濾波，送給負載。這個電路也相當于降壓型型電路。推挽型電路推挽型電路結(jié)構

21、如圖2.8所示：S2S1LCRN1N1 N2N2UiUoT圖2.8 推挽型變換電路S1和S2輪流導通，將在二次側(cè)產(chǎn)生交變的脈動電流，經(jīng)過全波整流轉(zhuǎn)換為直流信號，再經(jīng)L、C濾波，送給負載。由于電感L在開關之后，所以當變比為1時，它實際上類似于降壓變換器。隔離Cuk型電路隔離Cuk型電路結(jié)構如圖2.9所示： N2C12TC2L2RUoSN1VDUiL1C11圖2.9 隔離型Cuk變換器 開關S導通時，Ui對L1充電。S斷開時，Ui+EL1對C11及變壓器原邊放電，同時給C11充電，電流方向從上向下。附邊感應出脈動直流信號，通過VD對C12反向充電。在S導通期間，C12的反壓將使VD關斷，并通過L2

22、、C2濾波后，對負載放電。此電路中的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。2.2 軟開關技術開關電源的發(fā)展趨勢是裝置的小型化、輕量化，同時對效率和電磁兼容性也提出了很高的要求。在一個開關電源裝置中，濾波電感、電容和變壓器占體積和重量的比重很大。采取有效措施減小濾波器和變壓器的體積和重量是實現(xiàn)電源小型化和輕量化的主要途徑。根據(jù)開關電源濾波器和變壓器的工作原理可以知道，開關電源的小型化、輕量化最直接的途徑是提高開關頻率。但在提高開關電源頻率的同時，開關損耗也隨之增加，電路效率嚴重下降，電磁干擾也會增大，所以簡單的提高開關電源頻率是不行的。針對這些問題出現(xiàn)了軟開關技術，它主要

23、解決電路中的開關損耗和開關噪聲問題，使開關頻率可以大幅度提高。采用諧振變換器也是解決開關頻率和開關損耗、開關噪聲的另一種常用方法。2.2.1 零電壓開關和零電流開關使開關開通前其端電壓為零，則開關開通時就不會產(chǎn)生損耗和噪聲，這種開通方式稱為零電壓開通；使開關關斷前電流為零，則開關關斷時也不會產(chǎn)生損耗和噪聲，這種關斷方式稱為零電流關斷。在很多情況下，不再指出開通或關斷，僅稱零電壓開關和零電流開關。零電壓開通和零電流關斷主要依靠電路的諧振來實現(xiàn)，與開關并聯(lián)的電容能延緩開關關斷后電壓上升的速率，從而降低開關損耗，有時稱這種關斷過程為零電壓關斷；與開關相串聯(lián)的電感能延緩開關開通后電流上升的速率，降低了

24、開通損耗，有時稱之為零電流開通。但簡單的在硬開關電路中給開關并聯(lián)電容或串聯(lián)電感，不僅會降低開關損耗，還會帶來總損耗增加、關斷過電壓增大等負面問題，這是要注意的。通常，在零電壓開通的開關兩端并聯(lián)適當?shù)碾娙菘梢栽诓辉黾娱_通損耗的前提下，顯著降低開關損耗，是經(jīng)常采用的手段。2.2.2 常見軟開關電路軟開關按照控制方式可以分為：脈沖寬度調(diào)制式（PWM）、脈沖頻率調(diào)制式（PFM）、脈沖移相式（PS）三種。下面分別介紹這三種常見軟開關:(1) PWM變換器PWM控制方式是指在開關工作頻率一定的條件下，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。這種控制方式應用最多，適用于中小功率的開關電源。(2) PFM變換器脈沖頻

25、率調(diào)制式PFM變換器，顧名思義，是通過調(diào)節(jié)脈沖頻率來實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的。其控制電路相對簡單工作頻率不穩(wěn)定，所以一般用于負載及輸入電壓相對穩(wěn)定的場合。(3) PS軟開關變換器PS軟開關變換器用于橋式變換器。橋式變換器必須在對角開關管都導通時，才輸出功率?？梢酝ㄟ^調(diào)整對角開關管的重合角度，來完成調(diào)節(jié)電壓的目的。在大中功率開關電源中，經(jīng)常使用這種變換器。2.3 諧振式電源2.3.1 諧振變換電路的原理及分類應用各種軟開關電路雖然可以大大降低開關器件的開關損耗，但是一種軟開關電路一般情況下僅能減小一種開關損耗，如零電壓開通電路主要降低器件的開通損耗，而零電流關斷電路主要減少器件的關斷損耗。當電路的開關頻率

26、很高時，器件的開關損耗仍是一個嚴重的問題。降低器件開關損耗除采用軟開關電路，還可以采用準諧振型變換電路。因此，諧振變換電路在高頻變換電路中得到廣泛的應用。諧振變換電路分為以下三類：(1) 串聯(lián)諧振電路：當?shù)刃ж撦d電阻與諧振網(wǎng)絡串聯(lián)連接時，稱為串聯(lián)諧振變換電路。(2) 并聯(lián)諧振網(wǎng)絡：當?shù)刃ж撦d電阻與諧振網(wǎng)絡中的電容并聯(lián)連接時，稱為并聯(lián)諧振變換電路。(3) 串并聯(lián)諧振電路：串并聯(lián)諧振電路中的LC諧振網(wǎng)絡是由兩個電容電路和一個電感或兩個電感和一個電容構成，因此又稱為LCC和LLC諧振電路，等效負載與諧振網(wǎng)絡兩個電容（LCC）或兩個電感（LLC）分別串聯(lián)和并聯(lián)。諧振變換電路的主要優(yōu)點是器件開關損耗大大

27、減小，同時回路中的電流波形接近正弦，在電磁干擾方面也具有優(yōu)勢。但對電源電壓、負載變化的靈活性不如PWM變換電路。此外，由于電路中的工作電流接近正弦波，其有效值、峰值偏高，會造成較大的導通損耗。2.3.2 諧振式電源原理根據(jù)諧振變換電路的特點可知，隨著電力電子技術的發(fā)展，諧振式電源將是新型開關電源的發(fā)展方向。諧振式電源是利用諧振變換電路產(chǎn)生正弦波，在正弦波過零時切換開關，這不僅大大提高了開關的控制能力、減小了電源體積，而且也使得電源諧波成分大為降低、電源頻率得到大幅度提高。諧振變換電源結(jié)合功率校正電路，功率因數(shù)可以達到0.95，甚至更高，遠遠超過普通傳統(tǒng)開關電源的功率因數(shù)，這大大抑制了對電網(wǎng)的污

28、染。諧振式開關電源分為零電流開關（ZCS）和零電壓開關（ZVS）。零電流開關和零電壓開關工作的簡單原理圖如圖2.19所示：onoffSIsTsTonToffSUsTsIcUiSLrCrVDIcUiSLrCrVD圖2-19 電流諧振式開關和電壓諧振式開關原理圖電流諧振開關中，電感、電容構成的諧振電路中Lr的諧振電流通過S，可以人為控制開關在電流過零時進行切換。這種諧振電路的電流是正弦波電流，而Us為矩形波電壓。電壓諧振開關中，電感、電容構成的諧振電路中Cr端諧振電壓并聯(lián)到S上，可以人為控制開關在電壓過零時進行切換。這種諧振電路的電壓是正弦波電壓，而Is接近矩形波。以上兩種開關電源是半波的，也可以

29、設計成全波的。因此諧振開關有半波諧振和全波諧振之分。3. 開關電源元器件的選用設計制作開關電源時，無論采用的是那一種變換器、那一種結(jié)構形式，所使用的元器件都是開關晶體管、磁性材料、電感、電容、電阻等。所設計的開關電源往往在試驗室中調(diào)試成功，到生產(chǎn)線上進行規(guī)模生產(chǎn)時，卻出現(xiàn)各種問題。有工藝方面的，設計方面的，也有焊接方面的，但多數(shù)都是元器件選用的問題。因此決定開關電源質(zhì)量的關鍵在于是否選用好元器件。隨著半導體材料及及技術的發(fā)展，新型電力電子器件不斷推出，傳統(tǒng)電力電子器件的性能也不斷提高，這成為包括開關電源在內(nèi)的各種電力電子裝置的體積、效率等性能指標不斷提高的重要因素。了解和掌握各種電力電子器件的

30、特性和使用方法是正確設計開關電源的基礎。3.1 二極管二極管是最為簡單但又是十分重要的一種電力電子器件，在開關電源的輸入整流電路、逆變電路、輸出高頻整流電路以及緩沖電路中均有使用。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、穩(wěn)壓二極管及開關二極管等。下面分別介紹幾種常見二極管的特點。3.1.1 開關二極管 半導體二極管的導通相當于開關閉合，截止則相當于開關打開，所以二極管可用作開關，常用型號有IN4148和IN4448。利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，二極管在電路中起到控制電流接通或關斷的作用，成為一個理想的電子開關。開關二極管具有開關速度快、可靠性高、體積小、壽命長等特點，廣泛

31、應用于電子設備中。開關硅二極管的主要技術指標是：(1) 反向最高工作電壓和反向擊穿電壓，二者越大越好。(2) 最大管壓降應小于0.8V。(3) 最大工作電流應大于150mA。(4) 反向恢復時間應小于10ns。3.1.2 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)，當反向電壓達到并超過穩(wěn)定電壓時，反向電流迅速增大，但管壓降恒定，有穩(wěn)壓作用。因此在電力電子電路中，穩(wěn)壓二極管可用于過壓保護、電平轉(zhuǎn)換，也可用來提供基準電壓。穩(wěn)壓二極管有高壓與低壓之分，穩(wěn)壓狀態(tài)下端電壓高于200V的稱為高壓穩(wěn)壓二極管，端電壓值低于40V的叫做低壓穩(wěn)壓二極管。穩(wěn)壓二極管從材料上可以分為N型穩(wěn)壓二極管和P型穩(wěn)壓二極管。市場上

32、，穩(wěn)壓值從2.4V到200V的穩(wěn)壓二極管型號規(guī)格齊全，且性能好、體積小、價格便宜。選用穩(wěn)壓二極管時要注意其穩(wěn)壓值的標稱值及電壓的溫度系數(shù)。穩(wěn)定電壓要設計人員根據(jù)需要選用，溫度系數(shù)越高，穩(wěn)壓誤差就越大。穩(wěn)壓二極管對漏極和源極有鉗位保護作用，它還可以加速開關管的導通。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，對初級回路產(chǎn)生的尖峰電壓進行鉗位；在晶體管反饋電路中，常在晶體管的發(fā)射極串聯(lián)一個穩(wěn)壓管，組成電壓負反饋回路，提高放大電路的穩(wěn)定性。3.1.3 快速恢復及超快速恢復二極管在很多電子設備中，都常用到快速恢復二極管和超快速恢復二極管。這兩種二極管具有體積小、耐壓高、正向電流大等優(yōu)點，常用在整

33、流、續(xù)流、限流等電路中。二極管的一般選用原則和檢測方法如下：(1) 選用原則：在開關電源中，超快速恢復二極管可用作次級輸出電壓的整流管和阻塞二極管。超快速恢復二極管的反向恢復時間為2050ns；最高反向工作電壓應為最大反向峰值電壓的2倍以上；整流電流應為最大輸出電流的3倍以上；(2) 檢測方法：利用萬用表的電阻檔能夠檢測出二極管的單向?qū)щ娞匦?，一般情況下，其正向電阻約為6歐，反向電阻為無窮大。或用數(shù)字萬用表的二極管檢測檔，也可完成上述檢測；用萬用表可以測得負載電壓，從而計算出二極管的正向?qū)▔航?；用兆歐表能測出其反向擊穿電壓。3.2 開關晶體管3.2.1 功率開關MOSFET電力MOSFET是

34、近年來發(fā)展最快的全控型電力電子器件之一。它顯著的特點是用柵極電壓控制漏極電流，因此所需驅(qū)動功率小、驅(qū)動電路簡單；又由于MOSFET是靠多數(shù)載流子導電，沒有少數(shù)載流子導電所需的存儲時間，是目前開關速度最高的電力電子器件，在小功率電力電子裝置中是應用最為廣泛的器件。電力MOSFET與電子電路中應用的MOSFET類似，按導電溝道可分為P溝道和N溝道。在電力MOSFET中，應用最多的是絕緣柵N溝道增強型。電力MOSFET在導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，屬單極型晶體管，不存在少數(shù)載流子的存儲時間和二次擊穿問題，所以具有非常快的開關速度、良好的散熱穩(wěn)定性和較大的安全工作區(qū)。所有有源功率因數(shù)校

35、正器都是為驅(qū)動功率MOSFET而設計的。在大功率開關電源開關方面，MOSFET比雙極型功率晶體管具有明顯的優(yōu)勢，是任何雙極型功率晶體管都不能代替的。3.2.2 MOSFET的驅(qū)動電路MOSFET的加速TR關斷電路如圖3.1所示：圖3.1 加速TR關斷驅(qū)動電路如圖所示，穩(wěn)壓二極管DW1，DW2反向串聯(lián)在一起，對VT的柵漏極進行鉗位 ，防止驅(qū)動電壓過高而使VT擊穿。其中，電阻R是MOSFET的柵極限流電阻，阻值一般為60200。R值小，開關速度快，只要驅(qū)動電壓撤銷，VT便會立即截止。MOSFET的功率驅(qū)動電路如圖3.2所示：圖3.2 功率驅(qū)動電路如圖3.2所示電路，可以加速漏極電流的跌落時間，有利

36、于零功率控制。MOSFET柵極驅(qū)動電壓突降到門線電壓，MOSFET便由導通狀態(tài)轉(zhuǎn)換成截止狀態(tài)，三極管加速了ID的跌落，為MOSFET起到了加速作用。3.2.2 絕緣柵雙極型晶體管MOSFET具有驅(qū)動方便、開關速度快等優(yōu)點，但導通后呈現(xiàn)電阻性質(zhì)，在電流較大時的壓降較高，而且器件的容量較小，僅能適用于小功率裝置。大功率晶體管的飽和壓降低、容量大，但其為電流驅(qū)動，驅(qū)動功率較大，開關速度低。20世紀80年代出現(xiàn)的絕緣柵雙極型晶體管是把MOSFET和大功率晶體管復合而成，不僅具有MOSFET的電壓型驅(qū)動、驅(qū)動功率小的特點，還具有大功率晶體管飽和壓降低和可耐高電壓、大電流等一系列應用上的優(yōu)點，開關頻率低于

37、MOSFET，但高于GTR。目前絕緣柵雙極型晶體管已基本取代了大功率晶體管，稱為當前在工業(yè)領域應用最廣泛的電力電子器件。絕緣柵雙極型晶體管在開關電源中用作功率開關，具有MOSFET無可比擬的優(yōu)點。3.3 自動恢復開關自動恢復開關又稱為自動恢復保險絲，起過流保護作用。在電路發(fā)生短路或用電電流超過其額定值時，自動恢復開關便會發(fā)揮作用，具有開關特性好、使用安全、自動恢復、不需維護、可反復使用等優(yōu)點。自動恢復開關由高分子晶狀聚合物和導電鏈構成，聚合物緊密束縛著導電鏈，常態(tài)下其電阻值極低，僅有0.2。因此自動恢復開關工作時，其功耗很小，產(chǎn)生的熱量很少，不會改變聚合物內(nèi)部晶狀結(jié)構。當電路發(fā)生短路或電流電流

38、超過最大設計電流時，電流增加，由導電鏈產(chǎn)生的熱量將聚合物由晶狀體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷铙w狀態(tài)，電路電流立即切斷，保護電路。故障排除以后，自動恢復開關便很快恢復到低電阻狀態(tài)，可反復使用而不損壞。自動回復開掛在開關電源、家用電器、計算機通信設備上起過流保護，但它只能進行低壓過流保護，不能接在220V等交流電壓上。下面介紹一下自動恢復開關的檢測方法：(1) 電阻檢查用萬用表的電阻檔測量自動恢復開關的直流電阻，測得值越小，其容量就越大。(2) 過流后自動恢復能力的檢查將自動恢復開關與電流表串聯(lián)，由直流穩(wěn)壓電源供電，要求所用穩(wěn)壓電源的輸出電流大于自動恢復開關的電流容量。電源輸出電壓從零開始逐漸升高，注意觀察電

39、流表讀數(shù)，這時的讀數(shù)會隨著供給電壓的增大而增大。當穩(wěn)壓電源的輸出輸出電流接近或超過其電流容量時，電流表的讀數(shù)突然變小，自動恢復開關進入高阻狀態(tài)。關閉電源，穩(wěn)壓電源的輸出電壓便會上升。觀察電流表，一段時間后電流表的讀數(shù)回升到一定值，那么這段時間就是自動恢復開關的自動恢復時間。3.4 熱敏電阻熱敏電阻是一種由錳鈷鎳的氧化物燒制成的半導體陶瓷制成，具有負溫度系數(shù)的器件，即溫度升高，熱敏電阻降低。其主要參數(shù)如下：(1) 零功率電阻值RT0，表示在室溫25時元件電阻值。(2) 零功率電阻系數(shù)，表示在零功率狀態(tài)下，溫度每變化1，熱敏電阻阻值的相對變化率，單位為%/。(3) 耗散系數(shù)，表示熱敏電阻溫度每變化

40、1所消耗電功率的相對變化量，單位為mW/。熱敏電阻在開關電源中的作用是：過溫度保護和軟啟動。過溫保護是將熱敏電阻并聯(lián)入輸入電路中。初始時，熱敏電阻溫度低，阻值高，相當于開路。當電路輸入電壓超高，通過熱敏電阻的電流增大，熱敏電阻發(fā)熱，電阻值降低，對輸入電路分流。當熱敏電阻發(fā)熱超過其極限值時，整流后的輸出電壓變低，開關電源的高頻振蕩便會停振，或因為熱敏電阻阻值降低后，電路保險絲熔斷，電路與供電電源斷開，這就是熱保護作用。在電源剛通電時，濾波電容的電壓不能突變，容抗很小，趨于零，瞬間對電容的充電電流很大，這容易損壞電解電容。在電路中串接幾歐的電阻，在啟動瞬間對電流加以限制，上述問題便得到解決。但隨著

41、電阻功耗上升，電源的效率會隨之下降。熱敏電阻可以解決這一問題，把電阻換成熱敏電阻。電路剛接通，熱敏電阻的溫度低，阻值大，瞬時對充電電流有一定的限制作用。熱敏電阻隨著電流的通過便會發(fā)出熱量，其阻值便會迅速減小，啟動成功，功耗較低。這就是熱敏電阻所起的軟啟動作用。3.5 光電耦合器光電耦合器又稱為光電隔離器，簡稱光耦。光電耦合器由兩部分組成，一是發(fā)光體，二是受光器。發(fā)光體實際上就是一只發(fā)光二級管，根據(jù)不同的的輸入電流發(fā)出不同的紅外光；受光器接受光照，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出，它的光電反應是隨著光的強度而變化的。這便實現(xiàn)了“電光電”的功能轉(zhuǎn)換，即信號隔離傳遞。光耦的主要優(yōu)點是輸入與輸出實現(xiàn)了完全隔離，

42、不受其他電氣和電磁的干擾，且信號是單向傳輸?shù)?，抗干擾能力很強。它是由低電平的電源供電，使用壽命長，效率高，而且體積較小，所以可廣泛應用于信號傳輸、電氣隔離、級間耦合、電路開關等。在通信設備、儀器儀表以及各種電路接口方面，光電耦合器都有所應用。開關電源電路中，用光電耦合器構成返回回路，來調(diào)整、控制輸出電壓，達到穩(wěn)定輸出的目的。通過光電耦合器也可進行脈沖轉(zhuǎn)換。光電耦合器及其典型用法結(jié)構如圖3.3所示： 圖3.3 光電耦合器及其典型用法光電耦合器由于其非線性，在模擬電路中只限制用于較高頻率的小信號隔離傳送。普通的光耦只適用于傳輸開關（數(shù)字）信號，不適于傳送模擬信號。隨著光電耦合器技術的發(fā)展，線性光耦

43、合器出現(xiàn)，它能夠傳送連續(xù)變化的模擬信號，這使得光電耦合器的應用領域大為拓寬。(1) 光電耦合器的抗干擾作用與一般干擾源的阻抗相比，光電耦合器的輸入阻抗較小，分壓在光電耦合器輸入端的干擾電壓較小，由光耦提供的電流不大，不易使發(fā)光二級管發(fā)光。由于光電耦合器的外殼封閉，所以它不會受到外界光的影響；由于光電耦合器的隔離電容很小、隔離電阻很大，所以它能阻擋由電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。開關電源中，采用電壓反饋實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出，光電耦合器是輸入采樣，輸出驅(qū)動、反饋信號的隔離器件。一方面，光電耦合器中的發(fā)光二級管是電流型驅(qū)動元件，能形成電流環(huán)路的傳送形式。電流環(huán)路是低阻抗電路，對噪音有較低的敏感度，這提

44、高了系統(tǒng)的抗干擾能力，起到了隔離抗干擾和電磁兼容的作用，電路中高頻電流的電磁干擾對控制電路不會產(chǎn)生干擾。(2) 線性光耦合器的選取原則光電耦合器的使用主要是為提供輸入電路和輸出電路間的隔離，設計電路時，應遵循以下原則：所選用的光電耦合器件必須要符合國際和國內(nèi)有關隔離擊穿電壓的標準；由美國摩托羅拉公司、英國埃索柯姆公司生產(chǎn)的4N系列光電耦合器，目前在國內(nèi)的應用十分普遍。由于這類光電耦合器呈開關特性，線性度差，適于數(shù)字信號的傳輸，可用于單片機的輸出隔離；所選用的光電耦合器件需具有較高的耦合系數(shù)。開關電源應選擇線性光電耦合器。選用線性光電耦合器時，應正確選擇線性光電耦合器的參數(shù)及型號。除了遵循普通光

45、耦的選用原則外，還應考慮合理選擇光電耦合器的電流傳輸比CTR的值。當CTR<50%時，光耦中的發(fā)光二級管需要較大的工作電流才能正?？刂茊纹_關電源的占空比，這必然會增大光耦的功耗；當CTR>200%時，在啟動電路或負載發(fā)生突變時，單片開關電源可能會誤觸發(fā)，影響其正常輸出。所以光電耦合器CTR的允許范圍為50%200%。3.6 軟磁鐵軟體磁芯軟磁鐵氧體從20世紀40年代開始使用，它是一種非金屬磁性材料，一般由鐵、錳、鎂、銅等金屬氧化物粉末按一定比例混合壓制成形，然后在高溫下燒結(jié)而成。由于具有電阻率高、渦流損耗小的特點，現(xiàn)已成為中、高頻電磁元件中使用最主要的軟磁材料。軟磁鐵樣題材料常用

46、在電感整流器、高頻變壓器、脈沖變壓器等電路中，在開關電源電路中也是一種非常重要的元件。但磁性材料的特性不好掌握，并且這種特性與頻率、氣隙、溫度等的依賴性也不容易掌握。它不像電子元件那樣，具體的特性、參數(shù)不容易在顯示測量儀器上顯示出來。高頻變壓器和電感在設計中所涉及的參數(shù)有電壓、電流、頻率、溫度、電感、漏感、變比、磁性材料參數(shù)、交流磁場強度、交流磁感應強度、鐵損、磁損、真空磁導率等，涉及參數(shù)較多，所以對高頻變壓器的設計制作是開關電源設計制作中最為重要的任務。設計時，元器件布局、散熱處理、鐵氧體磁芯的顏色、線圈的屏蔽等都要處理得當。3.7 磁芯的選用選用磁芯時首先要考慮的問題是使用磁芯一定要在一定

47、的距離溫度以內(nèi)，其次還要注意磁芯的脆度、硬度、結(jié)構、穩(wěn)定性、磁導率以及磁感應強度。設計時，還應十分注意噪聲干擾和工作頻率。磁性材料在強磁場力的作用下會膨脹或收縮，很可能出現(xiàn)磁共振現(xiàn)象，因此把磁芯變壓器裝在印制電路板上時一定要粘結(jié)牢固，防止出現(xiàn)電磁噪聲和機械噪聲。4. 開關電源設計4.1 開關電源集成控制器隨著電力電子技術的發(fā)展，開關電源集成控制芯片技術已經(jīng)相當成熟，這為開關電源的設計制造帶來極大便利，并促使了制作成本的降低。這類芯片中集成有電源管理電路、PWM專用SPIC、MOSFET智能開關、半橋或全橋逆變器、線性集成穩(wěn)壓器、開關集成穩(wěn)壓器等。設計開關電源所用到的集成控制芯片是M51995A

48、FP。它是MITSUBISHI公司推出的專門為AC/DC變換而設計的離線式開關電源初級PWM控制芯片。該芯片內(nèi)置有大容量半橋電路，可以直接驅(qū)動MOSFET管。M51995AFP不僅具有高頻振蕩和快速輸出能力，而且 具有快速響應的電流限制功能。它的另一大特點是過流時采用斷續(xù)方式工作。下面將介紹M51995AFP芯片。4.1.1 芯片管腳排列M51995AFP芯片是M51995AP的擴展，M51995AP芯片管腳排列如圖4.1所示：M51995AFP芯片管腳排列如圖4.2所示：圖4.1M51995AP管腳排列圖 圖4.2 M51995APF管腳排列圖4.1.2 芯片的基本特性(1) 芯片特性芯片M

49、51995AFP的主要特性為：工作頻率為500kHz；啟動電流小，典型值為90A；輸出電流2A，輸出的上升時間為60s，下降時間為40s；起動電壓為16V，關閉電壓為10V，起動和關閉電壓間壓差大；過流保護采用斷續(xù)方式工作；改進半橋電路輸出方法，穿透電流?。挥星穳?、過壓鎖存電路；用逐脈沖法快速限制電流。 (2) 芯片的推薦使用條件工作頻率應小于500kHz，電源電壓在1236V間，振蕩頻率設置電阻Ron在1075k歐，Roff在230k歐。4.1.3 芯片工作原理 (1) 芯片結(jié)構M51995AFP主要由振蕩器、反饋電壓檢測變換、PWM比較、PWM鎖存、欠壓鎖存、過壓鎖存、斷續(xù)工作電路、斷續(xù)方

50、式和震蕩控制電路、驅(qū)動輸出以及內(nèi)部基準電壓等部分組成。(2) 芯片應用原理分析 振蕩器(a) 振蕩器原理振蕩電路的等效電路如圖4.3所示。其中Ron為充電電阻，Roff為放電電阻，Cf為計時電容。CF端電壓由于恒流源的充放電作用而呈三角波。如圖4.3所示，由內(nèi)部的充放電控制信號來控制對電容CF 進行充放電過程。其中充電電流由充電電阻Ron控制，放電電流由放電電阻Roff控制。圖4.3 振蕩器等效電路(b) 振蕩器的相關計算與分析在振蕩器控制電路和斷續(xù)方式不工作時，有關數(shù)據(jù)的核算關系如下：死區(qū)時間： 式（4.1） 占空時間： 式（4.2）而實際振蕩周期為二者之和，即周期T=死區(qū)時間+占空時間。其

51、中，4.4V，2.0V，4.5V，3.5V。振蕩器波形圖如圖4.4所示：圖4.4 振蕩器波形圖由圖4.4可以看出，芯片的輸出脈寬時間為三角波的上升時間，而輸出關斷時間則為三角波的下降時間。當電路發(fā)生過流時，振蕩控制電路和斷續(xù)方式便開始工作，這時Toff端電壓由VF控制端電壓控制，振蕩器的死區(qū)時間將延長。占空時間： 式（4.3）死區(qū)時間： 式（4.4）實際振蕩周期為二者之和。其中2.0V，0.4V，4.5V，4.4V。當，我們?nèi)?；當時，我們?nèi)?；?3.5V范圍內(nèi)，取其實際值。因此，當時，振蕩器的工作和沒發(fā)生過流時一樣。這種情況下的波形，除啟動時，三角波從零開始，其余情況下也就是穩(wěn)態(tài)時波形與圖4.

52、4所示波形類似。(c) VF端的使用方法正激型變換其中VF端的使用如圖4.5所示：圖4.5 正激式變換器中VF端的應用通常使VF端的電壓正比于變換器的輸出電壓，所以當發(fā)生過流輸出電壓變低時，VF端電壓也變低，使得Cf的放電電流減小，放電時間相應變長，從而進一步降低了占空比。自然，VF端反饋電壓也可通過隔離變壓器的相關繞組分壓后獲得。 PWM比較鎖存部分PWM比較鎖存部分電路如圖4.6所示。其中，E點OSC是由振蕩電路產(chǎn)生的矩形波，低電平時對應放點，高電平時對應充電。由圖可以看出，F(xiàn)/B與A點電位的波動規(guī)律相同，A點電位與振蕩三角波比較厚鎖存，之后與從振蕩器輸出的控制信號進行邏輯組合后輸出。所以

53、，B、C、D、E各點的邏輯關系為： D點在三角波低于A點時為低電平，高于A點時為高電平。B=DE，由此可以得到B點波形。C=BE，由此可以得到C點波形。圖4.6 PWM比較和鎖存電源的輸出越低，反饋電壓VF/B就越高（IF/B?。?，C點的波形脈沖就越寬，這一信號經(jīng)反向后，送至芯片輸出開關管基極。這樣，電源輸出開關管得到的積極激勵信號剛好與電源輸出構成負反饋關系，實現(xiàn)了對電源的輸出調(diào)節(jié)。 輸出電路芯片的輸出電路應具有優(yōu)良的拉電流和灌電流的能力，以便驅(qū)動MOSFET。而半橋電路正恰好滿足這一點，但其穿透電流較大。這樣將引起Ic電流的增大，增加了芯片損耗，并且增加了噪聲電壓。M51995AFP芯片通過改進的半橋電路，穿透電流由常規(guī)的1A左右降低到了100mA。輸出電路邏輯圖如圖4.7所示： 圖4.7 輸出電路從邏輯關系可知，輸出電路是在比較及鎖存電路的C點輸出高電平期間開通，從而觸發(fā)電源電路的輸出。所以，當電源電壓變低時，電壓反饋端的反饋電壓越高，C脈沖就越寬，輸出時間就越長，從而使電源電壓回升。反之亦然。 斷續(xù)方式和振蕩控制電路當過流檢測端達到閾值時，電流限制電路將以脈沖形式發(fā)出電流限制信號，在半橋電路輸出端呈高電平期間，電流限制鎖存電路并輸出高電