開關(guān)電源原理、設(shè)計(jì)及實(shí)例第1章緒論

1、本章首先對(duì)電源、開關(guān)電源概念作了簡單介紹，同時(shí)給出了開關(guān)電本章首先對(duì)電源、開關(guān)電源概念作了簡單介紹，同時(shí)給出了開關(guān)電源發(fā)展歷程以及目前開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展方向與最新技術(shù)。其次重點(diǎn)闡源發(fā)展歷程以及目前開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展方向與最新技術(shù)。其次重點(diǎn)闡述了線性電源與開關(guān)電源及其區(qū)別，包括線性電源結(jié)構(gòu)原理、開關(guān)電述了線性電源與開關(guān)電源及其區(qū)別，包括線性電源結(jié)構(gòu)原理、開關(guān)電源結(jié)構(gòu)和原理，對(duì)基準(zhǔn)電壓源、簡單分立元件組成的穩(wěn)壓電路和集成源結(jié)構(gòu)和原理，對(duì)基準(zhǔn)電壓源、簡單分立元件組成的穩(wěn)壓電路和集成穩(wěn)壓電源原理均作了詳細(xì)說明。最后給出開關(guān)電源的主要技術(shù)指標(biāo)和穩(wěn)壓電源原理均作了詳細(xì)說明。最后給出開關(guān)電源的主要技術(shù)指標(biāo)和應(yīng)該

2、掌握的技術(shù)術(shù)語，為更好的進(jìn)行開關(guān)電源設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本應(yīng)該掌握的技術(shù)術(shù)語，為更好的進(jìn)行開關(guān)電源設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本章要求了解開關(guān)電源概念及相關(guān)知識(shí)，重點(diǎn)掌握線性電源和開關(guān)電源章要求了解開關(guān)電源概念及相關(guān)知識(shí)，重點(diǎn)掌握線性電源和開關(guān)電源原理及其區(qū)別。原理及其區(qū)別。電源有交流電源和直流電源兩種。由交流發(fā)電機(jī)提供的是交流電源，直流電源有交流電源和直流電源兩種。由交流發(fā)電機(jī)提供的是交流電源，直流電源一般由電池或蓄電池供電的。由于直流電源成本較高，交流電源成本低，電源一般由電池或蓄電池供電的。由于直流電源成本較高，交流電源成本低，所以多數(shù)大功率設(shè)備采用交流電源供電。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的所以多

3、數(shù)大功率設(shè)備采用交流電源供電。開關(guān)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(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。開關(guān)電源高頻化低輸出電力端移動(dòng)，這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方

4、向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(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(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(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。具有重要的意義。1.1.1 1.1.1 開關(guān)電源的發(fā)展歷史開關(guān)電源的發(fā)展歷史 開關(guān)穩(wěn)壓電源開關(guān)穩(wěn)壓電源( (以下簡稱開關(guān)電源以下簡稱開關(guān)電源) )取代晶體管線性穩(wěn)壓電源取代晶體管線性穩(wěn)壓電源( (以下

5、簡稱以下簡稱線性電源線性電源) )已有已有3030多年歷史，最早出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關(guān)電源，其主電路拓?fù)涠嗄隁v史，最早出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關(guān)電源，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，但功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)后，脈寬調(diào)制與線性電源相仿，但功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)后，脈寬調(diào)制(PWM)(PWM)控制技控制技術(shù)有了發(fā)展，用以控制開關(guān)變換器，得到術(shù)有了發(fā)展，用以控制開關(guān)變換器，得到PWMPWM開關(guān)電源，它的特點(diǎn)是用開關(guān)電源，它的特點(diǎn)是用20kHz20kHz脈沖頻率或脈沖寬度調(diào)制，脈沖頻率或脈沖寬度調(diào)制，PWMPWM開關(guān)電源效率可達(dá)開關(guān)電源效率可達(dá) 65 657070，而線性，而線性電源的效率只有電源的效率只有303

6、04040。在發(fā)生世界性能源危機(jī)的年代，引起了人們的。在發(fā)生世界性能源危機(jī)的年代，引起了人們的廣泛關(guān)往。線性電源工作于工頻，因此用工作頻率為廣泛關(guān)往。線性電源工作于工頻，因此用工作頻率為20kHZ20kHZ的的PWMPWM開關(guān)電源開關(guān)電源替代，可大幅度節(jié)約能源，在電源技術(shù)發(fā)展史上譽(yù)為替代，可大幅度節(jié)約能源，在電源技術(shù)發(fā)展史上譽(yù)為20kHZ20kHZ革命。革命。 隨著隨著ULSIULSI芯片尺寸不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；航天，潛芯片尺寸不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；航天，潛艇，軍用開關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備艇，軍用開關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備( (如

7、手提計(jì)算機(jī)，移動(dòng)電話如手提計(jì)算機(jī)，移動(dòng)電話等等) )更需要小型化，輕量化的電源。因此對(duì)開關(guān)電源提出了小型輕量要求，更需要小型化，輕量化的電源。因此對(duì)開關(guān)電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量要小。此外要求開關(guān)電源效率要更高，性包括磁性元件和電容的體積重量要小。此外要求開關(guān)電源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。能更好，可靠性更高等。表表1-1 1-1 開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域圖圖1-1 1-1 幾種開關(guān)電源實(shí)物圖幾種開關(guān)電源實(shí)物圖1.1.21.1.2開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展方向開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展方向1.1.小型、薄型、輕量化小型、薄型、輕量化2.2.高效率高效率3.3.高可靠性高可

8、靠性4.4.模塊化模塊化5.5.低噪聲低噪聲6.6.電源系統(tǒng)的管理和控制電源系統(tǒng)的管理和控制7.7.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)(CAD) 1.2.11.2.1線性穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓電源1.1.線性穩(wěn)壓電源原理線性穩(wěn)壓電源原理 線性穩(wěn)壓電源通常包括：調(diào)整管、比較放大部分線性穩(wěn)壓電源通常包括：調(diào)整管、比較放大部分(誤差放大器誤差放大器)、反饋、反饋采樣部分以及基準(zhǔn)電壓部分，它的典型原理框圖如圖采樣部分以及基準(zhǔn)電壓部分，它的典型原理框圖如圖1-2 2所示。調(diào)整管與負(fù)所示。調(diào)整管與負(fù)載串聯(lián)分壓，因此只要將它們之間的分壓比隨時(shí)調(diào)節(jié)到適當(dāng)值，就能保證載串聯(lián)分壓，因此只要將它們之間的分壓比隨時(shí)調(diào)節(jié)

9、到適當(dāng)值，就能保證輸出電壓不變。輸出電壓不變。 這個(gè)調(diào)節(jié)過程是通過一個(gè)反饋控制過程來實(shí)現(xiàn)的。反饋采樣部分監(jiān)測這個(gè)調(diào)節(jié)過程是通過一個(gè)反饋控制過程來實(shí)現(xiàn)的。反饋采樣部分監(jiān)測輸出電壓，然后通過比較放大器與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較判斷：輸出電壓是偏輸出電壓，然后通過比較放大器與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較判斷：輸出電壓是偏高了還是偏低了，偏差多少？再把這個(gè)偏差量放大去控制調(diào)整管，如果輸高了還是偏低了，偏差多少？再把這個(gè)偏差量放大去控制調(diào)整管，如果輸出電壓偏高，則將調(diào)整管上的壓降調(diào)高，使負(fù)載的分壓減??；如果輸出電出電壓偏高，則將調(diào)整管上的壓降調(diào)高，使負(fù)載的分壓減?。蝗绻敵鲭妷浩?，則將調(diào)整管上的壓降調(diào)低，使負(fù)載的分壓增大

10、，從而實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓偏低，則將調(diào)整管上的壓降調(diào)低，使負(fù)載的分壓增大，從而實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。壓。圖圖1-2 1-2 線性串聯(lián)穩(wěn)壓電源原理框圖線性串聯(lián)穩(wěn)壓電源原理框圖線性穩(wěn)壓電源的線路簡單、干擾小，對(duì)輸入電壓和負(fù)載變化的響應(yīng)非線性穩(wěn)壓電源的線路簡單、干擾小，對(duì)輸入電壓和負(fù)載變化的響應(yīng)非?？欤€(wěn)壓性能非常好。但是，線性穩(wěn)壓電源功率調(diào)整管始終工作在線性?？?，穩(wěn)壓性能非常好。但是，線性穩(wěn)壓電源功率調(diào)整管始終工作在線性放大區(qū)，調(diào)整管上功率損耗很大，導(dǎo)致線性穩(wěn)壓電源效率較低，只有放大區(qū)，調(diào)整管上功率損耗很大，導(dǎo)致線性穩(wěn)壓電源效率較低，只有20%40%，發(fā)熱損耗嚴(yán)重，所需的散熱器體積大，重量重，因而功率體，發(fā)熱損耗

11、嚴(yán)重，所需的散熱器體積大，重量重，因而功率體積系數(shù)只有積系數(shù)只有2030W/dm3；另外線性電源對(duì)電網(wǎng)電壓大范圍變化的適應(yīng)性；另外線性電源對(duì)電網(wǎng)電壓大范圍變化的適應(yīng)性較差，輸出電壓保持時(shí)間僅有較差，輸出電壓保持時(shí)間僅有5ms。因此線性電源主要用在小功率、對(duì)穩(wěn)。因此線性電源主要用在小功率、對(duì)穩(wěn)壓精度要求很高的場合，如：一些為通信設(shè)備內(nèi)部的集成電路供電的輔助壓精度要求很高的場合，如：一些為通信設(shè)備內(nèi)部的集成電路供電的輔助電源等。電源等。圖圖1-3 1-3 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)圖串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)圖2 2基準(zhǔn)電壓源基準(zhǔn)電壓源 基準(zhǔn)電壓源一般可以用穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓源來承擔(dān)，但目前有很多基準(zhǔn)電壓源

12、一般可以用穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓源來承擔(dān)，但目前有很多基準(zhǔn)電壓集成電路，這些電路穩(wěn)壓性能非常好，被廣泛用作高性能穩(wěn)壓基準(zhǔn)電壓集成電路，這些電路穩(wěn)壓性能非常好，被廣泛用作高性能穩(wěn)壓電源的基準(zhǔn)電源，或電源的基準(zhǔn)電源，或A/D和和D/A轉(zhuǎn)換器的參考電源。常用的型號(hào)是轉(zhuǎn)換器的參考電源。常用的型號(hào)是MC1403、MC1503和和TL431。 TL431是一個(gè)性能優(yōu)良的基準(zhǔn)電壓集成電路。該器件主要應(yīng)用于穩(wěn)壓、是一個(gè)性能優(yōu)良的基準(zhǔn)電壓集成電路。該器件主要應(yīng)用于穩(wěn)壓、儀器儀表、可調(diào)電源和開關(guān)電源中，是穩(wěn)壓二極管的良好替代品，其主儀器儀表、可調(diào)電源和開關(guān)電源中，是穩(wěn)壓二極管的良好替代品，其主要特點(diǎn)是：可調(diào)輸出電壓要特

13、點(diǎn)是：可調(diào)輸出電壓2.536V，典型輸出阻抗，典型輸出阻抗0.2，吸收電流，吸收電流1100mA，溫度系數(shù)，溫度系數(shù)30ppm/，多種封裝形式。，多種封裝形式。 該器件的圖形符號(hào)見圖該器件的圖形符號(hào)見圖1-4a。圖。圖1-4b是使用是使用TL431的穩(wěn)壓電路。最大的穩(wěn)壓電路。最大穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流2A，輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍為，輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍為2.524V。在圖中發(fā)光二極管作為穩(wěn)。在圖中發(fā)光二極管作為穩(wěn)壓管使用，使壓管使用，使T2 2的發(fā)射結(jié)恒定，從而使電流的發(fā)射結(jié)恒定，從而使電流I1 1恒定，保證當(dāng)輸入電壓變化恒定，保證當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，時(shí)，TL431不會(huì)因電流過大而損壞。當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，不

14、會(huì)因電流過大而損壞。當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，TL431的參考電的參考電壓壓VREF隨之變化，當(dāng)輸出電壓上升時(shí)，隨之變化，當(dāng)輸出電壓上升時(shí)，TL431的陰極電壓隨的陰極電壓隨VREF上升而上升而下降，輸出電壓隨之下降。下降，輸出電壓隨之下降。圖圖1-4 基準(zhǔn)集成電路基準(zhǔn)集成電路TL431及其應(yīng)用電路及其應(yīng)用電路3 3簡單分立元件組成的穩(wěn)壓電路簡單分立元件組成的穩(wěn)壓電路 分立元件組成的穩(wěn)壓電源電路如圖分立元件組成的穩(wěn)壓電源電路如圖1-5所示，該電路就是典所示，該電路就是典型的串聯(lián)穩(wěn)壓電源，其中變壓器用于將型的串聯(lián)穩(wěn)壓電源，其中變壓器用于將220V市電降成需要的電市電降成需要的電壓后，進(jìn)行橋式整流和濾波，

15、將交流電變成直流電并濾去紋波，壓后，進(jìn)行橋式整流和濾波，將交流電變成直流電并濾去紋波，經(jīng)過簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓電路，輸出端得到穩(wěn)定的直流電壓。經(jīng)過簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓電路，輸出端得到穩(wěn)定的直流電壓。圖圖1-5 簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓電源簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓電源1.2.2 1.2.2 集成穩(wěn)壓電源集成穩(wěn)壓電源 三端集成穩(wěn)壓電路的外部只有三個(gè)端子：輸入、輸出和公共端。在三端穩(wěn)三端集成穩(wěn)壓電路的外部只有三個(gè)端子：輸入、輸出和公共端。在三端穩(wěn)壓電源芯片內(nèi)有過流、過熱及短路保護(hù)電路。該種芯片具有使用安全可靠，接壓電源芯片內(nèi)有過流、過熱及短路保護(hù)電路。該種芯片具有使用安全可靠，接線簡單，維護(hù)方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前正被廣泛采用。

16、線簡單，維護(hù)方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前正被廣泛采用。1 1 三端固定集成穩(wěn)壓電路三端固定集成穩(wěn)壓電路 三端固定集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓是固定的，常用的是三端固定集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓是固定的，常用的是CW7800/CW7900/CW7900系系列。列。W7800系列輸出正電壓，其輸出電壓有系列輸出正電壓，其輸出電壓有5、6、7、8、9、10、12、15、18、20和和24V共共11個(gè)檔次。該系列的輸出電流分個(gè)檔次。該系列的輸出電流分5檔，檔，7800系列是系列是1.5A，78M00是是0.5A，78 L00和是和是0.1 A，78T00是是3A，78H00是是5A。 W7900系列與系列與W78

17、00系列系列所不同的是輸出電壓為負(fù)值。所不同的是輸出電壓為負(fù)值。 三端穩(wěn)壓器的工作原理與前述串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電源的工作原理基本相同，三端穩(wěn)壓器的工作原理與前述串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電源的工作原理基本相同，由采樣、基準(zhǔn)、放大和調(diào)整等單元組成。集成穩(wěn)壓器只有三個(gè)引出端子：由采樣、基準(zhǔn)、放大和調(diào)整等單元組成。集成穩(wěn)壓器只有三個(gè)引出端子： 輸入、輸入、輸出和公共端。輸入端接整流濾波電路，輸出端接負(fù)載；公共端接輸入、輸出輸出和公共端。輸入端接整流濾波電路，輸出端接負(fù)載；公共端接輸入、輸出的公共連接點(diǎn)。為使它工作穩(wěn)定，在輸入和輸出端與公共端之間并接一個(gè)電容。的公共連接點(diǎn)。為使它工作穩(wěn)定，在輸入和輸出端與公共端之間并

18、接一個(gè)電容。使用三端穩(wěn)壓器時(shí)注意一定要加散熱器，否則是不能工作到額定電流。使用三端穩(wěn)壓器時(shí)注意一定要加散熱器，否則是不能工作到額定電流。圖圖1-6三端穩(wěn)壓電路的典型應(yīng)用電路三端穩(wěn)壓電路的典型應(yīng)用電路VV+_+_ioCC12.IN(TAB)2OUT 3LM7905VV+_+_ioCC12.1IN1OUT3LM780521.2.31.2.3開關(guān)型穩(wěn)壓電源原理開關(guān)型穩(wěn)壓電源原理 線性穩(wěn)壓電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)非?？欤€(wěn)壓性能好，只可惜功率轉(zhuǎn)換效線性穩(wěn)壓電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)非?？欤€(wěn)壓性能好，只可惜功率轉(zhuǎn)換效率太低。要提高效率，就必須使圖率太低。要提高效率，就必須使圖1-2中的功率調(diào)整器件處于開關(guān)工作狀中的功率調(diào)整

19、器件處于開關(guān)工作狀態(tài)，電路相應(yīng)地稍加變化即成為開關(guān)型穩(wěn)壓電源。轉(zhuǎn)變后的原理框圖如圖態(tài)，電路相應(yīng)地稍加變化即成為開關(guān)型穩(wěn)壓電源。轉(zhuǎn)變后的原理框圖如圖1-8所示。調(diào)整管作為開關(guān)而言，導(dǎo)通時(shí)所示。調(diào)整管作為開關(guān)而言，導(dǎo)通時(shí)(壓降小壓降小)幾乎不消耗能量，關(guān)斷時(shí)幾乎不消耗能量，關(guān)斷時(shí)漏電流很小，也幾乎不消耗能量，從而大大提高了轉(zhuǎn)換效率，其功率轉(zhuǎn)換漏電流很小，也幾乎不消耗能量，從而大大提高了轉(zhuǎn)換效率，其功率轉(zhuǎn)換效率可達(dá)效率可達(dá)80%以上。以上。圖圖1-8 1-8 降壓型開關(guān)電源原理圖降壓型開關(guān)電源原理圖 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率開關(guān)晶體管、快恢復(fù)二極管及其隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率開關(guān)晶體管、

20、快恢復(fù)二極管及其它元器件的電壓得到很大的提高，這為取消穩(wěn)壓電源中的工頻變壓器，發(fā)它元器件的電壓得到很大的提高，這為取消穩(wěn)壓電源中的工頻變壓器，發(fā)展高頻開關(guān)電源創(chuàng)造了條件。由于它不需要工頻變壓器，故稱無工頻變壓展高頻開關(guān)電源創(chuàng)造了條件。由于它不需要工頻變壓器，故稱無工頻變壓器開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源。它使電源在小型化、輕量化、高效率等方面又邁器開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源。它使電源在小型化、輕量化、高效率等方面又邁進(jìn)了一步。圖進(jìn)了一步。圖1-9是無工頻變壓器的開關(guān)電源的方框圖。而圖是無工頻變壓器的開關(guān)電源的方框圖。而圖1-10則是從則是從工作波形角度的開關(guān)電源原理框圖。工作波形角度的開關(guān)電源原理框圖。圖圖1-9

21、1-9無工頻變壓器的開關(guān)電源的方框圖無工頻變壓器的開關(guān)電源的方框圖 這類電源的共同特點(diǎn)是具有高頻變壓器、直流穩(wěn)壓是從變壓器次級(jí)繞這類電源的共同特點(diǎn)是具有高頻變壓器、直流穩(wěn)壓是從變壓器次級(jí)繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。變壓器原副邊是隔離的，或部分隔離的，組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。變壓器原副邊是隔離的，或部分隔離的，而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。 圖圖1-10 1-10 帶高頻變壓器耦合的開關(guān)電源原理框圖帶高頻變壓器耦合的開關(guān)電源原理框圖R1RPR2C1NE55584267351R3C3D1R4R5D2C3C4C5RLuCUiUo

22、uaub130059013u1uu12D3圖圖1-111-11 開關(guān)電源電路原理圖開關(guān)電源電路原理圖1.2.41.2.4線性穩(wěn)壓電源與開關(guān)型穩(wěn)壓電源比較線性穩(wěn)壓電源與開關(guān)型穩(wěn)壓電源比較 開關(guān)電源主要包括輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、逆變器、輸出整流開關(guān)電源主要包括輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、逆變器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路。它們的功能是：濾波器、控制電路、保護(hù)電路。它們的功能是： 1 1輸入電網(wǎng)濾波器：消除來自電網(wǎng)，如電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、電器的開關(guān)、雷擊等輸入電網(wǎng)濾波器：消除來自電網(wǎng)，如電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、電器的開關(guān)、雷擊等產(chǎn)生的干擾，同時(shí)也防止開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴(kuò)散。產(chǎn)生的干擾

23、，同時(shí)也防止開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴(kuò)散。 2 2輸入整流濾波器：將電網(wǎng)輸入電壓進(jìn)行整流濾波，為變換器提供直流電壓。輸入整流濾波器：將電網(wǎng)輸入電壓進(jìn)行整流濾波，為變換器提供直流電壓。 3 3逆變器：是開關(guān)電源的關(guān)鍵部分。它把直流電壓變換成高頻交流電壓，并逆變器：是開關(guān)電源的關(guān)鍵部分。它把直流電壓變換成高頻交流電壓，并且起到將輸出部分與輸入電網(wǎng)隔離的作用。且起到將輸出部分與輸入電網(wǎng)隔離的作用。 4 4輸出整流濾波器：將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的輸出整流濾波器：將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的直流電壓，同時(shí)還防止高頻噪聲對(duì)負(fù)載的干擾。直流電壓，同時(shí)還防止高頻噪聲對(duì)負(fù)

24、載的干擾。 5 5控制電路：檢測輸出直流電壓，并將其與基準(zhǔn)電壓比較，進(jìn)行放大?？刂齐娐罚簷z測輸出直流電壓，并將其與基準(zhǔn)電壓比較，進(jìn)行放大。調(diào)制振蕩器的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。調(diào)制振蕩器的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。 6 6保護(hù)電路：當(dāng)開關(guān)電源發(fā)生過電壓、過電流短路時(shí)，保護(hù)電路使開關(guān)保護(hù)電路：當(dāng)開關(guān)電源發(fā)生過電壓、過電流短路時(shí)，保護(hù)電路使開關(guān)電源停止工作以保護(hù)負(fù)載和電源本身。電源停止工作以保護(hù)負(fù)載和電源本身。線性電源一般是將輸出電壓取樣然后與參考電壓送入比較電壓放大器，此線性電源一般是將輸出電壓取樣然后與參考電壓送入比較電壓放大器，此電壓放大器的輸出作為電

25、壓調(diào)整管的輸入，用以控制調(diào)整管使其結(jié)電壓隨電壓放大器的輸出作為電壓調(diào)整管的輸入，用以控制調(diào)整管使其結(jié)電壓隨輸入的變化而變化，從而調(diào)整其輸出電壓。但開關(guān)電源是通過改變調(diào)整管輸入的變化而變化，從而調(diào)整其輸出電壓。但開關(guān)電源是通過改變調(diào)整管的開和關(guān)的時(shí)間即占空比來改變輸出電壓的。的開和關(guān)的時(shí)間即占空比來改變輸出電壓的。表表1-2 1-2 開關(guān)穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源的主要性能比較開關(guān)穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源的主要性能比較總之，開關(guān)穩(wěn)壓電源和線性穩(wěn)壓電源相比，功率轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)總之，開關(guān)穩(wěn)壓電源和線性穩(wěn)壓電源相比，功率轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)65%90%，發(fā)熱少，體積小、重量輕，功率體積系數(shù)可達(dá)，發(fā)熱少，體積小

26、、重量輕，功率體積系數(shù)可達(dá)60100W/dm3，對(duì)電網(wǎng)電壓大范圍變化具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，電壓、負(fù)載穩(wěn)定度高，輸出電對(duì)電網(wǎng)電壓大范圍變化具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，電壓、負(fù)載穩(wěn)定度高，輸出電壓保持時(shí)間長達(dá)壓保持時(shí)間長達(dá)20ms。但是線路復(fù)雜，電磁干擾和射頻干擾大。具體性能。但是線路復(fù)雜，電磁干擾和射頻干擾大。具體性能指標(biāo)對(duì)比如表指標(biāo)對(duì)比如表1-2 2所示。與線性穩(wěn)壓電源相比，開關(guān)電源不需要工頻變壓器，所示。與線性穩(wěn)壓電源相比，開關(guān)電源不需要工頻變壓器，工作頻率高，所需的濾波電容、電感小，因而體積小，重量輕，動(dòng)態(tài)響應(yīng)工作頻率高，所需的濾波電容、電感小，因而體積小，重量輕，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。開關(guān)電源的開關(guān)頻率都在

27、速度快。開關(guān)電源的開關(guān)頻率都在20kHz以上，超出人耳的聽覺范圍，沒以上，超出人耳的聽覺范圍，沒有令人心煩的噪聲。開關(guān)電源可以采用有效的功率因數(shù)較正技術(shù)，使功率有令人心煩的噪聲。開關(guān)電源可以采用有效的功率因數(shù)較正技術(shù)，使功率因數(shù)達(dá)因數(shù)達(dá)0.9以上，高的甚至達(dá)到以上，高的甚至達(dá)到0.99( (安圣的安圣的HD4850整流模塊整流模塊)。這些使得開。這些使得開關(guān)電源的性能幾乎全面超過相控電源，在通信電源領(lǐng)域已大量取代線性電關(guān)電源的性能幾乎全面超過相控電源，在通信電源領(lǐng)域已大量取代線性電源。源。1.2.51.2.5單片開關(guān)電源單片開關(guān)電源1. 1. 概述概述單片開關(guān)電源自單片開關(guān)電源自20世紀(jì)世紀(jì)9

28、0年代中期問世以來便顯示出強(qiáng)大的生命力，作為一年代中期問世以來便顯示出強(qiáng)大的生命力，作為一項(xiàng)頗具發(fā)展前景和影響力的新產(chǎn)品，引起了國內(nèi)外電源界的普遍關(guān)注。單片項(xiàng)頗具發(fā)展前景和影響力的新產(chǎn)品，引起了國內(nèi)外電源界的普遍關(guān)注。單片開關(guān)電源具有高集成度、高性價(jià)比、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)等特點(diǎn)，開關(guān)電源具有高集成度、高性價(jià)比、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)等特點(diǎn)，現(xiàn)己成為開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及開關(guān)電源模塊的優(yōu)選集現(xiàn)己成為開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及開關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路。目前，單片開關(guān)電源正朝著短、小、輕、薄、節(jié)能、安全的方向發(fā)成電路。目前，單片開關(guān)電源正朝著短、小、輕、薄、

29、節(jié)能、安全的方向發(fā)展，涌現(xiàn)出許多單片開關(guān)電源的新技術(shù)和新產(chǎn)品展，涌現(xiàn)出許多單片開關(guān)電源的新技術(shù)和新產(chǎn)品。2. 2. 單片開關(guān)電源的產(chǎn)品分類單片開關(guān)電源的產(chǎn)品分類目前生產(chǎn)的單片開關(guān)電源主要有：目前生產(chǎn)的單片開關(guān)電源主要有：TOPSwitch、TOPSwitch-共共80 余種型余種型號(hào)。其中，號(hào)。其中，TOPSwitch、TOPSwitch-、TinySwitch、TNY256 和和TOPSwitch-FX、TOPSwitch-GX系列，均為美國系列，均為美國PI公司產(chǎn)品；公司產(chǎn)品；MC33370 系系列是列是Motorola 公司產(chǎn)品；公司產(chǎn)品；L4960、L4970L4970A 系列為意系列

30、為意-法半導(dǎo)體有限法半導(dǎo)體有限公司（公司（SGS-Thomson）產(chǎn)品。根據(jù)引出端的數(shù)量，單片開關(guān)電源可劃分成）產(chǎn)品。根據(jù)引出端的數(shù)量，單片開關(guān)電源可劃分成三端、四端、五端、多端共三端、四端、五端、多端共4種。種。3. 3. 三端單片開關(guān)電源芯片的性能特點(diǎn)三端單片開關(guān)電源芯片的性能特點(diǎn)三端單片開關(guān)電源是目前國際上正在流行的新型開關(guān)電源芯片。專業(yè)從事電源半導(dǎo)體芯三端單片開關(guān)電源是目前國際上正在流行的新型開關(guān)電源芯片。專業(yè)從事電源半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的美國片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的美國Power Integration 公司在世界上率先研制成功的三端隔離式脈寬調(diào)公司在世界上率先研制成功的三端隔離式脈寬調(diào)制單片

31、開關(guān)電源集成電路，被譽(yù)為制單片開關(guān)電源集成電路，被譽(yù)為“頂級(jí)開關(guān)電源頂級(jí)開關(guān)電源”。4. 4. TOPSwitch-系列芯片的管腳排列和封裝系列芯片的管腳排列和封裝TOPSwitch-系列芯片有三種封裝形式：系列芯片有三種封裝形式：TO- -220型、型、DIP- -8型和型和SMD- -8型等。其中最型等。其中最常見的為三引腳的常見的為三引腳的TO- -220封裝，如圖封裝，如圖1-121-12所示。所示。控制極控制極C：占空比控制誤差放大器輸入端和反饋電流輸入腳。啟動(dòng)時(shí)由內(nèi)部高壓電流：占空比控制誤差放大器輸入端和反饋電流輸入腳。啟動(dòng)時(shí)由內(nèi)部高壓電流源提供內(nèi)部偏置電流，在正常工作時(shí)，流入反饋

32、控制電流。同時(shí)用作電源旁路電容器和源提供內(nèi)部偏置電流，在正常工作時(shí)，流入反饋控制電流。同時(shí)用作電源旁路電容器和自動(dòng)啟動(dòng)自動(dòng)啟動(dòng)/補(bǔ)償電容器的接入點(diǎn)。補(bǔ)償電容器的接入點(diǎn)。源極源極S：在：在TO- -220封裝中，既是封裝中，既是MOSFET管的源極接點(diǎn)，也是開關(guān)電源初級(jí)回路的管的源極接點(diǎn)，也是開關(guān)電源初級(jí)回路的公共點(diǎn)和參考點(diǎn)。公共點(diǎn)和參考點(diǎn)。漏極漏極D：MOSFET管漏極接入點(diǎn)。在啟動(dòng)時(shí)，提供內(nèi)部偏置電流。管漏極接入點(diǎn)。在啟動(dòng)時(shí)，提供內(nèi)部偏置電流。圖圖1-121-12 TO-220 封裝封裝5. 5. 單片開關(guān)電源的基本原理單片開關(guān)電源的基本原理6. 6. 單片開關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域單片開關(guān)電源的應(yīng)

33、用領(lǐng)域通用開關(guān)電源通用開關(guān)電源各種通用開關(guān)電源；開關(guān)電源模塊；精密開關(guān)電源模塊；智能化開關(guān)電各種通用開關(guān)電源；開關(guān)電源模塊；精密開關(guān)電源模塊；智能化開關(guān)電源模塊。源模塊。專用開關(guān)電源專用開關(guān)電源 微機(jī)、微機(jī)、USB接口電源、彩電、錄像機(jī)接口電源、彩電、錄像機(jī)(VCR)、攝錄像機(jī)、攝錄像機(jī)(CVCR)等高等高檔家用電器中的待機(jī)電源；電子儀器儀表中的電源；調(diào)制解調(diào)器電源；檔家用電器中的待機(jī)電源；電子儀器儀表中的電源；調(diào)制解調(diào)器電源；輔助電源；輔助電源；IC卡付費(fèi)電度表中的小型化開關(guān)電源模塊；機(jī)頂盒卡付費(fèi)電度表中的小型化開關(guān)電源模塊；機(jī)頂盒(Set-topBox)電源；手機(jī)電池充電器；電源；手機(jī)電池

34、充電器；AC/ /DC 電源適配器等。電源適配器等。特種開關(guān)電源特種開關(guān)電源 復(fù)合型開關(guān)電源；恒壓恒流型開關(guān)電源；截流輸出型開關(guān)電源；復(fù)合型開關(guān)電源；恒壓恒流型開關(guān)電源；截流輸出型開關(guān)電源；恒功率輸出型開關(guān)電源；功率因數(shù)校正器恒功率輸出型開關(guān)電源；功率因數(shù)校正器(PFC)。1.1.按驅(qū)動(dòng)方式分，有自勵(lì)式和它勵(lì)式。按驅(qū)動(dòng)方式分，有自勵(lì)式和它勵(lì)式。在自勵(lì)式開關(guān)電源中由開關(guān)管和高頻變壓器構(gòu)成正反饋環(huán)路來完成自在自勵(lì)式開關(guān)電源中由開關(guān)管和高頻變壓器構(gòu)成正反饋環(huán)路來完成自激振蕩；它勵(lì)式開關(guān)穩(wěn)壓電源必須附加一個(gè)振蕩器，振蕩器產(chǎn)生的開關(guān)激振蕩；它勵(lì)式開關(guān)穩(wěn)壓電源必須附加一個(gè)振蕩器，振蕩器產(chǎn)生的開關(guān)脈沖加在開

35、關(guān)管上，控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止。脈沖加在開關(guān)管上，控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止。2.2.按按DC/DCDC/DC變換器的工作方式分：變換器的工作方式分：單端正激式和反激式、推挽式、單端正激式和反激式、推挽式、半橋式、全橋式等；半橋式、全橋式等；降壓型、升壓型和升降壓型等。降壓型、升壓型和升降壓型等。3.3.按電路組成分，有諧振型和非諧振型。按電路組成分，有諧振型和非諧振型。4.4.按控制方式分：按控制方式分：脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制(PWM)(PWM)式；式；脈沖頻率調(diào)制脈沖頻率調(diào)制(PFM)(PFM)式；式；PWMPWM與與PFMPFM混合式?；旌鲜?。5.5.按電源是否隔離和反饋控制信號(hào)耦合方式分

36、，有隔離式、非隔離式按電源是否隔離和反饋控制信號(hào)耦合方式分，有隔離式、非隔離式和變壓器耦合式、光電耦合式等。和變壓器耦合式、光電耦合式等。1 1開關(guān)電源電氣技術(shù)參數(shù)開關(guān)電源電氣技術(shù)參數(shù)輸入電源的相數(shù)、頻率輸入電源的相數(shù)、頻率根據(jù)輸出功率的不同，可采用單相或三相電源供電。在輸出功率高于根據(jù)輸出功率的不同，可采用單相或三相電源供電。在輸出功率高于5KW5KW時(shí)，通常采用三相電源供電，以使時(shí)，通常采用三相電源供電，以使三相負(fù)載平衡。我國工頻電源頻率為三相負(fù)載平衡。我國工頻電源頻率為50Hz50Hz。輸入額定電壓、容許電壓波動(dòng)范圍。我國工頻電源額定電壓為輸入額定電壓、容許電壓波動(dòng)范圍。我國工頻電源額定

37、電壓為220V220V，線電壓為，線電壓為380V380V。在容許的輸入電壓。在容許的輸入電壓波動(dòng)范圍內(nèi)都要保證額定輸出功率。波動(dòng)范圍內(nèi)都要保證額定輸出功率。額定輸入電流。指在額定輸入電壓、額定輸出功率時(shí)的輸入電流。額定輸入電流。指在額定輸入電壓、額定輸出功率時(shí)的輸入電流。最大輸入電流。指在容許的下限輸入電壓、額定輸出功率時(shí)的輸入電流。最大輸入電流。指在容許的下限輸入電壓、額定輸出功率時(shí)的輸入電流。輸入功率因數(shù)。指輸入有功功率與視在功率的比值。輸入功率因數(shù)。指輸入有功功率與視在功率的比值。額定輸出直流電壓額定輸出直流電壓( (標(biāo)稱輸出直流電壓標(biāo)稱輸出直流電壓) )。指在。指在 額定輸出電流的狀

38、態(tài)下，滿足規(guī)定的穩(wěn)壓精度及紋波指標(biāo)額定輸出電流的狀態(tài)下，滿足規(guī)定的穩(wěn)壓精度及紋波指標(biāo)時(shí)的最大輸出直流電壓。時(shí)的最大輸出直流電壓。輸出電壓紋波與噪聲。紋波指輸出中與輸入電源頻率同步的交流成分，用峰輸出電壓紋波與噪聲。紋波指輸出中與輸入電源頻率同步的交流成分，用峰- -峰值表示。噪聲指輸出中除峰值表示。噪聲指輸出中除紋波以外的交流成分，也用峰紋波以外的交流成分，也用峰- -峰值表示。也常用紋波和噪聲的總和值減去輸出中交流成分的峰峰值表示。也常用紋波和噪聲的總和值減去輸出中交流成分的峰- -峰值來表峰值來表示輸出中交流分量的大小。示輸出中交流分量的大小。額定輸出電流。指額定輸出電壓時(shí)供給負(fù)載的最大平

39、均電流。額定輸出電流。指額定輸出電壓時(shí)供給負(fù)載的最大平均電流。效率。指輸出有功功率與輸入有功功率之比。效率。指輸出有功功率與輸入有功功率之比。2. 穩(wěn)壓器質(zhì)量指標(biāo)(1)電壓調(diào)整率(2)電流調(diào)整率(3)紋波抑制比(4)溫度穩(wěn)定性3. 3. 穩(wěn)壓器的工作指標(biāo)穩(wěn)壓器的工作指標(biāo)穩(wěn)壓器的工作指標(biāo)是指穩(wěn)壓器能夠正常工作的工作區(qū)域，以及保證正常工作所必須的工作條穩(wěn)壓器的工作指標(biāo)是指穩(wěn)壓器能夠正常工作的工作區(qū)域，以及保證正常工作所必須的工作條件，這些工作參數(shù)取決于構(gòu)成穩(wěn)壓器的元件性能。件，這些工作參數(shù)取決于構(gòu)成穩(wěn)壓器的元件性能。(1)(1)輸出電壓范圍輸出電壓范圍 符合穩(wěn)壓器工作條件情況下，穩(wěn)壓器能夠正常工作

40、的輸出電壓范圍，該指標(biāo)的上限是由符合穩(wěn)壓器工作條件情況下，穩(wěn)壓器能夠正常工作的輸出電壓范圍，該指標(biāo)的上限是由最大輸入電壓和最小輸入最大輸入電壓和最小輸入-輸出電壓差所規(guī)定，而其下限由穩(wěn)壓器內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓值決定。輸出電壓差所規(guī)定，而其下限由穩(wěn)壓器內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓值決定。(2)(2)最大輸入最大輸入-輸出電壓差輸出電壓差 該指標(biāo)表征在保證穩(wěn)壓器正常工作條件下穩(wěn)壓器所允許的最大輸入輸出之間的電壓差該指標(biāo)表征在保證穩(wěn)壓器正常工作條件下穩(wěn)壓器所允許的最大輸入輸出之間的電壓差值，其值主要取決于于穩(wěn)壓器內(nèi)部調(diào)整晶體管的耐壓指標(biāo)。值，其值主要取決于于穩(wěn)壓器內(nèi)部調(diào)整晶體管的耐壓指標(biāo)。(3)(3)最小輸入最小輸入-

41、輸出電壓差輸出電壓差該指標(biāo)表征在保證穩(wěn)壓器正常工作條件下，穩(wěn)壓器所需的最小輸入輸出之間的電壓差值。該指標(biāo)表征在保證穩(wěn)壓器正常工作條件下，穩(wěn)壓器所需的最小輸入輸出之間的電壓差值。(4)(4)輸出負(fù)載電流范圍輸出負(fù)載電流范圍輸出負(fù)載電流范圍又稱為輸出電流范圍，在這一電流范圍內(nèi)，穩(wěn)壓器應(yīng)能保證符合指標(biāo)規(guī)范輸出負(fù)載電流范圍又稱為輸出電流范圍，在這一電流范圍內(nèi)，穩(wěn)壓器應(yīng)能保證符合指標(biāo)規(guī)范征所給出的指標(biāo)。征所給出的指標(biāo)。4. 4. 極限參數(shù)極限參數(shù)(1)(1)最大輸入電壓最大輸入電壓該電壓是保證穩(wěn)壓器安全工作的最大輸入電壓。該電壓是保證穩(wěn)壓器安全工作的最大輸入電壓。(2)(2)最大輸出電流最大輸出電流是保證穩(wěn)壓器安全工作所允許的最大輸出電流。是保證穩(wěn)壓器安全工作所允許的最大輸出電流。5.