摘要隨著電力電子技術(shù)的開展，開關(guān)電源逐漸取代了線性電源，稱為當(dāng)今電源的主流形式，在電力、電器等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。本論文是通過開關(guān)電源集成控制芯片M51995AFP設(shè)計(jì)制作的一種降壓型開關(guān)電源，輸出電壓5VDC。此開關(guān)電源是通過脈寬調(diào)制技術(shù)控制接通占空比來調(diào)整輸出電壓，到達(dá)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(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；(2)基于M51995AFP設(shè)計(jì)開關(guān)電源的控制核心局部；(3)設(shè)計(jì)整流濾波電路，減小輸出紋波；(4)建立開關(guān)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)各部件的工作原理，設(shè)計(jì)了合理的輔助電路，通過計(jì)算和仿真分析，得到了系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)。掌握了開關(guān)電源設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，并對設(shè)計(jì)過程做了詳細(xì)闡述。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源占空比脈寬調(diào)制ABSTRCTWiththedevelopmentofpowerelectronicstechnology,switchingpowersupplyisgraduallyreplacedbyalinearpowersupply,knownasthemainstreamformoftoday'spowersupply,andiswidelyusedinelectricity,electronicsandotherfields.ThispaperisaswitchingpowersupplyintegratedthecontrolchipM51995AFPdesignastep-downswitchingpowersupply,theoutputvoltageof5VDC.Thisswitchingpowersupplyisondutythroughpulsewidthmodulationcontroltoadjusttheoutputvoltagetoachieveastableoutputpurposes.Thethesis,completedthefollowing:(1)Needtoselecttheswitchingpowersupplytopology;(2)BasedonthedesignofswitchingpowersupplycontrolcoreM51995AFPpart;(3)Designrectifierfiltercircuitreducestheoutputripple;(4)Theestablishmentoftheswitchingpowersupplycircuitmodelandanalysis;(5)Selectthemodelandsimulationanalysistodeterminethesystemparameters.Thisthesisisbasedontheworksofthevariouscomponentswithinthecontrolchipdesignreasonableauxiliarycircuit,calculationandsimulationanalysis,systemtuningparameters.Masteredthecoretechnologyoftheswitchingpowersupplydesign,andthedesignprocesselaborate.Keywords:SwitchingPowerSupply,DutyCycle,PulseWidthModulation目錄TOC\o"1-3"\h\u16651.緒論-1-162291.1開關(guān)電源的概念和分類 -1-6261.1.1開關(guān)電源的概念 -1-125531.1.2開關(guān)電源的分類 -3-151641.2開關(guān)電源的開展趨勢 -3-90062.開關(guān)電源的設(shè)計(jì)根底-4-159762.1開關(guān)電源中的電力電子電路 -4-326282.1.1非隔離型電路 -4-82772.1.2隔離型電路 -7-320212.2軟開關(guān)技術(shù) -9-98192.2.1軟開關(guān)的根本概念 -9-130352.2.2零電壓開關(guān)和零電流開關(guān) -11-243912.2.3常見軟開關(guān)電路 -11-252112.3諧振式電源 -18-12052.3.1諧振變換電路的原理及分類 -18-31942.3.2諧振式電源原理 -19-51172.3.3諧振開關(guān)的動態(tài)過程分析 -20-88163.開關(guān)電源元器件的選用-24-173663.1二極管 -25-16243.1.1開關(guān)二極管 -25-255723.1.2穩(wěn)壓二極管 -25-206003.1.3快速恢復(fù)及超快速恢復(fù)二極管 -26-240013.2開關(guān)晶體管 -26-217033.2.1功率開關(guān)MOSFET -26-28843.2.2絕緣柵雙極型晶體管 -28-277913.3自動恢復(fù)開關(guān) -28-297173.4熱敏電阻 -29-282203.5光電耦合器 -30-217123.6軟磁鐵軟體磁芯 32-195643.6.1磁性材料的根本特性 -33-92803.6.2磁芯的選用及結(jié)構(gòu) -33-242564.開關(guān)電源設(shè)計(jì)-34-121564.1開關(guān)電源集成控制器 -34-107554.1.1芯片管腳排列及說明 -34-276314.1.2芯片的根本特性 -36-272864.1.3芯片工作原理 -38-221584.2開關(guān)電源電路分析 -45-315654.2.1開關(guān)電源電路原理圖 -45-127444.2.2開關(guān)電源個(gè)各單元電路的具體分析 -47-174385.建模仿真與分析 -52-163765.1電路模型的建立 -53-305395.2滑模控制 -55-180125.2.1滑模變結(jié)構(gòu)控制簡介 -55-227775.2.2滑動模型分析 -56-176375.3開關(guān)電源建?？偨Y(jié)分析 -58-27721結(jié)論-59-29015參考資料-60-1.緒論近年來開關(guān)電源開展迅速，以其小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速開展不可缺少的一種電源方式。1.1開關(guān)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(jī)械能、熱能、化學(xué)能轉(zhuǎn)換而來的，很多情況下，所得的電源并不符合使用的需求，需要進(jìn)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(guān)電源的輸入、輸出都是電能，因此開關(guān)電源屬于電能變換的電源。1.1.1開關(guān)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。其中，AC-DC電路和DC-AC電路容易理解，而在AC-AC電路中可以變換的對象有頻率、相數(shù)、電壓和電流等，對于DC-DC電路，主要變換的是電壓和電流。自20世紀(jì)60年代，人們研發(fā)出了二極管、三極管等半導(dǎo)體器件，然后就用半導(dǎo)體器件作轉(zhuǎn)換。這種用半導(dǎo)體功率器件作開關(guān)，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(guān)變換電路。在轉(zhuǎn)換時(shí)，以自動控制穩(wěn)定輸出并有各種保護(hù)環(huán)節(jié)的電路，稱為開關(guān)電源電路。開關(guān)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(guān)的狀態(tài)，損耗很小，因而開關(guān)電源漸漸替代了線性穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源通常由六大局部組成，見圖1-1：圖1-1開關(guān)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)此局部需進(jìn)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(guān)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(zhǔn)電壓進(jìn)行比較、放大。頻率振蕩發(fā)生器：由頻率震蕩發(fā)生器產(chǎn)生一種高頻波段信號，該信號與控制信號疊加進(jìn)行脈寬調(diào)制，到達(dá)脈沖寬度可調(diào)。電能的轉(zhuǎn)換通常使用高頻電子開關(guān)，在它的一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)，其接通時(shí)間EQ與整個(gè)周期之比稱為接通占空比，即接通占空比D=/T,開關(guān)斷開時(shí)間與周期之比稱為斷開占空比，即斷開占空比D'=/T。容易知道，D越大，負(fù)載上的電壓就越高，這說明電子開關(guān)接通時(shí)間越長，負(fù)載感應(yīng)電壓、工作頻率越高，這有助于開關(guān)電源的高頻變壓器實(shí)現(xiàn)小型化和增加能量傳遞速度。但同時(shí)開關(guān)電源中斷開關(guān)功率管、高頻變壓器、控制集成電路以及輸入整流二極管的發(fā)熱量也會變高、加大損耗。經(jīng)過上面的分析和開關(guān)電源的典型結(jié)構(gòu)可知，開關(guān)電源較其他形式的電源具有以下優(yōu)點(diǎn)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(shè)計(jì)。1.1.2開關(guān)電源的分類目前開關(guān)電源種類很多，按其工作性質(zhì)可以分為“硬開關(guān)〞和“軟開關(guān)〞兩類。在很多電路中，開關(guān)器件工作在高電壓或大電流由基極〔或柵極〕控制電子開關(guān)的通和斷。開關(guān)的過程中，電壓、電流均不為零，出現(xiàn)重疊區(qū)，開關(guān)器件有一定消耗，且比通態(tài)或斷態(tài)時(shí)的消耗大很多倍，這種開關(guān)過程稱為硬開關(guān)。通過在原來的電路中增加很小的電抗性諧振原件，構(gòu)成輔助換相網(wǎng)絡(luò)，在開關(guān)過程前后引入諧振過程，開關(guān)器件開通前電壓先降為零或關(guān)斷前電流先降為零，這樣就可以消除開關(guān)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(guān)損耗等，像這樣的開關(guān)過程稱為軟開關(guān)。根據(jù)上面的介紹，可以知道電子開關(guān)具有零電壓導(dǎo)通和零電流關(guān)斷的外部條件，像這樣的變換器稱為準(zhǔn)諧振變換器。準(zhǔn)諧振變換器是在脈寬調(diào)制器上附加諧振網(wǎng)絡(luò)，在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間固定的條件下，通過調(diào)整正當(dāng)頻率，電路產(chǎn)生諧振，從而獲得準(zhǔn)諧振變換器的模式。準(zhǔn)諧振變換器開關(guān)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(fù)載變化的影響，這種開關(guān)電源的主變換器依靠開關(guān)的頻率來穩(wěn)定其輸出參數(shù)，稱這樣的電源為調(diào)頻開關(guān)電源。但調(diào)頻式開關(guān)電源不像脈沖調(diào)制開關(guān)電源那么容易控制，而且準(zhǔn)諧振電路的電壓峰值高，開關(guān)所受壓力大，因此目前還未得到廣泛應(yīng)用。開關(guān)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。但凡以脈沖寬度來調(diào)制的電子開關(guān)變換器都叫PWM變換器。1.2開關(guān)電源的開展趨勢隨著電力電子技術(shù)的高速開展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源，進(jìn)入80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代，進(jìn)入90年代開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源，更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速開展。但不可否認(rèn)，開關(guān)電源離人們的要求、應(yīng)用的價(jià)值還差得很遠(yuǎn)，體積、重量、效率、抗干擾能力、電磁兼容性以及使用的平安性都不能說是十分完美。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的本錢都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源本錢在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源。隨著電力電子技術(shù)的開展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一本錢反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣泛的開展空間。開關(guān)電源高頻化是其開展的方向，高頻化是開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。未來的開關(guān)電源像一只茶杯的蓋子：它的工作頻高達(dá)2~10MHz，效率到達(dá)95%，功率密度為3~6W/cm2，功率因數(shù)高達(dá)0.99，長期使用完好，壽命在80000h以上。另外開關(guān)電源的開展與應(yīng)用在安防監(jiān)控，節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。2.開關(guān)電源的設(shè)計(jì)根底2.1開關(guān)電源中的電力電子電路開關(guān)電源的核心電路是開關(guān)電源中的電力電子電路，即主電路。對不同種類開關(guān)電源主電路的工作原理有深入的理解，是進(jìn)行開關(guān)電路選型的根底，也是主電路和控制電路設(shè)計(jì)的根底。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(gòu)形式等三個(gè)原那么，可以將開關(guān)電源中的電力電子電路分為不同的種類。不同種類的電路有著不同的特點(diǎn)和應(yīng)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(gòu)簡單、本錢低，而絕大局部應(yīng)用不需要開關(guān)電源具備回饋能力，所以，非回饋型的電路應(yīng)用遠(yuǎn)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(gòu)簡單、本錢低，但多數(shù)應(yīng)用需要開關(guān)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(yīng)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。①降壓〔Buck〕型電路降壓型電路結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：UoUoIDSIDVDIDLIDCID圖2-1Buck電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)時(shí)，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(guān)系為：(占空比)式〔2.3〕開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，電源通過L平波和C濾波后向負(fù)載端提供電流；揩干S關(guān)斷后，L通過二極管續(xù)流，保持負(fù)載電流連續(xù)。輸出電壓因?yàn)檎伎毡鹊拇嬖?，其值不會超過輸入電壓。②升壓〔Boost〕型電路升壓型電路結(jié)構(gòu)如圖2-2所示：UiUiIDUoIDSIDVDIDLIDCID圖2-2Boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)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(guān)系為：式〔2.4〕開關(guān)S和負(fù)載構(gòu)成并聯(lián)。S導(dǎo)通時(shí)，電流通過L平波，電源對L充電。S關(guān)斷時(shí)，L向負(fù)載及電源放電，輸出電壓為，因而有升壓作用。③升降壓〔Buck-Boost〕型電路升降壓型電路結(jié)構(gòu)如圖2-3所示：UiUiIDUoIDSIDVDIDCIDL圖2-3Buck-Boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同理可得輸入輸出電壓關(guān)系：式〔2.5〕S導(dǎo)通時(shí)，電源僅對電感充電，S關(guān)斷時(shí)，通過電感對負(fù)載放電來實(shí)現(xiàn)電源傳輸。因此，此電路中的電感L的作用是傳輸能量。④丘克〔Cuk〕型電路丘克型電路結(jié)構(gòu)如圖2-4所示：C1C1C2L2RUoVDL1SUi圖2-4Cuk變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電壓關(guān)系：式〔2.6〕開關(guān)S閉合時(shí)，電源對L1充電。S斷開時(shí)，電源及電感通過VD對C1進(jìn)行充電。再當(dāng)S閉合時(shí)，VD關(guān)斷，C1通過L2、C2濾波對負(fù)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①正激型電路正激型電路結(jié)構(gòu)如圖2-5所示：TTN3CLRN2UoSN1VD1VD2VD3Ui圖2-5正激型變換器電路開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，原邊經(jīng)過輸入電源-N1-S-輸入電源線路，產(chǎn)生電流。S關(guān)閉時(shí)，N1能量轉(zhuǎn)移到N3，經(jīng)N3-電源-VD3線路向輸入端釋放電能，防止變壓器過度飽和。此電路中二極管VD1用于整流，VD2用于S關(guān)閉期間的續(xù)流。②半橋型電路反激型電路結(jié)構(gòu)如圖2-6所示：CC2UiS2S1LRN1N2N2UoTC1C2圖2.6半橋式變換電路開關(guān)S1和S2輪流導(dǎo)通時(shí)，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(fù)載。這個(gè)電路相當(dāng)于降壓型電路。③全橋型電路全橋型電路結(jié)構(gòu)如圖2.7所示：CCUiS3S2LRN1N2N2UoTS4S1圖2.7全橋式變換電路開關(guān)S1、S3和S2、S4兩兩輪流導(dǎo)通時(shí)，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(fù)載。這個(gè)電路也相當(dāng)于降壓型型電路。④推挽型電路推挽型電路結(jié)構(gòu)如圖2.8所示：S2S2S1LCRN1N1N2N2UiUoT圖2.8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(fù)載。由于電感L在開關(guān)之后，所以當(dāng)變比為1時(shí)，它實(shí)際上類似于降壓變換器。⑤隔離Cuk型電路隔離Cuk型電路結(jié)構(gòu)如圖2.9所示：N2N2C12TC2L2RUoSN1VDUiL1C11圖2.9隔離型Cuk變換器開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，Ui對L1充電。S斷開時(shí)，Ui+EL1對C11及變壓器原邊放電，同時(shí)給C11充電，電流方向從上向下。附邊感應(yīng)出脈動直流信號，通過VD對C12反向充電。在S導(dǎo)通期間，C12的反壓將使VD關(guān)斷，并通過L2、C2濾波后，對負(fù)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(guān)技術(shù)開關(guān)電源的開展趨勢是裝置的小型化、輕量化，同時(shí)對效率和電磁兼容性也提出了很高的要求。在一個(gè)開關(guān)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(shí)現(xiàn)電源小型化和輕量化的主要途徑。根據(jù)開關(guān)電源濾波器和變壓器的工作原理可以知道，開關(guān)電源的小型化、輕量化最直接的途徑是提高開關(guān)頻率。但在提高開關(guān)電源頻率的同時(shí)，開關(guān)損耗也隨之增加，電路效率嚴(yán)重下降，電磁干擾也會增大，所以簡單的提高開關(guān)電源頻率是不行的。針對這些問題出現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)，它主要解決電路中的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲問題，使開關(guān)頻率可以大幅度提高。采用諧振變換器也是解決開關(guān)頻率和開關(guān)損耗、開關(guān)噪聲的另一種常用方法。2.2.1軟開關(guān)的根本概念根據(jù)前面對開關(guān)電源電路的描述，在分析開關(guān)電源時(shí)，首先將電路理想化，特別是將其中的開關(guān)元器件理性化，認(rèn)為開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是在瞬間完成的忽略了開關(guān)過程對電路的影響。這樣的分析方法便是理解電路的工作原理，但必須認(rèn)識到，實(shí)際電路中開關(guān)過程是客觀存在的，一定條件下還可能對電路的工作造成顯著影響。在很多電路中，開關(guān)元器件是在高電壓或大電流的條件下，由柵極〔或基極〕控制開通和關(guān)斷的，其典型的開關(guān)過程如圖2.10所示：uuiitta〕硬開關(guān)開通過程 b〕硬開關(guān)關(guān)斷過程圖2.10硬開關(guān)電路的開關(guān)過程由上圖可見，開關(guān)過程中的電壓、電流均不為零，出現(xiàn)了電壓和電流的重疊區(qū)。根據(jù)開關(guān)兩端的電壓和開關(guān)中流過的電流可以計(jì)算開關(guān)元器件消耗的瞬時(shí)功率p(t)=u(t)i(t)式〔2.7〕開關(guān)處于通態(tài)時(shí)，電流i較大，但u較小，因此消耗的功率也較??；開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電壓u很高，但電流i幾乎為零，因此消耗的功率也較小；在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程中，u和i都很大，因此消耗的瞬時(shí)功率比通態(tài)或斷態(tài)大成百上千倍。通常每個(gè)開關(guān)在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)各通斷一次，而與開關(guān)周期相比，開關(guān)過程持續(xù)的時(shí)間很短，因此開關(guān)過程中產(chǎn)生的平均損耗功率通常是通態(tài)損耗功率的幾分之一到數(shù)十倍，具體的數(shù)值要視開關(guān)元器件類型、電路類型、驅(qū)動特性，電路參數(shù)等而定。在開關(guān)過程中不僅存在開關(guān)損耗，而且電壓和電流的變化很快，波形出現(xiàn)了明顯的過沖和震蕩，這導(dǎo)致開關(guān)噪聲的產(chǎn)生，這樣的開關(guān)稱為硬開關(guān)。在硬開關(guān)過程中不僅存在較大的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。開關(guān)損耗隨著開關(guān)頻率的提高而增加，使電路小綠綠下降，發(fā)熱量增大、溫升提高，阻礙了開關(guān)頻率的提高；開關(guān)噪聲給電路帶來嚴(yán)重的電磁干擾問題，影響周邊電子設(shè)備的正常工作。通過在原來的開關(guān)電路中增加很小的電感、電容等諧振元件，構(gòu)成輔助環(huán)流網(wǎng)絡(luò)，在開關(guān)過程前后引入諧振過程，使開關(guān)開通前電壓先降為零，或關(guān)斷前電流先降為零，就可以消除開關(guān)過程中電壓、電流的重疊，降低它們的變化率，從而大大減小甚至消除開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，這樣的電路稱為軟開關(guān)電路，這樣的開關(guān)過程稱為軟開關(guān)。軟開關(guān)電路中典型的開關(guān)過程如圖2.11所示：uuiitta〕軟開關(guān)開通過程b〕軟開關(guān)關(guān)斷過程圖2-11軟開關(guān)電路的開關(guān)過程2.2.2零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)使開關(guān)開通前其端電壓為零，那么開關(guān)開通時(shí)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(guān)關(guān)斷前電流為零，那么開關(guān)關(guān)斷時(shí)也不會產(chǎn)生損耗和噪聲，這種關(guān)斷方式稱為零電流關(guān)斷。在很多情況下，不再指出開通或關(guān)斷，僅稱零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。零電壓開通和零電流關(guān)斷主要依靠電路的諧振來實(shí)現(xiàn)。與開關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低開關(guān)損耗，有時(shí)稱這種關(guān)斷過程為零電壓關(guān)斷；與開關(guān)相串聯(lián)的電感能延緩開關(guān)開通后電流上升的速率，降低了開通損耗，有時(shí)稱之為零電流開通。但簡單的在硬開關(guān)電路中給開關(guān)并聯(lián)電容或串聯(lián)電感，不僅會降低開關(guān)損耗，還會帶來總損耗增加、關(guān)斷過電壓增大等負(fù)面問題，這是要注意的。通常，在零電壓開通的開關(guān)兩端并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙菘梢栽诓辉黾娱_通損耗的前提下，顯著降低開關(guān)損耗，是經(jīng)常采用的手段。2.2.3常見軟開關(guān)電路軟開關(guān)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(guān)的工作過程：(1)PWM變換器PWM控制方式是指在開關(guān)工作頻率一定的條件下，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出。這種控制方式應(yīng)用最多，適用于中小功率的開關(guān)電源。①零電流開關(guān)PWM變換器以Buck電路為例介紹該種變換器，其工作原理圖如圖2.12所示：圖2-12Buck型ZCS-PWM變換器線性階段：管S1、S2均導(dǎo)通。初始時(shí)，在電感的作用下，S1呈零電流導(dǎo)通。隨后，在電源Uin的作用下，通過的電流線性上升，并到達(dá)。(b)正向諧振階段：管S1導(dǎo)通，管S2關(guān)斷。當(dāng)時(shí)，電容開始產(chǎn)生電壓，二極管VD在零電流下將自然關(guān)斷。隨后，電感與電容開始進(jìn)入諧振狀態(tài)，再經(jīng)過半個(gè)諧振周期，將再次諧振到，電容電壓上升至最大值，電流為零，管S2關(guān)斷，與將保持，無法繼續(xù)諧振。(c)保持階段：管S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷。這一狀態(tài)的保持時(shí)間由脈沖頻率調(diào)制PWM電路的要求而定，在保持期間，電源正常向負(fù)載以供電。(d)反向諧振階段：管S1由導(dǎo)通到關(guān)斷、S2導(dǎo)通。當(dāng)需要管S1關(guān)斷時(shí)，可控制重新翻開S2，這時(shí)在電感的作用下，通過S2的電流為零。諧振狀態(tài)再次開始，當(dāng)反向諧振為零時(shí)，管S1可在零電流零電壓的條件下完成關(guān)斷。(e)恢復(fù)階段：管S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通。此后，在的作用下，漸衰減至零。(f)續(xù)流階段：管S1關(guān)斷、S2由導(dǎo)通到關(guān)斷。衰減至零后，二極管VD導(dǎo)通，開始續(xù)流。因VD的短路作用，S2可在這之后至下一周期來臨前以零電壓零電流方式完成關(guān)斷。由分析可見，線性、諧振、保持四個(gè)階段管S1均導(dǎo)通，恢復(fù)和續(xù)流階段管S1均關(guān)斷。其中，管S2的作用主要是隔斷諧振、產(chǎn)生保持階段。管S1、S2的有效控制產(chǎn)生了PWM的效果，并利用諧振完成了自身的軟開關(guān)。此電路中的開關(guān)管S1、S2及二極管VD均在零電流或零電壓條件下通斷，主開關(guān)的電壓應(yīng)力低，但電流應(yīng)力大。續(xù)流二極管的電壓應(yīng)力大，并且諧振電感在主通路中，所以輸入、負(fù)載將影響ZCS工作狀態(tài)。②零電壓開關(guān)PWM變換器以Boost電路為例介紹該種變換器，其工作原理圖如圖2-13所示：圖2-13Boost型ZVS-PWM變換器每次管S1導(dǎo)通前，輔助開關(guān)管S2導(dǎo)通，使諧振電路起振。管S1兩端電壓諧振至零后，導(dǎo)通S1。管S1導(dǎo)通后，快速關(guān)斷S2，停振。這時(shí)，電路是以常規(guī)PWM方式運(yùn)行。同樣地，可以利用諧振再次關(guān)斷S1，電容使得主開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零關(guān)斷。管S1、S2的配合控制，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)條件下的PWM調(diào)節(jié)。此電路實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通，并且保持恒頻率運(yùn)行。在較寬的負(fù)載電流和輸入電壓范圍內(nèi)，可以滿足ZVS條件下二極管的零電流關(guān)斷。該電路的缺點(diǎn)是輔助開關(guān)管沒咋軟開關(guān)條件下運(yùn)行，和主開關(guān)管相比，它只處理少量的諧振能量。③有源鉗位的零電壓開關(guān)PWM變換器有源鉗位的零電壓開關(guān)PWM變換器原理圖如圖2.14所示：LLRCSR0CCLMCSR0CCLMS2UosS2UosCRS1CRS1圖2.14有源鉗位ZVS-PWM正激變換器這是個(gè)隔離型的降壓變換器。其中，電感為變壓器的漏電感，電感是變壓器的激磁電感。電容作為S1、S2的結(jié)電容。該電路巧妙地利用電路中的、產(chǎn)生諧振而到達(dá)ZVS條件。同時(shí)，電容有電壓鉗位作用，以防止S1在關(guān)斷時(shí)過壓。(2)PFM變換器脈沖頻率調(diào)制式PFM變換器，顧名思義，是通過調(diào)節(jié)脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的。其控制電路相對簡單，但工作頻率不穩(wěn)定，所以一般用于負(fù)載及輸入電壓相對穩(wěn)定的場合。①Buck零電流開關(guān)變換器Buck零電流開關(guān)變換器原理圖如圖2.15所示：RR0I0UosCRVDVDSLRL1C1S1圖2.15Buck型ZCS準(zhǔn)諧振變換器容易知道該電路屬典型ZCS降壓型拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，可以利用諧振電流過零時(shí)實(shí)現(xiàn)S1通斷，脈寬實(shí)際上受諧振電路的參數(shù)控制，但可通過控制S1開通時(shí)刻〔頻率〕來實(shí)現(xiàn)PFM。②Buck零電壓開關(guān)變換器Buck型零電壓開關(guān)變換器電路原理圖如圖2-16所示：UinUinCRVDVDSLRCRR0SCSI0圖2-16Buck型ZVS準(zhǔn)諧振變換器(a)線性階段：管S導(dǎo)通。S導(dǎo)通時(shí)，電源Uin將對電容充電，并輸出恒流。初始時(shí)，續(xù)流過程還沒有結(jié)束，二極管VD將維持一段時(shí)間向電感提供電流。(b)諧振階段1：管S由導(dǎo)通到關(guān)斷。隨著電容CR電壓的上升，管VD逐漸承受反壓而關(guān)斷。和開始諧振，電源既要提供負(fù)載的恒定電流，又要提供諧振電流。因電源的鉗位作用，管VD無法恢復(fù)續(xù)流狀態(tài)。諧振中，可選擇某一時(shí)刻關(guān)斷S，關(guān)斷時(shí)其端電壓要為零。(c)諧振階段2：管S關(guān)斷。此后，和、進(jìn)入共同諧振諧振狀態(tài)。當(dāng)電容的端電壓諧振過零時(shí)，二極管VD將重新導(dǎo)通續(xù)流。(d)諧振階段3：管S由關(guān)斷到導(dǎo)通。在續(xù)流期間，和繼續(xù)諧振。電容電壓過零時(shí)，可以重新開通管S。(3)PS軟開關(guān)變換器PS軟開關(guān)變換器用于橋式變換器。橋式變換器必須在對角開關(guān)管都導(dǎo)通時(shí)，才輸出功率?？梢酝ㄟ^調(diào)整對角開關(guān)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(guān)電源中，經(jīng)常使用這種變換器。①移相全橋零電壓零電流變換器移相全橋零電壓零電流脈寬調(diào)制變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.17所示：VD3S3VD1CVD3S3VD1C1CS1LSCbUosLSCbUosVD2C2CS2S4VD2C2CS2S4VD4LRVD4LRLrLrR0CrR0Cr圖2-17移相全橋零電壓零電流變換器其中，電容、是并聯(lián)電容或開關(guān)管結(jié)電容，為阻斷電容，電感式變壓器的漏電感，那么為串聯(lián)的飽和電感。起續(xù)流作用。這是一個(gè)全波橋軟開關(guān)變換器，可讓管S3、S4在移相時(shí)滯后，那么把管S1、S2稱為超前橋臂，把管S3、S4稱為滯后橋臂。管S1、S2可在、、、及副邊耦合電感等的諧振作用下，來完成零電壓開關(guān)。電流過零時(shí)，因阻斷電容和飽和電感的作用，使得零電流有一定的保持時(shí)間，其間，管S3、S4實(shí)現(xiàn)令開關(guān)。假設(shè)把和去掉，并在管S3和S4兩端并聯(lián)兩個(gè)諧振電容，這就構(gòu)成了移相全橋零電壓變化器。②不對稱移相全橋零電壓零電流變換器不對稱移相全橋零電壓零電流變換器原理圖如圖2.18所示。圖中，超前臂外接了反并二極管和旁路電容，沒有滯后臂，因此稱為不對稱移相全橋變換器。這一電路也是通過諧振在零壓時(shí)開關(guān)管S1、S3，在零電流時(shí)開關(guān)管S2、S4.對稱全橋因滯后橋臂中有續(xù)流二極管和電容，故在電流過零后會形成返鄉(xiāng)流通渠道，因此要有比較大的電感來維持電流過零的時(shí)間，以完成對滯后橋臂的開關(guān)。而不對稱全橋那么因沒有滯后橋臂通路，所以過零后保持在零電流，以便完成滯后臂的開關(guān)。ViViR0S1S3S2S4C1C2VD1VD2LKL0C0C3圖2.18不對稱移相全橋零電壓零電流變換器因?qū)ΨQ全橋電路原邊串聯(lián)了較大的電感，故此電源效率會有一定的損失。而不對稱電路可以不串有大電感，所以損耗降低，電源效率提高。該電路的工作過程分析如下：先看對角是否導(dǎo)通，例如S1、S4開通時(shí)，原邊能量向副邊傳輸，對C2、Cc充電。S1關(guān)斷時(shí)，對C1充電，C2放電，原邊電流方向不變。因電容C1的電壓上升是漸進(jìn)的，所以管S1屬于零電壓關(guān)斷。在電容C2放電過零、二極管VD2開始反向?qū)〞r(shí)，可控制管S3的導(dǎo)通，因此管S3為零電壓導(dǎo)通。S3導(dǎo)通，上升沿觸發(fā)一單穩(wěn)態(tài)脈沖，控制輔管Sc的導(dǎo)通。這時(shí)，電容Cc端電壓瞬間接到了變壓器的副邊上，從而在原邊產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)高壓，這一較高電壓將加快原邊電流迅速復(fù)位至零。電流回零后，輔管Sc關(guān)斷。這時(shí)副邊被鉗制在近似短路的低電壓中，原邊的電壓也迅速降低，使得電容C3電壓反加到管S4上，促使管S4在零電流下關(guān)斷。此時(shí)，在電感作用下，可以零電流開通管S2。電流換相成功，進(jìn)入后半個(gè)周期。(g)副邊在原邊換相的同時(shí)，也完成換相，由于電感Cc的存在，抑制了整流管的反向尖峰電壓的產(chǎn)生。2.3諧振式電源2.3.1諧振變換電路的原理及分類應(yīng)用各種軟開關(guān)電路雖然可以大大降低開關(guān)器件的開關(guān)損耗，但是一種軟開關(guān)電路一般情況下僅能減小一種開關(guān)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(guān)斷電路主要減少器件的關(guān)斷損耗。當(dāng)電路的開關(guān)頻率很高時(shí)，器件的開關(guān)損耗仍是一個(gè)嚴(yán)重的問題。降低器件開關(guān)損耗除采用軟開關(guān)電路，還可以采用準(zhǔn)諧振型變換電路。諧振變換電路就是將L、C元件適當(dāng)組合、連接形成特定的網(wǎng)絡(luò)，與變換其和負(fù)載相連接。由于LC網(wǎng)絡(luò)頻率特性所呈現(xiàn)的選頻特性，如變換器的輸出電流〔或電壓〕在開關(guān)周期內(nèi)呈現(xiàn)近似正弦變化規(guī)律，如果變換器的開關(guān)頻率選擇適當(dāng)，可以是開關(guān)器件在電流接近過零時(shí)開通和關(guān)斷，進(jìn)一步降低開關(guān)器件的開關(guān)損耗。因此，諧振變換電路在高頻變換電路中得到廣泛的應(yīng)用。諧振變換電路多用于DC-DC電路中，為方便說明其工作原理及特性，這里可以將變壓器二次側(cè)的高頻整流、濾波電路及負(fù)載看作一個(gè)整體，并等效至一次側(cè)成為一個(gè)電阻。這樣，根據(jù)負(fù)載與LC諧振網(wǎng)絡(luò)的連接情況，可以將諧振變換電路分為以下三類：(1)串聯(lián)諧振電路：當(dāng)?shù)刃ж?fù)載電阻與諧振網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)連接時(shí)，稱為串聯(lián)諧振變換電路。(2)并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)：當(dāng)?shù)刃ж?fù)載電阻與諧振網(wǎng)絡(luò)中的電容并聯(lián)連接時(shí)，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(luò)是由兩個(gè)電容電路和一個(gè)電感或兩個(gè)電感和一個(gè)電容構(gòu)成，因此又稱為LCC和LLC諧振電路，等效負(fù)載與諧振網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)電容〔LCC〕或兩個(gè)電感〔LLC〕分別串聯(lián)和并聯(lián)。諧振變換電路的主要優(yōu)點(diǎn)是器件開關(guān)損耗大大減小，同時(shí)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。但諧振變換器當(dāng)輸入電壓、輸出電壓及負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，需要采用調(diào)節(jié)工作頻率的方法進(jìn)行控制，當(dāng)上述參數(shù)大幅度變化時(shí)，導(dǎo)致工作頻率變化過大，造成相應(yīng)的LC元件、濾波電路等設(shè)計(jì)困難。因此其對電源電壓、負(fù)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(dǎo)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(diǎn)可知，隨著電力電子技術(shù)的開展，諧振式電源將是新型開關(guān)電源的開展方向。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(shí)切換開關(guān)，這不僅大大提高了開關(guān)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。諧振電源的頻率可以到達(dá)1M以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過PWM控制電路；諧振變換電源結(jié)合功率校正電路，功率因數(shù)可以到達(dá)0.95，甚至更高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通傳統(tǒng)開關(guān)電源的功率因數(shù)，這大大抑制了對電網(wǎng)的污染。諧振式開關(guān)電源分為零電流開關(guān)〔ZCS〕和零電壓開關(guān)〔ZVS〕。零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)工作的簡單原理圖如圖2.19所示：ononoffSIsTsTonToffSUsTsIcUiSLrCrVDIcUiSLrCrVD圖2-19電流諧振式開關(guān)和電壓諧振式開關(guān)原理圖電流諧振開關(guān)中，電感、電容構(gòu)成的諧振電路中Lr的諧振電流通過S，可以人為控制開關(guān)在電流過零時(shí)進(jìn)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(guān)中，電感、電容構(gòu)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(guān)在電壓過零時(shí)進(jìn)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(guān)電源是半波的，也可以設(shè)計(jì)成全波的。因此諧振開關(guān)有半波諧振和全波諧振之分。2.3.3諧振開關(guān)的動態(tài)過程分析根據(jù)諧振式開關(guān)的原理可以知道，諧振式開關(guān)中的“諧振〞并不是真正理論上的諧振，而是點(diǎn)抗性電路在送電瞬間產(chǎn)生了的阻尼振蕩。下面，分析這一過程，以了解諧振式開關(guān)的工作原理。(1)零電流開關(guān)零電流開關(guān)諧振局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又分L型和M型結(jié)構(gòu)。分別如圖2.20和圖2.21所示：SL1C1SL1C1VD1SL1C1VD1SL1C1圖2.20L型零電流諧振開關(guān)〔中半波，右全波〕SSL1C1SL1C1VD1SL1C1VD1圖2.21M型零電流諧振開關(guān)〔中半波，右全波〕其中電感L1用于限制di/dt，電容C1用于傳輸能量，在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，構(gòu)成串聯(lián)諧振電路。用零電流開關(guān)代替PWM電路的半導(dǎo)體開關(guān)，便組成了諧振式變換器電路。按照Buck電路的原理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以得到如圖2.22和圖2.23所示電路：ViViVD2VD1L1L2C2RLSC1V0i1圖2.22Buck型準(zhǔn)諧振ZCS變換器〔L型〕ViViVD2VD1L1L2C2RLSC1V0圖2.23Buck型準(zhǔn)諧振ZCS變換器〔M型〕以L型電路為例。我們假設(shè)這是一個(gè)由理想元器件組成的電源。其中的電感L2遠(yuǎn)大于L1，從L2左側(cè)看，可以認(rèn)為流過L2、C2、RL的輸出電流是一個(gè)恒流源，電流記為I0。那么有特性阻抗：式〔2.8〕諧振角頻率：式〔2.9〕工作時(shí)其動態(tài)過程分析如下：①線性階段〔〕：在管S導(dǎo)通前，二極管VD2處于續(xù)流階段。此時(shí)有。S導(dǎo)通時(shí)，L1電流由0開始逐漸上升，由于續(xù)流還未結(jié)束，此時(shí)初始。由，電感L1初始電流為0，可得：式〔2.10〕到t1時(shí)刻，到達(dá)負(fù)載電流I0，因此：此階段的持續(xù)時(shí)間：式〔2.11〕經(jīng)分析可知，這一階段的是時(shí)間的線性函數(shù)。②諧振階段〔〕：在電流i1上升期間，當(dāng)時(shí)，由于無法供給恒流，續(xù)流過程仍繼續(xù)。當(dāng)時(shí)，將以對C1充電，VD2開始承受正壓，VD2電流下降并截止。L1、C1開始串聯(lián)諧振，因諧振繼續(xù)上升，有：式〔2.12〕式〔2.13〕因而：式〔2.14〕其中，為諧振電流。式〔2.15〕諧振到時(shí)刻，諧振電流變?yōu)榱?。假設(shè)是半波開關(guān)，那么開關(guān)自行關(guān)斷；假設(shè)是全波開關(guān)，開關(guān)關(guān)斷后，將通過VD1進(jìn)行阻尼振蕩，將電容能量饋送回電源，到時(shí)刻電流第二次為0。這一階段結(jié)束，這時(shí)的時(shí)刻為t2。VC1在i1諧振半個(gè)周期，時(shí)，達(dá)最大值。第一次過零〔〕時(shí)，S斷開。假設(shè)為半波開關(guān)，那么諧振階段結(jié)束。假設(shè)為全波開關(guān)，C1經(jīng)半個(gè)周期的阻尼振蕩到電流為0〔〕時(shí)，將放電到一個(gè)較小值?？梢钥闯鲋C振階段前，、是時(shí)間的正弦函數(shù)；如為全波開關(guān)，還有一段時(shí)間的阻尼振蕩波。③恢復(fù)階段〔〕：由于VC1滯后1/4個(gè)諧振周期，因而在t2后，因L2的作用還將繼續(xù)向負(fù)載放電，直至=0。這階段，如考慮電流方向性：式〔2.16〕故有：式〔2.17〕因此，這個(gè)階段的是時(shí)間的線性函數(shù)，電壓從逐步下降到零。假設(shè)為半波開關(guān)，那么開關(guān)分壓也將線性上升到輸入電源值。④續(xù)流階段〔〕：當(dāng)電容放電到零后，VD2因反壓消失而導(dǎo)通，對L2及負(fù)載進(jìn)行續(xù)流，以保持電流I0連續(xù)。此時(shí)，我們根據(jù)電路的要求，選擇在適當(dāng)時(shí)間再次開通S，重新開始線性階段。根據(jù)上面的分析，可以得到如圖2.14所示波形。tttttttttSiLVSVC1ONONSiLVSVC1t0t1t3t4t0t1t3t4t2t2I0I0圖2.14半波ZCS開關(guān)波形與全波ZCS開關(guān)波形(2)零電壓開關(guān)ZCS在S導(dǎo)通時(shí)諧振，而ZVS那么在S截止時(shí)諧振，二者形成對偶關(guān)系。分析過程大體類似，這里不再詳細(xì)描述。綜合以上分析過程，我們可以看出，該拓?fù)渲C振結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)PFM調(diào)節(jié)，而無法實(shí)現(xiàn)PWM。原因是脈沖寬度僅受諧振參數(shù)控制。要實(shí)現(xiàn)PWM，還需要增加輔助開關(guān)管。3.開關(guān)電源元器件的選用設(shè)計(jì)制作開關(guān)電源時(shí)，無論采用的是那一種變換器、那一種結(jié)構(gòu)形式，所使用的元器件都是開關(guān)晶體管、磁性材料、電感、電容、電阻等。所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源往往在試驗(yàn)室中調(diào)試成功，到生產(chǎn)線上進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，卻出現(xiàn)各種問題。有工藝方面的，設(shè)計(jì)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(guān)電源質(zhì)量的關(guān)鍵在于是否選用好元器件。隨著半導(dǎo)體材料及及技術(shù)的開展，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(guān)電源在內(nèi)的各種電力電子裝置的體積、效率等性能指標(biāo)不斷提高的重要因素。了解和掌握各種電力電子器件的特性和使用方法是正確設(shè)計(jì)開關(guān)電源的根底。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(guān)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(fù)及超快速恢復(fù)二極管，有整流二極管、穩(wěn)壓二極管及開關(guān)二極管等。下面分別介紹幾種常見二極管的特點(diǎn)。3.1.1開關(guān)二極管半導(dǎo)體二極管的導(dǎo)通相當(dāng)于開關(guān)閉合，截止那么相當(dāng)于開關(guān)翻開，所以二極管可用作開關(guān)，常用型號有IN4148和IN4448。利用二極管的單向?qū)щ娞匦裕O管在電路中起到控制電流接通或關(guān)斷的作用，成為一個(gè)理想的電子開關(guān)。開關(guān)二極管具有開關(guān)速度快、可靠性高、體積小、壽命長等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中。開關(guān)硅二極管的主要技術(shù)指標(biāo)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(yīng)小于0.8V。(3)最大工作電流應(yīng)大于150mA。(4)反向恢復(fù)時(shí)間應(yīng)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(dāng)反向電壓到達(dá)并超過穩(wěn)定電壓時(shí)，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(hù)、電平轉(zhuǎn)換，也可用來提供基準(zhǔn)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，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(jià)格廉價(jià)。選用穩(wěn)壓二極管時(shí)要注意其穩(wěn)壓值的標(biāo)稱值及電壓的溫度系數(shù)。穩(wěn)定電壓要設(shè)計(jì)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(hù)作用，它還可以加速開關(guān)管的導(dǎo)通。在開關(guān)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(jìn)行鉗位；在晶體管反響電路中，常在晶體管的發(fā)射極串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管，組成電壓負(fù)反響回路，提高放大電路的穩(wěn)定性。3.1.3快速恢復(fù)及超快速恢復(fù)二極管在很多電子設(shè)備中，都常用到快速恢復(fù)二極管和超快速恢復(fù)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(diǎn)，常用在整流、續(xù)流、限流等電路中。二極管的一般選用原那么和檢測方法如下：(1)選用原那么：在開關(guān)電源中，超快速恢復(fù)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(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間為20～50ns；最高反向工作電壓應(yīng)為最大反向峰值電壓的2倍以上；整流電流應(yīng)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娞匦裕话闱闆r下，其正向電阻約為6歐，反向電阻為無窮大?；蛴脭?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(fù)載電壓，從而計(jì)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(guān)晶體管3.2.1功率開關(guān)MOSFET電力MOSFET是近年來開展最快的全控型電力電子器件之一。它顯著的特點(diǎn)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(dǎo)電，沒有少數(shù)載流子導(dǎo)電所需的存儲時(shí)間，是目前開關(guān)速度最高的電力電子器件，在小功率電力電子裝置中是應(yīng)用最為廣泛的器件。電力MOSFET與電子電路中應(yīng)用的MOSFET類似，按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。在電力MOSFET中，應(yīng)用最多的是絕緣柵N溝道增強(qiáng)型。電力MOSFET在導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子〔多子〕參與導(dǎo)電，屬單極型晶體管，不存在少數(shù)載流子的存儲時(shí)間和二次擊穿問題，所以具有非?？斓拈_關(guān)速度、良好的散熱穩(wěn)定性和較大的平安工作區(qū)。所有有源功率因數(shù)校正器都是為驅(qū)動功率MOSFET而設(shè)計(jì)的。在大功率開關(guān)電源開關(guān)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。(1)MOSFET的主要特點(diǎn)MOSFET是一種依靠多子工作的場控制器件，它沒有少數(shù)載流子的存儲效應(yīng)，因此適用于高頻場合。MOSFET的電流溫度系數(shù)為負(fù)，防止了二次擊穿現(xiàn)象和熱不穩(wěn)定性，可在大功率及大電流條件下工作。從驅(qū)動模式來分，MOSFET屬于壓控器件，驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)較為簡單，驅(qū)動功率甚微。啟動過程或在穩(wěn)定工作條件下，MOSFET的峰值電流要比采用雙極型功率晶體管時(shí)小得多。MOSFET集成時(shí)大多裝有阻尼二極管，雙極型功率晶體管大多卻沒有內(nèi)裝阻尼二極管。并且MOSFET對平安性和系數(shù)可靠性的影響不如雙極型晶體管，但MOSFET的導(dǎo)通電阻較大，具有正溫度系數(shù)，工作在大電流開關(guān)狀態(tài)下，導(dǎo)通損耗較大，門限電壓值較高，這就要求驅(qū)動變壓器繞組的匝數(shù)要比采用雙極型晶體管多1倍以上。(2)MOSFET的驅(qū)動電路MOSFET的加速TR關(guān)斷電路如圖3-1所示：圖3.1加速TR關(guān)斷驅(qū)動電路如下圖，穩(wěn)壓二極管DW1，DW2反向串聯(lián)在一起，對VT的柵漏極進(jìn)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60~200Ω。R值小，開關(guān)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(shí)間，有利于零功率控制。MOSFET柵極驅(qū)動電壓突降到門線電壓，MOSFET便由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換成截止?fàn)顟B(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(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但導(dǎo)通后呈現(xiàn)電阻性質(zhì)，在電流較大時(shí)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(guān)速度低。20世紀(jì)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(fù)合而成，不僅具有MOSFET的電壓型驅(qū)動、驅(qū)動功率小的特點(diǎn)，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(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)，開關(guān)頻率低于MOSFET，但高于GTR。目前絕緣柵雙極型晶體管已根本取代了大功率晶體管，稱為當(dāng)前在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的電力電子器件。絕緣柵雙極型晶體管在開關(guān)電源中用作功率開關(guān)，具有MOSFET無可比較的優(yōu)點(diǎn)。3.3自動恢復(fù)開關(guān)自動恢復(fù)開關(guān)又稱為自動恢復(fù)保險(xiǎn)絲，起過流保護(hù)作用。在電路發(fā)生短路或用電電流超過其額定值時(shí)，自動恢復(fù)開關(guān)便會發(fā)揮作用，具有開關(guān)特性好、使用平安、自動恢復(fù)、不需維護(hù)、可反復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。自動恢復(fù)開關(guān)由高分子晶狀聚合物和導(dǎo)電鏈構(gòu)成，聚合物緊密束縛著導(dǎo)電鏈，常態(tài)下其電阻值極低，僅有0.2。因此自動恢復(fù)開關(guān)工作時(shí)，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(gòu)。當(dāng)電路發(fā)生短路或電流電流超過最大設(shè)計(jì)電流時(shí)，電流增加，由導(dǎo)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(hù)電路。故障排除以后，自動恢復(fù)開關(guān)便很快恢復(fù)到低電阻狀態(tài)，可反復(fù)使用而不損壞。自動回復(fù)開掛在開關(guān)電源、家用電器、計(jì)算機(jī)通信設(shè)備上起過流保護(hù)，但它只能進(jìn)行低壓過流保護(hù)，不能接在220V等交流電壓上。下面介紹一下自動恢復(fù)開關(guān)的檢測方法：(1)電阻檢查用萬用表的電阻檔測量自動恢復(fù)開關(guān)的直流電阻，測得值越小，其容量就越大。(2)過流后自動恢復(fù)能力的檢查將自動恢復(fù)開關(guān)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(fù)開關(guān)的電流容量。電源輸出電壓從零開始逐漸升高，注意觀察電流表讀數(shù)，這時(shí)的讀數(shù)會隨著供給電壓的增大而增大。當(dāng)穩(wěn)壓電源的輸出輸出電流接近或超過其電流容量時(shí)，電流表的讀數(shù)突然變小，自動恢復(fù)開關(guān)進(jìn)入高阻狀態(tài)。關(guān)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(shí)間后電流表的讀數(shù)上升到一定值，那么這段時(shí)間就是自動恢復(fù)開關(guān)的自動恢復(fù)時(shí)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(dǎo)體陶瓷制成，具有負(fù)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(shí)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1℃所消耗電功率的相對變化量，單位為mW/℃。熱敏電阻在開關(guān)電源中的作用是：過溫度保護(hù)和軟啟動。過溫保護(hù)是將熱敏電阻并聯(lián)入輸入電路中。初始時(shí)，熱敏電阻溫度低，阻值高，相當(dāng)于開路。當(dāng)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(dāng)熱敏電阻發(fā)熱超過其極限值時(shí)，整流后的輸出電壓變低，開關(guān)電源的高頻振蕩便會停振，或因?yàn)闊崦綦娮枳柚到档秃?，電路保險(xiǎn)絲熔斷，電路與供電電源斷開，這就是熱保護(hù)作用。在電源剛通電時(shí)，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(shí)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。光電耦合器由兩局部組成，一是發(fā)光體，二是受光器。發(fā)光體實(shí)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，它的光電反響是隨著光的強(qiáng)度而變化的。這便實(shí)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(diǎn)是輸入與輸出實(shí)現(xiàn)了完全隔離，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(qiáng)。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(yīng)用于信號傳輸、電氣隔離、級間耦合、電路開關(guān)等。在通信設(shè)備、儀器儀表以及各種電路接口方面，光電耦合器都有所應(yīng)用。開關(guān)電源電路中，用光電耦合器構(gòu)成返回回路，來調(diào)整、控制輸出電壓，到達(dá)穩(wěn)定輸出的目的。通過光電耦合器也可進(jìn)行脈沖轉(zhuǎn)換。光電耦合器及其典型用法結(jié)構(gòu)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(guān)〔數(shù)字〕信號，不適于傳送模擬信號。隨著光電耦合器技術(shù)的開展，線性光耦合器出現(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(yīng)用領(lǐng)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。給光電耦合器外加一控制電壓，在輸出端便會成比例地產(chǎn)生一個(gè)用于進(jìn)一步控制下一級電路的電壓，這就是線性方式工作的光電耦合器。它由光敏三極管和發(fā)光二級管組成，當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)光時(shí)，光敏三極管便導(dǎo)通。光耦是電流驅(qū)動型元件，需要一定的電流，發(fā)光二級管才能導(dǎo)通，如假設(shè)輸入信號過小，發(fā)光二極管不能導(dǎo)通，輸出信號便會失真。開關(guān)電源中，利用線性光電耦合器構(gòu)成光耦反響電路，通過調(diào)節(jié)其控制端電流改變占空比，到達(dá)精密穩(wěn)壓的目的。開關(guān)電源中，采用電壓反響實(shí)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、反響信號的隔離器件。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)光電耦合器的主要技術(shù)參數(shù)記發(fā)光二極管的正向壓降為，正向電流為，電流傳輸比為CTR。電流傳輸比是光電耦合器的重要參數(shù)，通常用直流電流的傳輸比來表示。輸出電壓恒定時(shí)，電流傳輸比等于它的直流輸出電流Io及輸入電流的百分比，即有：〔3-1〕采用一只光敏三極管的光電耦合器，它的CTR的范圍大多是20%～300%，有的為80%～160%〔如PC817〕，而達(dá)林頓型光電耦合器可達(dá)100%～5000%。可以看出，要得到相同的輸出電流，后者所需的輸入電流較小。普通光電耦合器的關(guān)系呈非線性，尤其是在較小時(shí)，它的非線性失真尤為嚴(yán)重，所以普通光耦合器不適于模擬信號的傳輸。而線性的光耦合器的關(guān)系呈現(xiàn)良好的線性，尤其是在小信號傳輸時(shí)，其交流電流傳輸比很接近直流電流傳輸比的值。所以說，線性光耦合器適合傳輸模擬信號，使輸出與輸入間呈線性關(guān)系。除上述參數(shù)外，光電耦合器還有集電極-發(fā)射極還擊穿電壓、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極飽和壓降。此外，在傳輸數(shù)字信號時(shí)還應(yīng)考慮延遲時(shí)間、上升時(shí)間、下降時(shí)間等參數(shù)。(3)線性光耦合器的選取原那么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(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)遵循以下原那么：所選用的光電耦合器件必須要符合國際和國內(nèi)有關(guān)隔離擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)；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(yīng)用十分普遍。由于這類光電耦合器呈開關(guān)特性，線性度差，適于數(shù)字信號的傳輸，可用于單片機(jī)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(guān)電源應(yīng)選擇線性光電耦合器。選用線性光電耦合器時(shí)，應(yīng)正確選擇線性光電耦合器的參數(shù)及型號。除了遵循普通光耦的選用原那么外，還應(yīng)考慮合理選擇光電耦合器的電流傳輸比CTR的值。當(dāng)CTR<50%時(shí)，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(guān)電源的占空比，這必然會增大光耦的功耗；當(dāng)CTR>200%時(shí)，在啟動電路或負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，單片開關(guān)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(jì)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(diǎn)，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在電感整流器、高頻變壓器、脈沖變壓器等電路中，在開關(guān)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(shè)計(jì)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(qiáng)度、交流磁感應(yīng)強(qiáng)度、鐵損、磁損、真空磁導(dǎo)率等，涉及參數(shù)較多，所以對高頻變壓器的設(shè)計(jì)制作是開關(guān)電源設(shè)計(jì)制作中最為重要的任務(wù)。設(shè)計(jì)時(shí)，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(dāng)。3.6.1磁性材料的根本特性(1)初始磁導(dǎo)率：磁性材料的磁化曲線始端磁導(dǎo)率的極限值稱為初始磁導(dǎo)率。(2)居里溫度：磁芯的磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判詴r(shí)，在磁導(dǎo)率與溫度關(guān)系曲線上，磁導(dǎo)率等于1的直線與80%μmax與20%μmax的連線的交點(diǎn)在T軸上的投影即為居里溫度。溫度越高，初始磁導(dǎo)率也越高，當(dāng)溫度大于130℃時(shí)，初始磁導(dǎo)率為零。(3)磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度：磁場強(qiáng)度是一個(gè)表示磁場強(qiáng)弱與方向的物理量，磁感應(yīng)強(qiáng)度那么是指磁場作用于磁性物質(zhì)的作用力大小，溫度越高，磁感應(yīng)強(qiáng)度越低。(4)剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度：磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場后所剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。(5)矯頑力：磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場后繼續(xù)反向磁化至磁感應(yīng)強(qiáng)度減小到零，稱這時(shí)的磁場強(qiáng)度為矯頑力〔保磁力〕?？娠柡偷拇判圆牧暇哂辛己玫拈_關(guān)特性，可產(chǎn)生優(yōu)良的震蕩波，還要求磁芯具有近似矩形的磁滯回線，因此選用磁性材料時(shí)要選用可飽和的磁性材料。這樣的磁滯回線能使得線圈中的電流波形前后沿陡峭，且能很好地傳遞各種波形的電信號。如假設(shè)磁芯的S矩形曲線在B方向上被壓扁，這將會嚴(yán)重影響變壓器的震蕩波形，導(dǎo)致開關(guān)晶體管的溫升加劇。3.6.2磁芯的選用及結(jié)構(gòu)選用磁芯時(shí)首先要考慮的問題是使用磁芯一定要在一定的距離溫度以內(nèi)，其次還要注意磁芯的脆度、硬度、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、磁導(dǎo)率以及磁感應(yīng)強(qiáng)度。設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)十分注意噪聲干擾和工作頻率。磁性材料在強(qiáng)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(shí)一定要粘結(jié)牢固，防止出現(xiàn)電磁噪聲和機(jī)械噪聲。主要磁芯說明如下：PM是R型磁芯，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但電能耦合、散熱性都不是很好。POT是罐形磁芯，銅線繞在磁芯內(nèi)側(cè)面，磁鐵包圍線圈。這種磁芯的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)磁感應(yīng)好，傳遞電能佳，可以大量減少EMI；它的缺點(diǎn)是散熱效果極差，溫度很高，只能用于小功率開關(guān)電源。EC磁芯是開關(guān)電源中常常用到的一種磁芯，這種磁芯的截面積大，散熱效果好，常用于100~150W的開關(guān)電源。這種磁芯的缺點(diǎn)是窗口面積較小，對變壓器的匝數(shù)有限制。EE磁芯是一種常用磁芯，對中小功率的變壓器都很適合。磁芯面積的大小決定開關(guān)電源的功率，一般說來，磁芯面積越大，輸出功率越大。RM、X形磁芯的散熱效果、磁耦合能力都很好，適合用于功率在100W以上的大中功率電源上。但這種磁芯所占空間大，放置較為困難。4.開關(guān)電源設(shè)計(jì)4.1開關(guān)電源集成控制器隨著電力電子技術(shù)的開展，開關(guān)電源集成控制芯片技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，這為開關(guān)電源的設(shè)計(jì)制造帶來極大便利，并促使了制作本錢的降低。這類芯片中集成有電源管理電路、PWM專用SPIC、MOSFET智能開關(guān)、半橋或全橋逆變器、線性集成穩(wěn)壓器、開關(guān)集成穩(wěn)壓器等。設(shè)計(jì)開關(guān)電源所用到的集成控制芯片是M51995AFP。它是MITSUBISHI公司推出的專門為AC/DC變換而設(shè)計(jì)的離線式開關(guān)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(yīng)的電流限制功能。它的另一大特點(diǎn)是過流時(shí)采用斷續(xù)方式工作。下面將介紹M51995AFP芯片。4.1.1芯片管腳排列及說明M51995AFP芯片是M51995AP的擴(kuò)展，M51995AP芯片管腳排列如圖4.1所示：圖4-1M51995AP管腳排列圖圖4-1M51995AP結(jié)構(gòu)各引腳功能介紹如下：1號引腳：COLLECTOR，板橋電路的輸出集電極。2號引腳：Vout，板橋電路輸出。3號引腳：EMITTER，半橋電路的輸出發(fā)射極。4號引腳：VF，VF控制端。5號引腳：ON/OFF，工作使能端。6號引腳：OVP，過壓保護(hù)端。7號引腳：DET，檢測端。8號引腳：F/B，電壓反響端。9號引腳：T-ON，記時(shí)電阻ON端。10號引腳：CF，記時(shí)電容端。11號引腳：T-OFF，及時(shí)電阻OFF端。12號引腳：CT，斷續(xù)方式工作檢測電容端。13號引腳：GND，接地端。14號引腳：CLM-，負(fù)壓過流檢測端。15號引腳：CLM+，正壓過流檢測端。16號引腳：VCC，供電端。M51995AFP芯片管腳排列如圖4-2所示：圖4.2M51995APF管腳排列圖4.1.2芯片的根本特性(1)芯片特性芯片M51995AFP的主要特性為：工作頻率為500kHz；啟動電流小，典型值為90μA；輸出電流2A，輸出的上升時(shí)間為60μs，下降時(shí)間為40μs；起動電壓為16V，關(guān)閉電壓為10V，起動和關(guān)閉電壓間壓差大；過流保護(hù)采用斷續(xù)方式工作；改良半橋電路輸出方法，穿透電流小；有欠壓、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(yīng)小于500kHz，電源電壓在12~36V間，振蕩頻率設(shè)置電阻Ron在10~75k歐，Roff在2~30k歐。(3)芯片主要特性及簡介①振蕩頻率/溫度特性該芯片內(nèi)置有一個(gè)震蕩元件需要外接的振蕩電路，這一電路的頻率將隨溫度變化而呈現(xiàn)負(fù)溫度特性。②功率/溫度特性它由溫度上限、功率上限及負(fù)溫度特性的斜線組成。高溫區(qū)〔85℃以上〕受最高允許溫度限制，低溫區(qū)〔25℃以下〕主要受最大功耗限制。在低溫區(qū)與高溫區(qū)之間的局部，呈現(xiàn)負(fù)溫度特性，芯片使用應(yīng)控制在這一溫度范圍內(nèi)。③占空比溫度特性占空比受溫度影響變化不大，略成負(fù)溫度特性。事實(shí)上，溫度會影響很多器件的特性，在精密電路中，這種影響是必須要考慮的。④Icc/Vcc特性Icc/Vcc是指電源的電流與電壓間的關(guān)系。該特性具有滯回特性，也就是說起開啟電壓比關(guān)閉電壓高。開啟電壓為16V，關(guān)閉電壓為10V。并且，頻率越高，芯片的電流相對就越大。⑤輸出低電平/灌電流特性這是芯片工作在拉電流/高電平狀態(tài)下的特性。⑥輸出高電平/拉電流特性這是芯片工作在灌電流/低電平狀態(tài)下的特性。該器件的額定電流為2A。⑦占空比F/B輸入電流特性這一特性反響了電源反響電流及占空比的關(guān)系。在小電流區(qū)，占空比根本上不受反響電流的影響，但在0.5mA以上，二者那么呈線性關(guān)系。反響信號越強(qiáng)，占空比就越低。利用該特性，可以有效地實(shí)現(xiàn)反響調(diào)節(jié)過程。占空比F/B輸入電流特性曲線如圖4.3所示：圖4.3占空比F/B輸入電流曲線4.1.3芯片工作原理(1)芯片結(jié)構(gòu)M51995AFP主要由振蕩器、反響電壓檢測變換、PWM比較、PWM鎖存、欠壓鎖存、過壓鎖存、斷續(xù)工作電路、斷續(xù)方式和震蕩控制電路、驅(qū)動輸出以及內(nèi)部基準(zhǔn)電壓等局部組成。(2)芯片應(yīng)用原理分析①振蕩器振蕩器原理振蕩電路的等效電路如圖4.4所示。其中Ron為充電電阻，Roff為放電電阻，Cf為計(jì)時(shí)電容。CF端電壓由于恒流源的充放電作用而呈三角波。如圖4.4所示，由內(nèi)部的充放電控制信號來控制對電容CF進(jìn)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4.4振蕩器等效電路(b)振蕩器的相關(guān)計(jì)算與分析在振蕩器控制電路和斷續(xù)方式不工作時(shí)，有關(guān)數(shù)據(jù)的核算關(guān)系如下：死區(qū)時(shí)間：式〔4.1〕占空時(shí)間：式〔4.2〕而實(shí)際振蕩周期為二者之和，即周期T=死區(qū)時(shí)間+占空時(shí)間。其中，4.4V，2.0V，4.5V，3.5V。振蕩器波形圖如圖4.5所示：圖4-5振蕩器波形圖由圖4-5可以看出，芯片的輸出脈寬時(shí)間為三角波的上升時(shí)間，而輸出關(guān)斷時(shí)間那么為三角波的下降時(shí)間。當(dāng)電路發(fā)生過流時(shí)，振蕩控制電路和斷續(xù)方式便開始工作，這時(shí)Toff端電壓由VF控制端電壓控制，振蕩器的死區(qū)時(shí)間將延長。占空時(shí)間：式〔4.3〕死區(qū)時(shí)間：式〔4.4〕實(shí)際振蕩周期為二者之和。其中2.0V，0.4V，4.5V，4.4V。當(dāng)，我們?nèi)。划?dāng)時(shí)，我們?nèi)?；?~3.5V范圍內(nèi)，取其實(shí)際值。因此，當(dāng)時(shí)，振蕩器的工作和沒發(fā)生過流時(shí)一樣。這種情況下的波形，除啟動時(shí)，三角波從零開始，其余情況下也就是穩(wěn)態(tài)時(shí)波形與圖4-5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4.6所示：圖4.6正激式變換器中VF端的應(yīng)用通常使VF端的電壓正比于變換器的輸出電壓，所以當(dāng)發(fā)生過流輸出電壓變低時(shí)，VF端電壓也變低，使得Cf的放電電流減小，放電時(shí)間相應(yīng)變長，從而進(jìn)一步降低了占空比。自然，VF端反響電壓也可通過隔離變壓器的相關(guān)繞組分壓后獲得。②PWM比較鎖存局部PWM比較鎖存局部電路如圖4.7所示。其中，E點(diǎn)OSC是由振蕩電路產(chǎn)生的矩形波，低電平時(shí)對應(yīng)放點(diǎn)，高電平時(shí)對應(yīng)充電。由圖可以看出，F(xiàn)/B與A點(diǎn)電位的波動規(guī)律相同，A點(diǎn)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(jìn)行邏輯組合后輸出。所以，B、C、D、E各點(diǎn)的邏輯關(guān)系為：

D點(diǎn)在三角波低于A點(diǎn)時(shí)為低電平，高于A點(diǎn)時(shí)為高電平。B=DE，由此可以得到B點(diǎn)波形。C=BE，由此可以得到C點(diǎn)波形。圖4.7PWM比較和鎖存電源的輸出越低，反響電壓VF/B就越高〔IF/B小〕，C點(diǎn)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(guān)管基極。這樣，電源輸出開關(guān)管得到的積極鼓勵信號剛好與電源輸出構(gòu)成負(fù)反響關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對電源的輸出調(diào)節(jié)。③輸出電路芯片的輸出電路應(yīng)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(diǎn)，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芯片通過改良的半橋電路，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4.8所示：圖4.8輸出電路從邏輯關(guān)系可知，輸出電路是在比較及鎖存電路的C點(diǎn)輸出高電平期間開通，從而觸發(fā)電源電路的輸出。所以，當(dāng)電源電壓變低時(shí)，電壓反響端的反響電壓越高，C脈沖就越寬，輸出時(shí)間就越長，從而使電源電壓上升。反之亦然。④斷續(xù)方式和振蕩控制電路當(dāng)過流檢測端到達(dá)閾值時(shí)，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平，用于控制下一級電路。同時(shí)，振蕩控制電路和斷續(xù)方式開始工作，輸出高電平。時(shí)序圖如圖4.9所示。當(dāng)VF端反響電壓低于3V時(shí)，該電路啟開工作。如圖4.10為非斷續(xù)時(shí)的時(shí)序圖。對照圖4.9和圖4.9兩個(gè)圖形，可以看出該電路的工作方式。圖4.9斷續(xù)方式和振蕩控制電路時(shí)序時(shí)圖4-10非斷續(xù)方式下電路各點(diǎn)信號時(shí)序⑤電流限制電路如假設(shè)A點(diǎn)波形和三角波的上升沿相交前，電流限制端CLM-或CLM+的電壓超過閾值電壓〔-200mV/+200mV〕，過流信號將是輸出截止并且這個(gè)截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)至下一個(gè)周期。實(shí)際上該信號控制的狀態(tài)在接下來的死區(qū)時(shí)間內(nèi)被復(fù)位，因此電流限制電路在每個(gè)周期都起作用，這稱為“逐脈沖電流限制〞。實(shí)際應(yīng)用電路為了消除寄生電容所引起的噪聲電壓的影響，需要使用RC組成的低通濾波器。建議采用10-100范圍內(nèi)的電阻，以保證CLM端有適宜的輸入電流。⑥電壓檢測電路電壓檢測電路等效圖如圖4.11所示。其中檢測端DET可用來控制輸出電壓。DET端和F/B端間的電路與并聯(lián)型可調(diào)電壓基準(zhǔn)芯片431非常相似，DET端電壓大于2.5V時(shí)運(yùn)放具有吸收電流的能力，小于2.5V時(shí)輸出那么為高阻。DET和F/B端具有反相特性，它們之間應(yīng)接串接的電容和電阻以利相位補(bǔ)償。由于兩點(diǎn)電位不同，不能只接電阻。接電容那么不同，因?yàn)殡娙萦懈糁绷髂芰?。DET端不用時(shí)可接地。DET端可被用來控制輸出電壓。DET端和F/B端之間的電路與并聯(lián)型可調(diào)電壓基準(zhǔn)芯片431非常相似，DET端電壓高于2.5V時(shí)運(yùn)放具有吸收電流能力，低于2.5V時(shí)輸出為高阻。DET和F/B端具有反相特性，它們之間應(yīng)接以串接的電阻和電容以利相位補(bǔ)償。由于兩點(diǎn)電位不同，絕不要只接電阻。加電容那么不同，因?yàn)殡娙萦懈糁蹦芰ΑET端不用時(shí)，可以接地。圖4-11檢測電路等效圖⑦斷續(xù)方式工作電路在斷續(xù)方式和振蕩控制電路輸出為高電平或VF端電壓下降至低于約3V的臨界值時(shí)，斷續(xù)方式電路便開始工作。斷續(xù)方式電路的原理圖如圖4-12所示：圖4.12斷續(xù)方式工作電路圖當(dāng)VF端電壓高于來自斷續(xù)方式和振蕩控制電路的時(shí)，晶體管V呈導(dǎo)通狀態(tài)，CT端的電位接近于零；過載續(xù)流情況下，VF端電壓低于，管V截止，CT將被充放電。SWA閉合、SWB斷開情況下，CT端被120μA的電流充電；SWB閉合而SWA斷開時(shí)，CT端被15μA的電流放電，所以CT端呈三角波。只有在CT端電壓上升期間才會產(chǎn)生輸出脈沖。CT端的三角波頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于開關(guān)的振蕩頻率。這樣功率電路包括次級整流二極管在內(nèi)的元器件就能被有效保護(hù)，以防過流引起的過熱。⑧過壓保護(hù)〔OVP〕電路過壓保護(hù)OVP端，顧名思義是用來實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)的，它具有遲滯特性。由Q2、Q3構(gòu)成正反響電路。當(dāng)OVP端高于其閾值電壓750mV時(shí)，芯片進(jìn)入過壓保護(hù)狀態(tài)，芯片被停止工作。為了復(fù)位，須使OVP端電壓低于其閾值或使VCC低于OVP復(fù)位的供電電壓〔典型值為9V〕。恒流源I2在過壓保護(hù)不操作時(shí)，大約為150μA，操作時(shí)那么減少至2μA。但必須輸入大于I2約800μA~8mA的電流，才能觸發(fā)OVP工作。在OVP作用期間，Icc應(yīng)至少提供20μA的電流