作者：葛中海
出版社：电子工业出版社
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开关电源实例电路测试分析与设计试读：
前言
随着电力电子技术的迅速发展，开关电源已广泛应用于计算机、通信、仪器仪表、工业加工和航天等领域。因此，从事开关电源学习和研究的高校师生，以及从事开关电源设计研发的工程技术人员，都迫切需要理论性、实用性强的学习资料。这便是我们向同行介绍本书的原因。
开关电源具有效率高、体积小、重量轻等显著特点，因此近来获得了迅速发展。目前，无论是民用领域的家电产品、办公设备，还是专业领域的各类电子仪器设备，其供电方式均以开关电源为主流。开关电源采用的变压器工作在高频状态，因此体积可以做得很小，功耗可以做到很低，开关电源效率可高达80％～90％，这是传统的线性稳压电源和可控整流电源无法比拟的。目前，世界各国正在加紧研制新型开关，包括新的理论、新的电路方案与新的功率器件。
开关电源的工作于开关状态，从原理上讲（相对于线性工作）是低损耗的，但半导体开关工作也存在着损耗，而且损耗随着开关频率成比例地增加。因此，需要尽可能地降低电源电路的损耗。
另一方面，开关电源都采用变压器、电感和电容元件，开关频率的提高，可允许这些元件参数降低、体积变小。电子设备的小型化、轻量化，关键是供电电源的小型化、轻量化。因此，电源的小型化对整个设备的体积影响至关重要。
然而，随着开关高频的提高，这些元件的损耗也会增加。同时，半导体器件高速开关时，电路中存在分布电感与电容，会使二极管蓄积电荷的影响产生浪涌电压与噪声，不但影响周围电子设备的工作，而且也使电源本身的可靠性显著降低……所有这些，都需要工程人员具有扎实的开关电源理论和丰富的实践经验，具体问题具体分析，找出解决问题的最佳方案。
参与本书编写的主要作者都是多年从事职业教育与电子技术工作的老师，具有丰富的职业教育和电子技术工作经验。第1章由中山市技师学院陈全老师编写；第2章由中山市技师学院梁镇杰老师编写；第3章由中山市技师学校颜绮虹老师编写；第4章由中山市技师学院尹细妹老师编写，第5、6章由珠海市高级技工学校张倩老师编写。第7章由中山市技师学院葛中海老师编写，同时任主编，负责全书的策划、组织和定稿。
由于作者能力有限，加之时间紧迫，缺点和错误在所难免，恳请各界读者对书中的缺点和错误提出批评、指正。
为了使半导体元器件的编号符合国家标准且保持全书的统一性，实例电路图中半导体元器件的编号做以下更改：二极管以“D”打头的均改为以“VD”打头，三极管以“T”或“Q”打头的均改为以“VT”打头。
若读者对本书有什么意见建议，可以与主编葛中海老师直接联系，QQ1278685727，新浪博客http://blog.sina.com.cn/gezh。本书绝大部分开关电源板更详尽的测试分析及多角度照片，都将可能在其新浪博客中找到，以期弥补本书的遗憾与不足。编者第1章 概论
开关电源不同于线性电源，前者调整管工作在通、断状态，后者调整管工作在线性状态。开关电源通过控制调整管的通、断时间实现稳压。开关电源的优点是体积小、重量轻、功耗小、稳压范围宽，效率可高达80％～90％。调整管功率损耗小，散热器也随之减小。开关电源工作频率在几十千赫兹甚至几百千赫兹，滤波电感、电容元件可用较小的容量，允许的环境温度也可以大大提高，广泛应用在各种电子设备中。本章主要介绍开关电源的基本构成、分类及工作原理，让读者对开关电源有一个初步的认识。1.1 稳压电源的比较
电子设备离不开电源。电源供给电子设备所需要的能量。电源的性能、质量直接影响着电子设备的安全可靠运行，故此对电子设备电源性能、质量的要求也越来越高。现有的电源主要有两大类：串联线性稳压电源（简称线性电源）和开关稳压电源（简称开关电源）。这两类电源各具特色而被广泛应用。1.1.1 线性电源的结构与特点
线性电源的组成框图及输出波形如图1-1所示。图1-1 线性电源的组成框图及输出波形
线性电源通常都是由电网所提供的交流电，经过变压、整流、滤波和稳压环节而得到。其各个部分电路的作用如下：
①电源变压器——将220V电网电压转换为整流电路所需要的交流电压值，而少部分电路采用电容降压，如遥控电风扇电路。
②整流电路——将交流电压转换为脉动直流电压。常用的整流电路有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路。
③滤波电路——将脉动直流电压转换成较为平滑的直流电压。线性电源中常用的滤波电路有电感滤波、电容滤波和阻容滤波，其中最常用的是电容滤波。
④稳压电路——将直流电源的输出电压稳定，基本不受电网电压或负载的影响。在线性电源中常用的稳压电路有二极管稳压、串联稳压。其中，串联稳压有现成的集成电路，如固定电压输出的集成电路有LM78××，LM79××等，可调电压输出的集成电路有LM317和LM337等。
图1-2为包含市电降压、整流、滤波和稳压4个功能模块的线性稳压电源。图1-2 4个功能模块的线性稳压电源
线性电源的优点是稳定性好、瞬态响应速度快、可靠性高、输出电压精度高和输出纹波电压小；缺点是工作频率低，所采用的工频变压器、滤波器的体积和重量都较大。调整管工作在线性状态，功耗大、效率低，需要加装散热器。在一般情况下，线性电源效率均不会超过50％，但它优良的输出特性，在对电源性能要求较高的场合仍得到了广泛的应用。1.1.2 开关电源的结构与特点
在AC-DC电源转换中，市电均经整流变为高压直流（DC），再经DC-DC转换成负载所需的低压直流（DC），因此DC-DC转换器是开关电源的组成核心，故DC-DC开关电源也称为DC-DC转换器（注：因DC-DC开关电源的调整管工作在通（ON）与断（OFF）状态，故也称为开关管；又因调整管的主要功能是进行功率转换，故也称为功率管或功率开关管）。
开关电源工作原理的实质是通过改变电路中调整管的导通时间来改变输出电压（或电流）的大小，以达到维持输出电压（或电流）稳定的目的。
DC-DC转换器就是重复通/断开关，把直流电压（电流）转换成高频方波电压（电流），再经整流平滑变为直流电压（电流）输出。DC-DC转换器由半导体开关、整流二极管、平滑滤波电抗器和电容等基本元件组成。当输入、输出间需要进行电气隔离时，可以采用变压器，把高频方波电压（电流）通过变压器传送到输出侧。构成DC-DC转换器的基本元器件如图1-3所示。图中，UI为整流后不稳定的直流电压；UO为经过斩波的输出电压；S为开关。图1-3 DC-DC转换器构成的基本元器件
通过提高开关频率，滤波电感、开关变压器等磁性器件，以及滤波电容等都可以小型轻量化。对于DC-DC转换器，加在开关S两端电压US的波形近似为方波，而通过电流IS的波形近似为三角波或有台阶的三角波（见第7章，有台阶的三角波也可称为梯形波），如图1-4所示。其占空比定义
式中，T为开关S通断周期；tON为开关S导通时间；tOFF为开关S截止时间。图1-4 DC-DC转换器的开关波形
DC-DC转换器的开关波形（见图1-4）控制占空比的方法有保持(1)工作周期T不变、控制开关通/断时间的脉宽调制（PWM）、保持(2)导通时间tON不变、改变工作周期T的频率调制（PFM）。但在开关频率较低时，频率调制（PFM）方式需要较大的隔离变压器与输入/输出滤波器，这样既不经济，也使其体积过大，现实中难以接受，故这种工作方式的开关频率要足够高。
开关电源与线性电源相比具有较多的优点，见表1-1。表1-1 开关电源的主要优点序优点描述号开关管工作在开关状态，功率损耗小，效率可高达80％～90％，质量1功耗小，效率高好的可以达到95％甚至更高，而线性电源的效率只有50％甚至更低①开关管工作在高频状态，只需要较小体积的变压器就能传输较大的能量；②开关管损耗小，散热器也随之减小或干脆不用；2体积小，重量轻③开关频率在几十千赫兹以上，是线性电源的1000倍，整流后的滤波效率也几乎提高1000倍，故滤波电感、电容的容量和体积都大为减小；同时，允许的环境温度也大大提高当输入电压或负载变化引起输出电压变动时，开关电源能通过调节脉冲宽度、脉冲频率或同时改变两者自3适应电压范围宽适应调整，在电网电压变化较大的情况下，仍能保证稳定的输出电压。因此开关电源的稳压范围宽、稳压效果好及适用领域广开关电源有自激式和他激式、有4电路形式多样调宽型和调频型、有隔离型和非隔离型等
开关电源虽然有很多优点，但也存在一些问题影响着开关电源的生产或应用，见表1-2。表1-2 开关电源的主要缺点序缺点描述号调整管工作在开关状态，电流通过有关元件时会产生较大尖峰干扰和谐振噪声，这些噪声干扰频带宽、谐波大、电磁干扰强。如果不采取一定1电磁干扰大的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作或窜入电网，干扰附近的其他电子设备、通信设备和家用电器的正常工作调整管工作在开关状态，产生的尖峰干扰和谐波虽经整流、滤波电2纹波和噪声大路，但输出电压中的纹波和噪声仍然比线性电源大得多输出对输入的瞬态响应一般为ms级，对负载变化的瞬态响应主要是由LC滤波器特性决定的。线性稳压电源3瞬态响应慢输出对输入的瞬态响应几乎是即时性的，瞬态响应由反馈放大器的频率特性及滤波电容的容量决定直接对交流电网进行全波整流、电容滤波获得直流电压，交流电压与电流之间存在相位差，且输入电流不4功率因数低是正弦波，谐波含量很高。电流谐波的产生一方面使谐波噪声含量提高，另一方面使功率因数降低在一定频率下，开关电源的效率与工作频率成正比。然而，当频率提5对元器件要求高高后，对整个电路中的元器件，如功率开关管、开关变压器、储能电感、滤波电容等又有了新的、更高的要求1.2 开关电源的基本构成1.2.1 开关电源的基本构成
开关电源的基本构成如图1-5所示。图中，UI为市电整流滤波后的直流电压，UO为转换后的直流输出电压DC-DC转换器用于功率转换，是开关电源的核心部分，此外还有启动、过流和（或）过压保护、噪声滤波器等组成部分。图1-5 开关电源的基本构成
反馈回路检测输出电压并与基准电压比较，通过误差放大器放大，经脉冲宽调制电路和驱动器控制半导体的通、断时间比，从而调整输出电压或电流的大小。1.2.2 开关电源的稳定度
1．稳定度
稳定度是指输出电压随输入电压或负载变化的稳定程度，也称电压调整率。开关稳压电源（简称开关电源）的稳定度比串联线性稳压电源（简称线性电源）低，对于输入电压的变化，后者的输出几乎不变，而前者的变化比后者大103倍左右。
在如图1-6所示的开关电源中，由于反馈放大器的作用，输出电压与输入电压变化之比为
式中，A为放大器的增益，其中包含电阻分压器（R1和R2）引起的衰减量。若A设为1000，则ΔUO/ΔUI＝10-3，这意味着输入电压变化10V，输出电压就要变化10mV。若在相同情况下，对于线性电源，输出电压只变化10μV。图1-6 开关电源电路
2．输出阻抗
开关电源的输出阻抗为
式中，rD为整流器的等效（串联）电阻，rL为电抗器L的直流电阻。输出阻抗虽因整流器中二极管的额定电流不同而异，但二极管等效电阻rD为几十毫欧姆，电抗器L的直流电阻rL也与此相近。若rD＝25mΩ，rL＝25mΩ，A＝1000，则输出阻抗RO为50μΩ，在相同反馈放大器增益时，输出阻抗比线性电源低。
对于线性电源，输出对输入的瞬态响应特性由调整管的hrb决定。这里hrb是指晶体管基极接地工作方式的输入反馈系数，在工程实用时此值可忽略不计。然而，对于开关电源，输入的瞬态变化全部表现在输出端，要减小这种变化，却极大地影响着反馈放大器的增益与频率特性，一般为ms数量级。在提高开关频率的同时，反馈放大器的频率特性得到改善，此问题也有可能得到解决。
负载变化线性电源的瞬态响应由反馈放大器的频率特性及输出滤波电容的容量与特性决定，而对于开关电源，瞬态响应主要由输出LC滤波器的特性决定，因此可以用提高开关频率、降低输出滤波器LC乘积的方法来改善其瞬态响应特性。1.3 开关电源的分类
开关电源的电路结构有很多种，分类方法也很多，常见的分类方式如图1-7所示。图1-7 开关电源的常见分类方式1.3.1 按开关管的激励脉冲方式分类
无论何种开关电源，调整管均工作在开关状态。驱动调整管的激励电压可为方波的脉宽调制电压，也可为正弦波的谐振电压。开关电源按调整管的激励电压产生方式分为自激式和他激式。
1．自激式
自激式开关电源利用调整管、开关变压器辅助绕组构成正反馈环路，实现自激振荡，稳定电压输出。由于自激式开关电源的调整管兼作振荡管，因此无须专设振荡器。其脉冲信号是自激振荡形成的，是一种非固定频率的脉冲信号，随输入电压和负载变化而变化。在轻载时频率较高，在重载时频率较低，而在空载时会出现间歇振荡。
自激式开关电源本身具有一定的自保护功能，一旦负载过重，必然破坏反馈条件而停止振荡，从而保护了开关电源。由于其电流峰值高、纹波电流大，特别是在高功率、大电流工作时稳定性差，因此多用于60W以下的小功率场合。
2．他激式
他激式开关电源电路的调整管不参与激励脉冲的振荡过程，有专设的振荡器产生脉冲控制调整管。例如，常用的集成电路UC3842、NCP1200、TL494等集成控制器能输出占空比可调的PWM脉冲。如今，许多集成控制器能根据输出功率的轻重自动升降开关频率，以便在不同负载状况下，均能保持优良的电源转换效率。
由于集成控制器把保护电路、控制电路、振荡电路和反馈信号检测电路集成于同一芯片上，使其抗干扰性能好，电路简洁、功能强大，能够完成振荡、稳压、过流、过压和欠压等保护功能，是分立式开关电源所无法比拟的，因此近年来应用越来越广泛。1.3.2 按转换器的电路结构方式分类
开关电源按转换器的电路结构方式分为非隔离型和隔离型。
1．非隔离型DC-DC转换器
非隔离型DC-DC转换器输入和输出共地，适合低压直流电源转换的场合，包括降压式、升压式和升降压式。非隔离型DC-DC转换器的基本电路如图1-8所示。图1-8 非隔离型DC-DC转换器的基本电路
在分析上述电路工作原理时，为简便起见，假定开关为理想开关，电路中各元件的内阻忽略不计。另外，输入电压为UI、输出电压为UO、电感和电容的值足够大，流经电感的电流与电容两端电压的纹波非常小。
1）降压式转换器（1）工作原理
降压式转换器也称Buck电路。其工作原理分解电路如图1-9所示。当开关S闭合时，等效电路如图1-9（b）所示，电流见图中标注；VD因承受反压而截止，电感L励磁并存储能量，电容CO开始充电。当开关S断开时，等效电路如图1-9（c）所示，电流见图中标注；VD承受正压而导通，电感L消磁并释放能量，电容CO开始放电。在以上两种情形下，电感与负载的电流方向不变，但图1-9（b）过程电感电流线性增加，图1-9（c）过程电感电流线性减小。图1-9 降压式转换器分解电路
在换能电路中，如果负载太轻或电感L数值太小，在tON期间储能不足，那么在tOFF还未结束时能量已放尽，将导致输出电压为零，会出现阶梯台阶（参见第5章）。为了使输出电压的交流分量足够小，CO的取值应足够大。换言之，只有在L和CO的取值足够大时，输出电压UO和负载电流IO才是连续的，L和CO的取值越大，UO的波形越平滑。
由于IO是UI通过开关管和LCO滤波电路轮流提供的，所以在通常情况下，脉动成分比线性稳压电源要大一些，这是降压式DC-DC转换器的缺点之一。（2）降压公式
当开关S闭合时，加在电感L两端的电压为（UI-UO）。这期间，电感L由电压（UI-UO）励磁并储存能量，磁通的增加量为
当开关S断开时，由于电感电流不能突变，二极管变为导通状态。输出电压UO与开关导通时方向相反加到电感L上。这期间，电感L消磁并释放能量，磁通的减少量为
在稳态时，电感L磁通的增加量与减少量相等。所谓“伏·秒相等原则”，即ΔφON＝ΔφOFF，联立式（1-2）和式（1-3），则降压型转换器的电压变比M为
注：M＝UO/UI（下同）。
因D≤1，则UO≤UI，故这种转换器是降压式转换器。
2）升压式转换器（1）工作原理
升压式转换器也称Boost电路。其工作原理分解电路如图1-10所示。当开关S闭合时，等效电路如图1-10（b）所示，电流见图中标注；VD因承受反压而截止，电感L励磁并存储能量，电容CO开始放电。当开关S断开时，等效电路如图1-10（c）所示，电流见图中标注；VD承受正压而导通，电感L消磁并释放能量，电容CO开始充电。在以上两种情形下，负载的电流方向不变，但图1-10（b）过程电感电流线性增加，图1-10（c）过程电感电流线性减小。图1-10 升压式转换器分解电路（2）升压公式
当开关S闭合时，输入电压UI加在电感L上。这期间，电感L由输入电压UI励磁并储存能量，磁通的增加量为
当开关S断开时，由于电感电流不能突变，二极管转为导通状态，电压（UO-UI）与开关导通时方向相反加到电感L上。这期间，电感L消磁并释放能量，磁通的减少量为
在稳态时，电感L中磁通的增加量与减少量相等，即ΔφON＝ΔφOFF，联立式（1-5）和式（1-6），则升压型转换器的电压变比M为
因D≤1，则UO≥UI，故这种转换器是升压式转换器。
3）升降压式转换器（1）工作原理
升降压式转换器也称Buck-Boost电路。其工作原理分解电路如图1-11（a）所示。当开关S闭合时，等效电路如图1-11（b）所示，电流见图中标注；VD因承受反压而截止，电感L励磁并存储能量，电容CO开始放电。当开关S断开时，等效电路如图1-11（c）所示，电流见图中标注；VD承受正压而导通，电感L消磁并释放能量，电容CO开始充电。在以上两种情形下，负载的电流方向不变，但图1-11（b）过程电感电流线性增加，图1-11（c）过程电感电流线性减小。图1-11 升降压式转换器分解电路（2）升降压公式
当开关S闭合时，输入电压UI加在电感L上。这期间，电感L由输入电压UI励磁并储存能量，磁通的增加量为
当开关S断开时，由于电感电流不能突变，二极管转为导通状态。输出电压UO与开关导通时方向相反加到电感L上。这期间，电感L消磁并释放能量，磁通的减少量为
在稳态时，电感L中磁通的增加量与减少量相等，即ΔφON＝ΔφOFF，联立式（1-8）和式（1-9），则升降压型转换器的电压变比M为
当0≤D≤0.5时，M≤1，当0.5≤D≤1时，M≥1，故这种转换器是升降压式转换器。
非隔离型DC-DC转换器的控制特性曲线如图1-12所示。由特性曲线可知，通过控制开关的占空比D就可以改变输出电压的大小。对于这三类转换器，也可以从能量的蓄积与释放的观点来说明其基本工作原理。电感励磁就是蓄积能量，电感消磁就是释放能量。因此，对于三类转换器，当开关S闭合时，来自电源的能量蓄积在电感L上；当开关S断开时，蓄积在电感中的能量释放给负载。由于它们是改变开关占空比来控制能量的蓄积与释放，以获得直流输出的一种方式，因此也称为储能型（电感就是储能元件）。图1-12 非隔离型DC-DC转换器的控制特性曲线
2．隔离型DC-DC转换器
当DC-DC转换器实际应用于开关电源时，在很多情况下要求输入与输出间进行电气隔离，由于采用变压器进行隔离，因此这种转换器称为隔离型转换器，也称变压器耦合型转换器（或开关电源），是目前应用最多的类型。
其工作原理简述如下：输入电路把交流电整流滤波变为直流电，通过功率开关管周期性通、断控制变压器一次绕组的能量存储，把直流电压转换为高频方波电压，由变压器升压或降压后，再经整流滤波变为直流电压或电流，这类转换器也称逆变整流转换器。
隔离型DC-DC转换器包括反激式、正激式、推挽式、半桥式和全桥式多种类型。
图1-13为反激式转换器功能模块框图，包括多个功能模块。取样电路检测输出电压，并与基准电压比较，通过误差放大器比较放大后，经光电耦合器电气隔离，反馈到变压器的高压侧，再由控制脉冲宽度调制器来决定调整管的通、断时间，从而稳定输出电压或电流。图1-13 反激式转换器功能模块框图
1）反激式转换器
反激式转换器的电路原理如图1-14（a）所示。当开关S导通时，变压器一次绕组以输入电压UI励磁，电场能转化为磁场能存储在电感中，磁心的磁通密度增大，此时变压器二次绕组感应电压使二极管VD反向偏置而截止，因此二次绕组无电流。当开关S断开时，变压器二次绕组以输出电压UO消磁，存储在电感中的磁场能转化为电场能释放供给负载，磁心的磁通密度减小。这种转换器的工作原理与升降压式转换器类似。反激式转换器的电压变比为
式中，N为变压器匝比，即N＝N1/N2
反激式转换器的工作波形如图1-14（b）所示。tON期间，一次绕组两端的电压U1等于电源电压UI，二次绕组感应的电压为负值，在这个过程中，一次绕组电流线性增大，二次绕组无电流。tOFF期间，二次绕组两端的电压U2为正值，约等于输出电压UO（忽略二极管导通压降），在这个过程中，一次绕组无电流，二次绕组电流线性减小。图1-14 反激式转换器的电路及波形图
当开关S由导通转为关断瞬间，一次绕组的电流I1突然为零，由于变压器铁心中的磁通量Φ不能突变，必须要求流过变压器二次绕组的电流I2也跟着突变，以抵消变压器一次绕组电流突变的影响。当开关管由导通状态转为关断瞬间，一次绕组中的电流突然为零时，二次绕组的电流一定正好等于一次绕组励磁电流被折算到二次绕组电流I1的N倍。其中，N是变压器一次绕组与二次绕组的匝比，即I2＝NI1。该电流经整流二极管VD向负载输出电能，变压器消磁，从而实现能量转移与输出。
2）正激式转换器
所谓正激式转换器，是指当变压器的一次绕组正在被直流电压激励时，变压器的二次绕组正好有功率输出。正激式转换器的电路原理图如图1-15（a）所示。需要特别注意的是，开关变压器一、二次绕组的同名端，如果把一次绕组或二次绕组的同名端搞反，就不再是正激式转换器了。
正激式转换器的工作波形如图1-15（b）所示。当开关S导通时，变压器主绕组N1以输入电压UI励磁，能量蓄积在电感中，而二次绕组N2感应电压使二极管VD1导通，蓄积在电感中能量释放供给负载。此时，消磁绕组N3使二极管VD3反向偏置而截止。当开关S断开时，一次绕组N1没有释放完的能量转移消磁绕组N3，并以输入电压UI消磁，励磁能量反馈到输入侧；二次绕组N2感应电压使二极管VD1反向偏置，二次绕组无电流，但输出电感电流发生自感，续流二极管VD2导通。正激式转换器的电压变比为
式中，N为变压器匝比，即N＝N1/N2图1-15 正激式转换器的电路及波形图
正激式转换器有一个最大的缺点，就是在开关S关断瞬间，变压器的一、二次绕组均会产生很高的反电动势，这个反电动势是由流过变压器一次绕组的励磁电流存储的磁场能产生的。因此，为了防止在开关S关断瞬间产生反电动势击穿开关器件，在变压器中增加一个消磁绕组N3。一方面，N3产生的感应电动势通过VD3对反电动势进行限幅，并把限幅能量返回给电源，对电源进行充电；另一方面，流过N3中电流产生的磁场可以使变压器的铁心退磁，使变压器铁心中的
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]