開關(guān)電源原理

1、第一部分第一部分常用器件介紹常用器件介紹一、整流二極管 二極管是功率電子系統(tǒng)中不可或缺的器件，用于整流、續(xù)流等。目前比較多地使用如下三種選擇： 高效快速恢復(fù)二極管。壓降0.8-1.2V，適合小功率，12V左右電源。 高效超快速二極管。0.8-1.2V，適合小功率，12V左右電源。 肖特基勢(shì)壘整流二極管SBD。0.4V，適合5V等低壓電源。缺點(diǎn)是其電阻和耐壓的平方成正比，所以耐壓低（200V以下），反向漏電流較大，易熱擊穿。但速度比較快，通態(tài)壓降低。 雙二極管二、場效應(yīng)管基礎(chǔ)知識(shí)二、場效應(yīng)管基礎(chǔ)知識(shí) 1）、場效應(yīng)管的分類）、場效應(yīng)管的分類 按溝道半導(dǎo)體材料的不同，結(jié)型和絕緣柵型各分溝道和P溝道兩

2、種。若按導(dǎo)電方式來劃分，場效應(yīng)管又可分成耗盡型與增強(qiáng)型。結(jié)型場效應(yīng)管均為耗盡型，絕緣柵型場效應(yīng)管既有耗盡型的，也有增強(qiáng)型的。場效應(yīng)晶體管可分為結(jié)場效應(yīng)晶體管和MOS場效應(yīng)晶體管。而MOS場效應(yīng)晶體管又分為N溝耗盡型和增強(qiáng)型；P溝耗盡型和增強(qiáng)型四大類。見下圖。 2）場效應(yīng)管的作用 1、場效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。 2、常用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)作阻抗變 換。3、場效應(yīng)管可以用作可變電阻。4、場效應(yīng)管可以方便地用作恒流源。5、場效應(yīng)管可以用作電子開關(guān)。 3）、場效應(yīng)管的測試）、場效應(yīng)管的測試: a、結(jié)型場效應(yīng)管的管腳識(shí)別：、結(jié)型場效應(yīng)管的管腳識(shí)別：場效應(yīng)管的柵極相當(dāng)于晶體管的基極，源極

3、和漏極分別對(duì)應(yīng)于晶體管的發(fā)射極和集電極。將萬用表置于R1k檔，用兩表筆分別測量每兩個(gè)管腳間的正、反向電阻。當(dāng)某兩個(gè)管腳間的正、反向電阻相等，均為數(shù)K時(shí)，則這兩個(gè)管腳為漏極D和源極S（可互換），余下的一個(gè)管腳即為柵極G。對(duì)于有4個(gè)管腳的結(jié)型場效應(yīng)管，另外一極是屏蔽極（使用中接地）。 b、判定柵極、判定柵極用萬用表黑表筆碰觸管子的一個(gè)電極，紅表筆分別碰觸另外兩個(gè)電極。若兩次測出的阻值都很小，說明均是正向電阻，該管屬于N溝道場效應(yīng)管，黑表筆接的也是柵極。制造工藝決定了場效應(yīng)管的源極和漏極是對(duì)稱的，可以互換使用，并不影響電路的正常工作，所以不必加以區(qū)分。源極與漏極間的電阻約為幾千歐。注意不能用此法判定

4、絕緣柵型場效應(yīng)管的柵極。因?yàn)檫@種管子的輸入電阻極高，柵源間的極間電容又很小，測量時(shí)只要有少量的電荷，就可在極間電容上形成很高的電壓，容易將管子損壞。功率場效應(yīng)管功率場效應(yīng)管MOSFET 功率場效應(yīng)管又叫功率場控晶體管。 電力場效應(yīng)晶體管有3個(gè)端子： 漏極D、源極S和柵極G。當(dāng)漏極接電源正，源極接電源負(fù)時(shí)，柵極和源極之間電壓為0，溝道不導(dǎo)電，管子處于截止。如果在柵極和源極之間加一正向電壓UGS，并且使UGS大于或等于管子的開啟電壓UT，則管子開通，在漏、源極間流過電流ID。UGS超過UT越大，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流越大。 三、電阻器三、電阻器 碳膜電阻器（碳膜電阻器（RT） 材料：高溫下將有機(jī)化

5、合物（烷，苯等碳?xì)浠衔铮岱纸猱a(chǎn)生的碳積在陶瓷肌體表面。碳膜電阻器阻值范圍寬，由良好的穩(wěn)定性，溫度系數(shù)不大且是負(fù)值，是目前應(yīng)用最廣泛的電阻器。 金屬膜電阻（金屬膜電阻（RJ） 材料：通過真空蒸發(fā)或陰極濺射，沉積在陶瓷肌體表面上一層很薄的金屬或合金膜。 特點(diǎn)：金屬膜電阻比碳膜電阻的精度高，穩(wěn)定性好，噪聲， 溫度系數(shù)小，金屬膜電阻由于結(jié)構(gòu)不均勻，因此使他的脈沖負(fù)載能力差。 SMT 電阻：（電阻：（RI） 材料：片狀電阻是金屬玻璃鈾電阻的一種形式，他的電阻體是高可靠的釕系列玻璃鈾材料經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而成，電極采用銀鈀合金漿料。 特點(diǎn)：體積小，精度高，穩(wěn)定性好，由于其為片狀元件，所以高頻性能好 繞線電阻

6、繞線電阻:RX 材料：用高阻合金線繞在絕緣骨架上制造。 特點(diǎn)：繞線電阻具有較低的溫度系數(shù)，阻值精度高， 穩(wěn)定性好，耐熱耐腐蝕，主要做精密大功率電阻使用，缺點(diǎn)是高頻性能差，時(shí)間常數(shù)大。 壓敏電阻 根據(jù)使用目的的不同，可將壓敏電阻區(qū)分為兩大類： 保護(hù)用壓敏電阻 電路功能用壓敏電阻。 保護(hù)用壓敏電阻保護(hù)用壓敏電阻（1） 區(qū)分電源保護(hù)用，還是信號(hào)線，數(shù)據(jù)線保護(hù)用壓敏電阻器，它們要滿足不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。（2） 根據(jù)施加在壓敏電阻上的連續(xù)工作電壓的不同，可將跨電源線用壓敏電阻器可區(qū)分為交流用或直流用兩種類型，壓敏電阻在這兩種電壓應(yīng)力下的老化特性表現(xiàn)不同。 （3） 根據(jù)壓敏電阻承受的異常過電壓特性的不同

7、，可將壓敏電阻區(qū)分為浪涌抑制型，高功率型和高能型這三種類型。浪涌抑制型：是指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。高能型：指用于吸收發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈，起重電磁鐵線圈等大型電感線圈中的磁能的壓敏電壓器，對(duì)這類應(yīng)用，主要技術(shù)指標(biāo)是能量吸收能力。 壓敏電阻器的保護(hù)功能，絕大多數(shù)應(yīng)用場合下，是可以多次反復(fù)作用的，但有時(shí)也將它做成電流保險(xiǎn)絲那樣的"一次性"保護(hù)器件。例如并接在某些電流互感器負(fù)載上的帶短路接點(diǎn)壓敏電阻。高功率型：是指用于吸收周期出現(xiàn)的連續(xù)脈沖群的壓敏電阻器，例

8、如并接在開關(guān)電源變換器上的壓敏電阻，這里沖擊電壓周期出現(xiàn)，且周期可知，能量值一般可以計(jì)算出來，電壓的峰值并不大，但因出現(xiàn)頻率高，其平均功率相當(dāng)大。 電路功能用壓敏電阻電路功能用壓敏電阻壓敏電阻主要應(yīng)用于瞬態(tài)過電壓保護(hù)，但是它的類似于半導(dǎo)體穩(wěn)壓管的伏安特性，還使它具有多種電路元件功能，例如可用作：（1）直流高壓小電流穩(wěn)壓元件，其穩(wěn)定電 壓可高達(dá)數(shù)千伏以上，這是硅穩(wěn)壓管無法 達(dá)到的。（2）電壓波動(dòng)檢測元件。 （3）直流電瓶移位元件。（4）均壓元件。（5）熒光啟動(dòng)元件 水泥電阻水泥電阻 水泥電阻通常用做功率大，電流大的場合，有2W，3W，5W，10W甚至更大的功率，象空調(diào)，電視機(jī)，等功率在百瓦級(jí)以上

9、的電器中，基本上都會(huì)用到水泥電阻，主要作用就是限流 PTC熱敏電阻 PTC是Positive Temperature Coefficient 的縮寫，意思是正的溫度系數(shù)， 泛指正溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件。通常我們提到的PTC是指正溫度系數(shù)熱敏電阻，簡稱PTC熱敏電阻。PTC熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，超過一定的溫度(居里溫度)時(shí)，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。 PTC熱敏電阻組織結(jié)構(gòu)和功能原理 陶瓷材料通常用作高電阻的優(yōu)良絕緣體，而陶瓷PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇為基，摻雜其它的多晶陶瓷材料制造的，具有較低的電阻及半導(dǎo)特性。通過有目的的摻雜一種化學(xué)價(jià)較高的材料作

10、為晶體的點(diǎn)陣元來達(dá)到的： 在晶格中鋇離子或鈦酸鹽離子的一部分被較高價(jià)的離子所替代，因而得到了一定數(shù)量產(chǎn)生導(dǎo)電性的自由電子。 對(duì)于PTC熱敏電阻效應(yīng)，也就是電阻值階躍增高的原因，在于材料組織是由許多小的微晶構(gòu)成的，在晶粒的界面上， 即所謂的晶粒邊界(晶界)上形成勢(shì)壘，阻礙電子越界進(jìn)入到相鄰區(qū)域中去，因此而產(chǎn)生高的電阻，這種效應(yīng)在溫度低時(shí)被抵消： 在晶界上高的介電常數(shù)和自發(fā)的極化強(qiáng)度在低溫時(shí)阻礙了勢(shì)壘的形成并使電子可以自由地流動(dòng)。 而這種效應(yīng)在高溫時(shí)，介電常數(shù)和極化強(qiáng)度大幅度地降低，導(dǎo)致勢(shì)壘及電阻大幅度地增高 ，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的PTC效應(yīng)。PTC熱敏電阻： 有下面幾個(gè)性能！燈絲預(yù)熱用PTC熱敏電阻器1

11、.應(yīng)用范圍：用于各種熒光燈電子鎮(zhèn)流器、電子節(jié)能燈中，不必改動(dòng)線路，將適當(dāng)?shù)臒崦綦娮杵髦苯又锌缃釉跓艄艿闹C振電容器兩端，可以變電子鎮(zhèn)流器、電子節(jié)能燈的硬啟動(dòng)為預(yù)熱啟動(dòng)，使燈絲的預(yù)熱時(shí)間達(dá)0.42秒可延長燈管壽命三倍以上。2.特點(diǎn)：利用材料PTC特性制作而成，產(chǎn)品體積小、耐電壓高、壽命長、正常工作時(shí)功耗小。3.應(yīng)用原理：應(yīng)用PTC熱敏電阻器實(shí)現(xiàn)預(yù)熱啟動(dòng)原理如右圖所示：剛接通開關(guān)時(shí)，Rt處于常溫態(tài)，其阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于C2阻值，電流通過C1，Rt自熱溫度超過居里點(diǎn)溫度Tc躍入高阻態(tài)，其阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于C2阻值，電流通過C1、C2形成回路導(dǎo)致LC諧振，產(chǎn)生高壓點(diǎn)亮燈管。保險(xiǎn)絲型PTC熱敏電阻器PTC熱敏電阻和N

12、TC熱敏電阻技術(shù)1.應(yīng)用范圍： MZ12A型PTC熱敏電阻器主要用于電子鎮(zhèn)流器（節(jié)能燈、電子變壓器、萬用表、智能電度表）等的過流過熱保護(hù)，直接串聯(lián)在負(fù)載電路中，在線路出現(xiàn)異常狀況時(shí)，能夠自動(dòng)限制過電流或阻斷電流，當(dāng)故障排除后又恢復(fù)原態(tài)，俗稱“萬次保險(xiǎn)絲”。2.特點(diǎn)：無觸點(diǎn)的電路及元器件保護(hù)自動(dòng)限制過電流故障排除后自動(dòng)恢復(fù)工作時(shí)無噪音無火花工作可靠、使用方便3.應(yīng)用原理：將PTC熱敏電阻器串聯(lián)在電源回路中，當(dāng)電路處于正常狀態(tài)時(shí)，流過PTC的電流小于額定電流，PTC處于常態(tài)，阻值很小，不會(huì)影響電子鎮(zhèn)流器（節(jié)能燈、變壓器、萬用表）等被保護(hù)電路的正常工作。當(dāng)電路電流大大超過額定電流時(shí)，PTC陡然發(fā)熱，

13、阻值驟增至高阻態(tài)，從而限制或阻斷電流，保護(hù)電路不受損壞。電流電流回復(fù)正常后，PTC亦自動(dòng)回復(fù)至低阻態(tài)，電路恢復(fù)正常工作。在電子鎮(zhèn)流器（節(jié)能燈、變壓器、萬用表）等過流保護(hù)應(yīng)用領(lǐng)域，南京時(shí)恒憑借其科研和工藝等方面的優(yōu)勢(shì)，率先推出了以高耐壓（V300VAC）為特色的MZ12型產(chǎn)品。 三TL431基準(zhǔn)電源器件 這個(gè)器件在電源中使用率最高，這里簡單介紹該器件。（1）TL431簡介 圖5-2：TL431結(jié)構(gòu)及原理 德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的TL431是一是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值（如圖2）。該器件的典型

14、動(dòng)態(tài)阻抗為0.2。 圖5-2左圖是該器件的符號(hào)。3個(gè)引腳分別為：陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）和參考端（REF）。 由圖可以看到，VI是一個(gè)內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)REF端（同相端）的電壓非常接 近VI（2.5V）時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管的電流將從1到100mA變化。當(dāng)然，該圖絕不是TL431的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡單地用這種組合來代替它。但如果在設(shè)計(jì)、分析應(yīng)用TL431的電路時(shí)，這個(gè)模塊圖對(duì)開啟思路，理解電路都是很有幫助的。（2）TL431的應(yīng)用 前面提到TL431的內(nèi)部含

15、有一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓，所以當(dāng)在REF端引入輸出反饋時(shí)，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖5-3所示的電路，當(dāng)R1和R2的阻值確定時(shí)，兩者對(duì)Vo的分壓引入反饋，若V o增大，反饋量增大，TL431的分流也就增加，從而又導(dǎo)致Vo下降。顯見，這個(gè)深度的負(fù)反饋電路必然在VI等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定，此時(shí)Vo=(1+R1/R2)Vref。選擇不同的R1和R2的值可以得到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任意電壓輸出，特別地，當(dāng)R1=R2時(shí)，Vo=5V。需要注意的是，在選擇電阻時(shí)必須保證TL431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1 mA 。 當(dāng)然，這個(gè)電路并不太實(shí)用，但它很清晰地展示

16、了該器件在應(yīng)用中的方法。將這個(gè)電路稍加改動(dòng)，就可以得到在很多實(shí)用的電源電路，如圖5-4。 一般地，在陰極和參考端之間，可以引進(jìn)R、C串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以做相位補(bǔ)償。圖5-3：推薦的應(yīng)用電路及電壓輸出 作為基準(zhǔn)器件，TL431可以在恒壓源、恒流源等電路中廣泛采用。我們前面講到的開關(guān)電源，就廣泛地使用這個(gè)器件作為比較基準(zhǔn)。四、光電耦合器原理及應(yīng)用 工作原理 在光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。 常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合

17、器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集成電路型等。光電耦合器的測試 1、用萬用表判斷好壞。斷開輸入端電源，用R1k檔測1、2腳電阻，正向電阻為幾百歐，反向電阻幾十千歐，3、4腳間電阻應(yīng)為無限大。1、2腳與3、4腳間任意一組，阻值為無限大，輸入端接通電源后，3、4腳的電阻很小。調(diào)節(jié)RP，3、4間腳電阻發(fā)生變化，說明該器件是好的。注：不能用R10k檔，否則導(dǎo)致發(fā)射管擊穿。 2、簡易測試電路，當(dāng)接通電源后，調(diào)節(jié)LED的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，說明被測光電耦合器是好的。 下圖：光電耦合器及其典型用法第二部分開關(guān)電源原理及各功能電路 一、 開關(guān)電源的電路組

18、成 開關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM 控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過欠壓保護(hù)電路、輸出過欠壓保護(hù)電 路、輸出過流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。 開關(guān)電源的電路組成方框圖如下： PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調(diào)制，是一種開關(guān)式穩(wěn)壓電源應(yīng)用，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。 什么是什么是PFC電路電路 PFC就是就是“功功率因數(shù)校正功功率因數(shù)校正”的意思，主要的意思，主要用來表征電子產(chǎn)品對(duì)電能的利用效率。功用來表征電子產(chǎn)品對(duì)電能的利用效率。功率因數(shù)越高，說明電能的

19、利用效率越高率因數(shù)越高，說明電能的利用效率越高 二、 輸入電路的原理及常見電路 1、AC 輸入整流濾波電路原理： 2、 DC 輸入濾波電路原理： 輸入濾波電路：C1、L1、C2組成的雙型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜 波信號(hào)進(jìn)行抑制，防止對(duì)電源干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。C3、 C4 為安規(guī)電容，L2、L3為差模電感。 R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7組成抗浪涌電路。在起機(jī)的瞬間， 由于 C6的存在Q2不導(dǎo)通，電流經(jīng)RT1構(gòu)成回路。當(dāng)C6上的電壓充至Z1的穩(wěn)壓值時(shí)Q2導(dǎo) 通。如果C8漏電或后級(jí)電路短路現(xiàn)象，在起機(jī)的瞬間電流在

20、RT1上產(chǎn)生的壓降增大，Q1導(dǎo) 通使 Q2沒有柵極電壓不導(dǎo)通，RT1將會(huì)在很短的時(shí)間燒毀，以保護(hù)后級(jí)電路2、 常見的原理圖： 四、 輸出整流濾波電路/b： 1、 正激式整流電路： T1為開關(guān)變壓器，其初極和次極的相位同相。D1為整流二極管，D2為續(xù)流二極管，R1、C1、R2、C2為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感，C4、L2、C5組成型濾波器。 2、 反激式整流電路： T1為開關(guān)變壓器，其初極和次極的相位相反。D1為整流二極管，R1、C1為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感，R2為假負(fù)載，C4、L2、C5組成型濾波器。 五、 穩(wěn)壓環(huán)路原理 1、反饋電路原理圖： 2、工作原理： 當(dāng)輸出 U0升高，經(jīng)取樣電阻R

21、7、R8、R10、VR1分壓后，U1腳電壓升高，當(dāng)其超過U1 腳基準(zhǔn)電壓后 U1腳輸出高電平，使Q1導(dǎo)通，光耦OT1發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導(dǎo)通， UC3842腳電位相應(yīng)變低，從而改變U1腳輸出占空比減小，U0降低。 當(dāng)輸出 U0降低時(shí)，U1腳電壓降低，當(dāng)其低過U1腳基準(zhǔn)電壓后U1腳輸出低電平，Q1 不導(dǎo)通，光耦OT1發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管不導(dǎo)通，UC3842腳電位升高，從而改變 U1腳輸出占空比增大，U0降低。周而復(fù)始，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調(diào)節(jié)VR1可改變 輸出電壓值。 反饋環(huán)路是影響開關(guān)電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯(cuò)、漏、虛焊等，會(huì)產(chǎn)生自激 振蕩，故障現(xiàn)象為：波形異常，

22、空、滿載振蕩，輸出電壓不穩(wěn)定等。六、短路保護(hù)電路： 1、在輸出端短路的情況下，PWM控制電路能夠把輸出電流限制在一個(gè)安全范圍內(nèi)，它 可以用多種方法來實(shí)現(xiàn)限流電路，當(dāng)功率限流在短路時(shí)不起作用時(shí)，只有另增設(shè)一部分電路。 2、短路保護(hù)電路通常有兩種，下圖是小功率短路保護(hù)電路，其原理簡述如下： 當(dāng)輸出電路短路，輸出電壓消失，光耦OT1不導(dǎo)通，UC3842腳電壓上升至5V左右，R1與R2的分壓超過TL431基準(zhǔn)，使之導(dǎo)通，UC3842腳VCC電位被拉低，IC停止工作。UC3842停止工作后腳電位消失，TL431不導(dǎo)通UC3842腳電位上升，UC3842重新啟動(dòng)，周而復(fù)始。當(dāng)短路現(xiàn)象消失后，電路可以自動(dòng)恢復(fù)成正常工作狀態(tài)。 3、下圖是中功率短路保護(hù)電路，其原理簡述如下： 當(dāng)輸出短路，UC3842腳電壓上升,U1 腳 電位高于腳時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)腳輸出高電位，給 C1充電，當(dāng)C1兩端電壓超過腳基準(zhǔn)電壓時(shí) U1腳輸出低電位，UC3842腳低于1V，UCC3842 停止工作，輸出電壓為0V，周而復(fù)始，當(dāng)短路 消失后電路正常工作。R2、C1是充放電時(shí)間常數(shù)， 阻值不對(duì)時(shí)短路保護(hù)不起作用。 4、 下圖是常見的限流、短路保護(hù)電路。其工作原