開關(guān)電源原理、設(shè)計(jì)及實(shí)例[陳純鍇][電子教案(PPT版本)]第5章

1、第5章 開關(guān)電源一次側(cè)電路的設(shè)計(jì)o本章主要介紹了開關(guān)電源一次側(cè)主要電路的設(shè)計(jì)，包括：輸入保護(hù)電路的基本構(gòu)成和主要元器件參數(shù)及其選擇；開關(guān)電源噪聲及其電磁干擾濾波器的設(shè)計(jì)；輸入整流管、整流器及其倍壓整流電路；概述了幾種常用的開關(guān)管；高頻變壓器磁芯和導(dǎo)線的主要類型參數(shù)和選擇。 5.1輸入保護(hù)電路的設(shè)計(jì)5.1.1輸入保護(hù)電路的基本構(gòu)成 開關(guān)電源輸入保護(hù)電路具有過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)和防浪涌沖擊等多種功能，能夠在復(fù)雜環(huán)境條件下迅速地對電源電路和負(fù)載進(jìn)行有效保護(hù)，常用的幾種基本電路形式如圖5-1所示。.o其中，圖(a)中熔絲管FU起到輸入過電流保護(hù)的作用，圖(b)中的熔斷電阻器RF與熔斷器FU作用相同，

2、而壓敏電阻RV可以吸收浪涌電壓，具有過電壓保護(hù)的作用。圖(d)、(e)和(f)與圖(a)、 (b) 和(c)結(jié)構(gòu)形式相同，只是在輸入回路中串聯(lián)了負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻RT，可以在通電的瞬間起到限流保護(hù)的作用。o開關(guān)電源常用的輸入保護(hù)元件主要有熔絲管、熔斷電阻器、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻和壓敏電阻等，其主要特點(diǎn)和功能如表5-1所示。.o表5-1 開關(guān)電源常用輸入保護(hù)元件的主要性能表 5.1.2熔絲管o熔絲管（Fuse-link）俗稱保險(xiǎn)管，電路符號(hào)為FU，是一種保證電路安全運(yùn)行的電器元件。熔絲管是一種過電流保護(hù)元件，串聯(lián)于開關(guān)電源輸入電路的首端。正常情況下，通過熔體的電流比較小，溫度升高但沒有達(dá)到熔點(diǎn)，熔

3、體不會(huì)熔化，輸入電路可以可靠地接通。一旦發(fā)生故障，當(dāng)流過熔絲管的電流超過規(guī)定值達(dá)到一定的時(shí)間，那么由熔體自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔斷，切斷輸入電源，從而起到過電流保護(hù)的作用。熔絲管具有反時(shí)延特性，當(dāng)過載電流小時(shí)，熔斷時(shí)間長；過載電流大時(shí)，熔斷時(shí)間短。在一定范圍內(nèi)的過載電流并且過載時(shí)間較短，熔斷器不會(huì)熔斷，可以繼續(xù)使用。熔絲由鉛銻合金制成，熔點(diǎn)較低，由銀銅合金制成，熔點(diǎn)較高。采用熔絲管保護(hù)電路具有結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便、價(jià)格便宜、熔斷快速、動(dòng)作靈敏等優(yōu)點(diǎn)。.o熔絲管一般由熔體、電極和支架三部分組成。熔體是核心部分，決定了熔斷電流的大小。同一類、同一規(guī)格熔絲管的熔體其材質(zhì)和幾何尺寸相同，電阻值應(yīng)盡可能地小

4、且要一致，從而保證熔斷特性一致。電極通常有兩個(gè)，用來連接熔絲管與電路，因此必須具有良好的導(dǎo)電性，特別注意的是不應(yīng)產(chǎn)生明顯的安裝接觸電阻。保險(xiǎn)絲的熔體一般都纖細(xì)柔軟，一般通過支架將熔體和電極固定，便于安裝和使用，支架必須有良好的機(jī)械強(qiáng)度、絕緣性、耐熱性和阻燃性，在使用中不應(yīng)產(chǎn)生斷裂、變形、燃燒及短路等現(xiàn)象。.o根據(jù)熔斷速度不同，熔絲管可分為特慢速（一般用TT表示）、慢速（一般用T表示）、中速（一般用M表示）、快速（一般用F表示）和特快速（一般用FF表示）幾種。慢速保險(xiǎn)絲也叫延時(shí)保險(xiǎn)絲，它的延時(shí)特性表現(xiàn)在電路出現(xiàn)非故障脈沖電流時(shí)保持完好，而對于長時(shí)間的過載電流提供保護(hù)。在電源開關(guān)瞬間會(huì)產(chǎn)生大于幾倍

5、正常工作電流的脈沖電流，盡管這種電流峰值很高，但是持續(xù)時(shí)間很短，這種脈沖電流稱為沖擊電流或浪涌電流。普通的保險(xiǎn)絲無法承受這種電流而熔斷，若使用更大規(guī)格的保險(xiǎn)絲，那么當(dāng)故障時(shí)電流過載又得不到及時(shí)保護(hù)。延時(shí)保險(xiǎn)絲的熔體經(jīng)特殊加工而成，熔斷時(shí)需要更大的能量，調(diào)整能量吸收量就能使它即可以抗住沖擊電流又能對過載提供保護(hù)。.o選用熔絲管時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：o 額定電流是指熔絲管能長期正常工作的電流，是由熔絲管各部分長期工作時(shí)的允許溫升決定的。為了延長熔絲管的使用壽命，額定電流不應(yīng)太接近于在最小輸入電壓和最大負(fù)載條件下電源輸入電流的最大有效值，可取最大值的150。在計(jì)算電流有效值時(shí)要考慮到波形系數(shù)，對電容

6、輸入濾波器來說近似為0.6。大多數(shù)傳統(tǒng)的熔絲管采用的材料具有較低的熔化溫度，因此對環(huán)境溫度的變化比較敏感。.o 熔絲管的電壓額定值必須大于供電輸入電壓的峰值。熔絲管的標(biāo)準(zhǔn)電壓額定值系列為32V、125V、250V、600V。若熔絲管的實(shí)際工作電壓大于其額定值，熔體熔斷時(shí)可能發(fā)生電弧不能熄滅的危險(xiǎn)。o 在低壓電路中應(yīng)考慮熔絲管電阻的影響，一般小于1A的熔絲管電阻為幾個(gè)歐姆。o 熔絲管的壽命受溫度影響較大。環(huán)境溫度越高，熔絲管的工作溫度就越高，其壽命也就越短。相反，在較低的溫度下運(yùn)行會(huì)延長熔絲管的壽命。并且其性能受到工作環(huán)境溫度的影響，根據(jù)產(chǎn)品在高溫條件下的折減曲線，選擇額定電流。o 熔斷器的安秒

7、特性即其動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間特性為反時(shí)限特性。一般定義熔體的最小熔斷電流與熔體的額定電流之比為最小熔化系數(shù)，常用熔體的熔化系數(shù)大于1.25，例如：額定電流為10A的熔體在電流12.5A以下時(shí)不會(huì)熔斷。o 極限斷路電流是熔絲管在額定電壓下能夠確實(shí)熔斷的最大短路電流。安全運(yùn)行要求短路時(shí)保險(xiǎn)絲保持完整的狀態(tài)(無爆裂或斷裂)并消除短路。.o傳統(tǒng)一次性保險(xiǎn)絲作為過流保護(hù)元件，只能保護(hù)一次，熔斷后需要更換。o自恢復(fù)熔絲(Resettable Fuse，簡稱RF)是20世紀(jì)90年代問世的一種新型過電流保護(hù)器件。傳統(tǒng)的熔絲屬于一次性過電流保護(hù)器，使用很不方便。美國硅谷的瑞侃(Raychem)公司研制的自恢復(fù)保險(xiǎn)

8、絲是由高科技聚合樹脂及納米導(dǎo)電晶粒經(jīng)特殊工藝加工制成，具有體積小、種類規(guī)格齊全、開關(guān)特性好、能自行恢復(fù)、反復(fù)使用、不需維修等優(yōu)點(diǎn)。其中，RXE系列為圓片形，RUE系列為方形，miniSMD為小型化表面安裝元件，SRP系列為片狀。.o正常情況下，納米導(dǎo)電晶體隨樹脂基鏈接形成鏈狀導(dǎo)電通路，保險(xiǎn)絲正常工作；當(dāng)電路發(fā)生短路或者過載時(shí)，流經(jīng)保險(xiǎn)絲的大電流使其集溫升高，當(dāng)達(dá)到居里溫度時(shí)，其態(tài)密度迅速減小，相變增大，內(nèi)部的導(dǎo)電鏈路呈雪崩態(tài)變或斷裂，保險(xiǎn)絲呈階躍式遷到高阻態(tài)，電流被迅速夾斷，從而對電路進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的限制和保護(hù)，其微小的電流使保險(xiǎn)絲一直處于保護(hù)狀態(tài)，當(dāng)斷電和故障排除后，其集溫降低，態(tài)密度增大，

9、相變復(fù)原，納米晶體還原成鏈狀導(dǎo)電通路，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲恢復(fù)為正常狀態(tài)，無需人工更換。自恢復(fù)保險(xiǎn)絲沒有極性，可以選擇DIP直插式或SMD表面貼裝式，串聯(lián)于AC或DC電源均可。自恢復(fù)保險(xiǎn)絲要安裝在通風(fēng)狀態(tài)下，對高溫敏感的元器件不要與其直接接觸。.o自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的主要參數(shù)有保持電流（25）IH、動(dòng)作電流（25）IT、最大電壓（耐壓值）Vmax、最大電流（耐流值）Imax、標(biāo)稱電阻（25）R0、最小電阻（25）Rmin、最大電阻（25）Rmax等。o選擇自恢復(fù)保險(xiǎn)絲可參考以下步驟： o 確定線路的平均工作電流和工作電壓（無須考慮峰值）及元件工作的大致環(huán)境溫度。o 根據(jù)工作電流、工作電壓及安裝方式，選擇產(chǎn)品

10、類型，如表5-2所示。.o表5-2 主要產(chǎn)品類型及用途.o 根據(jù)工作環(huán)境溫度，依據(jù)表5-3中的電流換算率，將工作電流折算成實(shí)際動(dòng)作電流IH，實(shí)際動(dòng)作電流IH=平均工作電流/折算率。o表5-3 不同環(huán)境溫度下電流值折算表.o 查看該系列產(chǎn)品相應(yīng)的保持電流IH、最高工作電壓Vmax、最大電流Imax、最大功耗PDmax、最小電阻Rmin、最大電阻Rmax等參數(shù)，選擇合適的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，部分產(chǎn)品參數(shù)如表5-4所示。其中參數(shù)IH值大于或等于上一步的計(jì)算值。額定電流是在一定的條件下給出的，如果要求工作在較寬的溫度范圍，應(yīng)該留有一定的裕量，一般可以取1.52倍。 .o表5-4 部分產(chǎn)品規(guī)格.o 從相應(yīng)的產(chǎn)

11、品曲線上查出保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與電流成反比。其中miniSMD020、miniSMD075兩種熔斷絲的短路電流和動(dòng)作保護(hù)時(shí)間的關(guān)系曲線如圖5-2所示。o 使用時(shí)注意有一定導(dǎo)通電阻，額定電流越大，電阻越??；高壓型的電阻要更大一些。.o圖5-2 短路電流與動(dòng)作保護(hù)時(shí)間的關(guān)系曲線圖.o舉例說明，一臺(tái)筆記本電腦的鍵盤（含鼠標(biāo)器）的工作電流及工作電壓分別為0.1A、3.3V，環(huán)境溫度TA=40。擬選用miniSMD系列自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。查表5-3可知，40時(shí)折算率為87%，故。查表5-4選用miniSMD020，其IH=0.20A，大于計(jì)算值0.115A，并留有一定的裕量。確定型號(hào)后，由圖5-2可以

12、看出，當(dāng)短路電流達(dá)2A時(shí)，其動(dòng)作保護(hù)時(shí)間僅為0.2s。5.1.3熔斷電阻器 熔斷電阻器（熔斷電阻器（Fusible Resistor，簡稱，簡稱FR）是一種具有電阻）是一種具有電阻器和熔斷器雙重功能的特殊元件，在電路中用字母器和熔斷器雙重功能的特殊元件，在電路中用字母RF或或R表示。表示。在正常工作時(shí)，熔斷電阻器在額定功率下發(fā)出的熱量與周圍介在正常工作時(shí)，熔斷電阻器在額定功率下發(fā)出的熱量與周圍介質(zhì)達(dá)到平衡，具有電阻器的功能；當(dāng)電路出現(xiàn)異常過載超過其質(zhì)達(dá)到平衡，具有電阻器的功能；當(dāng)電路出現(xiàn)異常過載超過其額定功率時(shí)，流過熔斷電阻器的電流增大并超過其熔斷電流，額定功率時(shí)，流過熔斷電阻器的電流增大并超

13、過其熔斷電流，熔斷電阻器像保險(xiǎn)絲一樣熔斷，使連接的電路斷開，對電路和熔斷電阻器像保險(xiǎn)絲一樣熔斷，使連接的電路斷開，對電路和元器件起到過電流保護(hù)作用，防止因過電流而燒毀電路中其他元器件起到過電流保護(hù)作用，防止因過電流而燒毀電路中其他元器件。熔斷電阻器適用于低壓電源的保險(xiǎn)裝置，用可熔斷電元器件。熔斷電阻器適用于低壓電源的保險(xiǎn)裝置，用可熔斷電阻器代替熔絲管的優(yōu)點(diǎn)是在熔斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電火花或煙霧，既阻器代替熔絲管的優(yōu)點(diǎn)是在熔斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電火花或煙霧，既安全又不造成干擾。采用熔斷電阻器減少了一般熔斷絲安裝時(shí)安全又不造成干擾。采用熔斷電阻器減少了一般熔斷絲安裝時(shí)使用的支架，具有體積小、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。使用的

14、支架，具有體積小、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。 .1.外形特征和電路符號(hào)外形特征和電路符號(hào) 熔斷電阻器外形同普通色環(huán)電阻器一樣，比普通電阻器略粗、長一些，有兩根引腳，不分正、負(fù)極性。標(biāo)稱阻值采用色標(biāo)方式，阻值一般比較小，只有幾歐姆到一百歐姆左右，主要用于直流電源電路中。 熔斷電阻器的電路符號(hào)如圖5-3所示。. 圖5-3 熔斷電阻器電路符號(hào).o(a)所示是日本夏普公司常用的熔斷電阻器電路符號(hào)，R表示是電阻器，F(xiàn)usible表示熔斷電阻器；o(b)是熔斷電阻器通用的電路符號(hào)，但不常用；o(c)所示是日本日立公司常用的熔斷器符號(hào)；o(d)所示是日本勝利公司、東芝公司的熔斷電阻器電路符號(hào)，電路符號(hào)采用熔斷器符號(hào)形

15、象地表示這種電阻器具有熔斷絲的功能；o(e)表示是日本松下公司、三洋公司熔斷電阻器的電路符號(hào)，這一符號(hào)中也有熔斷絲的標(biāo)記；o(f)所示是波蘭采用的熔斷電阻器的電路符號(hào)；o(g)是國內(nèi)常用的熔斷電阻器的電路符號(hào)；o在許多電路圖中熔斷電阻器也采用普通電阻器的電路符號(hào)。 2.熔斷電阻器分類熔斷電阻器分類o熔斷電阻器的種類很多，按工作方式的不同可分為可恢復(fù)式熔斷電阻器和一次性熔斷電阻器兩種 .o(1)可恢復(fù)式熔斷電阻器可恢復(fù)式熔斷電阻器o可恢復(fù)式熔斷電阻器是將普通電阻器（或電阻絲）用低熔點(diǎn)焊料與彈性金屬片串聯(lián)焊接在一起后，再密封在一個(gè)圓柱形或方形外殼中。外殼有金屬和透明塑料等幾種。o在額定電流內(nèi)，可恢

16、復(fù)式熔斷電阻器起固定電阻器作用。一旦元件過載發(fā)熱時(shí)，可恢復(fù)熔斷電阻器的焊點(diǎn)首先熔化，彈性金屬片或金屬絲便與電阻器斷開，切斷電路起保護(hù)作用。可復(fù)式熔斷電阻絲在發(fā)生熔斷后，可以修復(fù)使用?？蓮?fù)式熔斷電阻器的功率一般為312W，阻值在15.1k之間，熔斷時(shí)間在幾十秒至幾百秒之間。 .o一次性熔斷電阻器也稱不可恢復(fù)型熔斷電阻器，在電路正常工作時(shí)起固定電阻器作用，當(dāng)其工作電流超過額定電流時(shí)，熔斷電阻器將會(huì)像熔斷器一樣熔斷，對電路進(jìn)行保護(hù)，一次性熔斷電阻器熔斷后，呈開路狀態(tài)，再也不能回復(fù)正常，只能更換新的熔斷電阻器。o一次性熔斷電阻器按電阻體使用材料可分為線繞式熔斷電阻器和膜式熔斷電阻器。o線繞式熔斷電阻器

17、屬于功率型涂釉電阻器，其阻值較小，通常應(yīng)用于工作電流較大的電路中。在制作過程中，將功率型涂釉電阻器的一部分用細(xì)線繞制或裸露部分（不涂釉質(zhì)保護(hù)層），在被保護(hù)電路出現(xiàn)過電流故障時(shí)，電阻器的細(xì)線部分或裸露部分（不涂釉部分）將會(huì)因過熱而燒斷，對電路進(jìn)行保護(hù)。.o膜式熔斷電阻器是目前使用最多的熔斷電阻器，又分為碳膜熔斷電阻器、金屬膜熔斷電阻器和金屬氧化膜熔斷電阻器等多種。膜式熔斷電阻器在制作時(shí)，通常是將膜層局部的螺紋間距縮短或在膜層表面覆低熔點(diǎn)的玻璃漿料（或玻璃粉與金屬氧化物等的混合物），當(dāng)通過熔斷電阻器的工作電流過大時(shí)，電阻器的導(dǎo)電膜層將迅速熔斷。膜式熔斷電阻器的外殼有陶瓷、有機(jī)硅樹脂、阻燃漆等材料，

18、封裝外形有長方形、圓柱形、腰鼓形等多種形式。常用的國產(chǎn)金屬膜熔斷電阻器有RJ90-A、FJ90-B系列和RF10、RF11系列。oRJ90-A系列有0.5W、13W四種規(guī)格。阻值范圍在0.225.1k，均采用腰鼓形封裝外形，屬于涂覆型（電阻膜外涂覆阻燃漆）熔斷電阻器。 oRJ90-B系列為陶瓷封裝型熔斷電阻器，也分0.5W、13W四種規(guī)格。其中0.5W熔斷電阻器封裝外形為圓柱形。.oRF10系列熔斷電阻器為涂覆型色環(huán)金屬膜熔斷電阻器，有0.25W、0.5W、1W和2W四種規(guī)格，阻值范圍為0.3310k。 oRF11系列熔斷電阻器為陶瓷外殼金屬膜熔斷電阻器，有0.5W、13W四種規(guī)格，阻值范圍與

19、RF10系列相同，其封裝外形有圓柱形和長方形兩種形式。o不可復(fù)式熔斷電阻的功率一般為0.253W，阻值在0.220k之間，當(dāng)超過額定功率925 倍時(shí)，可在60s內(nèi)熔斷。不可復(fù)式熔斷電阻器的外表大多為灰色，阻值及精度一般用色環(huán)表示，其額定功率則由電阻器的外形尺寸確定。在電子設(shè)備中，大多數(shù)采用不可復(fù)式熔斷電阻。3.熔斷電阻器選擇熔斷電阻器選擇 選用時(shí)應(yīng)考慮其雙重性能，根據(jù)電路的具體要求選擇其阻值和功率等參數(shù)。既要保證熔斷電阻器在過負(fù)荷時(shí)能快速熔斷，又要保證在正常條件下能長期穩(wěn)定地工作。電阻值過大或功率過大，均不能起到保護(hù)作用。熔斷電阻器的主要特性有額定功率、標(biāo)稱阻值、阻值精度、開路電壓及熔斷特性等

20、。熔斷特性是熔斷電阻器的最重要特性，是指電路實(shí)際功耗為額定功耗的若干倍時(shí)，連續(xù)負(fù)荷運(yùn)行一定時(shí)間后，在規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)保證電阻熔斷的特性。5.1.4負(fù)溫度系數(shù)功率熱敏電阻器o負(fù)溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient，簡稱NTC）熱敏電阻器其阻值所溫度的升高而減小。oNTC熱敏電阻器是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用先進(jìn)陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，因?yàn)樵趯?dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料。溫度低時(shí)，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。NTC熱敏

21、電阻器在室溫下的變化范圍在100歐1M歐姆，溫度系數(shù)-2%-6.5%。NTC熱敏電阻器可廣泛應(yīng)用于溫度測量、溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流等場合。o熱敏電阻的基本特性是電阻-溫度特性。典型產(chǎn)品的電阻-溫度特性曲線如圖5-4所示。.o圖5-4 典型產(chǎn)品的電阻-溫度特性曲線.oNTC熱敏電阻器的主要參數(shù)如下：o零功率電阻溫度系數(shù)T(%/)表示在規(guī)定溫度下，NTC熱敏電阻的零功率電阻值隨溫度的變化率與零功率電阻的比值。o零功率電阻值RT ()指在規(guī)定溫度下，采用引起電阻值變化相對于總的測量誤差來說可以忽略不計(jì)的測量功率測得的電阻值。o額定零功率電阻值 R25()是指在基準(zhǔn)溫度 25 時(shí)測得的零功率電阻值并。

22、通常所說 NTC 熱敏電阻的阻值即指該值，它是熱敏電阻器的設(shè)計(jì)電阻值，也是標(biāo)稱電阻值。o耗散系數(shù)(mW/)是指在規(guī)定的環(huán)境溫度下，熱敏電阻耗散的功率變化率與其相應(yīng)的溫度變化之比值。它表示使熱能電阻體升高1溫度所需消耗的功率。在工作范圍內(nèi)，隨環(huán)境溫度變化而有所變化。o額定功率Pn：在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻器長期連續(xù)工作所允許消耗的功率。在此功率下，電阻體自身溫度不超過其最高工作溫度。o熱時(shí)間常數(shù)(S)是指在零功率條件下，當(dāng)溫度發(fā)生突變時(shí)，熱敏電阻體的溫度變化了始未溫度差的 63.2% 時(shí)所需的時(shí)間，與熱敏電阻的熱容量C成正比，與其耗散系數(shù)成反比。.o典型NTC產(chǎn)品的主要參數(shù)如表5-5所示。表

23、5-5 幾種NTC產(chǎn)品的主要參數(shù) .o開關(guān)電源的輸入電路采用整流加電容濾波形式，在電源啟動(dòng)開關(guān)管開始導(dǎo)通的瞬間，輸入端濾波電容器上的初始電壓為零，電容對交流呈現(xiàn)出很低的阻抗，一般情況下，只是電容的ESR值。如果不采取任何保護(hù)措施，必將產(chǎn)生一個(gè)極高的浪涌電流，這種浪涌電流作用的時(shí)間雖短，但其峰值卻很大。特別是大功率開關(guān)電源，其輸入采用較大容量的濾波電容器，其沖擊電流可達(dá)100A以上。因此，必須有效的抑制這種浪涌電流。一般在輸入端濾波電容之前加裝一個(gè)熱敏電阻，以限制啟動(dòng)瞬間輸入電流值。當(dāng)電流直接加在功率型NTC熱敏電阻器上時(shí)，其電阻值就會(huì)隨著電阻體發(fā)熱而迅速下降。當(dāng)開關(guān)電源接通時(shí)，由于功率型NTC

24、熱敏電阻器有一個(gè)規(guī)定的零功率電阻值， 當(dāng)其串聯(lián)在電源回路的交流輸入端或者串聯(lián)在經(jīng)過橋式整流后的直流線上時(shí)，阻值較大，用以增加對交流線路的阻抗，就可以有效地抑制電源接通瞬間的浪涌電流。隨后，電容開始充電，充電電流持續(xù)流過熱敏電阻，開始對其加熱，由于熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，其電阻值將下降到非常小的程度。如果熱敏電阻選擇得合適，在負(fù)載電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其阻值很小，消耗的功率可以忽略不計(jì)，這樣，不會(huì)對正常的工作電流造成影響，不會(huì)影響整個(gè)開關(guān)電源的效率。所以，在電源回路中使用功率型NTC熱敏電阻器，是抑制開機(jī)時(shí)的浪涌電流，以保護(hù)電子設(shè)備免遭破壞的最為簡便而有效的措施。.o抑制浪涌電流功率型NTC熱敏電

25、阻器具有體積小、功率大、抑制浪涌電流能力強(qiáng)，反應(yīng)速度快、殘余電阻小、壽命長、可靠性高、系列安全、工作范圍寬等特點(diǎn)。MF72系列是常用于浪涌抑制的功率型NTC熱敏電阻器，主要技術(shù)參數(shù)如表5-6所示。o表5-6 MF72系列主要技術(shù)參數(shù).5.1.5 壓敏電阻器o壓敏電阻器（Voltage Dependent Resistor，簡稱VDR）按其用途有時(shí)也稱為“突波（浪涌）抑制器（吸收器）”，由氧化鋅為主要成份的金屬氧化物半導(dǎo)體材料制成，是一種對電壓敏感的非線性半導(dǎo)體元件，用符號(hào)RV或R表示。壓敏電阻器，由于其具有良好的非線性特性、通流量大、殘壓水平低、動(dòng)作快和無續(xù)流等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用在電子產(chǎn)品中，起

26、過電壓保護(hù)、防雷、抑制瞬態(tài)電壓、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護(hù)半導(dǎo)體元器件等作用。o當(dāng)壓敏電阻器兩端所加電壓低于標(biāo)稱額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器的電阻值接近無窮大，內(nèi)部幾乎無電流流過。當(dāng)壓敏電阻器兩端電壓略高于標(biāo)稱額定電壓時(shí)，壓敏電阻器將迅速擊穿導(dǎo)通，并由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，工作電流也急劇增大。當(dāng)其兩端電壓低于標(biāo)稱額定電壓時(shí)，壓敏電阻器又能恢復(fù)為高阻狀態(tài)，近乎開路，因而不會(huì)影響設(shè)備的正常工作。當(dāng)壓敏電阻器兩端電壓超過其最大限制電壓時(shí)，壓敏電阻器將完全擊穿損壞，無法再自行恢復(fù)。.o壓敏電阻器按其伏安特性可分為對稱型壓敏電阻器（無極性）和非對稱型壓敏電阻器（有極性）。壓敏電阻作為交流電壓浪

27、涌吸收器時(shí)，具有正反對稱的伏安特性，一般并聯(lián)在電路中使用。當(dāng)壓敏電阻兩端電壓發(fā)生急劇變化時(shí)，壓敏電阻短路將電流保險(xiǎn)絲熔斷，具有瞬態(tài)電壓抑制功能，防止因靜電放電、浪涌及其它瞬態(tài)電壓（如雷擊等）而造成的損壞。浪涌抑制型壓敏電阻器是用于抑制雷電過電壓和操作過電壓等瞬態(tài)過電壓的壓敏電阻器，這種瞬態(tài)過電壓的出現(xiàn)是隨機(jī)的，非周期的，電流電壓的峰值可能很大。絕大多數(shù)壓敏電阻器都屬于這一類。o壓敏電阻器的主要參數(shù)有壓敏電壓、電壓比、最大控制電壓、殘壓比、通流容量、漏電流、電壓溫度系數(shù)、電流溫度系數(shù)、電壓非線性系數(shù)、絕緣電阻、靜態(tài)電容等。o壓敏電壓（或稱標(biāo)稱電壓）是指在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，通過規(guī)定的直流電流（通常

28、是1mA）時(shí)壓敏電阻兩端的電壓值（U1mA）。.o最大允許電壓指壓敏電阻能長期承受的最大交流電壓有效)UAC或最大直流電壓UDC。一般UAC0.64 U1mA，UDC0.83 U1mA。o通流容量： 所謂通流容量，又稱最大沖擊電流，是指在25環(huán)境溫度下，對于規(guī)定的沖擊電流波形和規(guī)定的沖擊電流次數(shù)而言，壓敏電壓的變化率不超過 10時(shí)規(guī)定范圍時(shí)，運(yùn)行通過壓敏電阻器的最大電流幅值。o電壓比： 電壓比是指壓敏電阻器的電流為1mA時(shí)產(chǎn)生的電壓值與壓敏電阻器的電流為0.1mA時(shí)產(chǎn)生的電壓值之比。o殘壓：壓敏電阻在通過規(guī)定波形的大電流時(shí)其兩端出現(xiàn)的最高峰值電壓。殘壓比則為殘壓與壓敏電壓之比。o漏電流：漏電流

29、又稱等待電流，是指壓敏電阻器在規(guī)定的溫度和最大直流電壓下，流過壓敏電阻器的電流。o壓敏電阻器有多種型號(hào)和規(guī)格，所選壓敏電阻器的主要參數(shù)包括壓敏電壓、最大連續(xù)工作電壓、最大限制電壓、通流容量等必須符合應(yīng)用電路的要求，尤其是壓敏電壓要準(zhǔn)確。.o壓敏電壓過高，壓敏電阻器起不到過電壓保護(hù)作用，壓敏電壓過低，壓敏電阻器容易誤動(dòng)作或被擊穿。在直流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA) (1.82) UDC，式中UDC為回路中的直流額定工作電壓。在交流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA) (2.22.5) UAC，式中UAC為回路中的交流工作電壓的有效值。上述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應(yīng)用時(shí)，有適

30、當(dāng)?shù)陌踩６?。對?20V240V交流電源防雷器，應(yīng)選用壓敏電壓為470V620V的壓敏電阻較合適。選用壓敏電壓高一點(diǎn)的壓敏電阻，可以降低故障率，延長使用壽命，但殘壓略有增大。o壓敏電阻的標(biāo)稱放電電流應(yīng)大于要求承受的浪涌電流或每年可能出現(xiàn)的最大浪涌電流。標(biāo)稱放電電流應(yīng)按壓敏電阻浪涌壽命次數(shù)定額曲線中沖擊10次以上的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，約為最大沖擊通流量的30%左右。 .o通常產(chǎn)品給出的通流量是按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)給定的波形、沖擊次數(shù)和間隙時(shí)間進(jìn)行脈沖試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)品所能承受的最大電流值。而產(chǎn)品所能承受的沖擊數(shù)是波形、幅值和間隙時(shí)間的函數(shù)，當(dāng)電流波形幅值降低50時(shí)沖擊次數(shù)可增加一倍。所以在實(shí)際應(yīng)用中，壓敏電阻的通流容

31、量應(yīng)根據(jù)防雷電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)來定。一般而言，壓敏電阻的通流容量要大于等于防雷電路設(shè)計(jì)的通流容量。o此外選用時(shí)還需注意壓敏電阻器的溫度系數(shù)。o壓敏電阻可以串聯(lián)使用。將通流量相同的壓敏電阻串聯(lián)后，壓敏電壓、持續(xù)工作電壓和限制電壓相加，而通流量指標(biāo)不變。例如在高壓電力避雷器中，要求持續(xù)工作電壓高達(dá)數(shù)千伏、數(shù)萬伏，將多個(gè)壓敏電阻串聯(lián)而成。o壓敏電阻可以并聯(lián)，并聯(lián)后壓敏電壓不變，可以獲得更大的通流量，或者在沖擊電流峰值一定的條件下減小電阻體中的電流密度，以降低限制電壓。由于高非線性，壓敏電阻的并聯(lián)需要特別小心謹(jǐn)慎，只有伏安特性相同的壓敏電阻相并聯(lián)，才能保證電流在各電阻之間均勻分配。5.2 電磁干擾濾波器的

32、設(shè)計(jì)o5.2.1電源噪聲及其抑制方法o開關(guān)電源尤其是高頻變壓器的開關(guān)電源，無論在體積，重量和效率等方面部有顯著的優(yōu)點(diǎn)，已日益為人們所重視，也越來越廣泛地運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域。但是開關(guān)電源最大缺點(diǎn)就是容易產(chǎn)生噪聲和干擾，這是開關(guān)電源的一個(gè)重要技術(shù)問題，也是開關(guān)電源能不能得到更廣泛運(yùn)用的重要因素。o開關(guān)電源噪聲的產(chǎn)生一般可分兩類：o 開關(guān)電源內(nèi)部元件形成的干擾o開關(guān)電源是把工頻交流整流為直流后，再通過開關(guān)電路變換為高頻交流，其后再整流為穩(wěn)定直流的一種電源，這樣就有開關(guān)電源的整流波形畸變產(chǎn)生的高次諧波噪聲，開關(guān)器件在大電流、高電壓導(dǎo)通與截止時(shí)，其電流、電壓急劇變化，形成寬頻帶電磁干擾噪聲，整流二極管的開通

33、及關(guān)斷過程產(chǎn)生浪涌電流尖峰和高頻振蕩噪聲，此外，輸出濾波器的輸入端由于變壓器漏感、分布電容及濾波電感電容的存在而產(chǎn)生振蕩形成的電磁干擾噪聲等。.o 由于外界因素影響而使開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾o外界電磁場干擾通過輻射進(jìn)入開關(guān)電源或者通過電源線輸入開關(guān)電源，其中又可分兩種： o人為干擾源。電子、電力電子、電氣設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛，它們在運(yùn)行中產(chǎn)生的高密度、寬頻譜的電磁信號(hào)充滿整個(gè)空間，形成復(fù)雜的電磁環(huán)境。特別是瞬態(tài)電磁干擾，其電壓幅度高（幾百伏至上千伏）、上升速度快、持續(xù)時(shí)間短、隨機(jī)性強(qiáng)。如220V/50Hz交流電網(wǎng)或115V/400Hz交流發(fā)電機(jī)，都存在各式各樣的EMI噪聲，各種雷達(dá)、導(dǎo)航、通信等設(shè)備

34、的無線電發(fā)射信號(hào)，會(huì)在電源線上和電子設(shè)備的連接電纜上感應(yīng)出電磁干擾信號(hào)，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械和點(diǎn)火系統(tǒng)，會(huì)在感性負(fù)載電路內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)過程和輻射噪聲干擾。o自然干擾源。比如雷電放電現(xiàn)象和宇宙中天電干擾噪聲，前者的持續(xù)時(shí)間短但能量很大，后者的頻率范圍很寬。.o對電源設(shè)備來說，其驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、保護(hù)電路等容易受到電磁干擾而發(fā)生誤動(dòng)作。而開關(guān)電源本身就是較強(qiáng)的EMI噪聲源，在正常工作時(shí)可能向外發(fā)射電磁干擾，其產(chǎn)生的EMI噪聲既有很寬的頻率范圍，又有很高的強(qiáng)度。這些電磁干擾噪聲也同樣通過輻射和傳導(dǎo)的方式污染電磁環(huán)境，從而影響其它電子設(shè)備的正常工作。o干擾通過空間電磁輻射傳播的稱為輻射噪聲，輻射干擾隨著距離增加

35、而減小。通過設(shè)備各種連接線如電源線、信號(hào)線、控制線、數(shù)據(jù)線、公共地線等傳播的稱為傳導(dǎo)噪聲。必須采取有效的措施來防止噪聲干擾信號(hào)的傳遞，阻止這些噪聲進(jìn)出。在抑制EMI輻射噪聲方面，電磁屏蔽是最好的方法。而抑制EMI傳導(dǎo)噪聲方面，采用EMI濾波器是有效的手段.o采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制輻射干擾。開關(guān)電源采用金屬外殼屏蔽盒或屏蔽網(wǎng)板，選用導(dǎo)電良好的銅板或鋁板制作。銅板或鋁板的厚度一般在0.5-1mm即可。為了散熱，屏蔽盒壁板上應(yīng)開設(shè)通風(fēng)孔，孔洞最好為圓形。為了使屏蔽盒接縫處接觸良好，可在接縫處加入簧片。當(dāng)頻率較高時(shí)，在縫隙處電磁場的泄漏般要比孔洞更為嚴(yán)重，而且在縫隙處，磁場泄漏又大于電場泄漏。因此

36、，當(dāng)屏蔽盒與蓋板用螺釘連接時(shí)，螺釘間距不要太大，而且要擰緊，以減小縫隙。o開關(guān)電源直接接在市電電網(wǎng)上，電網(wǎng)與電源設(shè)備之間有著雙向的電磁干擾影響。開關(guān)電源從電源進(jìn)線引入電網(wǎng)噪聲，并經(jīng)電源線將開關(guān)電源產(chǎn)生的諧波和寄生振蕩的能量等噪聲傳導(dǎo)出去。為減少電源線的傳導(dǎo)噪聲，在電源輸入端加電磁干擾濾波器。5.2.2簡易電磁干擾濾波器的設(shè)計(jì)o采用開關(guān)電源電磁干擾濾波器能有效地抑制電網(wǎng)中的噪聲竄入電源，也可以抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲污染電網(wǎng)。傳導(dǎo)噪聲有兩種，一種是共模噪聲，另一種是差模噪聲。共模噪聲是電源線對地的噪聲，差模噪聲是電源線之間的噪聲。o開關(guān)電源輸入端采用的EMI濾波器是一種雙向?yàn)V波器，是由電容和電感構(gòu)

37、成的低通濾波器，如圖5-5所示為開關(guān)電源濾波器的結(jié)構(gòu)圖。圖中C1和C2是高頻旁路電容，通常選用薄膜電容器，取值范圍一般在0.011F，用于抑制差模噪聲。電感L1和L2、電容C3和C4形成共模濾波，電容器通常選用自諧振頻率較高的陶瓷電容，取值范圍一般為22006800pF，用于抑制高頻率的共模噪聲。由于接地，共模電容上會(huì)產(chǎn)生漏電流。因?yàn)槁╇娏鲿?huì)對人體安全造成傷害，所以漏電流應(yīng)盡量小，通常小于1.0mA。共模電容取值與漏電流大小有關(guān)，所以不宜過大，為減小漏電流，電容器的容量不宜超過0.1F。 .o圖5-5 開關(guān)電源濾波器的結(jié)構(gòu).oL1和L2為共模扼流圈， 共模扼流圈是在一個(gè)磁環(huán)(閉磁路)的上下兩個(gè)

38、半環(huán)上，分別繞制相同匝數(shù)但繞向相反的線圈。兩個(gè)線圈的磁通方向一致，當(dāng)有共模電流通過時(shí)，由于兩個(gè)線圈的磁通方向相同，兩個(gè)線圈上產(chǎn)生的磁場就會(huì)互相加強(qiáng)，耦合后總電感迅速增大呈現(xiàn)很大的感抗，使共模信號(hào)不易通過，從而有效地衰減共模噪聲，而對于工頻5060Hz交流電源輸入電流，兩個(gè)線圈所產(chǎn)生的磁場可互相抵消，線圈電感幾乎為零。為了更好地抑制共模噪聲，共模扼流圈應(yīng)選用損耗低、磁導(dǎo)率高、高頻性能好的磁芯。共模扼流圈的電感值L與額定電流I有關(guān)，如表5-6所示。當(dāng)額定電流較大時(shí)，共模扼流圈的線徑也要相應(yīng)加大，以承受較大的電流。此外，適當(dāng)增加電感量，可以改善低頻衰減特性。.o表5-7 電感量范圍與額定電流的關(guān)系.

39、o濾波器加在開關(guān)穩(wěn)壓電源的工頻220V或110V的輸入端，允許400Hz以下的低頻信號(hào)通過，對于1kHz-20kHz之間的高頻信號(hào)具有40-100dB的衰減量。o為了減少高頻電流信號(hào)旁路，電感L應(yīng)具有小的分布電容，應(yīng)均勻地繞制在無氣隙的圓環(huán)骨架上；磁芯應(yīng)選用與頻率相一致的材料。有關(guān)磁芯材料使用頻率的極限如下：o疊片式鐵芯：約10kHz；o粉末狀坡莫合金鐵芯：1kHz-1MHz；o鐵氧體鐵芯：100kHz-150kHz。o在實(shí)際應(yīng)用中，為了使加工工藝簡便，共模電感不采用圓環(huán)狀，而常采用C型材料的鐵芯來加工。濾波器中的電容也應(yīng)采用高頻特性較好的陶瓷電容或聚酯薄膜電容，電容的連接引線應(yīng)盡量短，以便減

40、小引線高頻分布電感。5.2.3復(fù)雜電磁干擾濾波器的設(shè)計(jì)o為了抑制差模干擾，也可以在兩根進(jìn)線端各自串聯(lián)一個(gè)獨(dú)立磁芯線圈L1和L2，如圖5-6所示，差模電感線圈L1、L2與差模電容器C1構(gòu)成交流進(jìn)線獨(dú)立端口間的一個(gè)低通濾波器，用來抑制交流進(jìn)線上的差模干擾噪聲，防止電源設(shè)備受其干擾。差模電感線圈由棒狀鐵氧體磁心繞線構(gòu)成，一般選用鐵鎳鉬MPP、鐵鎳HF或鐵硅鋁SUPER MSS磁粉芯，電感量在10600uF之間選取。當(dāng)外部產(chǎn)生泄漏磁通時(shí)，電感器本身自諧振的Q值增加，容易產(chǎn)生諧振，對某一頻率有高值阻抗，其他頻率時(shí)阻抗則迅速下降。電容C1是差模噪聲濾波電容，取值范圍在0.0471uF之間取。.o圖5-6

41、復(fù)雜電磁干擾濾波器的結(jié)構(gòu).o在有些場合，為了得到十分理想的濾波效果，可以使用23級組合的LC濾波器，但會(huì)增加成本。圖5-7是一種兩級復(fù)合式電源噪聲濾波器，由兩級噪聲濾波器組成，因此濾除噪聲效果更好。o圖5-7 兩級復(fù)合式電源噪聲濾波器.o5.3開關(guān)電源輸入整流電路的設(shè)計(jì)o將電網(wǎng)輸入電源進(jìn)行整流濾波，為變換器提供紋波較小的直流電壓。而且，當(dāng)電網(wǎng)瞬時(shí)停電時(shí)，濾波電容器貯存的能量尚能使開關(guān)電源輸出維持一定的時(shí)間。 .o5.3.1輸入整流管的選擇o整流二極管（rectifier diode）是一種用于將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿陌雽?dǎo)體器件，通常它包含一個(gè)PN結(jié)，有陽極和陰極兩個(gè)端子。P區(qū)的載流子是空穴，

42、N區(qū)的載流子是電子，在P區(qū)和N區(qū)間形成一定的位壘。外加使P區(qū)相對N區(qū)為正的電壓時(shí)，位壘降低，位壘兩側(cè)附近產(chǎn)生儲(chǔ)存載流子，能通過大電流，具有低的電壓降（典型值為0.7V），稱為正向?qū)顟B(tài)。若加相反的電壓，使位壘增加，可承受高的反向電壓，流過很小的反向電流（稱反向漏電流），稱為反向阻斷狀態(tài)。整流二極管具有明顯的單向?qū)щ娦浴Ｕ鞫O管可用半導(dǎo)體鍺或硅等材料制造。硅整流二極管的擊穿電壓高，反向漏電流小，高溫性能良好。通常高壓大功率整流二極管都用高純單晶硅制造(摻雜較多時(shí)容易反向擊穿）。這種器件的結(jié)面積較大，能通過較大電流（可達(dá)上千安），但工作頻率不高，一般在幾十千赫以下。.o整流二極管的主要技術(shù)參數(shù)

43、包括最大整流電流、最大反向工作電流、截止頻率及反向恢復(fù)時(shí)間等。o最大平均整流電流IF：指二極管長期工作時(shí)允許通過的最大正向平均電流。該電流由PN結(jié)的結(jié)面積和散熱條件決定。工作時(shí)，通過二極管的平均電流不能大于此值，并要滿足散熱條件，否則導(dǎo)致二極管過熱而損壞。例如1N4000系列二極管的IF為1A。o最高反向工作電壓UR：指二極管不擊穿所允許加的最大反向電壓。超過此值，則反向電流IR劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐模瑥亩鸱聪驌舸?。UR通常取反向擊穿電壓的1/21/3。例如1N4001的UR為50V，1N4002-1N4006分別為100V、200V、400V、600V和800V，1N4007的U

44、R為1000V。o最大反向電流IR：IR是二極管在常溫下承受最高反向工作電壓時(shí)的反向漏電流，一般很小，但其受溫度影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，IR顯著增大。此參數(shù)反映了二極管單向?qū)щ娦阅艿暮脡?。o擊穿電壓VB：VB指二極管反向伏安特性曲線急劇彎曲點(diǎn)的電壓值。o最高工作頻率fm：fm是指保持二極管單向?qū)ㄐ阅軙r(shí)，外加電壓允許的最高頻率。二極管工作頻率與PN結(jié)的極間電容大小有關(guān)，容量越小，工作頻率越高。例如1N4000系列二極管的fm為3kHz。.o如圖5-8所示，開關(guān)穩(wěn)壓電源中輸入部分的工頻整流電路即為一次整流，由四個(gè)整流二極管接成全橋的形式，把220V、50Hz的工頻電壓或其它的交流輸入電壓直接引入

45、，進(jìn)行全波整流，然后送給下一級濾波器變成直流電壓輸出，給直流變換器提供直流電源。o圖5-8 開關(guān)電源一次整流電路.o在選擇組合元件或分立元件的整流器時(shí)，必須要查對下面一些重要參數(shù)：o（1）最大正向整流電流。這個(gè)參數(shù)主要根據(jù)開關(guān)電源設(shè)計(jì)的輸出功率決定。最大輸入電流確定最大輸出整流電流Io，所選擇的整流二極管的穩(wěn)態(tài)電流容量至少應(yīng)是最大輸入電流計(jì)算值的2倍以上。考慮到大功率輸出時(shí)，整流二極管的導(dǎo)通電流增大，引起二極管發(fā)熱，所以應(yīng)盡量提高電源的轉(zhuǎn)換效率，可以降低內(nèi)部功耗。例如，大功率輸出電源整流二極管導(dǎo)通電流為5A，正向壓降為0.7V，此時(shí)整流管的功耗可達(dá)3.5W。在選擇整流二極管時(shí)，除了正向壓降小，

46、整流二極管的正向?qū)娏饕粲袃杀兜脑Ａ浚鶕?jù)所設(shè)計(jì)的開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率要求，一次整流電路中的整流二極管的導(dǎo)通電流ID計(jì)算公式如下：o (5-1)22 2 02oDPI.o（2）峰值反向截止電壓。工頻整流和濾波后的直流電源電壓，一般直接連接儲(chǔ)能電感線圈或者是開關(guān)變壓器的初級繞組線圈，都是感性負(fù)載。考慮到感性負(fù)載瞬間產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢的影響，在確定整流二極管的反向峰值電壓時(shí)，一般選取整流二極管的反向峰值電壓是計(jì)算值的2倍是比較安全的。o（3）要有能承受高的浪涌電流的能力。浪涌電流是由開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的峰值電流所產(chǎn)生的。o輸入整流管對截止頻率的反向恢復(fù)時(shí)間要求不高，只要根據(jù)電路的要求選擇最

47、大整流電流和最大反向工作電流符合要求的整流二極管即可。通常選用一般類型的整流二極管，例如1N系列、2CZ系列、RLR系列等，輸入在1A 以下的通常選用1N4007。.o5.3.2輸入整流橋的選擇o輸入整流的作用是對來自電網(wǎng)的50Hz工頻交流電源實(shí)現(xiàn)整流，通常采用全波橋式整流，由四只硅整流管連成整流橋，也可直接選用塑封的成品硅整流橋，具有體積小、使用方便、各整流管的參數(shù)一致性好等優(yōu)點(diǎn)。硅整流器的最大整流平均值有0.5A、1A、1.5A、2A、3A、4A、6A、8A、10A、15A、25A、35A、40A等規(guī)格，最高反向工作電壓有50V、100V、200V、400V、800V、1000V等規(guī)格。小

48、功率硅整流器可直接焊在印刷板上，大、中功率硅整流器則要用鉚釘固定，并且需要安裝合適的散熱器。.o5.3.3倍壓整流及交流輸入電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)o1. 倍壓整流倍壓整流o倍壓整流電路的實(shí)質(zhì)是電荷泵。最初由于核技術(shù)發(fā)展需要更高的電壓來模擬人工核反應(yīng)，于是在1932年由COCCROFT和WALTON提出了高壓倍壓電路，通常稱為C-W倍壓整流電路。倍壓整流電路有多種結(jié)構(gòu)，各有優(yōu)缺點(diǎn)。采用倍壓整流電路，可實(shí)現(xiàn)利用低電壓的交流電源和低耐壓的整流二極管獲得高于輸入電壓許多倍的直流輸出電壓。o（1）二倍壓整流電路o采用兩個(gè)整流二極管和兩只電容組成的二倍壓整流電路如圖5-9所示。假定電容器的容量足夠大，負(fù)載電阻

49、的阻值也很大。在交流電的正半周，即上正下負(fù)時(shí)，VD1導(dǎo)通，電流流經(jīng)VD1對C1充電，C1兩端電壓達(dá)到，并基本保持不變；在負(fù)半周，即下正上負(fù)時(shí)，VD2導(dǎo)通，電流流經(jīng)VD2對C2充電，C2兩端電壓達(dá)到，兩電壓大小相同，串聯(lián)后AB間輸出的直流電壓為。在空載的情況下，。.o每只二極管所承受的最大反向電壓為，電容器C1、C2上所承受的電壓為。 .o另一種半波二倍壓整流電路如圖5-10所示，由兩個(gè)整流二極管VD1、VD2及兩個(gè)電容器C1、C2組成，假定電容器的容量和負(fù)載阻值足夠大.o在交流電壓為正半周期間（上正下負(fù)），二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止，電流經(jīng)過VD1并向電容C1充電，電容C1上的電壓接近Ui的

50、峰值電壓(極性左正右負(fù)) ，并基本保持不變。同樣，在交流電壓的負(fù)半周（下正上負(fù)）期間，二極管VD2導(dǎo)通，VD1截止，電流經(jīng)過VD2對電容器C2充電，充電電壓是交流電源峰值電壓和電容C1兩端電壓之和，即，C2兩端電壓被充到接近，極性上負(fù)下正。o倍壓整流電路中每個(gè)二極管所承受的最大反向電壓為 ，電容C1所承受的電壓為 ， 電容C2所承受的電壓為 。2 2iU2 2iU2iU.o2. 多倍壓整流電路多倍壓整流電路o根據(jù)二倍壓整流電路的工作原理，依此類推，用n個(gè)整流二極管和n個(gè)電容器組合就可以實(shí)現(xiàn)n倍壓整流，如圖5-11所示。o圖5-11多倍壓整流電路.o在交流電壓的正半周時(shí)，極性上正下負(fù)，電流通過V

51、Dl對電容器C1充電，電容C1上的電壓接近Ui的峰值電壓(極性左負(fù)右正) ，在交流電壓的負(fù)半周時(shí)，極性上負(fù)下正，這時(shí)交流電源峰值電壓和電容C1兩端電壓迭加后，通過VD2對電容器C2充電，C2兩端電壓為。在交流電壓的下一個(gè)正半周期時(shí)，極性再次上正下負(fù)，這時(shí)交流電源和電容C1、電容C2兩端電壓迭加后，通過VD3對電容器C3充電。因?yàn)殡娙軨1和電容C2上電壓極性相反，C3兩端充得的電壓為。這時(shí)電容C1和電容C3上的電壓之和為。實(shí)際上電容C1和電容C3同時(shí)充電，在開始的幾個(gè)周期內(nèi)，電容器上的電壓并不能充到很高，經(jīng)過幾個(gè)周期后，電容器上的電壓才漸漸穩(wěn)定在最高值，得到的直流輸出電壓。.o依此類推，n個(gè)整流

52、二極管和n個(gè)電容器可以實(shí)現(xiàn)n倍壓整流。從圖中a、c兩端輸出電壓，其中n為偶數(shù)，從b、d兩端輸出電壓，其中n為奇數(shù)。o其中，除了電容器C1所承受的電壓為，其余電容器上所承受的電壓均為，每個(gè)整流二極管承受的最大反向電壓為。o倍壓整流電路雖然可以提高直流輸出電壓的幅度，但增加了總的損耗功率，因而輸出電流將隨n的增加而減小。所以，倍壓整流只適用于高電壓、小電流的場合。o整流二極管可用高壓硅整流堆，其系列型號(hào)為2DL，如2DL20.2，表示最高反向電壓為2千伏，整流電流平均值為200毫安。電容器容量比較小，不用電解電容器，其耐壓值要大于1.5倍的才安全可靠。3.各種倍壓整流電路分析各種倍壓整流電路分析o

53、常見電路如圖5-12所示：o(a) (b) o 圖5-12 各種被壓整流電路原理圖o (c).o這三個(gè)電路都是6倍壓整流電路，各有特點(diǎn)。我們通常稱每2倍為一階，用N表示，上述電路都是3階，即N=3。如果希望輸出電壓極性不同，只要將所有的二極管反向就可以了。o電路1的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)電容上的電壓不會(huì)超過變壓器次級峰值電壓U的兩倍，即2U，所以可以選用耐壓較低的二極管。缺點(diǎn)是電容是串聯(lián)放電，紋波大。o電路2的優(yōu)點(diǎn)是紋波小，缺點(diǎn)是對電容的耐壓要求高，隨著N的增大，電容的電壓應(yīng)力隨之增加。圖中最后一個(gè)電容的電壓達(dá)到了6U。o電路3是電路1的改進(jìn)，優(yōu)點(diǎn)是紋波比電路1小很多，電容電壓應(yīng)力不超過2U。缺點(diǎn)是電路復(fù)

54、雜。o下面以電路圖5-12(a)為例簡單說明工作原理：.o圖5-13 電路工作原理圖1o如圖5-13，當(dāng)變壓器次級輸出為上正下負(fù)時(shí)，電流流向如圖所示。變壓器向上臂三個(gè)電容充電儲(chǔ)能。.o如圖5-13，當(dāng)變壓器次級輸出為上正下負(fù)時(shí)，電流流向如圖所示。變壓器向上臂三個(gè)電容充電儲(chǔ)能。o圖5-14 電路工作原理圖2.o當(dāng)變壓器次級輸出為上負(fù)下正時(shí)，電流流向如圖5-14所示。上臂電容通過變壓器次級向下臂充電。o如果不帶負(fù)載，穩(wěn)態(tài)時(shí)，除了最左邊的那個(gè)電容，其他每個(gè)電容上的電壓為2U，所以總的輸出電壓為6U。事實(shí)上，由于高階倍壓整流電路帶載能力很差，輸出很小的功率就會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的大幅度跌落。假設(shè)輸出電流為I

55、，每個(gè)電容的容量相同，為C，交流電源頻率為f，則電壓跌落為：o (5-2)o o輸出電壓紋波為： 324326IUNNNfC14NNIfC.o4. 110/220V交流輸入電壓轉(zhuǎn)換電路交流輸入電壓轉(zhuǎn)換電路o隔離式開關(guān)電源是直接對輸入的交流電壓進(jìn)行整流，而不需要低頻線性隔離變壓器。現(xiàn)代的電子設(shè)備生產(chǎn)廠家一般都要滿足國際市場的需求，所以他們所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源必須要適應(yīng)世界范圍的交流輸入電壓，通常是交流90130V和180260V的范圍。為了實(shí)現(xiàn)兩種輸入電源的轉(zhuǎn)換，要利用倍壓整流技術(shù)，如圖5-15所示。o在圖中，兩種輸入交流電壓的轉(zhuǎn)換由開關(guān)S1來完成，此外，本電路中的壓敏電阻RV和可控硅VS具有浪涌電

56、流抑制、瞬間輸入電壓保護(hù)的功能。o電路工作過程如下：當(dāng)開關(guān)S1閉合時(shí)，電路在115V交流輸入電壓下工作。在交流電的正半周，通過二極管VD1和電容器C1被充電到交流電壓的峰值。即115V1.4=160V，在交流電的負(fù)半周，電容器C2通過二極管VD4也被充電到160V。這樣，電路輸出的直流電壓應(yīng)該是電容器C1和C2上充電電壓之和，即160V+160V=320V。當(dāng)開關(guān)S1打開時(shí)，二極管VD1VD4組成了全橋式整流電路，對輸入的交流230V進(jìn)行整流，也同樣產(chǎn)生320V的直流電壓。.o圖5-15 110/220V交流輸入電壓轉(zhuǎn)換電路.o5.4開關(guān)管的選擇o開關(guān)元件具有許多種類，例如雙極型晶體管BJT、

57、快速晶閘管SCR、可關(guān)斷晶閘管GTO、場效應(yīng)晶體管MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管IGBT等。其中，經(jīng)常使用的是場效應(yīng)晶體管和IGBT，在小功率變換器上也延續(xù)使用雙極型晶體管。o選擇開關(guān)管時(shí)，根據(jù)變換器類型、功率和可靠性等性能，選擇開關(guān)管的耐壓值和導(dǎo)通電流等參數(shù)。o雙極晶體管工作截止頻率較低，一般在50Hz左右，MOSFET管的開關(guān)工作頻率可達(dá)到200kHz。.o5.4.1雙極型功率開關(guān)管o雙極型晶體管(BJT)本質(zhì)上是一種電流控制器件，即加入變動(dòng)的基極電流Ib，產(chǎn)生變動(dòng)的集電極電流Ic。共射極電流放大倍數(shù)為即通過向晶體管的基極注入一個(gè)較小的電流，在晶體管的集電極得到一個(gè)較大的電流，集電極電流

58、的大小，取決于晶體管的放大倍數(shù)，稱為值。o (5-4)cbII.o5.4.2 MOSFET功率開關(guān)管oMOSFET是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，而雙極型晶體管是利用少數(shù)載流子導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件。與雙極型晶體管相比，MOSFET開關(guān)速度快，工作頻率超過100kHz，可以達(dá)到100kHz到200kHz，高頻率的開關(guān)電源在設(shè)計(jì)上體積更小，重量更輕，適應(yīng)開關(guān)電源小型化、高效率化和高可靠性的發(fā)展要求。o功率MOSFET又叫功率場效應(yīng)管或者功率場控晶體管，分為 N 溝道、P 溝道兩種符號(hào)，如圖5-16所示，電極分別為柵極G、漏極D、源極S。.o圖5-16 MOSFET的符號(hào)o一般使用的功率MOSFET多

59、數(shù)是N溝道增強(qiáng)型，與一般小功率MOS管的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)不同，功率MOSFET采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，從而提高了耐壓、電流能力，因此又叫VMOSFET。.oMOSFET管是電壓控制型器件， 在MOSFET管的G極和S極間加一個(gè)受控的電壓，在D極獲得較大的電流。因?yàn)镸OSFET的柵極與源極在電氣上是靠硅氧化層相互隔離的，輸入絕緣電阻大，約1 萬兆歐以上，柵極電流基本為零。漏電流小，因此MOSFET具有極高的增益和阻抗。驅(qū)動(dòng)功率小，速度高，安全工作區(qū)寬。但高壓時(shí)，導(dǎo)通電阻與電壓的平方成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難，通常應(yīng)用在低壓 100V 以下的場合。oMOSFET動(dòng)作快，頻率高，不存在二次擊穿。在

60、有限管子直接并聯(lián)時(shí)，由于具有正溫度系數(shù)，可以自動(dòng)均衡電流不會(huì)產(chǎn)生過熱點(diǎn)，熱穩(wěn)定性好。.o5.4.3絕緣柵雙極晶體管(IGBT)結(jié)構(gòu)與工作原理o絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱IGBT) 集 MOSFET 與 GTR 的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好、通態(tài)電壓低、耐壓高、電流大等優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代大功率晶體管和一些MOSFET的應(yīng)用領(lǐng)域，成為現(xiàn)代功率電子器件的主流。oIGBT結(jié)構(gòu)上與MOSFET類似，柵極、集電極與MOSFET相同，增加了P+層，引出作為發(fā)射極。PNP晶體管與N溝道MOSFET結(jié)合組成的IGBT為N-IGB