平板显示器电源设计.doc

平板显示器电源设计摘 要随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们日常工作生活联系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种控制设备电器、通讯设备领域，电子检测设备等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由开关器件（MOSFET、BJT等）构成利用脉冲宽度调制（PWM）控制。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率不同。随着电力电子技术的发展和创新，开关电源技术在不断地创新，使得低输出电源成本下降，这为开关电源提供了广泛的发展空间。 开关电源的发展方向是高频化，因为它使开关电源向小型化发展，并使开关电源进入更广阔的应用领域，特别是在高新技术领域，从而推动了高新技术产品的小型化、轻便化。关键词：开关电源，整流，自激式振荡Flat panel display power supply designABSTRACTWith the rapid development of power electronics, power electronics equipment and peoples daily work lives ever closer, and electronic equipment are inseparable from the reliable power supply, computer power into the 80s full realization of the switching power supply technology, the first to complete the computers power generation , the 1990s have entered into a variety of switching power electronics, electrical appliances, communications devices, electronic testing equipment, control equipment, etc. have been widely used switching power supply, but also to promote the rapid development of switching power supply technology.Switching power supply is the use of modern power electronics technology, control switching transistor turn-on and turn-off time ratio, to maintain a stable output voltage of a power, switching power supply switching devices generally (MOSFET, BJT, etc.) constitute the use of pulse width modulation (PWM) control . Switching and linear power compared to both of the costs are increased as the increase of the output power, but they grow at different rates. With the development of power electronics technology and innovation, constantly switching power supply technology innovation, making the low output power costs down, which is the switching power supply provides a broad space for development.Switching power supply development in the direction of high-frequency, because it makes the switching power supply to small development and to switch power to enter a wider field of application, especially in high-tech fields, thereby promoting high-tech products of the small, lighter . KEY WORDS: Switching Power Supply, Bridge Rectifier, Self-excitation39 / 43目录前言1第1章 开关电源基本原理21.1 开关电源的组成与工作原理21.1.1 开关电源工作原理21.1.2 开关电源的构成31.1.3 开关电源的特点41.2 开关电源应用的问题与未来发展51.2.1 开关电源应用的问题51.2.2 开关电源的发展趋势61.3 开关电源的主要类型61.3.1 控制方式61.3.2 输出取样方式71.3.3 其他方式9第2章 自激式开关电源112.1 自激式开关电源的结构和保护电路112.1.1 自激式降压电源的结构和工作原理112.1.2 降压型电源保护电路142.2 自激式开关电源的器件152.2.1 开关晶体管162.2.2 开关二极管182.2.3 光电耦合器192.2.4 可调稳压器件TL431222.2.5 热敏电阻222.2.6 稳压器件78XX23第3章 自激式开关电源的设计253.1 总体设计253.2 电路模块253.2.1 启动与滤波电路253.2.2 DC/AC变换电路263.2.3 反馈与保护电路273.2.4 输出转换电路28第4章 开关电源的维护304.1 开关电源的维护方法及注意事项304.2 开关电源的维护方法314.2.1 常用维护方法314.2.2 常见故障的判断方法33结论36谢辞37参考文献38附录39外文资料40前言电源是向电子设备提供功率的装置，它把其他形式的能量转换成电能。如发电机是将机械能转换成电能，干电池是把化学能转换成电能。整流是通过变压器和整流器，把交流电变成直流电。信号源能为电力电子设备提供信号。晶体三极管能把上一器件送来的信号加以放大，再将放大的信号传送到后级电路中。晶体三极管对后面的电路来说，也可以看作是信号源。整流电源、信号源都可以叫做电源。开关电源技术是运用半导体功率器件实现电能的高频率变换，将粗电变换成精电，以满足供电质量要求的技术。由于在开关电源中半导体功率器件工作在高频开关方式，因此它具有效率高，功率密度高，可靠性高等优点。由于开关电源的优点突出，开关电源更替线性电源是发展的必然趋势。开关电源具有功耗小、功率高、稳压范围宽、体积小(重量轻)等突出优点，在通讯领域、检测领域、家用电器领域等电子电路中得到了广泛的应用。由于价格低廉，电路简单，目前仍有较多的电子设备采用自激式开关电源完成多种电压输出，包括升/降电压、改变极性等功能。自激式开关电源触发开关管的信号由自激振荡产生，在一定程度上简化了电路。基本的自激式开关电源是不隔离式的，输入电压经开关管控制后构成输出电压，输入与输出共有负极为公共端。采用不隔离的开关电源的用电设备当由市电整流输出时，用电设备可能接有交流高压的输入，因此其应用条件和范围有所限制。 第1章 开关电源基本原理开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，并能输出稳定电压的一种电源。随着电力电子技术的应用发展，其技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被电子设备所广泛应用，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。开关电源中的功率调整管工作在开关状态，具有功耗小、效率高、稳压范围宽、温升低、体积小等突出优点，在通信领域、检测领域、家用电器等电子电路中得到了广泛应用。1.1 开关电源的组成与工作原理1.1.1 开关电源工作原理开关电源的工作原理可以用图1-1进行说明。图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输入端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管。开关S按要求改变导通或关断时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波就可得到稳定的直流输出电压Uo。 原理电路 波形图图1-1 开关电源的工作原理定义脉冲占空比如下： （1-1）式中，T表示开关S的开关重复周期；ton表示开关S在一个开关周期的导通时间。开关电源直流输出电压Uo与输入电压Ui之间具有如下关系： （1-2）由式（1-1）和式（1-2）可以看出： （1） 若开关周期T一定，改变开关S的导通时间ton，即可改变脉冲占空比D，达到调节输出电压的目的，这种保持T不变而只改变ton来实现占空比调节的方式，称为脉冲宽度调制（PWM）。由于PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此PWM式开关电源用的较多。（2） 若保持ton不变，改变利用开关频率来实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压Uo稳压的方式，称为脉冲频率调制（PFM）。由于开关频率不固定，所以PFM方式的输出滤波电路的设计不宜实现最优化。（3） 既改变ton，又改变T，从而实现脉冲占空比的调节的稳压方式，称作脉冲调频调宽方式。在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节方式均有应用。1.1.2 开关电源的构成开关电源由以下四个基本环节组成（见图1-2）：（1） DC/DC变换器：用以进行功率变换，是开关电源的核心部分。DC/DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。（2） 驱动器：开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号放大、整形，以适应开关管的的驱动要求。（3） 信号源：产生控制信号，由它激或自激电路产生，可以是PWM信号，也可以是PFM信号或其他信号。（4） 比较放大器：对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，达到稳定输出电压的目的。图1-2 开关电源基本组成框图除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动电路、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等。 开关电源与线性电源相比，输出端较多地表现了输入的瞬态变换，在提高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应指标也能得到改善。负载变换瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定。所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器LC的值的方法改善瞬态响应特性。1.1.3 开关电源的特点开关电源具有以下特点：（1） 效率高。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小、效率高。调整管的效率一般为80%-90%，高的可达90%以上。（2） 稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在90-270V范围变化时，输出电压的变化在以下。合理设计电路还可以使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。（3） 功耗小。功率开关管工作在开关状态，其损耗小：电源温升低，不需要采用大面积散热器。采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。（4） 元件数值小。由于开关电源的工作频率高，一般在20kHz以上，所以滤波元件的数值可以大大减小。（5） 重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，所以电源的重量只是同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小。（6） 安全可靠。在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，所以当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保护功能可靠。1.2 开关电源应用的问题与未来发展1.2.1 开关电源应用的问题随着半导体技术和微电技术的高速发展，集成度高、功率强的大规模的集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断的缩小，重量在不断的减轻，由于有开关变压器的存在，应用效果不甚，因此开发商致力于研制效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者希望通过其他可行的方法来取代开关变压器，使之能够满足设备微小型化的需要。这是开关稳压电源研制首要困难。开关稳压电源的效率与开关管的通断速度成正比，而且只有采用了开关变压器，才能使之单输入电源得到极性、大小各不相同的多组输出，因此如果要进一步提高开关稳压电源的效率，就必须提高电源的工作频率。但是，当频率提高以后，整个电路中的元器件也要随之更新以满足其需要，比如高频电容、开关管、储能电感等。近一步研制适应高频率工作的有关电路元器件，也是研究者或开发商需要解决的问题之一。线性稳压电源工作在线性状态，具有稳压和滤波双重作用，因而串联线性稳压电源没有开关干扰问题，且其输出纹波电压较小。但是，由于开关管工作在开关状态，其电路中通过的交变电压和电流会产生较强的尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰还会污染市电电网，影响临近的电子设备的正常工作。随着电源电路和抗干扰措施的不断改进，开关稳压电源的这一缺点已得到一定的改善，可以达到不妨碍一般的电子仪器、设备和家用电器正常工作。但是，其影响对于一些精密电子仪器来说确是不容忽视的。所以，科技人员也必须克服稳压电源的这一缺点，进一步提高它的使用范围。客观上讲，开关电源的发展非常迅速，这时因为它具有其他电源所无法比拟的优势。材料之新、用途之广，是它快速发展的主要动力。但是，它离人们的最终应用要求、还差得很远，体积、重量、效率、抗干扰能力、电磁兼容性以及使用的安全性都不能说是十分完美。目前要解决的问题有：(1) 元器件问题。由于元器件不能小型轻量化造成了电源控制集成度低，这影响了开关电源的进一步发展。 (2) 能源变换问题。电能变换主要形式有：AC/DC变换、AC/AC变换、DC/AC变换以及DC/DC变换等。这些变换的实现都是以频率为基础，以改变电压为目的，工艺复杂，控制难度大。(3) 软件问题。开关电源的软件开发目前只是刚刚起步，例如软开关，虽然它的损耗低，但难以实现高频化和小型化。要做到“软开关”并实行程序化，更是有一定的困难。要真正做到功率转换、功率因数改善、全程自动检测控制实现软件操作，目前还存在很大的差距。(4) 生产工艺问题。往往在试验室中能达到相关的技术标准，但在生产上会出现各种问题。这些问题大多是焊接问题和元器件技术性能问题，还有生产工艺上的检测、老化、粘结、环境等方面的因素。1.2.2 开关电源的发展趋势未来的开关电源其工作频率期望达到210MHz，效率达到95%，功率密度达到36W/cm2，功率因数可以达到0.99，长期使用完好，寿命在80000h以上。所谓高标准就是对未来开关电源的挑战：第一，能不能全面通容电磁兼容性的各项技术标准；第二，在企业里能不能大规模地、稳定地生产，或快捷地进行单项生产；第三，按照人们的需要，能不能组装或拼装大容量、高效率的电源；第四，能否使新的开关电源具有比运行中的电气额定值更高的功率因数、更低的输出电压（13V）、更大的输出电流（数百安）；第五，能不能实现更小的电源模块。1.3 开关电源的主要类型1.3.1 控制方式1. 脉冲宽度调制式由于开关电源输出直流电压表达式（1-2）可知，控制开关管的导通时间通，可以调整输出电压Uo，达到输出稳压的目的。脉冲宽度调制（PWM）方式是采用恒频控制，即固定开关周期T，通过改变脉冲宽度ton来实现输出稳压。开关器件的开关频率f由自激或它激方式产生。 2.脉冲频率调制式脉冲频率调制（PFM）方式是利用反馈来控制开关脉冲频率或开关脉冲周期，实现调节脉冲占空比D，达到输出稳压的目的。3. 脉冲调频调宽式这种控制方式是利用反馈控制回路，既控制脉冲宽度ton，又控制脉冲开关周期T，以实现调节脉冲占空比D，从而达到输出稳压的目的。4.其他方式若触发信号利用电源电路中的开关晶体管、高频脉冲变压器构成正反馈环路，完成自激振荡，使开关电源工作，则这种电源称为自激式开关电源。它激式开关电源需要外部振荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。它激式电源大多数需要专用的PWM触发集成电路。1.3.2 输出取样方式取样电路是电源反馈电路的重要部分，取样方式对系统的稳定性有决定作用。取样方式是开关电源电路设计的重点工作之一。1. 直接取样电路图1-3为直接输出取样电路在开关电源中的应用实例。光电耦合器中三极管集电极电流Ic的大小与发光二极管电流IF及光电耦合系数h成正比例关系，即 （1-3）图1-3 直接输出取样电路当开关电源的输出电压因输入电压升高或负载减轻而升高时，开关电源+B滤波电容C561两端升高的电压一路经取样电阻R555、R556取样，光电耦合器OC515的1脚电压升高，即发光二极管正极电位升高；另一路经取样电阻R552、R551、R553取样，误差放大管VT553的基极电位升高，由于VT553发射极接有稳压管，其发射极电位不变，所以VT553加速导通，集电极电位下降，于是OC515内的发光二极管发光强度增大，OC515内的光电三极管内阻下降，脉宽调节电路的VT511、VT512相继导通，开关管VT513导通时间减小，使输出电压下降到正常值。采用直接输出取样方式的开关电源安全性好，且具有便于空载维护、稳压反应速度快、瞬间响应时间短等优点。由误差取样电路与误差放大电路组成的三端误差取样放大器电路如图1-4所示。该电路不但简化了结构，而且提高了电路的可靠性。 图1-4 三端误差取样放大器电路2.间接取样电路 图1-5 间接输出取样电路图1-5是一个开关电源的间接输出取样电路。在开关变压器上专门设置有取样绕组（即1、2绕组），取样绕组感应的脉冲电压经VD811整流，在滤波电容C815两端产生供取样的直流电压。由于取样绕组与次级绕组采用了紧耦合结构，所以滤波电容C815两端电压的高低就间接反映了开关电源输出电压的高低。间接输出取样方式的缺点是响应慢，当输出电压因输入电压等原因发生突变时，输出电压的变化需经开关变压器磁耦合才能反映到取样绕组两端，所以稳压的动态效果一般。1.3.3 其他方式1. 按激励方式分（1）它激式它激式开关电源必须有一个振荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。电路中专设激励信号产生的振荡器，电路形式如图1-3（c）所示。（2）自激式自激式开关电源利用电源电路中的开关晶体管和高频脉冲变压器构成正反馈电路，来完成自激振荡，使开关电源输出直流电压。在显示设备的PWM式开关电源中，自激振荡频率同步于行频脉冲，即使在行扫描电路发生故障时，电源电路仍能维持自激振荡而有直流输出电压。2. 按电路结构划分（1）散件式采用分立式元器件组成开关稳压电源电路，其电路形式较为复杂，可靠性不高。（2） 集成电路式由集成电路组成电源电路或电路的一部分，这种集成电路通常为厚膜电路。有的厚膜集成电路包括开关晶体管，有的则不包括。这种电源的特点是电路结构简单、可靠性高、调试方便。这种开关电源在彩色电视机普遍应用。3. 按输入与输出电压大小划分（1）升压式输出电压比输入电压高，实际就是并联型开关稳压电源。（2）降压式输出电压比输入电压低，实际就是串联型开关稳压电源。 图1-6 串联开关电源原理图 图1-7 并联开关电源原理图4. 按开关管电流的工作方式划分（1）开关型用开关晶体管把直流变成高频标准方式，电路形式类似于他激式。（2）谐振型开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准的正弦波，电路形式类似于自激式。以上五花八门的开关稳压电源都是站在不同的角度，已开关稳压电源不同的特点命名的。尽管电路的激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方式、开关管的器件种类以及串并联结构各不相同，但是它们最后总可以归结为串联型和并联型开关稳压电源这两大类。第2章 自激式开关电源自激式开关电源价格低廉，电路简单，目前仍有较多的电子设备采用此类电源完成多种电压输出，包括升/降电压、改变极性等功能。自激式开关电源触发开关管的信号由自激振荡产生，在一定程度上简化了电路。基本的自激式电源是不隔离式的，输入电压经开关管控制后构成输出电压，输入与输出共用负极为公共端。这种前后不隔离的开关电源，当由输入供电整流输入时，用电设备可能接通交流高压输入，使之应用条件和范围受到一定限制。2.1 自激式开关电源的结构和保护电路2.1.1 自激式降压电源的结构和工作原理1. 基本结构降压型开关电源是最基本的开关电源，图2-1是自激式降压开关电源的结构图。输入的直流电压经过开关管通/断控制变成周期性矩形波。设开关周期为T，开关管导通时间为ton，开关管截止时间为toff。图2-1 自激式降压型电源结构图当开关管导通时，续流二极管VD反偏截止，输入电压通过电容器C加在电感L两端，L中的电流随时间ton呈线性增长，与此同时，C充电电压上升。由于C的容量选择范围较大，在ton的全部时间内，C建立的充电电压极小，以保证ton期间的电能全部变成L的磁场能量。当开关管截止时，L释放磁能，其感应电压与输入电压极性相反，使VD导通，对C充电，使负载上有持续的电流。C在两次充电过程中，两端建立的充电电压正比于开关管导通时间ton。为了达到降压的目的，在此类开关电源中，ton/T的值常小于0.5，因此C两端电压也小于输入电压的1/2，控制开关管导通时间ton，即可控制负载两端的电压。为了控制输出电压，用分压器对输出电压取样，送入误差放大器的正相输入端。误差放大器反相输入端接入稳定的基准电压。当输出电压升高时，误差放大器输出电压升高，通过脉宽控制电路使开关管提前截止，脉冲宽度T1减小，迫使输出电压降低。2.自激式降压型电源工作原理图2-2所示的不隔离电源为自激式降压型开关电源的基本电路。VT1为开关管；T为储能电感；VD1为续流二极管；C2、C3分别为输入和输出电压滤波电容；VT2为脉宽调制器；VT3为误差检出放大器；VZD2、R4构成基准电压；R5、R6为输出电压取样分压器。VT1和T组成最基本的的间歇振荡电路，VT1无需外驱动脉冲。T有两种功能：一是由初级绕组1-2构成储能电感；二是初级绕组1-2和次级绕组3-4构成脉冲变压器，使得VT1可以依靠脉冲变压器的正反馈作用产生振荡。图2-2 不隔离电源原理图在振荡的过程中，VT1随每个振荡周期通/断一次，完成开关功能。电路中的振荡器为发射极输出反馈电路。接通电源时，输入电流通过R1给VT1基极提供初始偏置电流IB，VT1产生发射极电流，向C3充电。充电开始，输入电压几乎全部加在T绕组1-2两端，线性上升的T初级电流在T次级绕组产生感应电压，从T绕组3端经R2、C1加到VT1的基极。由于T的初、次级相位关系，使T绕组3端脉冲与1端同相位，构成正反馈。VT1发射极电流的上升，使T绕组3端产生加强的感应脉冲，加入VT1基极使IB上升，使得IE以IE=（+1）IB倍的速度增长，直到达到饱和，使VT1基极电流失去对IE的控制功能为止，此时VT1进入饱和区。饱和以后VT1基极不能继续控制IE，正反馈作用消失，C1通过VD3放电，IB下降，使（+1）IBIE，VT1发射极电流开始减小，最终截止。T绕组3端输出下降的感应脉冲，加到VT1基极，同样的正反馈过程使VT1快速截止，完成一个振荡周期，开关管完成一次通/断过程。在上述振荡过程中，R2构成C1充电电路。同时R2还有限制正反馈电流的作用，以免正反馈电流过大使VT1进入过饱和状态，从而增大VT1基区的存储效应，加大开关管的损耗。VD3为C1放电通路，C1的容量大小对振荡脉冲频率影响较大，即使VT1未进入饱和区，在VT1导通期间的正反馈过程中，C1充电电流小到一定程度，将会使VT1正反馈电流减小而开始截止过程，提前进入下一个周期的振荡。VT2构成VT1振荡脉宽控制器，具有对VT1基极电流的可变分流作用。在VT1振荡过程中，导通状态转为截止状态的转折点是IB0.7V时，VT2导通，稳压管输出电压U2经VT2集电极输出，触发晶闸管导通，将开关电源负载短路，实现停振保护。该电路具有自锁功能，一旦负载电流增大的持续时间超过C的充电时间，电路触发后，即使负载电流恢复正常也不能解除保护状态，必须关断电源排除过流因素，晶闸管才能复位。电路中R0阻值的选择由负载电流保护阈值而定，一般R0取值极小，在开关电源正常负载电流时其压降小于0.3V。R1和C1构成保护启动延时电路，防止开机瞬间负载电流冲击造成电路误动作。图2-4 自激式电源过流保护原理利用晶闸管的短路保护可以实现更精确的过压保护。用分压电阻将U2分压，将分压点经过稳压二极管接入晶闸管控制极。如果U2升高，分压点电压使稳压管反向击穿，则触发晶闸管导通。由于稳压管有比较准确的稳定电压值，特性曲线比较陡，反向电流较小，因此这种过压保护精度可以达到输出电压2%以内，优于上述简单的过压保护电路。2.2 自激式开关电源的器件无论那一种变换器，用的是那一种结构形式的开关电源，所使用的元器件都是开关晶体管、电阻、电容、电感及磁性材料等。选用好元器件，是决定开关电源质量的关键。往往设计的开关电源在试验室中式成功的，一到生产线上进行规模生产时，就会出现各种问题。当然，有设计方面的，有工艺方面的，还有焊接方面的，但多数是元器件选用问题。元器件本身质量的差异是影响开关电源质量的一个重要原因。开关器件的特征：开关电源的电子器件和处理信息的电子器件有所不同，其具有以下特征：(1) 处理电功率的范围宽，即承受电流和电压的能力强，这是开关器件重要的参数，其处理的能力大至兆瓦级，小至毫瓦级，大多远大于处理信息的电子器件。(2) 开关器件一般都工作在开关状态，导通时(通态)阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；关断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。(3) 开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际开关。(4) 电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。(5) 为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。导通时，器件上有一定的通态压降；形成通态损耗阻断时，开关器件上有微小的断态漏电流流过；形成断态损耗时，在开关器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。2.2.1 开关晶体管绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种电流密度大、电压激励高的场控制器件，是一种高速、高压新型大功率器件。它的耐压能力为6001800V，电流容量为100400A，关断时间低至0.2s，在开关电源中作功率开关用，具有MOSFET与之不可比拟的优点。IGBT的主要特点是： 有较大的电流密度，10倍于MOSFET。 有很高的输入阻抗，栅极驱动功率小，驱动电路简单。 有较低的导通电阻。IGBT的导通电阻只有MOSFET的十分之一。 高击穿电压，安全工作区大，有较大瞬态功率冲击时不至于损坏。开关速度快。耐压为1kV的IGBT的关断时间为1.2s，600V的产品的关断时间仅为0.2s。图2-5 IGBT图形符号双极型晶体管的检测：1. 基极极型的判别用模拟万用表判别将模拟万用表置Rx100或Rx1k挡，黑表笔接触被测管某个电极，红表笔分别接触其他两个电极，若两次测出的阻值都较小，说明黑表笔接触的是基极，且为NPN型晶体管。若两次测出的阻值都较大，说明黑表笔接触的是基极，且为PNP型晶体管。若两次测出的阻值一大一小，且相差较多，则黑表笔接触的不是基极。则将黑表笔接触另一电极再判别一回，最多判别三回，必然判别出基极。用数字万用表判别将数字万用表置二极管挡，红表笔接触被测管的某个电极，黑表笔分别接触另外两个电极。若两次测量中万用表示值均为0.3-0.7V，而且两次测量值接近，则红表笔接触的电极为基极，且为NPN型。如两次测量均显示溢出，则红表笔接触的电极为基极，且为PNP型。若两次测量中一次显示0.3-0.7V，另一次显示溢出，则红表笔接触的不是基极。须将红表笔接触另一电极再判别一回，最多判别三回，必然判别出基极。2.判别c、e极及测量HFE判别c、e极在判别出基极和极型后，进一步判别c极和e极。将万用表置Rx100挡，对于PNP型晶体管，将红表笔接基极，黑表笔分别接触另外两个引脚，两次测量中阻值较小的一次测量时，黑表笔所接触的引脚为c极，另一引脚为e极。对于NPN型晶体管，则将黑表笔接基极，红表笔分别接触另外两个引脚，两次测量中阻值较小的一次测量时，红表笔所接触的引脚为c极，另一引脚为e极。用数字万用表测量HFE将数字万用表置HFE挡，在已知管型NPN或PNP和c、e、b极的情况下，将被测管插入万用表的相应插座，即NPN或PNP插座，并把被测管的c、e、b极对应插入插座的c、e、b插孔，万用表的示值即为HFE。2.2.2 开关二极管二极管在电子电路中用得较多，功能各异。从结构上来分，有点接触型和面接触型二极管。面接触型二极管的工作电流比较大，发热比较厉害，它的最高工作温度不允许超过100。按照功能来分，有快速恢复及超快速恢复二极管，有整流二极管、稳压二极管及开关二极管等。以下介绍几种二极管的特点及检测方法。1.硅二极管开关管用在高速运行的电子电路中，起信号传输作用，在模拟电路中起作钳位抑制作用。高速开关硅二极管是高频开关电源中的一个主要器件，这种二极管具有良好的高频开关特性。它的反向恢复时间trr只有几纳秒，而且体积小，价格低。在开关电源的过压保护、反馈控制系统中常用到硅二极管，如1N4148、1N4448。硅二极管的主要技术指标是：(1) 最高反向工作电压VRM和反向击穿电压VBR：这两个参数越大越好。(2) 最大管压降VFM：小于0.8V。(3) 最大工作电流Id：大于150mA。(4) 反向恢复时间trr：小于10ns。2.稳压二极管稳压二极管又叫齐纳二极管（Zener Diod），具有单向导电性，它工作在电压反向击穿状态。当反向电压达到并超过稳定电压时，反向电流突然增大，而二极管两端的电压恒定，这就叫做稳压。它在电子电路中用作过压保护、电平转换，也可用来提供基准电压。、稳压二极管的分类稳压二极管分低压和高压两种。稳压值低于40V的叫做低压稳压二极管；高于200V的叫做高压稳压二极管。现在市面上从2.4V到200V，各种型号规格齐全。稳压管的直径一般只有2mm，长度为4mm。它的稳压性能好，体积小，价格便宜。稳压二极管从材料上分为N型和P型两种。选用稳压二极管的原则是：第一，注意稳定电压的标称值；第二，注意电压的温度系数。、稳压二极管的用途稳压二极管具有以下几个作用：第一，对漏极和源极经行钳位保护；第二，起到加速开关管导通的作用；第三，在开关电源中常用高压稳压二极管代替瞬态电压抑制器TVS对初级回路产生的尖峰电压进行钳位；第四，在晶体管反馈回路中，常常在晶体管的发射极串联一只稳压管作电压负反馈，提高放大电路的稳定性。、稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数如下： 稳定电压VZ。设计人员根据需要选用。 稳定电流IE。 温度系数t。温度越高，稳压误差越大。3检测方法及选用原则 检测方法：利用万用表的电阻档或数字万用表的二极管检测档，能够检查二极管的单向导电性，并测出正向导通压降；用兆欧表能测出反向击穿电压。一般正向电阻为6，反向电阻为无穷大，可从读出的负载电压计算出正向导通压降。 选用原则：超快速恢复二极管在开关电源中可作为阻塞二极管和次级输出电压的整流管。超快速恢复二极管的反向恢复时间在2050ns之间；整流电流Id为最大输出电流IOM的3倍以上，即Id3IOM；最高反向工作电压VRM为最大反向峰值电压V(BR)S的2倍以上，即VRM2V(BR)S。2.2.3 光电耦合器光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光电耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有较好的隔离作用，所以，它广泛应用于各种电路中。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收后产生光电流，进一步再经过放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因此电绝缘能力和抗干扰能力很强。又由于光耦合器的输入端为电流型低阻元件，因而共模抑制能力很强。所以，它在信息长线传输中作为终端隔离元件能提高信噪比。光耦合器的主要优点是：单向传输信号，输出端与输入端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，传输效率高，工作稳定，无触点，使用寿命长。光耦合器是70年代发展起来的新型器件，现已广泛用于电气绝缘、级间隔离、信号隔离、电平转换、开关电路、级间耦合、驱动电路、脉冲放大电路、数字仪表、斩波器、远距离信号传输、多谐振荡器、仪器仪表、脉冲放大、固态继电器(SSR)、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。 1.光耦合器的性能及类型用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为发光二极管、接收器件为光敏三极管。其输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间实现在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。其工作原理为当有电流通过发光二极管时，便使之发光形成光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。由于发光管和光敏管之间的耦合电容小（2pf左右）、耐压高(2.5可kV左右)，故共模抑制比非常高。此外，因其输入电阻小（约10），高内阻源的噪声相当于被短接，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。事实上，光耦合器输出特性与普通双极型晶体管的输出特性相似，因而可作为普通放大器直接构成模拟放大电路。然而，这类放大电路的工作稳定性较差，无实用价值。因为光耦合器的线性工作范围较窄，且随温度变化而变化，而且集电极反向饱和电流ICBO(即暗电流)和光耦合器共发射极电流传输系数受温度变化的影响明显。在实际应用中，应选用线性度高、线性范围宽的光耦合器来实现模拟信号隔离，此外还必须在电路上采取有效措施，尽量消除温度变化对放大电路工作状态的影响。由光耦合器的转移特性与温度的关系可知，若要使光耦合器构成的模拟隔离电路稳定并且有实用价值，消除暗电流（ICBO）的影响至关重要，其消除可以提高线性度，使静态工作点IFQ随温度的变化而变化，从而使输入信号的动态范围随温度自动变化，使输出信号保持对称性，以抵消温度对值的影响，保证电路工作在稳定状态。 2.光耦合器的类型光耦合器有双列直插式、管式和光导纤维式等封装形式，其种类繁多。光耦合器的种类达数十种，主要有通用型（又分无基极引线和基极引线两种）、施密特型、达林顿型、高速型、光敏场效应管型、光集成电路、光敏晶闸管、光纤维型。此外还有双通道式（内部有两套对管）、高增益型、交-直流输入型等等。国外生产厂家有英国ISOCOM公司等，国内厂家的苏州半导体总厂等。图2-6 光电耦合器3. 光电耦合器的检测 发送器的检测：DIP封装的光电耦合器较多，将引脚朝下，塑封平面朝上，把第1引脚的标记置于左上方，这时面向自己的塑平封装称正面。发送器位于正面的左侧。将数字万用表置二极管挡，将两只表笔分别与发送器的两个引脚接触。交换表笔测量两次，若一次示值为1V左右，另一次显示溢出，则为单管型发送器。在显示1V左右的一次测量中，红表笔接触的引脚为正极，另一引脚为负极。若两次测量示值均为1V左右，则是双管发送器。接收器的检测在DIP封装中，接收器位于正面的右侧。将模拟万用表置Rx1k挡，测量接收器的正方向电阻，若两次测量阻值相差较多，一般正向电阻10k左右，反向电阻无穷大，则接收器是光电二极管，在阻值较小的一次侧中，黑表笔接触的引脚是正极，另一引脚为负极。2.2.4 可调稳压器件TL431TL431是一个三端可调分流基准电压源，具有良好的热稳定性能。它的输出电压可以在2.5V到36V范围内任意地设置。其典型动态阻抗为0.2，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，开关电源、可调压电源、运放电路等等。TL431特点：（1）最大输出电压为36V；（2）电压参考误差：0.4 ，典型值25（TL431B）；（3）低动态输出阻抗，典型0.22 ；（4）负载电流能力1.0mA to 100mA；（5）等效全范围温度系数50 ppm/典型； （6）温度补偿操作全额定工作温度范围； （7）低输出噪声电压。图2-7 TL431外观和管脚2.2.5 热敏电阻热敏电阻时有锰钴镍的氧化物烧结成的半导体陶瓷制成的，具有负温度系数，随着温度的升高，其电阻值降低。热敏电阻的主要参数有：(1) RT0：零功率电阻值，表示室温为25时的电阻值。(2) T：零功率电阻系数，表示零功率下温度每变化1所引起电阻值的相对变化率（%/）。(3) ：耗散系数，指热敏电阻的温度每变化1所消耗功率的相对变化量（mW/）。热敏电阻在开关电源中起过温度保护和软启动的作用。过温保护时将热敏电阻并接在输入电路中。刚启动时，温度低，电阻值高，相当于开路。如果电路输入电压超高，热敏电阻就会发热，其电阻值降低，对输入电流分流。当发热越过极限值时，整流后的输出电压降低，开关电源高频振荡停振，或是由于热敏电阻阻值降低后，将电路保险丝烧断，电路与供电电源断开，起到热保护作用。所谓软启动是指电源刚通电时，因滤波电容C的电压不能突变，容抗趋于零，瞬时对电容充电的电流很大，容易损坏电解电容。为了解决这一问题，一般是在电路中串接几欧姆的电阻，在启动瞬间对电流加以限制。但是，由于电阻功耗上升，电源效率下降。如果将电阻换为热敏电阻，就可解决这一问题。电路刚通电时，热敏电阻的温度低，阻值很大，瞬时能对充电电流加以限制。随着电流通过发出热量，热敏电阻的阻值迅速减小，启动成功，功耗降低。这就是热敏电阻对软启动的作用。电阻值的检测：最常用的测试方法是用模拟万用表或数字万用表测量电阻。使用模拟万