开关电源原理与解说 开关稳压电源讲座 第一讲 开关稳压电源的工作原理 线 性 稳 压 电 源 ， 虽 然 电 特 性 优 良 ， 但 由 于 功 率 调 整 器 件 串 联 在 负 载 回 路 里 ， 而 且 工 作 在 线 性 区 ， 因 此 功 率 转 换 效 率 比 较 低 。 为 了 提 高 效 率 ， 就 必 须 使 功 率 调 整 器 件 处 于 开 关 工 作 状 态 。作 为 开 关 而 言 ，导 通 时 压 降 很 小 ，几 乎 不 消 耗 能 量 ，关 断 时 漏 电 流 很 小 ，也 几 乎 不...

  开关稳压电源讲座 第一讲 开关稳压电源的工作原理 线 性 稳 压 电 源 ， 虽 然 电 特 性 优 良 ， 但 由 于 功 率 调 整 器 件 串 联 在 负 载 回 路 里 ， 而 且 工 作 在 线 性 区 ， 因 此 功 率 转 换 效 率 比 较 低 。 为 了 提 高 效 率 ， 就 必 须 使 功 率 调 整 器 件 处 于 开 关 工 作 状 态 。作 为 开 关 而 言 ，导 通 时 压 降 很 小 ，几 乎 不 消 耗 能 量 ，关 断 时 漏 电 流 很 小 ，也 几 乎 不 消 耗 能 量 ，所 以 开 关 稳 压 电 源 的 功 率 转 换 效 率 可 达 80％ 以 上 。 开 关 电 源 (Switch Mode Power Supply， 简 称 SMPS)被 誉 为 高 效 节 能 电 源 ，它 代

  着 稳 压 电 源 的 发 展 方 向 ，现 已 成 为 稳 压 电 源 的 主 流 产 品 。目 前 ， 开 关 电 源 正 进 入 一 个 蓬 勃 发 展 的 新 时 期 ，各 种 新 技 术 不 断 涌 现 ，新 工 艺 被 普 遍 采 用 ，新 产 品 层 出 不 穷 。突 出 表 现 在 以 下 几 个 方 面 ：开 关 电 源 正 朝 着 短 、小 、轻 、薄 、单 片 集 成 化 、智 能 化 、高 效 节 能 、绿 色 环 保 的 方 向 发 展 ， 开 关 电 源 的 保 护 电 路 日 趋 完 善 ， 其 电 磁 兼 容 性 设 计 也 取 得 突 破 性 进 展 。 近 20多 年 来 ， 集 成 开 关 电 源 沿 着 下 述 两 个 方 向 不 断 发 展 。 第 一 个 发 展 方 向 是 对 开 关 电 源 的 核 心 单 元 -控 制 电 路 实 现 集 成 化 。 首 先 研 制 成 功 PWM(脉 冲 宽 度 调 制 ， 以 下 简 称 脉 宽 调 制 )控 制 器 集 成 电 路 。 第 二 个 发 展 方 向 则 是 对 中 、小 功 率 开 关 电 源 实 现 单 片 集 成 化 。现 都 已 在 电 子 产 品 中 获 得 了 广 泛 的 应 用 。 一、 开关电源的简要工作原理 开 关 电 源 的 基 本 组 成 如 图 3-1-1所 示 。 开关S以一定的时间间隔重复地接 通和断开，在开关S接通时，输入电源Ui通过开关S和电感L滤波电路提供给负载RL， 在整个开关接通期间，电源Ui向负载提供能量，同时电感L储存能量；当开关S断 开时，储存在电感L中的能量通过二极管VD释放给负载，使负载得到连续而稳定的 能量。在滤波电路AB间得到的电压平均值UAB可用下式表示： UAB= T tON Ui 图3-1-1 开关电源示意图 式中，ton为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期(即开关接通时间 ton和关断时间tOFF之和)。由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，AB 间电压的平均值也随即改变。因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整ton 和T的比例便能使输出电压Uo维持不变。改变开关接通时间ton和工作周期T的比例 亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”。 1 按时间比率控制原理，开关电源有三种调制方式，即脉冲宽度调制方式、脉 冲频率调制方式和混合调制方式。 ①脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM) 脉冲宽度调制方式指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。 因为周期恒定，滤波电路的设计容易。但受最小未通时间的限制，输出端需接假负 载。 ②脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，PFM) 脉冲频率调制方式是指导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空 比的方式。因为tON／T可以在很宽的范围内变化，输出电压的可调范围也较PWM方 式大，同时，只需极小的假负载。当然，滤波电路要能在较宽的频率范围内正常工 作，因而，滤波器体积较大是其不足之处。 ③混合调制 混合调制方式是指导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方 式，它是以上两种方式的混合。ton和T相对地发生明显的变化，在频率变化不大的情况下， 能够获得非常大的可调范围的输出电压，因此，用来制作要求能在宽范围调节输出 电压的实验室用电源非常合适。 二、开关电源的基本组成 开关电源的基本组成框图如图3-1-2所示，有进线滤波器、整流器、功率因素校 正电路（PFC）、DC/DC变换器等四部分所组成。进线滤波器的作用是不让外线的开扰 进入开关电源，同时也使开关电源的高频脉冲不能进入外线，即应具备双向滤波功 能。功率因素校正电路的最大的作用是提高开关电源的功率因素，因为开关电源的功 率因素较低，一般在0.6∼0.7的范围内，通过PFC电路的校正后，可达到0.95以； 但是该电路还具备有输入直流电压在大范围内变化时，输出电压基本不变的功能， 如PFC控制芯片L6562的规格书介绍，它能做到当交流输入电压从85伏变化到265伏 的宽范围内，其输出电压能稳定在395伏左右。DC/DC变换器的功能是将一种直流电 压变换成一种或多种直流电压，同时应具备稳压功能。 图3-1-2 开关电源的组成框图 三、PWM控制模式及其特点 在开关电源三种调制方式中，脉冲宽度调制(PWM)方式应用最普遍，因此，现介 绍如下几种常用PWM控制模式及其特点。 2 、电压型PWM控制 电压型PWM控制基础原理是：电压型PWM控制是20世纪60年代后期开关稳压电源 起步发展时所采用的第一种操控方法。该方法与一些必要的过电流保护电路相 结合，至今仍然在工业界大范围的应用。 电压型PWM控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放 大器采样放大的慢变化的直流信号Ue与恒定频率的三角波电压Us上斜坡相比较，通 过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度ton，该信号经过驱动电路功率放大得 到开关管控制信号Ug。逐个脉冲的限流保护电路必须另外附加。当输入电压突然变 小或负载阻抗突然变小时，因为主电路有较大的输出电容C及电感L的相移延时作 用，输出电压的变小也延时滞后。输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的 补偿电路延时滞后，才能传至PWM比较器将脉宽展宽。这两个延时滞后作用是暂态 响应慢的根本原因。 电压型PWM控制的优点是：单一反馈电压闭环设计、调试非常容易；对输出负载 的变化有较好的响应调节；PWM三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具备比较好的抗噪 声裕量；对于多路输出电源，它们之间的交互调节效应较好。 电压型PWM控制的缺点是：对输入电压的变化动态响应较慢；补偿网络设计本来 就较为复杂，闭环增益随输入电压变化而变化，使其更复杂；输出LC滤波器给控 制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加 一个零点进行补偿。 2、峰值电流型PWM控制 峰值电流型PWM控制基础原理是：峰值电流型PWM控制 (Peak Current-mode Control PWM)简称电流型控制，其控制原理如图3-1-3所示，误差电压信号Ue送至 PWM比较器后，与合成波形信号U∑比较，而合成波形信号U∑要有斜坡补偿信号与实 际电感电流信号两部分合成才能构成，所以电流型控制并不是像电压型那样与振荡 电路产生的固定三角波状电压斜坡比较，而是与一个变化的，其峰值代表输出电感 电流峰值的三角波形或梯形尖角状合成波形信号U∑相比较，然后得到PWM脉冲关断 时刻。因此，电流型控制是一种固定时钟开启，峰值电流关断的操控方法，先直接 控制输出侧电感电流峰值的大小，然后间接地控制PWM脉冲宽度。 图3-1-3 峰值电流型PWM控制原理图 峰值电流型PWM控制是双闭环控制管理系统，电压外环控制电流内环。电流内环是 3 瞬时快速按照逐个脉冲工作的。功率级是由电流内环控制的电流源，而电压外环控 制此功率级电流源。在该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化，因而 电压外环仅需控制输出电容，不必控制LC储能电路。因此，峰值电流型PWM控制具 有比电压型控制大得多的带宽。 峰值电流型PWM控制的优点是：暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负 载的变化的瞬态响应也较快；控制环易于设计；输入电压的调整技术可与电压型控 制的输入电压前馈技术相媲美；具有瞬时峰值电流限流功能，即内在固有的逐个脉 冲限流功能；具有自动均流并联功能。 峰值电流型PWM控制的缺点是：峰值电流与平均电流的误差难以校正；抗噪声性 差，易发生次谐波振荡。电流信号上的较小的噪声就很容易使得开关器件改变关 断时刻，使系统进入次谐波振荡；对多路输出电源的交互调节性能不好；只能用于 个别电路拓扑。 3、平均电流型PWM控制 平均电流型PWM控制如图3-1-4为平均电流型PWM控制的原理图。将误差电压Ue 接至电流误差信号放大器(c／a)的同相端，作为输出电感电流的控制基准信号Ucp 带有锯齿纹波状分量的输出电感电流信号Ui 接至电流误差信号放大器(c／a)的反 相端，UI与Ucp的差值经过电流误差信号放大器(c／a)放大后，得到平均电流跟踪 误差信号Ucao再由Uc：及三角锯齿波信号UT或Us通过比较器比较得到PWM关断时刻。 Uca的波形与电流波形Ul反相，所以是由Uca的下斜坡(对应于开关器件导通时期) 与三角波UT或Us的上斜坡比较产生关断信号。显然，这就无形中增加了一定的斜坡 补偿。为了尽最大可能避免次谐波振荡，Uca的上斜坡不能超过三角锯齿波信号UT或Us的上斜 坡。 图 3-1-4 平均电流型PWM控制原理图 平均电流型控制的优点是：平均电感电流能够高度精确地跟踪电流基准信号； 不需要斜坡补偿；调试好的电路抗噪声性能优越；适合于任何电路拓扑对输入或输 出电流的控制；易于实现均流。 平均电流型控制的缺点是：电流放大器在开关频率处的最大增益有限制；双闭 环放大器带宽、增益等配合参数设计调试复杂。 四、开关电源主要技术指标 1．输入电压 输入电源一般为单相2线线制等。输入电源的额定 电压因各国或地区不同而异，例如，美国规定的交流输入电源电压为120V，欧洲为220～240V， 日本为100V及200V，我国为220V及380V。输入电压的变化范围一般为±10％，加上配线路径 及各地的详细情况，输入电压的变化范围多为-15％～+10％。 4 、电压或电流的稳定度 输出电压或电流的稳定度，通常以输出电压或电流的变化量(△Uo、△Io)相对于 输出电压 或 电 流 (Uo、Io)的 比 值 来 表 示 。电 压 变 化 的 相 对 值 ，称 为 电 压 稳 定 度 ， 以 Su表 示 ； 电 流 变 化 的 相 对 值 ， 称 为 电 流 稳 定 度 ， 以 SI表 示 。 稳 定 度 Su、 SI按 上 述 定 义 可 分 别 表 示 为 3、纹波 纹波用峰—峰值表示，一般为输出电压的0．5％以内；噪声用峰-峰值表示，一 般为输出电压的1％，也包括与纹波没明确区分的部分。多数场合规定纹波、噪声 总和为输出电压的2％以内。输出纹波波形如图3-1-5所示。图中开关周期所指的三角 形纹波是由开关电源工作引起的，该频率与开关电源工作频率相同；输入工频脉动电 压周期所指纹波是输入工频经整流滤波后的纹波，一般为2倍工频，即100Hz。 图3-1-5 输出纹波波形 4、电源输出内阻(输出阻抗) 电源的内阻Ro表示为当输入电压、环境和温度等均不变的条件下，输出电压变化 相对于负载电流变化的比值，即对于稳压电源，当负载电流变化时(∆ Isc)，要求输 出电压的变化(∆ Uo)小，因此，稳压电源的内阻一般在0．1Ω 左右；对于稳流电源，当 输出电压变化时(∆ Uo)，要求负载电流的变化(∆ Io)小，因此，稳流电源的内阻应是一 较大的值，一般在104Ω )以上。 5．效率η 输出有功功率PO与输入有功功率Pi之比。 Ui、Ii为输入电压、电流的有效值，Uo、Io为开关电源输出直流电压、电流。效 率的提高不仅意味着节约能源，也代表着损耗的减少—即发热量的降低，从而促 使开关电源可靠性或功率密度的提高。 6、保护功能指标 1)过电流保护 输出短路或过负载时对电源或负载要进行保，即为过电流保护。过电流的设定值 5 一般为额定电流的110％～130％。但在不损坏电源与负载的范围内，不规定短路保 护时的电流值的情况也很多。一般为自动恢复型。 2)过电压保护 过电压保护就是输出端出现过大电压时对负载进行保护的功能，过电压保护值一 般规定为额定输出电压的130％一150％。对于输出电压可调范围比较大的电源，过电 压保护值规定为电压上限时不可能会发生误动作即可。当发生过电压时使开关电源停振， 断开输出。恢复的方法一般是再接通输入电源或加复位信号使开关电源回到正常状态的工 作状态。 3)欠压保护 在输出电压达到规定值以下时，检测输出电压下降值，为保护负载及防止负载误 动作，所以欠压保护时使电源停止工作，并送出报警信号。 4)过热保护 。 电源内部异常或使用方法不当，电源温升超过规定值以上时，使电源停止工作， 并送出报警信号。 7、平均无故障上班时间MTBF MTBF的定义为电子系统无故障上班时间的平均值。 对于一批(N台)电子系统而言 式中 ti—第i个电子系统的无故障上班时间； N-电子系统的数量。 6 第二讲 开关电源中的主要元器件 元器件是构成开关电源的基础，进一步探索关键元器件的性能，对于使用维护乃至设计 开 关电源特别的重要。本节将对应用广泛的新型元器件作介绍。 一、 功率开关 晶闸管(SCR)于 1956 年问世，接着以它为核心的派生器件投入市场，而这些派生器件 比 SCR 具有更高的额定电压和电流，以及更好的开关特性。但是它们均属半控型器件， 所以辅助电路多、效率低、工作频率低。 进入 20 世纪 80 年代，由于电力电子技术和微电子技术的应用相结合，而向市场推出 了高频化全控功率集成器件。如功率 MOS 管、绝缘门极晶体管 IGBT(或 IGT)、静电感应晶 体管(SIT)、场控晶闸管(MCT)等。由于这一些器件不需另设辅助开关去强迫关断，故称为全 控型电子器件。它们具有较高的效率和较高的工作频率，从而使开关电源整机体积变小而 重量变轻，达到提高功率密度的目的。 在新一代全控型电力电子器件中，功率 MOS 管和静电感应晶体管(SIT)属单极型器件， 它们只有一种载流子。而 IGBT(或 IGT)、MCT 及功率集成电路(PIC)或智能功率模块(1PM)、 智能开关等，为混合型器件。它们是双极型晶体管与 MOS 管混合，或是晶闸管与 MOS 器件 混合。上述器件除有自关断性能外，还有如下特点： (1)在结构上由无数单元小管并联集成； (2)均为高频器件，工作频率从几千赫兹至几兆赫兹。有的频率已达 10MHz 以上； (3)应用性能更完善，除了有开关功能之外，有些器件还有放大、PWM 调制、逻辑运算 等功能。目前，高频开关电源采用的功率器件通常有：功率 MOSFET、IGBT、功率 MOSFET 与 IGBT 混合管及功率集成器件。 1、功率 MOSFET 场效应管分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管，功率场效应晶体管都是绝缘栅型场 效应管。绝缘栅型场效应管是由金属氧化物、半导体组成的场效应晶体管，简称 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，这是一种电压控制的单极型 器件。功率MOSFET(VMOSFET，有时也简称VMOS)作为开关器件，其常态都是阻断状态，也就 是说都是增强型的MOSFET。VMOSFET分为N沟道和P沟道两种，其中，N沟道VMOSFET的导通电 流从漏极D流向源极S，而P沟道VMOSFET的导通电流从源极S流向漏极D，它们的电气图形符 号如图3-2-1所示。 图3-2-1 VMOSEFT的图形符号 1 图3-2-1中，反并联的二极管表示MOSFET结构中的寄生二极管或集成的可续流的 二极管。从MOSFET的结构和工作原理不难得知，MOSFET存在固有的寄生反并联二极 管。所以，有时为保护MOSFET，在较高容量VMOSFET中，又集成了电流容量更大、 耐压更高、恢复更快的反并联二极管。 VMOSFET分为V型结构(VVMOSFET)和D型结构(VDMOSFET)。VVMOSFET栅电容小、开 关速度快、沟道电阻小，但耐压不高，适用于低耐压、大电流应用。VDMOSFET采用 两次扩展，精确控制沟道长度，除具有VVMOSFET的优点外，耐压也高，适合于高耐 压应用。 功率 MOSFET 的特点 ， (1)它具有很大的输入电阻，故作功率开关管应用时，驱动电流很小，功率增益高，是 一种电压控制器件。又由于开启电压高，进行关断时无需加闭锁电压。 (2)功率 MOSFET 导通电阻温度系数为正值，若多个功率 MOS 管并联时，则不需另设均 流电阻。例如，并联组合管中某单元管芯电流增加时，其工作时候的温度随之升高而使电阻增大， 进而限制了电流的增长，所以具有自动均流的能力。 (3)在高温运行时，不存在温度失控的现象。因为气温变化时，对功率 MOS 管极间电 容影响极小。其允许工作时候的温度高达 200˚C。 (4)普通功率晶体管在高压、大电流条件下进行切换时，易发生二次击穿。所谓二次击 穿是指器件在一次击穿后电流进一步增加，并以高速向低阻区域移动。而功率 MOS 管无二 次击穿问题。 (5)在大电流工作过程中，因温度上升而使导通电阻增大许多倍，故导通功耗很大。 (6)在进行引线焊接时，操作者应佩带接地的专用腕带，且工作台与焊接工具均应接 地。 2、绝缘门极晶体管 IGBT 绝缘栅双极晶体管(1nsulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是 MOSFET 与 GTR 的 复合器件，因此，它既具有 MOSFET 的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性 好的优点，又包含了GTR的载流量大、阻断电压高等多项优点，是取代GTR的理想 开关器件。从1986年至今，尤其是近几年来 IGBT发展非常迅速，己被广泛地应用于各种逆变 器中。现在已经被推广应用的第三代IGBT 通态压降更低、开关速度更快。IGBT的等效 电路和图形符号如图3-2-2所示。 IGBT绝大多数都是在VMOSFET的漏极下又加了 一层P+区，因而多了一个PN结，从而使其等 效电路变成了图3-2-2(a)的形式，这很自然 地成了一个MOSFET与 一个GTR单管的复合 管，结果就是一个控制极为绝缘栅极的双极 型晶体管，如图3-2-2(b)所 示。根据双极型 晶体管和MOSFET的工作原理，不难理解IGBT的工作过程，这里不再详细叙述。 图3-2-2 IGBT的等效电路和图形符号 IGBT管的综合特点如下： (1)IGBT管为混合器件，驱动功率容量小，也是一种压控型器件。 (2)导通压降小，允许电流密度大。 (3)当关断时会出现电流拖尾现象，所以关断时间长，使工作频率受到限制。 2 二、高频整流管 在工频（50 周）整流电路中，对二极管的开关速度没有要求。而在高频变化中就必须 采用恢复时间短的二极管。根据制造工艺和恢复特性，高频整流电路分为：快恢复二极管、 超快恢复二极管和肖特基二极管。 1、 二极管的性能参数 (1)最高允许结温 TjM 结温是指整个 PN 结的平均温度。最高允许结温是指 PN 结不损坏能承受的最高平均温度， 结温通常允许在-40~+125℃范围内。当普通工业用大功率二极管工作结温达-40℃以下时， 硅芯片可能受到损坏。 (2)额定正向平均电流／F 额定正向平均电流是指在指定壳温、规定散热条件下二极管流过工频正弦半波的平均电 流。此电流下正向压降引起的损耗使得结温升高，此温度不允许超出允许结温。 由二极管定额办法能够看出，正向电流是按发热条件定额的，因此在选用二极管时，应 按有效值相同条件选取二极管定额，有效值定额为对应额定正向平均电流的 1．57 倍。 (3)浪涌电流 浪涌电流是指连续几个工频周波的过电流，一般是用额定正向平均电流的倍数和相应 的浪涌时间(工频周波数)来规定浪涌电流。 (4)反向重复峰值电压URR 反向重复峰值电压是二极管工作时所能施加的反向最高峰值电压，通常是反 向雪崩击穿电压UB的2／3。在使用时，通常按电路中二极管可能承受的最高峰值 电压的两倍选取二极管定额。 (5)反向恢复时间trr 反向恢复时间是从正向电流过零到反向电流下降到其峰值10％时的时间间 隔。它与反向电流上升率有关，但在实际电路中还与结温和关断前最大正向电流 有关。 2、快恢复二极管(FRD) 迅速由导通状态过渡到关断状态的PN结整流管称为快恢复二极管(FRD，Fast Recovery Diode)，其特点是反向恢复时间短，一般小于5μs，也称为开关二极 管。用于高频整流，斩波和逆变。电流由1安到数百安，电压由数十伏到数千伏。 目前有PN型和PIN型两种结构的迅速恢复整流二极管。在同等容量下PIN型结构 具有开通压降低，反向快速、恢复性能好的优点。一般地，二极管的耐压越高， 电流越大，恢复时间就越长，导通压降就越高。快恢复二极管用于开关频率不太 高(20～50kHz)的整流模块的输出整流。 常 用 的 小 电 流 快 恢 复 二 极 管 ： FRl01一 FRl07(1A， 50～ 1000V)、 FR301一 FR307(3A，50～1000V)等，可用于辅助开关电源的输出整流。 国产ZK快恢复二极管系列是否是参数范围有50～1000A，100—2000V。 3、超快恢复二极管(UFRD) 用外延法生产的二极管比用扩散法生产的二极管具有更快的开关速度，它们都 用掺金或铂来控制恢复时间trr的大小，使恢复时间trr可小于50ns，称为超快恢 复二极管(UFRD，Ultra-Fast Recovery Diode)，又叫高性能迅速恢复二极管 具有软恢复过程，可减小因反向恢复造成的du／dt，、di／dt和电压尖峰，降 低EMI。UFRD通常用于开关频率在50kHz以上的整流模块的输出整流。 4、肖特基二极管(Schottky Barrier Diode，SBD) 肖特基二极管由半导体硅材料(N型)与金属进行面接触而构成。半导体N型 硅材料是采用现代工艺进行了掺杂，以使金属与N型硅材料大面积均匀接触。 所以肖特基二极管在整流过程中无少数载流子参加，既消除了电荷存储现象，又 能瞬间完成反向恢复过程。与普通硅二极管比较，具有下列性能特点。 (1)它不是利用PN结的单方向导电特性，而是利用金属和半导体接触过程的势垒 电势的整流作用而导电，只产生多数载流子而无少数载流子，故反向恢复时间远小 于相同定额的二极管，一般只有数十纳秒，其反向恢复时间可缩短到10ns以内，而 且与反向di/dt无关。因此可在更高频率下工作。 (2)具有较低的正向压降(0.3～0.8V)，典型值为0.55V，所以导通损耗小。因此 大范围的应用于低电压大电流电源中。 (3)肖特基二极管电流定额从1安到数百安，并且很容易通过并联而扩大容量， 即不需加均流电阻而可直接并联，亦可两只配对并联后封装成组件。 (4)反向漏电流较大和工作电压较低.需要指出，肖特基二极管的最高反向工作 电压一般不超过100V，仅适合作低压、大电流整流用。当Uo≥30V时，须用耐压100V 以上的超快恢复二极管来代替肖特基二极管。 表 3-2-1 4种 二 极 管 典 型 产 品 的 性 能 比 较 半导体整流 典型产品 平均整流 正向导通电压 反向恢复 反向峰值 二 极 管 型 号 电流 A 典型值 最大值 时间 nS 电 压 V 肖特基二极管 16CMQ050 160 0．4 0．8

  如下：当由于某 种原因致使U0↑时，取样电压UREF也随之升高，使UREF

  Uref比较器输出高电平， 令VT导通，Uo↓,其实就是VT的分流加大，进入K极的电流加大，使在R3上的压 降加大，使U0下降。反之，Uo↓→UREF↓ → UREF

  Uref 比较器输出高电平，使VT导通电流加大，进入K极 的 Ik电流加大，光耦中二极管电流也随之加大， 发光增强，流经光耦三极管电流Ic也随着加大， 这样就通过光耦去改变了控制端电流Ic的大小，调节 开关电源的输出占空比，使Uo不变，达到稳压目的。 由上分析可见，在与光耦联合运用时，TL431实际上 是电压控制的电流放大器。 图3-2-5 TL431作误差放大器 2、线性光耦 光耦是以光为媒介来传输电信号的器件。通常把发光器(红外线发光二极管LED) 与受光器(光敏晶体管)封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线， 受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，以此来实现了“电—光—电”转 换。普通光耦合器只能传输数字(开关)信号，‘不适合传输模拟信号。线性光耦合 器是一种新型光电隔离器件，它能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使 其应用领域大为拓宽。 5 线性光耦与普通光耦的重要区别反映在电流传输比CTR上。CTR是光耦的重要参 数，通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流 Ic与直流输入电流Ik的百分比。CTR表达式如下： CTR=(Ic/Ik)×100％ 采用一只光敏晶体管的光耦合器，CTR的范围大多为20％～300％ 。如电视机中 用的光耦HS817的CTR=175%~260%；光耦PS2561A的CTR=60%~100%。在选用线性光耦时， CTR值要能够在一些范围内做线性调整。CTR的允许范围为 50％～200％。这是因为当CTR

  5．0mA)，才能正常控制开关电源的占空比， 这会增大光耦的功耗。若CTR

  200％，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将开关电 源误触发，影响正常输出。 3、熔断电阻器 熔断电阻器，简称熔断电阻。它兼有电阻器和熔断器的双重功能，在正常工作时 它相当于一只小电阻。当电路出现故障，导致电流增大并超过其熔断电流时，就迅 速熔断，对电路和元器件起到过电流保护作用。目前，彩色电视机中己普遍的使用熔 断电阻，作为低压电源的保险装置,国外熔断电阻的符号如图3-2-6所示。 图 3 - 2 - 6 国 外 熔 断 电 阻 的 符 号 熔断电阻的功率一般为0125～3W，阻值为零点几欧姆至几十欧姆，最高可达几千 欧姆。熔断电流从几十毫安到几安培，熔断时间为几秒至几十秒。国产金属膜熔断 电阻有RJ90系列。RFl0、RFll系列则是专为彩电配套且具有阻燃特性的熔断电阻， 其技术指标详见表3-2-2。熔断电阻大多属于一次性产品，熔断后需更换同种规格的 产品，但目前也有供多次使用的熔断电阻。 表 3 - 2 - 2 R F I O 和 R F l l 系 列 产 品 技 术 指 标 系列 额定功率 /w 阻值范围 阻值偏差 ±(％) 稳定度 (％) 温度系数 (10-6／~C) 耐 压 外形尺寸 V mm 0．5 0．47Ω〜lkΩ 5 5 350 250 φ3．9×10．5 RFl0 2 0．47Ω〜lkΩ 5 5 350 350 φ6.5×17 0．5 0.33kΩ〜1.5kΩ 5 5 350 1000 φ6l.3×13．5 1 0.33kΩ〜1kΩ 5 5 350 1000 φ6.5×6.5×14 RFll 3 0.33kΩ〜3.3kΩ 5 5 350 1000 φ10.5×10.5×23 熔断电阻损坏后必须用相同规格的产品做更换。熔断电阻等效于一只低阻值 电阻和保险管的串联电路。假如手头无合适的熔断电阻，作为应急之策，也可采用 与之阻值及功率完全相同的碳膜电阻，再串联一只相同容量的熔丝管进行代换。当 流过碳膜电阻的电流过大时，碳膜就因过热而脱落，形成开路，同样能起到保护作 用。 4、自恢复熔丝 自恢复熔丝(Resettable Fuse)的英文缩写为RF，为与熔断电阻器相区别，本书用 RV表示。它是20世纪90年代问世的一种新型过电流保护器件。传统的熔丝属于一次 性过电流保护器，使用很不方便。美国硅谷的瑞侃(Raychem)公司最近研制成功由聚 6 合物(polymer)掺加导体而制成的自恢复熔丝，圆满地解决了上述难题。它具有体积 小、种类规格齐全、开关特性好、能自行恢复、反复使用、不需维修等优点。其中， RXE系列为圆片形，RUE系列属方形，miniSMD为小型化表面安装元件，SRP系列为片 状。 自恢复熔丝具有开关特性，内部由高分子晶状聚合物和导电链构成。由于聚合物 能将导电链紧密地束缚在晶状结构上，因此常态下的电阻非常低，仅为零点几欧左 右。当工作电流通过自恢复熔丝时所产生的热量很小，不会改变聚合物内部的晶状 结构。当发生短路故障时，电流急剧增大，导电链产生的热量使聚合物从晶状胶 体变成非晶状胶体，原本被束缚的导电链便自行分离断裂，元件的电阻值就迅速增 加几个数量级，呈开路状态，立即将电流切断，起到保护作用。而一旦过电流故障 被排除掉，元件很快又恢复成低阻态。正是这种“(通态)⇄超高阻(断态)”的可持续 转换，才使之能反复使用而无须更换。 在业余条件下，可用万用表来检测自恢复熔丝的好坏。具体方法如下： ①测量室温下的电阻值。一般讲，自恢复熔丝的容量(IH)愈大，电阻值就愈 小。一般为零点几欧姆。 ②把自恢复熔丝与电流表串联后，接在直流稳压电源的输出端。要求稳压电源的 最大输出电流IoM必须大于IH，且留有足够的余量。首先将稳压输出Uo调至零伏，然 后逐渐升高Uo，可观察到电流表读数Io持续不断的增加。Io

  IH，电流值就突然减小。由此 证明自恢复熔丝已进入高阻态。关断电源后只需放置一段时间，又自动恢复成低阻 态。 此外，检查其正向温度特性及自恢复能力时，还可用加热法来代替通电法。首先 将电吹风、电烙铁等热源移近自恢复熔丝，使之不断升温。利用万用表的电阻挡可 观察到电阻值不断增大。然后移开热源，经过几秒钟至几十秒钟后(具体时间视自恢 复熔丝的型号规格和过热程度而定)，应恢复成低阻值。但需注意，不要用火焰烘烤 被测自恢复熔丝，这样很容易损坏器件。此外，禁止将电烙铁非间接接触器件，以免 因过热而影响自恢复熔丝的性能。 5、瞬态电压抑制器 瞬态电压抑制器亦称瞬变电压抑制二极管，其英文缩写为 TVS(Transient Voltage Suppressor)，是一种新型过电压保护器件。由于它的响应速度极快、钳 位电压稳定、体积小、价格低，因此可作为各种仪器仪表、自控装置和家用电器 中的过电压保护器，还可用来保护单片开关电源集成电路、MOS功率器件以及其他 对电压敏感的半导体器件。 瞬态电压抑制器是一种硅PN结器件，其外形与塑封硅整流二极管相似，如图 3-2-7a所示。可承受的浪涌电流分别可达 50A、80A、200A。其钳位电压0．7V〜3kV。 7 图 3-2-7 瞬态电压仰制器 a)外 形 b)符 号 c)伏 安 特 性 TVS的符号与稳压管相同，如图3-2-7b所 示，伏安特性如图12-19c所示。图中，UB、 IT分别为反向击穿电压(即钳位电压)、测 试电流。UR为导通前加在器件上的最大额 定电压。有关系式：UR=0.8UB。 瞬态电压抑制器在承受瞬态高能量电 压(例如浪涌电压、雷电干扰、尖峰电压)时， 能迅速反向击穿，由高阻态变成低阻态，并 把干扰脉冲钳位于规定值，来保证电子设 备或元器件不受损坏。钳位时间定义为从0V 达到反向击穿电压最小值所需要的时间。TVS的钳位时间极短，仅1ns，所能承受的 瞬态脉冲峰值电流却高达几十至几百安培。其性能要优于压敏电阻器(VSR)，且参数 的一致性好。 TVS器件分单向瞬态电压抑制器、双向瞬态电压抑制器两种类型。国内外产品有 TVP、SE、5KP、P6KE、BZY、BZT等系列。双向瞬态电压抑制器的典型产品有P6KE20、 P6KE250等, P6KE250它的反向击穿电压是250V，标称电压是200V。这类器件能同时 抑制正 向 、 负 向 两 种 极 性 的 干 扰 信 号 ， 适 用 于 交 流 电 路 中 。 第三讲 进线滤波器和有源功率因素校正电路 一、进线滤波器 电磁干扰滤波器亦称EMI滤波器，电网干扰噪声可分为两大类：一类是从电源 进线引入的外界干扰，另一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的干扰噪 声。这表明它属于双向干扰信号，电子设备既是噪声干扰的对象，又是一个噪声 源。若从形成特点看，噪声干扰分差模干扰与共模干扰两种。差模干扰是两条电 源线之间(简称线对线)的噪声，共模干扰则是两条电源线对大地(简称线对地)的 噪声。因此，电磁干扰滤波器应符合电磁兼容性(EMC)的要求，也必须是双向射 频滤波器，一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避 免本身设备向外部发出噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常 工作。此外，电磁干扰滤波器应对差模、共模干扰都起到抑制作用。开关电源两 根交流进线上存在共模干扰(两根交流进线上接收到的干扰信号，相对参考点大 小相等、方向相同，如电磁感应)和差模干扰(两根交流进线上接收到的干扰信号 相对参考点大小相等、方向相反，如电网电压瞬时波动)。两种干扰以不同比例 同时存在。开关电源中，整流电路、开关晶体管的电流电压快速上升或下降，电 感、电容的电流也迅速变化，这些都构成电磁干扰源。为减少干扰信号通过电 网影响其他电子设备的正常工作，也为减少干扰信号对本机音视频信号的影 响，需要在交流迸线侧加装进线滤波器。滤波器由电感电容构成。开关电源的 进线 交流进线滤波器的电路结构 电路中LFl、LF2是共模扼流圈，在一个闭合高导磁率铁芯上，绕制两个绕向相 同的线圈。共模电流以相同方向同时流过两个线圈时，两线圈产生的磁通是相同 方向的，有相互加强的作用，使每一线圈的共模阻抗提高，共模电流大大减弱， 对共模干扰有强的抑制作用。 在差模干扰信号作用下，干扰电流产生方向相反的磁通，在铁芯中相互抵消， 使线圈电感几乎为零，对差模信号没有抑制作用。LFl、LF2与电容CYl、CY2构成 共模干扰抑制网络。 电路中L1是差模扼流圈，在高导磁率铁芯上独立绕线构成，对高频率差模电流 和浪涌电流有极高的阻抗，对低频(工频)电流的阻抗极小。电容CXl、CX2滤去差 模电流，与Il构成差模干扰抑制网络。R1是CXl、CX2的放电电阻(安全电阻)，用 于防止电源线拔插时电源线插头长时间带电。安全

  规定，当正在工作之中的 电气设备电源线被拔掉时，在两秒钟内，电源线插头两端带电的电压(或对地电位) 必须小于原来电压的30％。 需要非常提示，电容CX、CY为安全电容，一定要经过安全检测部门认证并标有安 全认证标志。CY电容一般都会采用耐压为AC275V的陶瓷电容，但其线 达4000V以上，因此，CY电容不能随便用AC250V，或DC400V之类的电容来代用。CX 电容一般都会采用聚丙烯薄膜介质的无感电容，耐压为AC250V或ACZ75V，但其线V以上，也不能随便用AC250V或1)C400V之类的电容来代用。 电容C1、C2的作用是滤去整流二极管两端的高频谐波电压，高频谐波电压被50 ／60Hz信号调制后会对伴音和图像造成干扰。F1保险丝，ZV1是防雷击元件。 二、有源功率因数校正电路 电 识根据 工学知 , 电 电 电压 电 电压在正弦交流 路中 阻上的 和 流同相，即波形相同， 的幅 电度是 流幅度的 R 电倍， 阻上消耗的有功功率 P=UI 电 电 电压 电。但是在 感或 容上的 和 流波 还形除了幅度不一致外，相位 原有 90 们º的相位差，它 消耗的有功功率 P=0 说 们，也就是 它 电 储 对 电 线 过 电 时 储在 路中起 能作用并不耗能。 于 感 圈，当通 其 流增加 ，其所 磁能也增加； 过 电 时 电 场 对当通 其 流减少 ，向外 路放出磁 能量； 于电 电压 时容器，当其两端 增加 ，其所 储电能也增加, 电压 时 电 储电 们当其两端 流减小 ，向外 路放出所 能。我 用无功功率 Q=UI，来 电 电 电 换表示 感或 容元件在 路中能量的交 作用。 1 、 义功率因数的基本定 对 线 络 电 变换任一无源 性二端网 ，根据 路的等效 原理,总 为 电 电可以等效 一个 阻和一个 电 电 联 电抗（ 感或 容）元件相串 的 路，即阻抗 Z=R+jX。其中，R 为电阻，X 为电抗 设， 其 电压为上加的正弦 u(t) 过 电 为，流 的正弦 流 i(t),则此 电压 电正弦 和 流波形必然产生相位差θ， 则该电路的的有功功率 P 和无功功率 Q 别 义为分 定 P=UICOSφ Q=UISINφ 功率因数 PF(Power Factor) 义的基本定 是 PF=cosφ 式中，φ 电 对 电压是正弦 流波形相 于 波形的相位差。 负载 电 时 电压 电只有当 呈 阻性 ， 与 流波形同相，PF=1。 负载时感性或容性 PF 小于是 1， 负载 电 值 实际 业 电 为 补且 的 抗成分愈大，功率因数 愈小。 工 用 中 了提高功率因数，常使用 偿 电 电 镇 电 电 电法。如日光灯 路加接 容器来抵消 流器的 感分量，工厂的配 房，另配 容器柜 电 这种 为来抵消众多 机的的感性分量。 方法称 功率因数无源校正法。 绍 种 电下面介 的另一 情况，如常用的 子整流器,,由于使用了二极管 线的非 性整流和大容 电 滤 导量的 容 波，使二极管的 通角大大小于 180º, 电压 值 导 图只在 最大 附近 通，如 3-3-2 所 示。 图 3-3-2 桥 输 电压电式整流器交流 入端的 流波形 这样 产 电 谐就 生了大量的 流 波成分, 仅 还 过电 对 电 产不 功率因数低，而且 可能通 源 其它用 器 扰 输 电压电 图生干 ，其 出端的 流波形如 3-3-3 所示。 2 图 3-3-3 桥 输式整流 出端电压 电和 流波形 2 、 电 问题低功率因数 源存在的 开关电 输 电压经 滤 电在没有功率因数校正的 源中，交流 入 整流后，直接加到 波 容器两端。 输 电压 滤 电 电压时 滤 电 开 电只有交流 入 高于 波 容两端 ， 波 容才 始充 ，整流二极管理体中才 电有 过流流 ， 输 电 为宽 图因此 入 流波形 度很窄的脉冲，如 2 这种电 仅严所示。 流不 重滞后 电 电压 谐 输 总谐源 而且 波分量很大， 入 波失线。 较 开关电 许 问题功率因数 低的 源存在 多 ，主要 电 变是使 网波形畸 电；降低供 系 统 线 损的功率因数， 路 耗加大， 统 电 电设备增大系 供 容量；降低用 的常规使用的寿命；干 扰仪 仪 计器、 表；使 算机无法工作。现 线 损 举 说就增加 路 耗 例 明如下： 电 实际如有一家用 器 消耗功率220W 电电压额 值，因市 定 是220伏，当功率因素PF=1 时 则， I=1A 这样 电线 电 为， ，从交流市 路流入的 流 1安培。当功率因数PF=0.7时 , 代入 P=UIcosφ式中,则得到I=1.43A， 时 电线 电 为即此 从交流市 路流入的 流 1.43安培,比原来 电的 流增加了43%. 们 电传输线 损我 再算一下市 中的 耗:设传输线时 线时 线W 线 损 见 电 对节约， 路 耗增加了一倍。可 功率因素提高 路 能源的及其重要的作用。 3、有源功率因素校正基础原理 们 桥 输 电 值 电压如果我 使 式整流器的 出 流的平均 和 为的波型相同，功率因素即可 1。如 图 3-3-4 所示的 压转换 开关闭 电 电升 器得到了广泛的采用。 合使 流流入 感器 压电 储，升 感 负载电 滤 电 给能， 流由 波 容供 开关。 开 压电断 ，升 感电流经 压升 输二极管 出 负载 对到 ，并 滤 电 电波 容充 电 过电 电 电。由于 容通 感 流充 时。此 的输 电压出 桥 输 电压因是 式整流器 出 与 压电 压升 感 降之和。使 PFC电路输 电压 输 电压出 比 入 更高，且 过通 升电 电 连感的 流由不 续变为连续 这样 变 电 导 问题 电 导， 就改 了原来 流 通角小存在的 ，并且使 流 通角的大小跟随 电压 变 规的 化 律。 图3-3-4 压升 型功率因数校正（PFC 图）原理示意 3 图在 3-3-5 电 桥 输路中 式整流器的 出基波信号是 100 兹电压 为赫 作 功率因数校正的取 样电压 过 开关 过电 电 值 电压 图，通 控制 管的高速通断，使流 感的 流平均 波形与 一致，如 3-3-6 这样所示 功率因数就接近 1 图。 3-3-5 中乘法器的作用是将 PFC 电 输路的 入信号（100 赫 兹 动 输 电压 调的脉 信号）与 出 （直流）相乘后， 整 VT 栅 宽 输 电压 馈极的脉冲 度。 出 的反 是 控制 PFC 电 输 电压 电 输 电压 变 变路的 出 不随交流 源的 入 的 化而 化，使 PFC 电 实现路 其第二 电压个功能，即当交流 在 90～240 围 变 时伏的范 内 化 ，PFC 电 输 电 变路 出的直流 流基本不 。 说需要 明的 电 结按有源功率因数校正 路 构分有 压降 式和 压升 式 种两 ,因 压 开关降 式功率 管 负载 联是和 串 , 过 电要通 全部工作 流，功耗大 压，很少被采用。升 式（boost 简单电）： 流型 控制，PF 值 总谐 输 电压 输 电压 应 为高， 波失真小，效率高，但是 出 高于 入 。 用最 广泛。它具 优有以下 点： 图3-3-5 PFC 实际电 图控制的 原理 图 3-3-6 开关 栅 电压 电 电管 极 和 感上 流的波形 ① 电 电路中的 感L 电适用于 流型控制。 ② 压由于升 型PFC 的电压预调 输整作用在 出滤波电容器C 上 开关 频，因 通断 率高， 电所以 容 器C 积 储体 小、 能大。 ③在整 输 电压变 围个交流 入 化范 内能保持很高的功率因数。 ④输 电 连续

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