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开关电源讲稿开关电源的电路结构有多种，分类方式也有多种，作如下说明：1按驱动方式分有自激式和他激式。2按DC-DC变换器的工作方式分（1）、隔离式有通/通方式、通/断方式、中心抽头方式、半桥和全桥方式、谐振方式。（2）、非隔离式有降压型（）、升压型（）、极性反转型、开关电容型以及谐振型。3按控制方式分（1）、脉宽控制方式有自激式和他激式。（2）、磁放大器的混合控制方式有电压控制、电流控制。（3）、脉宽控制与磁放大器的混合控制方式。4按控制信号的隔离方式分（1）、光电耦合的隔离方式（）。（2）、变压器的隔离方式。（3）、电压/频率变换、频率/电压变换、用变压器隔离控制信号的方式。（4）、磁放大器的隔离方式。5按过流保护方式分（1）、输出电流检测方式（2）、开关电流检测方式以上这些方式的组合可构成多种方式的开关电源，今天我们主要介绍上面带黑点的三个项目，这也是最常见的开关电源类型。一、降压型变换器低压型开关电源一般也称为DC-DC变换器，它属于非隔离式开关电源。在许多家电电器中有广泛的应用，比如象便携式CD、VCD、MP3，笔记本电脑等1为了便于讲解降压型DC-DC变换器，首先介绍降压型DC-DC变换器的等效模型，如图（1）所示： 开关导通时，加在电感两端的电压为，这期间电感由电压励磁，电感存储能量，磁通量增加量为 开关断开时，由于电感电流连续，二极管为导通状态。输出电压与开关导通时方向相反加到电感上。这期间电感消磁，电感释放能量，磁通量减少量为 稳态时，电感中磁通量增加量与减少量相等，即，因此，上述、式联立可得：，其中是占空比显然这种结构形式的DC-DC变换器输出的电压只会小于或等于输入的电压，因此它属于降压型变换器。2降压型变换器的实际电路如图（2）所示，这种DC-DC变换电路没有稳压控制，其中POW-SW是电源管理集成电路的驱动输出，它的脉冲宽度由主轴、滑动、寻迹、聚焦四组输出电压控制，哪一组输出电压高表示负载重，就取样该组电压，与内部基准电压比较、控制输出脉冲宽度。VDD接电池正极，当POW-SW为PWM的“低电平”时，VT1（C8050）饱和导通，肖特基二极（也称续流二极管）VD反偏截止，电感L励磁、储能；POW-SW为PWM的“高电平”时，VT1截止，肖特基二极管VD正偏导通，电感L续流释放能量，SERVO-VDD输入到电源管理集成电路内部，供电给四组（主轴、滑动、寻迹、聚焦）H桥形驱动电路。二、升压型变换器1同降压变换器一样，为了讲解升压型DC-DC变换器，首先简单介绍升压DC-DC变换器的等效模型，如图（4）所示。开关导通时，输入电压加在电感上，这期间电感由输入电压励磁，电感存储能量，磁通量增加。开关断开时，由于电感电流连续，二极管为导通状态，输出电压与开关导通时方向相反加到电感上。这期间电感消磁，电感释放能量，磁通量减少。 开关导通时磁通量增加： 开关断开时磁通量减少：稳态时，电感中磁通量增加量与减少量相等，即 ，因此，上述、式联立可得： ，其中是占空比显然这种结构形式的DC-DC变换器输出的电压只会大于或等于输入的电压，因此，它属于升压型变换器。2升压型变换器的实际电路如图（5）所示，这个DC-DC变换电路有稳压控制，所以变换后的POW-VCC非常稳定，电压值为3.20V；由于电路有些复杂，下面分几个部分来介绍：（1）、网络的出处及意义 VDD 连接电池正极 PWM-SW 电源管理集成电路的驱动输出，是PWM脉冲信号 POW-VCC 升压变换经稳压后的电源，供伺服以外的其它集成电路使用（2）、变压器T的结构及连接在这个升压型变换器电路中，变压器T是电能转换的核心器件，实际上经过对电路的彻底分析后，读者会发现，就T的作用而言，与其说是变压器，倒不如说它是电感。从图（5）可以看出；其和是同名端（和也是同名端），并且和直接连接。实际设计时初级绕组的电感量约100 120uH，次级绕组的电感量约10uH。（3）、工作原理正常工作时PWM-SW输出脉冲信号，经R1（100）加到VT1基极。当PWM-SW为“高电平”时，VT1饱和导通，变压器T的、相当于接“地”，参照前面的分析我们知道变压器T初级励磁、蓄能，根据同名端可知变压器初级极性“上正下负”，次级极性“上负下正”，其各脚电压梯度如下表（1）所示：端子号电压梯度对“地”电压高电源电压VDD、中“地”低-V2 其中V2是次级感生的电压，与供电电源VDD及初、次级匝比有关，V2为正值。 当PWM-SW为“低电平”时，VT1截止，变压器初、次级电压极性反转，根据同名端可知变压器初级极性“上负下正”，次级极性“上正下负”，其各脚电压梯度如下表（2）所示：端子号电压梯度对“地”电压低电源电压VDD、中VDD+V1高VDD+V1+V2 表（2） 其中V1、V2分别是初、次级感生的附加电压，且都为正值。 注：这里所讲的“上负下正”，“上正下负”都是相对谁比谁高而言，并不是对“地”的电压值为“正”或“负”。 好！下面结合4个关键点的波形图继续讨论。t0t1期间，VT1饱和导通，如图（6），变压器初级电流从开始线性增加到，如图（8），电感励磁、蓄能，它被激励产生反电动势（即感生电压）等于VDD，因此次级感生电压为- M*VDD（M是次、初级匝比）。VT2集电极电压为0V，发射极约3.2V，所以VT2截止，电解电容C3、L2、C4构成型滤波网络供给负载，电容电压逐渐下降。t1t2期间，VT1截止，变压器初、次级电压极性反转，如图（7、9），这时变压器初级感生的附加电压V1与电源电压VDD同相相加，即、的电压为VDD+V1，同理，变压器端的电压为VDD+V1+V2，从波形图上也可以看出这一点。于是，这个较高的电压脉冲经C1耦合、R3限流后加到VT2基极，而VT2基极被嵌位于约3.9V（因VT2发射极电压基本上是3.2V，而基极只能高发射极一个PN结的电压），VT2导通，变压器初级电流从开始线性减小到，如图（8），电感消磁、释放能量，这样就实现了能量变换。为了让读者有一个感性的认识，在VT1导通和截止两种情况下，我们计算一下变压器和端的电压值与哪些参数有关、大小如何？！A VT1导通：很显然变压器端电压， ，而此时初级被激励产生反电动势（即感生电压）等于VDD，所以次级感生电压为（是次、初级匝比）。B VT1截止：重写上面升压变换器输出电压公式：，那么变压器端电压，这个值减去电源，即初级感生的附加电压，而次级感生的附加电压可由次、初级绕组的匝比计算得到，于是，所以变压器端电压为：因此，我们可以这样理解上面波形图（7、9），当VT1由饱和导通转为截止时变压器端电压跳变为，变压器端电压跳变为；VT1由截止转变饱和导通时变压器端电压跳变为0，变压器端电压跳变为即端此时是负压。三、RCC变换器1RCC变换器的一般模型RCC变换器是Ringing Choke Converter的简称，广泛应用以下的开关电源中。它不需要自励式振荡电路，结构简单，由输入电压与输出电流改变工作频率。RCC的基本电路如下图所示，在导通期间变压器从输入侧蓄积能量，在紧接着的截止期间变压器蓄积的能量释放供给输出负载。结束时，变压器初级两端电压自由振荡回到。这电压通过基极绕组加到开关晶体管的基极，因此，晶体管触发导通，一导通就进入开始下一个工作周期。输入电压是输入交流电压经整流直流电压。时晶体管导通，因此加在变压器初级线圈两端电压就是，另一方面，变压器次级侧放电，供给输出电流。这期间，输出二极管中无电流，因此变压初、次级侧不产生相互作用。 比较具体的RCC变换器结构如下： 2RCC变换器实例下图是珠江三角洲地区广泛应用于手机电池充电器的原理图，该充电器为了节省成本采用半波整流，是高压滤波电容，它两端产生约300V的脉动直流电压。上电后R2给基极提供启动电流，振荡，变压器初级电感被激励，3、4端产生“上正下负”的电压，根据图中所示同名端，辅助绕组1、2端也产生“上正下负”的电压，经电容R4限流、C4耦合加到基极，开关管迅速饱和导通，集电极电流线性增加，基极电流按指数衰减，充电回路为：变压器2脚一R2一C4一发射结一R9一变压器1脚。 当基极电压上升到约1.4V时，迅速导通，拉低基极电位，随后退出饱和，流过集电极的电流相应减小，于是变压器初级电感被激励产生正极性电压，电压极性为“下正上负”(感应电压和输入电源同相相加)。变压器2端电压下跳为负压，由于电容两端的电压不能突变，所以C4左端也下跳为负压，迅速截止，这时放电回路为：变压器1脚一R9一R10一集电结一C4一R4一变压器2脚，此后电容放电，基极电压上升，当电压达到06V，又迅速导通，于是电路重复上述自激振荡稳定工作。 D7用来设置C5负极的直流电位，稳压管稳压值越大，C5负极的直流电位越低。 该电路次级输出电压与初级没有反馈通路，所以其稳压效果并不理想。实际上充电器设计时仅考虑输人电压为AC 220V的情况下，依靠精心设计变压器绕组(比如初级：170匝，辅助绕组：13匝，次级：19匝)和R9、D7的参数来实现输出电压为某个值，若输入电压增大，输出电压也会适当增大。次级很简单就不用介绍了！四、VIPer12/22离线式开关电源设计开关电源采用功率半导体作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图（1）所示，其中DC-/DC变换器进行功率变换，它是开关电源的核心部分，此外还有启动电路、过流与过压保护、电路噪声滤波器等组成部分。反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差电压通过误差放大器放大及控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体的通断时间比，从而调整输出电压的大小。 开关电源具有效率高、体积小、重量轻等显著特点，因此近年来获得了迅猛的发展。特别是近几年，由于解决了电气隔离和热绝缘技术，从而能够把功率开关与控制电路包括反馈电路集成于同一芯片上，这样大大简化了开关电源的设计、缩短了设计周期；同时，由于外围所需元器件很少，极大地提高了系统工作的稳定性与可靠性。比如由Fairchild Semiconductor公司推出的KA5H0365R/0380R系列芯片、Infineon Technologies（IT）公司推出的COOLMOSICE2A165/265/365系列芯片、Power Integrations（PI）公司推出的TOP2217系列芯片等都具有类似或相似的功能。用这类芯片做开关电源，无需加散热器，在通用电网即可输出20-50W的功率；保护功能齐全；电路结构简单；有的芯片还能自动降低空载时的工作频率，从而降低待机状态的损耗，故在中小功率开关电源中有着广泛的应用前景，下面就以STMicroelectronics公司的VIPer22A为主芯片，介绍步步高电子公司一款VCD开关电源的设计。（一）、VIPer12/22A概述VIPer12/22A是ST Microelectronics于2002年研发出的低功率、离线式控制器，它内部集成了开关控制电路和功率场效应管，图（2）是它的内部功能块原理图，其第12脚是功率管的源极（SOURCE），第3脚FB是反馈信号输入端，作为内部电路控制使用，第4脚VDD是电源（开始启动时电压由漏极通过IC内部高压电流源转换提供），第5 8是功率管的漏极（DRAIN），功率管的栅极（GRID）没有引出，在内部受一个RS触发器输出Q控制，该触发器有4个复位输入R1R4，分别代表温度、欠压锁定、过压和电流保护，1个置位S输入。因此，该器件具有过压、过流和温度保护功能，属电流控制型，漏极最大极限电流约708mA。ST公司还出品同类型开关集成电路VIPer12A（参看作者发表在2003无线电第十一期步步高便携式VCD/MP3/CD机镍氢充电器原理剖析一文），它与VIPer22A完全兼容，只是功率稍小一些，见下表（SO-8是表面封装型，DIP-8双列直插型）： VIPer12AVIPer12A电网类型SO-8DIP-8SO-8DIP-8欧洲（AC195-256V）8W13W12W20W美国/全电压（AC85-265 V）5W8W7W12W 它们的工作频率都约为60KHz，特别适合于5 20W的小型家用电器使用。另外，当漏极电流为最大极限电流的12%，即约85mA（VIPer12A为50 mA）时，系统靠减少开关周期而工作于跳跃脉冲模式，这一点对于轻负载时的转换器尤其重要。（二）、工作原理1、市电经BCN501输入（BCN502接面板电源开关）T1.6A/250V保险管（其中T表示延时断路之意，慢熔型保险管）LF501扼流圈整流桥堆D501-D504上，整流后的直流电压（约320V左右）开关变压器T1初级侧穿心磁珠L502最后加到VIPer22A的漏极。 其中扼流圈LF501是绕在同一磁环上的两只独立线圈，专业称呼为共模电感线圈或共模线圈。它们所绕的圈数相同、但线圈绕向相反（可以假设为L1和L2），两只独立线圈内电流产生的磁通在磁环内相互抵消，不会使磁环达到磁饱和状态，从而使两只线圈L1和L2的电感量保持不变。因此，如果在L1和L2后级（整流之前）各自接入一只电容（只能用安规电容，工程上一般称Y电容）到“冷地”，那么，它们就组成了共模滤波器，滤除电网进入的共模噪声信号（这种接法在高档仪器仪表中非常常见，作为VCD电源，由于要不高、同时为了节省成本，本机并未采用）。但是，由于种种原因如果磁环材料不可能做到绝对均匀，两只线圈的绕制也不可能完全对称等，使得两只电感有一点差值，这个差值称为差模电感。它和C501（工程上一般称X电容）组成L-N独立端口的一个低通滤波器，用来抑制开关电源工作时产生的差模噪声信号。 由于EMI滤波器是无源网络，它具有互易性。因此，这个网络滤波器既能有效抑制电源系统存在的噪声信号（既电子设备外部的噪声信号）传入设备，有能大大衰减电子设备工作时本身产生的噪声信号传向电源。 使用穿心磁珠L502，也是为抑制噪声干扰，以满足EMI测试要求。电阻R501是X电容C501的放电电阻，当系统脱离电网后，把C501的残余电荷放掉，以免高（电）压击人。R503、C502、D505、组成吸收电路，抑制VIPer22A内功率管关断时由于漏感而引起的上升沿电压尖峰，从而保护功率管不被损坏。C508并联在D505两端，用于保护HER107。 C500是安规电容（工程上一般称Y电容），用于衰减变压器初、次级间杂散电容产生的共模发射电流，以满足传导EMI标准要求。需要说明一点：对于类家用电器，外壳为金属件（体），安规电容取值不可过大（过大时可能有利于通过EMI测试要求），否则，漏电流也会变大，以至于超出人体耐受极限，当人体触及电器外壳时，有强烈的麻电感觉，这是因为金属外壳一般与开关电源的“冷地”连接，而安规电容跨接在“热地”和“冷地”之间，所以泄漏电流是客观存在的，并且电容容量越大，泄漏电流也越大，因此，许多国家为此都制定了泄漏电流的极限值，以满足安全要求。 所谓电器指单相三极之电器，比如有“地线”的仪器、仪表、示波器、频谱仪等，它们开关电源的“冷地”通过机壳与“地线”接通，然后再通过电网插座“接地” 一般是就近到建筑物下面的大地。所谓电器指单相双极之电器，比如电冰箱、电视机、VCD、DVD等，它们开关电源的“冷地”或者悬浮、或者接机壳。所谓电器指交流电压在35V以下，或者直流电压在60V以下的电器。2、如图（3），观察变压器T1初、次级绕组的同名符号，可以看出它是典型的反激式变换型，也叫回扫变压器型。辅助绕组由D606整流后作为U501和光耦三极管的电源，电阻R504与电容C504（对应高频）、CE502（对应低频）组成RC滤波电路。开始起动时此绕组不能供电，起动电源是由U501（VIPer22A）的漏极进入到IC内部的，一旦系统正常工作后，就靠辅助绕组供电，当电压高于14.5V（典型值）时关闭内部电流源；若辅助绕组供电电压较低，将于8V时打开内部电流源。 U501的第3脚FB连接光耦，而光耦受精密可调基准电源TL431控制，从图示参数可计算低压侧稳压输出3.35V： 即 2.5V *（750+ 2.2K）/2.2K= 2.35V需要特别指出的是，开始设计阶段R505的取值较小，系统工作总是不够稳定，特别是高压（AC242V）测试时