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实用电源技术手册

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标签: 电源技术手册

实用电源技术手册(¥998元)

www.plcworld.cn 实用电源技术手册 第一卷 主编 周邦雄 吉林电子出版社 www.plcworld.cn 实用电源技术手册 第二卷 主编 周邦雄 吉林电子出版社 www.plcworld.cn 实用电源技术手册 第三卷 主编 周邦雄 吉林电子出版社 www.plcworld.cn 实用电源技术手册 第四卷 主编 周邦雄 吉林电子出版社 www.plcworld.cn 内容提要 本手册在占有大量最新技术资料的基础上,全面 阐述了开关电源、直流线性稳定电源、可控整流电源、 程控电源和直流标准源、磁放大交流稳压器、可控交 流稳压器、稳压变压器、调压稳压器、不间断电源、交 流标准电压源和多功能校准源以及一些特种集成电 源的设计、应用、维修和性能测试技术,并结合大量的 典型实例,系统介绍了各类电源电路的设计与应用技 术,基本反映了国内电源技术的最新水平。 !"#$ % & ’(()*+ & ,* & - . / 0 )’ 吉林电子出版社出版发行 北京市朝阳印刷厂 新华书店发行经销 *((, 年 + 月第 ) 版 *((, 年 + 月北京第 ) 次印刷 开本:%-% 1 )(’* ) . )2 印张:),, 0 3 字数:++*( 千字 定价:’’- 4 (( 元 (此手册为光盘配套使用资料) www.plcworld.cn 编委会成员名单 主 编 周邦雄 编 委 (以姓氏笔画为序排名) 丁建珊 王达华 占明建 杜新鹏 陈峰光 陈春波 严 淑 邱大洋 吴嘉红 罗宏辉 钟化美 郝国明 贾红章 龚峰泽 李向秀 陈怀新 武岳 高群伟 www.plcworld.cn 目 录 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 目 录 第一篇 电源开关 第一章 开关电源概述…………………………………………………………………(!) 第一节 开关电源的发展 ………………………………………………………………(!) 第二节 开关电源的基本构成及分类 …………………………………………………(") 第三节 国外开关电源的技术动态 ……………………………………………………(#$) 第二章 开关电源功率器件和基础电路 …………………………………………(%&) 第一节 功率半导体技术的发展 ………………………………………………………(%&) 第二节 功率场效应晶体管 ’()*+, ………………………………………………(!#) 第三节 绝缘栅双极晶体管 -./, ……………………………………………………(!$) 第四节 开关电源感性、容性和阻性器件的技术动向…………………………………(0%) 第五节 开关电源基础电路……………………………………………………………(0$) 第六节 开关电源整流技术……………………………………………………………(1%) 第七节 电压基准的特性及选用 ………………………………………………………("") 第八节 开关电源保护电路……………………………………………………………(2!) 第九节 分布电源 ……………………………………………………………………(22) 第三章 开关电源变压器 …………………………………………………………(##3) 第一节 开关电源变压器的现状与发展 ……………………………………………(##3) 第二节 新型扁平式变压器的设计原理及其应用 …………………………………(##1) 第三节 超微晶开关电源变压器的设计 ……………………………………………(#%$) 第四节 电力电子高频磁技术及其发展趋势 ………………………………………(#!%) 第四章 软开关变换器………………………………………………………………(#!") 第一节 软开关技术 …………………………………………………………………(#!") 第二节 45 6 45 变换器 ………………………………………………………………(#&3) 第三节 变换器设计 …………………………………………………………………(#1") 第四节 变换器的发展趋势 …………………………………………………………(%3#) 第五章 开关电源的功率因数校正电路 …………………………………………(%#%) 第一节 功率因数校正电路 …………………………………………………………(%#%) # www.plcworld.cn 目 录 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第二节 !"# 集成控制电路 …………………………………………………………($%&) 第三节 功率因数校正器的设计 ……………………………………………………($’’) 第四节 ()!*+,-./ 在 !"# 中的应用 ………………………………………………($0$) 第六章 开关电源的电磁兼容技术与可靠性设计 ……………………………($01) 第一节 开关电源的电磁兼容技术 …………………………………………………($01) 第二节 开关电源电磁兼容性测试 …………………………………………………($2’) 第三节 开关电源的噪声 ……………………………………………………………($1’) 第四节 开关电源的 34# 设计 ……………………………………………………($5&) 第五节 开关电源印刷电路板(!#6)中的电磁兼容问题 ……………………………($52) 第六节 开关电源可靠性设计 ………………………………………………………(%7’) 第七章 国外开关电源典型模块及应用 …………………………………………(%%2) 第一节 89,-:;<= 公司开关电源典型模块及应用……………………………………(%%2) 第二节 4>?@4 公司开关电源典型模块及应用 ……………………………………(%’$) 第三节 国外其他公司开关电源典型模块 …………………………………………(%15) 第四节 单片 ()!*A,-./ 系列器件 …………………………………………………(B0$) 第五节 (,9C*A,-./ 系列器件及应用 ………………………………………………(B0’) 第八章 开关电源典型设计 ………………………………………………………(B5’) 第一节 小功率开关稳压电源的设计 ………………………………………………(B5’) 第二节 大功率高稳定度开关电源设计 ……………………………………………(’&B) 第三节 模块化逆变电源的设计 ……………………………………………………(’&5) 第四节 机载高可靠性开关电源的设计 ……………………………………………(’7B) 第五节 卫星用多输出精密直流稳压电源系统 ……………………………………(’$2) 第六节 高速通信产品电源设计 ……………………………………………………(’%’) 第九章 系统电源设计与应用 ……………………………………………………(’%5) 第一节 系统电源应用技术 …………………………………………………………(’%5) 第二节 开关电源典型应用电路 ……………………………………………………(’0$) 第二篇 直流稳定与直流标准电源 第一章 直流线性电源………………………………………………………………(’57) 第一节 工作原理 ……………………………………………………………………(’57) 第二节 电路分析 ……………………………………………………………………(’5$) $ www.plcworld.cn 目 录 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第三节 产品实例 ……………………………………………………………………(!"") 第四节 使用与维修 …………………………………………………………………(!"!) 第五节 性能测试 ……………………………………………………………………(!"#) 第六节 集成稳压器 …………………………………………………………………(!$#) 第七节 精密稳压、稳流电源…………………………………………………………(!%&) 第八节 电源变压器试验 ……………………………………………………………(!%’) 第九节 小型变压器计算 ……………………………………………………………(!(!) 第二章 可控整流电源………………………………………………………………(!!%) 第一节 晶闸管和可控整流原理 ……………………………………………………(!!%) 第二节 电路分析 ……………………………………………………………………(!!() 第三节 产品实例 ……………………………………………………………………(!)’) 第四节 使用与维修 …………………………………………………………………(!’*) 第三章 程控电源和自流标准源 …………………………………………………(!’!) 第一节 工作原理 ……………………………………………………………………(!’!) 第二节 传统的程控电源 ……………………………………………………………(!’#) 第三节 数字式程控电源 ……………………………………………………………(!’)) 第四节 +,- 型直流标准电压源 …………………………………………………(#&’) 第三篇 交流稳定电源与交流(交直流)标准电源 第一章 磁放大交流稳压器 ………………………………………………………(#$#) 第一节 工作原理 ……………………………………………………………………(#$#) 第二节 电路分析 ……………………………………………………………………(#$)) 第三节 产品实例 ……………………………………………………………………(#*$) 第四节 使用与维修 …………………………………………………………………(#*’) 第五节 性能测试 ……………………………………………………………………(#%*) 第二章 可控交流稳压器 …………………………………………………………(#%#) 第一节 工作原理 ……………………………………………………………………(#%)) 第二节 电路分析 ……………………………………………………………………(#%’) 第三节 产品实例 ……………………………………………………………………(#!!) 第四节 使用与维修 …………………………………………………………………(##$) 第五节 抗干扰型电源性能测试 ……………………………………………………(##%) * www.plcworld.cn 目 录 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第三章 稳压变压器 …………………………………………………………………(!"!) 第一节 磁饱和稳压器的工作原理 …………………………………………………(!"!) 第二节 稳压变压器的结构 …………………………………………………………(!"") 第三节 产品实例 ……………………………………………………………………(!"#) 第四节 使用与维修 …………………………………………………………………(!#$) 第五节 性能测试 ……………………………………………………………………(!#%) 第四章 调压稳压器 …………………………………………………………………(!#&) 第一节 工作原理 ……………………………………………………………………(!#&) 第二节 电路分析 ……………………………………………………………………(!#&) 第三节 产品实例 ……………………………………………………………………("’() 第四节 使用与维修 …………………………………………………………………("))) 第五节 三相稳压器的性能测试 ……………………………………………………(")&) 第六节 自动调压(稳压)器 …………………………………………………………("$’) 第五章 不间断电源 …………………………………………………………………("%’) 第一节 工作原理 ……………………………………………………………………("%’) 第二节 电路分析 ……………………………………………………………………("%)) 第三节 产品实例 ……………………………………………………………………("(!) 第四节 使用与维修 …………………………………………………………………("!!) 第五节 性能测试 ……………………………………………………………………("#%) 第六节 直流不间断电源 ……………………………………………………………("#&) 第六章 交流标准电压源和多功能校准源 ………………………………………(#’)) 第一节 工作原理 ……………………………………………………………………(#’)) 第二节 电路分析 ……………………………………………………………………(#’)) 第三节 产品实例 ……………………………………………………………………(#)&) 第四节 校 准 ……………………………………………………………………(#$$) 第四篇 特种集成电源设计与应用技术 第一章 基准电压源 …………………………………………………………………(#$#) 第一节 基准电压源的特点与产品分类 ……………………………………………(#$#) 第二节 带隙基准电压源的基本原理 ………………………………………………(#%$) 第三节 *+),’% 型基准电压源的应用 ……………………………………………(#%() , www.plcworld.cn 目 录 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第四节 !"#$%& ’ $%( 型基准电压源的应用 ………………………………………()*)) 第五节 +,-$./) 型基准电压源的应用 ……………………………………………()(*) 第六节 - !*)) 型精密基准电压源的应用 …………………………………………()(/) 第七节 !"#$%* ’ $%0 ’ $%/ 型精密基准电压源的应用………………………………()0.) 第八节 其他类型基准电压源的应用电路 …………………………………………()0&) 第九节 - !**/1& 2 0 型可调式基准电压源在数字仪表中的应用 ……………………()00) 第十节 3 -(*4 型可调式精密并联稳压器 …………………………………………()0$) 第二章 集成恒流源 …………………………………………………………………()/() 第一节 恒流源的产品分类 …………………………………………………………()/() 第二节 稳流管的应用 ………………………………………………………………()//) 第三节 恒流二极管与恒流三极管的应用 …………………………………………()/)) 第四节 可调式精密集成恒流源的应用 ……………………………………………()%$) 第五节 由三端集成稳压器构成的恒流源 …………………………………………()$0) 第六节 测温型恒流源的应用 ………………………………………………………()$)) 第七节 564$&. 型智能温度传感器的应用 …………………………………………())%) 第三章 小功率电源变换器 ………………………………………………………(4.4*) 第一节 小功率电源变换器的产品分类 ……………………………………………(4.4*) 第二节 单片 ", ’ 5, 电源变换器的应用 …………………………………………(4.40) 第三节 ", ’ 5, 电源变换模块的应用 ……………………………………………(4.&$) 第四节 极性反转式 5, ’ 5, 电源变换器的应用 …………………………………(4.*4) 第五节 升压式 5, ’ 5, 电源变换器的应用 ………………………………………(4.*)) 第六节 降压式电源变换器及模块的应用 …………………………………………(4.(() 第七节 低压差集成稳压器的应用 …………………………………………………(4.(/) 第四章 三端单片开关电源 ………………………………………………………(4.0.) 第一节 37869+:;< = !系列单片开关电源的原理 ………………………………(4.0.) 第二节 3786>?:;<1!系列单片开关电源的应用 …………………………………(4.0)) 第三节 3786>?:;<1!的使用注意事项 ……………………………………………(4./0) 第四节 3784.. ’ &.. 系列单片开关电源的应用 …………………………………(4./$) 第五节 378&.) ’ &4. 系列单片开关电源的应用 …………………………………(4.%() 第六节 9640% ’ 4./ 系列单片开关电源的应用 ……………………………………(4.%%) 第五章 多端单片开关电源 ………………………………………………………(4.$4) 第一节 3?@A6>?:;< 系列产品的分类 ………………………………………………(4.$4) 0 www.plcworld.cn 目 录 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第二节 !"#$%&"’() 系列单片开关电源的原理 ……………………………………(*+,-) 第三节 !"#$%&"’() 系列单片开关电源的应用 ……………………………………(*+,-) 第四节 !"#$%&"’() 的使用注意事项 ………………………………………………(*+,,) 第五节 ./---0+ 系列产品的分类 ………………………………………………(*+1*) 第六节 ./---0+ 系列单片 23 关电源的原理 ……………………………………(*+1-) 第七节 ./---0+ 系列单片开关电源的应用 ………………………………………(*+14) 第六章 开关电源模块 ……………………………………………………………(***-) 第一节 开关电源模块的特点及产品分类 …………………………………………(***-) 第二节 5% 系列和 %6 系列开关电源模块 …………………………………………(***4) 第三节 开关电源模块的性能测试 …………………………………………………(***1) 第四节 %!7++ 型 46、48 单片开关电源模块 ……………………………………(**74) 第五节 %!7+79 型 0 : 46、重 48 单片开关电源模块 ……………………………(**71) 第六节 %!7+;9 型 *46、-+8 单片精密开关电源模块 ……………………………(**-7) 第七节 <=7 型 *76、,8 单片开关电源模块………………………………………(**-4) 第八节 <=4 型 *76、7+8 单片开关电源模块 ……………………………………(**-,) 第七章 单片开关电源的设计 ……………………………………………………(**;;) 第一节 单片开关电源的快速设计法 ………………………………………………(**;;) 第二节 利用计算机设计单片开关电源的程序流程图 ……………………………(**47) 第三节 利用计算机设计单片开关电源的方法与步骤 ……………………………(**4-) 第四节 电子数据表格 ……………………………………………………………(**>4) 第五节 高频变压器的设计…………………………………………………………(**>0) 第六节 多路输出式单片开关电源的设计 …………………………………………(**07) 第七节 多路输出单片开关电源的改进方案 ………………………………………(**00) 第八节 单片开关电源的效率及功率测量技术 ……………………………………(**,*) 第九节 提高单片开关电源效率的方法 ……………………………………………(**,,) 第十节 工作模式的设定及功耗比较 ………………………………………………(**10) 第十一节 单片开关电源故障检修一览表 …………………………………………(**11) 第十二节 单片开关电源常用二极管的选择 ………………………………………(*7+;) 第八章 单片开关式集成稳压器 …………………………………………………(*7+,) 第一节 单片开关式集成稳压器的产品分类 ………………………………………(*7+,) 第二节 由 ?;1>+ @ ;1>7 构成的单片开关电源 ……………………………………(*7+1) 第三节 由 ?71> 构成的大电流单片开关电源 ……………………………………(*7*1) > www.plcworld.cn 目 录 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第四节 由 !"#$%& 系列构成的大功率单片开关电源 ……………………………(’(()) 第五节 单片开关式稳压器的设计要点 ……………………………………………(’(*)) 第九章 由 +, -、+.- 调制器构成的开关电源………………………………(’(")) 第一节 脉宽调制器及脉频调制器的产品分类和工作原理 ………………………(’(")) 第二节 由 -/*0(% 构成的开关电源 ………………………………………………(’("1) 第三节 由 2/*1"( 构成的开关电源 ………………………………………………(’(0)) 第四节 由 2/’1)" 构成的开关电源 ………………………………………………(’()’) 第五节 开关电源高频变压器的设计方法 …………………………………………(’()$) 第六节 电磁干扰滤波器的原理与应用 ……………………………………………(’($*) 第七节 给开关电源配数显装置的方法 ……………………………………………(’(1() 第八节 复合式开关电源及逆变器模块 ……………………………………………(’(1)) 第十章 微机电源及监控电路 ……………………………………………………(’(#%) 第一节 笔记本电脑的开关式稳压电源 ……………………………………………(’(#%) 第二节 +/ 机的 3. 关式稳压电源 ………………………………………………(’(#)) 第三节 小功率 /-45 不间断电源 ………………………………………………(’*%() 第四节 微机多路电源电压监视器 …………………………………………………(’*%)) 第五节 可编程镍镉电池快速充电器 ………………………………………………(’*’’) 第六节 手机镍氢电池快速充电器 …………………………………………………(’*’#) 第五篇 电 池 第一章 铅酸蓄电池 ………………………………………………………………(’*(0) 第二章 碱性蓄电池 ………………………………………………………………(’*"() 第六篇 电源电路设计与应用实例 第一章 线性稳压电源 ……………………………………………………………(’*0’) 第一节 线性稳压电源技术指标 ……………………………………………………(’*0’) 第二节 晶体管集成电路构成的稳压电源电路 ……………………………………(’*0’) 第三节 低损耗 0& 6 07 稳压电源,电路 ……………………………………………(’*0() 第四节 实验用稳压电源电路 ………………………………………………………(’*0*) 第五节 功率 -45 管构成的线性稳压电源电路 …………………………………(’*0") $ www.plcworld.cn 目 录 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第六节 性能优良的稳压电源电路 …………………………………………………(!"#$) 第七节 高稳定度的恒流恒压电源电路 ……………………………………………(!"$%) 第八节 设有保护回路的稳压电源电路 ……………………………………………(!"$#) 第九节 实用稳压电源电路…………………………………………………………(!"$&) 第十节 集成运放在线性稳压电源中的应用 ………………………………………(!"’!) 第十一节 电源变压器的巧妙利用 …………………………………………………(!"&!) 第二章 线性集成稳压器 …………………………………………………………(!"&() 第一节 ’&)) * ’+)) 系列的基本应用 ……………………………………………(!"&() 第二节 可调电压稳压器的基本应用 ………………………………………………(!"+%) 第三节 采用 ’&)) * ’+)) 构成的稳压电路 ………………………………………(!"++) 第四节 , -"!’ 构成的实用稳压电源电路…………………………………………(!(%.) 第五节 !/’." 构成的实用稳压电源电路 …………………………………………(!(%&) 第六节 集成电压基准源应用电路 …………………………………………………(!(!") 第七节 低压差、低功耗线性集成稳压器的应用 …………………………………(!(.!) 第八节 其他类型集成稳压器构成的稳压电源电路 ………………………………(!(.+) 第九节 新型线性集成稳压器的应用 ………………………………………………(!("() 第十节 电池供电集成稳压器的应用 ………………………………………………(!((&) 第三章 充电器电路 ………………………………………………………………(!(’() 第一节 新型充电电池 ……………………………………………………………(!(’() 第二节 简单镍镉电池充电器电路 …………………………………………………(!(’#) 第三节 多功能充电器电路…………………………………………………………(!(&%) 第四节 采用晶体管的充电器电路 …………………………………………………(!(+%) 第五节 采用 01 2 &+!% 模块 * -/)&($ 集成芯片构成的电池充电电路 …………(!(+#) 第六节 采用 , 34!!(& * , 3 亚 #!" 构成的电池充电器电路 ………………………(!(+&) 第七节 采用 05### 构成的电池充电器电路 ……………………………………(!#%%) 第八节 采用 46(%(% 等构成的充电器电路 ………………………………………(!#!%) 第九节 采用晶闸管的电池充电器电路 ……………………………………………(!#!") 第十节 移动电话充电器电路 ………………………………………………………(!#!’) 第十一节 采用 -/).%%" * .%%"/ 以及 3 3""#$/ 构成的充电器电路 ……………(!#.!) 第十二节 采用 78.%%. * .%%" * .%%( 以及 94"+%$ * 9.(%.7 * 9.(%"7 构成的充电器电路 ………………………………………………………………………………………(!#.() 第十三节 采用 /34!%# * /34!%$ 以及 /:4!’$! * !’$$ 构成的充电器电路 ………(!#(.) & www.plcworld.cn 目 录 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第十四节 采用 !"#$%&’ ( )*%+#, ( )-,+# 构成的充电器电路 …………………(#""+) 第十五节 采用 !./,#0 ( , 矍 1 构成的充电器电路 ………………………………(#""2) 第十六节 3 ’%&% ( 4)1$%0 构成的充电器电路 ……………………………………(#"2") 第十七节 电池管理系统……………………………………………………………(#"2,) 第十八节 充电器控制电路…………………………………………………………(#",0) 第四章 电子镇流器电路 …………………………………………………………(#"$0) 第一节 概述 ………………………………………………………………………(#"$0) 第二节 设有晶闸管保护的电子镇流器电路 ………………………………………(#"$2) 第三节 5.,"1# 芯片构成的电子镇流器电路 ……………………………………(#"$,) 第四节 5.,"00* 芯片构成的电子镇流器电路……………………………………(#"$$) 第五节 36.11"# 芯片构成的电子镇流器电路 ……………………………………(#"&#) 第六节 780#"" 构成的电子镇流器电路 …………………………………………(#"&1) 第七节 采用 3*.%&#$ 驱动卤素 93 的电子镇流器电路 …………………………(#"&,) 第八节 5.,"#% 构成的电子镇流器电路 …………………………………………(#"&&) 第九节 78"##-%0+#’2"2& 构成的电子镇流器电路 ………………………………(#2+0) 第十节 实用电子镇流器电路 ………………………………………………………(#2+2) 第十一节 电子镇流器的有关电路 …………………………………………………(#2#%) 第五章 电源保护电路 ……………………………………………………………(#2#2) 第一节 整流电路的保护……………………………………………………………(#2#2) 第二节 串联稳压电源的短路与过载保护电路 ……………………………………(#2#,) 第三节 开关电源的过流保护电路 …………………………………………………(#2#&) 第四节 过电压保护电路……………………………………………………………(#201) 第五节 实用电源保护电路…………………………………………………………(#20,) 第六节 多功能保护电路……………………………………………………………(#21%) 第七节 启动电路 …………………………………………………………………(#21,) 第六章 电源中的厚膜电路 ………………………………………………………(#2%#) 第一节 概述 ………………………………………………………………………(#2%#) 第二节 7/:0+"); 系列开关电源厚膜电路 ………………………………………(#2%0) 第三节 7/+0%,); 系列开关电源厚膜电路 ………………………………………(#2%1) 第四节 7/+1+$); 系列开关电源厚膜电路 ………………………………………(#2%%) 第五节 7/+2$&); 系列开关电源厚膜电路 ………………………………………(#2%") 第六节 <38%%+ 系列开关电源厚膜电路 …………………………………………(#2%2) & www.plcworld.cn 目 录 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第七节 !"#$%&’ 系列开关电源厚膜电路 …………………………………………(&()*) 第八节 !"#(+’+ 系列开关电源厚膜电路 …………………………………………(&(),) 第九节 !"#)++-+ 系列开关电源厚膜电路 ………………………………………(&()-) 第十节 ./+)($01,23$&&’+#,!"#$+&+%3,!"#$+’&%,!"#$+&&$4,!"#$)+)&, !"#$&’&% 开关电源厚膜电路 ……………………………………………(&()-) 第十一节 !"#5 系列开关电源厚膜电路 …………………………………………(&($&) 第十二节 67&&) 8 67-’+& 8 67*&+& 开关电源厚膜电路 ………………………(&($&) 第十三节 !"# 9 !$-)& 新型开关电源厚膜电路 …………………………………(&($%) 第十四节 !"#,+&)$ 厚膜电路 ……………………………………………………(&($)) 第十五节 !" :*%+, 8 ;:’&’ 9 &(( 厚膜电路 ……………………………………(&($() 第十六节 !"#&&++( 开关电源厚膜电路 …………………………………………(&($,) 第十七节 开关电源中的光电耦合器电路 …………………………………………(&((+) &+ www.plcworld.cn !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第一章 开关电源概述 第一节 开关电源的发展 随着电子技术的高速发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来 越多,电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电 源,它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和 高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种 传统稳压电源技术比较成熟,并且已有大量集成化的线性稳压电源模块,具有稳定性能 好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体 积和重量都很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态,为了保证输出电压稳定,其 集电极与发射极之间必须承受较大的电压差,导致调整管功耗较大,电源效率很低,一般 只有 !"# 左右。另外,由于调整管上消耗较大的功率,所以需要采用大功率调整管并装 有体积很大的散热器,很难满足现代电子设备发展的要求。$% 世纪 "% 年代,美国宇航局 以小型化、重量轻为目标,为搭载火箭开发了开关电源。在近半个多世纪的发展过程中, 开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术 制造的连续工作电源,并广泛应用于电子整机与设备中。$% 世纪 &% 年代,计算机全面实 现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代。$% 世纪 ’% 年代,开关电源在电子、电器 设备、家电领域得到了广泛的应用,开关电源技术进入快速发展期。 开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关,通过控制开关的占空比调整输出电 压。以功率晶体管( ( ) *)为 例,当 开 关 管 饱 和 导 通 时,集 电 极 和 发 射 极 两 端 的 压 降 接 近 零;当开关管截止时,其集电极电流为零。所以其功耗小,效率可高达 +%# , ’"# 。而功 耗小,散热器也随之减小。开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整,然后由 开关调整管进行稳压,不需要电源变压器。此外,开关工作频率为几十千赫,滤波电容器、 电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。另外,由于功耗小,机内温 升低,提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高,一般串 联稳压电源允许电网波动范围为 $$% - .%# ,而开关型稳压电源在电网电压在 ..% , ·/· www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !"#$ 范围内变化时,都可获得稳定的输出电压。 开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术,高频化带来的效益是使开关电源装 置空前地小型化,并使开关电源进入更广泛的领域,特别是在高新技术领域的应用,推动 了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境 方面都具有深远的意义。 目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管,开关频率可达几十千赫;采用 %&’()* 的开关电源转换频率可达几百千赫。为提高开关频率,必须采用高速开关器 件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路,这种工作方式称为谐振开关方式。 它可以极大地提 高开关速度,理论上开关损耗为零,噪声也很小,这是提高开关电源工作 频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。开关电源的技术追求 和发展趋势可以概括为以下四个方面。 !小型化、薄型化、轻量化、高频化———开关电源的体积、重量主要是由储能元件(磁 性元件和电容)决定的,因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体 积;在一 + 定范围内,开关频率的提高,不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸,而 且还能够抑制干扰,改善系统的动态性能。因此,高频化是开关电源的主要发展方向。 "高可靠性———开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍,因此提高了可靠 性。从寿命角度出发,电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所 以,要从设计方面着眼,尽可能使用较少的器件,提高集成度。这样不但解决了电路复杂、 可靠性差的问题,也增加了保护等功能,简化了电路,提高了平均无故障时间。 #低噪声———开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化,噪声也会随之增 大。采用部分谐振转换回路技术,在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以,尽可 能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。 $采用计算机辅助设计和控制———采用 ,-- 和 ,.. 技术设计最新变换拓扑和最佳 参数,使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制,可构成多功 能监控系统,可以实时检测、记录并自动报警等。 开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的 实现,需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率 %&’()*、/01 2* 等新型高速器件,开发高频用的低损磁性材料,改进磁元件的结构及设计方法,提高滤 波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等,对于开关电源小型化始终产生着巨大的推 动作用。总之,人们在开关电源技术领域里,边研究低损耗回路技术,边开发新型元器件, 两者相互促进并推动着开关电源以每年超过两位数的市场增长率向小型、薄型、高频、低 噪声以及高可靠性方向发展。 ·3· www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 一、高频开关电源的发展 ! " 技术发展 目前我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源,相控电源将 逐渐被淘汰。国内开关电源技术的发展,基本上起源于 #$ 世纪 %$ 年代末和 &$ 年代初。 当时引进的开关电源技术,在高等院校和一些科研院所停留在试验开发和教学阶段。#$ 世纪 &$ 年代中期开关电源产品开始推广和应用。#$ 世纪 &$ 年代开关电源的特点是采 用 #$’() 脉宽调制(*+,)技术,效率可达 -./ 0 %$/ 。 经过 #$ 几年来的不断发展,开关电源技术有了重大进步和突破。新型功率器件的开 发促进了开关电源的高频化,功率 ,12345 和 6785 可使中小型开关电源工作频率达到 9$$’()(:; < =;)或 !,(() =; < =;);软开关技术使高频开关电源的实现有了可能,它不 仅可以减少电源的体积和重量,而且提高了电源的效率,国产 -’+ 通信开关电源,采用软 开关技术,效率可达 >?/ ;控制技术的发展以及专用控制芯片的生产,不仅使电源电路大 幅度简化,而且使开 关电源的动态性能和可靠性大大提高;有源功率因数 校 正 技 术 (:*3;)的开发,提高了 :; < =; 开关电源的功率因数,既治理了电网的谐波污染,又提高 了开关电源的整体效率。 在开关电源的所有应用领域内,通信电源是增长速度最快的一部分。新型磁材料和 新型变压器的开发,新型电容器和 4, 6 滤波器技术的进步,以及专用集成控制芯片的研 制成功,使开关电源实现了小型化,并提高了 4,; 性能。微处理器监控技术的应用,提 高了电源的可靠性,也适应了市场对其智能化的要求。 新型半导体器件的发展是开关电源技术进步的龙头。目前正在研究高性能的碳化硅 半导体器件,一旦开发成功,对电源技术的影响将是革命性的。此外,平面变压器、压电变 压器及新型电容器等元器件的发展,也将对电源技术的发展起到重要作用。 另外,集成化是开关电源的一个重要发展方向。通过控制电路的集成、驱动电路的集 成以及保护电路的集成,最后达到整机的集成化生产。集成化和模块化减少了外部连线 和焊接,提高了设备的可靠性,缩小了电源的体积,减轻了重量。目前,=; < =; 开关电源 的功率密度可达到每立方英寸 !#$ 瓦。 总之,回顾开关电源技术的发展过程,我们可以看到,高效率、小型化、集成化、智能化 以及高可靠性是大势所趋,也是今后的发展方向。 ·.· www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 生产发展 在开关电源领域,民族产业一直占有举足轻重的地位。在开关电源应用的起步阶段, 很多生产厂家采取的都是小作坊式的生产模式。经过 !# 余年的不懈努力,逐步向大规模 生产转化,产品也从单一品种走向系列化。现在,我国已形成一批上亿元、甚至 $# 亿元以 上产值的电源企业,有些产品已进入国际市场。 % & 市场发展 我国信息产业、国防工业、家电行业,特别是电信业的迅猛发展,是电源市场发展的强 大推动力。据国家统计局最新资料显示,当前我国电子信息产业的产区、产出、销售总规 模以及对国家经济增长的贡献均居全国各工业行业之首,成为我国工业第一支柱产业。 由于开关电源巨大的市场需求,孕育了大批电源的生产企业。成规模的企业有十几 家,分为三种类型:第一类是自主研制开发,已生产出具有先进水平的系列电源产品,不仅 可以满足各种电子设备的需要,而且在航空、铁路、电力、国防及家电等领域中得到了广泛 应用;第二类是中外合资企业,采用国外较为先进的技术,在国内用户中有较高的信誉度; 第三类是进口部件在国内组装,然后直接销售到国外市场,这些产品质量好,但成本也高, 对国内市场的适应能力较差。 每年几十亿元的电源市场孕育了几百家开关电源生产企业,而且已有大量的国外产 品和公司进人国内,今后的竞争将是技术的竞争、质量的竞争和服务的竞争,品牌效应越 来越突出。市场的竞争和发展必将促使产业内部的分化和重组,实现大企业的产品互动 和整合营销,而适应不了市场竞争的企业将被淘汰。 ’ & 标准制定 !# 世纪 (# 年代初,高频开关电源的应用刚刚在电子、电信行业起步,适时颁布的《通 信用 高频开关整流器》和《通信局(站)电源系统总技术要求》等标准对指导生产、服务用 户起到了重要作用,为高频开关电源在电信行业的迅速推广也起到了积极作用。随着市 场的扩大,用户对电源智能化程度的要求越来越高,有关通信电源集中监控的标准相继被 推出。随着技术不断进步,经验逐渐积累,我们深感行业标准急需修订,技术指标需要改 进,测试方法需要完善,内容需要增加(例如动态响应、电磁兼容等),为把好产品质量关提 供更可靠的依据。 ·)· www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 二、开关电源技术指标的探讨 ! " 杂音 《 #$ % #&’! ( )* 通信用高频开关整流器》中对杂音的要求比较全面,包括峰一峰值杂 音、宽频杂音、电话衡量杂音和离散杂音。但由于与杂音这一术语相近的名词较多,如果 不了解它们的对应关系,就会产生疑问。峰一峰值杂音是用足够带宽的示波器测量的,是 波形的最大值与最小值之差;宽频杂音是利用带通滤波器截取一定带宽内的杂音而测得 的真有效值;电话衡量杂音是通过电话衡量网络后的宽频杂音,主要衡量对通话话音质量 的影响;离散杂音是用选频电平表或频谱分析仪测得的单一频率上的幅值,较大值多出现 在开关频率的倍频点上。+,- 标准中提出“周期和随机漂移”(./0$)一词,定义周期部分 为纹波,随机部分为噪声,纹波与开关频率的谐波有关。欧洲地区标准 ,#1’22!’3 ( 3 中 出现的“窄带杂音”,与上述的离散杂音的含义相同。高频段的杂音往往可以通过选取适 当的滤波电容来降低,而降低低频段的杂音却是通过调整回路而不是滤波回路来实现的。 电压调整速度快,动态响应好,低频段杂音就小。 3 4 功率因数和谐波电流 为了减小市电干扰对电源测试的影响,一般测试时被测电源都接在净化电源上。我 们发现有的电源接在净化电源上工作时,电压失真度、谐波电流都比较大,而功率因数低, 但当换到市电时,功率因数却提高了。在实际应用中,高频开关电源有接到柴油发电机组 的情况,并不总是接市电,所以有必要分析这种现象的成因,以利于生产厂家改进。被测 电源接在市电上工作正常,接在净化电源上不行,那么从表面上看,一定是净化电源出了 问题。其实不然,根源还是在被测电源上,关键就是被测电源工作时产生的谐波电流太 大。市电电源内阻很小,吸收谐波电流的能力很强,所以没有造成很大的电压失真,功率 因数也比较高。而净化电源的内阻以及柴油发电机组的内阻不能忽略不计,它们吸收谐 波电流的能力有限,就会造成大的电压失真,功率因数就低。但如果对被测电源的功率因 数校正部分进行优化设计,功率因数很高,工作时产生的谐波电流就不会超出净化电源的 吸收能力。在实际应用中,通过提高柴油发电机组或净化电源的容量来提高吸收谐波电 流的能力,就意味着加大成本。所以,根本的解决办法还是改进开关电源的功率校正电 路,降低谐波电流,减小对电网的污染和能量损耗。 ·&· www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 动态响应 动态响应是评定开关电源稳定性的重要指标,超调量和恢复时间受到电流阶跃量、电 流变化率和允差带来的影响,而行业标准中仅对电流阶跃量作了限定,使得实际应用中可 操作性不 强。开关电源的输出回路中或测试连接回路中必然存在一定的电感,而电流变 化率和电感的乘积将产生一定的感应电势。因此,电流阶跃并不是理想的,总存在一定的 斜率,如果不规定电流变化率,测量结果就缺乏可比性。在美国工业标准中,一般取电流 变化率为 #$ %!& 或 ’$ %!&。另外,还应统一测试方法,若用空气开关手动控制负载的突加 突减,空气开关的抖动时间就已经超过了恢复时间的要求,致使测量结果不准确,所以应 采用可控制电流变化率的电子开关来通断负载。 第二节 开关电源的基本构成及分类 一、开关电源的基本构成 开关电源的基本构成如图 ( ) ( 所示,其中 *+ % *+ 变换器用以进行功率转换,它是开 关电源的核心 部 分,此 外 还 有 启 动、过 流 与 过 压 保 护、噪 声 滤 波 等 电 路。 输 出 采 样 电 路 (,(、,#)检测输出电压变化,并与基准电压 ! -,比较,误差电压经过放大及脉宽调制 ( ./ 0)电路,再经过驱动电路控制功率器件的占空比,从而达到调整输出电压大小的目 的。 图 ( ) ( 开关电源的基本构成 *+ % *+ 变换器有多种电路形式,常用的有工作波形为方波的 ./0 变换器以及工作 波形为准正弦波的谐振型变换器。 对于串联线性稳压电源,输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特性决定。 但对于开关型稳压电源,输人的瞬态变化比较多地表现在输出端。提高开关频率的同时, ·1· www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 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问题也能得到改善。负载变 化瞬态响应主要由输出端 !" 滤波器特性决定,所以可以利用提高开关频率、降低输出滤 波器 !" 乘积的方法来改善瞬态响应特性。 二、开关电源的分类 开关电源可分为 #" $ %" 和 %" $ %" 两大类。作为二次电源的 %" $ %" 变换器现已实 现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化,并已得到用户的认可。但 一次电源 #" $ %",因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到了较为复杂的技术问题 和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性加以阐述。 & ’ %" $ %" 类开关电源 %" $ %" 类开关电源是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波 器。斩波器的工作方式有两种:一是脉宽调制方式 ( 不变,改变频率调制方式 () 通用); 二是频率调制方式 ) 不变而改变 ((易产生干扰)。其具体的电路有以下几类: !*+,- 电路———降压斩波器,其输出平均电压 ! . 小于输入电压 ! %,极性人出相 同; "*//0) 电路———升压斩波器,其输出平均电压 ! . 大于输入电压 ! %,极性人出相 同; #*+,-—*//0) 电路———降压或升压斩波器,其输出平均电压 ! . 大于或小于输入电 压 ! %,极性人出相反,电感传输; $"+- 电路———降压或升压斩波器,其输出平均电压 ! . 大于或小于输入电压 ! %, 极性人出相反,电容传输。 当今软开关技术使得 %" $ %" 变换器发生了质的飞跃。美国 12".3 开关电源公司 设计制造的多种 4"2 软开关 %" $ %" 变换器,其最大输出功率有 5667、8667、9667 等, 相应的功率密度为 8 ’ :7 $ ,;5、&67 $ ,;5、&<7 $ ,;5,效率为 96= > ?6= 。日本 @A;B, !C;DEC 公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块 3F 系列,其开关频 率为 :66 > 566-GH,功率密度已达到 :<7 $ ,;5,采用同步整流器(F.I J K4( 代替肖特基 二极管),使整个电路效率提高到 ?6= 。 : L #" $ %" 变换器 #" $ %" 变换器是将交流变换为直流,其功率电流流向可以是双向的。功率电流流向 ·?· www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 负载的变换称为“整流”,功率电流由负载传输回电源的称为“有源逆变”。!" # $" 变换器 输人为 %& # ’&() 的交流电,必须经整流、滤波,相对来说体积较大的滤波电解电容器是必 不可少的。同时,因遇到安全问题,如 * +、"",, 等标准及 ,-" 指令的限制(如 .,"、 /"" 0 "1!),交流输入则必须加 ,-" 滤波及使用符合安全标准的元件,这样就限制了 !" # $" 电源的体积进一步小型化。另外,由于内部的高频、高压、大电流开关动作,使得 解决 ,-" 电磁兼容问题的难度加大,也就对内部高密度安装电路的设计提出了很高的 要求。由于同样的原因,高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大,限制了 !" # $" 变 换器模块化的进程。因此,必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定 的满意程度。 !" # $" 变换器按电路的结线方式可分为半波电路和全波电路;按电路的控制特点可 分为不可控、半控和全控三类;按电源相数可分为单相、三相和多相;按电路工作象限又可 分为一象限、二象限、三象限和四象限。 2 3 电路结构 开关型稳压电源的电路结构有多种: !按驱动方式分,有自励式和他励式; "按 $" # $" 变换器的工作方式分,有单端正励式和反励式、推挽式、半桥式、全桥 式、降压式、升压式和升降压式等; #按电路组成分,有谐振型和非谐振型; $按控制方式分,有脉冲宽度调制(45-)式;脉冲频率调制(4/-)式和 45- 与 4/- 混合式; %按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分,有隔离式、非隔离式和变压器耦合 式、光电耦合式等。 以上这些方式的组合可构成多种方式的开关型稳压电源。因此,设计者需根据各种 方式的特征进行有效地组合,制作出满足需要的高质量开关型稳压电源。 三、开关电源常用拓扑结构 实现能量从电源到负载的变换需要复杂的控制技术,现在大多采用 45-(脉冲宽度 调制)技术。从 输 入 电 源 提 取 的 能 量 随 脉 宽 变 化,在 一 固 定 周 期 内 保 持 平 均 能 量 转 换。 45- 的占空因数(&)是“67”时间( 89:,从电源提取能量的时间)与总开关周期( ! )之比。 对于开关稳压器,其稳定的输出电压正比于 45- 占空因数,而且控制环路利用“大 · ;& · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 信号”占空因数作为电源开关的控制信号。 ! " 开关频率和储能元件 在 #$ % #$ 变换器中,功率开关和储能元件的物理尺寸直接受工作频率影响。磁性 元件所耦合的功率是:!( " )& ! ’ " #’ $。随着频率的提高,为保持恒定的功率,所要求的 电感相应地减小。由于电感与磁性材料的面积和绕线匝数有关,所以可以减小电感器的 物理尺寸。 电容元件所耦合的功率是:!( % )& ! ’ % & ’ $。所以,储能电容器可实现类似的尺寸 减小。元件尺寸的减小对于电源设计人员和系统设计人员来说都是非常重要的,这可使 开关电源占用较小的体积和较小的印刷电路板面积。 ’ " 开关变换器拓扑结构 开关变换器的拓扑结构指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能 元件的不同配置。开关变换器拓扑结构可分为两种基本类型:非隔离型(在工作期间输入 电源和输出负载共用一个电流通路)和隔离型(能量转换是用一个相互耦合磁性元件变压 器来实现的,而且从电源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电流)。变换器拓扑结 构是根据系统造价、性能指标和输入 % 输出负载特性等因素选定的。 (!)非隔离开关变换器 非隔离开关变换器有四种基本拓扑结构用于 #$ % #$ 变换器。 !降压变换器将输入电压变换成较低的稳定输出电压。输出电压( ’ ()*)和输入电 压( ’ +,)的关系为: ’ ()* % ’ +, & "(占空因数) (! - !) ’ +, . ’ ()* (! - ’) #升压变换器将输入电压变换成较高的稳定输出电压。输出电压和输入电压的关系 为: ’ ()* % ’ +, & !(% ! - ") (! - /) ’ +, 0 ’ ()* (! - 1) $逆向变换器将输人电压变换成较低的反相输出电压。输出电压与输入电压的关系 为: ’ ()* % ’ +, & - "(% ! -") (! - 2) · !! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! !" # ! $%& (’ ( )) !* % +(“丘克”)变换器将输入电压变换成稳定的反相较低值或较高值输出电压(电 压值取决于占空因数)。输出电压和输入电压的关系为: ! $%& , ! !" - ( "(, ’.") (’ ( /) ! !" # ! $%&,"0 1 2 3 (’ ( 4) ! !" 0 ! $%&,"# 1 2 3 (’ ( 5) (6)隔离开关变换器 隔离开关变换器的拓扑结构有很多种,但其中三种比较常用,它们是逆向型变换器、 正向型变换器和推挽型变换器。在这些电路中,从输入电源到负载的能量转换是通过一 个变压器或其他磁通耦合磁性元件实现的。 #推挽型变换器与半桥型变换器。推挽型变换器与半桥型变换器是典型的逆变整流 型变换器,其电路结构如图 ’ ( 6 所示。加在变压器一次绕组上的是幅度为输入电压 ! 7、 宽度为开关导通时间 " 89的脉冲波形,变压器二次电压经二极管 :;’、:;6 全波整流后变 为直流。图 ’ ( (6 <)表示推挽型变换器的电路结构,图 ’ ( (6 =)表示半桥型变换器的电路 结构。如只从输出侧滤波器来看,工作原理和降压型变换器完全相同,二次侧滤波电感用 于存储能量。其电压变换比 # 与降压型变换器相类似,即 # -", $ 式中:$———变压器的匝数比,$ - % ’ , % 6; % ’———一次绕组的匝数; (’ ( ’1) % 6———二次绕组的匝数。 图 ’ ( 6 推挽型与半挢型变换电路 $正激型变换器电路如图 ’ ( > 所示,它是采用变压器耦合的降压型变换器电路。与 推挽型变换器一样,加在变压器一次侧(一半)上的是振幅为输入电压 ! 7、宽度为开关导 通时间 "&$ 的脉冲波形,变压器二次电压经二极管全波整流后变为直流。电压变换比为 # -", $。 开关断开时,变压器释放能量,二极管 :;> 和绕组 "> 就是为此而设的,能量通过它 · ’6 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 们反馈到输入侧。开关一断开,绕组 !" 中存储的能量转移到绕组 !# 中。为防止变压器 饱和,在开关断开期间内变压器必须全部消磁,则 ! $%!(" &!)" ’。 "隔离型 ()* 变换器电路如图 " & + 所示。开关断开时,电感 ," 的电流 # ,"给电容 ("" 充电,同时 ("- 也充电(二极管 ./ 导通)。开关 0 导通时,二极管 ./ 变为截止状 态,("- 通过 ,- 向负载放电。 图 " & # 正激型变换电路 图 " & + 隔离型 ()* 变换器电路 #电流变换器电路如图 " & 1 所示,它是逆变整流型变换器。图 " & 1(2)是能量回馈 方式。开关 0 导通时,电感器 , 的一次侧电压为 $ 3— %" $(4 %" 5 & " 6 & -),电感 , 励磁 并储存能量;0 断开时,储存在电感 , 中的能量通过二极管 ./# 反馈到输人侧。对于图 " & (1 7)所示的变换器,两只开关同时导通时,加在电感 , 上的电压为 $ 3,电感 , 励磁并储 存能量。任意一只开关断开时,反向电压( %" $ 4 & $ 3)加到电感 , 上,电感 , 释放能量。 其工作原理与升压型变换器类似。 图 " & 1 电流变换器 $全桥型变换器如图 " & 8 如示,0"、0# 及 0-、0+ 是两对开关,重复交互通断。但两 对开关导通有时间差,所以变压器一次侧加的电压 $ 9:为脉冲宽度等于其时间差的方波 电压。变压器二次侧的二极管将此电压整流变为方波,再经滤波器变为平滑直流电供给 负载。 (#)准谐振型变换器 在 ;<= 电路中接人电感和电容的谐振电路,流经开关的电流以及加在开关两端的 · "# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 电压波形为准正弦波,这种电路被称为准谐振型变换器。图 ! " # 给出了电流谐振开关和 电压谐振开关的基本电路以及工作波形。 图 ! " $ 全桥型变换电路 图 ! " # 准谐振开关电路 图 ! " (# %)是电流谐振开关,谐振用电感 &’,和开关 ( 串联,流经开关的电流为正弦 波的一部分。当开关导通时,电流 !)。从零以正弦波形状上升,上升到电流峰值后,又以 正弦波形状减小到零,电流变为零之后,开关断开,见图 ! " #(%)所示波形。开关再次导 通时,重复以上过程。由此可见,开关在零电流时通断,这样动作的开关叫做零电流开关 (*+’, " -.’’+/0 (12034),简称为 *-(。在零电流开关中,开关通断时与电压重叠的电流非 常小,从而可以降低开关损耗。采用电流谐振开关时,寄生电感可作为谐振电路元件的一 部分,这样可以降低开关断开时产生的浪涌电压。 图 ! " #(5)所示电路为电压谐振开关,谐振电容 -’,与开关并联,加在开关两端的电 压波形为正弦波的一部分。开关断开时,其两端电压从零以正弦波形状上升,上升到峰值 后又以正弦波形状下降为零。电压变为零之后,开关导通,见图 ! " #(5)所示波形。开关 再断开时,重复以上过程。可见,开关在零电压处通断,这样动作的开关叫做零电压开关 (*+’, " 6,70%8+ (12034),简称 *6(。在零电压开关中,开关通断时与电流重叠的电压非常 · !9 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 小,从而可以降低开关损耗。这种开关中的寄生电感与电容作为谐振元件的一部分,可以 消除开关导通时的电流浪涌与断开时的电压浪涌。 电流谐振开关中开关导通时电流脉冲宽度 !!"由谐振电路决定。为了进行脉冲控制, 需要保持导通时间不变,改变开关的断开时间。对于电压谐振开关,开关断开时的电压脉 冲宽度 ! !##由谐振电路决定。为了进行脉冲控制,需要保持开关的断开时间不变,改变开 关的导通时间。在以上两种情况下,改变开关工作周期,则谐振变换器就由改变开关工作 频率进行控制。 在图 $ % & 所示电路中,开关电压或电流的波形为半波,但也可以为全波。因此,谐波 开关又可分为半波谐振开关和全波谐振开关两种。 第三节 国外开关电源的技术动态 自 ’( 世纪 )( 年代以来,开关电源的发展更是日新月异。许多新的领域和新的要求 又对开关电源提出了更新更高的挑战。如果从一个开关电源的输入和输出窗口观察,我 们可以发现,输入的要求变得更严了,不符合 *+,$((( % - % ’ 标准的产品将陆续被淘汰; 输出则派生出了许多特殊的应用领域,研制和开发的难度变得更大了。正是由于外界的 这些要求推动了两个开关电源的分支技术一直成为当今电力电子的研究课题,它们是有 源功率因数校正技术和低压大电流高功率 ., / ., 变换技术。另外由于技术性能和要求 的提高,使得许多相关技术课题的研究,例如 +0 * 技术、1,2 345!67 问题、热理论的分析、 集成磁技术、新型电容技术、新型功率器件技术、新型控制以及结构和工艺等正在迅速增 加。 一、开关电源电路器件 $ 8 半导体器件 功率半导体器件仍然是电力电子技术发展的龙头,电力电子技术的进步必须依靠不 断推出的新型电力电子器件。 功率场效应管( 0 9 : ;+ <)由 于 采 用 单 极 性 多 子 导 电,使 开 关 时 间 显 著 地 减 小,又 因 其很容易达到 $0=> 的开关工作频率而受到世人瞩目。但是 09:;+< 提高器件阻断电 压必须加宽器件的漂移区,结果使器件内阻迅速增大,通态压降增高,通态损耗增大,所以 · $? · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 只能应用于中小功率产品。为了降低通态电阻,美国 !" 公司采用提高单位面积内的原 胞个数的方法。如 !" 公司开发的一种 #$%&$’ 场效应管,其沟槽( ’()*+,)原胞密度已 达每平方英寸 - . -/ 亿个的世界最高水平,通态电阻可达 01!。自 -223 年以来,#$%&$’ 通态电 阻 以 每 年 456 的 速 度 下 降。 - 只 公 司 还 开 发 了 一 种 低 栅 极 电 荷( 78 )的 #$%&$’,使开关速度更快,同时兼顾通态电阻和栅极电荷两者同时降低,则 " 9 78 的 下降率为每年 056 。对于肖特基二极管的开发,最近利用 ’"$:;# 结构,有望出现压降 更小的肖特基二极管,它被称作 ’ <=> 沟槽 势垒肖特基二极管,有可能在极低电源 电压应用中与同步整流的 &$’ 竞争。 作为半导体器件材料的硅“统治”半导体器件已有 45 余年,硅性能潜力的进一步挖掘 是很难的。有关半导体器件材料的研究从 /5 世纪 @5 年代,特别是 /5 世纪 A5 B 25 年代 以来,砷化镓(8CDE)、半导体金刚石、碳化硅(>F;)的研究始终在进行着。进入 /5 世纪 25 年代以后,对碳化硅的研究达到了热点。实验表明,应用 >F; 的半导体器件的导通电阻仅 为 >F 器件的 - G /55。如电压较高的硅功率 &$’ 导通压降达 0 B HI,而 >F; 功率 &$’ 导通压降小于 !I,关断时间小于 -5*E。实验表明,电压达 055I 的 >F; 肖特基 二极管(另一电极用金、钯、钛、钴均可)的反向漏电流小于 5 . -1D G 11,而反向恢复时间 几乎为零。 一段时间曾认为砷化镓很有希望取代硅半导体材料。现在实验表明,碳化硅材料性 能更优越。>F; 的研究所以滞后于 8CDE,主要原因是 >F; 晶体的制造难度太大。当温度 大于 /555J时,>F; 尚未熔化,但到了 /H55J时 >F; 已升华变成气体了。现在是利用升华 法直接从气体状态生长晶体。目前的问题是要进一步改善 >F; 表面与金属的接触特性和 进一步完善 >F; 的制造工艺,这些问题预计在 4 B -5 年内可得到解决。当应用 >F; 制造 的半导体器件得到广泛应用时,对电力电子技术的影响将会是革命性的。 / K 新型变压器 变压器是电力电子产品或开关电源中必不可少的部件。平面变压器是近两年才面世 的一种全新产品,与常规变压器不同,平面变压器没有铜导线,代之以单层或多层印刷电 路板,因而厚度远低于常规变压器,能够直接制作在印刷电路板上。其突出优点是:能量 密度高,因而体积大大缩小,相当于常规变压器的 /56 ;效率高,通常为 2@6 B 226 ;工作 频率高,从 45L#M 到 /<#M;漏感低(小于 5 . /6);电磁干扰小($< !)等。 压电变压器是应用电能 N 机械能 N 电能的 N 种新型变压器,它是利用压电陶瓷电致 伸缩的正向和反向特性而制成的。两片压电陶瓷紧密、牢固地结合在一起,将原边交变电 压加在一片压电陶瓷的水平曲线上,这片压电陶瓷将产生垂直方向的机械振动而使另一 · -3 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 片牢固结合的压电陶瓷跟着一起作垂直振动,此时将在其水平轴线方向上产生电压——— 次级输出电压。目前,这种变压器功率还不大,适用于电压较高而电流较小的应用场合, 如照明灯具的启辉装置。 ! " 超容电容器 超容电容器是电容器件近年来的最新产品。美国的麦克韦尔公司一直保持着超容电 容器技术的世界领先地位。超容电容器采用了独特的金属 # 碳电极技术和先进的非水电 解质,具有极大的电极表面和极小的相对距离。现在已开发、生产出多种具有广泛适用范 围的超容电容器单元和组件,单元容量小到 $%&,大到 ’(%%&。超容电容器可方便地串联 组合成高压组件或并联组合成高能量存储组件。超容电容器组件现已可提供 )*%+ 的高 压。 二、电路集成和系统集成及封装工艺 开关电源的发展方向是模块化、集成化和智能化。近几年来具有各种控制功能的专 用芯片发展很迅速,如功率因数校正(,&-)电路用的控制芯片,软开关控制用的 .+/、 .-/ 芯片,移相全桥用的控制芯片,.+ 0、.-0、,12 专用控制芯片,并联均流控制芯片以 及电流反馈控制芯片等。功率半导体器件则有功率集成电路(,3456 7-)和 7,2。7,2 以 7890 作为功率开关,将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接 线、焊点减少,可靠性显著提高。集成化、模块化使电源产品体积更小、可靠性更高,给应 用带来极大方便。 电路集成的进一步发展方向是系统集成。如现在的逆变器是将 ’%% : !%% 个零件装 配在一起成为一个系统。这种做法要花很多时间和人力,成本也高,难于做得体积很小。 美国 +7-;< 公司生产的第一代电源模块受生产技术、功率、磁元件体积以及封装技术的 限制,功率密度始终未能超过每立方英寸 =% 瓦。近年来推出的第二代电源模块,内部结 构也改为模块式,达到高度集成化和全面电脑化,功率密度已经达到了每立方英寸 $’% 瓦。电源模块内含元件只有第一代产品的 $ # !,由 $$* 个减为 !* 个。第二代电源模块的 控制电路只含两个元件,被称作“大脑”(96>?@)。“大脑”是两片厚膜电路,由 +7-;< 公司 自行开发生产,其总体积只有 % " $?@!,取代了第一代产品中的约 $%% 个控制元件,体积缩 小了 )%A 。第二代产品的另一个突破是变压器的改良,采用屏蔽式结构和镀铜磁芯,把 初级和次级线圈分置左、右两边,温升很低。寄生电容和共模噪声也很低。变压器处理功 率的密度达到了每立方英寸 $%% 瓦,温升只有 !B。第二代产品功率器件的管芯直接焊 · $( · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 接在基板上以取代第一代 !" # $%% 封装,可以提高散热效率,降低寄生电感、电容和热 阻。第二代产品的集成度显然提高了,但还不是系统集成。李泽元教授领导的美国电力 电子系统中心(&’()’* +, -+.’* /0’1)*+(213 453)’63,缩写为 &-/4)已经提出了系统集成的 设想。信息传输、控制与功率半导体器件全部集成在一起,组成的元件之间不用导线连接 以增加可靠性;采用三维空间热耗散的方法来改善散热,有可能将功率从低功率(几百瓦 至上千瓦)做到高功率(几十千瓦以上)。系统集成的结果,可以改变现在的半自动化、半 人工的组装工艺而达到完全自动化生产,因而可以降低成本,有利于推广。英特尔的微处 理器的发展趋势是速度更快,电压更低,而需要的电流容量一直在增加。$% 世纪末英特 尔微处理器的工作电压是 $ 7 89,电流为 :%;,操作频率是 8%%<=>。而两年后它的工作 电压降到 :9,电流为 8% 7 ?%;,操作频率为 :@=>。现在的做法是把开关电源紧靠在微处 理器上,开关电源以很快的速度提供电流给微处理器,这样尚能满足现有微处理器的要 求。但将来微处理器工作电压降低、电流增加、速度加快的时候,现有的解决方法将无法 达到它的要求。为此,李泽元教授就提出要彻底解决问题,必须将开关电源与微处理器结 合在一起。今天英特尔公司大部分人接受了这一想法并在积极促成此事。提出的构想 是:开关电源紧密结合在微处理器主机板下面。这样开关电源的大小必须与微处理器相 当,而现在的开关电源要比微处理器大几十倍。如何减小体积?这又面临新的挑战! 三、功率因数校正技术发展动态 功率因数校正的概念起源于 :AB% 年,但被重视和推广则在上个世纪 B% 年代末期和 A% 年代。欧洲和日本相继对开关电源装置的输入谐波要求制定了标准。目前有两个标 准,它们是 C/&??? # $ 和 C/&:%%% # 8 # $。这使得研究 -D& 技术已成为电源界的热点。 通常有两大类 -D& 技术:一类是无源 -D& 技术,另一类是有源 -D& 技术。前者采用无源 元件来改善输入功率因数,减小电流谐波,以满足标准要求。其特点是简单,但体积庞大、 笨重,有些场合则无法满足要求;后者是用一个变换器串人整流滤波与 E& F E& 变换器之 间,通过特殊的控制,第一强迫输入电流跟随输入电压,从而实现单位功率因数,第二反馈 输出电压使之稳定,从而使 E& F E& 变换器的输入实现预稳。这种方法的特点是控制复 杂,但体积大大减小。另外,第二级的设计也易优化,进一步提高性能。 有源功率因数校正技术的目的在于改善开关电源的输入功率因数,减小输入电流谐 波,以满足 C/&:%%% # 8 # $ 标准。具体的实现方式很多,但主要的方法有两种:一种是在 整流滤波和 E& F E& 功率级之间串人一个有源 -D& 作为前置级,用于提高功率因数和实 现 E& F E& 级输入的预稳,这种方法称为两级 -D& 技术,用作 -D& 电路的功率级基本上 · :B · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 是 !""#$ 变换器,两级 %&’ 技术一般用于较大功率输出的应用场合;另一种办法是努力将 %&’ 级与 (’ ) (’ 功率级中的一些元器件共用,并实现统一的控制,通常共用的元器件是 *+,&-.。目前,将这种方法称为单级 %&’ 技术。实际上它不是纯单级 %&’,应当是单 开关 %&’。这种技术由于控制简单,元器件少,因此小功率应用非常适合。但它的功率因 数、谐波等指标与功率级效率、输入电压范围、负载范围等密切相关,因此设计和优化显得 尤为重要。 / 0 两级 %&’ 技术的现状和发展趋势 目前,文献上研究的两级 %&’ 技术一般都是指 !""#$%&’ 前置级和后随的 (’ ) (’ 功 率变换级。对第一级 !""#$%&’ 而言,研究的热点主要有两个:一是功率级的进一步完善; 另一个是 %&’ 的控制简化。前一个问题是因为在 !""#$ 电路中输出比输入高,因而保持 最低的中间母线电压也必须大于最高输入电压的峰值,这由电网电压的范围决定。在我 国,如果仅考虑单相电网输入,最高电压为 1234,则该母线电压就须设置在 567 8 9334 左右。高压输出对 *+,&-. 的开通损耗和二极管的反向恢复损耗而言,在 %:* 硬开关 工作状态下都会相当大。因此,一个最大的问题就是如何减小或者消除这两个损耗,相应 就有许多软开关 !""#$ 变换器理论的研究。现在较具代表性的有两种技术:一种是有源 吸收技术;另一种是无源吸收技术。 有源吸收技术是采用附加的一些有源开关,例如辅助 *+,&-.、无源 ; < ’ < 、二极管 元器件,通过控制开关的时序,使得 !""#$ 变换器电路中的主开关和主二极管实现 =4, 和 =’,。许多相应的 !""#$ 变换器电路已经被发明,如 =4 .、=’.!""#$ 变换器、有源箍位 !""#$ 变换器、=4=’, > !""#$ 变换器等。有源吸收技术虽然能较好地解决主开关的软开 关问题,但辅助开关自身往往仍是硬开关,仍会产生很大的功率损耗。再加上复杂的时序 控制,使得变换器的成本增加,可靠性降低,在实际的产品设计中并不经常采用这种技术。 无源吸收技术则是采用无损元件 ;、’ 和二极管组成的网络,来延缓 *+,&-. 的 ? ! ) ? " 和二极管的 ? # ) ? ",从而减小开通损耗和反向恢复损耗。这类吸收技术最近又获 得新的发展,原因是它的成本较为低廉,不需要复杂的控制,可靠性较高。 除了 !""#$ %&’ 功率级的软开关技术研究外,另一个较为关注的研究方向是 %&’ 的 控制技术。目前,最为常用的控制技术有三种,即工作模式(’’*)平均电流型控制 !""#$ %&’、’’* ) (’* 边界控制 !""#$ %&’ 和电流钳位(’@AABC$ ’DEFG)控制 !""#$ %&’,下面 分别予以简单介绍。 !平均电流型控制 !""#$ %&’。平均电流型控制 !""#$ %&’,是通过检测 !""#$ 电感 电流并与正弦电流基准比较、误差放大后,再与斜波信号比较,产生 %:* 占空比信号,去 · /H · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 控制主开关,以实现单位功率因数和稳定输出电压。其中正弦电流基准信号由( !·")! # 获得,! 为输出检测信号经误差放大后的输出电压,月是全波正弦输入电压的取样值,# 则为输入交流电压取样信号平均值的平方。这种技术的电压环带宽控制小于 "#$%,电流 环则要求足够快,以保证不失真和低的谐波要求。它有专用控制器芯片,如 &’()*+。目 前通常用于 ,-. 以上的功率级。这种技术的优点是定频控制,功率因数高;缺点是要检 测电感电流,控制器外围参数设计和选择较为复杂。 !’’/ ! 0’/ 边界控制 12234 56’。’’/ ! 0’/ 边界控制 12234 56’ 则是一种滞后 控制技术。它的上限是一个正弦基准电流,由输出检测信号经误差放大后与输入全波电 压的检测信号相乘获得,下限则为零。具体过程是通过检测开关电流与正弦基准电流相 比较,当达到该基准电流时关断开关,在电感电流为零时再次开通。这种控制使得电感电 流为临界电流工作状态,即 ’’/ ! 0’/ 边界。可以消除二极管的反向恢复损耗,大大减 小主开关的非零电压开通损耗。但它是一种变频控制技术,7/ 8 滤波器的设计较为困 难。另外,由于电感较小,电感纹波电流较大,使得开关器件的通态损耗有所增加。因此, 在 ,-. 以内可以采用这种技术。其优点是:控制简单,专用芯片(如 /’(+"9")的外围元 件很少。 "电流钳位控制 12234 56’。电流钳位控制 12234 56’ 则是前几年才引进的一种简 单技术,它实际上就是电流型(峰值)控制 12234 电路。由于外环是一个带宽非常低的电 压环,其输出与开关电流比较后去控制主开关的占空比,由此产生的输入电流介于正弦电 流与方波电流之间,但仍有很高的功率因数。只要补偿斜波的参数选择得当,便可相当容 易地满足 87’,### : ( : " 标准。这种技术的控制器就是专门的电流型 5./ 控制器,如 &’()+" ; &’()+*。最大占空比的控制和前馈环节的加入都会明显改善波形和功率因 数。这种技术因控制极其简单,但谐波性能指标相对较差而多用于小功率场合(+*#. 以 内)。 除了上面三种常用的控制技术外,还有许多其他的控制技术,如 <=> ’?@A> 控制的 56’ 技术、非线性载波控制的 56’ 技术等。简化 56’ 控制,即如何省掉乘法器是目前研 究控制的目标。对于两级技术中的后一级,一般是一个隔离 0’ ! 0’ 功率变换器。它的 目的是将 1B3 电压变成所需的负载电压。很多负载对该电压的要求是低纹波、高精度、好 的动态响应和小的 7/ 8 等。因此,对这一个 0’ ! 0’ 变换器及其控制也会提出很高的要 求。作为一个完整的开关电源,高效率和轻量化是最最关键的要求。由于 12234 56’ 的 加入,相应地会降低整个电源的效率,增加总电源的体积,所以这一级的选择、设计和优化 就显得非常重要。 · "# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 单级 #$% 技术的现状和趋势 早在 &’’( 年,美国科罗拉多大学的 )*+,-./0 教授等人将前置级 1//.2 电路和后随级 $3456,(- 反激)变换器或者 $/*76*(8 正激)变换器的 9:;$)< 共用,提出所谓的单级 #$% 变换器。研究单级 #$% 技术的目的是:减少元器件,节约成本,提高效率,简化控制等。 与传统的两级电路比较,节省了一个 9:;$)<,但增加了一个二极管。另外,其控制采用 一般的 #=9 方式,故相当简单。为保证高输入功率因数,输入电感的电流应当为 >%9 方式。在这里,控制器的作用是保证快速、稳定地输出,对于输入的功率因数则需功率级 自身获得。功率因数和谐波电流的高低,与电感 ! +0的大小和拓扑结构等密切相关,这便 是近五六年来研究单级 #$% 结构的真正动机。 回顾单级 #$% 技术的研究历程,不难发现,展开这种研究的前提条件是:?)%&((( @ A @ ! 标准只对各次电流谐波作了要求,而对功率因数并没要求,一个功率因数只有 ( B C( 左右的开关电源仍可满足各次电流谐波的要求。所以,只要有改善的电流波形,电源产品 就有可能达到谐波标准。与真正的有源 #$% 技术不同,它对功率因数仅作开环控制。事 实上已不能称为 #$%,但鉴于传统,这里仍称单级 #$% 技术。单级 #$% 电路在实际电路 中存在着一个非常严重的问题:当负载变轻,达到临界连续状态时,由于输出能量迅速减 少,但控制占空比(由负载决定)没有变化,输入能量维持不变,使得此时 "+0 D "/,多余的 输入能量将给中间储能电容充电,# ,(5 电容器两端的电压)增加,占空比减少,从而使 "+0 减少,最终达到一个新的平衡态,即户 "+0 E "/,这一过程使中间储能电容电压到达一个 很高值。在电路中,对于 ’( F !GHI 的交流电网,该电压会达到甚至超过 &(((I。就目前 的电容技术和功率器件技术而言,这么高的电压都是不实际的,因此无法使用。此后的许 多单级 #$% 电路都在努力,如何将 # ,5J6K。降至 LH(I 以内,以便可以利用现有的电容和 功率器件。目前发表的电路很多,但有代表性的电路可总结为下面几个。 &’’! 年中日会议(北京)上的一篇文章提出了一个单级 #$% 电路。这个 #$% 可以获 得较好的功率因数,轻载时中间储能电容电压可控制在 LH(I 以下。对于窄范围(’( F &A!I、&CG F !GLI)电网输入,其性能会更好。其中,电容的大小对功率因数、效率和中间 电容电压的影响很大。电容越大,功率因数越高,但效率就越低,中间电容电压就越高,反 之亦然。 在 ?02M3M,’LN上,有一个日本作者提出了所谓的磁开关电源。它在变压器上增加一个 绕组并与输入电感串联。这一串联的绕组可以降低中间储能电容电压,将其控制在 LH(I 之内。 在 ?02M3M,’HN上,%6+ $O.PM0 在此电路的基础上做了稍许改进,同样可将中间储能电容 · !& · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 电压控制在 !"#$ 之内。目前,他们生产的计算机多输出电源中已采用此方案。 单级 %&’ 技术的研究仍然呈现上升的趋势,原因是性能尚未最优,许多问题有待进 一步解决。例如中间储能电容电压可望降至 !##$ 以下。分析与设计还有一大堆问题要 做,还要与两级 %&’ 技术作出客观比较。 四、低压大电流 (’ ) (’ 变换技术的发展动态 低压大电流高功率 (’ ) (’ 变换技术,已从前些年的 * + *$ 降至现在的 , + #$ 左右,电 流目前已可达到几十安至几百安。同时,电源的输出指标,如纹波、精度、效率、过冲、过冲 等技术指标也得到进一步提高。所有这些使得这一分支技术的研究在当今乃至今后一段 时间内,都将成为电力电子界的热点。它的研究内容非常广泛,包括电路拓扑结构动态问 题(尤其是负载的大信号动态问题)、同步整流技术、控制技术以及其他相关技术的研究, 诸如布线、集成磁技术、包装技术、高频功率器件技术等。 超高速计算机和超大规模集成技术的迅速发展对它们的供电电源提出了愈来愈高的 要求。其中要求供电电压不断降低(这是提高速度的前提条件),供电电流日益增加。低 压大电流 (’ ) (’ 变换技术正面临着许多新的问题。 , + 无暂态要求的低压大电流 (’ ) (’ 变换技术 这一类变换器是针对负载变化极其迅速的低压大电流 (’ ) (’ 变换技术而言的,并 非没有一点儿暂态要求,实现起来还是相对容易的。对这一类技术,主要总结各类拓扑结 构、自驱动同步技术和一些集成磁技术。 低压大电流 (’ ) (’ 变换技术的关键是寻找合适的拓扑结构,使变压器的副边波形 能直接驱动代替二极管的同步整流 -./&01。这样既能保持简单性,又能实现高效率。 在低压大电流输出的电源中,副边整流环节的损耗占整个损耗的极大部分。最好的肖特 基二极管也有 # + 2"$ 正向压降,将产生巨大的导通损耗。所以,整流器件的惟一选择是 用同步整流 -./ 3 &01,副边的研究便主要集中在如何驱动这些同步整流 -./&01 上。 一种办法是采用外部控制电路,产生合适时序的驱动信号,去驱动这些同步整流 -./4 &0 1 ,简称外驱动技术;另一种办法便是选择拓扑,直接用副边波形来驱动这些同步整流 - . / &0 1,简称自驱动技术。目前,与自驱动同步整流技术相匹配的拓扑结构只有两种: 一是有源钳位正激变换器;二是互补驱动半桥电路。 有源钳位正激变换器是一个美国专利,它用一个辅助管和电容串联后再与变压器原 · 22 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 边相并联,来实现磁化电流的去磁。当主开关断开时,磁化电流先通过辅助管的体二极管 给电容充电,一旦该电流反向,辅助管便导通,电容对激磁电感反向激磁,达到去磁的目 ! 的。这种方式有许多优点,如可扩展占空比(" # $ ! %),原边管子电压尖峰很小,副边的电 压波形没有死区,从而可以作为副边两个同步整流 &’()*+ 的自驱动信号等。在低压大 电流 ", - ", 变换中,这是应用最为广泛的一个电路。 互补驱动半桥变换器也是一个美国专利,与对称驱动不同。半桥两个管子的驱动时 序是互补的,稍留一些死区,变压器原边串联一个隔直电容。该电容上的电压是一个直流 电压,且与占空比有关,其值为 ! ./0,用以自动保持变压器的磁平衡。这个电路的最大占 空比为 $ ! %。因其副边的电压波形无死区,从而也是自驱动同步整流的合适拓扑。目前, 它在低压大电流 ", - ", 变换中的应用非常广泛。 除了这两个拓扑结构外,三绕组钳位正激变换器、谐振钳位正激变换器等也是可以考 虑的。只是在应用的时候,要考虑如何较简单地构成自驱动。构筑自驱动方式的好坏直 接影响 到控制的简单性、效率的高低以及电源的可靠性。 在低压大电流 ", - ", 变换器中,副边整流管的通态损耗尽管是最关键的一部分,但 1234567 的损耗也不应忽视,尤其是大电流焊点处的损耗、印制板引线上的导电损耗等。 如何减小焊点损耗,对于提高效率来说关系重大。倍流整流技术(,688907 "56:;98)可将 副边的中心抽头省掉,副边的匝数至少可以省一匝。另外,它还提供了变压器与电感集成 于一个铁芯上的理论可能性,构成集成磁技术的低压大电流 ", - ", 变换器。目前,采用 集成磁技术的 ,688907 "56:;98,其变压器和电感共用一个铁芯,副边绕组与电感绕组中的 两个头共用,电感绕组的第三个头由一个外脚(’6798 19<)引出,构成的磁路很紧凑。全 部原副边都可用印制板制作。由这种集成磁技术构成的低压大电流电源,具有很低的厚 度和非常高的功率密度,是理想的新一代高功率密度电源产品。 = ! 负载极其快速变化的低压大电流 ", - ", 变换技术 英特尔公司已准备推出下一代超高速奔腾计算机。为其芯片供电的电源目前称为 > ? &(电压调节器模块),这 是 一 个 崭 新 的 应 用 领 域。其 中 最 重 要 的 要 求 是 负 载 的 变 化 速率((;9@ ?279)。传统 >?& 的输出为 = ! $ A = ! B>,电流为 CD ! $E,(;9@?279 是 D$E A!F。 下一代 >?& 的目标则是:输出电压为 1 = A C ! G%>,电流为 H$E,(;9@?279 是 C%$E A!F。 面对极其快速的负载变化和非常低的输出电压,电源的动态欠调和超调已成为 >?& 中 最为困难的一个问题。它不仅与开关频率有关,而且与印刷电路板、引线电感、引线电阻、 电容质量等密切相关。下面简要介绍 >?& 的研究情况和发展趋势。 由于 >?& 的输入电压仍然是一个可选项,因此目前的 >?& 研究有两种:一种是非 · =D · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 隔离 !"#;另一种是隔离型 !"#。前者直接用计算机输出电源中的 $ % &! 或者 ’ % ’! 作 为 !"# 的输出,采用 ()*+ 变换器来实现;后者则通常用 ,- % .! 或者 /, % .! 作为输入电 压,采用隔离变换器来实现。下面分别介绍这两种 !"#。 !非隔离型 !"#。非隔离型 !"# 的输入电压一般直接取自计算机多输出电源中 的一个输出,例如 $ % &! 或者 ’ % ’! 输出,故最佳的拓扑自然是 ()*+ 变换器。传统 !"# 因 0123 "452 相对较低,开关频率通常选择 ’&&+67,拓扑结构则用同步整流 ()*+ 变换器, 即续流二极管也用同步整流 #.089: 代替以提高效率。多数已有的产品采用电压型控 制技术,在负载变化时饱和开关占空比,使之满足动态的要求。随着 0123 "452 的提高和 输出电压的降低,传统的同步整流 ()*+ 变换器已无法满足动态要求。!;9< 提出采用 =0> ()*+ 变换器的多个 ?@52A124BC@D 技术,从理论上证明了它的有效性。但控制器相当 复杂,而且要解决电流取样和均流等问题。由此也展开了许多新的研究领域,例如集成电 感技 术、器 件 的 包 装 技 术、新 兴 结 构 与 工 艺 技 术、新 兴 电 容 技 术 等。 目 前,这 个 研 究 组 (!"# EAF)G)共与 H I - 家美国的大公司携手合作,旨在攻克各种技术难题。 "隔离型 !"#。由于 !"# 的引入,对传统计算机电源系统也提出了新的挑战。一 些输出电压的标称值可能 会 发 生 变 化,系 统 的 结 构 也 需 重 新 考 虑。鉴 于 这 种 情 况,! " # 的输入也是一个选择项。因此,在输入电压较高时,选择隔离 J< K J< 变换器最为合适。 隔离型 !"# 变换器的拓扑结构有源钳位正激变换器、互补驱动半桥变换器以及一 些集成磁的 <)AA2@5 JF)L12A。隔离型 !"# 变换器动态要求的实现更加困难,这是因为其 最大占空比的限制较小。一种办法是外加一个专门的暂态功率级电路,用以完成快速的 负载变化要 求,其理论和实验有待进一步深入。 低压大电流 J< K J< 变换技术的研究正在不断深入,避开专利技术的拓扑研究将成 为新一轮的热点。如何解决快速负载变化引入的问题将成为近期的主要目标,一系列的 新兴控制策略将会不断出台。新型元器件、新型控制器以及结构和工艺等方面的研究也 会层出不穷。全部的这些研究成果又会推动其他 J< K J< 变换领域乃至整个电力电子行 业的理论向一个更高的层次发展。 随着开关电源性能的不断提高,对开关电源的要求也愈来愈高。一个开关电源的品 质除了电性能指标外,还有许多其他指标,如环境温度、外形尺寸、9# ? 要求、抗震动要 求、可靠性指标、集成度和美观性等。所有这些都决定了一个电源产品的市场竞争率。 一些电力电子组件(;9(()的研究、功率集成技术的研究、新型原材料和元器件的研 究都希望从不同程度上提高电源的整体品质。电源相关技术的研究正处于迅速发展的阶 段,可以预计下面几个问题是开关电源发展的永恒方向。 !开关电源频率要高,这样动态响应才能快,配合高速微处理器工作是必需的,也是 · /, · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 减小体积的重要途径; !体积要减小,变压器电感、电容都要减小体积; "效率要高,产生的热能会减少,散热会容易,容易达到高功率密度。 · "! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第二章 开关电源功率器件和基础电路 第一节 功率半导体技术的发展 本节概述了各种功率半导体器件与功率集成电路的现状和最新发展动向,从新结构、 新材料等方面展望了功率半导体技术向着高频、高温、高压、大功率及智能化、系统化方向 发展。 一、功率二极管 功率二极管是功率半导体器件的重要分支。目前,商业化的功率二极管有 !"# 功率 二极管和肖特基势垒功率二极管($%&)。前者有着耐高压、大电流、低泄漏电流和低导通 损耗的优点,但电导调制效应在漂移区中产生的大量少数载流子和较低的关断速度,限制 了该器件向高频化方向发展。具有多数载流子特性的肖特基势垒功率二极管有着极高的 开关频率,但其串联的漂移区电阻有着与器件耐压成 ’ ( ) 次方的矛盾关系,阻碍了肖特基 势垒功率二极管的高压大电流应用,加之肖特基势垒功率二极管极差的高温持性、大的泄 漏电流和软击穿特性,使得硅肖特基势垒功率二极管通常只工作在 ’**+ 以下的电压范 围内。 为了获取高压、高频功率二极管,研究人员正在两个方向进行探索:一是采用新材料 研制肖特基势垒功率二极管(包括 $%& 的改进型器件,如 ,%$ 等);二是沿用成熟的硅基 器件(超大规模集成电路)工艺,通过新理论、新结构来改善高压二极管中导通损耗与开关 频率间的矛盾关系。砷化镓(-./0)肖特基势垒功率二极管虽然已经获得大量应用,但其 1 ( 2’3+ 的禁带宽度和仅 1 ( ) 倍于硅材料的临界击穿电场,使得 -./0 肖特基势垒功率二 极管也只能用在 4**+ 以下的电压范围内,远远不能满足现代电力电子技术的发展需要。 碳化硅($"5)材料以其宽的禁带宽度(’ ( ’ 6 7 ( ’3+)、高的临界击穿电场(’81*4 6 281*4 + 9 :;)、快的饱和速度(’<1*= :; 9 0)、高的热导率 >(2 ( ?@ 9 :;’·A)、高硬度、强抗化学腐蚀性 · ’4 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 和可与 !" 相比的迁移率特性,以及其较为成熟的材料制备和制作工艺,使得 !"# 材料成 为目前发展最快的宽带半导体材料和功率半导体器件的研究热点。在由美国海军资助的 $ %&’ 项目中,普渡(()*+),)大学于 -... 年研制成功 /.001 的 !"# 肖特基势垒功率二极 管。2000 年 3 月 23 日,美国 #&44 公司与日本关西电力公司(5,678)联合宣布了他们研 制成功世界上第一只超过 -291 的 !"# 二极管。这只耐压高达 -2 : ;91 的二极管,正向压 降在电流密度为 -00< = 7>2 时仅为 / : .1。在硅基功率二极管方面,结合 (? 结低导通损 耗、优良的 阻 断 特 性 和 肖 特 基 势 垒 二 极 管 高 频 率 特 性 两 者 优 点 于 一 体 的 @A!、$(!、 B $A!、B $(! 等新器件正逐渐走向成熟。此外,为开发具有良好高频特性和优良导通特 性的高压快恢复二极管,许多通过控制正向导通时漂移区少数载流子浓度与分布的新结 构,如 !!C、!(44C、!DC、4!C、A@C 等也不断出现。美国国防大学工程 中心电力电子系 统中心(#(4!)研究的 $E! 控制二极管($E! #8FG*8HH,+ C"8+, I $#C),通过单片集成的 $E!D4B 控制 (’? 二极管的注入效率,使 $#C 正向导通时既能有 (’? 二极管的大注入 效应,在关断时又处于低的甚至零过剩载流子存储状态,从一个全新的角度提出了改善高 压二极管中导通损耗与开关频率间矛盾关系的新方法。 二、半导体功率开关器件 在半导体功率开关器件中,晶闸管( BJK*"LG8*,也可称为可控硅 !#&)是目前具有最高 耐压容量与最大电流容量的器件。其最大电流额定值为 M000<,电压额定值可达 -291。 国外目前已能在 -00>> 直径的硅片上工业化生产 M91 = /000< 的晶闸管。此外,光控晶 闸管的额定值可达 M91 = /000<,快速晶闸管的额定值为 291 = M00<,最高频率为 209NO。 但晶闸管不能用门极控制其关断,需要复杂的辅助换流关断电路。因此,自 20 世纪 M0 年 代以来,一种通过门极控制其导通和关断的晶闸管———门极关断晶闸管 PBE 得到迅速 发展。目前,日本三菱电机公司、瑞典 >)GSG,+ BJK*"LG8———’P#B,日本 三菱电机称之为 PSG, #8>>)GSG,+ B)*F I 8TT BJK*"LG8* I U7G);二是美国硅功率公司(!"H"V 78F (8X,* #8*6———!(#E)提出的 $E! 关断晶闸管($E! B)*F I 8TT BJK*"LG8* I >G8);三 · 2Y · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 是由美国 !"#$ 黄勤教授提出的发射极关断晶闸管(#%&’(()* +,*- . /00 +12*’3(/* . )(/)。 它们在 45 世纪 65 年代相继问世,其中前两种已走向市场。 大功率晶体管(7+8)是 45 世纪 95 年代发展起来的一种电流控制双极型功率半导体 开关器件,常用的有单管、达林顿管和模块三大系列,现有的水平为 :;55< = ;55> = 4?@A、 :B55< = C55> = D?@A 和 C55< = E> = :55?@A。7+8 既具有双极型晶体管的工作特性,又增 大了功率容量,曾在开关电源中等频率、中等功率容量的电路中广泛应用。但由于存在双 极型晶体管固有的二次击穿、安全工作区受各项参数影响而变化、热容量小、过流能力低 等缺点,7+8 逐渐被功率 FG$H#+ 和绝缘栅双极晶体管(I7J+)所取代。 由于 7+8、7+G 等双极型全控器件必须提供较大的控制电流,使门极控制电路非常 庞大,功率变换系统的体积和重量增大,效率降低。随着新型功率 FG$ 器件的发展, FG$ 型功率器件及以其为基础的新型压控型功率器件在电力电子装置中获得了广泛应 用。功率 FG$H#+、绝缘栅双极晶体管等均是电压控制型器件。可用一些专用的高压集 成电路进行控制,甚至可以把功率器件和控制、自保护电路等做在一个芯片上,大大促进 了高压集成电路和智能功 率 集 成 电 路( $" I!)的 发 展,使 电 力 电 子 技 术 产 生 了 新 的 飞 跃, 促进了电力电子系统向智能化、小型化和高性能方向发展。 多子导电的功率 FG$H#+ 显著地减小了开关时间。因而很容易达到 :55?@A 的开 关频率,冲破了电力电子系统中 45?@A 这一长期被认为是不可逾越的障碍。商品化的功 率 FG$H#+ 已达到 C5< = 455> = 4F@A 和 D55< = D5> = :55?@A 的水平。功率 FG$H#+ 是 低压( K :55<)范围内最好的功率开关器件。但在高压应用时,其最大缺点是导通电阻随 耐压的 4 L D 次方急剧上升,给高压功率 FG$H#+ 的应用带来了很大困难。近几年,人们 为提高其耐压、降低其导通电阻进行了大量研究,利用 $">!#8 技术研制的小单元尺寸 第五代功率 FG$H#+ 和槽栅( + FG$、8FG$、M FG$)功率 FG$H#+ 均工业化生产,I8 公司生产的功率 FG$H#+ 元胞密度已到达每平方寸 : L :4 亿个,I8H:95B 的最高工作温 度已高达 455N。目前,功率 FG$H#+ 的研制水平为 :555< = CD>,模块为 C55< = :C5>。 在功率 FG$H#+ 领域,一种基于陈星弼院士专利,打破了传统功率 FG$H#+ 理论极限, 被国际上盛誉为功率 FG$H#+ 领域里程碑的新型功率 FG$H#+ . !GGIFG$ 于 :66; 年 问世并很快走向市场。!GGIFG$ 由于采用新的耐压层(!J)结构(又称为 $,O)* P,-Q(’/结构或者称为 F,R(I . 8)3,*0 结构),在几乎保持功率 FG$H#+ 所有优点的同时,又有着 极低的 导 通 损 耗。但 受 工 艺 限 制。目 前,市 场 上 !GGIFG$ 产 品 最 大 功 率 容 量 只 有 :555< = 45>。人们相信,随着 !GGIFG$ 功率容量的增加,高频、高压、大电流功率半导体 开关器件的实现,必将给电力电子产品带来一场新的变革。 I7J+ 既有功率 FG$H#+ 高输入阻抗、快速开启、驱动电路简单和所需驱动功率小 · 4; · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 等优点,又具有功率晶体管漂移区电导调制、导通损耗低的特点,且较功率 !"#$%& 有着 更大的电流密度、更高密度功率容量和较功率晶体管更高的开关频率、更宽的安全工作 区。这些优势使 ’()& 在 *++, 以上中等电压范围内成为主流的功率器件,且正逐渐向高 压大电流领域发展。在器件研究方面,研究人员着重对 ’()& 正向导通时漂移区少数载 流子浓度与分布控制的所谓“集电极工程”与 ’()& 压接式封装方面进行研究。在高压 ’()& 的器件研究中,一种具有类似功率 -’. 二极管漂移区浓度分布的注人增强型 ’()& / ’%(& 已研制成功。’%(& 通过发射极侧的注人增强(0%)效应,大大降低了高压 ’()& 的导通损耗,通过局域寿命控制技术或(和)透明集电极技术,控制集电极侧的载流子浓 度,减弱了 ’()& 关断电流尾。 ’()& 的未来发展趋势有两个方向:一个是超大功率 ’()& 模块;另一个是超快速 ’()&。由于 ’()& 较功率 !"#$%& 有着更大的电流密度(同等输出功率的 ’()& 与功率 !"# 相比,前者的芯片面积只有后者的 1+2),且 ’()& 内部没有寄生的反向二极管,这 使得 ’()& 的效率更高、应用更灵活。在中等电压(34+ 5 *++,)范围内,’()& 已应用到 了 06+ 5 07+89: 的频率范围(如美国 ’. &%;#’< 公司的 #!-# ’()& 系列和 ’; 公司的 =>;- #-%%? & ! ’()& 系列)。 宽禁带半导体器件,特别是 #’@ 半导体器件被视为下一代的半导体功率器件,各种 #A@ 功率开关器件(如 !"#$%&、!%#$%&、’()&、#’&、(&"、)B& 等)相继研制成功。虽 然近几年 #A@ 功率开关器件取得了长足进步,但离大规模商业化仍还有一段距离。表 C / 0 为 #A@ 功率开关器件的最高水平。 表 C / 0 #A@ 功率开关器件最高水平 器件名称 D !"# >@@D$%&(19) #’>$%&(19) #<>$%&(19) ? ! "#$ % &(* 9) D !"# >@@D$%&(19) < ? ! "#$ % &(1 9) B$%&(19) B$%&(19) 双极型晶体管(19) 晶闸管(19) ( & "(1 9) ( & "(1 9) 耐压 16+, *0++, 167+, 07++, 01++, C4++, 66++, 116+, 07++, C*++, C34+, 30++, 其他主要特性 ! #@ E 0+ F GH!I JHC ! #@ E 43CH!I JHC ! #@ E 374H!I JHC ! #@ E 374H!I JHC ! #@ E 06 F 4H!I JHC ! #@ E 3+++H!I JHC ! #@ E C07H!I JHC ! #@ E 0C0H!I JHC ! #@ E 4H!I JHC 正向电流为 0C> 1 F GB, W 0C> 制造商 ?KLMN @NOP QRLMRA I @OKK QRLMRA I @OKK #AKHKLL8 >? -SOTSK DLA -SOTSK DLAU QRLMRA I @OKK QRLMRA I @OKK @OKK ;KMKRLJV @OKK ;KMKRLJV ."O@VONP / (OSHOLRL @OKK ;KMKRL@V · CG · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 三、功率集成电路 功率集成电路(!"#)是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护电 路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路。以往,一般将其分为智能功率集成电路 ($!"#)和高压集成电路(%&"#)两类。但随着 !"# 的不断发展,两者在工作电压和器件 结构上(垂直或横向)都难以严格区分,已习惯于将它们统称为智能功率集成电路。智能 功率集成电路是机电一体化的关键接口电路,是 $’##($()*+, ’- #./0)的核心技术。它 将信息采集、处理与功率控制合一,是引发第二次电子革命的关键技术。 $!"# 出现于 12 世纪 32 年代后期。由于是单芯片集成,$!"# 减少了系统中的元件 数、互连数和焊点数,不仅提高了系统的可靠性、稳定性,而且减少了系统的功耗、体积、重 量和成本。但由于当时的功率器件主要为双极型晶体管、45’ 等,功率器件所需的驱动 电流大,驱动和保护电路复杂,!"# 的研究并未取得实质性进展。直至 12 世纪 62 年代, 由 7’$ 栅控制并具有高输入阻抗、低驱动功耗、容易保护等特点的新型 7’$ 类功率器 件,如功率 7’$895、"4:5 等的出现,使得驱动电路简单,且容易与功率器件集成,才迅 速带动了 !"# 的发展。但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了 !"# 的应用。进人 12 世纪 ;2 年代后,!"# 的设计与工艺水平不断提高,性能价格比不断改进,!"# 逐步进入 了实用阶段。产品主要包括功率 7’$ 智能开关、电源管理电路、半桥或全桥逆变器、 !<7 专用 $!"#、线性集成稳压器及开关集成稳压器等。据美国 #$8: 公司 122= 年 > 月 1? 日公布的数据表明,全世界 !"# 的销售额已超过 =22 亿美元,并将以超过 =2@ 的速度 增长,预计 122A 年 !"# 的市场份额将接近 122 亿美元。 $!"# 的典 型 代 表 产 品 为 "B 公 司 的 "B1==2、"B1=?2 系 列 功 率 7’$ 栅 驱 动 "#。 "B1==2、"B1=?2 在 >22& 或 A22& 电压下工作,最大峰值电流为 1C,工作频率为 >22D%E, 可承受大于 F >2& G -) 的高 HI G H*。新推出的 "B11??、"B11?> 工作电压可高达 =122&,输 出驱动电流为 2 J KC。同时 "B 公司最近还推出了命名为 "#B"#3==?,甩于太空应用的第 一种高压抗辐射加固的功率 7’$ 栅驱动 "#。其工作电压为 K22&,可承受 =22DBCL 的 辐射剂量而不会出现性能下降的情况。 $!"# 总的技术发展趋势是工作频率更高、功率更大、功耗更低和功能更全。目前, $!"# 的主要研究内容为:开发高成品率、低成本工艺且兼容于 #7’$ 的产品;针对包括 多个大功率器件的单片 $!"# 的研究;能在高温下工作并具有较好坚固性的 $!"# 的研 究;大电流高速 7’$ 控制并有自保护功能的横向功率器件的研究。$!"# 的下一个目标 是将多个高压大电流功率器件与低压电路集成在同一芯片上,使之具备系统功能,进而实 · ?2 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 现单片式功率系统的集成。最近,陈星弼院士提出了一种与 !"#$ 工艺完全兼容的新的 横向耐压结构,这种全兼容的新功率器件为第二次电子革命的真正到来奠下了一块基石。 功率半导体技术正朝着高温、高频、低功耗、高功率容量以及智能化、系统化方向发 展,新结构、新工艺硅基功率器件正不断出现并逼近硅材料的理论极限,新材料功率半导 体器件正不断走向成熟。可以预期,随着 $%&! 的不断发展,人们期望已久的第二次电子 革命将最终到来。 第二节 功率场效应晶体管 "#$’() "#$’() 的原意是 "#($ "*+,- #./0* $*1/234052+36,金属氧化物半导体)’()(’/*-0 (77*2+ )6,48/8+36,场效应晶体管),即以金属层( ")的栅极隔着氧化层(#),利用电场的效 应来控制半导体($)的场效应晶体管; 功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的 "#$ 型 ( "*+,- #./0* $*1/234052+36 ’()),简称功率 "#$’()(%39*6 "#$’())。结型功率场效 应晶体管一般称作静电感应晶体管($+,+/2 -4052+/34 )6,48/8+36,缩写为 $&))。其特点是用 栅极电压来控制漏极电流,驱动电路简单,需要的驱动功率小,开关速度快,工作频率高, 热稳定性优于 :);,电流容量小,耐压低,一般只适用于功率不超过 <=>? 的电力电子装 置。国际整流器公司(&4+*64,+/34 ,-;*2+/7/*6,缩写为 &;)把 "#$’() 用于高压的器件归 纳为第 @、A、B 代,其中包括 @ C D 代,而用于低压的则为第 D、E、F 代。 功率 "#$’() 按导电沟道可分为 % 沟道和 G 沟道;按栅极电压幅值可分为耗尽型 (当栅极电压为零时漏、源极之间就存在导电沟道)和增强型(对于 G(%)沟道器件,栅极电 压大于或小于零时才存在导电沟道,功率 "#$’() 主要是 G 沟道增强型)。 < C 功率 "#$’() 的结构 功率 "#$’() 的内部结构和电气符号如图 H I < 所示,其导通时只有一种极性的载 流子(多子)参与导电,是单极型晶体管。导电机理与小功率 "#$ 管相同,但结构上有较 大区别。小功率 "#$ 管是横向导电器件,功率 "#$’() 大都采用垂直导电结构,又称 为 J "#$’()(J*6+/2,-"#$’()),大大提高了 "#$’() 器件的耐压和耐电流能力。 按垂直导电结构的差异,又分为利用 J 型槽实现垂直导电的 JJ "#$’() 和具有垂 直导电双扩散 "#$ 结构的 JK"#$’()(J*6+/2,- K35L-* I 0/7758*0 "#$’())。本节主要 介绍 JK"#$ 器件的工作原理和工作特性。 · @< · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # 率 $%&’() 的结构图和电气符号 功率 $%&’() 为多元集成结构。如:国际整流器公司的 *(+’() 采用了六边形单 元;西门子公司(&,-.-/0)的 &12$%&’() 采用了正方形单元;摩托罗拉公司( $3435367)的 ) $%& 采用了矩形单元按“品”字形排列。 ! 8 功率 $%&’() 的工作原理 截止:漏源极间加正电源,栅源极间电压为零。2 基区与 9 漂移区之间形成的 29 结 :# 反偏,漏源极之间无电流流过。 导电:在栅源极间加正电压 ! ;&,栅极是绝缘的,所以不会有栅极电流流过。但栅极 的正电压会将其下面 2 区中的空穴推开,而将 2 区中的少子———电子吸引到栅极下面的 2 区表面。 当 ! ;&大于 ! () 开启电压或阈值电压)时,栅极下面 2 区表面的电子浓度将超过空 穴浓度,使 2 型半导体反型成 9 型而成为反型层,该反型层形成 9 沟道而使 29 结 :# 消 失,漏极和源极导电。 < = 功率 $%&’() 的基本特性 (#)静态特性 其转移特性和输出特性如图 ! " ! 所示。 漏极电流 " > 和栅源间电压 ! ;&的关系称为 $%&’() 的转移特性。 " > 较大时," > 与 ! ;&的关系近似线性,曲线的斜率定义为跨导 # ?0。 · (?- 也寄生着一个晶闸管一样)。这几个方面是研究 /0)12- 动态特性很重 要的因素。 · .9 · 图 < = 9 功率 /+)12- 的等效电路 www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 首先,!"#$%& 结构中所附带的本征二极管具有一定的雪崩能力。通常用单次雪崩 能力和重复雪崩能力来表达。当反向 ’ ! ( ’ " 很大时,二极管会承受一个速度非常快的脉 冲尖刺,它有可能进入雪崩区,一旦超越其雪崩能力就有可能将器件损坏。对于任一种 )* 结二极管来说,仔细研究其动态特性是相当复杂的。它们和我们一般理解 )* 结正向 时导通而反向时阻断的简单概念很不相同。当电流迅速下降时,二极管有一阶段失去反 向阻断能力,即所谓反向恢复时间。)* 结要求迅速导通时,也会有一段时间并不显示很 低的电阻。在功率 !"#$%& 中,一旦二极管有正向注入,所注入的少数载流子也会增加, 是作为多子器件的 !"#$%& 的复杂性。 应在功率 !"#$%& 的设计过程中采取措施,使其中的寄生晶体管尽量不起作用。在 不同代的功率 !"#$%& 中所采取的措施有所不同,但总的原则是使漏极下的横向电阻 +, 的值尽量小。因为,只有在漏极 * 区下的横向电阻流过足够电流,为这个 * 区建立偏 的条件下,寄生的双极性晶闸管才开始发难。然而,在严峻的动态条件下,因 ’ # ( ’ " 通过 相应电容引起的横向电流有可能足够大。此时,这个寄生的双极性晶体管就会启动,有可 能给 !"#$%& 带来损坏。所以,考虑瞬态性能时,对功率 !"#$%& 器件内部的各个电容 (它是 ’ # ( ’ " 的通道)都必须予以注意。 瞬态情况是和线路情况密切相关的,这方面在应用中应给予足够重视。对器件要有 深入了解,才能有利于理解和分析相应的问题。 第三节 绝缘栅双极晶体管 -./& -./&(01234567’ .567 /89:45; &;512826:;)是 !"# 结构双极器件,属于具有功率 !"#< $%& 的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。-./& 的应用范围一般都在耐压为 =>>? 以上、电流为 0>@ 以上、频率为 0ABC 以上的区域,多使用在工业用电机、民用小容 量电机、变换器(逆变器)、照像机的频闪观测器以及感应加热(-1’3D68:1 B75681E)电饭锅 等产品上。根据封装的不同,-./& 大致分为两种类型:一种是模压树脂密封的三端单体 封装型,从 &" F G) 到 小 型 表 面 贴 装 都 已 形 成 系 列;另 一 种 是 把 -./& 与 $HI( $477 HJ774 I8:’7)成对地(K 或 = 组)封装起来的模块型,主要应用在工业上。模块的类型根据 用途的不同,分为多种形状及封装方式,都已形成系列化。 · GL · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 一、!"#$ 的结构与工作原理 % & !"#$ 的结构 就 !"#$ 的结构而言,是在 ’ 沟道 ()*+,$ 的漏极 ’ 层上又附加上一层 - 层的 - . ’ . -’ / 的四层结构。图 0 . (1 2)为 ’ 沟道 34()*+,$ 与 " $5 组合的 ’ 沟道 !"#$(’ . !"#$)。!"#$ 比 34()*+,$ 多一层 - / 注入区,形成了一个大面积的 - / ’ 结 6%,使 !"#$ 导通时由 - / 注入区向 ’ 基区发射少子,从而对漂移区电导率进行调制,使得 !"#$ 具有很强的通流能力。简化等效电路表明,!"#$ 是 "$5 与 ()*+,$ 组成的达林顿结 构,是一个由 ()*+,$ 驱动的厚基区 -’- 晶体管,577为晶体管基区内的调制电阻。 图 0 . 1 !"#$ 的结构、简化等效电路和电气图形符号 0 & !"#$ 的工作原理 ’ 沟道 !"#$ 通过在栅极一发射极间加阀值电压 ! $8以上的(正)电压,在栅极电极 正下方的 - 层上形成反型层(沟道),开始从发射极电极下的 ’ . 层注入电子。 该电子为 - / ’ . - 晶体管的少数载流子,从集电极衬底 - / 层开始流入空穴,进行电 导率调制(双极工作),所以可以降低集电极—发射极间饱和电压。工作时的等效电路如 图 0 . (1 9)所示,!"#$ 的符号如图 0 . (1 :)所示。在发射极电极侧形成 ’ / -’ 寄生晶体 管。若 ’ / -’ 寄生晶体管工作,又变成 - / ’—-’ / 晶闸管。电流继续流动,直到输出侧 停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制。一般将这种状态称为闭锁状态。 为了抑制 ’ / -’ 寄生晶体管的工作,!"#$ 采用尽量缩小 - / ’ . - 晶体管的电流放 大系数!作为解决闭锁的措施。具体地来说,- / ’ . - 的电流放大系数!设计在 ; & 1 以 · =< · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 下。!"#$ 的闭锁电流 ! % 为额定电流(直 流)的 & 倍 以 上。 !"#$ 的 驱 动 原 理 与 功 率 ’()*+$ 基本相同,为场控器件,通断由栅射极电压 " "+决定。 导通:" "+大于开启电压 " "+(,-)时,’()*+$ 内形成沟道,为晶体管提供基极电流, !"#$ 导通。 导通压降:电导调制效应使电阻 # ./减小,使通态压降减小。 关断:栅、射极间施加反压或不加信号时,’()*+$ 内的沟道消失,晶体管的基极电 流被切断,!"#$ 关断。 二、!"#$ 的基本特性 0 1 !"#$ 的静态特性 转移特性——— ! 2 与 " "+间的关系,与 ’()*+$ 的转移特性类似,如图 3 4 (5 6)所示。 开启电压 " "+(,-)———!"#$ 能实现电导调制而导通的最低栅射电压。 " "+(,-)随温度升高 而略有下 降,在 7 389时," "+(,-)的值一般为 3 : 5;。 图 3 4 5 !"#$ 的转移特性和输出特性 3 < 输出特性(伏安特性) 以 " "+为参考变量时,! 2 与 " 2+间的关系如图 3 4 (5 =)所示。其分为三个区域,即正 向阻断区、有源区和饱和区,分别与 " $> 的截止区、放大区和饱和区相对应。 " 2+ ? @ 时,!"#$ 为反向阻断工作状态。 & 1 !"#$ 的动态特性 !"#$ 的开关过程如图 3 4 A 所示。 · &A · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # $%&’ 的开关过程 (()$%&’ 的开通过程 $%&’ 的开通过程与 )*+,-’ 相似,因为开通过程中 $%&’ 在大部分时间内作为 )*+,-’ 运行。 开通延迟时间 !(. /0)———从 " %-上升至其幅值 (12 的时刻到 # 3 上升至 1 4 ( # 3) 时的 时间。 电流上升时间 ! 5——— # 3 从 1 4 ( # 3)上升至 1 4 6 # 3)所需的时间。 开通时间 ! /0———开通延迟时间与电流上升时间之和," 3-的下降过程分为 ! 78(和 ! 78! 两段。 ! 78(指 $%&’ 中 )*+,-’ 单独工作的电压下降过程;! 78!指 )*+,-’ 和 9:9 晶体 管同时工作的电压下降过程。 (!)$%&’ 的关断过程 关断延迟时间 !(. /77)———从 ;%- 后沿下降到其幅值 612 的时刻到 # 3 下降至 1 4 6 # 3) 所需的时间。 电流下降时间 ! 7——— #< 从 1 4 6 # 3)下降至 1 4 ( # 3)所需的时间。 关断时间 ! /77———关断延迟时间与电流下降时间之和,电流下降时间又可分为 ! 7=!和 ! 7=!两段。 ! 7=(指 $%&’ 内部的 )*+,-’ 的关断过程,$3 下降较快;! 7=!指 $%&’ 内部的 9:9 晶体管的关断过程,# 3 下降较慢。 $%&’ 中双极型 9:9 晶体管的存在,虽然带来了电导调制效应的好处,但也引入了少 子储存现象,因而 $%&’ 的开关速度低于功率 )*+,-’。$%&’ 的击穿电压、通态压降和 关断时间也是需要折衷的参数。 · ?> · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " #$%& 的主要参数 最大集射极间电压 ! ’()由内部 *+* 晶体管的击穿电压确定;最大集电极电流 " ’ 包 括额定直流电流 " ’ 和 ,-. 脉宽最大电流 " ’*;最大集电极功耗 #’/为正常工作温度下允 许的最大功耗。 #$%& 的特性和参数特点是:开关速度高,开关损耗小。在电压为 ,0001 以上时,开 关损耗只有 $&2 的 , 3 ,0,与功率 /4)5(& 相当;在相同电压和电流定额的情况下,安全 工作区比 $&2 大,且具有耐脉冲电流冲击能力;通态压降比 16/4)5(& 低,特别是在电 流较大的区域;输入阻抗高,输入特性与 /4)5(& 类似;#$%& 与 /4)5(& 和 $&2 相 比,其耐压和通流能力还可以进一步提高,同时保持开关频率高的特点。 7 " #$%& 的擎住效应和安全工作区 寄生晶闸管由一个 + 8 *+ 9 晶体管和作为主开关器件的 * 9 + 8 * 晶体管组成。擎住 效应或自锁效应是指,+*+ 晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻,* 形体区的横 向空穴电流会在该电阻上产生压降,相当于对 :; 结施加正偏压。一旦 :; 开通,栅极就会 失去对集电极电流的控制作用,电流失控,动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极 电流小。 正偏安全工作区(5%)4<)由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗 确定。 反向偏置安全工作区(2%)4<)由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电 压上升率 = $’( 3 = % 确定。 擎住效应曾限制 #$%& 电流容量提高,>0 世纪 ?0 年代中后期这个问题逐渐得到解 决,#$%& 往往与反并联的快速二极管封装在一起,制成模块,成为逆导器件。 三、#$%& 的技术发展趋势 , " #$%& 的研制 在 #$%& 的研制中,要求功率开关器件降低损耗、提高效率、提高性能。其研究的技 术领域有: !#$%& 的开关损耗与性能。开关器件的损耗分为两类:一类是器件的通态正常(导 · ;? · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 通)损耗;另一类是从通态向断态(从断态向通态)转换的开关损耗。!"#$ 的特性有正常 损耗(集电极、发射极间饱和电压 ! %&(’()))特性和开关特性(断开时间 " *++,有的用导通时 间 " *,)。击穿性能有闭锁性能、短路性能、- # . - " 和 - $ . - " 性能。 !改进开关特性的技术。为改进开关特性所研制的技术主要是使浓度与层的厚度达 到最佳化,减少成为储存载流子的空穴,使 !"#$ 特有的集电极电流拖尾部分减少。通过 单元图形的最佳化减少输入阻抗 % /,使 0123&$,部分栅极电荷充放电时间高速化。在 高速化功率器件的基础上所采用的技术,缩短载流子的消灭时间。作为寿命时间限制方 法,一般常采用重金属扩散和电子射线照射等方法。通过寿命时间的控制,可以控制 & %, 的关断特性。降低 0123&$ 部分的栅极电容量,可使充放电时间达到高速化。 "降低 ! %&(’())技术。降低 ! %&(’())技术是通过浓度、层的厚度及深度的最佳化来降 低电阻部分。借助精细化,提高单位面积的电流密度,使 ’ / 与 ’ ’ 的比达到最佳化,扩大 0123&$ 的反型层(沟道)单位芯片面积,减少沟道电阻。利用开关特性的改进技术,提 高了寿命时间限制量。若加大寿命时间限制量,开关特性能实现高速化,! %&(’())上升。 在 !"#$ 中,! %&(’())与开关特性 " + 处于相关关系中,借助寿命时间控制,在该相关关系上 可以找到你想要的任意工作状态。 #提高击穿性能技术。提高击穿性能技术主要采取的是,抑制寄生 454 晶体管工 作,抑制电场和电流集中。 6 7 技术发展趋势 在开发 !"#$ 的技术中,随着产品的更新换代,制造技术不断提高,精细加工也成为 可能。现在,功率器件主要采用 8$9 以下的加工尺寸。 %!"#$ 从第一代到第四代的进化,估计 ! %&(’())可降低 :;< ," + 可提高 :; = >;< 。 表 6 ? 6 列出了每一代产品 ! %&(’())及 " + 的标准特性。 表 6 ? 6 几代变迁与特性改进(标准特性) 代别 第8代 第6代 第 6B: 代 第@代 第D代 ! %&(’()) @;A 6CA 6DA 6;A 8:A "+ ; B :;$’ ; B @;$’ ; B 6:$’ ; B 6:$’ ; B 6:$’ !采用沟槽式栅极结构,缩小芯片尺寸。从第三代向第四代发展的过程中,!"#$ 通 · D; · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 过从芯片表面向芯片内部沟槽式形成栅极,使精细加工成为可能。因为栅极的制作是从 芯片表面向芯片内部挖一条沟,故将此结构称为沟槽结构。由于栅极沟槽化,使单胞单元 尺寸缩小到原来的 ! " #,降低了 $%&’() 的沟道电阻,提高了单位芯片面积的电流密度, 能制造同样额定电流而芯片尺寸最小的产品。 !采用新材料,改进产品特性。下一代的发展趋势之一是采用替代 &* 的新型材料来 改进产品特性;第二是通过寿命时间控制法,局部制作窗口,减少 ! +((,-.)的依赖特性,不 提高 ! +((,-.)就能使开关特性达到高速化;第三是借助精细加工降低 $%& 部分的沟道电 阻。利用这些方式,就能使开关特性与 $%&’() 相同,从而使其 ! +((,-.)与晶闸管相同的 状况成为现实。 / 0 123) 研发新进展 123)(绝 缘 栅 双 极 晶 体 管)作 为 新 型 电 力 电 子 半 导 体 场 控 制 关 断 器 件。集 功 率 $%&’() 的高速性能与双极性器件的低电阻于一体,具有输入阻抗高、电压控制功耗低、 控制电路简单、耐高压、承受电流大等特性,在各种电力变换中获得极广泛的应用。与此 同时,各家半导体生产厂商不断开发 123) 的耐高压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠 性和低成本技术,主要采用 !"4 以下制作工艺,研制开发取得一些新进展。 #5 6 123)。5(沟槽结构)6 123) 是在管芯上刻槽,芯片元胞内部形成沟槽式栅 极。采用沟道结构后,可进一步缩小元胞尺寸,减少沟道电阻,提高电流密度,制造额定电 流相同而芯片尺寸最小的产品。现有多家公司生产各种 5 6 123) 产品,可满足低电压 驱动和表面贴装的要求。 $78) 6 123)。78)(非穿通型)6 123) 采用薄硅片技术,以离子注入发射区代替 高复杂、高成本的厚层高阻外延,可降低生产成本 9#: 左右,耐压越高成本差越大,在性 能上更具特色,高速、低损耗、正温度系数,无锁定效应。在设计 ;<< = !9<<> 的 123) 时, 78) 6 123) 可靠性最高。西门子公司可提供 ;<<>、!9<<>、!?<<> 系列产品和 ;#<<> 高 压 123),并推出低饱和压降 @A+ 型 78) 6 123);依克赛斯、哈里斯、英特西尔、东芝等公 司也相继研制出 78) 6 123) 及其模块系列;富士、摩托罗拉等公司也正在研制。78)& 型正成为 123) 发展方向。 !&@3 6 123)。鉴于目前厂家对 132) 的开发非常重视,三星、快捷等公司采用 &@3 (硅片直接键合)技术,在 1+ 生产线上制作第四代高速 123) 及模块系列产品,特点为高 速,低饱和压降,低拖尾电流,正温度系数易于并联,在 ;<< = !9<<> 电压范围性能优良, 分为 5’、B5’ 两大系统。 %超快速 123)。国际整流器 1B 公司的研发重点在于减少 123) 的拖尾效应,使其 · C! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 能快速关断,研制的超快速 !"#$ 可最大限度地减少拖尾效应,关断时间不超过 %&&&’(。 采用特殊高能照射分层技术,关断时间可在 )**’( 以下,拖尾更短,重点产品是专为电机 控制而设计的。现在有 + 种型号,还可用在大功率电源变换器中。 !!"#$ , -./。!. 公司在 !"#$ 基础上推出两款结合 -./(快速恢复二极管)的新 型器件。!"#$ 与 -./ 有效结合,将转换状态的损耗减少 %&0 ,采用 $*—%12 外形封装, 额定规格为 )%&&3 , %45、)%&&3 , 4&5、)%&&3 , 245、)%&&3 , )&&5,用于电机驱动和功率转 换。以 !"#$ 及 -./ 为基础的新技术便于器件并联,在多芯片模块中实现更平均的温 度,提高整体可靠性。 "!"#$ 功率模块。!"#$ 功率模块采用 !6 驱动、各种驱动保护电路、高性能 !"#$ 芯片和新型封装技术,从复合功率模块 7!8 发展到智能功率模块 !78、电力电子积木 79##、电力模块 !798。7!8 向高电压大电流方向发展,其产品水平为 )%&& : );&&5 , );&& : <<&&3。!78 除用于变频调速外,+&&5 , %&&&3 的 !78 已用于电力机车 333- 逆 变器。平面低电感封装技术是大电流 !"#$ 多芯片并联的关键工艺。美国海军开发出以 !"#$ 模块为有源器件的 79##,用于舰艇上的导弹发射装置。!798 采用共烧瓷片多芯 片模块技术组装 79##,大大降低电路接线电感,提高系统效率。现已开发成功第二代 !798,其中所有的无源元件均以理层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化正成为 !"#$ 发展热点。 #低功率 !"#$。!"#$ 一般都用在 +&&3、)=5、)=>? 以上区域。为满足家电行业的 发展需求,摩托罗拉、@$ 半导体、三菱等公司推出低功率 !"#$ 产品,适用于家电行业的 微波炉、洗衣机、电磁灶、电子镇流器、照相机等产品。 第四节 开关电源感性、容性和阻性器件的技术动向 一、变压器及扼流圈 开关电源的变压器是在高频特性优良的铁氧体磁芯上缠绕线圈而得到的。为了适应 变压 器的小型化、薄型化的要求,需要有更高性能的磁芯。 近年来,由于采用计算机进行材料的技术分析,可以选出满足产品规格的变压器磁芯 材料,并通过仿真确定磁芯的最佳形状。 另外,线圈材料也变为扁线以减少线圈损耗,变为锡箔状的叠层构造以实现薄型化。 · 1% · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 采用薄膜线圈(!"##$ %&’()、框架线圈()*+,# %&’()的变压器也在开发中。在低噪声方面, 将绕线管分割为多段构造,从而降低噪声。装配于电路板上的变压器更多采用的是 !-. (表面贴装元器件)技术。 有一种利用压电现象做成的压电变压器。这种变压器可以实现高效率、小型 / 薄型 化,所以多用于笔记本电脑的液晶背光倒相器。作为安全对策,正在开发强化绝缘、无烟、 无火花的难燃密闭型的变压器。扼流圈与变压器一样,也是用铁氧体磁芯缠绕线圈而得 到的。但变压器有多个端子,而扼流圈只有两个端子。因其以手机和笔记本电脑为目标, 所以要求具有小型化、薄型化的特点。因此,磁芯多使用具有高饱和磁通密度和低漏磁通 的材料。另外,解决噪声的共模方式扼流圈及对应高次谐波的扼流圈的开发也十分活跃, 同时有些公司也正在开发混合型扼流圈,谋求可以同时解决噪声和高次谐波的问题。 二、电容 电容是决定电源寿命的重要元件之一。所以近年来其寿命及耐热特性得到很大关 注。电源中使用最多的是铝电解电容,现正在开发电源输入电路用的耐热温度为 0123、 保证寿命为 4111" 的电容。另外,输入滤波的高脉动化电容、对应异常应力的安全电容 等也在开发中。同时,二次滤波的高频低阻抗及低等价直流电阻 5!6(578’9,#:$ !#*’#; 6#;’;$+:<#)等特性也在改善。 为适应电子设备的日益小型 / 薄型化,也采用 !-. 技术。然而,对于铝电解电容来 说,因为它的容量与体积的依存性很大,所以在小型化上存在极限,进而产生了采用横向 配置、改变形状等方法,并设法开发超低高度(= > ?2,,)的直立型电容。此外,最近各公司 正在开发使用高分子或固体电解质的无电解液的电容,并即将商品化。 取代次级用铝电解电容及小容量的 .% / .% 转换器的输入级电容的是叠层陶瓷电 容。叠层陶瓷电容是利用低温烧结形成均一粒子的陶瓷薄层化技术得到的大容量电容。 以前电容电极使用贵金属钯,价格昂贵。最近,通过采用镍电极,降低了成本,价格越来越 便宜。另外,容量达 011,) 的大容量品种也陆续面市,中高耐压的产品也在开发中。叠 层陶瓷电容是以 !-. 形式设计的小型品,在电源的小型化、长寿命方面,起到了关键作 用。最近 011(2 0 > 1,, @1 > 2,,)大小的 0!) 电容也在开发中。 作为取代二次滤波用铝电解电容的钽电容,采用的也是 !-. 形式。小型化、容量大 是它 的 特 点。 最 近,通 过 充 分 发 挥 钽 粉 的 高 卡 路 里 值 性 能 的 产 品 也 在 开 发 中, 0 > A,,@1 > 42,,@ 1 > 4,, 大小即可得到 01!) 的大容量电容。此外,人们也关注着低 5!6、高容许脉动的大容量高分子钽电容的开发。 · B= · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 三、热敏电阻 开关电源由于其高效率、小型化的优点而成为电子设备的主流电源。另一方面,高频 化、小型化的要求,使得解决开关电源的发热问题变得越来越重要。另外,异常时的过电 流和大容量 的 滤 波 电 容 的 冲 击 电 流 问 题 也 必 须 得 到 解 决。 现 介 绍 一 下 用 于 此 方 面 的 !"#(正温度系数)热敏电阻和 $ "#(负温度系数)热敏电阻。 % & 过热检测用 !"# 热敏电阻 高密度、高输出的开关电源对于发热问题的考虑十分重要。通常,采用放置散热元件 或散热片、强制气冷风扇等方法来解决过热问题。但即使这样,因使用状况的不同,也会 发生超过容许温度值的情况。这时就需要使用温度检测元件,当到达异常温度时,强制抑 制其输出。 !"# 热敏电阻具有正的电阻温度特性,对于想检测时过热温度具有很好的敏感度。 因此,以 !"# 热敏电阻作为温度传感器,采用简单的电路结构就可以实现过热保护功能。 这样,就能够防止冒烟、放火花等故障,防患于未然。 而且,使用 !"# 热敏电阻保护电路的另一个特点是:解除发热异常的原因后,系统可 以回到正常状态进行工作,无需像使用温度保险丝等元件那样必须进行更换。 ’ ( 过电流检测用 !"# 热敏电阻 将电阻值较低的 !"# 热敏电阻放入电源电路中,电压降、功耗都很少,而当有过大的 异常电流流过时,因 !"# 热敏电阻自身的发热使其电阻值迅速增加而变为大电阻,从而 实现限流的作用。 同样,!"# 热敏电阻构成的过电流保护电路具有复原的特性,解除发生过电流的原 因后即可恢复到原来的电阻值,无需像电流保险丝那样进行更换。另外,因电涌而引起的 误动作及故障少是它的另一大特点。 ) & 抑制过冲电流的 $ "# 热敏电阻 当开关电源启动时,伴随滤波电容的初期充电会产生过冲电流。这种电流可以达到 正常动作电流的十倍以上,造成二极管、开关、保险丝等发生故障、变质。为抑制过冲电 流,在输入端的滤波电容处串入 $ "# 热敏电阻,因其具有负的电阻温度特性,随着温度的 · ** · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 升高电阻值逐渐减小。因此,在电源启动初期,它变为大电阻,抑制过冲电流;之后伴随着 电流的流过,自身发热(焦耳热),从而降低自己的电阻值以限制功耗。 除使用 ! "# 热敏电阻以外,还可以使用固定电阻器来构成过冲电流抑制电路。但这 种电路在正常工作状态下功耗很大,对于节省能源很不利。对于这一点,可以在固定电阻 器上并联电磁继电器或三端双向可控硅等开关元件。当电源进入正常工作状态后将此开 关接通,则可限制正常工作状态的功耗。但这种作法将导致元件数增多,另外还需要开关 元件的驱动电路,这又成为一个问题。从以上观点可以看出,! "# 热敏电阻是最适合节 省能源的抑制过冲电流的元件。 今后的研究课题是:伴随着开关电源的小型化、高效率化的发展,对 $"# 热敏电阻的 小型化、高精度、低电阻的要求自不必说,对抑制过冲电流的 ! "# 热敏电阻的小型化、大 容量的要求也十分强烈。现在,一些公司正在进行陶瓷材料的开发、重新设计电路结构等 工作,以达到客户的要求,提供满足市场需求的产品。 第五节 开关电源基础电路 一、电流检测电路 功率开关电路的电路拓扑分为电流模式控制和电压模式控制。电流模式控制具有动 态反应快、补偿电路简化、增益带宽大、输出电感小、易于均流等优点,因而获得越来越广 泛的应用。而在电流模式的控制电路中,需要准确、高效地测量电流值,故电流检测电路 的实现就成为一个重要的问题。 % & 电流检测电路的实现 在电流环的控制电路中,电流放大器通常选择较大的增益,其好处是可以选择一个较 小的电阻来获得足够的检测电压,而检测电阻小,损耗也小。电流检测电路的实现方法主 要有两类:电阻检测和电流互感器检测。 (%)电阻检测 电阻检测方法有两种,如图 ’ ( ) 和图 ’ ( * 所示。当使用如图 ’ ( ) 所示的方法直接 检测开关管的电流时,还必须在检测电阻 +,。旁并联一个小 +# 滤波电路,如图 ’ ( %- 所 示。因为,当开关管断开时,集电极电容放电,在电流检测电阻上产生瞬态电流尖峰,此尖 · /. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 峰的脉宽和幅值常足以使电流放大器锁定,从而使 !"# 电路出错。 图 $ % & 电阻检测(接地) 图 $ % ’ 电阻检测(不接地) 图 $ % () 带滤波的电阻检测电路 但是,在实际电路设计时,特别在设计大功率、大电流电路时,采用电阻检测的方法并 不理想。因为,检测电阻损耗大,达数瓦,甚至十几瓦。而且,很难找到几百毫欧或几十毫 欧那么小的电阻。 ($)电流互感器检测 实际上,在大功率电路中,实用的是电流互感器检测,如图 $ % (( 所示。电流互感器 检测在保持良好波形的同时还具有较宽的带宽,电流互感器还提供了电气隔离,并且检测 电流小,损耗也小,检测电阻可选用稍大的值,如 $)!。电流互感器将整个瞬态电流,包括 直流分量耦合到副边的检测电阻上进行测量,同时也要求电流脉冲每次过零时磁芯能正 常复位,尤其在平均电流模式控制中,电流互感器检测更加适用。这是因为在平均电流模 式控制中,被检测的脉冲电流在每个开关周期中都回零。 为了使电流互感器完全地磁复位,就需要给磁芯提供大小相等、方向相反的伏秒积。 在多数控制电路拓扑中,电流过零时占空比接近 ())* 。所以,电流过零时磁复位时间在 开关周期中只占很小的比例。要在很短的时间内复位磁芯,常需在电流互感器上加一个 很大的反向偏压。所以,在设计电流互感器电路时,应使用高耐压的二极管并耦合在电流 互感器副边和检测电阻之间。 · ,+ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " ## 升压电路输入电感电流值检测 ! $ 防止电流检测电路饱和的方法 如果电流互感器的磁芯不能复位,将导致磁芯饱和。电流互感器饱和是一个很严重 的问题。首先,不能正确测量电流值,就不能进行有效的电流控制;其次,使电流误差放大 器总是“认为”电流值小于设定值,这将使电流误差放大器过补偿,导致电流波形失真。 电流互感器检测最适合应用于对称的电路,如推挽电路、全桥电路。对于单端电路, 特别是升压电路,会产生一些我们必须关注的问题。对于升压电路,电感电流就是输入电 流。在采用电流连续工作方式时,不管充电还是放电,电感电流总是大于零,即在直流值 上叠加一个充放电的波形。因此,电流互感器不能用于直接测量升压电路的输入电流。 因为电感电流不能回零而使直流值“丢失”了;电流互感器因不能磁复位而饱和,从而失去 过流保护功能,输出产生过压等。在降压电路中也存在同样的问题,电流互感器不能用于 直接测量输出电流。 解决这个问题的方法是用两个电流互感器分别测量开关电流和二极管电流,如图 ! " ## 所示。实际的电感电流是这两个电流的合成,这样每个电流互感器就有足够的时间 来复位了。但要注意这两个电流互感器的匝比应一样,以保持检测电阻 %& 上的电流对 称。 功率因数校正电路一般采用升压电路,用双互感器检测。但在线电流过零时,电流互 感器也特别容易饱和。因为,此时的占空比约为 #’’( ,容易造成磁芯没有足够的时间复 位。为此,可以在外电路中采取一些措施来防止电流互感器饱和。如采用电流放大器输 出钳位来限制其输出电压,并进一步限制占空比小于 #’’( ,电路如图 ! " #! 所示。设定 钳位电压的过程很简单,在刚启动时电流放大器钳位在一个相对较低的值(大约 )*),系 统开始工作,但过零误差很大。系统一旦正常工作后,钳位电压将升高,电流互感器接近 饱和,钳位电压最多升到 + , -*(低电压大负载时),电流的 ./0 在可接受的范围内( 1 #’ ( ),以限制最大占空比。设定的钳位电压不能太低,否则将使电流过零畸变大。 如果需要更好的特性或需要运行在宽范围内,可以用如图 ! " #2 所示的电路,这个电 · )3 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 路将根据线电压反向调节钳位电压。 图 ! " #! 电流放大器的钳位电路 图 ! " #$ 具有输入电压补偿的电流放大器钳位电路 每个电流脉冲都使磁芯复位以克服磁芯饱和,改进外电路还可以改进电流检测电路。 一般利用电流检测电路自复位,即利用磁芯中存储的能量和电流互感器的开路阻抗在短 时间内 产生足够的伏秒积来复位。但当占空比大于 %&’ ,特别是接近 #&&’ 时,可能没 有足够的时间来使磁芯复位。这时,除电流放大器输出钳位外,还可以采用强制复位电 路。 强制磁芯复位的电路很多,如使用附加线圈或中心抽头的线圈,最简单的方法是采用 如图 ! " #(、图 ! " #% 所示电路来强制磁芯复位。脉冲电流到来时,强制复位电路和自复 位电路的工作没有差别;当复位时,从 )**通过 +,,来的电流加入磁芯复位电流,寄生电容 快速充电,副边电压反向,伏秒积增加,磁芯复位速度加快。如果需要得到负的检测电压 而又不想用负电压强制复位时,则用如图 ! " #% 所示电路。 图 ! " #( 检测正电压的强制复位电路 图 ! " #% 检测负电压的强制复位电路 对于电流检测电路磁芯复位还要考虑的一个因素是副边线圈的漏电感和分布电容。 为了减小损耗,一般选择匝比较大的电流互感器。但匝比大,副边线圈的漏电感和分布电 容大,漏电感影响电流上升和下降的时间,分布电容则影响电流互感器的带宽。在磁芯复 位时,副边电感和分布电容谐振,如果分布电容大,则谐振频率低,周期长,那么在占空比 大、磁芯复位时间短时,副边线圈就没有足够的时间来释放能量使磁芯复位了。所以,应 尽量不选择匝比太大的电流互感器。 $ - 电流互感器的下垂效应 · (. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 电流互感器副边的脉冲电流要减去电流互感器绕组上的脉冲电压,在副边产生的一 个从零开始随时间线性增长的磁化电流,才等于检测电阻上的电流。该磁化电流的大小 为: 式中:# &———副边电压; !!"#$ % "$#&&!% (’ ( )) $ &———副边电感; "——— & & * & +; !% ———电流波脉宽。 刚开始时,副边电流是原边电流的 " 倍。但随时间增加,磁化电流加大,副边电流下 降得很厉害,这就是电流互感器的下垂效应。为了得到较大的副边检测电压,不应完全靠 增加检测电阻 ,& 的值来实现,还要靠减小副边下垂效应来增加副边的脉冲电流。同时, ,& 的值大也将使磁芯复位困难。 如上式所示,副边电感值越大,下垂效应越小;匝比越小,下垂效应也越小。最好不要 靠减少副边的匝数来减小匝比,因为这将使副边的电感减小。应在空间允许的情况下,增 加原边匝数来减小匝比。 在电流互感器检测电路的设计中,要充分考虑电路拓扑对检测效果的影响,综合考虑 电流互感器的饱和问题和副边电流的下垂效应,以选择合适的磁芯复位电路、匝比和检测 电阻。 二、-. / 反馈控制模式 -./ 开关稳压或稳流电源的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载 变化的情况下,控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈,调节主电路开 关器件的导通脉冲宽度,使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。-./ 的 开关频率一般为恒定值,控制取样信号有输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压及 开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统,实现稳压、稳流及 恒定功率的目的。同时,可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁及均流等功能。-./ 反 馈控制模式主要有五种。下面以 01/23 开关器件构成的稳压正激型降压斩波器为例, 说明这五种 -./ 反馈控制模式的发展过程、基本工作原理、详细电路原理示意图、波形、 特点及应用要点,以利于选择应用及仿真建模研究。 一般来讲,正激型开关电源主电路可用图 ’ ( )4 所示的降压斩波器简化表示,# 5 表 示控制电路的 -./ 输出驱动信号。根据选用不同的 -./ 反馈控制模式,电路中的输 · 76 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 入电压 ! !"、输出电压 ! #$%、开关器件电流(由 & 点引出)、电感电流(由 ’ 点引出或 ( 点引 出)均可作为取样控制信号。输出电压 ! #$%在作为控制取样信号时,通常经过图 ) * +, 所 示的电路进行处理,得到电压信号 ! -,! - 再经处理或直接送入 ./0 控制器。图 ) * +, 中电压运算放大器(- 1 2)的作用有三: 图 ) * +3 正激型开关电源主电路 图 ) * +, 输出电压控制电路图 !将输出电压与给定电压 ! 4-5的差值进行放大及反馈,保证稳态时的稳压精度。该 运放的直流放大增益理论上为无穷大,实际上为运放的开环放大增益。 "将开关电源主电路输出端的附带有较宽频带开关噪声成分的直流电压信号转变为 具有一定幅值的比较“干净”的直流反馈控制信号( ! -),即保留直流低频成分,衰减交流 高频成分。因为开关噪声的频率较高,幅值较大,高频开关噪声衰减不够的话,稳态反馈 不稳;高频开关噪声衰减过大的话,动态响应较慢。虽然互相矛盾,但是对电压误差运算 放大器的基本设计原则仍是“低频增益要高,高频增益要低”。 #对整个闭环系统进行校正,使得闭环系统稳定工作。 输入电压、电流等信号在作为取样控制信号时,大多也需经过处理。由于不同控制模 式的处理方法不同,因此下面针对不同控制模式分别阐述其技术特性。 + 6 电压模式控制 ./0 图 ) * +7(2)为 8$’9 降 压 斩 波 器 的 电 压 模 式 控 制 ./0( :#;%2<- * =#(- >#"%4#; ./0)反馈系统原理图。电压模式控制 ./0 是 )? 世纪 3? 年代后期开关稳压电源刚刚 开始发展时所采用的第一种控制方法。该方法与一些必要的过电流保护电路相结合,至 今仍然在工业界广泛应用。电压模式控制只有一个电压反馈闭环,采用脉冲宽度调制法, 即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上斜坡相比较, 通过脉冲宽度调制原理,得到当时的脉冲宽度,如图 ) * +7(2)中所示波形。逐个脉冲的 限流保护电路必须另外附加。当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时,因为主电路 有较大的输出电容 > 及电感 @ 相移延时作用,输出电压的变小也延时滞后,输出电压变 小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后,才能传至 ./0 比较器将脉宽 · A? · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 展宽。这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。 图 ! " #$ 电压模式控制 %&’ 原理图 电压模式控制的优点有: !%&’ 三角波幅值较大,脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量; "占空比调节不受限制; #对于多路输出电源,它们之间的交互调节效应较好; $单一反馈电压闭环设计、调试比较容易; %对输出负载的变化有较好的响应调节。 电压模式控制的缺点有: !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而变化,使其更为复杂; #输出 () 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; $在传感及控制磁芯饱和故障状态方面较为复杂。 加快电压模式控制瞬态响应速度的方法有两种:一是增加电压误差放大器的带宽,保 证具有一定的高频增益。但是这样容易受高频开关噪声干扰影响,需要在主电路及反馈 控制电路上采取措施进行抑制或同相位衰减平滑处理;另一方法是采用电压前馈模式控 制 %&’ 技术,原理如图 ! " #$(*)所示。用输入电压对电阻电容(+,-、),-)充电产生的 具有可变化上斜坡的三角波取代传统电压模式控制 %&’ 中振荡器产生的固定三角波。 此时,输入电压变化能立刻在脉冲宽度的变化上反映出来。因此,该方法对输入电压的变 化引起的瞬态响应速度明显提高。对输入电压的前馈控制是开环控制,而对输出电压的 · .# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 控制是闭环控制,目的是增加对输入电压变化的动态响应速度。这是一个有开环和闭环 构成的双环控制系统。 ! " 峰值电流模式控制 #$% 峰值电流模式控制(#&’( )*++&,- . /01& )0,-+02)简称电流模式控制。它的概念源于 !3 世纪 43 年代后期具有原边电流保护功能的单端自激式反激开关电源。在 !3 世纪 53 年代后期,才从学术上做深入地建模研究。直至 !3 世纪 63 年代初期,第一批电流模式控 制 #$% 集成电路( 7)869!、7)8694)的出现,才使得电流模式控制迅速推广应用,主要 用于单端及推挽电路。近年来,由于大占空比时所必需的同步不失真斜坡补偿技术实现 上的难度及抗噪声性能差,因此电流模式控制面临着改善性能后的电压模式控制的挑战。 如图 ! . :; 所示,误差电压信号 ! & 送至 #$% 比较器后,并不是像电压模式那样与振荡 电路产生的固定三角波状电压斜坡比较,而是与一个变化的、其峰值代表输出电感电流峰 值的三角波形或梯形尖角状合成波形信号 ! ! 相比较,然后得到 #$% 脉冲关断时刻。 因此(,峰值)电流模式控制不是用电压误差信号直接控制 #$% 脉冲宽度,而是直接控制 峰值输出侧的电感电流大小,然后间接地控制 #$% 脉冲宽度。 图 ! . :; 峰值电流模式控制 #$% 原理图 电流模式控制是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。因为峰值电感电流 容易传感,而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。但是,峰值电感电流的大小不 能与平均电感电流的大小一一对应,因为在占空比不同的情况下,相同的峰值电感电流的 大小可以对应不同的平均电感电流大小。而平均电感电流的大小才是惟一决定输出电压 · 或 # ? 通过比较器比较得到 #$% 关断时刻。 # ;*的波形与电流波形 # = 反相,所以是由 # ;*的下斜坡(对应于开关器 件导通时期)与三角波 # > 或 # ? 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。为了避免次谐波振荡,# ;*的上斜坡不能超过三角锯齿波信号 # > 或 # ? 的上斜坡。平均电流模式控制的优点是: 图 5 0 56 平均电流模式控制 #$% 原理图 !平均电感电流能够高度精确地跟踪电流编程信号; "不需要斜坡补偿; · A@ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !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。 平均电流模式控制的缺点是: $电流放大器在开关频率处的增益有最大限制; %双闭环放大器带宽、增益等配合参数设计调试复杂。 图 ! " !(# $)为增加输入电压前馈功能的平均电流模式控制原理图,非常适合输入电 压变化幅度大、变化速度快的我国电网情况。澳大利亚 % " & 公司的 ’( ) * +## , 半桥电 路通信开关电源模块,实际上采用的是如图 ! " !(# $)所示的控制方式。 ’ - 滞环电流模式控制 ./0 滞环电流模式控制 ./0(1234565478 9:665;4<=>?59>;46>@ ./0)为变频调制,也可以 为定频调制。如图 ! " !+ 所示为变频调制的滞环电流模式控制 ./0。将电感电流信号 与两个电压值比较,第一个较高的控制电压值 ! 8 由输出电压与基准电压的差值放大得 到,它控制开关器件的关断时刻;第二个较低电压值 ! 8A由控制电压 ! 8 减去一个固定电 压值 ! A 而得到,! A 为滞环带,! 8A控制开关器件的开启时刻。滞环电流模式控制由输出 电压值 ! >:4、控制电压值 ! 8 及 ! 8A三个电压值确定一个稳定状态,比电流模式控制多一 个控制电压值 ! 8A,去除了发生次谐波振荡的可能性,见图 ! " !+。 图 ! " !+ 滞环电流模式控制 ./0 原理图 滞环电流控制模式的优点是: $不需要斜坡补偿; %稳定性好,不容易因噪声而发生不稳定振荡。 滞环电流控制模式的缺点如下: $需要对电感电流进行全周期的检测和控制; %变频控制容易产生变频噪声。 · BB · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" ! " 相加模式控制 #$% 图 & ’ && 为相加模式控制 #$%(()**+,- ’ *./0 1.,23.4 #$%)的原理图。与如图 & ’ 56 所示的电压模式控制有些相似,但有两点不同:一是放大器(0 7 8)是比例放大器,没 有电抗性补偿元件。控制电路中电容 15 较小,起滤除高频开关杂波作用。主电路中较 小的 9:、1: 滤波电路(如图中虚线所示,也可以不用)也起减小输出高频杂波的作用。若 输出高频杂波小的话,均可以不加。因此,电压误差放大没有延时环节,电流放大也没有 大延时环节;二是经过滤波后的电感电流信号 ! + 也与电压误差信号 ! 0 相加在一起构成 一个总和信号 ! !,再与三角锯齿波比较,得到 #$% 控制脉 冲 宽 度。相 加 模 式 控 制 #$% 是单环控制,但它有输出电压、输出电流两个输入参数。如果输出电压或输出电流 变化,那么占空比将按照补偿它们变化的方向而变化。 图 & ’ && 相加模式控制 #$% 原理图 相加控制模式的优点是:动态响应快(比普通电压模式控制快 ; < ! 倍);动态过冲电 压小;输出滤波电容需要较少;相加模式控制中的 =+ 注入信号容易用于电源并联时的均 流控制。 相加控制模式的缺点是:需要精心处理电流、电压取样时的高频噪声抑制问题。 三、开关电源并联均流技术 在实际应用中,一台直流稳定电源的输出参数(如电压、电流、功率)往往不能满足要 求,而满足这种参数要求的直流稳定电源存在重新开发、设计、生产的过程,势必加大成 本。因此,在实用中往往采用模块化的构造方法,采用一定规格系列的模块式电源,按照 一定的串联或并联方式,分别达到输出电压、输出电流、输出功率扩展的目的。 · !> · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 但是,电源输出参数的扩展,仅仅通过简单的串、并联方式还不能完全保证整个扩展 后的电源系统稳定、可靠地工作。不论电源模块是扩压还是扩流,均存在一个“均压”“、均 流”的问题,而解决这些问题所采取的方法的不同,对整个电源扩展系统的稳定性、可靠性 也都有很大的影响。由于目前稳定电源输出扩流应用较多,在此仅讨论开关电源并联均 流技术。均流的主要任务是:当负载变化时,每台电源的输出电压变化相同,使每台电源 的输出电流按功率份额均摊。 ! " 提高系统可靠性方法 在电源并联扩流过程中,为了提高系统工作稳定性,可采用 ! # " 冗余的方法。其 中 " 表示冗余份数," 值越大,系统工作可靠性越高,系统成本也相应增加。 在电源并联扩流中,应用较为广泛的办法是自动均流技术。它通过取样、电子控制调 节环路来保证整个系统的输出电流按每个单元的输出能力均摊,以达到既充分发挥每个 单元的输出能力,又保证每个单元可靠工作的目的。 均流技术应满足以下条件: !所有电源模块单元应采用公共总线; "整个系统应有良好的均流瞬态响应特性; #整个并联输出扩流系统有一个公共控制电路。 常用的几种并联均流技术如下: !改变单元输出内阻法(斜率控制法); "主 $ 从控制法(%&’()* $ +,&-)); #外部控制电路法; $平均电流型自动负载均流法; %最大电流自动均流法(自动主 $ 从法、民主均流法); &强迫均流法。 . " 改变单元输出内阻法的工作原理 改变单元输出内阻法(斜率控制法、电压下垂法、输出特性斜率控制法)的实现方式 有:# / 固定,改变斜率;斜率固定,改变输出电压。 该电路的结构及特性曲线如图 . 0 .1(&)、(2)所示,其中 ’$ 3&4 5 ’# / $ 3&4 $’# ’,内阻 % / 5’# / $’$ /。当单元输出电流 $ /!增加时,$ /!在电流检测电阻 6’ 上的压降增加,致使 7! 输出电压增加,与单元电压反馈信号 # 8 叠加后送至 7. 反相输入端,经 7. 放大后输 出 # *,变负,利用这个 # * 电压控制单元输出电流,从而实现均流。 · :9 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 由图 ! " !#( $)可 以 看 出:当 典 型 值 !! % & ’ ( ) *+ 、!! , & ’ !+ 时,则 !" -./ & ( ) (0 " -./,即调整精度为 0+ 。这种调节精度对大多数调节系统来说是能接受的。 改变单元输出内阻法(斜率法)的特 点 是 小 电 流 时 均 流 效 果 较 差,这 点 可 从 公 式 !" -./ & ( ) (0 " -./看出。大电流时均流效果较好。对电压源来说,内阻 #(% 斜率)应越小越 好。但是,这种均流方法利用改变 # % 来实现均流,降低了电源输出的负载特性,即以牺 牲电路的技术指标来实现均流。 随着微处理器技术的发展,这种方法很容易实现程控,从而实现比较理想的均流控制 特性。 # ) 主 1 从控制法 在这种工作方式下用 $ 个单元,其中一个单元(主控单元)工作在电压源(23)方式, 其余 $ " * 个单元工作于电流源(22)方式,利用来自输出电流的误差电压 !! 来实现均 流控制,其工作框图如图 ! " !4 所示。它实际上是由电压环(外环)和电流环(内环)构成 电流控制的双环控制,或说成是电压控制的电流源。 图 ! " !# 电路结构及特性曲线 图 ! " !4 主 1 从控制法工作框图 该方法的主要特点如下: "一旦主控单元出现故障,则整个系统崩溃; #由于电压环工作频带宽,易受噪声干扰; $主 1 从单元间必须要有通信联系,所以整个系统较复杂; · 05 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !可靠性取决于主模块,只能均流,不能构成冗余系统; "适用于 ! 个功率单元的系统。 ! " 外部电路控制法 该方法的工作原理是:每一个单元加一个输出电流检测电路来检测它的电流,产生的 反馈信号调节每个单元的电流,从而达到各单元间输出均流的目的。在这种情况下,每个 单元间应有公共总线。其特点为:这种控制方法均流效果较好,但是每个单元需附加一个 电流控制电路,成为控制环路的一部分,需满足环路的总体要求。否则,会降低单元的技 术指标及工作稳定性,降低系统的动态响应特性。由于每个单元都需要一个控制电路,所 以,整个扩流系统连线较多。 # " 平均电流型自动负载均流法(自动均流) 平均电流型自动负载均流法的工作框图如图 $ % $# 所示。这种均流方式采用一个窄 带电 流放大器,输出端通过阻值为 & 的电阻连到均流母线上,! 个单元采用 ! 个这种结 构。 图 $ % $# 自动负载均流法工作框图 当输出达到均流时,电流放大器的输出电流 ’( 为零。这时,’)( 处于均流工作状态。 反之,在电阻 & 上产生一个电压 *+,,由这个电压控制 -(,由 -( 再控制单元功率级输出 电流,最终实现均流。 这种方法的特点是:均流效果较好,易实现准确均流。 在具体使用中,当出现均流母线短路或接在母线上的一个单元不工作的情况时,母线 电压下降,将使每个单元输出电压下调,甚至达到下限,以致造成故障。当某一模块的电 流上升至 ’).+/时,电流放大器输出电流也达到极限值,同时致使其他单元输出电压自动 下降。这种均流方式可以构成冗余系统,均流模块数理论上可以不限。 为了使系统在动态调节过程始终稳定,通常要限制最大调节范围,要将所有电压调节 · #0 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 到电压捕捉范围以内。如果有一个模块均流线短路,则系统无法均流。单个模块限流也 可能引起系统不稳定。在大系统中,系统稳定性与负载均流瞬态响应的矛盾很难解决。 如果在图 ! " !# 中的 $ 支路上串一只二极管,则构成所讲的最大电流自动均流法。 % & 最大电流自动均流法(民主均流法或自动主 ’ 从控制法) 将如图 ! " !# 所示框图中的电阻 $ 用一个二极管代替,二极管正端接 (,负端接 )。 这样,只有当 ! 个单元中输出电流最大的一个电流放大器输出时才能使二极管导通,从 而影响均流母线电压,进而达到该单元均流调节的作用。这种方法一次只有一个单元参 与调节工作。 在这种均流方式下,参与调节的单元由 ! 个单元中的最大输出电流单元决定,一次 只有这个最大输出电流单元工作,这个最大输出电流单元是随机的,所以有人把这种均流 方法叫做“民主均流法”。又由于一旦最大均流单元工作,它处于主控状态,别的单元则处 于被控状态,因此又有人把这种方法叫做“自动主 ’ 从控制法”。 由于二极管总有正向压降,因而主单元均流总有误差,而从单元的均流效果是较好 的。美国优尼则公司的 *+,-./ 集成均流控制芯片就工作在这种方式下。最大均流法的 特点和平均电流法的特点相似。 / & 强迫均流法 所谓强迫均流,就是通过监控模块实现均流。实现方式主要有软件控制和硬件控制 两种。软件控制通过软件计算,比较模块电流与系统平均电流,然后再调整模块电压,使 其电流与平均电流相等。软件方式易于实现,均流精度高,但其瞬态响应比较差,调节时 间长。 硬件控制方式原理如图 ! " !% 所示,取样电压 " 0 与系统基准电压 " 1 相比较产生误 差电压 " 2。该电压送至每个模块,与模块电流相比较,调节模块参考电压,从而改变输出 电压,调节输出电流,实现均流。这样,每个模块都相当于电压控制的电流源。这种均流 方式精度高,动态响应好,可控制模块多,可以很方便地组成冗余系统。 · %. · 图 ! " !% 硬件控制方式原理图 www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 对这种硬件强迫均流方法的一种改进就是所谓的 !"# 强迫均流法,其工作原理如 图 $ % $& 所示。 图 $ % $& !"# 强迫均流法工作原理图 强迫均流依赖监控模块,如果监控模块失效,则无法均流,这一点使用时应注意。在 强迫均流中,每个监控系统监控的模块数可达 ’(( 个,参数设置好后(即使模块电压相差 较大,如 ’) 或更大)不需任何调整,均流精度高于 $ * +, ,负载响应快(在几百毫秒内),无 振荡现象。 四、无损吸收网络技术 无损吸收网络也称为谐振吸收网络。它能够把从输入或输出电路中吸收的能量进行 再利用,或者传输给下一个周期。无损吸收网络包括电流和电压吸收网络、上升沿与钳位 二合一型电压吸收网络。无损吸收网络和有损吸收网络的基本原理一致。但是,普通的 无损吸收网络没有衰减(即损耗功能),而为了抑制三次谐波,常常在无损吸收网络中使用 小电阻器。 电压吸收网络通过把能量转移到电容器中来控制电压。而在有损吸收网络中,这个 能量从电容器中释放出来并转化为热能。在无损吸收网络中传输能量的方式有二:一种 是反馈给电源;另一种是传输给负载,或者使能量在吸收网络内部循环。本节仅介绍几种 无损电压吸收网络(谐振能量恢复电压吸收网络)的基本类型。在一些应用中,特别是与 电流吸收网络一起使用时,无损电压吸收网络将变得非常复杂。 ’ * 双端电压吸收网络 该网络的基本电路之一是由三个二极管、两个电容器、一个电感器(-.—$/—’0)组 成的电路,如图 $ % $(1 2)所示。该网络与一般开关电路的连接如图 $ % $1(3)所示。这个 吸收网络可以应用到所有三相变换电路、降压电路、升压电路及降压 4 升压电路中。这是 · 5’ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 一个上升沿控制型吸收网络,它不能用于钳位电路。通常情况下,两个电容器的大小相 同,两个电容器和电感器的谐振频率高于开关频率。 为了理解吸收网络的工作状态,假设图 ! " !#($)中的开关管断开,电感器电流流过 主二极管,两个电容器放电。当开关管导通时,吸收网络必须复位。由于开关管导通时, 二极管 %&’ 和 %&! 将关断,吸收网络电感器 (’ 两端施加电压 ! ))。电流流过与电容器 谐振的电感器,直到电流为零。此时,与电感器串联的二极管关断。因此,两个电容器上 的电压被充到 ! )),吸收网络为开关管断开做准备。当开关管断开时,所有流过主电感器 的电流将流入两个电容器。与电容器串联的两个二极管导通,使两个电容器并联。两个 电容器控制开关管的电压转换速率。因电容器吸收了所有的电感器电流,开关管的关断 损耗非常小。当电容器放电结束时,主二极管钳位吸收网络的电压,为下一个周期开始做 准备。 图 ! " !# 双端电压吸收网络的结构和与开关电路的连接 进行设计时,首先要知道开关管峰值电流的大小、! ))的最大值以及要求的开关管电 压上升时间。两个并联电容器的大小可以根据下式计算: ! " * #·$ + , ! )) 式中:"———其中一个电容器的值( "’ 与 "! 的大小相同); # ———开关管的峰值电流; (! " !) $ +———要求的最大上升时间; ! ))———最大的电源电压。 电容器的充电时间是两个电容器与一个电感器串联的一个完整谐振周期的一半。这 个时间周期必须小于预期的开关管导通的最小时间。否则,吸收网络将不能完全复位,而 且将增大开关管损耗。知道了复位时间,电感量可根据下式计算: 式中:% ———吸收网络的电感量; · .! · % * ! $! "! (! " -) www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! ———复位时间。 我们必须知道吸收网络电感器中的峰值电流,这样可以得到串联电感器和二极管的 大小,以便控制电流。根据一个周期内的电感器和电容器中存储能量相等的关系得到峰 值电流,计算公式为: 式中:" ———电感器中的峰值电流。 " ! # $ "" #% (# $ %) 一个重要因素是半正弦电流脉冲。当开关管导通时,它必须流经开关管使吸收网络 复位。开关管可以根据负载电流调整这个电流。 实际应用时,可使一个电容器比另一个大 &’( ) #’( ,以确保两个电容器中至少有 一个可以完全充电到 $ ""。这样,开关管的功率损耗和应力会达到最小。 例如,一个开关管的电流是 & * ’+,电压是 %’’,,上升时间为 %’’-.。每个电容器的值 均 为 /’’01,恢复时间是 & * ’!.,得到电感量为 %’’!2,电感器中的峰值电流是 3&45+。 注意:此时带有一个小电容器的二极管的恢复电荷变得非常重要。这个二极管的速度必 须非常快,并且有一个非常低的恢复电荷。流过二极管的平均电流很小。所以,它们的功 率不必太大。如果恢复电荷过大,电容器中储存的能量将不能保证网络在下一个周期复 位。 # 6 三端吸收网络 该网络包括三个二极管、两个电容器和一个电感器。它的工作状态与双端电路相似, 三端吸收网络如图 # $ #(7 8)、(9)所示。图 # $ #7(")的电路表明了吸收网络与一般变换 器的连接关系。这个吸级网络属于上升沿控制型吸收网络,可以和降压电路、升压电路或 者反激电路一起使用。开关管断开时,电路开始工作,电容器 :& 放电,:# 充电到 $ ""。 主电感器 ;’ 中的电流流过主二极管 ,<’。当开关管导通时,二极管 ,<&、,<# 关断。 $ ""施加到吸收网络电感器 ;& 的两端。电流从 :# 通过 ;& 和 ,<3 给 :& 充电。当 :# 放 电结束时,:& 充电到 ,"",电感器 ;& 中的电流为 ’。和电感器 ;& 串联的二极管 ,<3 截 止。开关管关断一段时间后,流过 ;’ 的电流流人吸收网络,通过 ,<# 给 :# 充电,:& 通 过 ,<& 放电,这样来控制开关管电压的上升沿。即使一个电容器正在充电,另一个电容 器正在放电,两个并联的电容器也可以有效地工作。三端吸收网络的设计与前述的双端 吸收网络的设计基本上是一致的。 · 43 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " !# 三端吸收网络及与变换器的连接 如图 ! " $%(&)所示的电压吸收网络要求一个中间电压,这使得该网络对于正激和反 激变换器非常有用。这种吸收网络是一个三端网络,它可以用作上升沿控制型吸收网络 或者钳位型吸收网络。图 ! " $%(’)为该吸收网络和一般变换器的连接关系。这个电路 中,吸收网络作为一个上升沿控制型吸收网络工作。钳位式工作状态的电路是相同的,只 是元件参数值不同。这个电路通常与谐振能量恢复电流型吸收网络一起使用。 图 ! " $% 带有中间电压的电压吸收网络 开关管断开时吸收网络开始工作,电容器被充电到 ! ( " ! !。在一个降压或者反激 变换器中,这个电压是输入电压和输出电压之差。当开关管导通时,电容使 )( 上的电压 极性反相,)( 和 *( 产生谐振,直到流过吸收网络的电流为 %+ 或者二极管 ,-( 导通 (,-( 导通后钳位电压)。在图 ! " $(% ’)中,电容器电压将反相,但不会大于 ! !。当开关 管断开时,主电感器上的电流将流入电容器,通过 ,-( 并返回到 ! !,以此通过开关管控 制电压上升沿。当电压足够高时,可以使开关管导通,这时主二极管和电容器将充电到最 图 ! " $% 带有中间电压的电压吸收网络初状态( ! ( " ! !)。 如果图 ! " $(% ’)中的 ! ( " ! ! 小于 ! !,复位结束时,吸收网络电容器上的电压达不 到 ! !。这时,开关管处于零压状态,但不会关断。开关管将在中间电压处断开,中间电压 取决于 ,-( 导通时那一点的电压。 这个吸收网络的设计过程与前面讲的双端无损吸收网络的设计过程相似。电容值 " · /. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 由公式 ! ! " " # # $ # $ 求得。式中:! 是开关管中的最大电流;# # $ # $ 是开关的最大电压 变化率。电感值 % 取决于复位时间和电容的大小;% ! % $&($ "!&),$ 是电容器复位的时 间,小于正常工作状态下最小的脉冲宽度。 电感器中的峰值电流可以根据下式计算: !& ! "&& $ % 式中:! & ———峰值电感电流; & ———电容器的初始电压,等于图 & ’ )(* +)中的 ’ , ’ ’ &。 (& ’ () ) - 无损电流吸收网络 电流吸收网络的基本原理是能量存储在一个电感器中,这个电感器控制着开关管中 电流的上升沿。无损电流吸收网络和对应的有损电流吸收网络的基本功能是一样的,与 开关管串联的电感器控制电流的上升沿,所不同的是无损电流吸收网络每一个周期中电 感器中存储的能量都转移到输入端或者输出端。否则,这些能量将被损耗。 (,)反激复位电流吸收网络 通过给电感器加一绕组,可以把电感器中的能量转移到任何地方并提供过压保护,这 个保护是通过在开关管上设置导通率和恢复电压来实现的。图 & ’ ),(.)所示为基本的 吸收网络。图 & ’ )(, +)和图 & ’ ),(/)所示为吸收网络和一般变换器连接的两种方法。 具体的方法视电路是降压变换器、反激变换器(如图 & ’ ),(+)所示)或者升压变换器(如 图 & ’ )(, /)所示)而定。有些连接方式可以把能量反馈到输入端,通常情况下还是把能 量转移到负载中。 图 & ’ ), 电流吸收网络的基本结构及其与变换器的连接 这种吸收网络的设计非常简单。初级电感量和损耗网络中的电感量相同。复位过程 中,开关管两端的电压取决于开关管的导通率及电源或负载的电压。 · 0( · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 这类吸收网络的主要问题是初次级电感器之间的漏感,它可能在开关管两端引起一 个大的电压尖峰。该吸收网络通常与上升和下降时间长的大功率变换器一起使用,也可 以和上升沿控制型吸收网络中的变换器一起使用。初次级电感器之间通常要加简单的 !" 吸收网络。 (#)谐振恢复电流型吸收网络 图 # $ %(# &)所示电路由一般变换器和电流型吸收网络构成。在这种吸收网络中,能 量被转换为变换器的电压。在钳位状态下,进行吸收网络中的能量恢复。当开关管断开 时,能量被恢复,开关管两端的电压(输入电压或输出电压)被钳位在变换器中的最高电 压。很明显,一个简单二极管可以取代 !’( 网络。所以,必须有充分使用 !’( 网络的理 由。!’( 网络的作用是使吸收网络电感器中实际流过的电流尽快地减小到零。如果使 用一个简单的二极管,开关管将被钳位。但是,吸收网络的电感器两端没有电压。所 以, 二极管将继续导通。直到开关管再次导通。这时,二极管作为一个电流吸收部件将不起 作用。 图 # $ %# 谐振恢复电流型吸收网络 图 # $ %(# &)中的吸收网络为每一个周期中吸收电感器中电流复位为零提供电压。 开关管电压在其关断时钳位是这个电路的又一个优点。吸收电容器应该较小。因为,吸 收电感器能量变化时,电容器电压会有相应的变化。电容器上电压的变化使得电感器电 流复位到零。可以利用电感器与电容器之间的能量存储关系计算电容的大小: !) * "## + $ (# $ ,) 式中:! ) ———吸收网络中的电容量; " ———电感量; # ———开关管关断时的电流; $ ———电容器上的电压变化量。 注意:电容较小时,电压较大,电感器复位较快。 · ,, · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 复位时间大约是一个谐振周期的 ! " #: 式中:! ———复位时间; ! $ !" # ! % (% & ’) " ———吸收网络中的电感; # ! ———电容。 用于使电容器放电的电感器的值可大可小。如果其值较小,则谐振频率比开关频率 小。为了抑制半个周期的谐振现象,串联二极管是非常必要的。( 和 ) 谐振将使电容器 放电,在放电周期的最后,电容器电压将远低于正常值,如同在开始时高于正常值一样。 电感量大意味着谐振频率高于开关频率。因为电感器持续导通,二极管可以去掉。电容 器上的电压波形是相似的,但放电波形将是一条直线。惟一的问题是放电电感器和电容 器的谐振频率必须足够高。这样,开关管上的瞬间峰值电压将不会超过它的耐压值。如 果电容器和复位电感器的谐振频率大于开关频率,电容器上的电压可以随负载电流而变 化。必须注意峰值电压不能超过开关管的额定值。 例如,图 % & *(% +)所示电路,开关管电流是 ! , -.,串联电感器的值是 #-!/。因为开 关频率为 !--0/1。所以电感器的恢复时间选为 ! , -!2,电容器的值选为 - , -!!3。电容器 的电压变化值将是 4*5。恢复网络的电感器根据以上讨论可大可小。 如图 % & *(% 6)所示的吸收网络试图解决稍不同于图 % & *%(+)的问题。开关管导通 时,两个吸收网络都控制流过开关管中的电流,但图 % & *%(6)所示的能量恢复电路可补 偿二极管的关断损耗。吸收网络中的电感器存储着二极管的反向恢复电荷,它可以使二 极管工作在过压条件下。图 % & *(% 6)中的吸收网络循环使用这个能量。 除工作在钳位状态下以外,图 % & *(% 6)中的吸收网络的能量恢复部分与图 % & *-(6) 的电压吸收网络一样。开关管断开时,吸收网络开始工作,主二极管 57- 将电流传输给 电感器 (-。当开关管导通时,电感器 (! 中的电流将斜线上升,流过 57- 的电流将沿斜 线下降,最后将达到零而截止。57- 两端的电压将不会改变,直到它完全截止。由于在 短时间内主电感器电流将不会做有效的变化,57- 反向恢复电流随着二极管的截止必须 流人吸收网络的电感器 (!。一旦 57- 完全截止,因电感器 (! 中的电流大于主电感器 (- 中的电流,电感器 (! 将使二极管阳极电位为地电位。二极管关断需要的能量存储在 吸收网络的电感器中。如图 % & *%(6)所示的吸收网络用于再利用存储在电感器中剩余 能量。在 57- 截止以后,电压降至零,电容器 )! 通过二极管 57! 开始充电。电感器 (! 中的多余能量将转移到电容器中。当开关管关断时,主二极管 57- 将再次导通,吸收网 络放电电感器 (% 将给吸收网络电容器反向充电。这样就给下一个周期做准备,因为能 量恢复网络工作在钳位模式,电容相对较大,它两端的电压将较小。在图 % & *%(6)所示 · 4’ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 的电路中,二极管反向恢复电流的峰值假定为 ! " #$,吸收电感器的值是 %!!&,能量将在 ’ " !!( 内转移到电容器中,所以电容值为 ! " !’!)。二极管上的电压将达到 *+, 的峰值。 恢复时间为 +!( 的复位电感器可以小些。注意复位时间为半个周期,复位电感器的值是 %!!&,但是它只承受 ! " #$ 的峰值电流。 % " 复位型无损电压钳位变换器 因为该电路必须有一个变压器,所以必须特别说明。该电路是工作在钳位模式下的 电压吸收网络,特别适用于推挽变换器。图 + - ** 所示为正激变换器电路。图 + - ** 中 的变压器绕组 .’ 是初级电源绕组。绕组 .+ 是复位绕组,它控制电容器上的电压并且提 供正激变换器需 要 的 磁 芯 复 位。 两 个 绕 组 匝 数 相 等,这 样 限 制 变 换 器 最 大 的 占 空 比 为 #!/ 。开关管导通时电路开始工作,电容器通过复位绕组充电到 ! 00。当开关管关断时, 变压器漏感和励磁电感将使开关管电压超过 ! 00。当开关管两端电压达到两倍的 ! 00时, 二极管 ,1’ 导通,变压器漏感中的电流将被电容器和二极管钳位。复位绕组将通过二极 管传导励磁电流,以致变压器磁芯复位。当开关管导通时,电容器仍然维持从漏感中获得 的能量,将向复位绕组放电,电压将再次达到 ! 00。为了抑制电容器与绕组之间的谐振现 象,需要给变压器的复位绕组串联一个小电阻器。电容器必须足够大,以很小的电压变化 吸收漏感中的能量。二极管要能够承受峰值电流,它的额定电压至少应是 ! 00的两倍。 图 + - ** 正激变换器电路 # " 吸收二极管 在电源变压器中,一些二极管由开关管控制正向偏置,其他二极管反向偏置。正向偏 置的二极管常常受输出电路中储能元件的影响而自动导通,而反向偏置的二极管却受储 能元件的影响而自动关断。给二极管添加一个吸收网络,可以确保不会给开关管增加负 荷。例如,给正激变换器的输出端增加一个简单的 23 吸收网络,将会在开关管导通时给 · 54 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 开关管增加一个尖峰电流。然而,为了抑制旁路二极管和变压器漏感的反向电流产生振 荡,需要一个 !" 电路。 图 # $ %& 所示电路是包括两个简单 !" 电路的正激变换器,变压器漏感也被明确表 示出来,输出端有两个必须控制的谐振电路。第一个谐振电路由变压器漏感和与输出电 感器、电容器和寄生电容器并联的二极管电容器组成。’() 截止时,二极管 ’() 中的恢 复电流使电路导通。所以,必须使 ") 的值最小。通常情况下,寄生电感最大,输出部分 的谐振频率最小。因为在这一点电压漂移最小,吸收了 ") 和 !) 之间的谐振会使损耗最 小。 图 # $ %& 正激变换器 另一个谐振电路取决于变压器漏感和 ’(# 的寄生电容。’(# 的阳极会因为反向恢 复电流而振荡。因为寄生电容较小,这个谐振的频率将大于其他谐振频率。这样就要求 "# 的值较小,使得 !# 消耗的功率最小。当开关管关断时,这个电路开始工作。使用与 ’() 串联的电流吸收网络可以控制二极管的截止。 * + 注意事项 吸收网络(特别是钳位吸收网络)中使用的元件的特性是非常重要的。吸收网络中的 电流变化率非常大,很小的寄生现象几乎可以使吸收网络完全失效。如果去掉升压变换 器中的一个钳位吸收网络,而升压变换器在功率板的底层有 #,-- 长的引线就可以产生 一个足够大的寄生电感,这个电感可以产生 ,./01 的大幅度振荡。 对印制板布线具有良好的经验是非常重要的,而且设置地平面层是很必要的。为了 抑制干扰,通过高频电流的印制线必须远离印制线密集区。 吸收网络一般不选用大功率二极管,最好选择小功率二极管,因此只需较小的散热 器。但使用的二极管除承受低的平均电流外,还必须承受大的峰值电流。特别是在无损 吸收网络中,二极管需要有较低的恢复电荷。 和电容器并联的电感器必须最小化。吸收网络运行正常时,电感器的频带要尽可能 宽。电感器本身参与并联谐振,这个谐振是不能抑制的,必须通过改变绕组的结构来减小 绕组的寄生电容。采取层绕法的寄生电容最大,而分段绕和叠绕技术可以减小绕组的寄 生电容。 · *2 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 和电感器串联的电容器必须最小化。为了减小电路的寄生电感,电容器常常并联。 大电容器的串联电感器可以和与它并联的小电容器产生谐振,谐振电路将有较高的品质 因数 ! 。这一点也特别适用于升压变换器中的输出电容器、降压变换器中的输入电容器 以及反激变换器中所有的电容器。 !" 阻尼网络中使用的电阻器必须是低电感型的。无寄生电感的线绕电阻器通常有 较大 的自感,并将引起振荡以及高频处的过冲。可以将串联型 !" 网络并联在一个线绕 电阻器上来抑制线绕电阻器中的自感。 一个合适的吸收网络加强了系统的可靠性,使它比没有吸收网络的系统更有效、更稳 定。恰当的吸收网络可使系统在运行超时甚至超过允许温度的条件下正常运行。所以, 掌握和使用好吸收网络是很有实际意义的。 五、线性光电耦合器 光耦合器(#$%&’() "*+$),-,缩写为 #")亦称光电隔离器或光电耦合器,简称光耦。它 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 ./0)与受光器 (光敏半导体管)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,从而实现“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。近年来问世的线性光耦合器能够传输连续 变化的模拟电压或模拟电流信号,使其应用领域大为拓宽。 1 2 光耦合器的类型及性能特点 (1)光耦合器的类型 光耦合器有双列直插式、管式、光导纤维式等多种封装形式,其种类达数十种。光耦 合器的分类及内部电路如图 3 4 56 所示。 · 87 · 图 3 4 56 光耦合器的分类及内部电路 www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (!)光耦合器的性能特点 光耦合器的主要优点是:单向传输信号,输入端与输出端完全实现了电气隔离,抗干 扰能力强,使用寿命长,传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电 路、远距离信号传 输、脉 冲 放 大、固 态 继 电 器( ""#)、仪 器 仪 表、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。 光耦合器的 技 术 参 数 主 要 有 发 光 二 极 管 正 向 压 降 ! $、正 向 电 流 " $、电 流 传 输 比 #$ % 、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极—发射极反向击穿电压 !(%#)&’(和集电 极—发射极饱和压降 ! &’()*+)。此外,在传输数字信号时,还需考虑上升时间、下降时间、 延迟时间和存储时间等参数。 电流传输比是光耦合器的重要参数,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 " & 与直流输入电流 " $ 的百分比,其公式为: #$% , " " &·-.. $ / 采用一只光敏三极管的光耦合器,其 &0# 的范围大多为 !./ 1 2../(如 3425), 6&7-8 为 7./ 1 -9./ ,达林顿型光耦合器(如 342.)可达 -../ 1 5.../。这表明欲获 得同样的输出电流,后者只需较小的输入电流。因此,#$ % 参数与晶体管的 &$’有某种相 似之处。 ! : 线性光耦合器的产品分类及选取原则 (-)线性光耦合器的产品分类 线性光耦合器的典型产品及主要参数见表 ! ; 2,这些光耦合器均以光敏三极管作为 受光器。 表 ! ; 2 线性光耦合器的产品型号及主要参数 产品型号 6&7-9? 6&7-8? "$C9-.? ; ! 4’&!5.H ; C &4J-8 ; ! &4J-8 ; 2 &0#( /) 7. 1 -9. 7. 1 -9. 92 1 -!5 7. 1 -9. 92 1 -!5 -.. 1 !.. <##&&( = > 8. 25 8. 3. 8. 8. 生产厂 "@*AB "DEFG* 4’& K L+LALM* : "DENFG): 0L*@D@* 封装形式 IH6 ; 3 基极未引出 IH6 ; 9 基极引出 · 8- · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 续表 产品型号 )*+,-- . / )*+,-- . 2 !>?43@A !>?43@B D &!E/-/ D &!E/-2 !"#( $) ,0 1 /23 /-- 1 2-,0 1 /23 /-- 1 2-- 3- 1 E40 1 //4 %##!!& ’ ( 44CC00- 生产厂 )56789:; <:8==6 "8658 D =F=G=HI ; <:8==6 封装形式 JKL 基极未引出 (2)线性光耦合器的选取原则 在设计光耦反馈式开关电源时,必须正确选择线性光耦合器的型号及参数,选取原则 如下: !光耦合器的电流传输比( !" # )的允许范围是 3-$ 1 2--$ 。这是因为当 !" # M 3-$ 时,光耦合器中的 $%& 就需要较大的工作电流( ’ * N 3。&6A),才能正常控制单片 开关电源 ’ ! 的占空比,这会增大光耦合器的功耗。若 !" # N 2--$ ,在启动电路或者当 负载发生突变时,有可能将单片开关电源误触发,影响正常输出。 "推荐采用线性光耦合器,其特点是 !" # 值能够在一定范围内进行线性调整。 #由英国埃索柯姆(K:=8=6)公司、美国摩托罗拉公司生产的 O> P P 系列(如 O>23、 O>2,、O>03)光耦合器,目前在国内应用十分普遍。鉴于此类光耦合器呈现开关特性,其 线性度差,适宜传输数字信号(高、低电乎),因此不推荐用在开关电源中。 第六节 开关电源整流技术 一、开关整流器技术 开关整流器是电源系统中最重要的部分。它的技术是否先进,关系着开关电源系统 的功能和可靠性。因此,一些自主开发的厂商很注重开关整流器技术性能的改进,其目的 是使开关整流器的可靠性和效率得到很大提高,使其成本和高频电磁干扰降低。 · 42 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 恒功率整流器 恒功率整流器,其突出特点是在规定的交流输入电压和直流输出电压范围内均能给 出额定功率。这种采用恒功率设汁的新型智能高频开关电源系统,是开关电源构思上一 个飞跃,也是现代开关电源设备的最优选择。 在普通限流型整流器中,其输出特性可分为两类,即恒流和恒压特性。在恒流普通限 流型整流器中,其输出电流保持不变;在恒压普通限流型整流器中,其输出电压保持不变。 在恒流普通限流型整流器中,如果负载电流超过限流值 " 则整流器输出电压将随电流增 加而快速下降,直到整流器过流而关闭。其额定电流、限定电流及过流值都很接近。 恒功率整流器与限流型整流器的不同之处,是在恒压和恒流阶段中插入一个恒功率 阶段,这就是所谓的恒功率整流器。该整流器工作在三个不同输出阶段,即恒压、恒功率 和恒流阶段。恒压和恒流阶段的工作情况与限流型整流器完全相同所不同的是在恒功率 阶段,整流器输出功率保持不变。例如,恒功率整流器的输出电压可从 #$% 随着电流增 加而线性地减小至 &’%。此时,系统仍处在正常工作状态。因此,采用恒功率整流器设计 的开关电源系统,一般只需考虑电子设备最大负载和整流器的冗余,就可以确定电源系统 的额定输出功率。这与采用限流型开关电源系统相比较,所需的整流功率和整流模块数 量至少可以减少 ’’( 以上,这也就极大地节约了投资。 ) " 倍流整流器技术 通常 *+ , *+ 变换器是一个全桥功率变换器,高频变压器次级也常使用全波整流技 术。因此,在普通整流器中,高频变压器次级绕组必须有一个中心抽头并与电路参考电压 (地)相连。中心抽头把高频变压器次级绕组分成两个电感器。 倍流整流器由一个没有中心抽头的高频变压器次级绕组、两个电感量相等而且同绕 在一个磁芯上的电感器、两个整流二极管和输出电容器组成。 倍流整流器最突出的特点是高频变压器次级绕组没有中心抽头,而且流过变压器线 圈和滤波电感器的电流只是输出负载电流的一半。因此,大大简化了高频变压器和滤波 电感器的结构设计。但电路中需多加一个滤波电感器。两个滤波电感器的电感总值可等 于或略小于普通全波整流器扼流圈的电感值,因为流过两个滤波电感器的电流的工作频 率和变化速度均较低。倍流整流器的输出电流是两个滤波电感器电流的总和,而两个滤 波电感器的脉动电流是相消的。因此,直流输出脉动电流也较低。 · -’ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 二、同步整流技术 微处理器等很多高速数字逻辑电路都需要低电压大电流功率变换器。随着功率变换 器输出电压的降低,整流损耗成为变换器的主要损耗。为使变换器的转换效率提高,整流 损耗必须降低。采用低导通电阻的 !"#$%& 进行整流,是提高变换器效率的一种有效途 径。根据 !"#$%& 的控制特点,同步整流这一新型的整流技术应运而生,实现同步整流 功能的 !"#$%& 称为同步整流器。 !"#$%& 不能像二极管那样自动截止反向电流,必 须控制 !"#$%& 的导通和关断。 !"#$%& 的导通和关断取决于栅极驱动信号。因此, 必须仔细设计栅极驱动信号的大小和时序,以确保同步整流器正常工作。按照驱动信号 的不同,同步整流器有两种驱动方式:电压驱动方式和电流驱动方式。电压驱动方式以其 结构简单、经济高效而受到人们的广泛关注。 现今开关电源发展的趋势是低电压、大电流,使得在次级整流电路中选用同步整流技 术成为一种高效、低损耗的方法。由于功率 !"#$%& 的导通电阻很低,能提高电源效率, 所以在采用隔离 ’()* 电路的 +, - +, 变换器中已开始形成产品。同步整流技术原理示意 图如图 . / 01 所示。 图 . / 01 同步(倍流)整流电路原理示意图 同步整流技术是通过控制功率 !"#$%& 的驱动电路来利用功率 !"#$%& 实现整 流功能的技 术。一 般 驱 动 频 率 固 定,可 达 .22*34 以 上,门 极 驱 动 可 以 采 用 交 叉 耦 合 (,5677 / ,6(89:;)或外加驱动信号配合死区时间控制实现。 同步整流技术出现得较早,但早期的技术很难转换为产品,这是由于当时驱动技术不 成熟,可靠性不高。现在技术已逐步成熟,出现了专用同步整流驱动芯片(如 <=>>?1 等)、 专用配套的低导通电阻功率 !"#$%& 和可降低 !"#$%& 并联寄生二极管的导通损耗 的肖特基二极管。在产品设计中,解决分布电感对 !"#$%& 开关损耗影响的设计技术正 在研发中,并已取得进展。 经过这几年的发展,同步整流技术已经成熟。由于开发成本的原因,目前只在技术含 · ?@ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 量较高的开关电源模块中得到应用。如 !"#$%&,’ "(%,)&*(!!%# 等公司都推出了 采用同步整流技术的产品。 现在的电源模块仍主要应用在电子设备构成的系统中。随着电子技术的发展,电子 设备芯片所需的电压逐步降低,+, 和 - . -, 早已成为主流,正向 / . +,、0 1 +, 甚至更低的 方向发展。电子设备的集成度不断提高,分布式电源系统中单机功率不断增加,输出电流 从早期的 02 3 /24 到现在的 -2 3 524,并有不断增大的趋势。同时,要求体积要不断减 小。这就为同步整流技术提供了广泛的应用需求。 0 . 同步整流技术与传统技术的对比 在传统的次级整流电路中,肖特基二极管是低电压、大电流应用的首选。其导通压降 大于 2 . 6,。但当电源模块的输出电压随着电子技术发展而逐步降低时,采用肖特基二极 管的电源模块效率损失惊人。在输出电压为 +, 时,效率可达 7+8 左右;在输出电压为 - 1 -, 时,效率降为 728 ;输出电压 0 . +, 时只有 5+8 ,应用已不现实。 在低输出电压应用中,同步整流技术有明显优势。功率 9%!:)’ 导通电流能力强, 可以达到 524 以上。采用同步整流技术后,次级整流的电压降等于 9%!:)’ 的导通压 降,由 9%!:)’ 的导通电阻决定,而且控制技术的进步也降低了 9%!:)’ 的开关损耗。 在过去几年中,用于同步整流的 9%!:)’ 的工艺取得了突破性的进展,导通电阻下降到 了原来的 0 ; +。现在,采用特殊工艺处理的 9%!:)’ 能达到非常低的导通电阻。如 *& 公司的产品 *&256,当通导电流为 6+4 时,其导通电阻仅为 + . 5?!,并且已批 量投放市场。 同步整流技术提高了次级整流效率,使生产低电压、大电流、小体积的电源模块成为 现实。如 !"#$%& 公司的 ’)&4 系列为标准半砖模块(/ . - 英寸 @ / . 6 英寸),采用同步 整流技术。其输出电压最低可到 0 . +,,输出电流最大可到 524,功率密度达到每立方英 寸 52 瓦。 / 1 同步整流技术的优势 同步整流技术提高了电源效率,但其意义远不只如此。它给电源模块带来了许多新 的进步。下面以 !"#$%& 公司的电源模块为例进行介绍。 !"#$%& 公司采用同步整流技术生产的电源模块,由于降低了功耗,达到了很高的 效率(A0 8 )。由于功耗的降低,在结构上实现了突破性的进步,取消了散热器,采用了无 基板结构。在传统的开关电源模块中,基板是标准配置,是提供散热途径的重要部件,用 来安装散热器。同时,将功率器件集中于基板上,与控制电路板分开,减小了发热元件对 · >+ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 控制芯片的影响。!"#$%& 公司的电源模块取消了基板和散热器。在相同通风条件下, 一样能达到所需功率。这正是采用同步整流技术的成果。它有许多显著优点: !由于基板结构复杂,控制电路板、散热器及磁芯元件的安装和焊接都需要人工,增 加了故障可能性,降低了生产效率。基板结构要求功率元件与基板间必须保持良好绝缘, 这正是传统开关电源容易产生故障的地方之一。 "采用同步整流技术后,可以使用无基板开放式结构。这样,更方便采用平面变压器 等新技术,使用多层电路板上的铜箔布线作为线圈,磁芯直接嵌在多层电路板中,磁芯散 热良好,多层电路板上的铜箔耦合紧密,最主要的是可以由先进加工设备自动化生产,实 现了电源模块全部自动化生产,极大地提高了生产效率和可靠性。平面变压器与传统变 压器相比,还能够实现高功率密度,真正达到小型化。 #此外,基板结构中要填充绝缘导热材料,增加了重量。带有基板和散热器的传统电 源模块由于体积和重量大,抗震能力差,在电子设备的机架中阻碍空气流通,降低了风扇 效能。而采用同步整流技术的 !"#$%& 电源模块是开放式结构,高度仅为 ’())(( * + 英寸),节约了机架空间,利于通风,方便控制板上其他芯片的散热;更高的功率密度使电 源模块节约了在通信控制板上所占的空间;较低的功耗减少了分布式系统前端主电源的 负担,节约了系统投资。 $采用同步整流技术后,增强了抗电磁干扰(,- .)的能力。由于减少了基板,所以原 先存在于基板和接地间以及基板和元件间的寄生电容没有了,这些寄生电容带来的较大 共模干扰也消失了,提高了电源抗电磁干扰的性能,如图 / 0 12 所示。 图 / 0 12 产生 ,-. 的分布电容示意图 同步整流技术符合高效节能的要求,适应新一代芯片电压的要求,有着非常广阔的应 用前景。但目前只有较少的公司掌握了该项技术,并且实现的成本也很高,而且还有很多 应用领域未得到开拓。随着用于同步整流的 -%!3,4 批量投入市场,专用驱动芯片的出 现,以及控制技术的不断完善,同步整流将成为一种主流电源技术,逐步应用于广泛的工 业生产领域。 · 25 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 三、同步整流器数字控制与驱动技术 在主 !"# 控制器位于初级侧的低 $% 输出电压隔离型开关电源(&#!&)中,通常采 用专门设计的 #’&()* 作为同步整流器(&+)。作为 &+ 使用的 #’&()* 具有非常小的 导通损耗,有助于提高系统效率。 在初级侧控制的隔离 &#!& 拓扑中,由于在隔离变压器次级侧没有 !"# 控制信号, 故欲产生适当的 &+ 控制信号显得比较困难。但是,可以从变压器次级输出获得有关数 据。由于电路寄生元件的存在,同步信号在从隔离变压器输出分离时,相对于初级 !"# 信号会发生延迟,并且在不连续导通模式($%#)状态会出现振荡。因此,为 &+ 提供驱动 的控制电路必须能避免发生错误的操作。 在初级侧控制的隔离拓扑中,为驱动 &+ 需要适当的控制电路,以使同步时钟信号 (%,-./)从隔离变压器的输出中移开,解决驱动信号相对于时钟输入的定时等问题。若对 &+ 控制不当,在两个器件之间会发生“跨越导通(%0-11 %-234.56-2)”现象。同时,在隔离 拓扑的次级,由于相对于初级主开关( #’&()*)驱动信号的延迟,会在相关元件之间形 成短路,发生“贯通(&7--5 *70-487)”现象。产生贯通的机理,具体取决于变换器的拓扑 结构。 9 : 同步整流器的数字控制方法 在用作产生 &+ 驱动信号的方案中,首推数字控制方法。 (9)系统基本结构 &+ 数字控制系统一般由一个振荡器(’&%)、一个限定状态机构( (6265; &5<5;1 #<= .762;,缩写为 (&#)、两个耦合的向上 > 向下( ?! > $’"@)计数器和两个控制输出逻辑电 路等组成,系统框图如图 A B CD 所示。 控制电路有 C 个输入和 A 个输出。其中,A 个输出为隔离变压器次级的 A 只 #’&= ()* 提供互补驱动信号,C 个输入包括 9 个时钟信号和 A 个输出的期望时间设定。不论 是接通还是关断,A 个输出 ’? *9 和 ’? *A 没有任何交叠。开关频率为 ! 1 的方波信号出 现在时钟输入端,期望的定时时间通过外部有关输入设定。A 个计数器的工作方式及作 用不同:$’"@ 计数器用于处理输出截止,?! 计数器用于连续获取 ’? *A 开关周期期间 或 ’? *9 接通时间内的有关数据。控制系统根据前面周期内存储的有关信息,在开关周 期截止期内的输出被预先处理。采用这种控制方法,开关周期和接通时间( " -2)被逐周连 续检测。 · EE · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (!)稳定条件 图 ! " #$ 同步整流器数字控制器组成方框图 在稳态条件(固定频率和固定占空比)下,两个开关周期中与输出 %& ’! 相关的波形 如图 ! " #( 所示。 图 ! " #( %’ &! 预期时间产生波形 在第 ) 个开关周期( ! *))内,在时钟输入的上升沿上,两个( &+ , -%./)计数器中的 第 ) 个开始计算内部时钟(01)脉冲。在接下来的一个时钟输入的上升沿( ! *),结束)上, 计数器停止计算。计算过的脉冲数目( "!)把开关周期的持续时间考虑在内,存储的数据 将在下一个开关周期中被利用。 在第 ! 个开关周期中,在内部时钟输入的上升沿上,第 ) 个计数器由大到小计算内部 时钟脉冲,并且在计算到( "! " # !)个脉冲时终止。第 ! 个计数器计算新的尚未计算的内 部时钟脉冲,并适时修正开关周期( ! *)期间的有关数据。%& ’! 超前截止总量为 # !·! ) ( ! ) 为内部时钟脉冲周期),并通过 %& ’! 预期时间输入设定。计数器 &+ 或 -%./ 在 每个周期内的功能,相对于先前周期被交换。 · 2$ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 为预期关断 !" #$,另外两个 "% & ’!() 计数器将考虑计算接通时间( ! *+)期间的有 关数据及相关波形如图 , - ./ 所示。 图 , - ./ !# " 预期时间产生波形 在第 $ 个开关周期内,第 $ 个计数器在时钟输入上升沿上开始计数,并且在时钟输人 下降沿上停止。其间计算的脉冲数量为 "$,只计算 ! *+时间之内的脉冲数。 在第 , 个 开 关 周 期 内,第 $ 个 计 数 器 递 减 计 数,在 计 算 到 "$— # $ 时 停 止。关 断 !" #$ 的超前时间总计为 # $·$ $,并由 !" #$ 预期时间输入设定。第 , 个计数器向上(由 小到大)计算时钟输入上升沿与下降沿之间的脉冲数目。 (0)变化条件 当开关频率( % 1)发生变化时,对于输出 !" #, 而言,可能存在以下三种情况。 ! $ 1$ 2 $ 1,:当第 , 个开关周期 $ 1,小于先前周期 $ 1$时,!" #, 的截止发生延迟,相 对于时钟输入没有超前,而是随时钟输入的前沿强迫关断。图 , - .$ 给出了该条件下的 相关波形。 图 , - .$ 在 $ 1$ 2 $ 1,时 !# ", 及相关波形 图 , - ., 在 $ 1$ 3 $ 1,时 !# ", 及相关波形 · 54 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! ! !" # ! !$:当随后开关周期 ! !$大于前面的周期 ! !"时,相关波形如图 $ % &$ 所示。 在此情况下,’( )$ 提前关断。 *’+,-) 体二极管的导通时间恰为一个周期,效率损失 非常小。 " ! !" # " ./$:当第 $ 个开关周期的接通时间 " ./$大于前面的开关周期 ! !"时,相关波 形如图 $ % &0 所示。在此情况下,’( )$ 保持截止,*’+,-) 体二极管的导通时间虽然 不是最小,但只引起很小的效率损失。 (&)占空比发生变化时的情况 对于输出 ’( )",当接通时间 " ./发生变化时,可能会出现以下两种不同的情况。 # " ./" 1 " ./$:当第 " 个开关周期的接通时间 " ./"大于第 $ 个开关周期的接通时间 " ./$ 时钟输入、内部时钟和输出 ’( )" 的波形定时图如图 $ % && 所示。在此情况下,’( )" 的 关断被延时,相对于时钟输入没有提前,总是在时钟输入的下降沿上及时截止。 图 $ % &0 在 ! !" # ! ./$下的 ’) ($ 及相关波形 图 $ % && 在 "./" 1 "./$下的 ’) (" 及相关波形 ! " ./" # " ./$:当后随开关周期的导通时间 " ./$大于先前开关周期的导通时间 " ./"时, 相关波形如图 $ % &2 所示。在此情况下,’( )" 提前关断,*’+,-) 体二极管的导通时 间恰为一个周期。 · 43 · 图 $ % &2 在 "./" # "./$下的 ’) (" 及相关波形 www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 上述的方法通过对前一个周期的测量来确定下一个周期的动作,履行逐周控制。预 期关断同步整流器 !"#$%& 的内部时钟脉冲总数是 ! ’ 或 ! (。内部振荡器频率( " ))越 高,预期时间精度也就越高。 ( * #&#+, 系列智能驱动器 -. #&#+, 系列 -. 是 #& 公司为驱动隔离 #!/# 中的同步整流器而专门设计的器件。 该系列 -. 的时钟信号从隔离变压器的次级输出获取,为驱动用做 #+ 的 ’ 只或 ( 只 !"#$%& 输出适当的控制信号。 #&#+( 用做驱动单端正向拓扑中的两个同步整流器。该 -. 包含前面所叙述的控制 系统,内置两个大 0 沟道 !"#$%& 驱动器和一个时钟缓冲器等单元电路。#&#+( 的引 脚名称及其应用电路如图 ( 1 23 所示。 图 ( 1 23 #&#+( 在单端正向变换器中的应用 #&#+( 的引脚功能如下; !455:电源电压,范围为 2 6 7 8 7 6 74; "/9+:0; 和 #:<:0; 分别为功率信号和控制逻辑信号的参考端; #.<".=:同步信号输入; $"> &’ ? (:两个大电流互补输出。由于 -. 自身产生死区时间,在两个开通时间之 间不存在任何交叠; %#%&:为 "> & 设定预期截止时间(有 2 种不同的期望时间可供选择); &-0@-A-&:当该脚输入高于非常低的一个门限电压时,"> & 使能。在正向变换器 应用中,迫使 "> & 的接通时间减至最小。 #&#+B 是为驱动在回扫式拓扑中的一个 #+ 而专门设计的控制 -.。其引脚名称(符 号)及应用电路如图 ( 1 2C 所示。#&#+B 与 #&#+( 比较的主要区别是 #&#+B 仅有一个 大电流栅极驱动输人("> &)。 · D’ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " #$ 在回扫式变换器中的应用电路 %&%’# 是指定用于驱动推挽、半桥或全 桥式双端输出拓扑结构中 %’ 的控制 ()。该 器件的典型应用电路如图 ! " #* 所示。%&%’# 含有两个大电流 + 沟道 ,-%./& 驱动器 输出,同时有两个时钟流人()0-)12 和 )0-)1!),分别接收来自隔离变压器次级绕组 上的时钟信号。 图 ! " #* %&%’# 在双端拓扑结构中的应用电路 %&%’!、%&%’3 和 %&%’# 在不同类型的隔离式拓扑结构应用中,都是从变压器的次 级输出获得时钟信号,对作为 %’ 使用的一只或两只 ,-%./& 产生恰当的栅极驱动信 号,完全解决了在控制 %’ 中易于出现的全部问题,有效地提高了系统稳定性和可靠性。 在隔离 %,4% 拓扑中,用于驱动 %’ 的数字控制 5 驱动技术,相对于需要附加磁复位 技术的所谓“自驱动同步整流”方法来说,具有许多优点。数字控制方法主 46, 控制器 在初级侧的 %,4% 隔离拓扑中,为利用直接来自于变压器次级输出的同步数据提供了便 利。数字控制方法所提供的驱动信号数值,总是能与 ,-%./& 的栅极范围相一致,可使 ,-%./& 体二极管的导通时间尽可能短。通过采用一些附加技术,能允许变换器以连续 导通模式(7),)操作。采用数字方法,可有效地解决被认为与 %’ 驱动信号产生有关的 “跨越导通”和“贯通”等关键问题。 · *! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 采用带有较少引脚的 !"!#$ 系列 %&,可使 !# 数字控制电路大为简化。对于 %& 外 部元件,其中包括 !’" 脚外部用作设定预期时间的电阻,在精度和温度特性等方面没有 严格的要求。对于来自变换器开关频率和占空比的突然变化,!"!#$ 系列 %& 具有快速 瞬态响应特性。 所有其他有关 !# 控制的技术,如模拟控制方法等都存在不少缺点。其控制电路中 的很多元件,诸如电容器等,要 求 具 有 严 格 的 容 差 和 稳 定 性。而 利 用 锁 相 环( ( ) ))技 术, 也需要大量元件,且同步器件带有较多的引脚。另外,这种控制方法,对于开关频率和占 空比的扰动,瞬态响应速度也相对比较慢。 四、同步整流技术的正激变换器 在传统的电压驱动正激变换器中,通常存在死区时间内续流整流管体二极管的导通 问题。体二极管的导通增加了整流损耗,降低了变换器的效率。为此,这里介绍一种新的 电压自驱动方式———栅极电荷保持驱动方式。应用该驱动方式的同步整流正激变换器, 解决了死区时间内体二极管的导通问题,降低了整流损耗,提高了整流效率。 * + 栅极电荷保持电压驱动同步整流器 栅极电荷保持驱动方式的基本原理如图 , - ./ 所示。在 !0 时刻之前,输入信号 " 12 为 03,开关 ! 关断。电容 & 的初始电压为 03。在 !0 时刻,输入信号 " 12为正,通过二极 管 34 对电容 & 正向充电。在 !* 时刻,输入信号 " 12为 03。二极管 34 承受反向电压截 止。只要开关 ! 保持关断,电容 & 上的电荷得以保持," 567即可维持高电平。在 !, 时刻, 开关 ! 导通,电容 & 上的电荷得以保持," 567维持高电平。在 !, 时刻,开关 ! 导通,电容 & 通过开关 ! 放电," 567变为 03。如果 & 是同步整流管的栅极寄生电容,! 是一个辅助开 关,那么在 !* 8 !, 这段时间内,当输入驱动信号 " 12。降为 03 时,同步整流管的栅极电压 仍可保持高电平。 栅极电荷保持驱动正激变换器利用栅极电荷保持驱动方式,可以解决传统电压自驱 动同步整流器中死区时间内续流 9:!;’" 体二极管的导通问题。图 , - <0 给出了栅极 电荷保持电压驱动同步整流器应用在正激变换器的原理电路和主要波形,其中外加的 != 和 34 用来实现栅极电荷保持。 在 !0 8 !* 的时间内,主开关管 ! 导通。变压器副边电压驱动 !* 和 !=,使其导通。!, 栅极寄生电容通过 != 放电,!, 的栅极电压降低为 03,!, 关断,输出电流流经 !*。在 7* 时刻,主开关管 ! 关断,励磁电流流经磁复位电路。变压器副边电压反向,!* 和 != 关断。 · >= · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !" 的栅极寄生电容由流经 #$ 的电流充电。!" 栅极为高电平导通,负载电流流经 !"。在 时刻 %",磁复位结束,变压器副边电压为 &#。因为 #$ 承受反压截止,!’ 关断,!" 的栅极 驱动电压保持不变。因此,尽管变压器副边电压为 &#,!" 仍然保持导通,继续续流。!" 栅极驱动电压一直保持到下一个开关周期开始且 !’ 导通之时。这就解决了死区时间内 !" 体二极管续流导通的问题。栅极电荷保持技术在实际运用中,必须注意以下几个问 题。 图 " ( )* 栅极电荷保持电压驱动的基本原理 图 " ( +& 栅极电荷保持电压驱动正激变换器 第一个问题是栅极电荷的保持时间。在栅极电荷保持阶段,!" 的栅极电荷可能经过 #$、!" 和 !’ 放电。二极管存在反向漏电流,同步整流管的栅源极和漏源极之间均存在 漏电流。一般来说,同步整流管的栅极寄生电容电荷大约为 ,&-.,栅源极漏电流大约为 /&&-0,漏源极漏电流大约为 /&&10。肖特基二极管的反向漏电流大约为 /10。对于快 恢复二极管,反向漏电流只有 /10。如果栅极驱动门限电压为 "#,其初始电压为 +#。当 #$ 为肖特基二极管时,栅极电压保持在门限电压之上的时间大约为 ’,12。当采用快恢 复二极管时,这个时间会更长。将这一时间和死区时间比较,可以看出,这一时间足够保 持 !" 在死区时间内的续流要求,并且可以适当提高开关频率。 第二个问题是变压器副边出现环流电流。在时刻 !&,主开关管 ! 导通。变压器副边 感应电压开通 !/,关断 !"。然而,只有当 !’ 导通且 !" 的栅极电荷全部释放时,!" 才关 断。这就 意味着,!’ 的栅极电压以及 !" 的漏极电压必须同时建立起来。这要求 !" 流经 大的反向电流,因而增加了 !" 的损耗。 第三个问题普遍存在于现有的同步整流器中。变压器副边电压有可能太低或者太高 而不能直接驱动同步整流管。当输出电压明显高于 +# 时,驱动电压可能超过了同步整 流管的栅极驱动电压限值;当输出电压为 ’ 3 ’# 或 " 3 "# 时,副边电压又太低而不能有效 驱动同步整流管。 · 4) · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 ###################################################### 第二个问题和第三个问题可以通过外加辅助绕组得到解决。合适地选取辅助绕组的 匝数,就可以得到理想的驱动电压波形。辅助开关 !" 的关断信号从变压器原边直接耦合 而来,不再依赖 !# 的漏极电压,因此解决了变压器副边出现环流电流的问题。辅助绕组 的另外一个优点是,可以减小变压器漏感引起的同步整流管导通的延迟时间。 图 # $ %& 所示的是一种外加辅助绕组的栅极电荷保持电压驱动正激变换器。钳位二 极管 ’(" 的作用是,当 !& 的栅极驱动电压为 )’ 时,不继续降低,因此降低了 !& 的驱动 损耗。 图 # $ %& 栅极电荷保持电压驱动同步整流器改进电路 # * 电路参数的选择和实验结果 (&)辅助绕组的设计 输入电压是变化的。当输入电压最小时,辅助绕组电压不低于同步整流管栅极驱动 门限电压;当输入电压最大时,辅助绕组电压不超过栅极驱动电压限值。选择的辅助绕组 应该确保可有效地驱动同步整流管 !& 和 !#。辅助绕组匝数应该满足下列公式: ! ! +·" , -./-.! " 01 (# $ 2) ! ! +·" , -./+3 " " 45 (# $ 6) ""-.0/1-.·! ," ! +" ""-./45+3·! , (# $ &)) 式中:! +———辅助绕组的匝数; ! ,———变压器原边绕组的匝数; " -./+3———输入电压的最大值; " -./-.———输入电压的最小值; " 45———同步整流管 !& 和 !# 的栅极驱动电压限值; · 2% · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" ! !"———栅极驱动门限电压。 (#)同步整流管的选择 选择同步整流管的基本要求是导能电阻及 " $%尽量小,电压和电流不超过整流管的 电压和电流限值。&’ 和 &# 的最大漏源电压由下式确定: 式中:# %———变压器副边绕组匝数。 ! $% ( # # %·! ) * +,-. (# / ’’) 相应地,&’ 和 &# 允许流过的电流有效值的最大值分别由下列公式确定: $ 01-. ( !% ,-.·$ 2 (# / ’#) $ 01,*+ ( !’ / % ,*+·$ 2 (# / ’3) 式中:% ,-.———最大占空比; % ,*+———最小占空式; $ 2———输出电流。 &’ 和 &# 允许流过的电流峰值为: $ )425 ( ’ 6 # $ 2 (# / ’7) 这里,假设输出电感的纹波电流为输出电流的 #89 。&3 的最大电压应力应该满足下式: ! :%3 ( ! :%# (# / ’;) 最大电流应力和电流有效值限值应该满足下式: 式中:! :%#———&# 的栅极驱动电压。 $ <=> ( ! :%# " $%3 (# / ’?) 式中:" $%3———&3 的导通电阻; ! $ 01& ( #&"@&&$%&3#·! :%# (# / ’A) & @%%%#———&# 的输出电容。 (3)实验结果 图 # / ;# 所示的实验电路采用 B=C 无损复位方式,该复位方式可以进一步提高变换 器的效率。电路输入电压为 7DE(3? F A8E),输出电压为 # 6 #E,输出电流为 #8G,开关频 率为 #885HI。元器件清单如下: &:@0J<#;8,$ C ( 38G,! C& ( #88E," C(& KL)( D;,!; &’,&#:HM J?A’7;<3,$ C ( A;G,! C& ( 38E," C(& 2L)( 7 6 ;,!; · D? · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !":# $ %&’(’)*,! + , &’-," +! , )’*,# +(! .(), "’/!; *+0,*+1,*+":2-!0)3$0,! 4# , ’ 5 1-," 6 , 7&*; $80:94+1’,磁芯材料为 ":;’,%<=>=?@,三绕组匝数之比为 1; A B A 7。 如图 1 C &" 所示,变压器 $80 的绕制采用交错技术,以确保绕组之间良好耦合,减小 漏感。 图 1 C &1 实验电路 图 1 C &" 交错技术结构图 电路满载时的驱动波形如图 1 C &B 所示。图 1 C &B(D)中的输入电压为 ")*,图 1 C &B(E)中的输入电压为 BF*。栅极电荷保持驱动方式,解决了死区时间内续流整流管 !1 的体二极管的导通时间,在减小整流损耗的同时提高了整流效率。因此,电路的转换效率 也得到了极大的提高。当输入电压为 BF* 时,该电路的转换效率最高可达 ;0G ,完整的 效率曲线如图 1 C && 所示。 图 1 C &B 实验波形 · F7 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " ## 效率曲线 第七节 电压基准的特性及选用 电压基准可提供一个精度远比电压稳压器高得多的精确输出电压,作为某个开关电 源系统中的参考比较电压,因而称其为基准。电压基准在某些方面与电压稳压器类似,但 二者的用途绝然不同。电压稳压器除了输出一个稳定电压外,还要向负载供给电流。电 压基准的主要 用途是为系统或负载提供一个精确的参考电压,而其输出电流通常在几毫 安至几十毫安以内。 一、电压基准的主要参数 $ % 初始精度 初始精度(&’()(*+ ,--./*-0)用于衡量一个电压基准输出电压的精确度或容限,即电压 基准工作时其输出电压偏离正常值的大小。通常,初始精度是相对误差量,用百分数表 示,它并非是一个电压单位,故需经换算才能获得电压偏离值的大小。例如:一个标称电 压为 ! % #1 的基准,初始精度为 2 $3 ,则其输出电压范围为 ! % # 2 ! % # 4 $3 5 ! % 676 8 ! % #!#1。 在厂商的数据手册中,初始电压精度通常是在不加载或在特定的负载电流条件下测 量的。对于电压基准而言,初始精度是最为重要的性能指标之一。 ! 9 温度系数 温度系数( :;<=;/*)./; >?;@@(-(;’),缩写为 :>)用于衡量一个电压基准输出电压因受 环境温度 变 化 而 偏 离 正 常 值 的 程 度,也 是 基 准 电 压 最 重 要 的 性 能 指 标 之 一,通 常 用 · AA · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!" # $表 示( %!!" & % ’ %( ) * )。 例 如:一 个 基 准 标 称 电 压 为 %(+,温 度 系 数 为 %(!!" # $,则环境温度每变化 %$,其输出电压变化 %(+ ’ %( ’ %( ) * & %((!+。需注意的 是,温度系数可能是正向的,即基准输出电压随温度的升高而变大;也可能是负向的,即基 准输出电压随温度的升高而变小。具体可查看厂商数据手册中的温度曲线图表。 , - 热迟滞 电压基准所处的环境温度从某一点开始变化,然后再次返回该温度点,前后两次在同 一温度点上测得的电压值之差即为热迟滞( ./"!/01230/ 4562/0/676)。该参数虽不如温度 系数重要,但对于温度周期性变化超过 89$的情况是需引起重视的一个误差源。 : - 长期漂移 在数 日、数 月 或 更 长 的 持 续 工 作 期 间,电 压 基 准 输 出 电 压 的 慢 变 化 称 为 长 期 漂 移 (;<=> 2/0" ?07@2)或稳定性,通常用 !!" # %(((A 表示。当我们选用一个电压基准,要求它 在持续数日、数周、数月甚至数年的工作条件下保持输出电压精度时,那么长期漂移便是 一个必须考虑的性能参数。 9 - 噪声 这里所说的噪声( B <76/)是指 电 压 基 准 输 出 端 的 电 噪 声,它 包 括 两 类:一 类 是 宽 频 带 的热噪声;另一种是窄带(( - % C %(4D)噪声。宽带热噪声较小,且可利用简单的 EF 网络 滤除;窄带噪声是基准内部固有的,且不可滤掉。在高精密设计中,噪声的因素是不可忽 视的。 * - 导通建立时间 导通建立时间( .30= ) <= G/227=> .7"/)是指系统加电后基准输出电压达到稳定的时 间。该参数对于采用电池供电的便携式系统来说是重要的,因为这类系统为了节省电能, 常采用短时或间隙方式供电。 H - 输入电压调整率 输入电压调整率(;7=/ E/>3I127<=)用于衡量当负载和环境温度不变时,因输入电压变 化而引起的输出电压的改变。它是一个直流参数,不包括输入电压纹波或瞬变电压产生 的影响。通过在输入端串联一个预置稳压器或一个低成本的 EF 滤波器,即可有效地改 · KJ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 善总体的输入电压调整率。 ! " 负载调整率 负载调整率(#$%& ’()*+%,-$.)用于衡量当输入电压不变时因负载电流变化而引起的 输出电压的改变。它也是一个直流参数,不包括负载瞬变产生的影响。通过在基准输出 端接一个适当容量的低 /0’(等效串联电阻)特性的电容器,将有助于改善负载调整率。 二、电压基准的类型 1 2 按工作原理划分 (1)并联基准 并联基准(03*., ’(4(5(.6()如图 7 8 9: 所示。并联基准与负载是并联的,基准电压 ! ’/; < ! -. 8 " ; = # > < ! -. 8( " ? @ " #)= # >。当输入电压 ! -. 或负载电流 " # 发生产化 时,这类基准通过调节 " ? 来保持 ! ’/;的稳定。并联基准只有两个引脚,价格较便宜,较 适用于负载电流变化不大的场合;缺点是功耗相对较大,输入电压调整率不太理想。常见 的并联基准型号有 # AB9!、CD9!E 等。 图 7 8 9: 并联基准 图 7 8 9F 串联基准 (7)串联基准 串联基准(0(5-(> ’(4(5(.6()如图 7 8 9F 所示。串联基准与负载是串联的,基准电压 ! ’/; < ! -. 8 " ; = # > < ! -. 8( " ? @ " #)= # >。由于 " ? 很小且基本保持恒定,故当 ! -.或 " # 发生变化时,串联基准通过调节内部 # > 的阻值来保持 ! ’/;的稳定。串联基准通常有 B 个引脚,输入、输出压差和 " ? 可做得较小,故更适用于电池供电的场合。常见的串联基 准型号有 CD9!1、’/;1E7 等。 · EG · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 按工艺技术划分 (#)齐纳基准 齐纳基准($%&%’ (%)%’%&*%)的优点是成本低,小封装,工作电压范围宽;缺点是功耗 大,初始精度低,温度系数大,输入电压调整率不好,使用时需根据供电电压和负载电流串 接一个电阻为其提供一定的电流,以便保持输出电压稳定。齐纳基准通常用于要求不高 的场合,或用做电压钳位器。 (!)掩埋齐纳基准 掩埋齐纳基准(+,’-%. $%&%’ (%)%’%&*%)具有很高的初始精度、小的温度系数和好的长 期漂移稳定性,噪声电压低,总体性能优于其他类型的基准,故常用于 #! 位或更高分辨率 的系统中。掩埋齐纳基准通常要求 /0 以上的供电电压,并要消耗几百微安的电流,价格 较昂贵。 (1)带隙基准 带隙基准(+2&.324 (%)%’%&*%)的初始精度、温度系数、长期漂移、噪声电压等性能指 标从低到高覆盖面较宽,较适用于 5 6 #7 位精度的系统中。该类基准既有为通常目的设 计的类型,也有静态电流小至几十微安,输入、输出电压差较低而适用于电池供电场合的 产品,因而应用范围很宽。综合来看,带隙基准性能良好,价格适中,是性价比最高的电压 基准。 (8)9:;< 基准 9:;< 是一种新型的电压基准,它的性能水平介于带隙和齐纳基准之间,静态电流很 小,可用于 10 电压系统,并且仍能保持良好的性能。9:;< 基准有 1 个显著的特点:其一 是在 相 同 的 工 作 电 流 条 件 下,它 的 峰—峰 值 噪 声 电 压 通 常 比 带 隙 基 准 低 数 倍;其 二 是 9:;< 基准在工业级温度范围内具有十分平坦或线性的温度系数曲线,而带隙和齐纳基 准的温度系数曲线在温度范围两端常是非线性的,这种非线性不便于通过软件来加以修 正;其三是 9:;< 基准具有极好的长期漂移稳定性。 1 " 电压基准性能比较 表 ! = 8 以 >? 公司的电压基准产品为例,对掩埋齐纳、带隙和 9:;< 三种类型基准 的主要性能进行比较。由于生产电压基准产品的公司很多,每一类产品自身的性能从高 到低差别很大,故表 ! = 8 主要从总体上比较三种基准的性能特点,以便供选用时参考。 · @# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 表 ! " # 掩埋齐纳、带隙和 $%&’ 基准的主要性能 主要性能参数 掩埋齐纳基准 工作电压 ( )* 静态电流 + . /012 初始精度 0 , 0/3 . 0 , )3 温度系数 / . !0551 6 7 噪声电压 (0 , / . /09:) # . /0!* 长期漂移 适用场合 /) . -)!* 6 ;< /! 位或以上较高精 度的系统 带隙基准 可低至 +* 0 , #) . !12 0 , 0#3 . / , 03 + . /00551 6 7 $%&’ 基准 可低至 ! , -* ) . !0!2 0 , 043 . 0 , +3 8 . !)551 6 7 # . )0!* 4 . /0!* # . !)0!* 6 ;< 8 . /0 位精度,或低压、低功耗, 要求一般的系统 0 , ! . /!* 6 ;< 低压、低功耗且较高精度 的系统 # , 电压基准的选用 2=>、?@、ABCD1、EDFGBH、’ > 等都是国际上著名的模拟产品供应商,它们可提供各种 类型的基准产品。根据前面的讨论,引起电压基准输出电压偏离标称值的主要因素是:初 始精度、温度系数、噪声以及长期漂移等。因此,在选择一个电压基准时,需根据系统要求 的分辨率、精度、供电电压、工作温度范围等情况综合考虑,不能简单地以单个参数(如初 始精度)作为选择条件。举例来说,一个 /! 位数据采集系统要求分辨到 /E@I(相当于 / 6 !/! J !##551)。如果工作温度变化范围为 /07,那么一个初始精度为 0 , 0/3(相当于 /00551)、温度系数为 /0551 6 7(温度变化范围内偏移 /00551)的基准已能满足系统的 精度要求,因为基准引起的总误差为 !00551。但如果工作温度变化范围在 /)7 以上,该 基准就不再适用了。 对于初始精度,主要是根据系统的精度要求进行选择。对于数据采集系统,如果采用 F 位的 2=K(或 =2K),那么其满刻度分辨率为 / 6 !!;若要求达到 /E@I 的精度,则所配电 压基准的初始精度可由式(! " /8)确定: 初始精度!!/! L /04 551 J / !! L /0! 3 (! " /8) 考虑到其他误差的影响,实际的初始精度还要选得比式(! " /8)更高一些。比如按 / ! E@I 的分辨率精度来计算,即为式(! " /8)所得结果的 / 6 !。 温度系数是电压基准另一个重要参数,它的确定除了与系统要求的精度有关外,还与 系统的工作温度范围有直接的关系。对于数据采集系统,假设所用 2=K(或 =2K)的位数 · M! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 是 !,要求达到 !"#$ 的精度,工作温度变化是 !" ,那么基准的温度系数 " % 可由式(& ’ !()确定: " )! & !*+ ! ,!" --. (& ’ !() 同样地,考虑到其他误差的影响,实际的 " %,值还要选得比式(& ’ !()更小一些。温 度变化 !" 通常可以 &/0为基准温度来计算。以工业温度范围 ’ 1*0 2 3/0 为例,!" 可取 +*0(&/0 2 3/0),因为生产厂商通常在 &/0附近已将基准因温度变化引起的误差 调到最小。 大多数电压基准的噪声电压相对其他误差而言绝对值较小,故对于精度不高的系统, 其影响并不突出。但对于高精度系统,需引起高度重视。对于宽带噪声,通过在输出端增 加一个低 4#5(等效串联电阻)电容或一个 5% 滤波器就可有效地加以抑制。但要注意所 加电容的容量要按数据手册推荐的值选取。如果选得太大,可能引起振荡而破坏输出电 压的稳定性。另一个后果是会使导通建立时间增长。至于 * 6 ! 2 !*78 范围内的窄带噪 声,因为它们是基准中固有的,且不能有效滤掉,故要仔细评估、选择。 某些系统需长期工作,同时要求具有保持重复测量的一致性和稳定性。这时,基准的 长期漂移性能指标就显得很重要。9:4; 基准具有十分优良的长期漂移特性,故是最佳 选择。对于便携式系统,都要求低电压、低功耗,以便延长电池的使用时间。对于这类系 统,选用 9:4; 基准是十分理想的,它们不仅能在低电压、小电流下工作,同时仍能保持 很好的性能。<= 公司的某些带隙基准,如 54:!(>和 <=/3>,系列也具备低电压、小静态 电流的特性,因而也可用于便携式系统。但这些带隙基准的长期漂移、噪声以及温度系数 指标不如 9:4; 基准好。 第八节 开关电源保护电路 一、软启动电路 开关电源的输入电路大都采用整流加电容滤波电路。在输入电路合闸瞬间,由于电 容器 上的初始电压为零,会形成很大的瞬时冲击电流,如图 & ’ /3 所示。特别是大功率 开关电源,其输入采用较大容量的滤波电容器,其冲击电流可达 !**< 以上。在电源接通 瞬间,如此大的冲击电流幅值,往往会导致输入熔断器烧断,有时甚至将合闸开关的触点 烧坏。轻者也会使空气开关合不上闸。上述原因均会造成开关电源无法正常使用。为 此,几乎所有的开关电源都在其输入电路中设置防止冲击电流的软启动电路,以保证开关 · (? · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 电源正常而可靠地运行。 ! " 热敏电阻防冲击电流电路 热敏电阻防冲击电流电路如图 # $ %& 所示,它利用了热敏电阻 ’(,的负温度系数特 性。在电源接通瞬间,热敏电阻的阻值较大,达到限制冲击电流的作用。当热敏电阻流过 较大电流时,电阻发热而使其阻值变小,电路处于正常工作状态。热敏电阻防冲击电流电 路一般适用于小功率开关电源。由于热敏电阻的热惯性,重新恢复高阻需要时间,故对于 电源断电后又需要很快接通的情况,有时起不到限流作用。 图 # $ %) 合闸瞬间滤波电容电流波形 图 # $ %& 热敏电阻防冲击电流电路 # " *+’ $ ’ 电路 该电路如图 # $ ,- 所示。在电源瞬时接通时,输入电压经整流桥 ./! 0 ./1 和限流 电阻 ’ 对电容器 + 充电。当电容器 + 充电到约 )-2 的额定电压时,逆变器正常工作,经 主变压器辅助绕组产生晶闸管的触发信号,使晶闸管导通并短路限流电阻 ’,开关电源处 于正常运行状态。 图 # $ ,- *+’ $ ’ 电路 这种限流电路存在如下问题:当电源瞬时断电后,由于电容器 + 上的电压不能突变, 其上仍有断电前的充电电压,逆变器可能还处于工作状态,保持晶闸管继续导通。此时, · &1 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 若马上重新接通输入电源,会同样起不到防止冲击电流的作用。 ! " 具有断电检测功能的 #$% & % 电路 该电路如图 ’ & () 所示。它是图 ’ & (* 所示电路的改进型电路。+,-、+,(、+ .)、 %/、$/ 组成瞬时断电检测电路,时间常数 ! / "/ 的选取应稍大于半个周期。当输入发生 瞬间断电时,检测电路得到的检测信号,关闭逆变器功率开关管 + .’ 的驱动信号,使逆变 器停止工作,同时切断晶闸管 #$% 的门极触发信号,确保电源重新接通时防止冲击电流。 图 ’ & () 具有断电检测功能的 #$% & % 电路 0 " 继电器 1) 与电阻 % 构成的电路 该电路如图 ’ & (’ 所示。电源接通时,输入电压经限流电阻 %) 给滤波电容器 $) 充 电。同时,辅助式电源 +22经电阻 %’ 对并接于继电器 1) 线包的电容器 $’ 充电。当 $’ 上的充电电压达到继电器的动作电压时,1) 动作,旁路限流电阻 %),达到瞬时防冲击电 流的作用。通常在电源接通之后,继电器 1) 动作延时 * " ! 3 * " -4。否则,限流电阻 %) 因 通流时间长会烧坏。 这种简单的 %$ 延迟电路在考虑到继电器吸合电压时,还必须顾及流过线包的电流。 一般电阻的阻值较小而电容的容量较大,延迟时间很难准确控制。这主要由电容容量的 误差和漏电流造成,需要仔细地挑选和测试。同时,继电器的动作阈值取决于电容器 $’ 上的充电电压,继电器的动作电压会抖动及振荡,造成工作不可靠。 - " 采用定时触发器的继电器与限流电阻的电路 该电路如图 ’ & (! 所示(仅画出定时电路,主电路同图 ’ & (’ 所示电路),它是图 ’ & (’ 所示电路的改进型电路。电源接通时,输入电压经整流桥和限流电阻 %) 给 $) 充电。 同时,定时时基电路 --- 的定时电容 $’ 由辅助电源经定时电阻 %’ 开始充电,经 * " !4 后, 集成电路 --- 的 ’ 端电压低于电源电压的 ) 5 ’。其输出端 ! 输出高电平,+ .’ 导通,继电 · 6- · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 器 !" 动作,限流电阻 #" 被旁路,直流供电电压对 $" 继续充电而达到额定值,逆变器处 于正常工作状态。由于该电路在 #$ 延迟定时电路与继电器之间插入了单稳态触发器和 电流放大器,确保继电器动作干脆、可靠,达到有效地防止冲击电流的效果,而不会像图 % & ’% 所示电路那样,由于继电器动作的不可靠性而烧坏限流电阻及继电器的自身触点。 图 % & ’% 由继电器与电阻构成的电路 图 % & ’( 定时电路 ’ ) 过零触发的光耦可控硅与双向可控硅构成的电路 该电路如图 % & ’* 所示。集成稳压器输出稳定的 +, 电压,为软启动电路提供电源 电压。晶体管 , -"、反相器 .$% 构成过零触发电路,.$" +++ 构成单稳态触发器,! "·"" 为定时周期。但因 + 端 / " 端接有延迟电路 #%、$%,所以 +++ 是逐步达到满周期的。当 电网电压过零时,晶体管 , -" 截止,反相器 .$% 输出低电平,启动定时电路 +++ 工作,软 启动延迟时间由时间常数 !" "" 及 !% "% 共同决定。 · 0’ · 图 % & ’* 过零触发的光耦可控硅与双向可控硅构成的电路 www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 二、高性能电源保护电路 因为电源在由它与负载所组成的整个电子系统中,不但要承受来自电网与外界的(诸 如电压跌落、浪涌与中断、频率变化、波形失真、持续噪声、电磁干扰、瞬变等)不良影响的 考验,而且还要经受来自负载的(诸如过流、短路、瞬变、过电压等方面)严格考验。因此, 对于电源产品的设计师来讲,仅对电源进行常规的输入、输出性能设计是不够的。还要对 电源进行在超额定条件下(例如强辐射、超压、超温、超载等)的设计、检验。只有这样,才 能使电源在任何恶劣的条件下都能安全、可靠地工作。为了达到这一目的,设计时必须考 虑到在任何超额定条件下都能使电源不致失效或损坏的措施。 ! " 理想的电源保护电路的特性 最理想的电源保护电路应具有以下特性: !在进入超额定条件时,电源能安全地自动进入自保护状态,例如输入端的过电压 # 欠电压保护、输出端的过电压 # 欠电压保护、过载保护、短路保护以及过热保护。 "电源进入保护状态期间,其功耗愈小愈好。 #电源进入保护状态期间,电子元器件的工作应力愈小愈好,使电源进入睡眠状态。 睡眠状态一般有两种方式:第一种是工作于极窄的脉冲宽度状态;第二种是工作于完全关 断与极窄的脉冲宽度相交替的间歇状态。从元器件应力和电源功耗方面来讲,最好是间 歇工作状态,保证即便电源长期处于保护状态也不损伤电源寿命。 $保护电路具有自解除功能。电源的保护状态解除后,电源能够从睡眠状态被自动 唤醒进入正常工作状态。 %保护电路的构成愈简单愈好,最好无需再给保护线路另行提供电源。 &保护电路本身的功耗愈小愈好,以保证提高电源的整体效率。 $ % 高性能电源保护电路 下面介绍一种较为完善的保护电路,如图 $ & ’( 所示。 )! 为鉴流线圈,初级线圈以 半匝串接入主振荡管的 * 极(场效应管)或 + 极(晶体三极管)。这样接的最大好处在于: !鉴流线圈能最大程度地感应到主振荡管电流的变化情况。 " )! 鉴流线圈后级接法基本上是通用型 ,-. 整流、滤波线路。相对于一般鉴别电 源总电流的方法,它的鉴流输出功率大,易于后级的再处理,鉴流输出的电压 ! /0!随电源 输入电压变化较小,其值主要取决于振荡管上的电流脉动波形的积分。这样,就使输入电 · 21 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 压的低端与高端能得到基本相同的过流保护特性。 图 ! " #$ 高性能保持电路图 %& 为人工设定过流保护点的调节电位器;%’、%#、%( 为正反馈电阻,用以设定保护 点的阈值电压;%) 为正温度系数的热敏电阻。电源正常工作时,! *+! , , ! *+’,运算放 大器 -./ 的输出电压 ! *+0等于其截止电压,约为 1 2 !3,运算放大器 -.! 的输入端电压 ! *+$ , , ! *+’,! *4) 等于其截止电压,约为 1 2 !3。通过电阻将其接于 4.!$!$5 的! 脚,此电平足以保证电路正常工作。一旦输出出现过载或短路现象,! *+! 6 ! *+’,运算放 大器 -./ 的输出电压 ! *+0变高,等于运放最大输出电压幅度,约为 " 77—!3。此时,电源 马上给电容 .0 充电,使运算放大器 -.! 的输入端电压 ! *+$ 6 6 ! *+’,! *4)变高,此电平 足以保证电路 4.!$!$5 完全关闭,使电源进入停止工作期。在此期间,鉴流输出电压 ! *+/为零,! *+! , , ! *+’,运算放大器 -./ 的输出电压 ! *+0又将等于其截止电压,约为 1 2 !3。此时,因为电容 .0 上的电压 ! *+$不能突变,必须通过电阻 %8 放电,%8、.0 取值 较大,通过改变 %8 或 .0 的值来调节停止工作期的时间。只有当 ! *+$ 放电到 ! *+$ , ! *+’时,! *4)才变低,电源重新进入正常工作状态。如果过流状态依然存在的话,电源 又将进入停止工作期。如此周而复始。在保护期间,4.!$!$5 推动级上的工作波形如图 ! " ## 所示。 图 ! " ## 4.!$!$5 推动级的工作波形图 调节 %8、.0 值,使 # ! 6 6 # /,保证电源在真正意义上进入睡眠状态。从电路分析可 · (9 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 以看出,因为有了 !"、#$%、&’ 组成的充、放电回路,通过二极管 #$% 充电快而放电慢, 加之 !(、!" 正反馈电阻设定阈值,保证 ! )*+ 的输出状态只有两种,即高电平或低电平。 如果没有 !"、#$%、&’ 组成的充、放电回路,则 " , 约等于 " -,对 *&,%,%. 的!脚电压来 说将出现 / 0 1 2 / 0 3# 频繁变化,将使电源处于频繁的启动与关闭状态,对振荡管极为不 利,也最容易损坏功率管。 借助上述电路,可以很容易地构成输入过 4 欠压保护电路、输出过 4 欠压保护电路以及 过热保护电路。在此,仅以附加过热保护为例,说明如下。如图 , 5 1% 所示,过热保护电 路由 6&( 及其周边元件组成。当电源的温度没有超过设定温度时,! 78- 9 ! 78,,运放 6&( 的输出电压 ! 78(为低电平。由于有二极管 #$1 的存在,此时 6&( 的输出电压 ! 78(不会影 响到 ! ):,。也就是说,在过热保护电路未起作用时,它不会影响到上述的过流保护电路 的性能。当电源温度降低到超温保护点以下时,电源才能重新进入正常工作状态。依此 类推,可以构成其他输入输出过 4 欠压保护电路。在此,不再一一赘述。 根据上述设计原则,同样可以类推出诸如 ;’<’、;(3,%.、;(3’= 系列、;(%,’ 等几乎 所有 :>? 型芯片所组成的各种电路形式。 第九节 分布电源 一、电压调整模块 电压调 整 模 块( #7@8ABC !CBD@A87E ?7FD@C,缩 写 为 #!? )是 分 布 式 电 源 系 统( $GHI 8EGJD8CF :7KCE LMH8CN,缩写为 $:L)中的核心部件,紧靠在需要供电的负载旁,可根据不 同负载需要独立调节输出电压,实现具有低电压、大电流、高稳定度输出、高功率密度、快 速响应等优良性能的高质量电源系统,如图 , 5 1" 所示。 根据输入电压的不同,#!? 可分为 %#、-,#、’3# 等不同种类,其相应的电路拓扑有 许多不同之处;根据输出和输入间是否隔离,#!? 又可分成非隔离型和隔离型两种。目 前,#!? 较多地采用 %# 输入电压。但随着芯片负载电流越来越大,今后分布式电源系 统中将较多地采用 -,# 或 ’3# 总线电压的 #!?,经变换输出 -# 左右电压供给工作站 或服务器 &:* 芯片。本节对近几年提出的 #!? 拓扑进行综述,对每一种拓扑的结构、 原理和主要特点进行简要介绍,同时介绍交错并联和内置输入滤波器等新的概念和技术。 · << · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " #$ 分布式电源系统的一种典型结构 % & 非隔离型 ’() 的主要拓扑 (%)*’ 输入的 ’() 拓扑 非隔离型 ’() 的拓扑基本上是在传统的 +,-. 电路基础上变化或改进得到的。图 ! " #/ 为低压 ’() 中广泛采用的同步整流 +,-. 电路图。由于用低压 )01234(通态时 其电阻很小,毫 欧 级 )代 替 了 肖 特 基 整 流 管,因 此 可 大 大 降 低 通 态 损 耗,从 而 提 高 低 压 ’() 的效率和功率密度。 图 ! " #/ 同步整流 +,-. 电路 同步整流 +,-. 电路中,滤波电感 5 的值一般取得较大,以确保负载变化时 +,-. 电路 始终工作于电流连续状态,减小输出电流纹波,从而减小滤波电容值,缩小体积,提高电源 的功率密度。但在负载瞬态变化过程中,过大的滤波电感限制了能量的传输速度,负载瞬 态变化所需要(或产生)的能量几乎全部由滤波电容提供(或吸收)。特别是在大电流负载 情况下,必须增加滤波电容(一般采用多电容并联以减小 31( 和 315),造成电源的体积 增大,功率密度降低,增加了产品的制造成本。由此可见,同步整流 +,-. 电路难以满足未 来芯片发展对电源的要求。 为了克服同步整流 +,-. 电路在瞬态响应等方面存在的不足,提出了一种准方波工作 方式的拓扑结构。该电路结构与同步整流 +,-. 电路相同,但其输出滤波电感 ! 远远小 于同步整流 +,-. 电路中的 ! 值,使 617 电路的瞬态响应时间很短。开关管 " % 和 " ! 均可以实现接近零电压开通,使 )01234 的密勒()899:;)效应影响减小,开关损耗和栅极 · %<< · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 驱动功耗亦减小。但 !"# 电路也存在着许多问题。首先,由于 !" 的纹波增大,使流过 开关管的电流有效值增大,通态损耗增加;其次,需要很大的输出滤波电容滤除纹波。大 的纹波电流亦使磁性元件的损耗增加,使应用 !"# 拓扑的 $%& 总体效率低于同步整流 ’()* 电路。 为了减少 !"# 电路输出电流的纹波,同时又能满足快速瞬态响应的要求,提出了一 种交错并联技术,将多个 !"# 电路交错并联起来,达到减小输出纹波电流的目的。图 + , -. 为其纹波抵消原理示意图。图 + , /0 为多相交错并联 !"# 的消纹波效果比较。 图 + , -. 交情连接 !"# 和消纹波原理 从图 + , /0 可以看出,多相 !"# 电路交错并联,并合理地选取同步整流开关控制脉 冲占空比,可以明显减小输出电流纹波。因此,可以用比单相 !"# 电路中滤波电容小得 多的滤波电容,使电路同时满足静态和瞬态变化的要求;交错并联 !"# 电路不仅可以减 小输出电流纹波,同时也减小了输入电流纹波,使输入滤波电容减小,电容所占体积减小, 加上整个电路的效率提高,使 $%& 功率密度的提高成为可能。 图 + , /0 多相并联 !"# 的消纹波效果 (+)1+$ 输入的 $%& 电路拓扑 对 ’()* 电路而言,其电压转换比 # 2 $,在输出电压一定的情况下,输入电压越高, 则 $ 越小。 图 + , /1 为同步整流开关控制脉冲占空比 $ 与输出电压 % 3 之间的关系曲线。可 见,当输入电压 % 45 2 1+$,输出电压 % 3 2 1 6 0$ 时,占空比 $ 已小于 0 6 1。过小的占空比 将给电路工作和性能带来许多问题。 · 101 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !引起不对称瞬态响应,卸载( ! "#$%& ’ ()响应性能远差于加载( ! "#$)$)响应性能,如 图 * + ,* 所示。在这种不对称工作情况下,只能根据卸载瞬态响应设计输出滤波器等电 路参数,给参数的优化带来很大困难。 图 * + ,- .)/0 电路占空比与电压间的关系 图 * + ,* 不对称瞬态响应 "引起变换器整体效率下降。整流开关管 1- 为硬关断工作方式。在相等的输出平 均电流条件下,输入电压为 -*2 时的电流纹波比输入电压为 32 时大许多。因此,关断时 的峰值电流也很大。同时,加在 1- 两端的关断电压( ! 4( + ! &)")较大,输入电压升高,关 断损耗增大,使变换器整体效率下降。对同步整流管 1* 而言,起决定作用的是通态损 耗。在很小的占空比条件下,电流纹波增大,使流过 1* 的电流有效值较大。同时,由于 1* 导通时间很长,1* 的通态损耗增大,也使变换器整体效率下降。 (5)有源钳位耦合 .)/0 电路拓扑 开关管控制脉冲占空比很小,因此多相交错并联所产生的消纹波效果不显著。当输 入电压 ! 4( 6 -*2,输出电压 ! & 6 - 7 32 时,占空比 " 6 8 7 -*3。从图 * + ,8 可以看出,四 相交错并联后的纹波只消除了大约 98: 。若输出电压进一步降低,则消纹波效果还要 差。消纹波的效果越差,意味着为满足瞬态响应性能指标所加的输出滤波电容越大,这是 我们所不希望的。 存在以上问题的主要原因是在输入电压为 -*2 或更高时,.)/0 电路的占空比 " 过 小。因此,解决问题的思路就是如何设法增大 "。这里给出了一种有源钳位耦合 .)/0 电路,可以解决上述尖峰电压问题,其电路拓扑如图 * + ,5 所示。 有源钳位 耦 合 .)/0 电 路 的 电 压 转 换 比(当 # 4( 6 -*2,# & 6 - 7 32,$ 6 * 时," 6 8 7 *;3),比中间抽头电感( $ 6 *).)/0 电路( " 6 8 7 ***)还大,可以进一步改善电路的工作 状况。由于钳位电容作用,开关的电压应力被钳位在 *( # 4( + # &),不随 $ 变化。在输入 电压为 -*2 时,约为 *82。因此,可以选用广泛使用的耐压值为 582 的 <=!>?@ 作为开 关管,使成本和损耗降低。此外,变换器的输人电流是连续的,因此可减小输入滤波器的 尺寸。 · -8* · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 有源钳位耦合 !"#$ 电路可以解决抽头电感 !"#$ 电路中由于漏电感所产生的尖峰电 压问题,同时保留了抽头电感 !"#$ 电路的优点,是 %&’ 输入 ’() 较好的一种拓扑。将 它与交 错并联技术和集成磁(*+,-./0,-1 )0.+-,2#3)技术结合起来,可以实现具有高效率 和快速瞬态响应性能的 %&’ 输入 ’()。但该电路拓扑仍有不足之处,有源钳位耦合 !"#$ 电路的输入电流存在较严重的突变,即某些时段的 1 ! 4 1 " 较大。因此,必须在有源 钳位耦合 !"#$ 电路的输入端加滤波电路。同时,该拓扑的输出端也存在电流突变问题, 使输出滤波电容的电流有效值增加,效率降低,使用寿命缩短。由于滤波电容等效串联电 感(567)的存在,输出电流的突变还会引起输出电压的开关噪声。 为了解决上述电流突变问题,将内置输入滤波器概念引入至上述有源钳位耦合 !"#$ 电路中,提出了改进的有源钳位耦合 !"#$ 电路,如图 & 8 9: 所示。 图 & 8 9; 有源钳位耦合 !"#$ 电路 图 & 8 9: 内置输入滤波器的有源钳位耦合 !"#$ 电路 由于钳位耦合电容 <6 与漏感所形成的输入滤波器作用,使输入电流和输出电流的变 化比较平缓。因此,可大大减小外加输入滤波器的尺寸,甚至可以不要外加滤波器而直接 利用内置滤波器,从而减少元件的数目。 & = 隔离型 ’() 的主要拓扑及性能比较 随着计算机芯片对电源容量和瞬态响应要求的不断提高,现在广泛采用的低压(如 >’)分布式电源系统将难以满足要求,会逐渐被高压(如 :?’)分布式电源系统所取代。 与低压分布式电源系统相比较,高压分布式电源系统有许多显著优点。 从前面的讨论我们知道,低压 ’() 的电路拓扑很难应用到高压 ’() 中。因此,高 压 ’() 一般采用具有降压变压器的隔离型电路拓扑,降压变压器起着降压和隔离双重 作用。 对低压大电流输出 ’() 而言,副边变换器的功率损耗对整个电路的效率起着主要 作用。因此,为提高电路的转换效率,必须努力降低副边变换器的损耗,特别是整流器损 耗和变压器的绕组损耗。用同步整流器(低压 )@6A5B)替换肖特基整流器,可以减少整 流器损耗;而降低变压器的绕组损耗,必须努力减小副边绕组电阻和流过的电流有效值。 合理选择绕组和变压器结构,可以减小绕组电阻。采用倍流器(<"//-+, CD"EF-/)拓扑,可 · %G; · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 以减小副边电流的有效值。与倍流器输出相适应,变压器原边一般采用具有对称工作方 式的推挽变换器、半桥变换器和全桥变换器。 传统推挽变换器的最主要问题是当开关管关断(对 !" 而言,! # ! $%)时,变压器的漏 感产生很大的尖峰电压并加在管子两端,这与反激变换器的工况相同。为了解决这一问 题,提出一种新型的推挽正激(&’() &’** +$,-.,/)变换器,其原理如图 0 1 23 所示。 与传统推挽变换器电路相比较,推挽正激变换器电路中引入了一个钳位电容 4。在 ! # 5 6 7$%期间,!" 导通,!0 截止,输入电压 89%通过 !" 加在绕组 :" 上,而电容 4 上的电 压 "(; 等于 " 9%)则加在绕组 :0 上。这时,电路就像是两个正激电路并联工作。当 !" 关 断后,漏感电流使 !0 的反并二极管导通续流,而电容 4 将开关管 !" 的端电压钳位在 0 " 9%。因此,可以选用额定电压较低的开关管,以降低通态损耗。 该推挽正激变换器为一个二阶系统,其控制较简单,瞬态响应快,具有较高的转换效 率,而且变压器和电感可以很容易集成在一起,从而大大提高变换器的功率密度。 将内置输入滤波器的概念引入到推挽正激变换器中,提出了改进型推挽正激变换器, 如图 0 1 2< 所示。这一新拓扑中的开关电流和绕组电流与推挽正激变换器中的相同,但 输入电流却几乎是平坦的。这是由于输入电流同时流过两个绕组且有纹波抵消作用,这 正是内置输入滤波器的作用。改进型推挽正激变换器的输入滤波器尺寸可以大大减小, 或直接利用变压器的漏感作为输入滤波器,且可与其他磁元件集成在一起,使变换器的效 率得到大大提高。 图 0 1 23 推挽正激变换器 图 0 1 2< 改进型推挽正激变换器 8=> 拓扑有许许多多,每种拓扑都有其特点和适用的工况。将准方波工作方式的 同步整流 ?’;@ 电路交错并联,可大大降低输出电流纹波,从而减小输出滤波器的尺寸,同 时满足快速动态响应和高效率、高功率密度的要求。通过自耦合电感,可以拓展整流开关 管的占空比,改善电路的瞬态响应性能,提高变换器整体转换效率。有源钳位电路可以抑 制漏感引起的尖峰电压,减少开关器件的电压应力,同时亦可降低电路损耗;将内置输入 滤波器的概念引入到 8=> 拓扑中,并利用集成磁技术,可进一步改善电路工况,减小滤 · "5A · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 波器尺寸。 !"# 拓扑结构改进或新拓扑结构的提出,其基本思想是如何满足 !"# 高效率、高 密度和快速瞬态响应的要求,同时非常重视包括磁集成技术在内的集成封装技术的运用, 并将能否采用集成技术作为判断拓扑结构性能优劣的一个重要因素。因此,这应成为我 们今后研究 !"# 技术的努力方向。 二、$% & $% 变换器成品组件在分布式电源中的应用 分布式电源结构($’()的堀起增加了对 $% & $% 变换器的需求,使大量的变换器成品 组件应运而生。细心地设计这类变换器有助于节省空间、减少元器件数量、简化电源变换 器的布局。毫无疑问,会有越来越多的选用成品组件的方案。当然,首先要全面了解并学 会使用这类器件。首要问题是选择隔离型还是非隔离型变换器。无论是出于安全性考虑 还是从性能上考虑,隔离型变换器总是首选。例如,设计通信和医疗领域的产品时,几乎 毫无例外地选用隔离型变换器。这些器件还得通过严格的 ) *+,-. 安全性标准认证。 然而,安全性并不是惟一原因。在多数近代对噪声敏感的电路中,将负载隔离起来是 十分必要的,它能减少整个系统主电源在本地电源上呈现的噪声。为了达到这个目的,自 然选择带高电流隔离度的变换器。因此,基本输入一输出隔离结构可用来提供简单的输 出隔离电源。不仅如此,它还可用来产生各种电压电平、双极性电子或非标准电压。 在使用隔离变换器时,设计时应充分了解变换器的标称隔离电压与标称工作电压之 间的差别。标称隔离电压定义为器件在规定时间周期内输入与输出间能承受的电压。该 参数是所用绝缘材料电气强度的量度。另一方面,标称工作电压定义为器件在隔离处能 维持的最大恒定电压。典型的情况是它较隔离电压小。从规定的隔离电压确定变换器的 工作电压还未有一致的结论,这与各个器件的结构有关,也与所用的材料有关。 + / 结构形成 在最基本的水平上,变换器的输入—输出隔离可用来产生不同的电压电平或双极性 电平,如图 0 1 22 所示。 不仅如此,将隔离后的正输出端连接至输入地电平还可产一负电源。另一种选择是 产生高于主电源的电压,如图 0 1 2- 所示。 由于输入与输出相隔离,输出边参考电压的选择有相对的任意性。当需要浮置输出 时,.! 输出可连接至输入地,这样单端电压就变换为双极性电平,其代价是丧失了变换器 的固有隔离性。 · +.3 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " ## 隔离型 $% " $% 变换器的标准结构 图 ! " #& 隔离型变换的其他各种结构 这里应强调指出,设计混合参考电平时,稳压型变换器比非稳压型变换器更需细心地 考虑。前者通常在正输出电子处备有一个串联稳压器,因而参考隔离地仅在电流返回变 换器时才工作,而通过外部元件(如二极管与晶体管)时并不工作。 $% ’ $% 变换器的输出电流隔离允许多个变换器串联连接,以便产生非标准电压电 平。这是简单地将一个变换器的正输出与另一个变换器的负输出连接完成的。只要遵循 下列原则,即总输出电流不超过最大输出电压下的各个变换器标称输出电流,该结构能产 生多种电压。当变换器串联时,各个变换器的开关电路并不同步。因此,必须使用附加滤 波器。未加滤波的输出纹波电压是各个变换器纹波电压之和,同时还会产生相当大的拍 频。 当单个成品变换器不能提供所需的输出功率时,多个变换器组件并联连接通常是最 恰当的解决方案。采用这种连接总是将同一型号的变换器并联一起。这是因为不同型号 变换器的 输出电压很难达到良好的匹配。此外,在连接变换器输出时,应时刻牢记开关 是不同步的。因此,必须采用某种形式的耦合方式。在输出电压为 (!) 或 (*) 时,一种 可能的方式是采用二极管馈送安排,如图 ! " #+ 所示。 这里,二极管的电压降不会明显影响电路的性能。然而,对 *) 或 +) 电源,二极管的 电压降显得过大而不适合这种连接方式。 变换器并联连接的最理想方式是在输出端上接串联电感,如图 ! " &, 所示。这一方 案的电压损失比采用二极管的连接方式低。同时,只要细心地选择电感,并附加一个外电 容,还有助于减少变换器的纹波电压和拍频。 · (,- · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " #$ 二极管耦合连接方式 图 ! " %& 串联电感连接方式 ! ’ 并联变换器的设计考虑 变换器并联的数量典型地可达三个,还能保持电路总性能很高的可信度。然而应注 意,带稳压输出的变换器不能并联连接。因为我们无法保证器件间的输出电压能足够精 确地匹配,使其处于内部线性稳压器的容差之内。否则,其中一个变换器就会过载。因 此,当要求高功率稳压电源时,最好是并联未稳压的变换器,然后附加一个外稳压器。 () * () 变换器是一种会产生噪声的器件。因此,在设计、选择器件时,应将滤波器考 虑在内。应选用采用脉冲调频或固定频率的变换器。在脉冲调频方案中,当随负载条件 调整脉冲间隔时,会有较大的频率范围,从而导致复杂的滤波要求。固定频率变换器则因 其频率固定能极大地简化滤波器的设计。 设计固定频率变换器的滤波电路应遵循一定的准则。为了减少输入、输出的纹波电 压,总是采用无源 +) 网络以减少电阻性的功率损耗。选好电感是设计 +) 网络的关键。 这里有一条有用的经验法则:首先,电感的自振频率应大大高于变换器的特征频率;其次, 电感的电阻性损耗要在许可的范围之内;再者,电感本身的标称电流约取输出电流的两 倍。 , - 其他注意事项 (.)浪涌电流 浪涌电流是变换器在开关导通时形成的电流。这个开关电源隐含的电流严重时会损 坏器件。幸运的是,输入端接人一个电感不仅有助于过滤器件开关电路产生的噪声,而且 还能限制浪涌电流。为了充分认识限制浪涌电流的重要性,下面做一些简单的分析。变 换器未接入电感时,输入电流可用下式来计算: ! /( " " # $ %&)* % (! " !&) · .&# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 式中:! 是输出电压;" 是时间间隔;# 是与印制板走线和连接线相关的电阻;$ 则是变 换器的输入电容。当器件初始状态处于导通时,% ! ! & # 。例如,对于 "# 输入低功率变 换器,假定走线与连线电阻为 "$%!,浪涌电流可达 &$$’,无疑这对器件是一个很大的威 胁。 (()输入电压跌落 采用变换器成品组件时,设计者还要考虑如何对付输入电压的跌落。输入电压跌落 有多种原因,诸如其他电路遭遇瞬时大电流,或者器件在“热”状态下切换。在这些情况 下,一个简单的二极管一电容组合能有效地防止输出电路受其影响,如图 ( ) *& 所示。 图 ( ) *& 抗电压跌落的二级管一电容组合 该电路中,输入电压通过二极管向一个存储电容送电,电容为变换器提供一个短期的 电流存储源,二极管切断电源输入端的放电路径。在并联器件结构中,二极管切断电源输 入端的放电路径。在并联器件结构中,二极管上的电压降也是十分宝贵的。因此,推荐使 用肖特基二极管。 (+)过载保护 虽然滤波器能防止通电时的过量电流,然而在正常条件下对输出电流过量,甚至短路 不能起到有效的保护作用。发生这类情况时,变换器总是试图增加输入电流来满足输出 的要求。这样器件就会过热,最终导致器件损坏。 防止输出过载的最简单易行的方法是使用保险丝。保险丝的余量应足够大,以免开 机时被浪涌电流烧断。当然最好是使用其他一些简单的断路电路,如检测输入电流或输 出电压过载提供的智能化方案。如果功率管理方案设置在输入边,信号应与功率控制器 隔离以确保系统的隔离性。最常用的保护检测电路是光电隔离型与热敏电阻检测型。在 后一种方案中,热敏电阻或其他热敏器件应尽可能安装在被检测电阻的附近。这样在起 到隔离作用的同时,又能增加保护灵敏度。 (,)变换器的漏电流 在 -.’ 应用中使用变换器成品组件时,设计者还必须计算器件的漏电流。在电流型 隔离的场合,器件中隔离元件存在一个电容,它表明输入与输出间的耦合度。利用这个阻 抗即可计算输入与输出电路间的漏电流。假定隔离电容 $/0与测试频率 ’ 是已知的,隔离 阻抗则由下式确定: · &$* · (1 ! & 2 3("’$/0 (( ) (&) www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 再从测试电压便可计算出漏电流 ! !。上式表明,测试电压越大,漏电流越大;隔离电 容越小,则漏电流越小。因此,设计者应选择低隔离电容、高隔离度的 "# $ "# 变换器。 (%)温度考虑 变换器是发热器件,温度指标对成功的 &"’ 设计也是十分重要的。这里,我们必须 正确区分“工作温度范围”与“指标温度范围”两个术语的含义。指标温度范围是指能保证 器件主要性能指标,如标称功率和噪声输出的温度范围。工作温度范围通常要比指标温 度范围大,表明变换器尚能工作的整个温度范围。例如,某些变换器的指标温度范围仅为 () * +(),而声称工作温度范围为 , -() * .%)。其实,.%) 时的噪声指标已是正常值 的两倍。另有一种表示方法,器件规定工作温度范围为 , /%) * +%),但高于 0() 时温 度每增高 1),噪声指标按 23 递增,最高工作温度为 +%)。按此推算,到最高温度时噪 声指标也约为正常值的两倍。 · 1(4 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第三章 开关电源变压器 第一节 开关电源变压器的现状与发展 一、 开关电源对电子变压器的要求 开关电源在市场发展中主要追求的指标是效率高、体积小(轻薄短小)、成本低,因此 对其中采用的电子变压器也主要考虑这几方面的要求。 ! " 效率 开关电源要求效率高的主要原因是节能和环保,也就是“绿色电源”的概念。由于开 关电源的应用量大、面广,可以显著减少所需的电能,减少发电厂数量,减少发电厂排放的 废气、废水和灰尘对环境的污染。现在要求 !##$ 以下的小功率直流开关电源的效率超 过 %&’ ,中大功率开关电源的效率超过 (#’ 。 变压器和电感器的损耗一般占开关电源的 !&’ 左右。要求变压器效率超过 (&’ ) (%’ ,其原因是要求减少开关电源的待机损耗。因为变压器的空载损耗和空载电流是造 成待机损耗的主要原因之一。现在开关电源的待机损耗要求小于 !#’ ,因此变压器空载 损耗只能小于 &’ ,最好小于 *’ 。效率高,发热小,可减少散热面积和体积。 * " 体积 开关电源追求轻、薄、短、小,是它在市场发展中的热门话题。其中,变压器和电感器 的小型化是最大的难点,受到国内外专家们的普遍关注。表示它的指标是功率密度,希望 能达到 !##$ + ,-. 以上。 为了适应开关电源小型化的需要,首先应提高工作频率,其次要改变结构。工作频率 提高到 *&#/01,比 *# ) 2#/01 的功率密度会显著增加。但是,高频损耗也显著增加,可改 用新的磁性材料和线圈结构来解决。高频电磁干扰也显著增加,可采用抗干扰滤波器和 低磁滞伸缩材料来解决。现在最高的工作频率已达到 *& ) .#301。! ) *301 在小型直 · !!# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 流开关电源中已比较普遍。 变压器结构正经历三个更新换代。第一是平面变压器,其体积和重量比立体变压器 (普通变压器)减少 !"# ,已形成 $% & ’"(%、’"()* & ’+)* 的产品,效率典型值为 ,!# 。 第二是片式变压器,对低压大电流特别适用,高度(厚度)更进一步降低,电流可达 -"". 以上。它由一个次级绕组和多个磁芯组成,代替以前的一个磁芯多个绕组。多个磁芯的 初级绕组串联,从而达到降压隔离的要求。内部温升比平面变压器低,只有 -"/ 左右。 可以装在额定 温 升 更 高。的 基 板 上 工 作。第 三 次 是 薄 膜 变 压 器,其 薄 膜 后 高 度 低 于 -00。工作频率超过 -+)*,达到 -" & -""+)*。由于采用集成电路工艺制造,成本并不 增加。它是开关电源变压器的最新发展方向。在现阶段,不同的应用范围和市场,从性能 价格比出发,要求的变压器结构形式也不一样。立体变压器仍然大量使用。平面变压器 已形成系列,正在推广。片式变压器处于个别和小批量生产阶段。薄膜变压器只是个别 情况,仍处于研究开发阶段。因此,不单要关注研究开发新的变压器,而且更要关注大量 生产的变压器,改进某个部件和某个工艺环节也会取得良好的效益。 1 2 成本 开关电源和任何商品一样,在市场发展中都要考虑成本。电子变压器也回避不了成 本问题。降低电子变压器成本的第一个手段是设计其采用的原材料、结构形式,也对成本 有决定性作用。因此,在设计开关电源的电子变压器时,一定要综合考虑电源的工作条 件、原材料的水平和价格,设计出物美价廉的电子变压器产品。第二个手段是生产制造工 艺。应尽量采用工模具和机械加工,减少加工工时,以减少生产成本。在检测中,采用短 时间即可确认产品性能的方法,减少检查工时。加强管理,从备料到产品包装出厂,各个 生产环节都尽量减少工时和费用。第三个手段是减少生产的附加费用。设计选用的原材 料和配件尽可能通用,尽量缩短交货时间,减少产品成品库存量。对检测中被剔除的产品 进行处理,回收能用的原材料和配件。 开关电源中使用的电感器,包括进线滤波、抗干扰滤波、储能、换向、缓冲、吸收噪声、 输出滤波等电感器,比变压器数量更多。对它们的要求,也可参照以上三点基本要求来考 虑,这里就不再讨论了。 电子变压器是开关电源主要服务对象之一。开关电源在中国有比较大的市场。为了 推进开关电源市场的发展,对电子变压器提出了高效率、小体积、低成本的要求。 变压器领域的革新技术关键是降低变压器的成本,解决普通变压器的过热点、工艺复 杂以及漏感高的问题。新型扁平式变压器具有体积小、隔离好、密度高、功率大、漏感小及 电流均分的特点。这使它成为 34 5 34 电源中理想的部件。比如说,一个普通的输出电 · --- · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 压为 !"、电 流 为 #!$% 的 半 桥 式 &’ ( &’ 电 源,采 用 了 这 种 部 件 后,该 电 源 厚 度 仅 为 #)**。其电源输出能力超过了所有的小外形电源。此外,这种扁平式变压器的漏感极 低、散热特好,比其他一半输出电流的电源在工作温度上要低得多。同时,在满负载条件 下,该电源的效率高达 +), 以上,而该电源的变压器、电感器部件的效率为 -+ . !, 。 目前的 &’ ( &’ 电源广泛采用半桥、全桥和推挽式结构。因此,采用体积小、漏感低、 散热好及成本低的扁平式变压器,是一个绝佳的选择方案。 / . 普通变压器面临的挑战 !普通变压器在结构上采用单个磁芯、多匝的初级绕组,单个磁芯变压器无法满足电 源大功率密度的要求。因为单个磁芯中心只有一个过热点,散热能力差。随着工作频率 的增加,必须降低通过的磁通密度才能减少发热量。而只有当尺寸缩小到无增益时,才可 能获得较高的频率。 "初级线圈匝数多,普通变压器是由多层线圈绕制的。第一层与最底层之间有着相 当大的电压差。对于一个单匝线圈输出的普通变压器来说,其初级线圈的绕制匝数大约 为 0) 匝。这一匝比使多层初级线圈存在漏感、趋肤效应,邻近效应以及线圈间电容等缺 点。 #漏感相当大。目前,脉宽调制式变换器在开关波形中具有快速上升的特点。这是 由于在开关电路中所采用的普通变压器漏感大,这种开关波形就会产生电磁干扰。对于 一个理想(耦合得非常好)的变压器来说,所有的磁流穿过次级线圈时都应没有漏磁通。 对普通变压器来说,并不是初级线圈中产生的所有磁通都穿过次级线圈。也就是说,初级 线圈所产生的磁通并非穿过伴随次级线圈的所有绕线和导体。线圈或导体未耦合的部分 就产生丁自感,并且该能量储存在“电感器”中,由于该“电感器”与主要功率传送电路无耦 合,故不能完全满足在电源断电时对隔离度的要求。另外,为使电磁干扰(12 3)达到更好 的特性需要,电磁耦合的紧密要求也无法满足。 $高频特性差。在高频工作中,普通变压器过热,开关损耗增大。 %绕制工艺冗杂,封装体积大。 二、 电子变压器的最新发展 传统的电子变压器一般都是在普通铁氧体磁芯上缠绕铜线绕组,体积比较大,转换效 率不高。随着电子技术和信息技术的飞速发展,各种电子设备、信息设备的体积和重量都 在不断地缩减。近年来,以移动电话和笔记本电脑为主的各种便携式装置的需求量在成 · ##) · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 倍增长,更加要求电子系统体积小、重量轻、具有可移动性和能够模块化。在这些装置中, 电源部分是影响体积重量的主要因素。这是因为电源内部存在磁性元件,包括变压器和 电感器。由于要满足一定功率容量的要求,不可能像电阻、电容那样大幅度减小体积和重 量。但是,电源技术也在不断发展,工作频率的大幅度提高使磁性元件的体积大大缩小, 可以实现变压器、电感器的微型化。近年来,微型变压器在计算机、通信、航空航天领域大 量出现。目前,国内外已出现了平面变压器、集成变压器和采用微制造工艺的芯片形式的 微型变压器。 ! " 微型变压器的特点和种类 微型变压器依然是利用电磁感应原理将电能在两个电路之间传递,其基本结构与常 规变压器一样,由磁芯和绕组构成。微型变压器和常规变压器最主要的区别在于磁芯的 尺寸、形状和绕组的结构。微型变压器与常规变压器相比,磁芯尺寸大幅度缩小,截面积 与高度的比值更大。微型变压器的绕组由叠式铜箔、印制电路板上的印制铜线条或直接 沉积于磁性薄膜上的铜线条构成。而传统变压器的绕组用漆包线或多股绞合线绕制。微 型变压器具有功率密度高、效率高、漏感低、散热性好、成本低等优点。 目前,微型变压器主要可分为三类:第一类是以铁氧体为磁芯,折叠铜箔或印制线路 为绕组的平面变压器;第二类是采用溅射或化学沉积等微制造技术制作的薄膜变压器;第 三类是其他类型的微型变压器,包括铁氧体粉末制成的集成变压器和非晶带叠合成碳芯 的参数振荡变压器等。 # " 铁氧体平面变压器 铁氧体平面变压器是目前技术最成熟、应用最广泛的微型变压器。它采用高频损耗 低的平面铁氧体磁芯,绕组采用印制铜线条的多层印制板或折叠铜箔代替漆包线及骨架。 $%&’() *+(’,-.+/0+ 公司的平面变压器具有此类变压器的典型特点。变压器由精确 的铜、引线框或一个(或几个)平面铜螺旋线,刻蚀在薄绝缘材料板上。螺旋线和引线框叠 在扁平的高频铁氧体磁芯上形成变压器磁路。磁芯材料用小直径颗粒的树脂胶合以降低 损耗。螺旋线或引线框叠层内的高温绝缘体可确保绕组间的高度隔离。 这些平面变压器用大约一半的尺寸和重量就能提供与常规变压器相同的功率。在开 关频率为 122345 时,效率可达 678 。在高频状态下,由于集肤效应,电流在圆柱形导线 内沿着导线表面附近区域流动,使铜导线没有被有效地利用。在平面变压器中,绕组实际 上是 2 " !9// 敷铜板上的扁平铜线条。在扁平铜线条中,虽然有集肤效应,但电流是流过 整个导体截面的,导体利用率高。具有扁平绕组的平面变压器与常规线绕变压器相比,尺 · !!: · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 寸小,效率高。 !"#$#%& 公司以其平面磁芯技术,生产集成电感元件(!’)系列,采用小型单件模压铁氧体 磁芯,磁芯上刻有 ( ) *+,, 的细槽,用于将铜引线框架插入磁芯。引线框架上的 -( 根引线, 每根从磁芯上细槽的一端穿到另一端并弯折成标准的欧翼形状,构成电感绕组的半匝。印 制电路板上的铜连线则完成另外的半匝。使电感元件也可以用高速自动装配机装配。 上述公司制作的平面变压器,印制线条不可能做得很厚,限制了绕组的最大电流,变 压器设计功率一般比较小,多用于开关电源中的小功率变压隔离器。 目前,模块电源中常用低压大电流输出,一般功率在 -../ 以上。绕组匝数不多,要 求通过的电流较大,往往在 -.0 以上。因此,要求绕组副边铜导线截面积很大,一般采用 铜箔作为绕组。一种是圆环式,利用印制板工艺制作多层绕组,如匝数为 1 的绕组,实际 上由三个双面 !’2 组成,双面板每一面上的线匝经明孔或暗孔以串联连接。每层导体都 有向外伸出的连接片,相邻的双面板靠连接片上的焊孔相连。但是,连接点不仅给制作带 来难度,同时也影响可靠性。 另一种是新的折叠式绕组设计。由于相邻环形导体中心连线之间有一定的夹角 3, 每一环形导体所形成的匝数实际上只有(-—"4 51(6),最大数值为 + 4 1("7 1(6)。这种方 案使线圈匝数在磁芯窗口高度受到限制时比前一种方案应用得更多,缺点是相邻折叠线 不平行,交错布置初级和次绕组以减小漏感和高频损耗不是很方便。 8$39 :;3<&=>;,?; :?@"<>$>AB 公司在其变压器和电感器中采用了一种独特的磁芯配 置结构,能在优化磁性能的同时,缩小元件的物理尺寸。常规变压器采用的方法是在单个 磁芯上做上多匝绕组,8: : 公司则是在多个磁芯上用单匝(或匝数很少)的初级绕组,采 用一种模块式方案,如图 5 C - 所示。一个 8: D C -EFE0 C -2 模块采用两个铁氧体磁芯, 同时有顶板、底板和一个延伸部分,以便连接整流器,如图 5 C E 所示。次级绕组是粘接到 矩形铁氧体磁芯内表面的一对铜片,沿着 -G(6的螺旋式通路绕成。每个磁芯相对的各端 就是同一绕组的各端,热传递只在铁氧体磁芯的薄壁内进行。初级绕组不用模块设计,而 是由用户自己决定其导线数量。根据对电源设计的要求,可以组合任何数量的模块,并调 整初级绕组的绕线数量,以求得预期的匝数比和电流量。这种配置可以得到很高的功率 密度,输出电流很大,单个模块可达到 5(0,每个模块的功率可达 -(( H -E(/。 5 ) 采用微制造技术的薄膜变压器 在各类微型变压器中,采用真空溅射、化学沉积等方法制成的变压器,体积最小,只有 几个毫米见方,- H E,, 厚,使变压器达到了 D’ 水平,是真正的平面变压器。这类磁性元 件的研究在日本和美国已经取得了很大成果,近年来发表了许多关于其性能及各种应用 · --I · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # 常规变压器与 $% % 变压器的原理比较 图 ! " & $$% 变压器结构 的报道。 日本有人研制了 $’()*( 非晶态磁性薄膜电感器。它是一种通过绝缘膜将串联且相 互反绕的长方形螺旋线圈的上下两面与软磁性薄膜叠合的平面多层结构。在硅基板上采 用烧结体靶的直流磁控溅射方法形成 $’()*( 磁性薄膜,再通过铝氮化反应,形成 +,-. 绝缘膜和 $’()*( 膜相叠合的多层磁性薄膜。铜线圈采用 /&012 3 (4012 和添加剂,用电 镀液通过电解电镀法形成。下磁性薄膜与上磁性薄膜的绝缘是用硅氮化反应性直流磁控 溅射方法形成的一层 5!6 的 07-. 薄膜。线圈间隙及与上磁性薄膜的绝缘物充填,通过 聚酰亚胺旋转涂敷 3 焙烘的方法完成。 这种电感器的频率在兆赫级上,安装在几瓦级输出功率的变换器上,性能十分良好。 与其配置的电源厚度为 &66,体积为 8 9 5:!,最大输出功率为 !;,输出功率为 # 9 5; 时的 效率约为 <8=。 · ##5 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 以上是利用磁控溅射法制作的电感器。日本还有人研制了用离子束溅射法制作的变 压器。这种集成式微型开关变压器,应用干法技术在基片上直接制成。基片是含有 !"!# 厚的 $%&’ 层的 ’ 英寸硅蚀刻出磁层。再用离子束溅射法连续沉积 () 和 *+。利用 *+ 作 掩膜,用氮离子束刻蚀 () 图形。然后,采用偏压溅射法沉积一层表面平整的中间绝缘 膜,上、下层 () 图形的连接孔用离子束刻蚀形成。 制成的变压器厚度约为 " , -##,面积约为 - . /##’。变压器线圈能产生 --01 2 ##’ 的电感。这种平面微型变压器适用于 3 4 /"516 高频范围工作的开关变换器。但由于此 变压器的磁感低,故变换器效率也低。为获得较高的效率,则要求微型变压器具有较高的 磁感。 7+8 98:0; <+=> 等人利用低温电镀法制造了集成磁性器件,在微制造领域取得了更 有价值的成果。微制造技术用于实现电感器和变压器与多芯片封装的一体化,可以将磁 性元件和芯片、传感器及其他元件紧密集成。所有工序都在低温下进行。在硅晶片上用 电子束蒸镀法沉积一层由 ’""? 铬、!3""? 铜和 /""? 铬组成的网状导引层。电镀下层导 体后,在导引层上沉积一层 !3!# 厚的抗光层,形成 !’## . /## 的形模。然后,用电镀 法沉积磁性材料,形成的磁芯有两种:<8=#+@@:(A B"C 镍一 ’"C 铁)和 &=DE:0:(@ 3"C 镍— 3"C 铁),再电镀上、下层导体的连接部分和上层导体,最后去掉聚酰亚胺和网状导引层。 由于不同的铁芯性能,尺寸为 /## . ! , "## . " , !-## 和 -" 匝多层铜线圈(/"!# 厚)的集成 <8=#+@@:A 和 &=DE:0:@ 铁芯(!3!# 厚)电感表现出不同的性能。<8=#+@@:A 铁芯 电感比 &=DE:0:@ 铁芯电感有略高的电感量,但直流饱和电流低很多。对于 /## . /## . " , !/3## 和 !3F 匝多层电镀铜线圈(/"!# 厚)和电镀 <8=#+@@:A 磁芯(-3!# 厚)制成的电 感器,没有气隙的电感量稍高(大约 ! , 3!1),但是有气隙电感的饱和电流高得多(!B" 4 ’3"#?)。这些器件的饱和电流容量大(稳态直流达到 -?),适合于小功率变换。 目前,这类微型变压器的功率不高,一般不到 !"G,实用性不大。但其尺寸的超小型 和制造技术的先进性,决定了这类变压器有广阔的应用前景。随着电子技术的发展,采用 微制造技术的变压器将成为微型变压器的发展趋势。 / , 铁氧体粉末和非晶集成变压器 除了上述两种微型变压器外,还有一种利用先进的微粉技术、线圈制版技术、加入聚 合物粘结剂的铁氧体的丝网印刷技术制成的集成变压器的电感器。用于磁芯的磁性复合 材料由 H%—I0 或 50—I0 铁氧体磁粉颗粒与高分子聚合物组成,混合好的铁氧体复合材 料用丝网印刷在基片上。在此复合材料上面电子溅射蒸发上电极导线的铜,再刻蚀导线 图形,然后再丝网印刷一层铁氧体复合剂。另一种工艺是先做出双层螺旋线圈,再在中心 · !!F · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 处用丝网印刷法填人铁氧体复合材料。复合材料的电导率很低,适合作高频磁性器件,涡 流损耗可被忽略。 另有一种利用非晶态材制作的参数振荡变压器。由非晶态磁性材料用电火花切割, 将 ! 片叠装组成 "## $ !## 变压器,线圈用聚酯漆包线绕制。这种参数振荡平面变压器 具有优良的稳压特性、过载保护功能和噪声滤波性能。该变压器在激磁频率为 !%%&’( 时,电压调整率为 % ) *+, ,表现出较高的水平。但目前该变压器的输出功率小,效率较 低。 发展微型变压器是为了满足当今电子、信息技术的需求,变压器的微型化是变压器技 术发展的必然趋势。就目前来看,以铁氧体为磁芯的平面变压器体积小、功率密度大,是 微型变压器的主流。以微制造技术制作的微型变压器正处于研制阶段,还不能在实际中 推广应用。随着电子技术的飞速发展,铁氧体平面变压器仍将在较大功率的模块电源中 发挥主要作用,而微制造变压器将在功率电子领域得到广泛的应用。 第二节 新型扁平式变压器的设计原理及其应用 平面变压器(-./0 12/34562#72)技术已在许多方面实现了重要的突破。目前,国外的 许多电源产品中都开始采用平面变压器技术,如蓄电池充电电源、通信设备分布式电源及 89: 等。而国内的隔离开关变压器在材料、工艺等方面与国外先进国家有一定差距,阻 碍了开关电源开关高频的提升和效率的提高,使开关电源产品停留在一个较低的水平。 平面变压器技术将会为高频开关电源的设计和产品化提供有益的帮助。 传统变压器的绕组常常是绕在一个磁芯上,而且匝数较多。而平面变压器(单元)只 有一匝网状次级绕组,这一匝绕组也不同于传统的漆包线,而是将一片铜皮贴绕在多个同 样大小的冲压铁氧体磁芯表面上。所以,平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数,而且 平面变压器的输出电流可以通过并联进行扩充,以满足设计的要求,并且平面变压器原边 绕组的匝数通常也只有数匝,不仅有效降低了铜损和分布电容、电抗,而且为绕制带来了 很多便利。由于磁芯是用简单的冲压件组合而成的,性能的一致性大大提高,也为大批量 生产降低了成本。 运行在高频的常规变换变压器,存在着漏电感大、匝间电容量大、趋肤效应、邻近效应 严重、磁芯有局部过热点等问题。高频平板变压器能减小漏电感和匝间电容,能消除常规 变压器存在的磁芯局部过热点,能使趋肤效应、邻近效应得以改善。它具有很高的功率密 度、很高的效率、很低的电磁干扰和简易价廉等优点。 · ;;" · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 一、新型扁平式变压器的设计原理 !采用模块式结构设计。单个扁平式变压器在结构上不同于普通变压器,它包含两 个环氧涂层的方形铁氧体磁芯。一般变压器的磁芯是成对使用的,每个磁芯内有两根螺 旋线圈,被焊接在内部表层。两个方形磁芯连接在一起,形成了一个中心开孔的扁平变压 器,并带有单匝推挽式次级线圈。在通常情况下,扁平式变压器要配电感器使用,两个变 压器磁芯加一个电感磁芯而构成一个变压器一电感组件。而用多个扁平变压器组件构成 一个扁平式的矩阵变压器组件,应用在电源中。设计这种结构可以解决普通变压器中单 个散热点问题,并且在高频环境下,可以满足大电流密度工作。 "初级线圈匝数少、低漏感设计。漏感与漏磁通有关,简言之,即与一个线圈的磁耦 合密切相关。正如电感一样,漏感与线圈匝数的平方成正比。漏感随耦合的提高而减小, 减少线圈匝数可降低漏感。扁平式变压器的初级线圈在次级线圈内,匝数少,耦合好。所 以,变压器内的电感相对也减少了,漏感也随之降低。 #散热设计。大多数电源工作时发热,主要是由变压器的铁芯损耗和线圈损耗造成 的。铁芯损耗跟磁芯体积、磁通密度和频率有关。扁平式变压器的磁芯是无隙方形磁芯。 该磁芯有一层绝缘用的极薄的涂覆层。所以,没有边缘通量,磁通路径的阻力减小了。绕 制线圈平而宽,平行于磁通路经。磁芯外的热路径有两条:一条是完全通过磁芯厚度,其 厚度很薄;另外一条沿次级铜导体的长度方向,是一个优良的导热体。磁芯与次级铜导体 焊接在一起。所以,热通路可以配合磁芯损耗和线圈损耗一起排除热量。从初级线圈到 次级线圈的热路径非常短,而且在线圈内没有过多的绕制匝数来阻碍热量排散。 $高频特性设计。近几年来,由于 !" # !" 电源的工作频率越来越高,这使得很多磁 性元件和滤波电容越来越小,瞬态反应得以提高。元器件越小价格越低,并且还可提高电 源密度及缩小外形。一般来说,高频工作的结果会使开关损耗增大,变压器过热。但是, 扁平式的变压器技术解决了这一问题,并通过一个经济实用和标准的模块化方法达到变 压器的高频特性。 二、扁平式变压器内部结构及其电感的测量和计算方法 扁平式变压器由若干个铁氧磁芯做成。两个磁芯做变压器,$ 个磁芯做电感。% 个磁 芯构成 $ 个变压器 # 电感模块。许多模块可以连接在一起组成平板方阵变压器。采用这 种结构的扁平式变压器能解决变压器工作在高频时,其磁芯中部的局部过热点问题。 $ 只变压器模块包含 & 只铁氧体磁芯。变压器模块由 $ 副正方形铁氧磁芯组装而 · $$’ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 成,! 只铁氧磁芯用环氧树脂粘接在一起,如图 " # !($)所示。% 副绕组镶人每个磁芯内 部,粘接在磁芯内表面和输出端的拐角处,如图 " # !(&)所示。当绕组通过磁芯后,接着 旋转 %’()往回绕。所以,每一绕组的“始端”和“末端”都在磁芯的对向角落上。% 只相近 尺寸的电感加在模块内部变压器部分的中心抽头上。其突出的焊片接滤波电容器。 变压器副边绕组的端子直接和共阴极肖特基整流器 *+ # !!’ 连接。这样可以节省 用户在变压器副边绕组上进行抽头等组装工作量。加上肖特基整流器导通时的正向压降 很低,所以整个电路的效率可做得很高。穿过变压器的原边绕组是后来加上的。变压器 的等效变换率由模块数 ! , 和原边绕组匝数 ! - 的乘积和 % 的比率来决定,即变换率是 ( ! , . ! -)/ %。高的变换率可以通过增加原边绕组匝数或增加模块数来获得。 扁平式变压器可以使电源模块化,它应用在分布式电源中,其特点是其他变压器无法 与之相比。在市场上,它是大家公认的最小外形和允许用于最高电流密度的一种变压器。 模块内部电路的原理图如图 " # " 所示。在图中,电感接在变压器次级绕组的中心抽 头和输出端之间,这样安排是为了节省组装的工作量。 图 " # " 模块内部电路的原理图 每一模块漏感的最大值仅为 012。漏感测量是用 3 块磁环(其整流器的输出端被铜 条短接)、原边绕组为 " 匝的模块进行测量。这时测得的漏感是 ( 4 %’!2。变压器原边电 感等于 % 只模块的漏感和模块数及原边匝数平方的乘积。它的数学表达式为: 5- 6 5789 . :, . :!- (" # %) 式中:" ;———变压器原边电感; " 789———% 匝穿过 % 个模块的漏感; ! ,———模块数; ! -———原边匝数。 公式(" # %)给出的原边电感是当副边开路时测得得的电感,而给出的漏感是当副边 短路时测的电感。 对于 3 块具有 " 匝原边绕组的半桥扁平式变压器,其变换比是 < / %,代人上面数据可 得:%’!2 6 " 789 . 3 . <。因此,% 个模块(! 只方块磁芯)的漏感是 " 789 6 ( 4 %’!2(= 3 . <) · %%< · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! "#$%& ’ () ! (%&。 对于具有 * 匝原边绕组的 ) 个模块,其漏感可用公式(+ , ")进行计算: ! -./0 ! ! 123 4 " . 4 "(*5 输出端应短路)! ( 4 ) 4 ** ! #($ %&) 因为它原边的匝数很少,所以它的邻近效应是最小的。 磁路设计人员所关心的变压器磁芯(双磁芯组合)尺寸如下: , 磁芯面积:$ 6 7#81*; 磁路长度:* 6 #81; 磁芯体积:* 6 $81+。 模块(双磁芯组合)中变压器单元电感的技术条件是:每一模块每一正方形匝的电感 最小值为 "$ 6 $!&,漏感最大值为 (%&。滤波电感单元和变压器单元大小相似,也是 + 匝。 允许通过电流的大小通常由外接整流器电流的额定值来决定。在其额定值为 +$9 时,滤 波电感技术条件规定其电感最小值是 *!&。 " 6 扁平式变压器原边绕组的图样和模块选择步骤 扁平式变压器原边绕组的图样如图 + , (( 匝比 ( : ")、图 + , () 匝比 # : ")所示。 图 + , ( 两磁芯模块 ;<= ’ ><= , ?@*9 , "A ’ *A ’ +A( 比 ( : ") · "*$ · 图 + , ) 四磁芯模块 ;<= ’ ><= , ?@(9 , "A ’ *A ’ +A( 比 # : ") www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !"# 模块选择步骤如下: !决定功率等级、输出电压和电流。例如:功率为 $%&’,输出电压为 %(,输出电流 为 )%&*。 "决定要求的匝比,例如,+ , )。 #选择模块类型,即由输出电压决定选 !" # - )./.* - // 或 !" # - )./0* - //。输 出电压在 & 1 )%( 之间时,用 !" # - )./.* 系列(.2345 磁芯);输出电压在 )6 1 7&( 之间 时,用 !" # - )./0* 系列(02345 磁芯)。对于更高电压,可按此比例增加磁芯数。如,输 出电压高到 0%(,就需用 6 磁芯模块;而对于 6&( 输出电压,就需用 + 磁芯模块。 $按照功率等级和匝比来选定所需的模块数。例如,功率为 6&&’,匝比 8 9 + , ),输 出电压 ! : 9 %(,输出电流 " : 9 )%&*,需选 !" # - )./.* - ); 或 !" # - )./.* - %; 的 % 个模块。 %按照下面的公式计算原边绕组匝数: #< $9 % (7 - .) 式中:# ———模块数; $ ———穿过模块的原边绕组匝数。 在本例中,# 9 %,匝比 % 9 )&。因此,$ 9 )& = % 9 . 匝。 &由原边绕组电流来计算和选定导线尺寸。对平板变压器来说,)* 电流只需大约 & > &.%44. 的导线就可以了(对常规变压器来说,)* 电流需 & > .%44. 的导线)。当然,导 线尺寸选大一点儿,可减小铜耗,使变压器效率高一点儿。在本例中,功率为 $%&’,输出 电压为 %(,采用半桥电路结构,匝比 % 9 )& , ),加到变压器上的交流输入电压近似为 )%&(。通过原边绕组的电流是 $%& = )%& 9 %*,用 ) > .%44. 导线就可以了。 ’选择合适的绝缘导线。电气绝缘推荐采用聚四氟乙烯外皮的导线或三重绝缘导 线。!"# 系列模块的原边和副边绕组之间垫有聚四氟乙烯衬垫。采用聚四氟乙烯外皮的 导线和在原边和副边绕组之间垫上聚四氟乙烯衬垫就能使其击穿电压超出 0&&&&(。 . > 扁平式变压器的编号含义 扁平式变压器的两种编号及其所表示的内容如下。 ())!" # - ). < .* - )* - ? !" #———变压器和电感; ).———模块高度(44); .———磁芯号; *———磁芯类型; · ).) · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !———零件号; "———革新号; #———可选预置连接整流器。 ($)%& ’ ( !$ ) $" ( !" ( * ( + ( , # %& ’———完整的变压器和电感; !$———变压器高度(--); $———每个零件的磁芯号; "———磁芯类型; !———零件号; "———革新号; *———匝比 * . !; +———辅助绕组; , #———可选连接整流器( , ———电流定额)。 现说明如下: !在 %& ’ 系列中,如需要中心抽头,可选匝比一项中有“%”字的。例如,/% 0 / 1 / 表 示匝比为 / . ! 的中心抽头。 "在 %& ’ 系列中,变压器的原副边绕组和电感都按标准做在模块中。而 2& ’ 系列变 压器的原边绕组没有安装。使用时,用户可按所需的匝比自行绕制。因为原边绕组是标 准的,而且匝数又非常地少,所以绕制原边绕组的方法是非常简单的。原边绕组要穿过所 有模块,并用足够的匝数去获得所需的匝比。 通过上述计算和分析可得出高频扁平式变压器的特点: !电流分布均匀。典型的扁平式变压器副边绕组有若干个并联的线圈。每一个副边 绕组都和同一个原边绕组相耦合。所以,副边绕组电流产生的安匝数和原边绕组产生的 安匝数相等(忽略励磁电流)。这种特性对并联整流电路特别有用。绕组电流分配均等, 在并联整流电路中就不需要均流电阻或加其他元件。 "很高的电流密度。扁平式变压器的设计结合了优越的热特性,由于这一特性,在封 装体积很小的情况下仍可以达到非常高的电流密度(为 +3" 4 --$)。 #高效率。典型的变压器对于次级和初级线圈,都设计为匝数极少,这样线圈损耗较 少。通过调节漏电感,使它能具有很少的开关时间和很低的交叉损耗而降低漏损,可获得 非常高的效率,可达 556 。 $漏感低。线圈间耦合极好,线圈匝数很少,就能使绕组匝间的漏电感保持在最小 值。输出端到辅助部件的连线很短而且是紧装配,既短又很紧。所以,绕组相互之间连线 · !$$ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 上的漏电感也是最小的。漏感值为 ! "# "$( ! 表示匝数)。 !极好的高频特性。在这之前,当变压器运行在高频时会使开关损耗增大和使变压 器过热。而扁平式变压器技术克服了这一难点,可以工作在频率为 %&&’$( ) #*$( 之 间,并且提供一个实用的模式,解决了高频变压器的设计问题。 "功率密度高。由于扁平式变压器尺寸小,并具有极好的散热特性,它可以和电感及 一些相关的半导体元器件紧密封装在一起,从而产生非常高的功率密度。它的电流密度 可做到 +& 安 , 模块。 #低成本。节省和它连接的部件成本。由于它的漏电感很小,开关损耗很低,加在和 它相连接部件上的应力减少。因此,和它连接的部件能使用成本较低的低功率定额的部 件。整个变压器是由少量有关的廉价元件组成,加上设计简易,组装又很方便,所以变压 器的成本是很低的。 $热耗散小。扁平式变压器组件中的元件体积小,但表面体积比高,导热路径很短。 特别是初级线圈和次级线圈的匝数少,特制的磁芯形状使磁芯损耗降低。此外,优越的散 热特性有利于获得更高的磁通密度。具有高表面积体积比、很短的热通道的小元件,有利 于散热。原边和副边绕组之间的匝间损耗很小。这种磁芯特有的几何外形能有效地减小 磁芯损耗。所以,它能做到高磁通密度。它可在 - !&. ) %+&.之间工作。 %结构简单。平板变压器是由少量部件和最少的绕组构成的,这种模块在自动化装 配中特别适用。扁平式变压器中的磁芯很小并能够放置在扁平的表面上。扁平式变压器 外形尺寸范围为 / ) #011(仅指厚度)。 &隔离好。扁平式变压器很容易根据所需要的厚度和绝缘层数进行绝缘。初、次级 间隔电压达 !&&&&2。绝缘强度高。平板变压器很容易按要求的绝缘层数、厚度进行绝 缘,能按 客 户 对 漏 电 距 离 的 要 求 进 行 介 电 绝 缘。原 边 和 副 边 绕 组 之 间 的 耐 压 大 于 !&&&&2。 扁平式变压器技术为 34 , 34 电源提供了一个解决功率密度和散热问题的最佳方 案。在同样的电路中,采用扁平式变压器的电源密度可以超越任何采用普通变压器的电 源密度,这一点是毋庸置疑的,而且是普通变压器无法替代的。另外,扁平式变压器的主 要磁性元件和线圈是经过优化并密封在完整的组装件内,所以设计者不必担心其布局。 凭借着初级线圈匝数少的优点,基本上消除了邻近效应。线圈空间不再是个问题,也不会 产生隔离问题,磁性耦合不会受影响。组件间的散热极好。 · %#+ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 三、扁平式变压器的应用 扁平式变压器的使用主要有以下三个原则: !根据输出电压的大小来选用相应型号的扁平式变压器; "根据输出电流的大小来确定并联的扁平式变压器个数; #根据输入输出电压的大小来确定变比及原边绕组的匝数。 例如,开关电源输出电压为 !",输出电流为 #!$%。选用 !" 系列的扁平式变压器 &’ ( ) #* + *% ) ,,。如果用 &’ ( ) #* + *% ) #%,就需要 ! 个并联;如果用 &’ ( ) #* + *% ) !%(实际就是由 ! 个 &’ ( ) #* + *% ) #% 并联构成),只需要 # 个。此外,实际应用中还 需要知道扁平式变压器的变比和原边线圈的匝数。变比可用下面公式进行计算: 变比 - ! + " + # (. ) .) 式中:! 是系数。当扁平式变压器的输出是通过中心抽头时,! - $ / !;扁平式变压 器无中心抽头时,! - #。 " 是并联的扁平式变压器单元个数;# 扁平式变压器原边匝 数。 在开关电源中采用扁平式变压器后,开关频率为 .$$012,转换效率大于 3!4 ,整个 装置的体积和重量也大大降低。扁平式变压器已标准化、系列化、产品化,性能一致性好, 使用非常方便。扁平式变压器改变了传统的开关变换器中隔离开关变压器的设计思路, 为设计人员提供了更方便、更优良的选择。 # / 新型扁平式变压器的应用 新型扁平式变压器适用于半桥、全桥、谐振式及推挽式 56 7 56 开关电源,特别是应 用于 .$$ 8 *$$$9 的开关电源中。下 面 举 一 个 实 例 说 明。一 个 输 出 电 压 #!$",功 率 :!$9 的半桥式 56 7 56 开关电源。采用了多个磁芯的扁平式变压器组件。配有整流器 的整个组件装在“活动”的散热片上,该散热片既可以接负输出端,又可接整流器的阴极 端。每个磁芯里有尺寸匹配的电感器,每个电感器连接在变压器中心孔的次级线圈上。 电感器的另一边为整个组件的顶板共用,并提供一个方便操作的负输出端。同时,组件上 还配以电容器。变压器的匝比计算公式如下; 匝比 -( " + #); # 式中:" ———对准中心孔排列的变压器磁芯数; #———通过所有磁芯的初级线圈数。 由此,我们可以得出上述的电源匝比 - #$ ; #。同时,也可知道使用了 ! 个扁平式变压 · #*< · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 器,初级线圈为 ! 匝。值得注意的是,用户可根据对电源设计的要求,可以组合任何数量 的模块,并调整初级绕组的绕组数量以求得预期的匝数比和电流量。 ! " 扁平式变压器的应用领域 扁平式变压器是一种新开发的高技术铁氧体电感元件,问世尚不到 #$ 年。据报道, 它于 #%%& 年首先在通信方面得到有价值的应用,目前已应用到笔记本电脑、汽车电子、数 码相机、数字化电视等方面。扁平式变压器的生产品种,已涉及到常规的铁氧体磁芯变压 器(用插针)的各个方面,如功率变压器、宽带变压器和阻抗匹配变换器等。扁平式变压器 适合表面贴装,对电子产品实现轻、薄、小型化将起关键作用。 在电子设备的电源部分中,变压器常占据很大的体积。采用铁氧体磁芯的开关电源 变压器后,体积、重量已大大减小。但最近通信设备和网络设备使用的模块式电源,对变 压器提出更严格的要求,如小尺寸、占空高度小于 #$’’、高的输出电流、低的输出电压、 最小的电磁辐射以及良好的机械结构稳定性等,采用扁平式变压器是最好的解决途径。 这种扁平式变压器采用小尺寸的 () 型铁氧体磁芯,选用高频功率铁氧体材料制成,在 *$$ + ,$$-./ 高频下有低的磁芯损耗。在绕组结构方面,由于高频集肤效应影响和要求 通过大电流(如 #! + !$0),普通的绕线技术已不能适应。新设计的绕组采用多层印刷电 路板叠合而成。这种设计有低的直流铜阻,低的漏感和分布电容,可满足准谐振电路的设 计要求;而且由于 () 型磁芯良好的磁屏蔽,可获得抑制射频干扰的良好效果。采用上 述扁平式变压器制成的 * + 1$2 功率范围的直流一直流变换器,已应用于电信系统插卡 式板上电源。 总之,随着电子信息技术的发展,小型化、扁平式化的电感铁氧体元件将更加引起人 们应用的兴趣。目前,薄膜型变压器也正在开发。相信在某些高技术领域,扁平式变压器 将很快取代传统变压器,并逐步实现规模化生产。 第三节 超微晶开关电源变压器的设计 本节结合超微晶软磁合金的性能特点,介绍了 1$-./、# " *-2 的超微晶开关电源变 压器主要性能参数的选择和设计方法,给出了该开关电源变压器的主要设计公式和计算 结果。 · #!* · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 一、变压器的性能指标及电路形式 电路形式为全桥式变换器;工作频率 ! 为 !"#$%;变换器输入电压 " & 为 ’()!*+;变 换器输出电压 " , 为 ’()-""+;变换器输出电流 #。为 " . */;整流电路采用桥式整流;占 空比为 01 2 3"1 ;耐压为 ’( 0)#+;温升为 4 *"5;工作环境条件为 6 **5 2 4 0)*5。 0 . 变压器磁芯的选择 开关变压器磁芯的选择包括磁芯材料和磁芯结构两方面。全桥式开关变压器磁芯工 作在整个磁滞回线区间,要求磁芯材料具有高饱和磁感应强度( $7),最大限度地提高磁 芯的工作磁感应强度( $ 8),减小变压器体积。变压器磁芯的有效截面积( %9)和磁感( $) 有如下关系: 式中:& ———为电压; & : ’ ! $! (! %9·) (;—<) ’ ————与电压有关的波形系数; $ ————磁感应强度; % 9———磁芯的有效截面积; ) ———线圈匝数。 较低的矫顽力( *9)有利于改善变压器的输出波形,降低磁芯的高频激磁损耗。较低 的高频比损耗( +=)对提高变压器的绝缘可靠性、降低温升、提高效率以及减小体积均是 至关重要的。当变压器工作频率确定后,磁芯比损耗与材料、工作磁感的关系见下式: += : ,! $8! ! > (;—*) 式中:, ———损耗系数; $ ———工作磁感应强度; ! ———工作频率; - 、.———与材料有关的系数。 目前,常用于功率型高频开关变压器的磁芯材料仅有铁氧体、非晶态合金、坡莫合金、 超微晶软磁合金(简称超微晶合金)等几种,其主要磁性能特性见表 ; 6 0。 · 0)! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 表 ! " # 常用高频磁性材料的主要磁性能 材料 饱和磁感应 矫顽力 居里温度 强度( $) (% & & ’ " #) (() 比损耗()*+,-, 工作频率 * & .$ / 0 & +1 " #) (+,-) 工作温度 (() 超微晶合金 #&) * & 23 4 # & ) ). #.* #.* 钴基非晶态! *&3 #&) !2* )* #** #)* 坡莫合金" *&5 # & 66 23* !* .* )** 78 " 98 铁氧体# *&2 5&) #)* !** 5* 注:!钴基非晶态牌号为 #:)*!;"坡莫合金牌号为 #;3. " #;# 78 " 98 铁氧体牌号为 <#*:。 表中数据表明,钻基非晶态、超微晶合金具有更为优异的综合电磁性能,是目前用于 高性能高频变压器磁芯的首选材料。但钴基非晶态价格昂贵,热处理工艺复杂,在高温条 件下磁性能会下降,不能满足本变压器的工作条件。因此,选择价格低廉、饱和磁感高、温 度稳定好以及高频比损耗相对较高的超微晶合金,有利于实现器件的性能指标,并可望在 提高磁芯的工作磁感应强度( ! ’)的基础上,减小变压器的体积、重量,满足机载、舰载、卫 星等产品对环境的使用要求,提高变压器的可靠性。 开关电源变压器磁芯有多种结构可供选择。其结构选择取决于变压器的工作体制、 磁芯材料、工作频率、输出功率、绝缘耐压及使用环境等因素。使用超微晶合金,磁芯可设 计成环型或矩形结构。在相同使用条件下,环型磁芯损耗低,磁场分布均匀。如果线圈绕 制方法得当,分布参数容易控制。但环型磁芯的绝缘系统设计复杂,降低了变压器的可靠 性。矩形磁芯输出功率大,线圈穿绕方便,分布参数影响小,磁芯窗口利用率高,散热性 好,系统绝缘可靠。在本设计中,选择矩形磁芯可以满足变压器的设计要求。 ) & 变压器的设计 (#)变压器的计算功率 开关电源变压器工作时对磁芯所需的功率容量即为开关电源变压器的计算功率,其 大小取决于变压器的输出功率和整流电路形式。当全桥式变换器的输出电路为桥式整流 时,其计算功率的公式为: 式中:" ?———变压器负载功率; "= > "?·(# @ # /!) (! " A) · #)5 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" !———变压器输出效率。 工作磁感应强度是开关电源变压器设计中的一个重要指标,与磁芯结构形式、材料性 能、工作频率及输出功率的因素有关。若工作磁感应强度低,则变压器体积重量增加,绕 线圈数增加,分布参数性能恶化;若工作磁感应强度高,则变压器温升高,磁芯易饱和,工 作状态不稳定。根据超微晶合金的电磁特性,在工作频率为 !"#$% 的条件下,全桥式开 关电源变压器的最大工作磁感 ! & 定在 " ’ ( ) " ’ !* 为宜,经过特别处理的磁芯 ! & 可达 " ’ +* 以上。在本设计中,考虑到变压器的使用场合、输出功率、耐压绝缘等因素的影响, 将磁芯的工作磁感应强度( ! &)选在 " ’ ,* 为宜。 (,)设计输出能力的确定 磁芯的材料确定后,磁芯面积的乘积反映了变压器输出功率的能力。其磁芯面积乘 积为: "- . "/ "& 式中:" -———磁芯截面积乘积,单位为 /&3; " /———磁芯截面积,单位为 /&,; " &———磁芯窗口截面积,单位为 /&,。 " - .( 3! ! # 4!5"3 &! $ ! % 6! )5 ’ 78 5! 式中:" -———磁芯截面积乘积,单位为 /&3 & 4———变压器计算功率,单位为 9; (0 1 2) (0 1 +) ! &———工作磁感应强度,单位为 *; $ ———工作频率,单位为 $%; % 6———窗口占空系数; % 8———电流密度系数(温升为 (":时,矩形磁芯的 % 8 取 3!+)。 因此,在磁芯工作状态确定后,选择的磁芯结构参数应接近 " - 值。磁芯截面积与磁 芯窗口截面积成反比关系。提高磁芯截面积,可减小变压器体积,降低铜耗,但制造难度 大,绝缘处 理复杂,变压器性能的一致性较差。提高窗口截面积,可降低制造难度,改善 散热性能,但线包匝数增加,分布参数性能恶化,随着工作频率的提高,其影响的程度也越 来越大,同时变压器的体积也相应增大。 (0)线包与绝缘 线包的设计要兼顾三个方面,即线包的电磁兼容性、线包绕制对分布参数的影响和线 包的绝缘处理。 在绕组中,初级选用多股圆铜线并绕,采用并联的线包结构,改善磁场的分布状况,减 · 5,+ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 小漏磁场对电磁环境的辐射影响。在保证对磁芯绝缘的条件下,最大可能地增加线圈的 排线宽度,减小绕组漏感,提高窗口的利用系数。次级采用分段绕制、串联相接的结构形 式,降低磁芯两腿间的电势差距,平衡和减小漏感及分布电容对变压器输出特性的影响。 整个线包构成一个梯形结构,见图 ! " #。绝缘系统选用了抗电强度高、介质损耗低的复 合纤维绝缘纸(如杜邦的 $%&’( 纸),以减少层间绝缘厚度,降低漏感。适当增加组间 绝缘层的厚度,用减小次级绝缘面积的方式降低分布电容,杜绝静电高压的产生。绝缘不 足部分用灌注环氧复合树脂绝缘的方法来补偿,保证线包层间绝缘和组间绝缘的可靠性, 同时也满足了变压器对整体绝缘的要求。 图 ! " # 变压器绕组结构 ! ) 变压器主要参数的计算 (*)初级绕组匝数 ! * + " ,*! # /! $ 0! -. % ·*2 1 " / 式中:! *———初级绕组匝数; $ 0———工作磁感应强度( 4); " ,*———初级输入电压幅值 0(5); % 1———磁芯截面积(10/); # -.———初级输入脉冲电压宽度(!6)。 (/)次级绕组匝数 7/ + 8,/ 8 ,* ! 7* 式中:! *———初级绕组匝数: ! /,! !,…,! 9———次级绕组匝数; " ,*———初级输入电压幅值(5); " ,/,…," ,9———次级输出电压幅值(5)。 (! " 3) (! " *2) · */3 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" (!)电流密度 !" " # # $ ) % & ’( * ’% $ + (! $ ’’) 式中:!———电流密度(, - ..+); # )———磁芯截面积乘积(/.()。 (()导线计算 绕组的导线根据变压器各绕组的工作电流( $# 力和电流密度( !)来确定: % .# " $ # - ! (! $ ’+) 式中:% .#———各绕组导线所需截面积。 若变压器的工作频率超过 +%012,需要考虑电流趋肤效应的影响,导线直径应小于两 倍的穿透深度。对于工作电流较大的初级绕组通常采用多线并绕的方法来处理。 二、主要参数的确定 ’ & 变压器输出功率 &3 " ’ 3 $ 3 " +4%% 5 % & 6 " ’(%(% 7) + & 变压器计算功率 &8 " & 3·(’ * ’ )" ! ’(%% 5(’ * %’& 4)" !’6(% 9) 效率! 为 4%:。 ! & 设计输出能力 # ) "((! ( & #!’%( .! ) ! " 9! " )’ & ; ’< "(( 5 % & + 5 !’6% 5 ’%( <% 5 ’%! 5 % & + 5 )’ & (<4 ’< " = & 6(> /.() 式中:由于占空比的变化较大,为便于工作点的自动调节等,( . 取得较低,为 % & +?, " # 取 (<4;" 9 取 % & + 是考虑到变压器的功率较大、耐压高。 磁芯选矩形超微晶磁芯,尺寸为 ’+.. 5 ’6.. 5 (4.. 5 +%..,其 # ) 值为: # ) " # / # . " *+,-. " % & <6 5 ’ & + 5 ’ & 6 5 +@( & 4 " ’’ & +(! /.() 计算表明磁芯的 # ) 值为 ’’ & +!,大于 = & 6>,满足设计输出的要求。 · ’!% · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 ###################################################### ! " 线圈计算 占空比:! # $% & ’(% ,取! # )) " *% 。 ! +, # $ - "·! # . " .!(!/)。忽略开关管压降, # 0$ # # 1, # *2(. 3),则 $ $ # # 0$! ! *! % 4! +, & 5 !$( 6 * # * 7 ( " * *2. 7 7 $"* . " .! 7 $". 7 ( " 2. 7 $( 6 * # !8 " $(2 匝) 取整数 $ $ # !(8 匝)。 $* # # # 0* 01 ! $ $ # !8 7 *9(( *2. # !’2 " (2 匝) 次级匝数:忽略开关管压降,# 0: # # + # *9((( 3),则取整数 $ * # !’(8 匝)。 . " 导线线径 ’ # ( 1 & 6 (" $!$( 6 * # !29 7 ’ " .8 6 (" $! 7 $( 6 * # ) " !($ ; - 44*) ($)初级绕组 )< # # 0* # 0$ 7 =+ # ( " . 7 *9(( *2. # . " *(9 ;) * 41 # )< ’ # . ) " " *9 !$ # $ " .(. 44*) 考虑高频传输的趋肤效应,导线的线径应小于两倍穿透深度( " # 2(>?: 时,穿透深度 " # ( " *2’944),选线径 + # ( " .44( + 4@A # ( " .244),截面积为 ( " $’244* 的圆铜线 9 根,分两组,每组 ! 根并绕,并接后即可满足设计要求。 (*)次级绕组 * 4* # )+ ’ # (". ) " !$ # ( " $!(8 44*) 次级绕组选线径 + # ( " !.44( + 4@A # ( " .$44),截面积为 ( " $.’44* 的圆铜线即可。 2 " 绕组厚度 ($)初级绕组 绕组的宽度上 , $ 取 !)44(磁芯腿长 !944),导线的排绕系数 ( 0 取 $ " (.,则; -$ # !! ,$ ( 0! + 4@A # ! 7 !) $ " (. 7 ( " .2 # $9 " () 匝 - 层) 取整数,每层可绕 $9 匝,!8 匝需绕 ) 层。 (*)次级绕组 · $)$ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 次级分两段绕制,端空和间隔均为 !""。每段绕组宽度 ! # 为 $%"",则: "$ & ’! ! # # (! $ ")* & $ ’ + $% , -% + - , %$ & $$(# 匝 . 层) 次级为 ’/0 匝,绕 % 层。 (1)绕组厚度 绕组厚度为初、次级线包的叠厚之和,导线的叠绕系数 # 2 为 $ , $%,则绕组的厚度(绝 缘层厚度不计时)& $ , $% +(1 + - , %! 3 % + - , %$)& ’ , 4!( "")。经计算绕组绝缘厚度为 $ , %"",两项之和小于磁芯窗宽的一半。 0 , 变压器温升的估算 根据磁芯的面积乘积、表面积系数、工作点损耗、变压器的输出功率以及绕组导线电 阻对变压器温升进行估算,其值小于 1/5,满足温升低于 %-5的指标要求。 利用超微晶合金磁芯设计的高频开关电源变压器,经环氧灌注绝缘后通过了变压器 性能指标检测和机载、舰载、卫星条件的环境试验,其工作效率达到 /-6 以上,且波形质 量优异,电性能参数稳定。 超微晶合金薄带是新型的软磁合金,电磁性能优异,价格低廉,环境适应能力强,在高 频电磁器件(特别是阵面雷达系统)中的电源变压器、激励变压器和电感等产品中具有广 阔的应用前景。在小于 $--789 的使用条件下,可以取代铁氧体、坡莫合金用于磁芯材 料。 第四节 电力电子高频磁技术及其发展趋势 一、 研究电力电子高频磁技术的意义 高频磁技术是电力电子技术中的重要内容。功率磁性元件是所有电力电子装置中必 不可少的关键器件。它担负着磁能的传递、储存以及滤波等功能,其体积和重量一般占到 整个电路的 #-6 : 1-6 ,损耗占总损耗的约 1-6 。而且磁件的各参数对电路的性能影响 很大,如变压器的漏感对电压尖峰的影响,变压器原、副绕组耦合电容对隔离性能的影响。 减小电力电子装置的体积和重量、提高电压调制性能的关键是提高开关工作频率。随着 有源开关器件及软开关技术的发展,开关损耗降低,频率提高。但是在高频下,功率磁技 · $1# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 术的发展却比较缓慢,已成为影响电力电子总体发展的一个制约因素。 电力电子高频磁技术是将电力电子技术与磁技术结合起来,并将传统工频磁技术的 研究和应用推向高频和特殊的磁结构。以电磁理论为基础,探讨磁件在高频下,在正弦、 方波或任意波形电压激励下,以及在与电力电子电路的结合上所产生的特殊问题,探讨磁 性元件的数学模型、电路模型、电磁场数值模型以及磁件的分析、实验和设计方法,并研究 和提出各种新型的磁结构形式。电力电子高频磁技术是电力电子学科与电气学科的前沿 交叉研究内容。当然,电力电子高频磁技术还包括高频磁性材料的研究和开发。 电力电子技术的发展对磁性元件提出了新的要求。现代电力电子技术向着高频化、 绿色化、集成制造、平面化以及高功率密度的方向发展,也对磁性元件提出了更高的要求。 磁性元件的高频化、集成化、平面化、阵列化、模块化及高效率已成为发展的必然趋势。随 着各种形式的磁性材料、磁性材料加工技术以及厚膜集成制造技术的发展,各种新结构的 磁性元件应运而生。这些都给磁性元件在理论分析、数学建模、优化设计、实验研究以及 实际应用上造成诸多问题。磁性元件的各项分布参数(如漏抗、分布电容、匝间电容等)及 高频损耗对磁性元件性能起了重要作用。对这些磁性元件,如何构造、如何分析、如何设 计、如何测试,目前都缺乏一套有效的理论指导与分析依据。传统的适合于工频磁性元件 或块状磁结构磁性元件的分析研究和设计方法已不能满足现代高频磁技术发展的需要。 磁性元件无论是在研究还是在应用上,都已成为电力电子前沿技术进一步发展的瓶颈。 可以说,高频磁技术研究的新成果和突破将会带动电力电子前沿应用的快速发展。 国际上十分重视高频磁技术的研究和应用。但是,高频磁技术目前在我国还没形成 一定的研究规模,电力电子领域的研究人员往往对磁技术研究不大深入。因此,在我国开 展高频磁技术的研究与应用,对我国电力电子技术的发展是十分重要的,必将推动我国电 力电子技术的进步。 随着 !" 世纪信息技术和电子产品数字化的发展,对软磁铁氧体和元件提出了新的要 求,如器件的小型化、片式化、高频化、高性能、低损耗等。在今后 "# 年内,重点要发展高 频低功耗、高磁导率材料和片式化的表面贴装软磁元件;在非晶软磁金属和磁记录材料方 面,发展纳米材料。 二、电力电子高频磁技术的发展趋势 磁性元件作为电力电子装置中的关键器件,与电力电子技术本身的发展和应用范围 的扩大是密切相关的。软磁铁氧体材料已经被广泛应用于民用、军用和工业领域,随着近 年来信息技术和新型绿色照明发展的要求,材料进一步向高频、高磁导率和低损耗方向发 · "$$ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 展。但同时,高频磁技术本身的发展和突破又反过来带动电力电子应用水平的进一步提 高和应用范围的扩大。可以说,目前高频磁技术在一定程度上已成为推动电力电子技术 进一步发展的动力。磁技术的发展趋势主要体现在以下几个方面。 ! " 向高频率发展 软磁铁氧体是开关电源变压器中使用比较早的软磁材料。随着开关电源工作频率越 来越高,相应的材料一代接一代地开发出来。#$ 世纪 %$ 年代初,为适应开关电源市场的 需要,开发出第一代功率铁氧体材料,如 &’( 的 )*+。这种材料由于其功耗大,只适用于 工作频率在 #$,)- 左右的民用开关电源。#$ 世纪 .$ 年代初,第二代功率铁氧体材料问 世,如 /’( 的 )%0(! 10*$)。这种材料具有负温度系数功耗,随着温度升高,功耗呈下降 趋势,适用的工作频率为 !$$,)- 左右。#$ 世纪 .$ 年代后期,为适应高频开关电源的发 展,开发出第三代功率铁氧体材料,如 &’( 的 102$ 材料,其工作频率为 #+$,)- 左右。 这类材料特别适用于工作频率为数百千赫的开关电源,现在被广泛应用于工业类的开关 电源中。进入 #$ 世纪 3$ 年代中期,由于信息技术对器件小型化、片式化的要求,第四代 功率铁氧体材料已开发成功,如 &’( 的 10+$ 牌号材料。这 种 材 料 的 工 作 频 率 可 达 +$$,)- 以上,进一步为开关电源的轻、小、薄做出贡献,是今后软磁铁氧体的发展方向。 我国新发布的“软磁铁氧体材料分类”行业标准,把功率铁氧体材料分为 14! 5 14+ 五类,其适用工作频率也逐步提高。14! 材料的适用频率为 !+ 5 !$$,)-,14# 材料的适 用频率为 #+ 5 #$$,)-,14* 材料的适用频率为 !$$ 5 *$$,)-,142 材料的适用频率为 *$$,)- 5 !6)-,14+ 材料的适用频率为 ! 5 *6)-。目前,国内的企业已能生产相当于 14! 5 14* 的材料,142 材料只有少部分企业能小批量试生产,14+ 材料仍有待于进一 步开发、研制和试生产。 开关频率的高频化(几百千赫兹到兆赫兹)是电力电子产品技术含量高低的重要标 志。提高开关频率,减小了功率磁性元件的体积和重量,从而减小了整个产品的体积和重 量。根据理论分析,在相同的磁通密度下,频率提高一倍,变压器的铁芯截面积可以减小 一半。同样,频率的提高可以减小电感器的电感量。但频率的提高,将引起磁件损耗的急 剧增加。所以,磁件的体积和重量的减小大体上与开关频率的平方根成比例。通过改善 磁件的散热条件,可以进一步提高这一比例。软开关技术的发展以及开关损耗的降低,使 开关器件的工作频率逐步提高。但磁件损耗也急剧增大,限制了频率的进一步提高。磁 件的高频化是电力电子技术高频化的必然要求,也是磁件发展的最重要趋势。 就磁件来说,高频化所带来的问题主要体现在四个方面。一是使磁件的分布参数的 · !*2 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 影响增大。如变压器在高频下匝间电容和原副绕组耦合电容的影响显著增大,成为不可 忽略的电路参数。频率对铁芯损耗、绕组损耗甚至激磁电感、漏感等参数的影响也显著增 大,使得磁件的电路模型更加复杂。二是使磁件的损耗增大,涡流效应更加显著。铁芯和 绕组的结构和布置方式,甚至绕组的端部结构对磁件的损耗具有重要的影响。电感器的 气隙扩散使磁通损耗急剧增加,变压器原副绕组的各种结构形式对绕组损耗也有关键的 影响。三是给磁件的测试带来困难。在高频下,测试系统的分布参数所引起的相位误差 增大,从而使磁件参数(如损耗等)的测量误差急剧增大。四是对磁性材料提出了更高的 要求。除了积极研制高频低损耗磁性材料外,也出现了各种结构形式的磁材料,如用厚膜 技术制造分层磁芯、西门子公司研制的磁性薄膜( ! "#)等。 $ % 向高磁导率发展 由于信息产业的高速发展,传统的普通软磁铁氧体已经不能满足新兴的信息网络技 术的要求,高磁导率材料成为许多新兴的 &’ 技术不可缺少的组成部分。另外,随着电子 技术日益广泛的应用,特别是数字电路和开关电源应用的普及,电磁干扰问题日趋严重。 高磁导率软磁铁氧体磁芯能有效地吸收电磁干扰信号,以达到抗电磁场干扰的目的。随 着电子产品向高频、高速、高组装密度方向发展,各种电子、电力线路中必须采用 () & 磁 芯,才能满足抗电磁干扰和电磁兼容的要求。高磁导率软磁铁氧体的主要特性是磁导率 特别高,一般要求在 *+++ 以上,可以大大地缩小磁芯体积,并且希望提高工作频率。现 在,’,- 在过去生产的 ./#$( ! & 0 *++++)的基础上,又先后开发生产出 ./#1( ! & 0 *1+++)、./,( ! & 0 */+++)、./(( ! & 0 *2+++)等高磁导率材料。目前,我国企业能大批量 生产磁导率为 /+++ 3 4+++ 的材料,有的企业能生产磁导率为 *++++ 的材料,但磁导率为 大于 *+++ 的材料尚处于开发试制的阶段。同时,高磁导率磁芯的表面质量必须很好,必 须涂覆一层均匀、致密、绝缘的有机涂层,这是国内产品的一个技术难点。 1 % 向低损耗发展 为了满足军用机载、舰载、航天、卫星及高清晰度电视机和计算机显示器回扫变压器 的发展要求,以及电子变压器向小型化、高频化、低损耗发展,低损耗软磁铁氧体材料的发 展显得十分重要。 ’,- 在 $+ 世纪 5+ 年代初中期相应地推出用于制作回归变压器的 .6$$ 和 .612 低功耗材料和用于开关电源的 "#77 高频低功耗材料。我国这方面材料 的开发生产还有较大的差距。 · *1/ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 向平面化发展 每一个电磁元件,都是磁回路和电回路的耦合。从传统的电工磁理论考虑,对于一定 的线圈窗口面积和铁截面积,最优结构要求线圈回路和铁芯回路的长度最短,以减小铁芯 体积和线圈长度。所以,铁芯的线圈窗口形状一般为圆形或宽高比不大的长方形,比如环 形、## 形、#$ 形、罐形等块状的铁芯结构,这使得磁件的高度比其他元器件高得多。随着 电力电子装置轻量化以及低截面(如便携电源、在板电源等)要求的提高,客观上要求磁件 具有低平的平面结构。%&’(’)* 公司首先提出了平面结构的铁氧体铁芯,得到了广泛的应 用。平面的铁芯结构在理论上讲,由于窗口形状变为扁长形,降低了磁回路和电回路的利 用率。但是,在高频情况下,铁芯发热成为一个主要问题,而平面化的磁结构具有较大的 散热面积,且使磁件热点到磁件表面的热阻降低,从而提高功率密度。另一方面,磁芯结 构的平面化必然带来绕组结构的平面化,从而带动了对平面结构绕组的研究,如原副绕组 的夹心结构、交叠结构、匝间换位结构等。由于磁性元件包含铁芯和绕组,这是混合化设 计和制造的困难所在。 磁性元件的研究、分析、设计和构造是电力电子技术的重要内容。高频、高功率密度 和特殊外形结构的功率变换模块是当前电力电子技术发展的前沿。电力电子高频磁技术 是电力电子技术与磁技术的紧密结合。目前,我国电力电子高频磁技术发展比较缓慢,已 成为影响电力电子技术总体发展的一个制约因素。磁性元件作为电力电子的关键器件, 与电力电子技术本身的发展和应用范围的扩大、应用水平的提高是密切相关的。但同时, 高频磁技术本身的发展和突破又反过来带动电力电子技术应用水平的进一步提高和应用 范围的扩大。高频磁技术的发展将带来传统磁结构的变革,使磁件向高频化、平面化、集 成化、阵列化和混合化方向发展。高频磁技术的研究和应用内容正在不断扩大和深化。 三、软磁铁氧体产品 电感器是片式化较为迅速的电器元件之一。全球市场对片式电感器的需求在不断增 长,尤其是移动通信的发展速度惊人,要求大量的电磁兼容磁芯,如高频段的防寄生振荡 用磁芯、混频器用磁芯、滤波器磁芯、耦合线圈用磁芯以及各种片式电感等。目前,移动通 信用的片式电感、线圈磁芯的市场缺口约有 + , -。在片式电感器中,叠层型片式电感器现 在居主流地位,其尺寸已由原来的 -.+/(- " .00 1 + " /00)缩小到目前主流产品 +223 (+ " 200 1 2 " 300),这类超小型电感器广泛应用于通信和抗电磁干扰(#4 $)及电磁兼容 (# 4 5)设备。在低档应用领域,片式电感器可能被片式磁珠取代。所以制 造 商 已 开 始 生 · +-/ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 产集成有电容器的薄膜片式电感器。如为了避免开关电源的开关噪声污染电源网络,在 电源输入端均设置铁氧体输入滤波器。因为开关噪声是共模信号,所以可采用电流补偿 原理避免磁芯饱和,即在磁芯间上绕制两组匝数相等的反接串联的线圈,使负载电流产生 的磁场抵消,从而使共模信号被电感阻抗所阻断。 片式电感器现在正向着高频多层的方向发展,如在 !"#$% 频率下的高频多层片式电 感器。同时,制造商也在提高产品的电感量,如低频片式电感器的电感量由 &&’$ 提高到 (("’$,高频片式电感器电感量从 )*"+$ 提高到 ,-"+$。 电子变压器主要向小型、轻量、高效和表面安装技术的方向发展。由于微电子技术的 发展,电子设备的体积和重量大大减少。因此,要求电子变压器也要相应地减小体积和重 量。自从 (" 世纪 -" 年代初起将直流变换器的开关变压器的频率提高到 (".$%,从而取 代了笨重的 /"$% 整流变压器。这一革命性技术的发展,使电子变压器的体积减小了 !"0 1 *"0 ,重量可减轻 -/0 。随着高频低损耗的软磁铁氧体出现,开关电源的开关频 率已从 (".$% 提高到 )"2$% 左右,使电子变压器的体积和重量还可进一步减小。所以, 电子变压器的高频化是电子设备小型化和轻量化的必然发展趋势。对软磁体铁氧体来 说,必须解决的问题是频率在 /"".$% 以上时具有较小的功率损耗。 当电子变压器微型化时,通常采用表面贴装技术,电子变压器的绕组体采用层叠式印 刷导体,软磁铁氧体磁芯设计成低高度和薄膜化磁性元件。在电信设备和数宇网络中,为 了使传输的模拟信号或数字脉冲信号无明显的失真,要求使用宽带脉冲信号变压器。低 功率宽带变压器的频宽与磁导率成正比。因此,高磁导率软磁铁氧体被广泛用于宽带脉 冲变压器。随着数字电子设备集成化程度的提高,脉冲变压器已成为印刷电路板上最大 的功能元件,将成为今后主要的发展方向之一。 近年来,移动电话、笔记本电脑和数字仪表的发展,使场致发光 34 5 34 电源变压器 成为一大新趋势。微型电池的直流变压器将交变电压升至一定值以后,加到以场发光片 组成的平行板电容器上,使发光片发光。今后,6 型铁氧体磁芯将进一步取代 78 型磁芯。 在 () 世纪,由于产业结构发展变化,各种电子设备朝着高性能方向发展,对配套元器 件的性能将提出更高要求。希望软磁功率铁氧体材料能生产相当 93: 公司的 ;4,"、 <4,, 和 <4/" 材料,高磁导率材料要求生产磁导率为 )""""—)/""" 的材料,使软磁铁氧 体电感和变压器进一步向小型化、片式化和薄膜集成化模块的方向发展,以满足日新月异 的信息技术发展需要。 · )&- · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第四章 软开关变换器 第一节 软开关技术 !" # $"、$" # $" 变换器作为电源系统中为设备提供直流动力的主要装置,面临着体 积更小、重量更轻、效率更高、可靠性更高等诸多要求。要达到上述要求,变换器必须实现 工作频率由低频向高频的转变。众所周知,在硬开关方式下,不断提高变换器的工作频率 会引起以下问题。 !开关损耗大。开通时,开关器件的电流上升和电压下降同时进行;关断时,电压上 升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠产生了开关损耗,该损耗随开关频率的提 高而急速增加。 "感性关断电压尖峰大。当器件关断时,电路中的感性元件感应出尖峰电压。开关 频率愈高,关断愈快,该感应电压愈高。此电压加在开关器件两端,易造成器件击穿。 #容性开通电流尖峰大。当开关器件在很高的电压下开通时,储存在开关器件结电 容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率愈高,开通电流尖峰愈大,从而会引 起器件过热损坏。另外,二极管由导通变为载止时存在着反向恢复期,开关管在此期间内 的开通动作,易产生很大的冲击电流。频率愈高,该冲击电流愈大,对器件的安全运行造 成危害。 $电磁干扰严重。随着频率提高,电路中的山 !" # !# 和 !$ # !# 增大,从而导致电磁 干扰(%& ’)增大,影响整流器和周围电子设备的工作。 上述问题严重妨碍了开关器件工作频率的提高。近年来开展的软开关技术研究为克 服上述缺陷提供了一条有效途径。和硬开关工作方式不同,理想的软关断过程是电流先 降到零,电压再缓慢上升到断态值,所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已下降 到零,解决了感性关断问题。理想的软开通过程是电压先降到零后,电流再缓慢上升到通 态值,所以开通损耗近似为零,器件结电容上的电压亦为零,解决了容性开通问题。同时, · *)( · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 开通时二极管反向恢复过程已经结束,因此二极管反向恢复问题亦不存在。 !" ! !# 和 !$ ! !# 的降低使得 "#$ 问题得以解决。 软开关技术实际是利用电容与电感谐振,使开关器件中电流(或电压)按正弦或准正 弦规律变化。当电流过零时,使器件关断;当电压过零时,使器件开通,实现开关损耗为 零。按照其控制方式,软开关技术可分为脉冲频率调制(%&’() *+),&)-./ #01&’2340-,缩写 为 %*#)方式、脉冲宽度调制(%&’() 54136 #01&’2340-,缩写为 %5#)方式和脉冲移相控 制(%62() 76483)1,缩写为 %7)方式。 软开关技术在改善功率开关器件工作状态方面效果明显,使变换器的高频化成为可 能,各类软开关技术在开关电源中也必将得到广泛应用。%*# 软开关变换器电路结构简 单,但工作频率不恒定,给变压器、电感等磁性元件的优化设计带来一定的困难。此类变 换器适合于在负载、输入电压相对稳定的应用场合。%5# 软开关变换器实现了恒频控 制,大大方便了磁性元件的优化设计,%5# 控制方式是软开关变换器中应用最广泛的控 制方式。此类变换器适合于中、小功率应用场合。移相全桥软开关变换器在不增加或增 加很少元件的情况下,在具有传统全桥变换器中开关器件电压、电流额定值较低,功率变 压器利用率高,输出功率大等优点的同时,实现了开关器件的软开关,而且采用恒频控制, 电压、电流应力小,在减小体积、重量以及降低电磁干扰方面效果明显。因而移相全桥软 开关变换器非常适合于中、大功率应用场合。但此类变换器有一个明显的缺点,即变压器 副边存在占空比丢失现象,而且滞后桥臂的软开关范围受到负载、输入电压等多种因素的 影响。如何尽量减小副边占空比的丢失、增大滞后桥臂的软开关范围,仍然是移相全桥软 开关变换器需要深入研究的课题。 一、%*# 软开关变换器 %*# 控制方式是指通过调节脉冲频率(即开关管的工作频率)的方法来实现稳压输 出。 9 : 零开关准谐振变换器 降压(;&.<)型零电流开关准谐振变换器如图 = > 9 所示。由于 ?@ 的作用,7 在零电 流条件下导通。7 导通后,?@ 与 A@ 谐振,使通过 7 的电流呈近似正弦波形。当电感电流 谐振到零时,7 可在零电流条件下关断。 与普通的 ;&.< 型变换电路相比,零电流开关准谐振变换器实现了电路中开关器件的 · 9CB · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # $%&’ 型零电流开关准谐振变换器 图 ! " ( $%&’ 型零电压开关多谐振变换器 零电流导通与关断。其缺点是,开关管 ) 的电流应力大,) 断开时存储在寄生电容内的能 量在 ) 导通时释放,增大了损耗,对开关器件的安全运行造成危害。将图 ! " # 中的谐振 电容 *+ 并联在开关 ) 上,即构成 $%&’ 型零电压开关准谐振变换器,利用电感 ,+ 和电容 *+ 的谐振以及电容 *+ 的钳位功能,使开关达到零电压开关的目的。 ( - 零电压开关多谐振变换器 $%&’ 型零电压开关多谐振变换器如图 ! " ( 所示。由于 ,+ 的值较大,故其上电流近 似为恒流源 !.。当 ) 导通时,电感电流 ! ,+小于 !.。,/0 导通,这时电感电流 ! ,+在 " 12的 作用下线性上升。当 !. 3 ! ,+时,/0 在零电流下自然关断。之后,,+ 与 *+ 开始谐振,在 某一时刻 ) 在电容 *4 的保护下软关断,,+ 与 *+、*4,共同谐振。当 *+ 两端电压谐振到零 时,/0 在零电压下导通,,+ 与 *4 继续谐振。当 *4 两端电压谐振到零时,) 在零电压下再 次导通,从而完成一个完整的开关周期。 从上面的分析可以看出:零电压开关多谐振变换器中,) 和 /0 均是在良好的条件下 完成开通与关断的,避免了寄生震荡,保证了系统的稳定性。 二、56 7 软开关变换器 567 控制方式是指在开关管工作频率恒定的前提下,通过调节脉冲导通宽度的方 法来实现稳压输出。 # - 零电流开关 567 变换器 $%&’ 型零电流开关 567 变换器如图 ! " 8 所示。初始时刻,)# 在 ,+ 的作用下零电 流导通,电感电流 ! ,+在 " 12。的作用下线性上升。当 ! ,+ 3 9. 时,/0 在零电流下自然关 断。之后,,+ 与 *+ 开始谐振,经过半个谐振周期,,+ 上的电流 ! ,+以谐振方式再次达到 · #!. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!," "#上升到 $ " %&。此时由于 ’$ 处于关断状态,故 ! (#和 # # 将保持在该值上,无法继 续谐振。此状态的持续时间由电路的 )*+ 控制决定。当需关断 ’, 时,先开通 ’($ 在 (# 作用下零电流导通),(# 与 "# 再次谐振,当 ! (#谐振到零时,-. 导通,! (#继续反方向谐 振并到零。此期间,’, 可在零电流零电压下完成关断过程。此后," "#在 !!。作用下衰 减到零,-. 自然导通。’$ 可在此后至下一周期到来之前以零电压零电流方式完成关断 过程。 从上述分析来看,零电流开关 )*+ 变换电路中所有开关管及二极管都是在零电压 或零电流下完成通断的,且主开关管电压应力低。其缺点是主开关管电流应力大,续流二 极管电压应力大,而谐振电感在主功率能量的传递通路上,因此 /"’ 条件与输入电压、负 载等有很大的关系。 将图 0 1 2 中的谐振网络("#、’$、-.$)反并联在开关两端,即构成 3456 型零电压开 关 )*+ 变换器。和零电流开关 )*+ 变换器相同,它也是利用由开关 ’$ 控制的 (# 和 "# 谐振过程来给开关管创造零电压开关环境的。 图 0 1 2 3456 型 /"’ 1 )+ 变换器 $ 7 零电压转换 )*+ 变换器 3889: 型零电压转换 )*+ 变换器如图 0 1 0 所示。在每次主开关管 ’, 导通之前,首 先应导通辅助开关管 ’$,使谐振网络谐振。当 ’, 两端电压谐振为零后,在零电压下开通 ’,。’, 导通后,迅速关断辅助开关管 ’$,使谐振电路停止工作。之后,电路以常规的 )*+ 方式运行。由于 "# 的存在,主开关管可以实现零关断。 零电压转换 )*+ 变换电路实现了主开关管的零电压导通,且保持恒频运行,电流与 电压应力小,在较宽的输入电压和负载电流变化范围内,可满足 /-’ 条件二极管零电流 关断。其缺点是辅助开关,管不在软开关条件下运行。但和主开关管相比,它只处理少量 的谐振能量。 将图 0 1 0 中的谐振电容 "# 移至与谐振电感 (# 串联,即构成 3889: 型零电流转换 )*+ 变换器。利用谐振网络的谐振,能够为主开关管 ’, 创造零电流开关环境。 · ,0, · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " ! #$%& 型零电压转换 ’() * + 有源钳位(,%-./0 12345)零电压开关 ’( ) 变换器 有源钳位零电压开关变换技术适用于正激和反激变换器等多种电路,图 ! " 6 为正激 式有源钳位零电压开关 ’() 变换器电路拓扑。 78 为变压器绕组的漏电感;7) 为变压 器激磁电感;18 为开关管 9: 和 9; 结电容值之和。有源钳位电路通常由钳位开关 9; 和 钳位电容 1% 串联组成,并联在主开关或变压器原边绕组两端。利用 18 和 78 谐振,创造 主开关 <=9 的条件,并在 9: 关断期间由 18 将其两端电压钳位在一定数值上,避免承受 过高电压。 图 ! " 6 有源钳位零电压开关 ’() 正激变换器 有源钳位零电压开关变换器为 9: 和 9; 提供了零电压开关环境,降低了功率开关管 上过高的电压应力。另外,对正激变换器来说,有源钳位可使变压器磁芯磁通自动复位, 无需另加复位措施,使磁芯工作于磁化曲线的第一及第三象限,提高了磁芯利用率。其缺 点是增加了一个钳位开关,从而使控制电路复杂化。 三、’9(’>3?0 9>.@-0A)软开关变换器 在 B1 C B1 变换器中,全桥移相控制软开关 ’() 变换器的研究十分活跃。它是直流 电源实现高频化的理想拓扑之一,尤其是在中、大功率的应用场合。移相控制方式是全桥 变换器特有的一种控制方式,是指保持每个开关管的导通时间不变,同一桥臂两只管子相 位相差 :DEE。对全桥变换器来说,只有对角线上的两只开关管同时导通时,变换器才输 · :!; · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 出功率。所以,可通过调节对角线上的两只开关管导通重合角的宽度来实现稳压控制。 如果我们定义此导通重合角的脉宽为输出脉宽的话,实际上就成为 !"# 控制方式。因 此,人们也称此类变换器为移相全桥 !"#(!$ % &’ % !"#)变换器。通常定义首先开通 的两只开关管为超前桥臂,后开通的两只开关管为滞后桥臂。 目前,全桥移相控制软开关 !"# 变换器的研究热点已由单纯地实现零电压软开关 (()$)转向同时实现零压零流软开关(()(*$)。全桥移相控制 ()$ 方案至少有四点缺 陷: !全桥电路内有自循环能量,影响变换效率; "副边存在占空度丢失,最大占空度利用不充分; #在副边整流管换流时,存在谐振电感与整流管的寄生电容的强烈振荡,导致整流管 的电压应力较高,吸收电路的损耗较大,且有较大的开关噪音; $滞后臂实现零电压软开关的范围受负载和电源电压的影响。 另外,在功率器件发展领域,+,’- 以其优越的性价比,在中大功率的应用场合已普 遍实用化。因而,针对全桥移相控制 ()$ 方案存在的问题,各种全桥相移 ()(*$ 软开关 的方案应运而生。目前,正在研究或已产品化的全桥 ()(*$ 软开关技术主要有:变压器 原边串联饱和电感和适当容量的隔直阻断电容,变压器原边串联适当容量的隔直阻断电 容,滞后臂的开关管串联二极管、利用 +,’- 的反向雪崩击穿电压使原边电流复位的方法 实现 (*$ 软开关等。 除利用 +,’- 的反向雪崩击穿电压使原边电流复位的方法实现 (*$ 软开关方案为有 限双极性控制方式以外,其他几种方案的控制方式全为相移 !"# 方式。上述几种方案 都能解决全桥相移 ()$ 的固有缺陷,如大幅度地降低电路内部的自循环能量,提高变换 效率;减少副边的占空度丢失,提高最大占空度的利用率;软开关实现范围基本不受电源 电压和负载变化的影响,实现全负载范围内的高变换效率。为提高电路的开关频率准备 了条件,使整机的轻量化、小型化成为可能,可进一步提高整机的功率变换密度,符合开关 电源行业的发展方向。 但是,这几种方案还是有不足之处。它们都是在变压器的原边采取措施实现 ()(*$ 软开关。为了使原边电流复位,它们都付出了使原边损耗加大的代价。饱和电感是有损 耗器件,且在开关频率较高时损耗会加大。对饱和电感磁芯材料的要求也很高,不易产品 化。滞后臂的开关管串联二极管会增加功率传输时的损耗,二极管的发热量不小,需要散 热器固定。利用 +,’- 的反向雪崩击穿电压使原边电流复位则是使变压器原边漏感能量 消耗在 +,’- 上,且受 +,’- 反向雪崩击穿能量的限制,影响 +,’- 的可靠运用。 上述方案在副边都没有采取措施。为了防止在副边整流管换流时,变压器漏感与整 · 0/. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 流管寄生电容的强烈振荡和由于二极管反向恢复电流引起的整流管电压应力过高,势必 要在整流管上加 !" 吸收,以降低反向尖峰电压。此时,!" 吸收电路会带来损耗,且反向 尖峰电压的抑制作用达不到最佳效果,同时易引起较大的开关噪音。在选择整流管的耐 压定额时,要考虑此反向尖峰电压的影响。 # $ 移相全桥零电压零电流变换器 图 % & ’ 为移相全桥零电压零电流(() & *+ & ,-,") & (./)变换器。"#0、"10。为 开关管结电容或并联电容;2! 为变压器漏感;"3 为隔直阻断电容;24 为串联饱和电感。 假设 )#、)1 为超前桥臂,)5、)% 为滞后桥臂。)#(或 )1)的开通是通过 2! 6 24 6 71 28 与 "#0、"10谐振,使 "#(0 或 "10)上的电压降为零,反并联二极管 -9#(或 -91)导通,为 )#(或 )1)创造零电压开通条件。)5、)% 实现零电流开关的原理是当原边电流谐振到零时,由于 阻断电容和饱和电感的作用使其在零状态保持一段时间。在此期间,)5、)% 实现零开关。 将图 % & ’ 中的 "3、24 去掉,给 )5、)% 两端分别并联两只谐振电容,即构成移相全桥零电 压(() & *+ & ,-))(./ 变 换 器。其 两 个 桥 臂 实 现 零 电 压 开 关 的 原 理 与 () & *+ & ,-,") & (./ 变换器的前臂相同。 图 % & ’ () & *+ & ,-,") & (./ 变换器 移相全桥软开关变换器具有全桥变换器的优点,即:功率开关器件电压、电流额定值 小,功率变压器利用率高;它充分利用电路中的寄生参数(漏感、寄生电容等),实现了功率 管的软开关;开关损耗小,可实现高频化;控制方法简单(脉宽恒定,只控制移相)。但是, 为这些优点付出的代价是,() & *+ & (./ 软开关变换器存在着占空比丢失的现象。为 了实现滞后桥臂的软开关,变压器原边回路中必须存在一定的电感量(变压器漏感或串联 电感),此电感串联在功率传输回路中,势必造成一定的损耗,其上的压降即为占空比的丢 失。同时,滞后桥臂实现软开关的范围也因此受到限制。() & *+ & ,-,") & (./ 变换 器中为实现滞后桥臂 ,") 而在原边串联了饱和电感而非线性电感的原因就是为了减小 · #%% · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 占空比的丢失。 ! " 不对称全桥相移式零电压零电流软开关电路 针对 全 桥 #$#%& 软 开 关 方 案,提 出 的 不 对 称 全 桥 相 移 式 零 电 压 零 电 流( ’& ( # $ #% &— ’) *)软开关电路,与前述几种方案相比有如下优势: !主变压器原边电路无有损器件,原边损耗降至最低,整个电路也无外加有损吸收器 件,大大提高了整机的变换效率。 "由于在变压器副边采取了有源钳位的措施,因此 +% 吸收电路可以取消,降低损 耗,且二极管反向尖峰电压的抑制效果最佳。在选择整流管的耐压定额时,可以取低一级 耐压的二极管,利于进一步提高效率和可靠性。同时,由整流管寄生参数引起的振荡也大 大减弱。 #在使原边电流复位的时间上,此方案与前述几种方案相比,时间是最短的,而且此 方案基本不存在副边占空比丢失的问题,在最大占空比的利用率上,此方案最佳。 防止全桥主变压器的直流磁偏可采用最简单可靠的方法,在原边串联隔直电容,同时 提出不对称全桥的概念,成功地阻止了原边电流复位以后,由于隔直电容的加入而使原边 电流继续反向流动的趋势,使原边电流回零以后能保持住。不对称全桥相移式零电压零 电流软开关电路方案主电路原理简图如图 , ( - 所示。 图 , ( - 主电路原理简图 从主电路的拓扑形式上,可以看出该电路是不对称的。四只主功率管的基本控制方 式是移相控制,超前臂为 &.、&/,有反并二极管和外接吸收电容,滞后臂为 &!,&,,无反并 二极管和吸收电容。辅管 &0 的控制时序以超前臂 &.、&/ 控制脉冲的上升沿,触发一单稳 · .,1 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 高电平信号,控制辅管的开通时间。因而,辅管的开关频率是原边主管的两倍。本电路的 目的是实现超前臂 !"、!# 零电压开关,滞后臂 !$、!% 零电流开关,降低主管的开关损耗, 提高整机的工作频率,同时为实现全负载范围内的高变换效率准备条件。该电路的工作 过程简述如下。 当 !"、!% 开通时,原边能量向副边传输。!" 关断后,原边电流转向 &" 和 &$,&" 充 电,&$ 放电。此时,!" 上的关断电压是缓慢上升的,属零电压关断,直至下管 !# 的反并 二极管导通。此时,开通下管 !#,属零电压开通。!# 开通脉冲的上升沿同时触发一高电 平,开通辅管 !’ 此时,副边钳位电容的电压加在副边上成为激励,原边会感应出较高的电 压。此电压的作用是使原边电流迅速复位,为滞后臂 !$、!% 零电流开关准备条件。原边 电流回零以后,辅管 !’ 才关断。辅管一旦关闭,副边相当于短路,原边电压相应也为零。 此时,隔直电容 &# 上的电压会反加在滞后臂 !% 管上。设计时,只要遵循限制隔直电容 上脉动电压幅值的原则,合理地运用 ()*+ 的倒置特性,就能成功地防止变压器原边电流 的逆向流动,并且保证 ()*+ 不发生反向雪崩击穿。此后,滞后臂 !% 零电流关断。由于 原边漏感的存在,滞后臂 !$ 的开通也为零电流开通。原边电流反向,进入下半个周期的 循环。此时,副边整流管也正在完成换向。由于钳位电容 &’ 的存在,整流管的反向尖峰 电压能够很好地抑制。 本电路方案的副边整流方式不仅适于全波整流,同样也适于全桥整流方式,且基本工 作原理保持不变。 四、新型半桥不对称 ,- . 控制变换器 不对称脉宽调制半桥 /& 0 /&12! 变换器电路,只是通过改变控制策略而不需增加额 外的电子元器件,就能保持谐振变换器中主开关管零电压导通的特点。同时,当输入电压 和负载在一个很大的范围内变化时,又可像常规 ,-. 变换器那样通过恒频 ,-. 控制 调节输出电压。 " 3 工作原理 不对称脉宽调制半桥 /& 0 /&12! 变换器电路如图 % 4 5 所示。当开关 !"6 和 !$ 在 不对称脉宽调制控制下工作时,忽略开关转换过程中的死区时间。!"、!$ 的占空比分别 为 ! 和(" 4 !),它们与两开关管上的寄生二极管 2/"、2/$ 及寄生电容 &"、&$ 组成斩 波器,将输入直流电压转化成双向电压波形,再通过由隔直电容 &7 和高频变压器原方漏 感 89 组成的串联谐振电路,将不连续电压转换成连续谐振电流,然后经由变压器副方的 · "%: · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 整流电路和感性滤波电路,向负载提供稳定的直流电压。调节占空比 ! 的大小就可改变 直流输出电压。 图 ! " # 变换器主电路图 $ % 电路分析 分析电路稳态工作过程时先做如下假设: !忽略输出二极管的正向压降和电容; "忽略纹波,电容 &’ 的值足够大,认为其电压 " &(近似为常数,且等于 !" ); #激磁电感 # * 很大,认为激磁电流 $ * 为一常数; $滤波电感 # + 的值远大于谐振电感 # , 的值,认为通过 # + 的电流 $+ 连续。 该电路在一个开关周期中有 # 种工作模式,将 -. 的占空比 ! 控制在 + / 0+1 范围 内,具体分析如下。 (.)工作模式 (. %+! % 2 %.) -. 和 345 导通,等效电路见图 ! " 6。由于 # + 和 # * 远大于 # ,,变压器原边电压认 为是电网整流电压与隔直电容电压之差: " 7( 8 " ) " " 9 &( (! " .) 图 ! " 6 阶段 . 等效电路图 谐振电感 :, 上的电流为输出电流折算到原方的数值与激磁电流之和: · .!; · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 ###################################################### !! " !# $ " % !& (’ ( )) 持续时间为: #! " $#* (’ ( +) ())工作模式 () #!! # , #)) 在 #! 时刻,-! 关断,开关管 -!、-) 的寄生电容 .!、.) 被线性充、放电,变压器副方 /0+ 续流。此阶段电流 ! 12近似保持不变,持续时间为: #) "(! ( $)% * & 2 $ !! (’ ( ’) 式中:& 2 " &! $ &),等效电路如图 ’ ( !# 所示。 (+)工作模式 (+ #)! # , #+) 在 #) 时刻,.) 放电至 $% *,充电至 %(* !— $ )。此时变压器原边电压 % 34 " #/, /0’ 开始导通,和 /0+ 一起续流。.!、.) 并联与 12 谐振,此阶段电流 ! 12线性下降,.!、 .) 继续被充、放电。此阶段等效电路如图 ’ ( !! 所示,持续时间为: ’+ " #+ ( #) " (![# 567*8(9 $ % * ! & ! 2!# )] (’ ( :) 图 ’ ( !# 阶段 ) 等效电路图 图 ’ ( !! 阶段 + 等效电路图 !# " ! ") (2 &! $ " &)) ! ") 2 & 2 (’)工作模式 (’ #+! # , #’) 在 #+ 时刻,电容 .) 放电到零,开关管的寄生二极管 /0) 立刻导通,为 -) 的开通创 造零电压条件,此阶段等效电路如图 ’ ( !) 所示。 在 # " #;+ 时,谐振电感电流 ! 12正向减至零,此时变压器原、副方仍被钳位在 #/,有: )2 *+) *# 2 " ( $%* (’ ( <) 可推出 -) 的最大零电压开通时间 # =9的表达式: ’ =9 " #;+ ( #+ " )2 + 1(2 #+) 0>* (’ ( ?) ( #+— #!)是两开关管开通的最小死区时间 ’ 0@89加上阴影部分,即( # =9 % ’ 0@89)为开关 -) 零电压开通的最大死区时间 A0@5B。在 # =9时间内,任一时刻均可零电压开通 -)。此阶段, · !’C · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 变压器原方仍被钳位在 !",电压 # !($ % # "! &)加在 ’( 上,其电流线性下降。在 #) 时 刻,$ ’(降到 $ * # $! + % % $,,"-. 关断,"-) 继续续流。 (/)工作模式 (/ #)! # 0 #/) 在此模式下,1, 开通,隔直电容相当于一个直流源,向负载提供能量。等效电路如图 ) # 2. 所示。 图 ) # 2, 阶段 ) 等效电路图 图 ) # 2. 阶段 / 等效电路图 (3)工作模式 (3 #/! # 0 #3) 在 #/ 时刻,1, 关断,42、4, 线性充放电,工作过程类似于模式 ,。等效电路如图 ) # 2) 所示。 图 ) # 2) 阶段 3 等效电路图 (5)工作模式 (5 #3! # 0 #5) 在此模式起始,’6 与 42、4, 谐振,工作过程类似于模式 .。等效电路如图 ) # 2/ 所 示。 (7)工作模式 (7 #5! # 0 #7) 此阶段工作过程类似于模式 )。结束于电流 $ ’( 反向过零后增加至( $ * 8 $! + 9), "-. 开始导通。电路运行回到模式 2,完成一个开关周期的运行过程,等效电路如图 ) # 23 所示。 五、零电压零电流逆变器 相移全桥零电压零电流逆变电路的结构如图 ) # 25 所示。12 : 1) 为功率开关器件; "-2 : "-) 为器件自身反并二极管;"-/ 和 "-3 为阻断二极管;42 : 4, 为 12 和 1, 的旁 · 2); · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " #$ 阶段 % 等效电路图 图 ! " #& 阶段 ’ 等效电路图 路电容;() 为隔直电容。零电压零电流逆变电路的相关波形如图 ! " #’ 所示。 图 ! " #% 零电压零电流逆变电路原理图 图 ! " #’ 零电压零电流逆变电路相关波形 在 零 电 压 零 电 流 软 开 关 逆 变 电 路 的 工 作 过 程 中,半 个 周 期 有 六 种 工 作 模 式,如 图 ! " #*所示。具体工作过程如下: [ !+ , !#]期间,-#、-! 导通," ./ 0 " 1,变压器 2 向次级传递能量,隔直电容 () 电压 线性上升。 [ !# , !3]期间,-# 关断,-! 仍然导通,-# 两端的并联电容 (# 充电至 " 1,-3 两端的并 联电容放电至零时,-3 的反并联二极管 453 导通,若 -3 随后导通,即为零电压导通。 [ !3 , !6]期间,-#、-! 导通," ./ 0 +,隔直电容 () 的电压全部加在变压器 2 漏感上, 初级电流线性下降至零。 · #$+ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " #$ 零电压零电流逆变电路工作模式分析示意图 [ !% & !!]期间,’(、’! 导通,阻断二极管 )*+ 阻止初级电流反向流动,变压器初级无 电流流过,仍将保持为零。 [ !! & !,]期间,’! 关断,’( 导通。由于初级无电流流过,’! 的关断为零电流关断,电 路处于开路状态。 [ !, & !+]期间,’(、’% 导通,初级电流瞬时仍保持为零。随后,初级电流增大,隔直电 容电压线性下降,变压器初级向次级传递能量。 零电压零电流软开关逆变电路利用了与滞后臂串联阻断二极管的阻断工作特性,可 以在宽负载范围内实现超前臂功率器件的零电压开关和延迟臂功率器件的零电流开关。 (#)超前臂功率器件的零电压开关 · #,# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 与零电压软开关逆变电路一样,零电压零电流软开关逆变电路超前臂功率器件的零 电压开通,可通过输出滤波电感中的能量来实现,其软开关程度主要取决于旁路电容和原 边电流。 旁路电容充放电时间为: ! ! ""## $$ 式中:# #———输入直流电压; " ———超前臂功率器件旁路电容量; (% & ’) $ $———初级电流,类似一个恒流源。 功率器件开通时,变压器初级电流已通过器件反并二极管流动,集射极间电压为零。 若旁路电容量较大,电路不仅可以在宽负载范围内实现零电压导通,而且可减小 ()*+ 的 关断损耗。 (")延迟臂功率器件的零电流开关 在续流阶段,变压器初级电流保持为零,延迟臂功率器件的开通和关断都将在零电流 条件下完成,减小了 ()*+ 的开关损耗。如果延迟臂实现零电流开关,初级电流必须在延 迟臂关断之前从负载电流减小为零,并在此后保持为零。初级电流从负载电流降低为零 的时间为: 式中:% ,-———主变压器漏感量; " .———隔直电容量; & ———占空比; ! ! % % ,- ". &’/ (% & 0) ’ /———开关周期。 从上式可以看出,电流下降时间与负载无关。因此,如果开关时间设置合适,则延迟 臂可以在任意负载范围内实现零电流开关。通过以上分析可得出以下结论: !1* & 23245 & 678 逆变电路可在宽负载范围内实现超前臂功率器件的零电压开 关和延迟臂功率器件的零电流开关; "在续流阶段,变压器初级电流为零,有效地降低了环路损耗; #与 1* & 235 & 678 逆变电路相比,效率明显提高。 六、无源无损软开关 *99/: 变换器 开关电源采用的软开关技术可分为有源和无源软开关技术。有源软开关技术在原有 · ,;" · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 电路上附加有源器件(如开关),价格比较昂贵;工作时还要增加控制电路以对附加开关进 行控制,电路复杂,可靠性比较差。相比之下,无源软开关电路简单,可靠性高,价格便宜。 这些优点使得无源软开关近几年倍受青睐。对于 !"# 变换器,无源软开关通过降低有 源开关的 !" $ !# 和 !$ $ !# 来实现零电流导通和零电压关断,以减少开关损耗。 % & 无源软开关工作原理 这种新型无源软开关变换器在 ’(()* 基本拓扑的基础上附加了一个子电路,如图 + , -. 虚框中所 示。子 电 路 包 括 一 个 电 感 /0,两 个 电 容 1)、12,三 个 二 极 管 34%、34- 和 345。/2 提供主开关零电流开通条件,限制二极管 34 的反向恢复电流;电容 1) 提供开 图 + , -. 新型无源无损软开关 ’6678 变换器 关零电压关断条件;电容 12 为电感 /2 能量恢复提供能量。这种变换器有七种运行模 态。 (%)# 9 #. 开关 7 处于关断状态。此时,% :) ; % (;% 12 ; .3,& /2 ; &<=。简化电路如图 + , -(% >) 所示,波形图如图 + , -- 所示。 (-)#. ? #% 从 #. 开始,开关 7 导通,电流 & /2线性下降,简化电路如图 + , -(% @)所示。 # ; #% 时, 电流 & /2减少到零,二极管 34 关断,波形图如图 + , -- 所示。这段时间为:#. , % ; #% , #.。 (5)#% ? #- 从 #% 开始,1) 开始经 34-、12、/2 和开关 7 放电,% 12从零开始上升,电流 & /2从零反 方向增加,简化电路如图 + , -(% :)所示,波形图如图 + , -- 所示。在此过程中,电流 & /2、 电容电压 % :)和电容电压 % 12由下面公式决定。 & /2 ; —)<= & <(= !#) (+ , %.) % 12 ;〔% , :(() !#)〕 (+ , %%) % :) ; % ( A〔:(() !#), %) (+ , %-) · %B5 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " #$ 新型无源无损软开关 %&&’( 变换器的工作模态 当 ! ) !# 时,*+ 放电过程结束," ,+ ) -,波形图如图 ! " ## 所示。 (!)!# . !/ 从 !# 开始,由于 ",+ ) -0,01$ 导通,电感 23 和电容 *3 发生谐振,电感电流 #2 流经 01$ 和 01#,给 *3 充电。电容电压 "*3继续上升,简化电路如图 ! " #($ 4)所示。 ! ) !/ 时, "*3达到最大值 "*3567,电感电流 #23降到零,波形图如图 ! " ## 所示。这段时间为: !#"/ ) !/ " !# ) $3 (! " $/) 式中:$ 3 ) #!,为谐振周期。 (8)!/ . !! 从 !/ 开始,由于 # 23 ) -,01$ 和 01# 关断," *3保持在最大值 " *3567。变换器工作 在 9:; 状态,且 #<= ) #+,简化电路如图 ! " #($ >)所示,波形如图 ! " ## 所示。 ! ) !! 时, 开关 ’ 关断。 · $8! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " ## $%%&’ 变换器各电流和电压波形图 (()!! ) !* 从 !! 开始,由于开关 & 关断,电源 " + 一路经 ,、-./ 给 #0 充电," 10 从零开始上升; 另一路则经 ,、,2、32、-.4 向负载供电。同时,电容 32 放电," 32下降,$ ,2上升,简化电 路如图 ! " #(/ 5)所示。 ! 6 !* 时," 10达到 " 7,波形如图 ! " ## 所示。 (8)!* ) !( 从 !* 开始," 10被钳在 " 7,即 " 3&9:; 6 " 7,电源继续经 ,、,2、32、-.4 向负载供电, 电容 32 继续放电。 ! 6 !(,时,电容电压 " 32降到零,同时电感电流 $ ,2上升到 $+<,$ ,2 6 $+<,简化电路如图 ! " #(/ =)所示,波形如图 ! " ## 所示。 (>)!( ) !8 从 !( 开始,变换器重新工作在 ?@A 状态,简化电路如图 ! " #/(:)所示。 ! 6 !8,时, 开关 & 导通,开始下一个周期的工作。 由上面各工作模态分析可知:当开关 & 导通时,由于 $ ,2 6 $+<,电感电流不能突变,使 得电流 $0 从零开始上升;当开关 & 关断时,由于 " 10 6 B-,电容电压不能突变,把开关电 压 " .&钳在零;当电源 " + 对 #0,充电时,开关电压 " .&才开始上升,从而实现零电流开通 和零电压关断,并且最大开关电压 " .&9:;被钳位在 " 7。也就是说,这种新型无源无损软 开关 $770C 交换器在没有增加开关应力的情况下,实现了零电流开通和零电压关断。 # D 参数计算 附加子电路只给开关提供软开关条件,因而其参数的设置条件是保证附加子电路提 供软开关条件,但不影响原电路的工作。一般情况下,#0 的值小于 /B> , &!% +>> # " +>> 式中:" +>>———晶体管截止时间。 在稳态时 ($ % .?) !% += ,!% +>> ,!% 因为电感滤波保持了直流分量,消除了谐波分量,输出电流平均值为: ($ % .@) ( + ,( % +;(< 1 % +;-=)# & , ! + # ) 9 ($ % .’) · .@. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" (!)升压式("##$%)变换器 图 & ’ !( 为升压式变换器,它由功率晶体管 ) *、储能电感 +、二极管 ), 及滤波电容 - 组成。当晶体管导通时,电源向电感储能,电感电流增加,感应电动势为左正右负,负载 . 由电容 - 供电。当 )* 截止时,电感电流减小,感应电动势为左负右正,电感中能量释 放,与输入电压顺极性一起经二极管向负载供电,并同时向电容充电。这样把低压直流变 换成高压直流。在电感电流连续的条件下,电路工作于图 & ’ !(( /)所示的两种状态。 图 & ’ !0 降压式("123)变换器 图 & ’ !( 升压式("##$%)电路 !在晶体管导通、二极管截止(即 4! ! ! !5 6 "# )期间,!5 6 4 7 "# ,! 6 4 时刻,) * 导通,电感中的电流按直线规律上升 $ 8 6 %( & 8 ’ &5)!5 6 %!& 9 !5 "当晶体管由导通变为截止(即 !5! ! ! # )时,电感电流不能突变,产生的感应电动 势迫使二极管导通,此时 $ # ’ $ 8 6 %!& 9 !!,!! 6 "# 7 # 6(5 ’ ")# 则 !& 6 $ 8 !5 9 % 6( $ # ’ $ 8)!! 9 % (& ’ 50) 将 !5 6 "# ,!! 6(5 ’ ")# 代入上式,则求得 $ # 6 $ 8(9 5 ’ ") (& ’ 5() "##$%,- 9 ,- 变换器是一个升压斩波器。当 " 从零趋近于 5 时,$ # 从 $ 8 变到任意 大。同理可求得输入电流: 式中:’ ———开关转换频率。 · 5:! · & 6 & #(9 5 ’ ") # 6!& + $ # 9 $(8 $ # ’ $ 8) !& 6 $(8 $ # ’ $ 8)9 ’ % $ # 6 $ 8 9 ’ % (& ’ !4) (& ’ !5) (& ’ !!) www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 若忽略负载电流脉动,那么在[!,! "]期间,电容上泄放的电荷量反映了电容峰一峰电 压脉动量,亦即输出电压 " # 的脉动量。 二、单端有源钳位 $% & $% 变换器 单端正激式及反激式变换器的性能,因采用了有源钳位恢复技术而大大增强。其优 点是效率高,对外干扰及器件应力小。在开关电源里,可把直流电压从一个电子变换到另 一个电平。但是,当要求把相当高的直流电压变换到相当低的直流电压时,常规变换技术 的效率较低,特别是当变换器的工作频率在 "’() 以上时,开关损耗变得特别大。 图 * + ,! 所示电路就是常规的 -./(0 正激式)变换器。该变换器在正常工作期间,开 关管 1" 导通,把输入电压和输出电压之差加在电感 2" 上,使电感 2" 中的电流增加,并 对输入电容 %3 充电,该电流又送至负载 42 上。当开关 1" 关断时,电感 2" 极性反向,使 二极管 5$" 导通,然后,电流流经 5$" 和 2",其幅度是逐渐下降的,直到 1" 再导通为止, 又开始下一个工作周期。 图 * + ," 为常规的 -./0 + -##36 变换器。它用变压器 7 把输入及输出电压隔离开 来。该变换器可使输出电压的幅值大于或小于其输入电压的幅值。此电路的缺点是开关 管电流和二极管电流均比基本的 -./0 或 -##36 变换器的电流大。 图 * + ,! 常规的 -./0 变换器电路 图 * + ," 常规的 -./0 + -##36 变换器电路 而具有有源钳位的 $% & $% 功率变换器,可以在 "’() 以上的开关频率下,以零电压 谐振变换来工作。电路中,只需要一个磁芯兼作电感和变压器,通过改变匝比,以获得所 需要的电压。对其输出特性的控制和普通的变换器拓扑一样。用零电压谐振变换和变压 器隔离技术,对磁芯无特殊要求。该电路控制部分采用脉宽调制技术( 89 ’ ),工作频率 高,效率也高,且输入、输出隔离。 " : 电路结构 图 * + ,; 为具有有源钳位的 $% & $% 变换器电路。电路中采用了三只开关管 1"、1;、 1, 以及变压器 7,变压器初级侧和次级侧的滤波电容分别为 %< 和 %3。为分析方便,假定 电容足够大,电容电压在整个开关周期内为恒定值;变压器初次级绕组的耦合系数为 "; · "=, · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 开关管是理想的,即无功耗,并且能通过正反任一方向的电流。此外,在分析中,只考虑单 输出形式,要输出几种电压,可以增加次级绕组。 图 ! " #$ 具有有源钳位的 %& ’ %& 变换器 通常是用普通的定时电路来控制三个开关管的工作。其控制波形如图 ! " ## 所示。 在工作时,有源钳位开关 () 和同步开关 (# 由同一信号 ! * 来驱动(同时导通,同时截 止),如图 ! " ##(+)所示。($ 则用相反的信号来驱动。这样,当 () 及 (# 导通时,($ 截 止,反之亦然。因为假定 ()、($、(# 均为理想开关管,即开通与关断是瞬时完成的。实际 上,开关时间在 #, - )$,./ 之间,一般采用先关断后开通的波形来驱动。 图 ! " ## 图 ! " #$ 所示电路工作波形 $ 0 电路工作状态分析 图 ! " #! 和图 ! " #1 所示为图 ! " #$ 所示电路的两种工作状态。假定开始时该电路 已处于稳态运行,如图 ! " #! 所示,($ 导通,变压器初级绕组中的电流增加,给电容 &2 充 电,而输出电流 " 3 完全由电容 &/ 支持着。在图 ! " #1 所示的状态中,() 及 (# 导通。这 就使储存在电容 &2 和电感 42 中的能量,从变压器初级侧传递到次级侧负载。 ($ 的工作周期为 # ,占空比为 $,导通间隔为工作周期的一部分,即 $# 。而 () 及 (# 的导通时间间隔为 # " $# 5 #() " $)。在周期 # 内,初级绕组两端电压的平均值为 · )6! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " #! $% 导通电路状态 图 ! " #& $’、$% 导通电路状态 零,即: ( ! ( " ) ! *)"# " ) !(* ’ " ")# + , (! " %#) 式中:$ ———变压器的匝比。 !(" + )!* " + $!* - !( (! " %!) (! " %&) 式(! " %#)示于图 ! " #(# .)。同样,/0 中的平均电流也为零。当 $% 导通时,/0 供给 负载电流 % *。当 $’ 及 $# 导通时,/0 充电,以补偿 $% 导通时 /0 输出的能量。在理想情况 下,可以认为 /0 中的电流 % 1 /$基本上是矩形,如图 ! " ##(2)所示。当 $% 导通时,/$ 的 输入电流 % /$和输出端电流 % * 幅值相等而相位相反,即: % /$ + " % * (! " %3) 在 $’ 和 $# 导通期间,/0 的输入电流 % /$等于次级绕组中的电流 %0 和输出电流 % * 之 差,即 %20 + % 0 " % * 因为电容 /0 上的平均电流为零,则有: — "% * 5(’ " ")( %0 " % *)+ , 次级绕组中的电流 %0 可表示为: % $ + % *(- ’ " ") 在 $’ 及 $# 导通期间 (! " %4) (! " %6) (! " %7) %20 + % *(- ’ " ")" % * + % *·"(- ’ " ") 将式(! " %&)代入式(! " #’),得: (! " #,) (! " #’) %20 + % *·$! *(- ! ( " $! *) (! " #%) /0 中的输入电流 %20示于图 ! " #(# 2),输出电流 % * 示于图 ! " #(# 8),%0 示于图 ! " #(# 9)。 依据线性叠加,变压器初级绕组中的电流由三部分组成:第一部分是磁化电流 % :;<, 系 $% 导通时 ! ( 在初级绕组两端所加的电压引起的,它与输出电流无关;第二部分电流 · ’3& · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 是在 !" 和 !# 导通期间,次级绕组的电流感应到初级绕组中的电流,用 ! $%" & #表示;第三 部分电流是在 !’ 导通期间,由输入电流 ! $%’所产生的。 磁化电流由加在初级绕组上的电压、绕组电感、开关周期 " 及占空比 # 决定。当 !’ 导通时, $ $%(())* ! $%(( %+), &’. % 在 !’ 导通期间,峰一峰磁化电流为: (/ & ##) ( ! $%()0 & 0 * & - & ’ ( . & 1 #" 在 !" 及 !# 导通期间的峰一峰电流可用同样的方法求出: (/ & #/) ( ! $%()0 & 0 * (’&0(1 " & #)" (/ & #2) 在稳态条件下,式(/ & #/)与式(/ & #2)相等。 在 !" 和 !# 导通期间,负载电流在初级侧产生的电流 ! $%" & #,可借用变压器的匝比关 系,把式(/ & ’3)反射到初级侧即得: ! $0" & # * !1 ( * !1 ((" & #) (/ & #4) 在 !’ 导通期间,负载电流在初级侧产生的电流 ! $0’可这样来考虑:在 !’ 导通期间,必定 有输入电流流通以支持输出电流,因为输出能量等于输入能量(理想变压器),又因为瞬时 功率等于电压和电流之积,由式(/ & ’2)可得: 整理后得: !5 (!- * " # (/ & #6) !- * !5 # 1 (/ & #7) 在 !’ 导通期间,平均负载电流在初级侧产生的电流等于输入电流 !-: ! $%’ # * !- * !5 # 1 (/ & #3) 或 ! $0’ * !5 ( (/ & /+) 初级绕组磁化电流 ! $%(的波形为三角形,如图 / & ##(8)所示。由式(/ & #4)及(/ & /+)所示的负载电流波形分别示于图 / & ##(9)和图 / & ##(:),而合成的初级电流波形示 于图 / & #(# -)。由于初级绕组电感量较大,在整个开关周期内,即使 !’ 关断,! $%’基本上 仍保持为恒定值。 · "44 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 如果没有输出电流,磁化电流的平均值为零。因此,当变压器空载时,初级电流为正、 负峰一峰等幅的波形。而获得零电压谐振开关,该磁化电流的峰一峰值必须大于两倍负 载电流在初级绕组中所产生的电流。这种串联功率变换拓扑的特点在于:在正激变换电 路中,只用了一只磁性元件。该磁性元件起两个作用:一是作为电路中的电感器,二是作 为隔离变压器。另外一种类似电路如图 ! " #$ 所示。 图 ! " #$ %& 与绕组并联电路图 这种电路结构和工作情况基本上和图 ! " #’ 所示电路一样,%& 只有当 () 导通时,才 能并接到初级绕组。图 ! " #$ 所示电路所产生的波形示于图 ! " #*,其工作状态分别示 于图 ! " #+ 和图 ! " #,。在图 ! " #+ 中 (’ 导通,使初级绕组中的电流增加,而输出电流完 全由电容 %- 来提供。在图 ! " #, 中 () 和 (# 导通,%. 上的电压 ! /(. 是在 () 及 (# 断开 时 %& 连续充放电所形成的)加在变压器初级绕组上。 图 ! " #* 电路工作波形 图 ! " #+ (’ 导通电路状态 图 ! " #, ()、(’ 导通电路状态 稳态时,初级电感上的电压在一个开关周期内平均值为零: · )$* · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! ! "# "( # $! $)(% # ")# & ’ (( # (%) $!($ " # %)" ! ! " & ’ (( # ()) $!$ !! & % " #" (( # (*) 其波形示于图 ( # *(+ ,)。从式(( # *%)和(( # (*)可得: %-. & %$ $!$ !! (( # (() %-.波形示于图 ( # *(+ -)。输出电流 % $ 波形示于图 ( # *+(/),而次级电流 %. 波形示 于图 ( # *(+ 0)。 在 1) 导通期间,磁化电流为: % 234( &)& % 234( & $)" !! ’3 磁化电流的峰一峰值为: (( # (5) ( % 234)6 # 6 & !! ’3 " # 同样,在 1% 和 1* 导通期间,磁化电流的峰一峰幅值为: (( # (7) ( % 234)6 # 6 & $’!6($ % # ")# (( # (+) 式(( # (7)的波形示于图 ( # *(+ 8)。式(( # )9)所表示的电流反射到变压器初级侧, 就导出式(( # *7)。在 1) 导通期间,由负载电流在初级侧所产生的电流,可由式(( # ()) 导出: 整理后可得: %$ $%! & % # " " (( # (:) % ! & % $(% $" # ") (( # (9) 在整个开关周期内,1) 导通期间由负载电流在初级侧所产生的电流等于输入电流 % !: % 26) " & %! & %$ $(% # ") (( # 5’) 或 % 26) & %$ $(% # ") 式(( # 5%)的波形示于图 ( # *(+ ;)。 (( # 5%) 初级绕组磁化电流 % 234为三角波形,如图 ( # *+(8)所示。合成的初级电流波形如图 · %7: · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " #($ %)所示。 当输出电流为零时,就和正激变换器的情况一样,初级绕组中只有磁化电流,其平均 值为零。图 ! " #& 所示电路和图 ! " #’ 所示电路不同点在于:图 ! " #’ 所示电路在 (’ 关 断期间,初级绕组中无磁化电流,而在图 ! " #& 所示电路中,即使在 (’ 关断期间,)* 仍会 提供一定的磁化电流。图 ! " #’ 所示电路由于采用开关管 (+ 作为有源钳位 , 恢复器件, 使该电路具有如下优点: !为使变压器恢复,不需要附加恢复绕组或附加有损耗的钳位器件; "占空比比较高,允许输入电压范围宽,或采用较高的匝比; #由于匝比较高,初级上的电流应力和次级侧上的电压应力可大大减轻; $存储在寄生元件中的能量被传输到谐振槽路元件上并循环进行,结果使电路效率 提高,噪声下降; %由于开关电压被钳位到一个可控制的电子上,器件应力减小了,就可采用低额的开 关器件; &可实施零电压开关( - . (),从而可工作在较高的频率上并获得较高的效率; ’在整个输入电压变化范围内,开关管上的电压应力相当恒定,这就为设计者提供了 综合考虑的余地,而在其他单端式电路中,由于开关电压应力与输入电压成正比,不具有 这个优点; (由于采用了这种有源钳位技术,就有可能在次级侧采用同步开关改善变压器波形。 三、大功率移相调宽 /) , /) 变换器 + 0 移相调宽变换器的基本工作原理 移相调宽桥式变换器的主电路如图 ! " !1 所示。图中 (+、(’、(#、(! 表示器件内部的 开关管,./2+、./2’、./2#、./2!表示器件内部的反并联二极管,)2+、)2’、)2#、)2!表示器件的 输出电容与外接电容的总和,)3 表示变压器 4 的各种杂散电容之和。56 是为改善换流条 件而接入的,称为换流电感。与传统的 *78 桥式电路相比,除增加了 56 及 ./+、./’ 之 外,电路拓扑并无太大差别,其区别在于控制方式不同。传统的 *78 控制方式是对角线 上的两个开关管同时通 , 断,其驱动及输出波形如图 ! " !+(9)所示,图中 ! :+、! :’、! :#、 ! :!分别表示 ! 只开关管的驱动信号。当桥路开通((+、(! 或 (’、(# 同时开通)时,能量由 电源传向负载;当桥路关断(所有器件均不开通)时,变压器 4 原边电流为零,负载电流由 变压器 4 副边整流二极管续流,副边两绕组内电流大小相等而方向相反,使主变压器保 · +&; · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 持磁平衡。一个开关周期可分为四个区间,即两个能量传输期和两个间歇期。 图 ! " !# 移相调宽变换器主电路 图 ! " !$ 驱动信号 如果把 ! %$、! %&的前沿向前展宽,使其宽度接近 " ’ ( &,把 ! %)、! %!的后沿向后展宽, 使其宽度接近 " ’ ( &,就得到如图 ! " !($ *)所示的驱动信号。由图 ! " !$ 可知,左边桥臂 的驱动信号比右边桥臂的驱动信号超前,即 ! %$比 ! %!超前,! %&比 ! %)超前,故称左桥臂 为超前桥臂,右桥臂为滞后桥臂。这样安排的驱动信号也把一个开关周期划分为四个区 间,对角线上的两个开关管同时开通的两个区间,即 +$、+!(或 +&、+))同时开通。在这两 个区间内,能量由电源传向负载,我们称之为有源期。在与电源的同一条母线相联接的两 个器件同时开通的两个区间内,即 ,-’$、+)(或 ,-’&、+!)同时开通时,变压器原边电流经 ./ 而形成惯性环流,无外界能量输入,称之为无源期。 就桥臂中点 0、* 之间的电压而言,传统 123 与移相 123 方式并无明显差异。也 就是说,两种控制方式下,能量传输期的工作状况并无明显差异。而移相 123 方式下的 无源期与传统 123 方式下的间歇期则有实质性的差别。在移相 123 控制方式下,正 是无源期惯性环流的存在,才改变了桥臂元件和变压器副边整流二极管的换流过程。例 如,当 +$ 关断时,按图 ! " !$,+! 仍处在开通状态。+$ 关断后,电流将先使 4’$充电,4’&放 电。当 !(0 +&)5 # 时,,-’&开通,# 6 将由变压器原边! ./!+!! ,-’&构成回路。在 ,-’& 开通期间,给出 +& 的驱动信号,就可使 +& 工作在零压开通模式。当 +! 关断时,如果 ./ 储能足够,# 6,将改经由变压器原边! ./! ,-’)! $ 78! ,-’&构成的回路。在 ,-’)开通期 · $9# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 间,给出 !" 的驱动信号,就可使 !" 工作在零压开通模式。 由于器件工作在零压开通模式,电压先降到零后,电流再缓慢上升到通态值,所以开 通损耗近似为零。另外,因器件开通前电压已下降到零,器件固有电容上的电压亦为零, 解决了容性开通问题。同时,由于待开通的器件电压已先降到零,与之相串联的二极管已 经截止,其反向恢复过程结束,因此二极管反向恢复问题亦不复存在。 另外,由于器件两端并有电容,器件的关断为准零压关断。关断指令发出后,电流迅 速转入电容中,由于受到电容的约束,器件两端电压的上升被延迟减缓,即电流先下降,电 压再缓慢上升到断态值,因此关断损耗近似为零,并且关断电压尖峰亦被电容吸收,使感 性关断问题得以解决。 # $ 逐脉限流功能的控制电路 为了在恶劣负载条件下能不间断供电,并确保功率模块的安全,控制电路必须具有逐 脉冲限流的功能。然而现有的移相调宽专用芯片 %&"’() 不具备此功能。因此,控制电 路采用具有逐脉冲限流功能的普通调宽芯片 !*")#),经变换而得到四路移相调宽信号, 其框图如图 + , +# 所示。图 + , +# 中 -. 为 !*")#) 脉宽调制芯片,“..”、“.+”是其输出 端,输出宽度受调制的脉冲。 -# 是脉冲振荡器,输出宽度为 "!/ 的脉冲,-#0 由“..”、 “.+”的上升沿触发,-#1 由“..”“、.+”的下降沿触发。-" 是 2 , ! 触发器,产生四个宽度 为了:! / 3 # 的方波。-+ 是与门,用于挖死区,-+ 的输出即为图 + , +(. 4)所示的四个驱动 信号。另外,在图 + , +# 中 5 为霍尔电流传感器,运放 0 用作比较器,当电流超过设定门 限时,比较器输出高电平并送至 !*")#) 的"脚,实现逐脉冲关闭。 图 + , +# 控制电路框图 (.)变换器的主要指标 额定输入:三相 "’6- 3 )657; · .(. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 额定输出:!"#$$% & ’(); 短路电流:不小于 *$$%。 (+)主要器件及参数 变压器选用超微晶环形磁芯,外径为 ,’$--,内径为 .$--,高 ’$--,开关频率为 ,./01,变压器初级为 +( 匝,次级为 + 2 # 匝。 功率模块选用富士公司的产品 +345,$$6 7 ,+($ ,$$% & ,+$$))。 次级整流管选用 3898:8;< 公司的产品 3 =>+$$’$"?(’ 只)。次级绕组分为 ’ 组,构 成 ’ 个独立的双半波整流,然后并联输出,而不是 ’ 只整流管直接并联。 换流电感采用 + 副 @ 7 +$ 铁氧体磁芯,. 匝,气隙约为 +--,电感量约为 ’*!0。 模块集、射之间的并联电容为 A+$$BC。 根据以上设计的参数制成的实际产品,经检测,其整机效率(包含输入整流滤波损耗、 冷却风机损耗、辅助电路功耗在内)高达 D$E 。 移相调宽全桥变换电路实现了功率器件的零电压开通和准零电压关断,克服了硬开 关模式的固有缺陷,损耗降低,效率更高。实践表明容性开通和二极管反向恢复所产生的 短促电流脉冲幅值高,频谱宽,是干扰的主要来源。零电压开通模式消除了这个主要干扰 源,使干扰电子大为降低。基于上述两点,移相调宽全桥变换电路特别适宜于用作大功率 !" & !" 变换器。 四、固定频率谐振式 !" & !" 变换器 在 FG3 变换器和谐振式变换器基础上发展起来的移相调制式变换器(FHFG3)具 有 FG3 变换器的频率固定、导通损耗低以及谐振式变换器的功率开关器件开关损耗低 等优点,因而有很大的应用价值。单一谐振元件(一个串联电感)的 FHFG3 变换器的输 出二极管上的电压应力大,输出噪声较大;四元件(串联调谐、并联失谐拓扑形式)的 FHFI G3 变换器在低电压输入、低电压大电流输出时具有很高的效率,因为在高压输入时串 联谐振电容器承受的电压应力较大;三元件(一个串联电感、并联调谐)的 FHFG3 变换器 比较适合高电压输入、大功率和极低纹波输出的系统。 图 #—#’ 为三元件的并联调谐变换器主电路图。本变换器采用移相调制控制方式, 在逆变器的输出端产生一高频准方波波形。串联电感 6H 的作用为:对高频准方波中的谐 波分量形成高阻抗;在零电压区间抑制并联电容器 "F 向全桥逆变器放电;与缓冲电容器 ", J "# 一起确保 3KHC@? 零电压开关。并联支路(6B、"F)为变压器提供准正弦的稳定 电压源并将环流限制在并联支路内。 · ,A+ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " !# 并联调谐 $% & $% 谐振变换器 高频准方波电压波形加在串、并联支路的两端,流过串联电感的是相位滞后、边缘呈 近似指数上升 & 下降的谐波电流波形,而并联支路和变压器两端是近似正弦的电压波形。 变压器次级的二极管将准正弦电压整流,经输出滤波器( ’(、%()滤波后得到纹波极小的直 流电压输出。只需控制逆变器的相移角,无论输入电压和输出负载如何变化,输出电压都 可维持在所需的电平上。 图 ! " !# 所示的变换器在一个稳态周期内有 ) 个不同的区间,由于波形半周期对称, 因此以下仅介绍变换器负半周内的四个区间的工作情况。 区间 *:此区间内,开关 +*、+, 导通,并流过正向谐振电流 !-。+*、+, 的同时导通使 逆变器的输出电压 " - 出现零电压区间。为了调节或改变输出直流电压,必须有一段零 电压区间以控制由输入端流到输出端的功率大小。 区间 ,:此区间一开始,选通信号 " .*就不加到开关 +* 的栅极,+* 关断,缓冲电容 %* 开始充电。同时,由于谐振电流 !- 为正向,开关 +! 上的缓冲电容 %! 开始向谐振电路放 电,一旦 %! 两端电压降至零时,正向谐振电流迫使开关 +! 两端的反并联二极管 +$! 导 通。二极管 +$! 和开关 +, 的同时导通使逆变器输出端出现负电压 " -。由于储存在缓 冲电容中的能量是向谐振电路释放的,缓冲电容 %* 大一些可使开关 +* 上的电压缓慢上 升,这就确保了开关的关断损耗近似为零。 区间 #:此区间一开始,选通信号 " .!加到开关 +! 的栅极,谐振电流 !- 由反并联二极 管 +$! 流向开关 +!。由于二极管 +$! 的导通先于开关 +!,因此开关 +! 是在零电压下 导通的。这就确保开关的零开通损耗。在此区间,开关 +, 和 +! 导通,逆变器输出端出 现负电压 " -,功率从输入直流电源流向谐振电路。 区间 !:本区间一开始,开关 +, 的栅极电压为零,+, 关断,缓冲电容 %, 开始充电,同 时由于谐振电流 !-,为反向,开关 +# 上的缓冲电容 %# 开始向谐振电路放电,一旦缓冲电 · */# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 容 !" 两端的电压降至零,反向谐振电容就迫使二极管 #$" 导通。开关 #% 和反并联二 极管 #$" 的同时导通使逆变器输出电压 ! & 出现零电压区间。开关 #’ 上的缓冲电容 !’ 大一些可使开关 #’ 上的电压缓慢上升,从而消除开关 #’ 的关断损耗。 由于开关总是在近似为零的电压下导通、关断,减小了开关损耗。而缓冲电容总是向 谐振电路放电,没有缓冲损耗。可见本变换器基于谐振电流的延迟特性,实现了无损耗开 关,同时谐振电路又向负载提供所需的输出电流 " (。 五、并 ) 串型双管正激组合变换器 传统交错并联双管正激组合变换器应用于高电压输出场合时存在变换器次级电压偏 高、高频整流二极管电压应力大的问题。通常要用多个高频二极管串联以解决耐压问题, 但均压设计较困难。提出了一种新型的并一串型双管正激组合变换器,将器件的串联变 为电路的串联,能够实现高频二极管的动态均压,适合高输出电压、大功率的应用场合。 双管正激变换器与全桥或半桥变换器相比,不存在桥臂直通危险,具有可靠性高的优点, 为此受到人们的青睐。双管正激变换器 由 于 磁 芯 复 位 的 需 要,工 作 占 空 比 必 须 小 于 *+, ,从而造成占空比利用率不高,变压器次级电压高,次级高频整流二极管的电压应力 大。特别是在高输出电压、大功率的应用场合,变压器次级的高电压使高频整流二极管的 选择变得困难,往往成为制约变换器设计的关键因素,并最终影响变换器的效率。为了减 小变换器次级电压,增加变换器的容量,可将两个双管正激变换器进行组合。图 % ) %% 所 示电路是一种典型的交错并联双管正激组合变换器。在工作中,一个双管正激变换器的 控制脉冲相对于另一个移相 -.+/。为了减小开关损耗,在电路中增加了一个辅助零电压 关断电路,如图中虚框内所示。但即使采用图 %—%% 所示组合电路,在某些电力系统应用 场合,变换器的输出电压为 ""+# 左右,此时次级续流二极管的电压峰值高达 .++# 以上, 次级整流二极管的电压可能达到 -+++# 以上,这么高的电压应力给次级高频整流二极管 的选择带来一定难度。通常采用多个二极管串联来解决均压问题,但动态均压设计比较 困难。 针对这个问题,提出了一种新型的并一串型双管正激组合变换器,如图 % ) %* 所示。它 应用在同样的输入输出电压条件下,通过用电路的串联替代器件的串联,降低了器件的电压 应力,较好地解决了高频二极管的动态均压问题。 新型组合变换器是由两个带两个次级绕组的双管正激变换器在次级续流二极管处交 错并联,然后再串联得到的,输出共用一组滤波电路。图 % ) %* 中,! 0 为直流母线电压, ! 1 为输出电压,变压器变比 # 2 # & 3 # (。虚框内为辅助零电压关断电路。为简化电路 · -4% · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " !! 交错并联双管正激组合变换器 图 ! " !# 新型并—串型双管正激组合变换器 状态分析,在以下的分析中,不考虑辅助零电压关断电路,忽略过渡过程,只分析稳态过 程,因为假设在所述的并一串型双管正激组合变换器中,所有器件都是理想的。该电路在 稳定工作状态时共有 $ 个工作阶段,对应的等效电路如图 ! " !$ 所示,其关键波形如图 ! " !% 所示。 (&)阶段 (& ! ’ ( !&) )& 和 )* 开 通,+,#、+,$ 导 通,+,-、+,&. 截 止,加 在 滤 波 电 感 / 上 的 电 压 为 * " # 0— # ’,电感电流线性上升。 !* 的激磁电流仍在复位,+,1、+,! 仍然保持导通,)1、 )! 管子电压被钳位在直流母线电压 # 0,加在 +,%、+,2 上的反向电压为 * " # 0。 (*)阶段 (* !& ( !*) )&、)*、+,#、+,$ 继续保持导通,电感电流保持线性上升。 !* 复位结束,)1、)! 上的 电压为 & 3 * # 0,+,%、+,2 上的反向电压为 " # 0。 (1)阶段 (1 !* ( !1) )& 和 )* 关断,+,#、+,$ 截止,续流二极管 +,-、+,&. 导通,加在电感上的电压为 " # ’,电感电流线性下降。+,&、+,* 导通,!& 的激磁电流开始复位。加在 +,#、+,$ 上 · &%# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " !# 并—串型双管正激组合变换器的工作阶段 的反向电压为 !" $。 (!)阶段 (! #% & #!) ’% 和 ’! 开通,()*、()+ 导通,加在电感上的电压为 , ! " $— " -,电感电流线性上 升。./ 的激磁电流仍在复位,()/、(), 仍然保持导通,’/、’, 管子电压被钳位在直流母 线电压 " $,加在 ()0、()# 上的反向电压为 , ! " $。 (0)阶段 (0 #! & #0) ’%、’!、()*、()+ 继续保持导通,电感电流保持线性上升。 #/ 复位结束,’/、’, 上的 电压为 / 1 , " $,()0、()# 上的反向电压为 ! " $。 (#)阶段 (# #0 & ##) ’% 和 ’! 关断,()*、()+ 截止,续流二极管 ()2、()/3 导通,电感上电压为 " " -,电 感电流线性下降,()%、()! 导通,#, 的激磁电流开始复位。 在图 ! " !* 中,设开关周期为 $ ,# 4 & #, 的时间即为 ).,% 为占空比。电路工作稳 定时,根据电感的磁平衡可得: · /*# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " !# 并—串型双管正激组合变换器工作关键波形 !"($ # $ %— $ &) ’(( ) * " !)" $ & (! " *$) 式中:$ %———输入直流母线电压; $ &———输出直流电压; % ———输出滤波电感。 所以: $& ’ ! #!$% (! " *+) 由图 ! " !# 得电感电流的脉动为: !& , ’ $ #’(-—$ !)" $ % . % (! " *!) 下面将并一串型双管正激组合变换器(电路 -)和如图 ! " !! 所示的交错并联双管正 激变换器(电路 $)的主要电路特性关系比较列于表 ! " -。在相同的输入电压、输出电压 和占空比工作条件下,电路 - 的变压器变比 / 仅为电路 $ 高频变压器变比的一半。从表 ! " - 中可以看出,相比于电路 $,电路 - 的次级整流和续流二极管的电压应力降低一半, 大大改善了次级高频二极管的工作条件。 · -## · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 在高输出电压、大功率应用场合,传统的双管正激变换器及其组合变换器为了解决次 级高频二极管电压应力高的问题,往往要用多个高频二极管串联以解决耐压问题。如果 在运行过程中,串联的高频二极管不能很好地均压,可能会导致电路损坏。新型并一串型 双管正激组合变换器通过将次级整流和续流二极管的串联变为电路的串联,较好地实现 了高频整流 二 极 管 的 动 态 均 压。 并 且 从 实 验 数 据 可 以 看 出 次 级 高 频 二 极 管 只 要 选 择 !""# 的管子就够了,这样提高了电路的可靠性,减小了二极管导通损耗。 表 $ % & 两种组合电路的主要关系比较 主要参数 并—串型双管正激组合变换器(电路 &)交错并联双管正激组合变换器(电路 ’) 输入输出电压关系 !( ) $ "#!* !( ) $ "#!* 次级续流二极管反向电压 "!* ’ "!* 次级整流二极管反向电压 输出电感电流脉动 ’ "!* ’ "#(& % ’ #)$ ! * + , $ "!* ’ "#(& % ’ #)$ ! * + % 第三节 变换器设计 一、有源钳位反激变换器设计 与 -./ 钳位、,./ 钳位技术相比,有源钳位可使反激变换器获得更优的综合性能。 有源钳位反激变换器电路拓朴,如图 $ % $0 所示。变压器用磁化电感 ,1、谐振电感 ,(2 包 括变压器漏感和外加小电感)和只有变化关系的理想变压器 3 表示,.2 为等效电容,包括 两个开关 4 和 45 的输出电容。 · &60 · 图 $ % $0 有源钳位反激变换器电路拓扑 www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% ! " 高频软开关机内稳压电源功率电路 高频软开关机内稳压电源功率电路采用有源钳位反激变换器,稳态 ##$ 模式工作 时,每个 %&$ 开关周期分为 ’ 个开关状态。 ! ! ( ! ) * !! + !, 时刻,- 开通,-. 和 /0 截止,0# 也截止,12 和 13 线性充电。 " ! ( !! * !4 + !! 时刻,- 关断,谐振电感电流以谐振方式对 #3 充电," 0-近似线性上 升。 # ! ( !4 * !5 + !4 时刻," 0-上升到 " 6 7 " .,0# 开通,将 13 和 12 串联支路端电压钳 位在 " .! "(8 # ! 9 # 4),13 和 12 以一定比例分压," ! 下降规律为 " ! ( :[ $ 2(9 $ 3 7 $ 2)]" .。 $ ! ( !5 * !; + !5 时刻," ! 已经下降到使 /0 正偏导通,随后 " ! 钳位值为 : "(8 # ! 9 # 4),13 和 #. 开始谐振,13 上的电压为 " .— "(8 # ! 9 # 4),%. 下降速率为[ " .— "(8 # ! 9 # 4)]9 $ 3,在 %. 开始反向之前开通 -#,-# 便获得了 + != 时刻 " 0- ( ,,假定 13 储能大于 #3 储能,则足以使 - 体内寄生二极管 开通,13 上电压钳位在 " 6 7 "(8 # ! 9 # 4)值上,这将使 /0 中电流 %4 下降速率为: &%4 &! ( #! "6 7 "8 #4 $3 #! #(4 $ 2" $ 3) (; : ==) ’ ! ( !> * !’ + !> 时刻,- 零电压 期间加驱动信号,- 开通与 -. 关断时间间 隔应不超过 13 和 #3 谐振周期的 ! 9 ;,即: !> : !;#(4 $$ 3 ’ 3 (; : =>) -. 关断时 13 储能应不小于 #3 储能,以便将 #3 上电荷抽尽,即: ( @ $ 3" ( .3 A ). 关闭 (; : =’) 因此,有源钳位反激变换器消除了漏感引起的关断电压尖峰,功率开关承受最小电压 应力,主开关、钳位开关均获得了 ) 由式(/ 0 1=)可知,功率开关 5 获得 ?@5 开通的 ! 4 值可近似表示为: ! 4 A 7B.! +[4 & ) 9 &(- , ! .C ( ( : ! )]! (/ 0 =:) 以 %6 与 #4 的半个谐振周期大于功率开关 5 截止时间为钳位电容 %6 的选取原则, 即: + (: 0 6! #! # !4 $)*)! % ! 5 (/ 0 =!) 整流二极管 @( 承受的电压应力与传统反激变换器相同,为 &(: ( ! ’ ( :)9 & -,但电 流应力有很大区别,此时二极管 @( 工作在 (%& 模式,电流峰值 , (D为: , (D 8 ! $ ;$+, &(- : 0 # $+,) (/ 0 =E) 整流二极管 @( 中电流有效值即为变压器副边电流有效值,即: , $+, ($)* 8 , $+, *--$)* 8 : #(E : 0 ( -./ ) (/ 0 =/) 二、两相 ?@ F—DG &(% ’ (% 变换器的设计 软开关技术在 (% ’ (% 变换器中的应用已分别经历了谐振开关阶段、准谐振阶段以 · :2> · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 及软开关 !"# 阶段。其中前两个阶段共有的两大缺陷是: !谐振元件处于功率传输的主电路中,使得开关器件的电压、电流应力增大; "输出电压与开关频率有关,必须采用调频控制,因此不利于输入、输出滤波器的设计。 零过渡 !"# 技术出现后,受到人们广泛的重视。零过渡 !"# 变换器的主要优点是: !保留了 !"# 技术的优点,实现了恒频控制; "谐振元件与主开关并联,不参与功率传输,因此使主开关的电压、电流应力大大减小 了; #与以往的软开关变换器相比,能实现零开关条件的电源电压、负载变化范围更宽。 为此提出的两相 $% &($’() %)*+,-’ &(,./0+0).)!"#12 3 12 变换器是多相技术与零 电压过渡 !"# 技术相结合的产物。由于使用了多相技术,减少了输出电流的纹波,相对 地增大了输出功率。该电路的主开关是零电压开通的,主续流二极管是零电流关断的。 针对两相 $% & 4 !"#5678 变换器拓扑结构的特点和工作原理,推导了电压变换比、 主开关零电压开通条件等公式,并给出了辅助谐振电路元件参数选取的依据。仿真和实 验结果验证了推导的正确性和参数设计的可行性。 9 : 新型两相 $% & 4 !"# 变换器的拓扑结构及工作原理 图 ; 4 ;< 为此变换器的拓扑结构。对这种 5678 型两相 $%& 4 !"# 变换器而言,当一个 主续流二极管导通时,辅助电路开始工作,为相应相的开关器件提供零电压开通条件。为了使 辅助电路有高的工作效率,当辅助电路开始工作时,某一相的有源开关应该处于导通状态。换 句话说,占空比 ! 应大于 =:>。否则,如图 ; 4 ;< 中所示的辅助电路处理的功率约为 ! ? =:> 时的两倍,因而增大了辅助电路的损耗。因此,这种两相 $%& 4 !"# 变换器适用于需要电压 变换比高于 =:> 的场合。图 ; 4 >= 为该电路在 ! ? =:> 时的主要波形。鉴于以上原因,以下主 要对 ! ? =:> 时的工作原理以及电路特性进行详细的分析。 图 ; 4 ;< 两相 $% &—!"#5678 变换器 · 9@9 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ! ! " # $ 时,两相 %&’ ( )*+,-./ 变换器的工作原理如下:"0 时刻,主开关 12 关断,谐 振电容 32 以 #42大小的电流放电,使谐振电容 32 上的电压线性下降。 "2 时刻,主续流二极 管 &52 两端电压 $ 52降到 ",&52 开始续流。 "6 7 "8 阶段,谐振电流线性上升阶段。 "6 时 刻,辅助开关 19 开通,谐振电流 %:9流经 592,并且 &; < ’ 9 的斜率增大。 "8 时刻,%:9开始大于 # = 42,主续流二极管 &52 断开,谐振电感 :9 与谐振电容 32 开始谐振。谐振电容 32 两端的 电压以正弦规律上升,直到上升到 $ ;,被主开关 12 的反并联二极管钳位在 $ 1,为主开关 12 创造零电压开通的条件。在 "> 7 "$ 恒流阶段,由于谐振电感 :9 两端的电压被主开关 12 的 反并联二极管钳位为零,因此谐振电感 :9 中的电流保持恒定。在此阶段中的任意时刻开通 主开关即为零电压开通。但在辅助开关关断且谐振电感电流下降到 #42之前,主开关中并没 有电流流过。 "$ 时刻,辅助开关关断,辅助回路续流二极管 59 导通,谐振电感电流开始下 降,直到下降到负载电流 #42时,主开关 12 中才开始有电流流过。 "? 时刻,主开关 12 的电流 由零开始线性上升,谐振电感 :9 中的电流继续线性下降,直到 "@ 时刻下降到零。在 "@ 7 "A 阶段,由主开关 12 和 16 同时为负载提供能量。 6 # 电路主要特性 假设电路元件均为理想元件,且输出滤波电感 ’ 42、’ 46足够大,则可近似地将其看为 恒流源。但在实际电路中,输出的电流难免有纹波,这样 # 4 就会有一部分电流被 34 分 流。因此,设流过负载电阻 B4 的电流 # B4 C # 4 D ((" E ( E 2)。 (2)电压变换比 根据电感在稳态时的伏一秒平衡特性( 2 ’ !"’; &: F " C "),可推导出 ! ! "#$ 时该变换 器的电压变换比 ) 为: ) C &4 &; C 2( + 4 , * 6!-9 ) G 2 > G ""H )G ! (> ( ?$) # 式中:* C . 9 < . ;;B4 为负载电阻;-9 C ’ / 9 2 ,为谐振特 征 阻 抗;" " H C " H·. 9 C "H < 0 9。其中: .9 C 2 09 C 6! 2 #’ 9 / 2 ;. ; C 2 < 0 ;,为开关频率; "H 的含义如图 > ( $" 中所示。 当 !$" # $ 时,电压变换比可近似地用下式表示(推导从略): ) C $ $ 4 ; % ! G 0 IH 0; (> ( ??) 式中,0 IH为辅助开关的导通时间。 (6)主开关零电压开通的条件 · 2A6 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 图 ! " #$ % & $ ’ # 时的主要波形 为了能使主开关在零电压条件下开通,谐振电容的电压需在主开关开通信号到来时 上升到 ! (,即辅助开关需提前主开关一定的时间导通,为主开关创造零电压开通条件。 " )!!#* + !# ! , $%.&/’ + 0 !( - (! " 12) 式中:" ) 为辅助开关超前于主开关 30 开通的时间,!#* , #* "!#.,!#! , #! " #*。 将其归一化,得: " " )456 , ") "- , $)!!& / ’ + 0 ! 式中:" ")456为辅助开关提前于主开关开通时间的归一化临界值。 当 *#$ ’ # 时,使主开关零电压开通的条件是: " )! $%&/’ + . 0 $. 8- 将其归一化,得: (! " 17) (! " 19) " " 4:;456 , ") "- , $ <.!& / ’ + 0 . $. (! " 2$) * ’ 控制电路的实现 图 ! " #0 为该变换器控制电路的原理图。两相 <= > " ?@ABCDE 变换器两个主开关 的驱动信号相位相差 07$F,用两路幅值相等、相位相反的三角波正好可以实现这种关系。 · 07* · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " #$ 中的三角波发生器输出两路幅值相等相位相反的三角波 $、%,它们分别与控制 电压 ! & 比较产生两个主开关的控制信号,再将 $、% 路三角波与 ! ’ ’!!(!! 用来产生 辅助开关控制信号中超前主开关的部分 ())比较,经单稳电路和与门产生辅助开关的控 制信号。 图 ! " #$ 控制电路原理图 ! * 参数设计 由于 " + , #+ %!$ ,% + + , $ %!# + $ + (! " -$) 因此,对于该变换器而言,一旦选定了 #+、&,也就确定了谐振参数 " +、%(+ %$)。 对于该变换器的设计,应以使 ’ 的可调范围尽可能地大、’ 的线性度尽可能地好、 辅助开关的电流应力尽可能地小和开关器件的损耗尽可能地小为优化目标。 图 ! " #% 为 &、#+ 对该变换器 (— ’ 曲线的影响( $ . , /#&01)。其中,图 ! " #%(2) 所示的一族曲线是一族自上而下 3 由小变大的 (— ’ 曲线。可见,& 越大,’ 的可调范 围越大。从这个角度考虑,& 应适当地大。图 ! " #%(4)是一族自上而下 #+ 由小变大的 (— ’ 曲线。可见,#+ 越大,’ 的可调范围越大,同时,#+ 大于某个值后对 ’ 的线性度 以及 ’ 的可调范围的影响就不是很明显了。从减小谐振电感电流峰值的角度出发,#+ 也应适当地大。 图 ! " #/ 为自上而下 & 由小变大时的一族 (— ) )567曲线。可以看出,& 越大,为主开关 提供零电压开关条件所需辅助开关超前主开关 8$ 开通的时间也就越短,这样就允许占空 比的可调范围更大。 三、高可靠性混合集成 9: ; 9: 变换器(#< ; /=)的设计 0>%?@#8$# 是输出电压为 #<、电流为 /= 的混合集成 9: ; 9: 变换器,采用厚膜工 · $?! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " #$ !、"% 对 #— $ 曲线的影响 图 ! " #& 随 ’ 变化的 (— )*+,-曲线 艺、磁隔离方式进行混合集成,封装形式与 .-/0%12,-/ 公司的 345 系列相同。 6 7 电路方案 (6)主要技术指标 , 48$9:#;6# 的主要技术指标见表 ! " $。 表 ! " $ 48$9:#;6# 的主要技术指标 项目 参数指标 单位 项目 输入电压范围 输出电压 输出电流 输出电压纹波 69 < &= #7: & "#: 5 电压调整率 5 负载调整率 ? 效率 +5 工作温度范围 参数指标 ": 7 6#> ": 7 &> #9: > " ## < @ 9# 单位 A !!!!!!!!!!!!!!! · 69# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 单端正激型结构简单,元器件少。双端推挽型是将两个单端正激型合并,变压器工作 在第!象限和第"象限,提高了磁芯的利用率,消除了单端正激的不利因素。反馈隔离方 式有光电隔离和脉冲变压器隔离两种。光电耦合器受温度的影响大,频带窄;脉冲变压器 隔离的温度稳定性好,可靠性高,频带宽,是高可靠 !" # !" 电源变换器优先采用的方式。 本电路采用双端推挽变压器隔离反馈式,原理如图 $ % &$ 所示。 图 $ % &$ 双端推挽变压器隔离反馈原理图 (’)电路工作原理 双端推挽 !" # !" 变换器的基本电路结构及其工作波形如图 $ % && 所示。开关管 ( )*、( )’ 在 +,- 控制器的控制下交替导通,将变压器的初级电流和电压传递到次级, 经整流滤波后输出直流电压,调节 ( )*、( )’ 的导通 # 截止时间,可改变输出电压。双端 推挽 !" # !" 变换器的输出电压可表示为: !. / "!0 #1 #2 ($ % 3’) 式中:! .———输出电压,(; ! 0———输入电压,(; " ———整流管的占空比; # 2———变压器初级匝数,匝; # 1———变压器次级匝数,匝。 ’ 4 电路设计 (*)主要元器件 !" # !" 变换器的主要元器件是脉宽调制器 +,-、变压器、隔离反馈电路以及开关管 和整流管。56’78&9*& 的 +,- 选用 :"*7’&;,隔离放大器选用 :"*<8*,变压器和电感 选用 )!= 的 +"$8 材料系列的罐形磁芯。 · *7> · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " ## 推挽式变换器电路及其相关波形 $%&’(#) 是 电 压 * 电 流 型 +,- 控 制 器,输 出 峰 值 电 流 为 (),开 关 频 率 可 达 到 &-./,误差放大器的单位增益带宽为 &(-./,具有逐个脉冲电流限制、软启动和最大占 空比可设置等特点,可用于双端推挽 0% * 0% 变换器。 $%&12& 隔离放大器是一个脉冲幅度调制()-)电路,包括基准源、误差放大器、振荡 器及乘法器,最高振荡频率为 #-./。+%!2 系列是 304 公司的产品,其导磁率高,高频 损耗小。 (()开关频率定时元件计算 开关频率高,元器件的开关损耗大,影响效率!;开关频率低,不利于小型化。经过计 算和实验,开关频率定为 5226./。$%&’(#) 的定时元件电阻和电容由式(! " 7&)和(! " 7()确定。 式中:! 8———定时电阻,"; $ 8———定时电容,@; ! 8 9 5" &(2 & " # :;<) $ 8 9 & = > # ! ? 8% :;< (! " 75) (! " 7!) · &’7 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" ! !"#———最大占空比; " ———开关频率,$%。 (&)元器件设计 !变压器的设计。变压器是 ’( ) ’( 变换器的重要元件,主要技术参数是初次级匝 数比( # * $ + ) $ ,)和初次级的电感量( % +、% ,)。变压器的初级匝数和次级匝数由下式得 到: $ +! & -!"# ! !"# .’! (/ (0 1 23) $, * &4 5 &6 & -!-7 ! !"# 8+ (0 1 29) 式中:& -!"#———最大输入电压,:; & -!-7———最小输入电压,:; ’ !———饱和磁通密度,;; ( /———磁芯截面积,!.; & 6———整流管正向压降,:; & 4———输出电压,:。 "输出部分的设计。输出部分主要是输出电感 < 和输出电容 ( 构成的 <( 低通网 络,电感量和电容值由下式求得: %! &4 5 &(6 = 1 !) < ! !-7) 式中:!) <———电感脉动电流(一般取值 !) < *(=>? @ .3?)) 4!"#),A; ! !-7———最小占空比。 (0 1 22) * ! B !) < " & 4!"# 式中:!& C 4!"#———输出最高纹波电压,:。 #开关管和整流管。开关管的最大电流 ) D!"#由下式求得: ) +!"# *( ) 4!"# 5 !) . < )5 )E $+ $, 式中:) E———励磁电流,A; ) 4!"#———变压器最大输出电流,A。 开关管耐压为 整流管的最大峰值电流 )6E为: · =BB · & G!. & -。 (0 1 2B) (0 1 2F) (0 1 B>) www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" ! !"! ! #$%& ’ !! ) ( (* + ,-) 整流管的反向截止电压 " .."!) " /$%&。 本电路输出电压低、电流大,选用肖特基整流管。 (* + ,)) 0 1 可靠性设计 可靠性设计主要指对电路中的功率元器件进行降额设计和版图的热设计。 (-)功率元器件的降额设计 由设计公式计算出各元器件的实际要求数值,按降额等级(!级)选取元器件。 "磁性元件的设计。变压器和滤波电感是 23 4 23 变换器的主要发热源,承载着很大的 功率,本电路选用 526 的 73*8 材料系列的罐型磁芯。73*8 材料的主要参数如下。 导磁率:" 9 )088; 居里温度:# :!)-;<; 饱和磁通密度:$= 在 );<和 -88<时分别为 ;-88>%= 和 0?88>%=,电路设计中变压器 磁通密度的实际取值是 $= 9 -@88>%=,达到 A 级降额标准。 #整流管。肖特基二极管是以多数载流子工作的整流器件,具有很好的开关特性,它 的正向压降( " !)小,且随温度的升高而降低,可降低整流管导通损耗,有利于提高输出电 压低时 的 电 路 效 率。本 电 路 的 输 出 电 压 为 ;B,输 出 电 流 为 0C。因 此,选 用 肖 特 基 -D 5 E8*;,它的最大电流( ! !.")为 -8C,反向重复峰值电压( " ..")为 *;B,符合!级降额 标准。 $开关管。功率 "DF!G5 具有开关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击穿现象、 过载能力强、抗干扰能力强等优点,广泛地用于高频开关电源。 当输入电压为低压 -,B 时,流过开关管的峰值电流取 ! H 9 0C;输入为最高电压 0@B 时,源漏电压 " 2F 9 ) I 0@ 十 J 尖峰(J 尖峰是由变压器漏感产生的)。 选用 A.!@08,最大漏极电流 ! 2 9 ?C," 2F耐压 )88B,符合!级降额设计。 ())版图的热设计 只有减小热阻,提高效率,才能提高电路的可靠性。电路的发热元器件主要是开关管 ( " D F !G 5)、变压器、整流管和电感等,设计上从三个方面采取措施: "在版图上合理分布热源,将以上元器件分开摆放; #采用新工艺,减小热阻,开关管、整流管采用再流焊工艺,粗铝丝压焊,变压器、电感 器和基片采用导热胶粘接; $基片材料选用高导热率的基片,增加热传导。 · -,? · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" (!)工艺技术 电路采用厚膜交叉布线工艺、导带双层金加厚工艺,焊接区设计为钯银("#$%)加厚, 采用 & ’() * () 全金属缝焊平行封装,它的气密性好,封装时不产生金属异物。"+,- 通 过率高于锡封焊,可靠性高。 设计版图时要充分考虑组装工艺,合理的版图设计可减小深腔组装的技术难度。 变压器和电感器是 -. / -. 变换器的重要元件,绕制时,应严格控制匝数和电感量, 保证将误差限定在一定的范围内,以满足电路的要求。 四、-. / -. 变换器的多路输出技术 ( 0 -. / -. 变换器多路输出技术的实现方法 实现 -. / -. 变换器的多路输出一般包含三个步骤: !选择变换器的主体结构。隔离式 -. / -. 变换器由于其输入、输出端被变压器隔 离,因此可以利用增加变压器二次绕组的办法实现多路输出,其中正激式和反激式变换器 由于其结构简单、可靠性高而获得了广泛的应用。 "确定变换器的控制变量。这是变换器多路输出技术的核心部分,因为控制变量的 选择直接决定了多路输出变换器的整体稳压效果。设变换器的输出支路个数为 ! ,控制 变量个数为 " ,欲使每个输出都能精确调节,则必须 " ! ! 。 #确定各输出支路的稳压技术。 1 0 多路输出 -. / -. 变换器的分类 从变换器对各支路输出电压调节的效果来划分,多路输出 -. / -. 变换器可分为两大 类: !交叉调节式。在这种变换器中,由于所取控制变量较小,只有一条或几条支路的输 出电压可以达到精确调节,其余支路的稳压精度则较低。 "精确调节式。在这种变换器中,所有输出支路的稳压精度都较高。 ! 0 几种典型的多路输出 -. / -. 变换器 在此,我们以正激式变换器(略去复位绕组)为例进行分析。 · (2) · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (!)交叉调节式 !耦合电感式。早期的多路输出变换器,通常是由多绕组变压器提供多路输出,只对 其中的一个主要输出进行闭环控制,多采用反激式电路,结构简单、成本低。但是,由于其 非主要输出的误差较 大,从 "# 世纪 $# 年代末开始,人们逐渐采用了图 % & ’( 所示的电 路结构,其输出 )*" 不仅由变压器调节,而且还受到 +!、+" 两个耦合电感的影响。也就 是说,变压器和耦合电感共同完成对 ! *"的调节。 这种变压器的优点主要是对非主要输出的调节有了一定的改善,尤其在动态响应速 度方面有了较大的提高;缺点主要是由于变压器与耦合电感的漏感和绕组电阻的存在,除 主输出 )*! 之外的各输出支路仍存在较大的交叉调节误差。此外,! *"不能太低,一般为 "#, 左右。此例中," - ",# - !,无法使每条输出支路都得到精确调节。 "加权反馈式。为了使变换器的各输出支路都得到一定程度的调节,可以对图 % & ’( 所示变换器的输出支路进行加权反馈控制,一种电压加权反馈式电路如图 % & ’$ 所 示。我们可以通过迭代的方法寻找合适的加权系数,使每一路输出电压都处于一定范围 之内,否则就需要降低设计要求或重新设计。 图 % & ’( 耦合电感式多路输出变换器原理图 图 % & ’$ 电 压 加 权 反 馈 式 多路输出变换器原理图 这种变换器的优点主要是变换器输出支路的整体稳压精度有所提高,电路结构比较 简单,输出电压最低可达到 ’, 左右;缺点主要是由于反馈信号是每路输出的加权和,因 此所有支路的输出均无法得到准确调节,它只是通过控制加权系数改变输出误差在各支 路的分配比例,而不能消除误差。此例中," - "、# - !,仍然无法使每条输出支路都得到 精确调节。 (")精确调节式 精确调节式变换器中,控制变量足够多,每路输出的稳压精度都较高。这一部分将分 析三种典型的此类变换器。 !磁放大器式。自 "# 世纪 .# 年代以来,由于高频磁性材料的发展,在多路输出的高 · !/! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 频开关电源中使用高频可控饱和电感(磁放大器)作为其中一路的输出调节器成为可能, 并在 !" 世纪 #" 年代末逐渐成熟起来。图 $ % &# 给出了磁放大器式多路输出变换器的原 理图,其中 ! ’(是主要输出,由 )*+ 脉宽调制反馈;! ’!为非主要输出,经磁放大器反馈 调节,由可控饱和电抗器 ,- 和控制电路组成。高频变压器二次侧串接 ,-,再接到整流管 ./0 和 ,1 输出滤波器 2 设 ,- 的铁芯磁滞回线具有很好的矩形特性,,- 相当于一个“可 控磁开关”。当铁芯的磁工作点沿 "— # 回线增磁时“,磁开关”相当于开路;,- 铁芯进入 饱和“,磁开关”相当于短路,其复位(指磁通到达饱和后的去磁过程)由误差信号放大电路 和复位电路产生的复位信号控制,改变了加到输出滤波器的电压脉冲宽度,从而调节输出 电压 ! ’!。 图 $ % &# 磁放大器式多路输出变换器原理图 这种多路输出 /1 3 /1 变换器适用于输出电流为一至几十安的场合。其优点主要是电路 简单、可靠、高效,可以精确地调节输出电压;缺点主要是由于非线性元件的存在‘反馈回 路的设计较为困难。此例中,$ 4 % 4 !,实现了每路精确稳压。 !同步整流器式。从 !" 世纪 5" 年代开始,人们尝试在变换器各输出支路上加辅助 开关以消除各支路间的交叉调节,从而达到每路稳压的目的。但这些变换器不是稳压效 果不理想,就是结构复杂、体积大、效率低,无法适应实际需要。而且,现在某些通信二次 电源要求采用低电压、大电流的供电方式,有的供电电压甚至低至 (. 左右,这样就导致 了噪声裕度的要求。同步整流技术的出现,恰好顺应了这个要求,!" 世纪 #" 年代末,人 们开始把同步整流技术应用于多路输出变换器,目前已经取得了比较理想的效果,图 $ % &6 示出了其中的一种。 由于该变换器的各输出支路结构相同,因此图中只画出第 & 条支路。其中 .7,为 +89: 7;- 主开关,.7<(、.7 ? @ ; A*9B$。留出的磁芯气 隙宽度! ? @ ; %’BB;骨架有效宽度为 $*BB。初级绕组采用 @ ; %BB 漆包线绕 AA 匝,反馈 绕组用 @ ; %BB 漆包线绕 = 匝。次级绕组有两种绕制方法:一种是分离式绕法,另一种是 堆叠式绕法。表 . 0 ( 列出了二者的优缺点,可供参考。图 . 0 *% 分别示出它们的结构。 分离式的每个绕组上仅传输与该路特定负载有关的电流。因 % 个次级绕组互相独立,故 在确定各绕组的排列顺序上有一定灵活性。现考虑到 (+($C)和 /$+(/ ; $C)输出绝大部 分的功率,因此可将这两个绕组中的一个靠近初级。最佳排列顺序是先绕 (+,再绕 /$+, 最后绕 %@+,使次级各绕组之间耦合最好,漏感最小。反之,若将 %@+ 绕组紧靠初级,由 · /=A · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 于 !" 及 #$" 漏感较大,就会降低电源效率,并且增加干扰。 图 % & ’( 次缓绕组的两种绕制方法 绕制方法 分离式绕法 表 % & ! 次级绕组两种绕法的比较 优点 缺点 排列具有灵活性,可将输出电流 较大的某一路输出靠近初级,能 把漏感引起的能 量 损 失 减 至 最 小 !因漏感较大,在输出滤波电容上会产生峰值充电 效应,导致轻载下的负载调整率变差;"制造成本较 高;#骨架上的引脚较多(共 ’ 个) 堆叠式绕法 !能加强磁 耦 合;" 能 改 善 轻 蓑 时的稳压性 能;# 骨 架 上 的 引 脚 较多(共 ’ 个);$制造成本低 !电压最低(或最高)的绕组须靠近初级:"为降低 大电流时的漏感缺乏灵活性 堆叠式绕法是变压器生产厂家经常采用的方法。其特点是由 !" 绕组给 #$" 绕组提 供部分匝数及接地端,而 ()" 绕组中则包含 !"、#$" 绕组和新增加的匝数。各绕组的线 径必须满足该路输出电流与其他路输出流过它上面电流总和的要求。堆叠式绕法的技术 先进,不仅能节省导线,减少绕组体积和降低成本,还可增加绕组之间的互感量,加强耦合 程度。举例说明,当 !" 输出满载,而 #$" 和 ()" 输出轻载时,由于 !" 兼作 #$"、()" 的 · #+* · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 一部分,因此能减小这些绕组的漏感,可以避免因漏感使 !"# 和 $%# 输出电路中的滤波 电容被尖峰电压充电到峰值(亦称峰值充电效应),而引起输出电压不稳定。堆叠式绕法 的不足之处是在确定哪个次级绕组靠近初级时,灵活性较差。现将 &# 绕组作为次级绕 组的始端。 在绕制时,特别推荐将多股导线并联后平行绕在骨架上。这样,能保证良好的覆盖 性,增强初级与次级的耦合程度。 在计算次级各绕组的匝数时,可取相同的每伏匝数”。每伏匝数 ! ’,由下式确定: !# ( !) " *! + " ," (- . /$) 单位是匝数 0 伏。将 ! 1 ( - 匝," *2 ( &#," ," ( % 3 -#(肖特基整流管压降)代入上式得到, ! # ( % 3 4- 匝 0 伏。由此可计算其他绕组的匝数。 对于 !"# 输出,已知 " *" ( !"#," ," ( % 3 4#(快恢复整流管压降),因此 ! !" ( % 3 4-5 (!" + % 3 4)( 6 3 - 匝,实取 6 匝。 对于 $%# 输出,因 " *$ ( $%#," ,$ ( % 3 4#(硅整流管压降),故 ! $% ( % 3 4-(5 $% + % 3 4) ( "" 3 4 匝,实取 "" 匝。 在选取输出整流管的参数时,应遵循以下原则:管子的额定工作电流( # ,)至少为该路 最大输出电流的 $ 倍;管子的最高反向工作电压( " 78)必须高于最低耐压值( " 7)。根据 上述原则所选输出整流管的型号及参数见表 - . 9。由表可见,所选整流管的技术指标均 留有一定的裕量。 表 - . 9 各路输出整流管的选择 输出电压 &# !"# $%# 规定指标 最大输出电流(:) 最低耐压(#) " 3 %: $%# ! 3 ": 4%# "%=: !4%# 型号 8;74-& 8 <7-"% < ,-%%- 整流管型号与参数 #(, :) " 78(#) 4 3 /: -&# - 3 %: "%%# ! 3 %: -%%# - 3 多路输出单片开关电源的改进方案 图 - . 9" 为开关电源电路,仅从 &# 主输出上引出反馈信号,其余各路未加反馈电 路。这样,当 &# 输出的负载电流发生变化时,会影响 !"# 输出的稳定性。解决方法是给 !"# 输出也增加反馈,电路如图 - . 9- 所示。在 !"# 输出端与 > ?-$! 的基准端之间并上 电阻 79,并将 7- 的阻值从 !%@! 增至 "!@!。由于 !"# 输出亦提供一部分反馈信号,因 · !66 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 此可改善该路的稳定性。在改进前,当 !" 主输出的负载电流从 # $ !% 变化到 & $ #%(即从 满载电流的 &!’ 变化到 (##’)时,(&" 输出的负载调整率 )( * + &’ ,经改进后 )( * ( $ !’ 。改进前后的负载特性曲线如图 , - .! 所示。下面介绍 (&" 输出的反馈电路设计 方法。 图 , - ., 由 !" 和 (&" 输出同时提供反馈的电路 图 , - .! 改进前后负载特性曲线的比较 (&" 输出的反馈量由 /. 的阻值来决定。假定要求 (&" 输出与 !" 输出的反馈量相 等,各占总反馈量的一半,即反馈比例系数 ! * !#’ 。此时通过 /.、/, 上的电流应相等, 即 " /. * " /,。 0 1,2( 的基准端电压 # /34 * & $ !#"。改进前,全部反馈电流通过 /,,因 此: · &## · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" ! !" # " $% & " !’( !" # ) & *+) %, - %," # *)(, !.) 改进后,),/ 的电流从 !0 上通过,即 ! !0 # *),!. 1 * # %*)!.。!0 的阻值由下式确 定: #0 # " $* & " !’( ! !0 (" & 2") 将 " $* # %*3," !’( # * + ),3,! !0 # %*)!. 代入(" & 2*)式中得到 # 0 # 405",可取标 称阻值 4)5"。由于 ! !"已从 *),!. 减至 %*)!.,因此还须按下式调整 !" 的阻值: 将 " $% # )3," !’( # * + ),3,! !"6 # %*)!. 代入(" & 2))式中,得到 !" # *,5"。考虑到 接上 !0 之后,)3 输出的稳定度会略有下降,应稍微增大 !" 阻值以进行补偿,实取 # " # *%5"。 需要说明两点: #7!),/ 时,可按下式计算 !0 的阻值: #0 # " $* & " !’( $ - *), - %, & 0 (" & 20) $参照上述方法还可以给 8,3 输出增加反馈电路。 第四节 变换器的发展趋势 一、软开关高功率密度 9: 1 9: 变换器的发展动态 自 *, 世纪 2, 年代中期起,采用 ;<= 控制技术的高功率密度 9: 1 9: 变换器模块走 进了世界市场。 如 今,已 广 泛 应 用 在 各 种 领 域 中。 国 外 将 它 们 称 为 第 一 代 高 功 率 密 度 9: 1 9: 变换器(以下简称第一代产品)。第一代产品对电子系统的小型化、高可靠及高 性能起到了关键作用,并做出了很大贡献。正是由于第一代产品的出现,推动了先进的分 布式电源系统的建立和发展。但由于 ;<=9: 1 9: 变换器和变压器等的磁性元件和滤波 器仍占据了大部分体积,工作频率大都因各种原因被限制在数百千赫范围内,这些都是先 天不足之处。世界市场上,计算机、电子仪器和通信领域正以极快的速度发展,军用武器 装备频频更新换代,形成了对 9: 1 9: 变换器需求的急骤增加。这种局面造成了迫使 9: 1 9: 变换器在大大超出第一代产品设计能力的情况下来满足市场需求的艰难处境,同 时也不断明显地暴露出它们在设计上的各种缺陷。为满足市场更高要求,从一定意义上 · *,% · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 说,!" # !" 变换器的设计思想除了脱胎换骨、推倒重来之外,别无他法。 $%%& 年,在已进行了将近 ’( 年的世界范围的软开关基础理论研究之后,美国 )*+,开关电源公司最先推出了 ). / ’(( 系列软开关高密度 !" # !" 产品。)*+,- 公司称自己 的产品为第二代高功率密度 !" # !" 变换器(以下简称第二代产品)。一年以后,即 $%%0 年,). / ’(( 系列产品由于性能优异而受到普遍欢迎,获得了美国有影响的专业杂志 123+4-,5*+ 6-,78+49 第二十二届年度最佳产品奖。 第二代产品是以 )*+,- 公司有专利权的零电流开关(:";)和零电压开关(:);)软开 关控制技术为基础,结合了控制集成、封装、铁氧体、噪声和散热技术等方面的最新成果, 产品达到了与理想功率器件极为接近的境地。第二代产品与第一代产品相比,功率密度 增加了两倍,即为 $<(= # *5’。第二代产品的出现预示着它们将是 !" # !" 变换器未来的 主流产品。 $ > 高功率密度 !" # !" 变换器的发展现状 !" # !" 变换器是两大类开关电源中的一个大类,另一类是 ?" # !" 变换器。通常,人 们习惯将 @(() 或 <’() 工频经 ?" # !" 变换器变换为 @0) 直流的电源称为一次电源;将 @0) 直流经 !" # !" 变换器变换为 A $<),A B) 等的电源称为二次电源。这两类开关电 源在计算机、电子仪器及通信系统中应用极广。世界市场上目前仍以 6=C 型 !" # !" 产 品为主流产品。目前,对开关电源产品的基本要求是高可靠、高稳定和实现模块化(可热 更换)。 全球开关电源制造商约 B(( 多家,据国外公司预测,到 <((( 年全世界开关电源产值 可达到 $DD 亿美元,从 $%%< 年(销售额为 0@ 亿美元)到 <((( 年,年平均增长率达 $(E 。 据预计,到 <((@ 年,!" # !" 变换器将占开关电源市场的 <@E ,?" # !" 变换器占 &DE 。另 外 > 世界 !" # !" 市场对高功率密度产品的需求明显增加。$%%& 年,高功率密度 !" # !" 在 !" # !" 开关电源总产量中所占的比例已达如表 @ / & 所示的百分数。 表 @ / & 高功率密度 !" # !" 在 !" # !" 开关电源总产量中所占的比例 通信产业 B& 军事、航天 B( E 计算机及外围设备 ’’ E 工业 <% E 世界市场上电子设备向高性能、高可靠以及小型、轻量化发展造成了对高功率密度 !" # !" 产品如此之大的需求。为使 !" # !" 变换器满足市场需求 > 产品的轻、小、薄以及 高频化(开 关 频 率 提 高 到 CFG 级)是 必 然 发 展 趋 势。但 是,高 频 化 却 能 造 成 传 统 的 6=C!" # !" 变换器功耗加大、效率降低及噪声增加,无法达到高频、高效的预期效益。 · <(< · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 谐振开关的概念奠定了谐振变换器技术的基础。将零电流谐振开关或零电压谐振开关代 替 !"# 变换器的功率开关可得到一种准谐振变换器。美国的 $%&’( 公司最先使该软开 关技术实用化,首批推出 $) * +,, 系列(指该系列变换器模块额定输入是 +,,$)三种型号 的零电流开关高功率密度 -. / -. 变换器,极受用户的欢迎。目前 0 美国 $%&’( 公司、加 拿大北方电信公司、日本的 123%& * 4536 * 75 均开发出了软开关开关电源产品。我国台 湾也有 8 家厂商从事软开关和谐振技术的开发研究。我国原电子部第 8+ 研究所 9::; 年 成功通过了“<=>?@A,B 型谐振式 -. / -. 变换器”的设计定型鉴定。这是中国自己设计 制造的第一只采用零电流、“准谐振”软开关正激电路控制的高功率密度谐振式 -. / -. 变换器。展望 ?9 世纪,软开关高功率密度 -. / -. 变换器无疑将是主流产品。 ? 0 第二代高功率密度 -. / -. 变换器的技术特点 如前面所述,美国 $%&’( 开关电源公司首先向市场推出了采用软开关技术的 $) * +,, 系列 -. / -. 变换器。与第一代采用 !"# 控制技术的 $%&’( 公司的 $) * ?,, 系列相比, 功率密度增大两倍,元器件总数量仅为原先的 9 / +,售价仅为第一代产品的 9 / ?,达到了低 成本、高性能、高功率输出的目的。 第一代产品在近 ?, 年来为电子系统的小型化做出了很大的贡献,同时与分立式电源 相比也有很多的优点,如缩小了体积,缩短了生产周期。因为 !"# 技术的控制能力强、 电路简单、使用方便,所以在世界的开关电源领域内得到了广泛的应用。 但是第一代产品在设计上只在 B, C ?,,DEF 频率范围内可达到最佳的性能价格比, 用高频化实现其进一步缩小体积、增加功率密度已是不大可能了。例如,在作为典型第一 代产品的 $%&’( 公司的 $) * ?,, 系列 -. / -. 变换器中,已经使用了当代主流电子组装技 术———表面组装技术,但是所用的磁体结构未变,仍然是 +, 年来一直沿用着的磁罐及老 通信设备中继承下来的那套结构。那套结构是用于进行信号处理而不是用来进行功率变 换的,不仅影响了功率密度的提高,还增添了噪声。影响了散热。再有,用 GH * ??, 封装 的开关器件给组装方案带来不便,并且它们易受过量寄生电感、电容的影响,又一次生成 高噪声电平。 第一代产品在实际应用中被放宽使用,勉强地尽力满足通信、工业、军用地面装置、高 中范围的电子数据处 理( I-!)以 及 可 承 受 用 户 修 改 设 计 的 其 他 方 面 的 需 求。 当 向 较 低 档、大批量 I-! 以及商业用设备扩展应用时,功率密度、牢固性、成本、生产周期引起的不 适用性比较明显。 为克服第一代产品的局限性,$%&’( 公司以有专利权的 J.A / J$A 高效、低噪声、高频 电源变换技术为基础,对电源模块的控制部分、磁体部分及模块中带封装的器件全部重新 · ?,+ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 设计,如图 ! " ## 所示,使制成的第二代产品 $% " &’’ 系列 () * () 变换器功率密度高达 +,’- * ./&,额定输入电压为 &’’$,输入范围为 +0’ 1 &23$。预先调配好 4 种输入电压范 围和 4 种输出电压范围,必要时,可以用电阻器上调或下调输出电压。专用型号可以在 ()! 5 3 1 !3’$ 的任意输入电压范围内调整,并可以在 ()+ 1 +’’$ 任意输出电压范围内 调整。功率最大可以达到 #’’-,最小为数瓦。 图 ! " ## $% " &’’ 系列软开关电源电路示意图 $% " &’’ 系列 () * () 模块为两排引出结构,引出端既适用于表面组装,也可直接插 入插座。工作温度范围为 " 336 1 ++76。其他指标还包括 ’ 5 +8 的满载—无负载调整 率,+’8 1 +’’8 的可编程输出,根据电压的组合和选用的功率大小,转换效率高。 图 ! " #2 对 $% " &’’ 系列软开关 () * () 变换器的新型变压器与第一代产品用变压 器的结构进行了比较。 图 ! " #2 $% " &’’ 系列软开关 () * () 变换器的新型变压器与“第一代产品”用变压器的结构比较 $% " &’’ 系列采用有专利权的低噪声集成功率器件(%9(),使寄生效应也降低一个数 量级。%9( 被焊在 ’ 5 3:: 厚度的导电、导热的初级、次级线圈屏蔽上,屏蔽直接插在接地 的铝底板上。;7<=>? 芯片至底板的散热性能也有改进,取消了数层布线加上改用聚酰 亚胺薄膜材料,并不再使用法拉第屏蔽。热通道缩短有助于减小从结到底板的热阻,该热 阻已从第一代产品 $% " ,,’ 系列典型的 &6 * - 减至 $% " &’’ 的 + 5 36 * -。 $% " &’’ 系列软开关 () * () 产品现已供货的三种典型产品的具体特点是:微型, ;@AB%$!0)+,)+3!、+3’-() * () 模块,尺 寸 仅 是 第 一 代 同 类 产 品 的 + * &,可 接 收 &# 1 23$()的输入,提供 +,$()的输出;小型,;@ABC$!0)+,)+3’D!’’-() * () 模块,尺寸比微 型的宽 + 5 3 倍,输入为 ()&23$,输出为 ()3$;全型,即全尺寸(! 5 # E , 5 , E ’ 5 3./& ), · ,’! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !"#$%&’()*+,-.//*.//01- 2 1- 模 块,长 度 为 小 型 的 两 倍,输 入 为 1-’()&,输 出 为 1- *, &。以全型外壳尺 寸 进 行 比 较,第 二 代 产 品 在 相 同 的 外 壳 尺 寸 下 使 功 率 从 原 先 的 &3 4 5// 的 5//0 提高到了 .//0,功率密度提高显著。 集成电路向超大规模、超高速方向发展,计算机等信息处理系统以及通信系统的体积 尺寸越来越小,这就要求电源的体积尺寸与系统相适应。对航空、航天、潜艇、工业机器人 等典型应用场合,电源的体积尺寸小型、轻量化的要求更为明显,这就要求继续提高 1- 2 1- 变换器的功率密度。软开关高功率密度 1- 2 1- 变换器的出现,使开关电源技术又前 进了一大步。 软开关谐振变换器也同时存在着控制电路复杂、功率开关器件承受的峰值电压电流 比 60! 大、谐振网络 7- 有功率损耗以及高频工作受寄生参数的影响很大等难题。目 前国际上正积极研究改进的方法,例如恒频谐振变换器、多谐振变换器、准方波零电压变 换器等。 二、1- 2 1- 变换器改进封装,向高输出电流方向发展 分布式电源系统的日益普及,将推动 1- 2 1- 变换器成为电源供应业中发展最强劲 的产品。嵌入式 1- 2 1- 变换器正向更高电流、更少 !58损耗和改进封装的方向发展。 目前许多高速系统的工作电压范围都为 9 : ’ ; ’&,这可以认为是一设计常数。现在 的关键是提高系统输出电流到最高水平,紧接着是瞬态响应和封装。电流传输、电流密 度、# " 2 # # 响应和同步整流等均是今天关注的主要问题。 温度因素的考虑推动了封装技术的进步。用户,特别是通信领域的用户,对 1- 2 1变换器提出了更高的要求:能在尽可能高的温度上保持全额定输出而无减载运行,同时更 具价格竞争力。因而,越来越多的开放式结构设计出现了。供应商们推出许多此类产品, 大多数采用业界标准的砖尺寸封装和管脚主要为隔离型电源。产品包括从 )/* 输出电 流 9 2 , 砖到 % 2 + 砖变换器,以及 ,/* 输出电流半砖变换器。 9 ; 9 2 , 砖变换器 9 2 , 砖交换器封装设计的目标是使变换器能在通信应用的外部温度环境中实现全额 定输出,即工作在 (/<度以下,没有外部冷却装置。 许多公司都在计划开发 9 2 , 砖变换器,它被认为是电源系统设计的一个新规范,但目 前仍处于中间状态,尚无一个实际标准。 &=>"? 公司的 6"@$?AB=>C 是这个领域内美国的 第一款产品,输出功率为 ()0。 · 5/) · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !"#"$%&’( 公司将于近期在其远东工厂生产 # ) * 砖 +! ) +! 变换器。该变换器的规格是 , - ,* . / - * . / - 01&20,用于网络和网络集线器。其输出电压为 3 - *4、, - 54、0 - 04,输出电 流为 35 6 ,/7。部分 +! ) +! 变换器见表 8 9 *。 表 8 9 * 部分 +! ) +! 变换器一览表 公司名称 产品系列 封装尺寸 输出电压 输出电流 参考价格 !"#"$%&’( +$%"# 7?#"$@2 D?E"F G"#’EH !:;8/ =;> A>B5/ :> 3)8 3)* 砖 3)8 砖 3)8 砖 3)8 砖 3 - ,4,3 - *4,, - 54 3 - *4,, - 54 - 0 - 04 8/7 5 6 ,/7 <5! 5, 3-, 6 3-*4 ,/7,0/7,8/7 15! 3 - *4,, - 54,0 - 04,54 ,/7 ) , - 54 1C! 5/7 ) 3 - *,857 ) ,54, 3 - *4,, - 54,0 - 04 C5! 8/7 ) 0 - 04 ;@2>E? IEJK>E?>G7G G @"E 7; G A! LMN 9 /3 ) 8 砖系列 中。其输入电压为 3,4、,84 或 8*4,输出电压范围为 3 - , 6 354,输出功率为 5/N,工作 电流接近 ,/7。管脚兼容性是该设计的最大特点。在 , - ,* P/ - <*&2, 封装中,可以使之成 为 3 ) 8 砖管脚。3 ) * 砖封装支持许多系统选项。用户可以采用两个 3 ) * 砖封装来形成一 个 3 ) 8 砖封装,包含有两个独立的输出或者采用四个 3 ) * 砖封装形成半砖封装。所有这 些单元都有独立的控制回路。+Q ) +G 公司设计的 3 ) * 砖变换器的输出功率为 5/N,并可 能采用 3 ) 8 砖管脚。 , - 3 ) 8 砖变换器 3 ) 8 砖封装(该封装面积约为 , - 0 P3 - 85&2,)和半砖封装是目前 +! ) +! 变换器研究最 多的。竞争集中在快速研制出具有最大输出电流、能在工作温度以上保持全额输出的产 品。越来越多的变换器采用同步整流结构,这意味着转换效率可以达到 C/R 左右。 7?%"$@2 科技公司推出的 3 ) 8 砖同步整流、开放结构模块的 AB>5/ 系列只有 / - 8&2 厚,输出电压为 3 - *4、, - 54、0 - 04、54,输出功率为 5/N,最大电流达 ,/7(输出电压最大 为 , - 54)。它适用于 9 8/S 6 C/S工作环境。与其他变换器相比,AB>5/ 系列能在低气 流或自然对流条件下传送更多有用功。7?%"$@2 公司早期发布的 AB>1/ 是双输出 3 ) 8 砖 · ,/1 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 封装,输出功率为 !"#。输出电压为 $ % $& 时最大输出电流为 ’(),(& 时输出电流为 ’*)。另一款低电压高电流产品是 +, - +. 公司的 /012.$" - 3$"," % 2& 型输出电流为 $")。 4565789:; 最近发布 /<31" 系列 ’ - 1 砖封装产品,输出电压为 ’ % *&、’ % 2& 及 * % (&,输 出电流达 1"),’ % 2& 型效率可达 2=> 。 3?@ABC 公司新发布 DBE5CABC /8; .5C; 系列产品,输入电压为 12&,输出电压为 ’ % * F * % (& 时其输出电流为 1"),$ % $& 时输出电流为 $(),并不需要散热片。在 ((G时这些变 换器能够实现全额定输出($""—0HI 气流)。 +;856 公司的 ’JJ# 单输出 K3/ 系列产品也是 ’ - 1 砖封装,有 !( 种型号,输入电压 为 *1& 或 12&,输出电压范围为 ’ % * F ’2&,输出电流为 *")、$") 或 1")。其优势在于较 宽的电流、电压、输入电压和输出电压比以及低廉的价格。它可以提供半砖封装的典型输 出电流量、输出功率和性能。("> F =(> 负载时变换器的瞬态响应为 *""!7 L ’> 。线性 与负载调节为最大 L " % "(> ,峰—峰值噪声为 ("M&。在 N 1"G F !"G 范围内变换器能 够实现全额定输出,而不需要散热片。加上散热片后,工作温度范围可以扩展到 ’""G。 平均无故障时间大于 * % ( 百万小时。 控制电流密度和输出电流意味着降低 !*O功率损耗以提高功效和减小温度的影响。 PCB;QR;@Q .56:BM DBE5C 公司在其 。 .?:B 公司的半砖 U<#6$$# 系列是第一款用于宽带无线和光网络市场的 +4 - +4 双 输出变换器,( - $ % $& 型或 $ % $ - * % (& 型变换器输出电流为 ’!)。 )785: 电源公司推出了第一款 2") 半砖变换器 )0<2" - )W<2" 系列产品。该系列有 · *"= · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 三种型号,其输入电压为 !"#,输出电压分别为 $ % &#、$ % ’# 和 $ % "#。它包括开放结构的 ()*"+ 型号和带有散热片适配器板的 (,*"+ 型号。两者都适用于许多领域,如无线基 站、集线器、路由器和仪器仪表等。 ! % 其他封装的变换器 小型分布式低电源和 ! - . 型体系结构的发展,使较大尺寸封装转换器的用户越来 越少。/0123 4 052 公司 &++$ 年推出的 6789 : ! 砖(面积为 & % !’ ;9 % !’<5&)变换器是为数 不多的用于分布式电源的较大尺寸封装产品,输出电流为 $++(,输出功率为 $’+=,扩展 了原先定义的集中低功率体系结构。 市场对全砖(其面积为 ! % > ;& % ’<5&)变换器的需求还是比较大的。&++& 年就有一些 用于 ’++= 应用的新型变换器推出。 ?30@AB@5A 62.C0D /0123 公司推出了比全砖尺寸封装稍大的产品。这款产品输出功 率为 E>+=,输出电流为 $"’(,采用了平板变压器技术。该产品为共享电流、多模块方案 的单个高可靠性替代产品。 除了用于各种计算机和桌面电源体系结构的砖尺寸封装,非标准尺寸封装变换器也 在进行竞争。这类产品通常是不需要全额定输出砖封装 FG : FG 变换器的廉价替代品。 非砖尺寸封装正在相互整合以形成几种标准的尺寸和管脚。新推出的产品有 &+ 种以上, 包括 F@H2. 公司的 I*, 系列 &+( 型、(JH30AK52 公司的 LFG>+。单输出和双输出电压范 围为 9 % 9 M $’#。(JH30AK52 公司 G0JHCNHH23 系列产品面积为 9 % &’; + % O’<5&,输出功率为 >+=,但在 ’E+)LP 的条件下,温度在 O$Q以上时性能会下降。 三、FG : FG 变换器发展趋势 为了以更低的功耗获得更高的速度和更佳的性能,半导体器件正在向 $# 工作电压 发展,这也对 FG : FG 变换器提出了更高的要求。由于便携产品将率先采用 $# 工作电 压,因而对电源效率和功率密度的挑战显得更为严峻。除了需要增添更多的功能外,还需 要延长电池的使用寿命,并缩小系统体积。随着便携系统内部功能的增多,如更高的内 存、更快的处理速度、因特网访问带宽更高,对电源的要求也相应提高。电源效率的改善 则意味着新一代便携系统需要承受指数级增长的电流,系统体积小,散热能力差,更容易 产生过热。因此系统散热成为令人关注的问题。在 " 0NH R $# 的电压下维持较高的电效 率是非常困难的。如果输入和输出电压之间的差值增加,更难获得高性能。为此,必须找 到适合高性能、小体积、长时间运行的便携系统的方案。 · &+" · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 笔记本电脑就是要求低工作电压的便携系统之一。这些系统的核心 !"# 的 $! % $! 应用系统要求 ! &’ ( ) * +, 和 ! -./ ( + * 0, * 输出电流通常高达 +12,因而倾向于采用 +, 工作电压来减少功率消耗。低功率的便携系统可能会首先采用 ! -./ ( +, 的电压,如 "$2 这类手持便携系统对功率耗散的增加极其敏感,这些装置通常尺寸极小,随着功能 的不断增加,散热成为首先要解决的问题。 + * +, 电源面临的挑战 许多便携系统采用同步补偿 $! % $! 拓扑结构。但是,随着输出电压不断降低以及 输入电压与输出电压比值 ! -./ % ! &’的增加,设计高效变换器变得越发困难。由于 ! -./ % ! &’与 $! % $! 变换器中功率 345678 的负载周期成正比,输出电压降低得越多,同步 678(, 8))的导通时间便越长,开关损耗对控制 678(, 8+)的影响就越大。目前,某些系 统同步 678 的负载周期已接近 91: ,控制 678 接近 1: 。如果控制 678 的负载周期进 一步降低,将很难控制 $! % $! 变换器,而同步 678 的导通时间也将增加。在某些情况 下。要求同步 678 的导通电阻非常低,以致必须使用两个器件并联,而不是传统的一个 器件。但是,随着对功率密度要求的日益提高,系统体积的缩小又与增加器件相违。可 见,功率半导体的优化不仅包括改善功率密度、增加效率、减少器件数量、减小主板空间, 还要减小主板设计的复杂性、减少设计工作量等。这些因素都将促进便携系统向 ! -./ ( +, 的工作电压发展。从而必须改善系统功能,增加电池寿命和缩小体积。 ) * 优化功率半导体的 +, 电源性能 对于 ! -./ ( +, 的功率半导体器件,! -./ % ! &’控制 678 的负载周期极低,因此对开关 特性有特殊的要求。需要优化的参数是开关电荷 " ;<。开关过程中电荷的转移会造成功 率耗散,因此应尽可能降低 " ;< 以减少开关损耗,减少整个装置的损耗。减少 " ;< 和 # $(5 $5)的目标是降低整个品质因数(643)。不过,减少这两个参数会对其他参数造成影 响,因而必须选择最佳的硅平台技术。 同步 678 的负载周期非常长,峰值电流非常高,因此要尽可能降低 # $(5 4=),这是同 步 678 的一个重要品质因数。当控制 678 开启时,开关的电压(控制 678 的源极电压, 同步 678 的漏极电压)随着 > $ % > % 的增加而不断上升,> $ % > % 值可能上升得过快,导致与 同步 678 的寄生电容 !?$耦合,从而在同步 678 栅极产生电压峰值。若这一峰值大于临 界电压,同步 678 将被开启。由于控制 678 及同步 678 均被开启,输入电源就会被短 路,这会大大损坏电路性能,并造成过热及其他故障。可以通过优化同步 678 的电荷比 · )@9 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ( ! !" # ! !$% & %)来避免 ’ " # ’ # 导致的非预期开启。 ! !$%是前栅临界电荷。 同步补偿拓扑结构也通过并联肖特基二极管和同步 ()* 来改善死区时间。死区时 间是指 ()* 开关信号间的内部延迟,用来避免直通。由于肖特基的 $ ( 值低于 ()* 自 身二极管的管压降,因而在死区时间内导通过程中,电流通过肖特基而不是同步 ()* 的 自身二极管。 $ ( 越低,对死区时间的影响就越大。并联肖特基带来的自感应可能会造 成肖特基 $ ( 值的升高,甚至抵消肖特基对 ()* 自身二极管的优势,因而应将肖特基自 感应控制在较低的水平,同时优化印制电路板设计以最大限度地减少或消除杂散电感。 + , 现有的 %- 电源方案 ./ 的双 (01231456789:%"% 方案将所有功率半导体器件集成在单一的 $; < = 封装内, $ ;>* ? %-,工作效率超过 =@A ,并可节省主板面积 B:A ,从而使双 ()* CD 方案的功率 密度得到大大改善。该器件完全优化了 E;$()* 和肖特基半导体,适用于要求输出电流 高达 @F 的便携系统的同步补偿 "G # "G 变换器。 ()* CD 封装设有连接控制 ()*、同步 ()* 和肖特基二极管的互连结构,因而简化 了电路板设计的复杂性,并有助于减少外部印制电路板占用面积和互连器件的杂散电感。 与离散式方案相比,集成方案将主板占用空间降低了 B:A 。 双 ">FH()* CD 在 %- 操作环境下的峰值电路内效率高达约 =8A ,可解决低功率应 用的设计难题。 随着 %- 工作环境从低功率便携系统向高功率系统延伸,应选择真正优化的功率半 导体器件来增强系统性能。双 ()* CD 方案可改善低至 $ ;>* ? %- 的工作电压的应用, 系统的性能。 图 I < B= 为同步补偿 "G # "G 变换器拓扑结构。每一器件都需要特别优化,以获得较 高的电路效率。- *J 要求低 % "($ ;K)值和低的 ! $L;- *M 要求低 % "($ ;K)及低的 N!" # ! !$% 电荷比;肖特基要求低 $ ( 值。 图 I < B= 同步补偿 "G # "G 变换器拓扑结构 双 ()* CD 为 $ ;>* ? %- 的应用提供了较高的电路效率,峰值效率约为 =8A 。图 · M%: · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " #$展示的是低功率便携系统的电路性能,可以看出,! %&’ ( )* 时。负载功率损耗得 以降低;" +, - " +.)电荷比降低;肖特基要求低 ! / 值。 图 ! " #$ ! %0’ ( )* 时 ,0 - ,0 变换器使用双 /1234 · 5)) · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第五章 开关电源的功率因数校正电路 开关电源以其效率高、功率密度高而在电源领域中占主导地位,但传统的开关电源存 在一个致命的弱点:功率因数低,一般为 ! " #$ % ! " &$,而且其无功分量基本上为高次谐 波,其中三次谐波幅度约为基波幅度的 ’$( ,五次谐波幅度约为基波幅度的 &!( ,七次谐 波幅度约为基波幅度的 #$( ,九次谐波幅度约为基波幅度的 )$( 。高次谐波的危害在很 多文献中已有论述,在此不再赘述。针对高次谐波的危害,从 *’’) 年起国际上开始以立 法的形式限制高次谐波,传统的开关电源形式在限制之列。国外在此以前即开始改善开 关电 源 功 率 因 数 的 工 作,主 要 是 功 率 因 数 校 正 电 路 和 诸 多 的 控 制 +,(如 -,./#) % -,./$$0 系列,10&$)#,230#/*# 等)。国内一些厂家也做了类似的工作,使开关电源的 功率因数达 ! " ’$ % ! " ’’,近似于 *。 第一节 功率因数校正电路 一、功率因数校正原理 常规开关电源的功率因数低的根源是整流电路后的滤波电容使输出电压平滑,但却 使输入电流变为尖脉冲(如图 * 4 $ 4 * 所示),而整流电路后面不加滤波电路,仅为电阻性 负载时,输入电流即为正弦波,并且与电源电压同相位,功率因数为 *。于是功率因数校 正电路的基本思想是将整流器与滤波电容隔开,使整流电路由电容性负载变为电阻性负 载。在功率因数校正电路中,其隔离型电路如图 * 4 $ 4 ) 所示。其基本原理在已有很多 文献中论述,在此不再赘述。但这种电路结构不能实现输入与输出的电隔离。为此提出 单极正弦波输入电流与电网隔离型开关电源。 * " 高次谐波及功率因数校正 一般开关电源输入市电经整流后对电容充电,其输入电流波形为不连续的脉冲。这 种电流除了基波分量外,还含有大量的谐波。其有效值 ! 为: · )*) · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ ! ! !! # " $ ! # # $ … $ !"# (% & ") 图 " & % & " 常规开关电源输入电压与输入电流波形 图 " & % & # 基本隔离型 ’() 电路 式中:!",!#,……,!" 分别表示输入电流的基波分量与各次谐波分量。 谐波电流使电力系统的电压波形发生畸变,我们将各次谐波有效值与基波有效值的 比称为总谐波畸变 *+,( *-./0 +/12-345 ,46.-1.4-3)。 #$% ! !! # # $ ! # 7 $ … $ ! " # )8 ! # " (% & #) 它用来衡量电网的污染程度。脉冲状电流使正弦电压波形发生畸变,它对自身及同一系 统的其他电子设备产生恶劣的影响,如引起电子设备的误操作,使空调停止工作,引起电 话网噪音,引起照明设备的障碍,造成变电站的电容、扼流圈的过热、烧损等。 功率因数定义为 &( ! 有功功率 8 视在功率,是指被有效利用功率的百分比。没有被 利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动,不仅增加线路损耗,而且成为污染 源。 设电容输入型电路的输入电压为: 输入电流为: (’ ()! ) 2·64(3 !9 () (% & 7) 则有效功率 &/5为: : (* ()! " ! 2;·( +!9 () +!" &/5 ! " # #9* (’ ( )·(* ( )= ( ! ) 2·! # 20 ! )·! " (% & <) (% & %) 而视在功率 &/>为: &/> ! )·! ! & ( ! & /5 & /> ! !" ! ! ! # " ( !"# $ !## $ … $ !"#) (% & ?) 从式(% & #)、式(% & %)可见,抑制谐波分量即可达到减小 # $%、提高功率因数的目 的。因此可以说谐波的抑制电路就是功率因数校正电路(实际上有所区别)。 · #"7 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 功率因数校正电路 有源功率因数校正的概念起源于 #$%& 年。但被重视和推广则在 !& 世纪 %& 年代末 期和 $& 年代。由于欧洲各国和日本相继对开关电源装置的输入谐波要求制定了标准, 目前有两个标准,它们是 ’()*** + ! 和 ’()#&&& + , + !,使得研究 -.) 技术已成为电源 界的热点,综观 -.) 技术的发展,-.) 技术可划分为两大类:一类是无源 -.) 技术;另一 类是有源 -.) 技术。前者采用无源元件来改善输入功率因数,减小电流谐波以满足标准 要求,其特点是简单,但体积庞大、笨重,有些场合则无法满足要求;后者是用一个变换器 串入整流滤波电路与 /) 0 /) 变换器之间,通过特殊的控制强迫输入电流跟随输入电压, 反馈输出电压使之稳定,从而使 /) 0 /) 变换器的输入实现预稳。这种方法的特点是控 制复杂,但体积大大减小,设计也易优化而进一步提高性能。目前研究最多的是有源 -.) 技术。 有源 -.) 的研究已有一段时间,目前最为大家所关注的是下面两类:一是两级 -.) 技术,二是单级 -.) 技术。两级 -.) 技术通常由一个专门管 -.) 的前置级和一个 /) 0 /) 变换器构成,而这一前置的功率级基本上都是 12234 电路。单级 -.) 一开始是在两级 方法简化的基础上再另辟途径进行专门研究。 二、单极隔离式功率因数校正(-.))变换器 # " 单级 -.) 技术的发展历程 #$$& 年,美国科罗拉多大学 (5678329 教授等将前置级 12234 电路和后随级 .:;<=78 (反激)变换器或者 .25>=5?(正激)变换器的 @AB.(C 共用,提出所谓的单级 -.) 变换 器,研究单级 -.) 技术的目的是减少元器件,节约成本,提高效率和简化控制等。其与传 统的两级电路比较,省了一个 @AB.(C 但增加了一个二极管,另外 其 控 制 是 一 般 的 -D@ 方式,故相当简单。为保证高输入功率因数,输入电感的电流应当为 /)@ 方式。 控制器的作用是保证快速、稳定的输出,对于输入的功率因数则需功率级自身获得。在以 后的几年里,@ E F E GHI5J:=>= 等人陆续提出了几种单级 -.) 技术,但所有这些方案都有 输出电压调节慢、控制复杂和效率低等缺点。#$$K 年,L67H=5?LI?: 等提出了一系列新型 单级隔离式功率因数校正变换器,克服了上述缺点,具有快速调节输出电压、只需一个或 共同控制的两个开关、一个 -D@ 控制电路和自动整定线电流的优点。L67H=5?LI?: 的这 项技术获得了专利之后,许多研究者在此基础上研究出各种更完善的单级隔离式 -.) 变 · !#K · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 换器,它们与先前研究的变换器相比,在降低储能电容电压、减少谐波失真和快速调节输 出响应等方面有很大的改善。功率因数的高低、谐波电流的高低与电感 ! !"的大小及拓 扑结构等密切相关,这便是近五六年来研究单级 #$% 结构的真正动机。 在 &"’()(*+, 上有一个日本作者提出了所谓的磁开关电源,它在变压器上增加一个绕组 与输入电感串联。这一串联的绕组可以降低中间储能电容电压,将其控制在 ,-./ 之内。 在 &"’()(*+- 上,%0! $123(" 在此电路的基础上做了稍许改进,增加的绕组移至 45 支 路。同样可将中间储能电容电压控制在 ,-./ 之内,目前他们生产的计算机多输出电源 中已采用此方案。一年后,/#6 也提出了一个单级 #$%,其中与 45 支路相串联的不是变 压器绕组,而是另一个分离的电感。它也可将电容电压控制在 ,-./ 之内。 单级 #$% 技术的研究仍然呈现上升的趋势,原因是性能尚未最优,许多问题有待进 一步解决。例如中间储能电容电压仍望降至 ,../ 以下。分析与设计还有一大堆问题要 做。与两级 #$% 技术还要做出客观比较。 5 7 单级隔离式 #$% 变换器的结构 单级隔离式 #$% 变换器的结构图如图 8 9 - 9 : 所示,而传统的两级变换的隔离式 #$% 电路的结构图如图 8 9 - 9 , 所示。 图 8 9 - 9 : 单级式 #$% 变换器结构图 图 8 9 - 9 , 两级式 #$% 变换器结构图 比较图 8 9 - 9 : 和图 8 9 - 9 ,,单级隔离式变换器通过控制开关的通断,电路同时满 足了输入侧高功率因数和输出侧电压的稳定与快速调节。#$% 单元与 4% ; 4% 变换单元 的开关由同一个 #<= 控制信号控制,而两级变换器的控制电路相互独立。 : > 单级隔离式 #$% 变换器的分类及特点 单级隔离式 #$% 变换器大体分为串联式和并联式两种。下面具体介绍各种类型的 典型变换器。 (8)串联式单级隔离式 #$% 变换器 图 8 9 - 9 - 是由 ?@@2’ 型 #$% 电路与单开关反激变换器组合而成的最基本的单级隔 离式 #$% 变换器拓扑。它与普通的 4% ; 4% 变换器相比,有电压应力较高、损失较多的缺 点。因此,人们研制出应用各种软开关技术,减少开关损耗及开关应力的各类新型单级 · 58- · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !"# 变换器,其效率高,而电路拓扑又十分简单。 图 $ % & % & 基本 ’(()* 单级隔离式 !"# 变换器 !带有再生钳位的 ’++,- 反激型单级隔离式 !"# 变换器与最基本的单级隔离式 !"# 变换器相比,只增加了再生钳位电容 #. 和二极管 /01 两个元器件来构成钳位电路 2 如图 $ % & % 3 所示。#. 用来钳位开关上电压,/01 用来阻止 45、40、#6、4 和 #. 在开关 ) 关断 时的谐振。钳位电路虽然简单,但它可有效地减小开关应力(钳位在 ! 7 " ! + 上),通过 #. 与漏感 45 的谐振再生储存在变压器漏感中的能量,免去了损耗能量的缓冲电路。变 换器的功率因数可高于 8 2 99,而普通的单级 !"# 变换器在相同条件下仅为 8 2 9: 左右。 *;0 比加缓冲电路时降低 9< 左右。但这种变换器的开关在闭合时应力较大,不是零电 压下关断。 图 $ % & % 3 带有再生钳位的 ’(()* 反激型单级隔离式 !"# 变换器 "带有源钳位和软开关的 ’++,- 反激型单级隔离式 !"# 变换器电路拓扑如图 $ % & % = 所示,)$ 为主开关,)> 为有源钳位辅助开关,电路可看为 ’++,- 单元与反激单元的串 联组合。两个单元共用一个主开关 )$。#? 代表开关 )$ 和 )> 的总寄生电容;4@ 代表变 压器的漏感,#?、4@ 形成串联谐振电路,实现 )$ 的软开关;#. 和 )> 构成有源钳位电路,限 制开关上的谐振电压。 这种电路可再生变压器漏感中的能量,减小电压应力,与前面提到的再生钳位电路类 似,但它又增加了一个辅助开关,实现了零电压开关,而主开关和辅助开关用同一个控制 A 驱动电路。控制电路与没有有源钳位电路的控制电路相同,能够采用常用的 !BC 控制 芯片来设计。目前带有源钳位和软开关的单级隔离式 !"# 变换器广泛应用于各种小功 率场合。 #单级充电激励式 !"# 变换器。这种变换器没有用 ’++,- 或其他变换器作为 !"# · >$3 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 单元,仅用两个电容来实现 !"#。充电激励式 !"# 单元由谐振电感 $%,充电电容 #& 及 #’、输出整流管 ()* 和钳位二极管 ()’ 组成,如图 + , - , . 所示。 图 + , - , / 带有源钳位和软开关的 01123 反激型单级 图 + , - , . 单级充电激励式 !"# 变换器 简单工作原理如下:开关 2 闭合,电容 #4 上的能量传递给变压器的初级绕组,()* 由 于加反压而截止,$%、#& 和 #’ 形成串联谐振,从电源上吸收能量。这期间,开关不仅承受 !"# 级的电流,而且还承受 )# 5 )# 级的电流。当 ! 6 达到母线电压 !",时,()* 开始导 通,$% 上储存的能量传送给 #4。由于 ! 6 被钳位到母线电压,所以谐振电容电压不变,也 就没有电流流过谐振电容,这时开关仅承受来自 )# 5 )# 级的电流。开关断开,#& 及 #’ 放电,#& 全部放电时,()’ 导通,#& 和 #’、储存的能量送给磁化电感,()7 开始导通,磁场 能量传送给负载,磁化电流降为零后,()7 截止,反向电压 89’加到 ()* 上,()7 截止,然 后又开始下一个开关周期。 开关 2 在 ! 6,被钳位到母线电压时,来自 !"# 单元的电流为零,开关电流仅来自 )# 5 )# 单元。因此,电流应力很小,与 )# 5 )# 变换器基本相同。换句话说,也就是 !"# 单元不增加动作和开关损耗,变换器有较高的功率变换效率。这是这种变换器的主要优 点:同时,这种变换器可在满载的 : ; -< 到满载情况下最高储能电容电压应力仍低于一般 单级隔离式 !"# 变换器中的储能电容电压,而且在负载 : ; -< 的情况下还能调节输出电 压,这可应用在某些特殊场合。 !全桥式单级 !"# 变换器。图 + , - , = 给出了 >(2(零电压开关)全桥式单级 !"# 变换器。它在一般的全桥式 !"# 变换器中加入了含一个开关的辅助电路来实现 >(2,且 >(2 可在大的负载范围内实现,同时有小的电压、电流应力,开关损耗几乎为零,?@ A 噪 · B+/ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 声很低。次级部分的整流二极管在 !"#(零电流开关)和 !$# 下动作,初级有源器件在 !$# 下动作。这个特点很重要,因为在高电压、高频率开关电源的开关损失中,主要的损 失是由二极管反向恢复损失产生的,而不是有源器件。这种变换器可应用在较高功率场 合。然而,它也存在着电路拓扑复杂、需要器件较多、费用增加的缺点,而且辅助开关的峰 值电流应力比主开关的要高,但是有效电流应力低。 图 % & ’ & ( 全桥式单级 )*" 变换器 还有一些具有低谐波失真及软开关特性的单级 )*" 变换器,其拓扑大多较为复杂, 在此不多叙述。 (+)并联式单级 )*" 变换器 所谓单相单级并联 )*" 就是指同时能获得单位输入功率因数并调节输出电压,大约 ,-.的平均输入功率( !%)可通过一个功率变换级送到输出端,仅有剩下的 /+. 的功率 ( !+)需要处理两次。两级并联 )*" 结构图见图 % & ’ & %0。 新型的并联式单级 )*" 变换只有一个功率变换级,同时处理输入功率( !+)和余下的 /+. 功率( !+)。并联式单级 )*" 结构图见图 % & ’ & %%。 图 % & ’ & %0 两级并联 )*" 结构图 图 % & ’ & %1 并联式单缓 )*" 结构图 下面给出一种并联式单级 23345 型 )*" 变换器,如图 % & ’ & %+ 所示。与串联式单级 )*" 变换器相比,它具有较高的变换效率,但是电路复杂。因此,近年来研究、应用较多 的大多是电路简单的串联式单级 )*" 变换器。 6 7 控制方案 单级隔离式 )*" 变换器的优点之一就是控制简单,仅用一个电路即可。目前单级 )*" 变换器的控制方法有用电压反馈单环控制的,也有用电流峰值控制的,它比电压反 · +%- · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 馈控制多了一个电流环,除了保持输出电压稳定外还可控制电感电流,但这种控制方法需 斜率补偿,对噪 声 敏 感。 另 外,还 有 用 平 均 电 流 控 制 法 的,例 如 前 面 提 到 的 全 桥 式 单 级 !"# 变换器,平均电流控制法具有电路稳定性能好、电压输入范围宽、无需斜率补偿、测 量精度高和适用的功率范围宽等优点。单级隔离式 !"# 变换器的主要特点之一就是成 本低,因此人们应用较多的还是电压反馈单环控制或电流峰值控制法。平均电流控制法 虽然性能好,但费用高,背离了设计单级 !"# 变换器的初衷,所以仅用在少数功率较高的 场合。$ % & % ’ % #()* 等人在 +,,- 年首次提出了同时控制导通比和频率的控制方案。这 种方案通过改变导通比来调节输出电压,改变频率获得单位功率因数和低电压应力,同时 获得三种功能。而 +,,. 年 /)012)0345617 提出的变频控制方案不能减少谐波失真。目前, 在单级隔离式 !"# 变换器中,变频控制因它带来的负面影响而应用得还很少,但应用它 可解决某些疑难问题。例如,所有的单级隔离式 !"# 变换器都存在一个固有的问题,当 负载超过最大负载值时,储能电容电压继续上升。这时就可通过当储能电容上电压达到 最高值时增大开关频率来解决这个问题。 图 + 8 9 8 +: 并联式单级 ;))<6 型 !"# 变换器 单级功率因数校正及变换这门 := 世纪 ,= 年代发展起来的高效、低成本和实用的新 技术,已广泛应用于小功率的家用电器、电池充电器和计算机电源等场合。今后,各种单 级隔离式 !"# 变换技术必将得到进一步的深入研究,并在小功率开关电源领域获得广泛 的应用。 三、无源功率因数校正电路 图 + 8 9 8 +> 示出一个不含 !"# 的标准型电源电路的输入电压 ! ? 和输入电流 " ?@ 的波形。 " ?@只在 ! ? 为正最大和负最大的一小段时间内流通,在这些时间以外," ?@为 零。这是因为此时的正弦电压输入值小于滤波电容上的电压,导致整流二极管不导通的 缘故。 为了在图 + 8 9 8 +> 中获得一个形似 " ?@的电流,我们引入充电泵的概念,即它的作 用就是能够让输入电流从低压端流向高压端。图 + 8 9 8 +. 给出了一个简单的充电泵电 · :+, · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 路。图中电容 !" 受直流电压 ! " 充电,电容 !# 则受直流电压 ! # 充电。 ! " 小于 ! #,在 ! " 和 ! # 之间的充电泵电路是由两个二极管 $%& 和 $%# 以及电容 !’ 组成,电容 !’ 相 对于 !" 和 !# 都较小,从电压源 $’ 进来的脉冲通过电容 !’ 后加到 $%" 和 $%# 的连结 点上。如果脉冲 ! ’ 的幅度大于差值( ! # ( ! "),那么就有可能让电流 "" 从较低的 ! " 流向较高的 ! #。在每一周期内通过电容 !’ 上的电荷 # ’ 为: 图 " ( ) ( "’ 标准型电源中的输入电压和电流 图 " ( ) ( "* 充电泵电路 # ’ + $’ ,[ ! ’ (( ! # ( ! ")]+ $’ ,( ! ’ - ! " ( ! #) () ( .) 假设 ! ’ 的脉冲频率为 % ’,则充电泵的电流 "" 为: "" + $’ , % ’ ,( ! ’ ( ! # - ! ") () ( /! 如果电压 ! " 不是 %! 电压而是一个已整流的脉动电压,并且如果 ! ’ + ! #,则由上 式可知电流 "",会是一个正弦波。 图 " ( ) ( ") 示出基于 0%1"2.*2 的反激式标准型开关电源电路。它含有一个常规 的 3!% 缓冲电路,用以消除开关管 0 漏极上的电压过冲。其实这个 3!% 缓冲电路完全 可以用在图 " ( ) ( "2 中示出的一个由电感 4、电容 ! 及二极管 $% 组成的充电泵电路所 代替。这个充电泵电路插入在桥式整流器(53)、初级电容 !6 的正极和开关晶体管 0 漏 极之间。现在 53 代替了图 ) ( "* 中的二极管 $%",电感 4 的放入是为了避免功率管 0 导通后从 ! 78产生大幅度电流脉冲对电容 ! 的充电。图 " ( ) ( "* 中的脉冲电压源 ! ’ 现在由开关管漏极电压 ! 0 代替。由于充电泵电路不仅具有 69! 功能而且兼有缓冲器 功能,因此图 " ( ) ( ") 中的 3!% 缓冲电路不再需要。 这个充电泵可以阻止开关变压器由充磁突变为消磁的过程中,由于 " 6 的不连续而产 生的低频干扰。因此当开关管截止、变压器的消磁过程开始时,二极管 $% 导通," 6,可通 过 $% 形成一个 4! 振荡回路,保持了 46 流通瞬时的连续性,这使得所生成的寄生干扰 信号在频率和幅值上都大为下降,而且由于没有电阻成分参与,所以原则上不会损失能 量。相比于原有的 3!% 缓冲器,其电源的转换效率将有所提高。图 " ( ) ( ": 从工作波 · ##; · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 形上详细地描述了 !"# 充电泵电路的原理和功能。假定输入 $# 电压为 %&’(,在 !’ 时 刻开关管 ) 受 )*$+,-., 的控制而导通。漏极电压 / ) 由约 ,’’( 跳降到 ’(。由于初级 电感 0! 的存在,初级电流 " !,开始线性上升。 # ) 的跳变同时通过电容 # 传送到 0 和 (* 之间的连接点上(见图 1 2 3 2 1,),所以电压 # ! 从 .’’( 降到约 2 %’’(。由于负的 # 4 电压,流过扼流圈 0 上的电流 " 0 会逐步上升,并向电容 # 充电,这使 # 4 在[ !’、!1]期 间有类似形状的少许爬升。这时二极管 (* 是截止的," 5 6 ’ $ 。 图 1 2 3 2 13 7#* 缓冲电路 图 1 2 3 2 1, !"# 充电泵电路 图 1 2 3 2 18 !"# 充电泵电路的电压和电流波形 · %%1 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 当开关变压器和扼流圈 ! 的充磁阶段在 !" 时刻完成之后,开关管 # 受 #$%&’()’ 的 控制转为截止,漏极电流 " * + ,%。电压 # # 及 # - 将急剧上升直到 # . + # /(. ),,0)。此 后 # # 改为缓慢的爬升,而 # . 则保持在 # 1-电平上不变。与此同时电流 "(! 它早先是向 电容器充电的)改为经过二极管 0$ 流进电容 1- 中。这使蕴含在 ! 中的能量转移到 1中。利用这个原理,就使输入电流从较低的 $ 23值流向电容 1. 上较高的 # 1-值。 从 !" 开始,由于二极管 0$ 的导通,由 !- 与 1 就形成一个回路,初级电流 " - 将流过 !-、1 和二极管 0$,一直到时刻 !4。而在 !4 时刻,次级二极管开始导通,变压器开始向次 级绕组释放磁能。在 !4 5 !6 的释放磁能阶段,初级电流 " - 很快下降为 ,%,而扼流圈 ! 的电流 " ! 则逐步下降。但电压 # . 仍保持在 # /.值上。从图 " 7 8 7 "9 可知,开关管的导 通时间 ! :;越长,则 " ! 峰值越大,而 ! :;是随着次级负载的加大以及随着输入电网电压的 减少而加大的。亦即流入 -<1 充电泵电路的电流也会相应加大。但这不必担心扼流圈 ! 的磁芯会受饱和。因为 " ! 的最大值总是受限制于电容 1 上的充电电流 "1。图 " 7 8 7 "9 同时画出 -<1 充电泵电路的下一个周期波形。此种波形通常会发生在输入 %1 电压 为最大值时刻。此时 # % 在导通期 !6 5 !8 内上升。但在中途 !) 处已达到固定值 # /.。所 以 "& 在时刻 !) 上变为 ,%,而漏极电流 " * 会有两个极大值。这是因为在 !6 5 !) 期间," * 为 " - 和— " 1 之和,而 !) 以后则 " * 完全由 " - 独自提供。在此种波形中," ! 不再周期性地 返回到零值。 采用 -<1 充电泵电路的一大优点就是它的简单性和容易设计。在试验中可应用示 波器检测 %1 电源的输入电流波形,并调节电容 1 的值,以得到最佳的输入电流 " 2.波形。 四、三相整流器功率因数校正电路 根据电路输入电压的不同,功率因数校正电路主要分单相和三相两大类。其单相功 率因数校正电路目前在拓扑和控制方面已相当成熟。而三相功率因数校正电路由于应用 极广泛、工作机理比较复杂而成为近年来的研究热点。 与单相功率因数校正(<-1)整流装置相比,三相 -<1 整流装置具有许多优点: !输入功率高,功率额定值可达几千瓦以上。 "虽然每相输入功率包含两倍于工频的交变分量,但在三相平衡装置中,三相输入功 率脉动部分的总和为零,输入功率是一恒定值。这样,输出电容上无工频纹波,可以使用 容量较小的输出电容,实现更快的输出电压动态响应调节。 然而,三相 -<1 整流电路遇到的一个很大难题是三相之间的耦合。在单相不控整流 · 444 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 ###################################################### 电路中,如果负载等效为一个电阻,则输入功率因数为 !,但在三相不控整流电路中,即使 负载等效为一个电阻,也不能获得满意的功率因数。原因在于三相不控整流电路中三相 电压通过 "# $ %# 的不控整流桥互相耦合,不可能同时兼顾三相输入电流,使任何一相输 入电流都不能独立控制为正弦波形。为使三相输入电流都为正弦波形,必须对三相输入 电压进行解耦。近年来,用来提高三相整流电路功率因数的许多新拓扑被提出,从解耦的 观点看,这些三相有源功率因数校正电路拓扑可分为不解耦三相 &’#、部分解耦三相 &’# 和全解耦三相 &’#。 ! ( 基本三相 &’# 电路及问题 基本三相 &’# 电路见图 ! ) * ) !+。它基本上是单相 ,--./ 断续模式(%#0)&’# 在 三相上的延伸。它的相电流平均值由下式给出: 图 ! ) * ) !+ 基本三相 &’# 电路 [ ( ) ] ([ ( ) ) ] !1·234 5 " 67 # 8 · 8 $%. !< & & .9(: !’); ! 8 .9: 8!’ ) 8 ) [ ( ) ] ([ )( ) ] !1·234 5 " 67 # 8 · 8 $%. !< & & .9(: !’); .9: 8!’ ; ! < ; <.9: !’ ; 8 "!’ "!= 式中:%.——— " ! 的工作频率; (* ) !8) $ ———,--./ 电感; # ———占空比; & ———电压增益。 & 5 " 67 !<·" ?9: · 88< · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 ###################################################### 图 ! " # " !$ 显出了 ! 与谐波的关系。 图中," #$ 为总谐波含量: & " "#$ % ! & ’ % %%’ &! (# " !() 而功率因数!为: !% "! ) ! " # $ ’·*+," (# " !-) 因此,为了得到较高的功率因数,需增大电压增益 ! 。但过高的 ! ,使得 ’ ./太高, 导致 ’ ! 及 01/ 的负载(变换器)开关功率器的电压应力增大,增加了整机的成本及降低 了整机的工作可靠性。这也是三相整流器功率因数校正电路还不能走向成熟的关键问 题。 ’ 2 常见的几种三相 01/ 近几年来,出现了很多三相 01/,大部分是针对上述问题提出的,最常见的有: #基本 01/ ) 波形控制。在基本的 01/ 控制电路中加入调制信号,在同一谐波含量 下,可以降低 ! 值,如图 ! " # " !$ 中的虚线结果。该方法其实没有解决 ’ .* 3 ( ’ 45问 题。 $67*8 型 01/。图 ! " # " ’9 是 67*8 型 01/ 电路。它是基本 6++,: 型的对偶电路, 可以使 ’ .* ; ( ’ 45。其缺点是:& (< & =,& >)的电流对称取决于负载。负载电流越大,功率 因数越高," #$ 越小。再者就是对无极性电容 /<(/=,/>)的要求较高,其体积大,价格 高。 图 ! " # " !$ 电压增益与谐波的关系 图 ! " # " !9 67*8 型 01/ 电路 %其他基本组合型 01/。这种组合的 01/,由于其结构复杂目前只在小功率 01/ 中 有应用。 · ’’- · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 ###################################################### !双向开关型三相 !"#。这是目前一种比较有发展前途的拓扑模型(如图 $ % & % ’$ 所示),采用双向开关结构。 图 $ % & % ’$ 双向开关三相 !"# 拓扑模型 这种电路的优点是开关器件电压值小,控制简单,输入电流连续。其输出电压为: ! () * $ + ,,-- ! . (& % $&) 其缺点是快速二极管使用较多,直流侧电容需均压,电感较大。滤波电感由下式计 算: " * , + /0/1 2 $3’·#·!$’. 4 (& % $-) 式中:# 为电源频率:% 4 为输出功率 "其他一些多开关三相 !"# 拓扑结构。由于此结构应用上还不成熟,没有得到重 视。 #软开关三相 !"#。将单相无损 !"# 软开关直接应用到三相 !"# 中仍有发展前景, 因为这可大幅度减少开关损耗。 , 5 不解耦三相 !"# 电路 三相单开关 !"# 整流电路是最典型的不解耦三相 !"# 电路,其电路如图 $ % & % ’’ 所示。 [ ] 在图 $ % & % ’, 中,以在时间间隔,& ! $,’$ 分析为例,此时 ’, ! 6 7 3,! )" ! 8"3。 开关 9 导通时,三相输入电压被二极管桥和开关 9 短路,三相输入电感上压降与对应相的 输入电压相同,所以 9 导通期间相输入电流峰值与相电压成正比。 &$ 时有: · ’’& · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 ###################################################### ! !"#$%& ’ "( #" $ ";! !)#$*& ’ "( #+ % , (- . (/) 0 关断后,电感放电,有: !" ’ $" #" " 1 2 4 $(3 #" " . "();! ) ’ $ # ) ) " 1 2 4 $(3 #) " . "();!, ’ $ # , , " 1 2 4 $(3 #, " . "()(- . (5) "2 时刻,原来 "( 时刻三相电感电流中绝对值最小的那一相先下降为零,即 & ) ’ 67。 直到 "4 时刻,三相电感电流都为零。一个开关周期内三相电感电流波形如图 ( . - . 24 所示。 图 ( . - . 22 三相单开关 89+ 整流电路 图 ( . - . 24 一个开关周期内三相电感电流波形 图 ( . - . 24 中,时间间隔 [ "6,"( ] 和 [ "4,’ :] 是可控的,而 [ "(,"2 ] 和 [ "2,"4 ] 是不可 控的。该拓扑运行于连续(;+<)模式下的条件是开关周期 ’ :! "4。最大占空比为: ( ="> ’ $ 3 . "4 $ ?@="> $3 输入电流的 ’)( 依赖于输出电压的增益: (- . (A) * B ’ "4 $3 $ ?@="> (- . 26) * B ’ ( C - 时,’ )( 可达 (6D 左右。 这种拓扑是一种低成本的三相 89+ 方案,由于其线路简单且具有相对好的性能,所 以十分流行。该拓扑也可以采用 E+F、EG F 软开关技术以减小开关损耗。 三相单开关 89+ 整流电路存在着固有的问题。 !为了得到较低的 ’ )(,输出电压必需达到一定的幅值,这就对后级的元器件耐压 量要求较高,同时为后级变换带来困难。 "为了既保证输入电感上的电流断续,又能得到最大的输出功率,电感的设计比较困 难。上述三相单开关 89+ 整流电路固有问题的根本原因是三相电压之间的耦合。因此 为了达到最好的功率因数校正效果,必须对三相电压解耦。 · 22H · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 部分解耦三相 #$% 电路 选取三相四线伪桥式 #$% 整流电路和三电平 #$% 整流电路进行分析。 (&)三相四线伪桥式 #$% 整流电路 这种拓扑的典型电路如图 & ’ ( ’ )! 所示。由于中线的存在,该电路可以分为相互独 立的上下两个半桥,达到部分解耦的目的。基于三相四线式的功率因数校正电路的控制 策略有断续和连续两种模式。我们考虑使用临界断续模式控制,它实质上是变频恒导通 时间。根据输出功率确定一个工频周期内的恒导通时间 ! *+,检测电感电流回零后开通开 关管(导通时间 ! *+),然后关断开关,让电感电流回零。相对恒频恒占空比的控制方式,其 电流畸变要小得多。以上半桥 , 相为例,在!- . / (!- .(0!- . / &&!- .)时间区间,开关 1& (1))的关断时间仅由相电压 " 2 决定。因此在一个开关周期内 # - ,3的平均电流取决于 它的相电压," 4 和 " 5 对它无影响。而在 6 /!- (. !/ 0!- .)、(!- . /!(&&!- . / )!)时间区 间,开关 1(& 1))的关断时间则分别由 " 5 和 " 4 决定,因此在这些时间区间 # 3,的平均电 流受到 % 相和 7 相相电压的干扰。因此该拓扑实际上是一种部分解耦三相 #$%。 图 & ’ ( ’ )! 三相四线伪桥式 #$% 整流电路 该电路运行于恒导通时间临界 8%9 模式下时,在 6 /!- . 时间区间,第 $ 个开关周 期内的 , 相相电流平均值为: % 23(:2 $ ); "2 ) %&,*+·[[ " *< " *< ’"(5 $)] ’"(2 $)] (& ’ ( ’ )&) 在!- . / (!- . 时间区间,有: % 23(:2 $ ); "2 ) & *+·" 5 & 2+ %, )%2 (& ’ ( ’ ))) 在!- . /!时间区间,则为: % 23(=2 $ ); "2 ) %&,*+·[[ " *< " *< ’"(5 $)] ’"(2 $)] (& ’ ( ’ )>) · ))0 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 式中,! !"是开关恒导通时间," !#是 $% 两端输出电压,# & 是 & 相输入电感。 该电路上下半桥独立,实现部分解耦,比不解耦的三相单开关 ’($ 整流电路能实现 更小的输入电流 )*+ 和更高的功率因数;开关元件少,控制简单;开关管电压应力低,仅 为三相单开关 ’($ 整流电路的一半;但是该电路需要中线,有三次谐波流过。 (,)三电平 ’($ 整流电路 该拓扑典型电路如图 % - . - ,. 所示。该电路利用三个低功率双向开关 /0、/1、/2 运行于工频下,当输入交流电压过零时做开关运作,从而在耦合区间将电流引入零电位, 达到部分解耦的目的。 在 3 4!5 6 时间区间,开关 /& 导通,电路运行模式如图 % - . - ,6 所示。设 " 7"为输 入相电压有效值。 图 % - . - ,. 三电 ’($ 整流电路 以 & 相分析为例,有: 图 % - . - ,6 3 4!5 6 时间区间电路运行模式 $(0 8)9 ,!!, %"#7("0 % - 2!:"&) (% - . - ,;) 在,!5 6 4 ,!5 6 时间区间,开关都不导通,该电路运行模式与三相不控整流电路相同, 对 $0 有: < <& $(0 & = & 3)9 #(0 � & 3)- "! > #0 (% - . - ,.) 同理可推出其他时间区间表达式。输入电感需满足下式: # 9 > ? @;@A B %3, B(!>% " 7"), ’! (% - . - ,6) 该电路显著特点是:工作于低频下,无需快速器件,成本低;不需要中线,无三次谐波; 满载时功率因数很高;开关应力小,关断压降低;但轻载时特性很差,所以特别适合于对设 备体积要求不高、负载变化不大的场合。 · ,,@ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 ###################################################### ! " 全解耦三相 #$% 电路 三相 %%& ’ ())*+ 整流电路是该拓扑的典型电路,如图 , ’ ! ’ -. 所示。 采用空间电压矢量控制可以实现三相输入电压完全解耦,达到很高的性能。空间电 压矢量控制的原理是:用三相电压矢量去逼近矢量电压圆,则输入端会得到等效三相正弦 波形。开关矢量由三个字母表示,三个字母从左到右分别代表 /、(、% 点是否与 # 或 0 相连。这样,共有 1 个开关矢量,包括两个零矢量,如图 , ’ ! ’ -1 所示。如果将电压圆分 成 ! 等份,则任一空间矢量 2 均可由其相邻两个开关矢量来等效,相应导通时间为: 图 , ’ ! ’ -. 三相 %%& ’ ())*+ 整流电路 ( ) ", 3 # $ 4*56 ! 7 ’!" "- 3 # $ 4*56!" 式中,# 为调制比。 图 , ’ ! ’ -1 矢量与矢量合成 (, ’ ! ’ -.) (, ’ ! ’ -1) 零矢量作用时间为: # 3 !7 %"" 8 % " " 8 (, ’ ! ’ -9) "4 3 $* ’ ", ’ "- (, ’ ! ’ 74) 由于该电路连续的输入电流、高效率和高功率输出,它在中功率应用中是重要的高功 率因数变换器。但该电路需要 : 个主开关,因此开关管利用率低,控制复杂,成本高。 : " 三相 #$% 技术发展 依据目前三相 #$% 的发展情况,在今后几年内,三相 #$% 技术的发展热点问题主要 集中在以下几个方面: "新的拓扑结构的提出; #新的控制方法; · --9 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !将其他开关电路(如开关电容电路)组合到三相 !"# 中; "研究磁放大式 !"# 技术; #软开关技术。 如何寻求三相 !"# 整流电路性能和价格之间的平衡是该技术发展过程中一个永恒 的课题。从以上三相 !"# 电路的分析比较可以看出,部分解耦三相 !"# 可以认为是完全 解耦三相 !"# 和不解耦三相 !"# 的折衷。在一般情况下,部分解耦在性能价格比上的优 势可成为三相 !"# 电路一个较合适的选择。总之,成本低廉,结构简单,控制方便,具有 软开关性能,响应速度快,低直流输出电压的三相 !"# 整流器是科技研究人员的追求目 标,是今后一段时间内电力电子技术的一个研究热点。它将导致整流器技术的一场革命。 第二节 !"# 集成控制电路 一、$ #%&’( ) * 工作原理 $#%&’( 是一种高功率因数校正集成控制电路芯片。其主要特点是,属于 !+, 升压电 路,功率因数达到 -*..,!"# / ’0,适用于任何的开关器件,采用通用的操作方式,无需开关; 前馈线性调整;平均电流控制模式,噪声灵敏度低;启动电流低;恒频控制,低偏值模拟乘法器 1 除法器;23 图腾极驱动;高精度基准电压;精确的参考电压。其结构如图 ) 4 ’ 4 5. 所示。 图 ) 4 ’ 4 5. $#%&’( 的电路结构图 $#%&’( 结构电路包括电压误差放大器、模拟乘法除法器、电流放大器、固定频率脉 · 5%- · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 宽调制器、功率 !"# 管的门级驱动器、过流保护比较器、$ % &’ 基准电压以及软启动、输 入电压前馈、输入电压钳位等电路。 模拟乘法 ( 除法器是功率因数校正芯片的核心,它的输出 ! !"反映了线电流,因此被 作为基准电流。 ! !"与乘法器的输入电流 ! )(* ! )+与输入电压瞬时值成比例)的关系为: ! !" , ! )(* " )" - . / &)( # " 012 (. - & - 3.) 式中,! !"、" )4———电压误差放大器的输出信号; # ———在乘法器中是一个常数,等于 .; " 012———前馈电压,约为 . / & 5 6 / $$’,由 )78* 的输入电压经分压后提供。 模拟乘法 ( 除法器除以 " 012起了前馈作用,一方面芯片内部钳位 " 012,消除了输入电 压对电压环放大倍数的影响,使电压环放大倍数和输入电压无关;另一方面电压误差放大 器的输出还可使输入功率稳定,不随线电压的变化而变化。如当输入电压变为两倍 / 则 反映输入电压变化的 ! )*、" 12均变为原来的两倍。由上式可知,! !"将减半 / 通过调制使 输入电流减半,从而保持输入功率不变。另外,电压误差放大器具有输出钳位,可限制电 路的最大功率。前馈电压的输入采用了二阶低通滤波,这样既可提高抗干扰能力,又不影 响前馈电压输入端对电网波动的快速响应。 电压误差放大器的输出电压范围为 . 5 & / 9’,当输出电压低于 .’ 时,将会抑制乘法 器的输出。电压误差放大器最大输出内部限定为 & / 9’ 是为了防止输出过冲;为了减小 输入电压过低时产生的交越死区,交流输入端的标称电压是 :’,同时还应用电阻将该端 口与内基准连起来,这样线电流的交越失真将最小。 ;*39&6 的开关管和二极管都工作 在硬开关的状态,主要带来以下问题: !开通时开关管的电流上升和电压下降同时进行,关断时开关管的电流下降和电压 上升同时进行,使开关管的开通和关断损耗大; "当开关器件关断时,感性元件感应出较大的尖峰电压,有可能造成开关管电压击 穿; #当开关器件开通时,开关器件结电容中储存的能量有可能引起开关器件过热损坏; $二极管由导通变为截止时存在反向恢复问题,容易造成直流电源瞬间短路。 0 % ;*39&6 引脚功能 图 . - & - 0< 的左上角是低压锁定比较器和 =>) 比较器。这两个比较器的输出保证 具有驱动功能。电压误差放大器的反相输入端( ;2=>#=)连接于 7?>@@。电压误差放大器 周围的二极管用于表示内部线路的功能,而不是实际的设备装置。方框图所示的二极管 是理想的二极管,表示在正常操作条件下电压误差放大器的同相输出连接于 $ / &’ 的参 · 03. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 考电压,此电压也利用于缓开功能。该结构使得在输出电压达到操作点之前,主电压控制 环开始工作,以消除使电源受到损坏的尖峰冲击。在 !"#$$ 和误差放大器的反相输入端 之间接入的二极管也是理想二极管,对额外二极管上的电压降不会影响实际结果。 !"#% 是电压误差放大器的输出端,它也是乘法器的输入端。乘法器的另一个输入为 !"#&,它是来自于输入整流后的调节信号的斜率,并保持 &’ 的电位和一个电流的输入。 前馈输入电压在 !"#(,它的值在进入乘法器的输入端前被进行平方运算。!"#)* 的设置 电流是用来限制乘法器的最大输出电流。乘法器的最大输出电流称为 ! +,,从 !"#- 流出 (!"#- 连接于电流误差放大器的同相输入端)。 电流误差放大器的反相输入联到 !"#.,电流误差放大器的输出连接到 !/0 发生 器,与 !"#$. 的三角波进行比较。!/0 发生器输出和振荡器连接到 1 2 3 触发器,从 1 2 3 触发器输出大电流到 !"#$&。在 456(-. 内部将输出电压钳位在 $-’,这样功率 07389:3 不会有门极过压驱动风险。在 !"#* 提供紧急峰值电流极限,通过快速拉升来 关闭输出脉冲。参考电压被连接到 !"#;。456(-. 的电源被连接到 !"#$-。 在图 $ 2 - 2 *; 所示的框图中可以看到,456(-. 有一个乘法器和一个除法器,其输 出为 " #$ % &,而 & 为前馈电压 ’ < 的平方。之所以要除 & 是为了保证在高功率因数的条 件下,使 =!85 的输入功率 ( > 不随输入电压 ’ >?变化而变化。在应用中应注意,前馈电压 中任何 $@@AB 纹波进入乘法器都会和电压误差放大器中的纹波叠加,从而增加波形失 真,影响功率因数的提高。另外,前馈电容 5C 的取值大小也会影响功率因数。 二、 456(-.= D E 高性能功率因数校正器 456(-.= 和 456(-.E 是在原工业级标准产品 456(-. 的基 础上改进的产品,新 !85 控制 "5 的器件引脚和基本功能与原 456(-. 兼容,而其特性有 了多处改进。其中,456(-.= 可用于原有的 456(-. 产品大多数 !85 设计,无需修改印 刷电路板。新的 !85 预调节器设计和现有器件的升级能实现增强的性能,并以最少的设 计工作量减少部件数量和 "5 外部元件。 $ F 456--.= D E 的特点 456(-.= D E 与 456(-. 电气性能参数对照见表 $ 2 - 2 $。 · *6* · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 表 ! " # " ! $%&’#() * + 与 $%&’#( 主要电气参数对照表 参数 $%&’#( $%&’#() $%&’#(+ 电源电流(截止) 电源电压( 011) 011导通门限电压 0%%034滞后 电流放大器带宽 , - ./)(最大值) &# 0(最大值) !20 20 ! 5 67 (..!)(最大值) ,, 0(最大值) !20 20 # 5 67 (.. *!)(最大值) ,, 0(最大值) !. - #0 .-#0 # 5 67 电流放大器失调电压 8 (/0," (/0(最大值) 8 ./0," ,/0(最大值) 8 ./0," (/0(最大值) 5 $3 94$ 9 电压(高) ,-#0 #0 #0 乘法器增益容差 无特殊 " .-:; " !-! " .-:; " !)+3= 传播延迟时间 无特殊 &..?@ &..?@ 其他改进和变化(非特殊者) AB=>B= 输入 C-#0 &-.0 &-.0 D)% 电压 20 .-# .-# 电压放大器钳位 无 内部 内部 电流放大器钳位 无 内部 内部 0E=F“GHHI”电路 无 内部 内部 $%&’#() * + 相对 $%&’#( 的改进主要有如下几点: "具有更宽的频带; #设置了低失调电流放大器; $具备更快的响应和改良了精度的使能比较器; %有一个 0E=F 优质比较器; &欠压锁 定 门 限 电 子 可 供 选 择,离 线 式 为 !2J * !.0,辅 助 !,0 稳 压 器 启 动 值 为 !. - #0 * !.0; ’具有低的启动电源电流; (设置了一个增强的乘法 * 除法电路。 , - 极限值与电气参数 (!)$%&’#() * + 的极限值 "电源电压:! 11 为 ,,0; #栅极驱动电流:连接状态下为 . - #); · ,&& · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!"# 占空因数 $ % !&; "输入电压 ! ’()’(,! *+(’ $$,) " ’()’(,# -./0-(/ $$,) $ 12+(3 !4) #输入电流 % ’(3," &5,$ 12+3,& )(& $"6&) $功率损耗:$4; %存储温度范围:7 8!9 : $!"9; &引线焊接温度(焊锡,$";):< =""9。 注意: ’所有的电压值均以地线为参考(脚’); (所有电流都按正极性流入规定端点; !()&输入由内部钳位在约 $>,; "查阅 ?@A/BCDE 集成电路数据手册中有关引脚特性和封装限制。 (F)?5=G!>& H I 的电气参数 ! 55 J $G,,% / J G % FK),’ / J $ % !@L,M12 + 3 J $,,! *’+ J $ % !,," &5 J*&," ’()’ J "&,! C-/. J >,。 ! C-/F J = % !,,! ’(’’( J =,。 ?5=G!>& H I 的设计与工业标准产品 ?5=G!> 兼容,它是升级的有源功率因数校正电 路。电路功能的增强允许用户在大多数 场 合 消 去 几 个 外 部 元 件,通 常 它 们 必 须 加 在 ?5=G!> 上才能成功地工作。另外,线性地改良乘法、平方和除法电路可使整个系统的性 能最佳。?5=G!>& H I 的功能框图如图 $ 7 ! 7 =" 所示,其引脚排列如图 $ 7 ! 7 =. 所示。 · F=> · 图 ! 7 =" ?5=G!>& H I 功能框图 www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " #$ %&#’!() * + ,-.& " $/ 封装的引脚排列 # 0 乘法 * 平方与除法功能 如同 %&#’!( 一样,%&#’!() * + 乘法器的设计保持了相同的增益常数值(1 2 " $)。 输入与输出电流之间的关系几乎与 %&#’!( 的相同,但电路的区别在于改进了性能和应 用。 首先不同之处是具有 ! )&输入。在全部工作温度范围内,%&#’!() * + 调节该引脚的 电压达到 !3345,而不是 %&#’!( 采用的 / 6 35。这一低失调电压消除了接在 5789 和 .)& 两端的电阻器,它是电网零交越(交叉点)补偿时需要的,即 %&#’!( 设计要求的。在 高电网时输入 ! )&的最大电流应限制在 :!3!),以维护最佳性能。因此,如果 " )&(4;<)2 :=35,那么 # )> 2 :=3 ?($ 6 (()* :!3 2 $ 6 !#4"。 57@, 端的线性工作范围采用了 %&#’!() * + 而得到改进。 57@, 的输入范围从 35 延伸到 ! 6 !5。因 %&#’!() * + 的平方电路使用了一个模拟乘法器,确切一点说它是 一个线性的近似值,改进了控制精度,并消除了非连续性。接到 57@, 端的外部分压器 网络,在低电网电压(’!5)时应产生 $ 6 !5 压降。而在高电网电压(:=35)时,在 57@, 上 产生 ( 6 ==5 升高的电压,这也在其工作范围内。 电压放大器的输出端构成了乘法器的第三个输入脚,它在 .& 内部被钳位在 / 6 35。 这就消去了在 %&#’!( 设计中采用的外部齐纳钳位管。该脚输入到乘法器的失调电压在 %&#’!() * + 中升高到 $ 0 !5。 乘法器的输出端也是电流放大器反相输入端,它们的输出范围是 " 3 6 # A ! 0 35,这比 %&#’!( 的 " 3 6 # A : 6 !5 范围更宽。这一改进允许 %&#’!() * + 应用在电流检测信号幅 度很大的场合。 ( 0 电压放大器 %&#’!() * + 的电压放大器本质上与 %&#’!( 相似,但有两个例外情况。第一个例外 · :#! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 是与 !" 内部连接有关。较低的电压设计可减少补偿电容器上的充电总量,它在大信号场 合例(如电网跌落或功率中断时),可提供改进的恢复。它还使流经反馈电路的直流电流 减至最小。第二个例外是有一个 # $ %& 的温度补偿钳位,输出短路电流被降低至 ’()。 典型高频有源功率因数校正器 *"+,-.) / 0 的设计特点、功能及电气参数见表 1 2 - 2 ’。 表 1 2 - 2 ’ 典型高频有源功率因数校正器 *"+,-.) / 0 的设计特点、功率及电气参数 参数 测试条件 最小 总方案 电源电流(截止时) 电源电流(导通时) ")3,! )3 4 3&,! "" 4 " &5! 2 % $ +& &66导通门限电压 *"1,-.) *"1,-.0 &66截止门限电压 *"1,-.) / 0 8 &66钳位 #(&"")4 # ""(9:); -() 1, 电压放大器 输入电压 ’$8 ! <=><=偏置电流 开环电压增益 ! 3*?离电压 ! 3*?低电压 输出短路电流 增益带宽乘积 电流放大器 ! 3*? 4 ’ @ -& # B3)C 4 2 -%%!) #$%&’ 4 -%%!) ! 3*? 4 %& (D: 4 1%%EFG,1%(&(峰 2 峰值) 2 -%% 7% 输入失调电压 ! "H 4 %&,) I 4 ; ’-J 过温时 2. 2 -$- 输入偏置电流(检测) 开环增益 ! 3*?高电压 ! 3*?低电压 输出短路电流 共模范围 ! "H 4 %& ! "H 4 %&,! 3*? 4 ’ @ #& # B3)C 4 2 -%%!) # B3)C 4 2 -%%!) ! 3*? 4 %& 2 -%% ,% 2 %$+ 增益带宽乘积 基准电压 (D: 4 1%%EFG,1%(&(峰 2 峰值) +- 典型 ’-% 1’ 1# 1% $ 1% ’% +$% 2 ’1%% # %$+ 1$- 1 11% , %$+ 1$- 最大 .%% 1, 17 $ 11 $ ’ ’’ +$1 -%% %$+$- % % -%% %$+$- H FG 单位 !) () & & & & & :) A0 & & () H FG (& (& :) A0 & & () & · ’+# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 续表 参数 测试条件 最 小 典型 最大 基准输出电压 # !#负载调整率 # !4#电网调整率 # !"#短路电流 振荡器 ! !"# $ %&’," ’ $ ()* ! !"# $ %&’ ! !"# $ 1 2 1%&’ # 55 $ 1( 2 13/ # !"# $ %/ +,+ , 0) % % () +,) +,. + , ) + , .) 3 (% 1- () 0) -) 内部精度 电压稳定度 总的变化 " ’ $ ()* # 55 $ 1( 2 13/ 温度 3) 1%% 11) 1 3% 1(% 斜坡幅度 -,3 ),. 斜坡谷值电压 %,3 1,0 ":’;<" = >?#@>@’!@ = 电流限制(使能 = 软启动电流限制) ":’ 门限电压 (,) ( , .) ( , 3 ":’ 滞后电压 ":’ 输入偏置电流 传播延时到失效 # #’A<@ $ ( , )/ # ":’;<" $ %/ 使能过激励 $ B 1%%&’ )%% .%% B( B) 0%% >> 充电电流 # >?#@>@’!@ $ ( , )/ EF $ 1/ ! ’5 $ %!’ # !G> $ 1 , )/,# H $ ./ B ((% B (,% B (%% B %,( B 1+% (,% B (0% B (%% B 1+% 乘法器输出电流 乘法器增益常数 # !G> $ 1 , )/,# H $ (/ # !G> $ 1 , )/,# H $ (/ # !G> $ )/,# H $ (/ # !G> $ )/,# H $ )/ (注 ()# !G> $ 1 , )/," I $ ()*,# H $ ./ B 1,1 B (( B 1). B( B 1- B 1,% %,J 单位 / / &’ &’ &’ 678 9 678 / / / &/ !’ CD &/ !’ CD !’ !’ !’ !’ !’ !’ !’ ’=’ · (0+ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 续表 参数 测试条件 栅极驱动器 栅极驱动输出高电子 栅极驱动输出低电平 输出低电平( "!"#) 栅极驱动上升 2 下时 间 ! !"# $ % &’’()," ** $ +,! !"# $ &’’() ! !"# $ +’() ! !"# $ ,’()," ** $ +,- # 3!)4 $ +56 最 小 典型 最大 +& +& . / + &.& 0’’ ,’’ ’.1 +., 0, 单位 (57 输出峰值电流 # 3!)4 $ +’56 +.’ ) , . 电流放大器 平均电流式 86* 控制的电流放大器需要低的失调电压,以便使交流电网电流的失真 减到最小。由于有这个要点,改进了 "*0/,9) 2 : 的电流放大器,使输入的失调电压从 ; 9(- 变为 ’ < % 0(-。"*0/,9) 2 : 的负极性失调电压能保证,如果电流指令是零(两个 电流放大器的输入均为零),8=> 电路不会驱动 >!?6@#。以前设计需要的一个外部失 调消除网络执行这一关键特性。 电流放大器的频带宽度改进到 ,>AB 的典型值。当电流放大器的输入电流不是通常 的 ,’AB 或 C’AB 时,它对于 9’’AB 输入的航空电子系统则是一个要素。 C . 其他功能 在 "*0/,9) 2 : 中采用了几个另外的重要增强性措施。如果有必要,钳位在 &’- 的 电源电压 $ 2 DD,允许控制器馈送电流。 较低的启动电源电流(典型值为 &,’!))大体上可减少一个离线式启动电阻器的功率 需要。欠压锁定 +’ . ,- 2 +’- 的选择( "*0/,9:),能使控制器断开辅助的 +&- 电源时也 有电力。 如果电源或者 E . ,- 基准电压还是没有建立,那 么 -F@6“ G!!4”比 较 器 会 保 证 >!? % 6@# 驱动器输出仍然是低电平。这个改进消除了在 8H3 和 *) I 两脚外部需要 接肖特基二极管,这在一些 "*0/,9 的电路设计中是必要的。 失效延时传播的特性达到 0’’57 典型值。"*0/,9 的失效延时与 -F@6 电容器的尺 · &0/ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 寸成比例,并具有量值更小的几种等级的典型器件。 三、! ""#$%$ & ’ !""#$%$ 的特点 高效率、高功率因数预调节器 !""#$%$ 是 !()*+,-. 公司新推出的 /0" 功率因数校 正器产品。有关 !""#$%$ 的内部功能框图如图 & 1 % 1 #2 所示。 图 & 1 % 1 #2 !""#$%$ 内部框图 可调整的 /34 脉宽调制频率折反使轻载时有较高的效率;采用前沿脉宽调制以减 小输出电容的纹波电流;控制 5,,6*/34,使功率因数接近 & 7 8;在世界通用的供电电压范 围内工作时均无需设量程开关;具有正确的功率限制;采用可同步的振荡器;具有 &88!9 的电源启动电流;采用低功耗的 5":4;< 工艺;工作电压范围为 &2 = &$>。 !""#$%$ 提供了有源功率因数校正预调节器所需要的全部功能。以满足在低功率 工作时要求的高效率。该控制器采用平均电流型控制,通过整形交流电网输入的线电流 波形,使之与交流输入线电压波形一致,达到接近 & 7 8 的功率因数。 !""#$%$ 的工作与原先设计的 !()*+,-. 1 /0" 电路十分相似,并具有使轻载工作时 的 5,,6* 变换器有较高效率的附加特性,即在电压误差放大器的输出电子下降到低于用 户预置的、显示轻载的可调整电平时,通过按反比例线性地调节 /34 频率来实现。通过 减小 "* 斜坡脉冲(它与输出功率成比例)充电电流并增加滞后时间,脉宽调制频率则按反 比例变化。当负载变化阻滞时,也有一个瞬时的复位输入信号,能快速改变折反模式的 ?" 输出。 · 2#@ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !""#$%$ 采用的 &’( 脉宽调制技术是前沿调制。当在顺向变换器上同时采用较 常规的后沿调制时,有利于减小大容量存储电容器上的纹波电流。振荡器被设计为易与 顺向变换器同步。一个简单的同步方案可通过把颐向变换器的 &’( 输出端与 )*+" 端 连接在一起而实现。 该控制器的改进包括一个用于输入线电压 ,() 的峰值检波器、-" 内部集成的过流 关闭和过压关闭电路以及重要的、更低的静态工作电流。峰值检波器消除了用于 ,() 检测的外部双极点低通滤波器。这就简化了变换器的设计,对改进输入线电压的瞬态响 应提高了近 . 倍。 电流信号从电流误差放大器的输入端提取,以供给逐周的峰值电流限制。采用 !/01 23456 的 7"8(9) 工艺达到低启动电流和工作电流,它简化了自馈电供电设计,使控制电 路损耗降至最小。设置跨导电压误差放大器,考虑了对 -" 内部过压保护的输出电压检 测。 附加的特性还包括:用于可靠的离线式启动的欠压锁定,一个精密的 : ; %< 基准参考 电压,一个精密的 ,() 检测和信号限定电路。芯片关闭可由 =7> 端电平低于 ? ; %< 来实 现。 @ A !""#$%$ 的最大使用极限值 !电源电压 ! 88为 B$<; "栅极驱动电流连续值为 ? ; @C,脉冲值为 ? ; %C; #输入电流 " C"为 @??DC; $功耗为 B’; %存储温度为 E .%F G H B%?F; &结温为 E %%F G H B%?F; ’引脚温度(B?I 焊接)为 H #??F; (模拟输入的最大强迫电压为 E ? ; # G BB<。 # A !""#$%$ 各引脚功能概述 "C E(%脚):电流放大器的反相输入端。该输入端与非反相输入端 (9! J 保留接 地功能。 "C9(&脚):电流放大器的输出端,即一个宽带放大器的输出端。该放大器检测电网 电流,并控制脉宽调制器( &’ (),迫使其输出正确的电流波形。当有必要时,该输出端可 关闭振幅接地,允许 &’( 为强迫零占空比。 · @K? · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !"#$(!脚):接 "#$ 电压测量电容器。接在 !"#$ 与 %&’ 端之间的电容器,能平 均半个周期内的交流电网电压。 ! (!电流的镜像值在 )! 内部为 !"#$ 提供充电电流。 !*("#$脚):接振荡器的定时电容器。由 !+ 接地(%&’)的电容器设置 ,-# 自由振 荡器的频率,它可按 " . / 0 123 4 # ·+ $ + 给出。 567(%脚):频率折反电平选择。在频率折反开始时,选择电压误差放大器的输出电 平。关闭芯片工作可通过让 567 折反电子脚电平低于 / 0 89 来实现。 56#("#&脚):最小频率基准值。用一只电阻器接在该脚与 9":5 端之间,即可在折 反模式期间设置最小的频率值。一旦确定了 # + 和 $ + 的数值,就可用下式来求出 # 56#的 数值: # 56# . / 0 18;(4 $ + < " =>?)@ # + 该电阻将把最小折反频率调节到 " =>?。该脚也合并了一种让折反无效的功能:当负 载变化阻滞时,它能使该部分电路快速恢复到正常的工作状态。在折反无效模式时,会迫 使该脚电平低于 2 0 89,此时集电极开路。 %&’("#’脚):接地端。所有的电压测量都以相对于地线(零电平)为准。 9’’ 和 9":5 应选用一只 / 0 2(5 或较大的陶瓷电容器直接对地旁路。另外定时电容器的放电电 流也返回该脚,所以由 !+,接地的引线应尽可能短并走直线。 )(!()脚):输入交流电流。该脚输入到模拟乘法器的是一个电流信号。乘法器设 计得使该电流输入( ! )(!)到 #AB *(输出端)的失真很小。还需要一些对地旁路的噪声滤 波电容( C 3;/D5)。 #AB *(*脚):乘法器输出端。模拟乘法器的输出端和电流放大器的同相输入端被 一起接到该脚。因乘法器的输出是电流信号,该脚具有高阻抗输入,所以放大器可构成一 个差分放大器以抑制地线噪声。该脚电压也用于实现峰值电流限制。 AB *("#+脚):栅极驱动输出端。,-# 的输出是一个图腾柱式 #A$5:* 栅极驱动 器。建议栅极串联电阻器(最小为 8,),以防止栅极阻抗与输出驱动器之间的相互影响, 它可能引起栅极驱动的极度过冲。 " *("#-脚):接振荡器的定时电阻器。从该脚接地的电阻器用于确定振荡器的放电电 流。 $E&!(.脚):振荡器的同步输入端。在 ’! 4 ’! 变换级让 ,5! 同步于一后沿调制 器。同步脉冲产生于顺向调节器的正极性输出沿,并施加在该脚。)! 内部时钟被复位在 该同步输入的上升沿(充电升高时)。 9( @(/脚):电压放大器的反相输入端。通常该脚经一个分压器网络接到 6FFG+ 变 换器的输出端。该脚也是过压比较器的输入端,如果该脚的电压超过 H 0 289。那么比较 · I32 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 器的输出则被终止。 !"#(!脚):电压放大器的输出端。跨导放大器的输出可调节输出电压。电压放大 器的输出在 $% 内部被限制在约 &!,以限制功率。它也被用于确定频率折反模式。补偿 网络由该脚接地。 !’’("#$脚):正极性电源电压。在正常工作时的电压值为 () * (+!,它接到一个稳压 电源(最小提供 ,-." 电流)上。将 !’’ 直接对地旁路,以便吸收电源电流尖峰,它是在 对外部 /#0123 栅极电容充电时所需要的。为了防止不恰当的栅极驱动信号,只有当 ! ’’超过较高的欠压闭锁门限电压并维持高于较低的门限电平时,输出器件才能输出信 号。 !421(%脚):基准参考电压端。!421 是一个精密的 + 5 6! 电压基准输出端。该输 出端能提供 (-." 电流给周围的电路,并由内部限制短 路 电 流。当 ! ’’ 过 低 时,将 使 !421 无效,并维持在 -!。为了最佳的稳定性,用一只 - 7 (&1 或较大的陶瓷电容器将 !421 对地旁路。 8 5 9%%):6: 的电路分析 9%%):6: 的基本电路结构仍类似于工业标准的 9%):68 系列控制器,但增加了几个 不同的特性。 (()芯片的偏置电源和启动 采用 9;<=>?@A 的 B%’/#0 工艺来制作 9%%):6: 是为了实现最小的电源启动电流 (典型值为 &-&")和电源工作电流(典型值为 ) 7 6.")。这使其具有较低功耗,可用小功 率的充电电阻器来启动 $%,增加了轻载时的系统效率。较低的电源电流配合宽的欠压锁 定滞后(() 7 +6! 时导通,(-! 时截止),提供既有相同启动又有自馈电供电的工作时机。 (,)轻载时的振荡器和频率折反 9%%):6: 的振荡器可调节到与顺向变换器同步工作。也可作为一台单独的振荡器 工作。在 0CD% 同步脚的上升沿启动时钟周期,它是通过以额定的内部电流对 %3 脚充 电来实现的。 一旦穿越斜坡电压的高门限电平(8 5 6!)将设置内部锁定,并且 %3 脚开始按一定速 率( " ’$0 E ) F # =,)放电,它由接 43 脚的电阻器来调节。当没有同步脉冲时,%3 一直放电 到斜坡电压的低门限电平(( 7 -!),并调节振荡器的自由振荡频率,该频率由式(( G 6 G ),)给出。在做同步的应用中,# = 与 $ = 的数值选择应使其自由振荡频率始终低于同步时 的频率。 · ,8, · % E (H· ) · ,- ) 7 6 # ( ·= $ = E - 7 (:8 ( # ·= $ = (( G 6 G ),) www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 当 ! !" "#$设置的门限电平时,振荡器进入频率折反模式,并使同步失效。 通过减小振荡器的充电 电 流 可 完 成 频 率 的 折 反。通 过 ! !" 与 "#$ 之 差 调 节 电 流 #%&’(,它减去用于 )*,充电的电流。电容器的有效充电电流由( # )+,-. / #%&’()给出。为 了避免变换器工作在低频范围(例如音频),充电电流应不允许过低。变换器的最小频率 由流入 0#1 脚的电流 # .2,来调整,它设置最小的充电电流,设置所需最小频率的 $ 0#1数 值由下式得到: $ 031 4 5· 567 % 8 .2,·& * / $* (8 / 7 / 55) 当变换器出现低功率模式时,让时间恢复正常模式工作(即回到正常的或者同步的频 率工作),它必须是最小值。在 90) 电路中,所给的电压误差放大器的响应是很慢的, :!" 脚的变化并非是负载条件变化的最佳指示器。 ;))5<7< 提供了一个解决途径:当 0#1 被拉低到小于 8 6 7: 时,正常模式能瞬时恢复。 一个典型的接口应包含顺向变换器(带有固有的缓冲和滤波)的误差放大器的输出 端,以驱动一只 =9= 开关管,使 0#1 端被拉低到 >=? 地电平(零值)。缓冲器和滤波器 应保证开关管仅在顺向变换器的误差放大器处于高度饱和状态时导通,预置的饱和持续 时间则由负载增加而引起的输出电压下降来显示。当仍然利用 ;))5<7< 的其他特性时, 0#1 输入端也会永久地被拉低,使频率折反模式完全失效。如果让 0#$ 脚电位低于 @ 6 7:,那么该脚也可以充当使芯片失效的输入端口。 (5)减小电容器纹波的措施 对于 ?) A ?) 变换级采用 #--&* 变换器的功率系统,使两个变换器同步是有好处的。 除了诸如噪音低、稳定性好等一般优点外,固有的同步能够大大地减小 #--&* 电路输出电 容器上的纹波电流。在 90)#--&* 变换器与简化的正向变换器输入连接在一起时,固有同 步效果。在单级开关期间,电容器的电流取决于开关管 : B8 和 : BC 的工作状态。 它可以看成是在两个变换器上维持常规的后沿调制的同步方案,电容器电流的脉动 为最高值。当 : B8 截止与 : BC 导通的重叠段为最大值时,可最有效地消去纹波电流。 实现这一目标的方法之一是使 #--&* 二极管 :?8 的导通与 : BC 的导通同步。这种处理 方式意味着:#--&* 变换器是用前沿脉宽调制,而正向变换器却采用传统的后沿脉宽调制。 为了充分发挥容易同下级变换器同步的优点,把 ;))5<7< 设计成一个前沿调制器,对由 ;))5<7< 使 :?8 A : BC 同步的电流,与其他用于 C@@D 系统且 ’ #EB 4 5<7: 时末端 : B8 和 :BC 同步导通的电流进行了比较。 由于采用 ;))5<7< 促成的同步方案,#--&* 电容器的纹波电流在普通电网电压时可 减小 7@F 左右,而在高电网电压时可减小约 5@F 。如果输出电容值的选择由脉动电流来 · CG5 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 确定,那么其容量可大大地减小,或者电容器的寿命得以增加。 用另一种同步方法达到相同的纹波降低也是有可能的。这种方法就是 ! "# 的导通 同步于 ! "$ 的截止。然而用这种方法减小几乎相同的纹波并维持在两个变换器上均为 后沿调制以实现同步是非常困难的,并且电路会变得对噪声敏感。 (%)基准参考信号(&’ ( ) ")的产生 像 (*+,-% 系列那样,(**+,-, 也有一个模拟计算单位(.*(),它为电流误差放大 器产生一个基准电流信号。.*( 的输入是与电网电压的瞬时值、输入电压的 /’0 以及 电压误差放大器的输出成比例的信号。但不同于传统的 /’0 电压检测技术之处在于 (**+,-, 使用了一种正在申请的专利技术,它简化了 /’0 电压发生器,并消除了由于原 先技术引起的性能退化,消除了为产生 ! /’0所需要的外部双极点滤波器。 换句话说,&.* 脚上的电流是被镜像的数值,它在半个周期之中用于对外部电容器 */’0进行充电。*/’0 脚上的电压为积分的正弦波形,并由式(1 2 - 2 +%)及式(1 2 - 2 +-)得出: " (/’0 3 $!·# .$*4/5’(0 1 2 678!% (1 2 - 2 +%) " */’(0 &’ )3 # .*45 !·$ /’ 0 (1 2 - 2 +-) 当半个周期结束时,*/’0 脚上的电压仍保持同步。在下半个周期里,*/’0 脚则进 行放电,并准备积分。这一方法的优点是 " /’0信号上的二次谐波脉动实际上已被消除 了。若想用常规的双极点滤波器来限定衰减,则二次谐波脉动是无法避免的,并且在输入 电流信号中还会引起三次谐波失真。另外,对电网输入变化的动态响应也有改进,因为每 个周期都会产生一个新的 " /’0信号。 在正常的工作条件下,# .*45 数值在峰值电网电压时应选择为 199".。对于通用的 .*$:-! 输入电压峰值,这意味着 ( .* 3 + ; :’#。&* 的噪声灵敏度要求设置一个小容量 的旁路电容器,以滤除高频噪声。该旁路电容器的数值应限制在最大值 ++94<。在低电 网电压峰值 ,9! 时," */’0的电压值应近似为 1 ; 9!,以使任何数字转换误差减至最小。 在高电网电压时," */’0的峰值变为 + ; -!。需要的电容器 */’0的数值,可由式(1 2 - 2 +-)计算得出。它在 -9=> 电网频率时为 ?94<,在 :9=> 电网频率时为 @-4<。 乘法器的输出电流可由式(1 2 - 2 +:)给出,式中取 ) 3 9 ; ++。 # ’/)& ( 3 ( */’ 2 1)# " $ */’0 .* ) (1 2 - 2 +:) 乘法器的峰值电流限制在 $99".,并且选择的 # .*和 " */’0数值应保证上述电流值在 该范围之 内。对 乘 法 器 的 另 一 个 限 制 是 # ’()" 不 能 超 过 两 倍 的 # .* 电 流 值,以 限 制 · $%% · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !"#$% 上的最小电压值。 #$% 电压前馈的不连续性意味着在某个工作区域内输入电压变化时,馈送至乘法器 ! #$%脚的信号不发生变化。电压误差放大器补偿了由此改变的输出值,以维持所需要的 乘法器输出电流。当 &’" 的输出变化时,在误差放大器的输出端存在一个跃变。如果变 换器处于轻负载状态,那么在折反频率处有一个合成的移相。然而这种变化的冲击,对变 换器总体工作的影响却很小。 关于 #$% 电压方案的另一个关键考虑是它依靠 " &"信号的过零是有效的。在特轻 负载和高电网电压条件下,如果在桥堆的整流侧使用大容量电容器作滤波用,则经整流的 交流不会完全到达零值。在这种实例中,前馈效应不会发生,控制器的功能受到损失。 对于 ("")*+*,当出现过零检测时," &"电流值应低于 ,-!&。为了改善轻载运行,建 议电容值保持足够低,前馈电压直接从整流桥的交流输入侧获取。 (+)栅极驱动的考虑 ("")*+* 中的栅极驱动电路设计成高速功率开关驱动电路。它是由低阻抗的拉高 和拉低 ’$.% 输出级组成。当工作在高偏置电压时,为了保持 ’$.% 输出级处在安全工 作区内,建议采用外部栅极串联电阻把栅极驱动电流峰值限制在 - / +&(见 (0123456 产品 手册),以确定所需的外部电阻。 (7)电流放大器的设置 设置乘法器首先应选择 ! #$%的范围。最大的乘法器输出出现在低电网电压和满负 载条件时刻。电感器的峰值电流也出现在同样的条件下。乘法器的终端电阻器可用公式 (, 8 + 8 )9)来确定: # $(:; < " $ => # %?@%? " $(:;=> (, 8 + 8 )9) 由 ("")*+* 提供的峰值电流限制功能被集成在 $.( ; 中。在 $.( ; 上的信号通 常维持在 -!,因为在闭环工作状态下(, " $(:;、# $(:;)可消除流经检测电阻器的电压降。 在短路或瞬态启动条件下,乘法器的电流不会完全消除 #%?@%?上的电压降,并且 $.( ; 的电压降到低于 -!。当 $.( ; 降到低于 8 - / +! 时,A" 内部的峰值电流限制被激活。 在任意工作点的峰值电流限制由公式(, 8 + 8 )*)给出: " :A$ < " $(:;·# $(:; # $(:; B -/+ (, 8 + 8 )*) 电流放大器可利用以前提出的技术进行补偿(见 (0123456 产品手册)。电感器电流 与占空比传递函数的简化高频模型可由公式(, 8 + 8 )C)给出: %(1D &)< ’$ < " !&$ (, 8 + 8 )C) · FE+ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 在关心的交叉点频率上,电流反馈路径的增益由式(! " # " $%)给出: !" ! & # ’()’(·##*+·$!’( (! " # " $%) 式中,$ ’(是斜坡电压幅度(峰一峰值),在 ,--./#/ 中是 . 0 #1。综合式(! " # " .2)和式 (! " # " $%),可得到电流环的回路增益,并且在期望的交又点频率上使它等于 !,于是可 导出 # 3 的设计值。电流环路的交又频率选择,采用常规的折衷方法。然而应使它保证 在折反条件下开关频率最小时,电流环能稳定工作。 (4)电压放大器的设置 ,--./#/ 中的电压放大器是一种跨导型放大器,它允许在过压条件下对输出电压进 行检测。 四、5 6 7!8/// 自 9% 世纪 /% 年代中期开始,西门子等公司推出了 567$/!$、567$/!#、567$/!8、 567$/!4、567$/!/、567$/!2 及 567$/89 等系列 :;- 控制器单片 <-,其中 567$/!$、 567$/!8、567$/!4、567$/89 适合于在电子镇流器升压式 :;- 预调整器中用作控制 器,而 567$/!#、567$/!/、567$/!2 则适用于 ’=:’ 的谐波滤波及功率因数校正。进入 9% 世纪 2% 年代后,有源 :;- 控制器单片 <- 迅速发展,品种规格已达近百个,有源 :;升压变换器的输出功率可达 $ 0 #>?。为降低 ’=:’ 的成本,使其线路进一步简化,9% 世 纪 2% 年代中期,:;- 与 :?= 二合一的单片 <- 开始崭露头角。其代表性产品有线性技 术(@ 5 )公 司 的 @ 5A#%/、@ 5A#%2 和 微 线 性( = @)公 司 的 = @$/!2、= @$/9!、= @ $/9$、 = @$/98、= @$/%!、= @$/%. 等。其中,= @$/%. 采用 / 脚封装,是 !222 年 ! 月公布的新产 品。本节介绍的高性能 :;- 与 :?= 控制器 567!8/// 是西门子公司新推出的高集成 度单片 <-,为 :-B、-5 1B、监视器和工业用新一代 ’=:’,并采用失效模式结果分析(英文 缩写为 ;=(7)规则进行设计。 ! C 封装形式、内部结构及引脚功能 567!8/// 采用 : " 6<: " 9% " # 和 : " 6’D " 9% " ! 封装,顶视图及引脚排列如图 ! " # " .. 所示。 567!8/// 由 :;- 和 :?= 控制器两部分组成。:;- 控制器主要包含有电压误差放 大器(D:!)、乘法器、电流放大器(D:9)、比较器(-! E -.)、运算跨导放大器( D57! E D57.)、触发器(;;!)和 :;- 输出驱动器等电路。:?= 部分主要包括振荡器(与 :;- 共 · 9$8 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 用)、比较器(!" # !$%)、触发器( &&’)和 ()* 图腾柱(即推拉式)栅极驱动器等单元电 路。此外,+,-./000 还内置 1 2 34 的精密带隙基准、欠电压锁定( 5 467)和电源控制电 路。图 $ 8 3 8 9" 为 +,-$/000 内部结构方框图。+,-$/000 的引脚功能见表 3 8 9。 图 $ 8 3 8 99 +,-./000 顶视图及引脚排列图 图 3 8 9" +,-$/000 内部结构方框图 · ’"1 · !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 表 ! " # " $ %&’!()) 的引脚功能 脚号 符号 ! *+,-’, % 123+ ’ *+,,, ) *+,,0 + 87&0 - *+,,9 / 87& 1 +*,:< % 3 1== 5 *./:<% 功能 ’, 线路电压传感器输入 4 5 #1 的基准 *+, 电流环路补偿 *+, 电流传感 电流传感输入地 +*, 电流限制传感输入 地 *+, 驱动器输出 电源电压 *./ 驱动器输出 脚号 符号 "#$ *./,0 "#& 067, "#( *./00 "#* *./-7 "#, *./2/* "#. 2:0, "#0 *+,+; "#2 *+,1, "#4 *+,10 "67 ’<>10 功能 *./ 电流传感 振荡器同步化输入 *./ 软启动 *./ 输出电压传感输入 *./ 斜坡电压 振荡器频率建立 *+, 电压环路反馈 *+, 电压环路补偿 *+, 输出电压传感输入 辅助电源电压传感 ? 5 主要特点 %&’!())) 内的 *+, 控制器可以组成升压式预调整器,也可以组成回扫式拓扑,在 连续或断续方式下工作,采用平均电流和电压传感双环控制及前沿触发宽度调制,最大占 空比为 @AB。改进的电流型控制 *./ 电路可用作设计正向或回扫式变换器。为防止 变压器饱和,后沿触发的 *./ 最大占空比限制在 #CB 。*+, 和 *./ 控制器在内部保 持同步,在相同的频率上工作,固定频率范围为 !# D ?CCEFG。*+, 与 *./ 均采用快速 软开关图腾柱栅极驱动(!’)。%&’!())) 启动电源电流典型值为 #C8’,静态工作电流仅 为 !#H’,具有低待机功耗。监视和保护特征主要包括 *+, 直流输出过电压和欠电压监 测、峰值电流限制和 -, 电源欠电压闭锁等。 %&’!())) 可用于设计适用于世界各国 ’, 供电线路、输入电压为 @C D ?4C1 的高品 质离线 0/*0,满足 -3,ICCC " $ " ? 关于 ’, 输入电流的谐波限量的要求,实现高于 C 5 @@ 的线路功率因数,并具有低成本、低损耗和高可靠等优点。此外,-, 的 *+, 还可用作辅 助电源。 $ J 工作原理概述 (!)电源 %&’!())) 的脚3(1,,)内部并联一支 !4 5 #1 的齐纳二极管 K$(见图 ! " # " $A),只 · ?A) · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 要该脚上 的 电 压 达 !" # $% 以 上,&’ 则 被 保 护。在 &’ 的 任 意 脚 都 有 专 门 的 静 电 放 电 (()*)电路,用作 ()* 保护。只要 %’’脚上电压超过 !+% 的门限,&’ 则从待机状态进入 操作模式。当电源电压降至 !!% 的门限以下时,&’ 则从操作模式进入待机状态。通过 ,*-!./// 的电源控制和脚!"#(012)))的软启动特性,在电源电压进入稳态后,012 控 制器通过内部的偏置控制被赋能运行。 (3)保护电路 ,*-4./// 的比较器 ’. 通过脚!"$(05’%))传感过电压后,立即关闭 05’ 和 012 的 栅极驱动,履行过电压保护功能。运算跨导放大器 6,-3 除了用于改进 05’ 预调整器的 负载调整之外,也通过对脚!"$上的信号检测,实现对乘法器输出 7 2 的适度控制和快速 过电压保护。万一 05’ 输出出现欠电压,比较器 ’+ 通过脚!"$检测。为提升 05’ 输出电 压,减小负载电流,012 控制器将关断其栅极驱动器输出。欠电压关闭必须在 &’ 欠电 压自锁之前发生。也就是说,关闭 012 输出时,脚%(%’’)上的电压恰好在 !!% 的欠电 压自锁门限以上。如果在脚!"$上的电压由于某种原因降至 !% 以下。比较器 ’3 则被触 发,&’ 脚&上的 05’ 输出立即关闭。,*-!./// 的比较器 ’8 和 ’9 分别通过脚’(05’: ’;)和脚!"((012’))传感器、检测 05’ 和 012 变换器的电流。只要脚’和脚!"(上的电 压达到峰值电流限制门限,则会立即关断脚&(05’6< ,)或脚)(0126< ,)栅极驱动 输出。此外,,*-!./// 的每个引脚都具有抗 ()* 保护功能。 (8)振荡器 = 同步化 ,*-!./// 振荡器频率由一只连接于脚!"*(>)6’)与地之间的外接电阻设定。为保 证有一个低电流消耗和对电磁干扰((2 &)有一个高阻抗,相应的电容被集成。05’ 和 012 时钟信号与 05’ 电压斜坡一样,通过内部的振荡器同步。为确保时钟频率的精确 度,时钟信号由三角波而不是锯齿波信号派生而来,并且提供一个占空比为 $?@ 的时钟 参考信号。在馈送到 05’ 和 012 之前,振荡器时钟信号的频率通过 * 寄存器(* A ;BCDE)减半。05’ 斜坡信号由一个缓慢的下降沿和陡峭的上升沿组成。考虑到在脚+ (FG*))上的电流测量和 603 的脚+与脚,(05’’’)之间外部有补偿,05’ 斜坡极性先 于其他波形反转。&’ 的振荡器也可与施加到脚!"-()HG’)上的外部时钟脉冲信号同步。 但由于振荡频率在进入 05’ 和 012 电路之前被二等分减半,故同步频率宜为工作频率 的 3 倍。只要同步信号处于高电平,振荡器的三角波信号则被阻断,并且其时钟信号是高 电平。外部的时钟 信 号 从 高 到 低 变 化,振 荡 器 就 释 放。施 加 到 脚 !"-( ) H G ’)上 的 外 部 时 钟信号,通过脚!"*(>6)’)上的外接电阻,可使振荡频率 ! IJD从 ? # .. ! IDJ到 3 ! IJD变化。为减 小在低负载条件下的总电流消耗,在脚!"#(012)))上的电压只要低于 ? # +%(012 控制 器禁耗),振荡器频率则被平分。 · 3+9 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (!)"#$ 控制器 %&’()*** 中的 "#$ 控制器带双环控制。其中,内环控制由 +",、$( 和 "#$ 驱动器 组成,利用连续或断续模式的平均电流控制,实现对 ’$ 线路输入电流波形的校正。外环 控制主要由 +"(、乘法器、+",、$(、##( 和 "#$ 驱动器支撑,控制 "#$ 输出 &$ 电压。此 外,+%’(、+",、$(、##( 和 "#$ 驱动器组成第三个控制环路,在 "-. 控制器被禁能时, 允许 "#$ 电路作为辅助电源工作。此情况下,为减小总电流消耗,"#$ 电路工作频率应 为正常工作频率的一半。为得到最小的 ’$ 输入电流(过零时)间隙,"#$ 驱动输出信号 的最大占空比为 /!0。 (1)"-. 控制器与通常采用的前沿电流消隐比较 %&’()*** 的 "-. 控制器采用改进的电流型控制,包含有效的斜率补偿,以提高对 尖峰脉冲噪声的抑制能力。该作用的实现。通过 +"2、电压源 3((( 4 13)、低通滤波元件 56 及脚!"#("-.5.")上的外接电容实现。"-. 负载电流通过脚!"#("-.$7)外部的 并联电阻检测,并由 +"2 进行放大。在功率晶体管开通时,由于电容放电产生的超前尖 峰被一个低通滤波器所抑制,利用电压源 3( 与后随低通滤波器的结合,能产生一个带有 超前陷波的阶跃斜坡,可完全补偿一个超前尖峰噪声。"-. 控制器根据在脚!"#("-.8 5.")上的 "-. 斜坡电压和脚!"$("-. 69)上的输入电压采用后沿调制。而 "#$ 控制 器的脉冲宽度调制采用前沿触发,这样可以避免 "#$ 与 "-. 控制器之间的电磁干扰 (:.;)。为阻止变压器饱和,".- 最大占空比限制到 1<0 。通过改进的电流方式控制, 从最大负载到无载,可得到稳定的脉冲宽度调制。 五、#’122;"(.)= #’122,"(.) 为满足 6:$;<<< > 2 > ,《家用电器及类似电气设备发出的谐波电流限制》等标准要 求,像开关电源( 7 . "7)、变 频 调 速 器 和 荧 光 灯 交 流 电 子 镇 流 器 等 电 子 产 品,采 用 功 率 因 数校正("#$)技术势在必行。#’122("( .)= #’122,"( .)有源 "#$ 控制器双极型单片 6$,为设计低输入电流谐波畸变和高功率因数的预变换器,可提供一切所必需的功能。 #’122,"(.)与 #’122("(.)比较,在轻负载特性方面有重大改进,属于第二代 "#$ 控制器。在外形封装上,二者的区别只在于尺寸上略有差异,个别参数略有不同。 ( 4 内部结构及引脚功能 #’122("(.)= #’122,"(.)采用 () 脚 7+" 和 &6" 封装,其内部结构框图如图 ( > 1 > 21 所示。 · ,1< · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 从图 ! " # " $# 可知,%&#$$!’(()) %&#$$*’(()内部电路主要包括电压误差放大器 (+, - &(’)、乘 法 器( ( . / 0 )、电 流 放 大 器( 1.,, - &(’)、脉 宽 调 制 比 较 器( ’2(3 14 ( ’)、振荡器( 4 51)、精密基准电压源( 6 ,+ %)、电源偏置电路、控制逻辑及驱动输出级 电路等;保护电 路 主 要 有 过 电 压 保 护( 4 6 ’)、过 电 流 保 护( 41 ’)、软 启 动 和 欠 电 压 锁 定 (. 6/4)等电路。%&#$$!’(()) %&#$$*’(()的各引脚功能如表 ! " # " 7 所示。 脚号 ! # % ’ + / ()1 符号 8%9 8/:— 6;+0 <:; 4.0 61 6>> 15 图 ! " # " $# %&#$$!’( ()) %&#$$*’( ()内部结构框图 表 ! " # " 7 %&#$$!’( ()) %&#$$*’( ()的引脚功能 功能描述 脚号 符号 功能描述 电淹误差放大器输出 误差放大器反相输入 乘法器输入 地 输出 输出电路电源电压 81 电源电压 软启动 " 46’ 过电压保护输入 $ 6%9 电压误差放大器输出 & 68:— 电压误差放大器反相输入 ()* 4: ) 4%% 输出开 ) 关控制输入 (), ,+% 参考电压 (). 5=:1 振荡器同步输入 ()0 10 振荡器定时电容和电阻 ()2 8;+0 电流误差放大器同相输入 * - 主要功能与特征 %&#$$!’(()) %&#$$*’(()是一种平均电流型控制 ’%1 双极单片 81,待机电流仅约 为 ?@3&,工作电流约为 !@A&,驱动输出电流达 B ! - #&。81 内置 B *C 的 #6 精密基准电 压源,具有欠电压故障预防、逐周过电流和过电压限制功能。%&#$$!’(()) %&#$$*’(() 与其他电路可实现同步操作,通过外部信号还可以实现输出开 ) 关功能。当存在轻载操作 · *#! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 可能时,!"#$$%& 功率因数校正控制器 !"#$$’&(()) !"#$$%&(()的功能原理及应用与 其他同类 *+ 比较,具有明显的改进特性。!"#$$’&(()) !"#$$%&(()能确保系统稳定工 作,产生非常小的 "+ 输入电流波形失真,线路功率因数至少达 , - ..。 $ / 推荐工作条件 设计人员在利用 !"#$$’&(()) !"#$$%&(()作为 &!+ 预调整器控制器时,必须按照 表 ’ 0 # 0 # 列出的推荐工作条件进行设计,以确保 *+ 正常工作。同时,*+ 有关引脚的输 入电压 ! 123+、! 43 ) 4!!、! 5*3、! 5678和、! 45&范围不可超过 0 , - $ 9 : # - $5,工作温度不 能超过 0 $,; 9 : <#;。 表 ’ 0 # 0 # !"#$$’&( ()) !"#$$%&( ()的推荐工作条件 参数名称 符号 电源电压 *678 脚输入电压 5678 脚输入电压 5678 脚峰值输入电压 振荡器定时电容 振葫器定时电阻 振荡频率 连接 *678 脚的噪声滤波器电阻 ! ++,! = ! *768 ! 5678 ! &5678 "8 #8 $ AB= #F !"#$$’&(+) 最小 最大 ’, %< 0 ’-, , , %-, , - ’?# %-, — — — — ’, %%, , ’,, &"#$$%&(+) 最小 最大 ’, %< 0 ’-, , , %-> , - ?# %-> $$, ’,, ’, @# ’# ’#, , %@ 单位 5 5 5 5 &! ! CDE ! > - 功能原理 "振荡器:振荡器外接元件如图 ’ 0 # 0 $?(G)所示。振荡器频率由 +8 和 H8 的数值 决定。+8 上锯齿波电压在 , - ’# 9 $ - ##5 之间。*+ 脚#$%上的同步信号通过 H+ 电路输入, 56’ 为钳位二极管。脚#$%的同步信号输入门限在 ’5 以上。自由振荡(!IJJ 0 IKFFLFM)频 率约低于同步信号频率的 ’,N。 &电压误差放大器与过电压限制电路:电压误差放大器形成电压反馈环路,以保持 &!+ 预变换器输出 6+ 电压 %A。的稳定。如图 ’ 0 # 0 $(? O)所示的电路给出了所必需的外接元件。 ’电流误差放大器和过电流限制电路:电流误差放大器("%)形成电流环路。使输入 电路电流变成正弦波。乘法器的输出通过电阻 H"、连接到脚&,以输入参考电流信号。 脚#$(是电流检测输入端,脚#$(上的电压范围为 ,5(地电位)到 0 ’ - ,5。横跨脚"和脚& · %#% · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 连接相位校正电阻 !" 和电容 #$ 与 #%。图 & ’ " ’ $(( #)示出了 )% 与过电流保护(*#+) 比较器(#%)的外接元件。所期望的电压增益与频率关系特性如图 & ’ " ’ $(( ,)所示。 图 & ’ " ’ $( -)"$$(% &)+( .)原理图 !+/. 比较器:当振荡器输出( ! 0)小于电流误差放大器()%)的输出( ! 1)时,+/. 比较器输出高电平,并在 2# 脚"产生一个输出开通信号。在 2# 内,一个 &*#) 的恒流源 对脚$%&上的外接电容充电,用作软启动。 ’乘法器:图 & ’ " ’ $(( 3)示出了乘法器及相关电路。由脚(输入经全波整流的正 弦信号电压,通过乘法器产生一个参考电流信号。对于 -)"$$&+(.)和 -)"$$%+(.),在 脚(上的峰值电压范围分别为 4 5 (" 6 %7 和 4 5 (" 6 % 5 87。 )开 9 关控制输入电路:图 & ’ " ’ $(( :)为 2# 的开 9 关控制输入电路。如果脚$%*为高 电子(赋能),2# 脚"则输出脉冲;若脚$%*置于低电平(禁能),2# 内部偏置电源(基准电压) · %"$ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 被切断,!" 电流消耗仅为开通态的 # $ #% 左右,脚!"#输出电平也变低。 $输出电路:&’())#*( +)$ &’()),*( +)的输出电路如图 # - ( - ).(/)所示。!" 驱 动输出级电路电源通过脚%(0")提供,独立于 !" 电源 ! ""。在开通和关断两种情况下 的栅极总电阻由式(# - ( - 1#)(、# - ( - 1,)决定。 " (/ 23)4 " /5 6 " /, (# - ( - 1#) " (/ 277)4 " /, (# - ( - 1,) 在待机状态,脚&输出低电平。如果功率 +89&:; 的漏极电位出现起伏,栅一漏极 电容可以驱动 !" 输出。一旦脚&上的电压达到 - % < .0,一个不希望的电流会流入 !",并 且在输出晶体管开通时,有一个大的异常电流流进输出电路。连接于 +89&:; 栅、源极 之间的一只肖特基二极管可阻止上述情况发生。 ( = 典型应用 用 &’())#*(+)$ &’()),*(+)作为控制器的 ,%%> 升压式 *&" 顶变换器电路分别 如图 # - ( - )? 和图 # - ( - )@ 所示。这两个实际应用电路的拓扑结构是相同的,只是个 别元件的参数略有差异。 图 # - ( - )? 用 &’())#*( +)作为控制器的 ,%%> 升压式 *&" 变换器电路 · ,(1 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $% 用 &’#$$()( *)作为控制器的 (++, 升压式 )&- 变换器电路 典型应用电路的 ’- 输入电压范围为 %# . (/01,无需电源选择开关,适用于全球的 工频市电供电电源。)&- 预调整器的输出功率为 (++,,2- 输出电压是 $%#1。在 ’- 输 入端,产生与 ’- 输入电压同相位的正弦波 ’- 输入电流,系统功率因数达 + 3 44。 ’- 输入电压经全波整流和 5%、56 与 5/ 分压取样,通过 7- 1289 脚检测。)&- 升 压变换器的 2- 输出电压一方面经 5!/、5!6 和 5!% 分压采样,被 7- :1) 脚检测,履行过 电压保护功能;另一方面又被 54、5( 和 5! 分压取样,经 17; 脚被 7- 内电流误差放大器 监控,以调节 2- 输出电压,使其稳定于设定值。当功率开关 1 9! 开通时,升压二极管 12! 截止,流经升压电感 ,从而满足 78-!+++ " $ " ( 等标准的要求。 · (## · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第三节 功率因数校正器的设计 一、应用 !"#$%&’ ( ) 设计 *+" 电路 高性能功率因数校正器 !"#$%&’ 和 !"#$%&) 是在原工业级标准产品 !"#$%& 的基 础改进的,新 *+" 控制 ," 的器件引脚和基本功能与原 !"#$%& 兼容,而其特性有了多处 改进。其中,!"#$%&’ 可用于原有的 !"#$%& 产品大多数 *+" 设计,无需修改印刷电路 板。新的 *+" 预调节器设计和现有器件的升级能实现增强性能,并以最少的设计工作量 减少部件数量和 ," 外部元件。 - . 设计特点及功能 !"#$%&’ ( ) 具有如下设计特点: !控制升压 */0 接近单位功率因数 - 1 2; "限制电网电流失真为( 3 #4); #无需设量程开关; $精确的功率限制; %高带宽(% 0 56)、低失调电流放大器; &集成式电流和电压放大器输出钳位电路; ’具有 789+“:;;<”比较器; (乘法器有改进、线性度更好,%22=7 补偿,消去了外部电阻器,有 2 > %7 的共模范围; )有更快的改进型精密 9?’)@9 比较器; *具有欠压锁定门限电压选择,即 -A7 ( -27 和 -2 1 %7 ( -27; *具有 #22+’ 的启动电源电流。 B 1 改变现有的 *+" 设计(由 !"#$%& 改进 !"#$%&’ 或 !"#$%&)) 此改进将从原控制电路中减少以下 % 只元件: !于钳位电压放大器输出的 - 只二极管; "用于钳位电流放大器输出的 - 只齐纳二极管; #接 ,’" 端、作 A7 幅值补偿偏置电流的 - 只电阻器; $从 7CC到电流放大器输入端的 - 只电阻器,它能适应 D &=7 失调电压的最坏情况; · B%A · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !! 只肖特基二极管,用于钳位过流保护输入("#$ % &),它是在 "’( 预调节器过功 率期间该脚远低于地电平时起作用。 由 )*+,*+ 脚接地的输出电压分压器反馈电阻值,必须降低到适应放大器基准电压 已从 - . /) 降到 0 . 1) 的变化。大多数应用中,现有产品的印刷电路板无需改动即可设置 新器件。 0 2 用 3(04/56 组成的 7/18 功率因数校正整机电路图 图 ! 9 / 9 0: 示出用 3(04/56 组成的 7/18 功率因数校正整机电路图,表 ! 9 / 9 ; 示出用 3(04/56 组成的 7/18 功率因数校正电路的阻容元件及数值。 图 ! 9 / 9 0: 用 3(04/56 组成的 7/18 功率因数校正整机电路图 表 ! 9 / 9 ; 用 3(4/56 组成的 7/18 功率因数校正电路中的阻容元件及数值 !!!!!!!!!!!!!!! 元件 (! (7 (0 (5 数值 1 . 5-"’ < 011)“=”型 5/1"’ < 5/1) 电解 7-1?’ < !;) !"’ < !;) 陶瓷 元件 )>5 )>; ’! @! 数值 71) < 06 肖特基,!,/471 51) < !6 桥式整流器 ;6 < 011) 保险丝 跨接线 68A B 77 · 7/- · !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 续表 !" # $ #%&!’ ( )"* 陶瓷 !& # $ %&!’ ( )"* 陶瓷 !8 )##!’ ( 9/* 电解 !)# # $ #)!’ ( 9/* 陶瓷 !)) )!’ ( )"* 陶瓷 !)0 # $ )!’ ( "9* !)9 "0>’ ( )"* 陶瓷 +,) *,) :) :0 :9 :% :/ )-. 电感器 /##*,# $ 0/"1 沟道 234’567,/#0// # ; 0/",/< 无感电阻 9 $ 8=",) ( 0< 9 $ 8=",) ( 0< ) $ "=",) ( 0< )#=",) ( 0< !)/ "0#>’ ( )"* 陶瓷 :" 0%=",) ( 0< !)" )!’ ( 9/* 陶瓷 在“!”与“’”两端间增加 ) 只 ! # $ %&!’ ( 9##* 的“?”型滤波电容 *A) "##* ( "6 桥式整流器 :& 0%#=",) ( 0< :@ )2",) ( 0< :8 8)=",) ( 0< :)# 0#=",) ( 0< *A0 "##* ( @6 特快恢复整流器( !BB C 9/DE :)0 0&=",) ( 0< :)9 &/=",) ( 0< :)% )/=",) ( 0< :09 8)#=",) ( 0< :)/ 跨接线,6); % ———乘法器常数( % 6 :); & ———?"-/4@ 脚分压器的比例系数。 所以,! 4(5 #)与 ! ’(" #)的比例为: $ 6 ! 45 ! ’" 6 ( " <’ ; : = % %·( &·" /4’)7 (: ; % ; &%) 该值只由输入电压的有效值和电网周期内的停留常数来确定。 在完成良好设计的情况下,当输入电压最小时,比例将等于 7 或大些,此时仍希望提 供按比例的输出功率。图 : ; % ; &A 中的曲线表明了 ! 45与 ! ’"的优化比例,它是归一化 的输入电压函数。曲线的水平轴是在最小网电压和满载时归一化得出的。在数值低于单 位 : 时,变换器将工作在功率限制状态。 为了达到正确的功率限制,图 : ; % ; &: 所示的电路表明了元器件必须进行计算。 · 7%B · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 ###################################################### 图 ! " # " $% 理想的 ! &’ ( ! )*比例 图 ! " # " $! 在典型的 +,* 应用中乘法器设置的元器件 !用输入电压峰值和允许的最高 ! )*值计算 " )*,即: " )* - # .&)/01·!2 ! )*/01 (! " # " $3) 在数据记录中给出 ! )*/01"3%%")。 #公式(! " # " $$)中的因数 $ 可由特定的最小输入电压值来确定,此时电路可提供 满额定功率。这表明电压误差放大器的输出 % 4)将要饱和,! &’将处于理论上的最大值, 即 2 5 ! )*/01。所需的 ) 值可由(! " # " $#)式表示: $ - !2 6 2# # 78/9: (! " # " $;) 现在,公式(! " # " $$)中的每个参数都已给出,而 !&’对于所有的工作条件都是已知的。 $计算乘法器电流的峰值 ! &’/01,在最小输入电压 # .&) #假定 -.08.0的阻值已根据允许的电阻器功耗做了选择,则可由(! " # " $4)、(! " # " $<)(、! " # " #>)式计算 -’(的值,即: $ ’( , / 2 /# #% 789:5; % 13 $ .8.0 " -’.)*+·"( " -1 " ! 2 #) (! " # " #!) 在所有的设计参数确定之后,可计算归一化输入有效电流值和归一化输入功率,作为 归一化输入电压的函数。 在整个输入电压范围内,用 ?3@4#$1 A B 高功率因数控制器 73 可实现精确的、恒定 的功率限制。它由输入电压前馈项产生,见乘法器方程式(! " # " $$)。 # C 设计举例 下述例子可具体说明怎样完成上述程序。该设计例子的初始参数如下: " 78 , &> D !@/E; " 78)*+ , <>E(此时仍可得到满输出功率); %(?F , /#>G(负载变换器的功率限制); %H7’7F , /&#G(设置 IJ3 功率限制高于负载变换器 !>K); ", > 2 <(# 需要的效率)。 为了计算出最佳结果,需要遵循下面给出的指导逐步设计。 步骤 !: 取 $ 13 , @@>;$ 步骤 /: $ 13 , !@/ %>> L !/ !> " % , @!! 2 ! L !>(@ $) · /%! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" ! ! !" # "$ %& ! & # &’(()* + " ,-. 步骤 1: ! ! ’( # ()/* + 0,-. # -2/34 ! ’ %& 5 !"(( 6 5 11& 5 ’&1 ’ 5 # $) " # "$ ! ))’ # 7!8 # -2/34 ! ))’ # 7!8步骤 7: # 9:;<3= ! % 5")&$# %$!" ! 7 # 7($ 8) # 9:;<3= ! 7 # 7$8 步骤 $: 假设电流检测电阻器的最大功耗 $,. ! & # $>,则: % .?:.? ! $ ,.·" " 9: /@A·"" $"20 B % .:.? ! & #$ 5 %&" 5 ")$" & # %$" ! & # &7C(1 #) % .?:.? ! 7)/# 步骤 (: % -2 ! " # "$ 5 ’ 5 ")$ %&" 5 5 11& 5 ’&1 5 7) & # %($ ( 6 ’ # $) 5 ’& 6 " ! ")) # (’ #) % -2 ! ")&# 以上几乎是完美的设计,展现了在全部工作输入电压范围内所需要的功率限制特性。 第四节 B 2D.E@FGH 在 DIJ 中的应用 功率因数校正(DIJ)技术能够实现各种电源装置电网侧电流正弦化,使电网资源得 到充分利用,基本上消除负载与电网、负载与负载之间的高次谐波污染,净化电网。单相 DIJ 已进入实用阶段,其实现方式多种多样,较为常见的有用 0J1C$7 为控制 9J 设计的 1=> 以下的 DIJ 电路,但该电路较为复杂,外围元件多,特别是小功率器件的应用。本 节介绍用 B2D.E@FGH 设计的功率在 ’$&> 以下的简捷 DIJ 电路设计。 ’ # B2D.E@FGH 在 DIJ 中应用的设计原理 B2D.E@FGH 为三端脉宽调制(D>-)开关,在实现相同功能、外围元件最少的前提下, · "(" · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !"#$%&’() 具有开关电源所有必需的功能,且内含功率 *"$+,!、#-* 控制器、内启动 电路、环路补偿和热关断电路,使电源电路得以进一步简化,缩短设计时间。 !"#$%&’() 的设计除具有上述最大优点外,其设计的电源电路还可保证得到较高的电源效率。 图 . / 0 / 12 为一个简单的应用 !"#$%&’() 设计的升压型 #+3 电路。其工作频率为 .44567,远高于电网频率,通过电源滤波器在电网侧可以实现正弦输入电流波形,并且与 输入电压的波形同相。这个电路在提升电感上产生的波形示意图如图 . / 0 / 18 所示。 虚线为经过电源滤波器在电网侧出现的电流波形。该波形就是开关管工作在电流断续状 态下产生的。提升电感、!"#$%&’() 和二极管上的电流 ! 9、! !、! : 如图 . / 0 / 11 所示。 在这个电路中,! 9 ; ! ! < ! :,! 9 的电流波形即为 ! ! 和 ! : 电流波形的简单叠加。图 . / 0 / 10 为实际测试的波形。从图中可以看出,在固定周期的情况下,它的电流与正弦电流 相差 较 大,经 过 补 偿 后 的 输 入 电 流 实 际 测 试 波 形 如 图 . / 0 / 1= 所 示。总 谐 波 失 真 ( !6:)不超过 .>? ,功率因数(#+)为 4 @ AB>。 图 . / 0 / 12 应用 !"#$%&’() 设计的升压型 #+3 电路 图 . / 0 / 18 流过提升电感的电流波形示意图 图 . / 0 / 11 C9、C!、C: 波形 · 2=8 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $# 实测波形 图 ! " # " $% 经补偿后的实测电流波形 & ’ 预补偿原理 如图 ! " # " $( 所示,在一个开关周期内,! ) 平均值不随整流后电压瞬时值线性变 化,即输入电压瞬时值上升后,平均值上升更快。经过电源滤波后,产生如图 ! " # " $# 所 示的非正弦波形。为了使电流波形进一步正弦化,可以采用预补偿方式,即采用恒频非恒 占空比的控制方式。 产生这种结果的原因是:在 *+,-./012 的整个工作过程中,提升电感上的电流是 *+,-./012 上电流和提升二极管电流的代数和(见公式 ! ) 3 ! * 4 ! 5),*+,-./012 上的电 流随着整流后的输入电压呈线性关系,平滑后是正弦电流。可是提升二极管上的电流随 · &%$ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $% 预补偿前后 &’()*+,-. 上的电流示意图 着输入电压的升高而迅速上升,呈非线性关系,平滑后不是正弦电流。这样叠加的结果使 提升电感上的电流就不是正弦的。因为提升二极管上的电流不受控,所以要想改善提升 电感上电流波形,就只能通过控制汇改善 &’()*+,-. 的电流波形,使 &’()*+,-. 上的波 形不是一个正弦波,以此来补偿提升二极管不是正弦波的缺陷。这个问题是很多无乘法 器的控制 /0 在 1223, 电路中普遍存在的问题,这些都可以通过预补偿的方式得以改善。 改善的关键就是选择合适的预补偿电阻。 在输入高电压时减小 ! & 的占空比,这样使得 ! 4 的波形就不再如 ! " # " $# 所示。经 过补偿的电流波形如图 ! " # " $% 所示,这样 ! 4 的波形已经近似于正弦波,电路原理图如 图 ! " # " $5 所示,通过预补偿电阻 6! 和直接输出电压检测电路控制流入 &’()*+,-. 控 制脚的电流,使 &’()*+,-. 的调制方式变成恒频非恒占空比的方式,达到较为理想的 (70。占空比与瞬时输入电压呈线性关系,&’()*+,-. 具有电流线性控制占空比变换器, 当流入 &’()*+,-. 控制引脚的电流在 8 9 : ; < 9 ’=> 范围内增大时,&’()*+,-. 的占空比 将从 <%? 下降到 ! 9 %? ,所以通过预补偿电阻控制部分 &’()*+,-. 控制引脚的电流来控 制占空比。预补偿电阻的选择是很重要的(后文对预补偿电阻的选择有论述)。当整流后 的电压最低时,&’()*+,-. 的控制引脚通过预补偿电阻 6! 泄放电流,使流入控制引脚的 电流减小,这时 &’()*+,-. 的占空比最大。随着整流后的输入电压的增高,流入 &’(@ )*+,-. 控制引脚的电流也将逐渐增加,&’()*+,-. 的占空比逐渐减小。当输入电压达到 最高时,&’()*+,-. 的占空比最小,这就完成了恒频非恒占空比的控制方式。在图 ! " # " $% 中可以看出,预补偿以后,由于 &’()*+-. 上的电流减小了,提升电感上的电流三角 形的面积小于预补偿以前的,电流的平均值也就减小了,平滑后的电流波形也就接近正弦 波形了,如图 ! " # " $A 所示。占空比随着瞬时输入电压的变化而变化。这时 " #$ B %? ,%& 为 : 9 A5。 · 8<# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $% 有预补偿的应用 &’()*+,-. 的 (/0 电路原理图 图 ! " # " $1 有预补偿平滑后的电流波形 2 3 元器件的选择与参数计算 (!)&’()*+,-. 的选择(见表 ! " # " 4) 表 # " 4 &’()*+,-. 器件 (50 的输出功率 型号 & ’(66! & ’(666 & ’(662 (/0 输出功率 7 8 6#9 67 8 #79 27 8 4#9 型号 & ’(66# & ’(6!: & ’(664 !!!!!!!!!!!! (6)预补偿电阻 ! ! 的计算 可利用下式进行计算预补偿电阻 !(! ;!): · 6:: · (/0 输出功率 $# 8 !779 :7 8 !6#9 4# 8 !#79 www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !! " " #$% & #’( 式中," #$)是 *+#,-./01 占 空 比 控 制 电 流 增 益,为 百 分 之 十 几 & 毫 安(一 般 典 型 值 为 !23 & 45),,’(是测试的交流整流后的输入电压与占空比直线的斜率,可定为 # ’( " 6 7 8 7293 & (,预补偿电阻 ! ! 也可以通过曲线计算出来,直流输出电压曲线和预补偿电阻 的关系如图 ! 6 : 6 :7 所示。 (;)电感线圈的计算 电感值在设计中是至关重要的,可以通过查曲线的方式得到电感值。电感值的曲线 如图 ! 6 : 6 :! 所示。 图 ! 6 : 6 :7 预补偿电阻与直流辖出电压的关系曲线 !:7$ 以下的 #<= 在各项指标均接近的情况下,用 *+#,-./01 实现,只需 !9 个元 件,用 >=;?:@ 实现为 A; 个元件,用 B59:A@ 实现为 A9 个元件。而且 *+#,-./01 的电感 不需要辅助绕组,电路简单紧凑。 图 ! 6 : 6 :! 提升电感值与输出功率、直淹输出电压的关系曲线 · A29 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第六章 开关电源的电磁兼容 技术与可靠性设计 第一节 开关电源的电磁兼容技术 电磁兼容学是一门新兴的跨学科的综合性应用学科。作为边缘技术,它以电气和无 线电技术的基本理论为基础,并涉及许多新的技术领域,如微波技术、微电子技术、计算机 技术、通信和网络技术以及新材料等。电磁兼容技术研究的范围很广,几乎所有现代化工 业领域,如电力、通信、交通、航天、军工、计算机和医疗等都必须解决电磁兼容问题。其研 究的热点内容主要有:电磁干扰源的特性及其传输特性、电磁干扰的危害效应、电磁干扰 的抑制技术、电磁频谱的利用和管理、电磁兼容性标准与规范、电磁兼容性的测量与试验 技术、电磁泄漏与静电放电等。 电磁兼容的英文名称为 !"#$%&’()*+#%,$ -’(.)%,/,",%0,简称 !1-。所谓电磁兼容是 指设备(分系统、系统)在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。这里包含 两层意思,即它工作中产生的电磁发射要限制在一定水平内,另外它本身要有一定的抗干 扰能力。这便是设备研制中所必须解决的兼容问题。电磁兼容技术涉及的频率范围宽达 2 3 422567,研究对象除传统设施外,还涉及芯片级,直到各种舰船、航天飞机、洲际导弹 甚至整个地球的电磁环境。 电磁兼容学又是技术与管理并重的实用工程学。要想开展这样的工程,需要投入大 量的人力和财力。国际标准化组织已经正在制定 !1- 的有关标准和规范。我国在这方 面的起步虽然较晚,但发展很快。随着市场经济的发展,我国要参与世界技术市场的竞 争,进出口的电子产品都必须通过 !1- 检验。因此,我国政府和相关部门越来越关注 !1- 问题,不断制定了有关的强制性贯彻标准。各部门和军兵种也都开始研究并建立了 不同规模的 !1- 实验室和检测中心,促进了 !1- 技术的普及、推广和应用。我国在 899: 年已立法强制对六类进口电子产品(计算机、显示器、打印机、开关电源、电视机和音 响)及通信终端产品施行 !1- 检测。8999 年国家质量监督局发布了《!1- 认证管理办 法》。我国电子技术标准化研究所 !1- 测试实验室被美国联邦通信委员会通过了 ;-- · =<: · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 认可。从 !""" 年 ! 月 #$ 日起,出口美国的信息技术设备及发射和接收设备,由该实验室 出具的数据将被美国直接接受。产品的 %&’ 检测是实现电磁兼容不可缺少的技术手 段,强制贯彻电磁兼容标准,则是保证产品质量和提高市场竞争力的先决条件。 电磁兼容性技术又称环境电磁学,在开始的时候它仅仅考虑的是对无线电广播带来 的射频干扰。但当今电子产品的数量越来越多,各种电子设备发射功越来越大,电子设备 系统的灵敏度越来越高,并且接收微弱信号的能力越来越强,同时电子产品频带也越来越 宽,尺寸越来越小,相互影响也越来越大。因此电磁骚扰不再局限于辐射,还要考虑感应、 耦合和传导等引起的电磁干扰,如电磁辐射照射对生物的危害、静电、雷电等都属于电磁 兼容性范畴。本节只讨论电子设备的系统、分系统的电磁兼容性问题。 电磁兼容三要素是干扰源(骚扰源)、耦合通路和敏感体。切断以上任何一项都可解 决电磁兼容问题,(% 为辐射发射,() 为辐射敏感度,’% 为传导发射,’* 为传导敏感度。 电磁兼容的解决常用的方法主要有屏蔽、接地和滤波。 一、电磁兼容技术名词 # + 电磁兼容性 电磁兼容性是指设备或者系统在其电磁环境中能正常工作,且不对该环境中任何事 物构成不能承受的电磁骚扰的能力。 ! + 电磁骚扰 电磁骚扰是指任何可能引起设备、装置或系统性能降低或者对有生命或者无生命物 质产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可引起设备、传输通道或系统性能的下降。它的 主要要素有自然和人为的骚扰源、通过公共地线阻抗 , 内阻的耦合、沿电源线传导的电磁 骚扰和辐射干扰等。电子系统受干扰的路径为:经过电源,通过信号线或控制电缆、场渗 透,经过天线直接进入;通过电缆耦合,从其他设备来的传导干扰;电子系统内部场耦合; 其他设备的辐射干扰;电子设备外部耦合到内部场;宽带发射机天线系统;外部环境场等。 - + 电磁环境 电磁环境是一种明显不传送信息的时变电磁现象,它可能与有用信号叠加或组合。 · !$. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 电磁辐射 电磁辐射是指电磁波由源发射到空间的现象。“电磁辐射”一词的含义有时也可引 申,将电磁感应现象也包含在内。#$% & ’( % 可以通过任何一种设备机壳的开口、通风孔, 出人 口、电 缆、测 量 孔、门 框、舱 盖、抽 屉 和 面 板 以 及 机 壳 的 非 理 想 连 接 面 等 进 行 辐 射。 #$% & ’( % 也可由进入敏感设备的导线和电缆进行辐射,任何一个良好的电磁能量辐射器 也可以作为良好的接收器。 ) " 脉冲 脉冲是指在短时间内突变,随后又迅速返回至其初始值的物理量。 * " 共模干扰和差模干扰 电源线上的干扰有共模干扰和差模干扰两种方式。共模干扰存在于电源任何一相对 大地或电线对大地之间。共模干扰有时也称纵模干扰、不对称干扰或接地干扰。这是载 流导体与 大地之间的干扰。差模干扰存在于电源相线与中线及相线与相线之间。差模 干扰也称常模干扰、横模干扰或对称干扰。这是载流导体之间的干扰。共模干扰提示了 干扰是由辐射或串扰耦合到电路中的,而差模干扰则提示了干扰是源于同一条电源电路。 通常这两种干扰是同时存在的,由于线路阻抗的不平衡,两种干扰在传输中还会相互转 化,所以情况十分复杂。干扰经长距离传输后,差模分量的衰减要比共模大,这是因为线 间阻抗与线一地阻抗不同的缘故。出于同一原因,共模干扰在线路传输中还会向邻近空 间辐射,而差模则不会,因此共模干扰比差模更容易造成电磁干扰。不同的干扰方式要采 取不同的干扰抑制方法才有效。判断干扰方式的简便方法是采用电流探头。电流探头先 单独环绕每根导线,得出单根导线的感应值,然后再环绕两根导线(其中一根是地线),探 测其感应情况。如感应值是增加的,则线路中干扰电流是共模的;反之则是差模的。 + " 抗扰度电平 & 敏感性电平 抗扰度电平是指将某给定的电磁骚扰施加于某一装置、设备或者系统并使其仍然能 够正常工作且保持所需性能等级时的最大骚扰电平。也就是说,超过此电平时该装置、设 备或者系统就会出现性能降低。而敏感性电平是指刚刚开始出现性能降低的电平。所以 对某一装置、设备或者系统而言,抗扰度电子与敏感性电平是同一个数值。 · -+, · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 抗扰度裕量 抗拢裕量是指装置、设备或者系统的抗扰度电平限值与电磁兼容电子平间的差值。 二、电磁兼容性的国内外标准 要彻底消除设备的电磁搔扰及对外部一切电磁搔扰信号是不可能的。只能通过制定 系统内设备与设备之间相互允许产生的电磁搔扰大小及抵抗电磁搔扰的能力的标准,才 能使电气设备及系统间达到电磁兼容性的要求。国内外大量的电磁兼容性标准,为系统 内的设备能相互达到电磁兼容性的要求制定了约束条件。 国际无线电干扰特别委员会(# $ %&’)是国际电工委员会( $(#)下属的一个电磁兼容 标准化组织,早在 )*+, 年就开展 (-# 标准的研究。#$%&’./(《无线电干扰和抗扰度测 量设备规范》)对电磁兼容性测量接收机、辅助设备的性能以及校准方法作出了详细的要 求。#$%&’.0(《无线电干扰滤波器及抑制元件的抑制特性测量》)制定了滤波器的测量方 法。# $ % &’1(1《信息技术 设 备 的 无 线 电 搔 扰 限 值 和 测 量 方 法》)规 定 了 信 息 技 术 设 备 在 2 " )3 4 )222-56 频率范围内产生的电磁搔扰限值。#$%&’1,(《信息技术设备抗扰度限 值和测量方法》)规定了信息技术设备对外部搔扰信号的时域及频域的抗搔扰性能要求。 其中 #$%&’./、#$%&’11 及 #$%&’1, 构成了信息技术设备(包括开关电源设备)的电磁兼 容性测试内容及测试方法要求,是目前开关电源电磁兼容性设计的最基本要求。 $(# 最近也出版了大量的基础性电磁兼容标准,其中最有代表性的是 $(#/)222 系列 标准,它规定了电子电气设备的雷击浪涌( % 7 ’8 ()、静电放电( ( %9)、电快速 瞬 变 脉 冲 群 (( : ;)、电流谐波、电压跌落、电压瞬变及短时中断、电压起伏和闪烁、辐射电磁场、由射频 电磁场引起的传导搔扰抗扰度、传导搔扰及辐射搔扰等的电磁兼容性要求。 我国对电磁兼 容 性 标 准 的 研 究 比 较 晚,采 取 的 最 主 要 的 办 法 是 引 进、消 化 和 吸 收。 )**! 年,信息产业部根据 #$%&’11、$(#/)222 系列标准及 $; 7<; 2 " ,) 标准,制定了 =9 > ;*!+<)**(!《通信电源设备电磁兼容性限值及测量方法》),详尽地规定了通信电源设备包 括通信开关电源的电磁兼容性的具体测试项目、要求及测试方法,为开关电源电磁兼容性 的检验、达标并通过入网检测明确了设计目标。 国标也等同采用了相应的国 际 标 准,如 8? > ;)0/1/ " ) 4 )1 系 列 标 准 等 同 采 用 了 $(#/)222 系列标准,8?*13,<)**(!《信息技术设备的无线电搔扰限值及测量方法》)等同 采用 #$%&’11,8? > ;)0/)!<)**(!《信息技术设备抗扰度限值和测量方法》)等同采用 #$%< &’1,。 · 10) · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 三、开关电源的电磁兼容性 开关电源因工作在高电压大电流的开关工作状态下,其引起电磁兼容性问题的原因 是相当复杂的。从整机的电磁性讲,其主要有共阻抗耦合、线间耦合、电场耦合、磁场耦合 及电磁波耦合几种。共阻耦合主要是搔扰源与受搔扰体在电气上存在的共同阻抗,通过 该阻抗使搔扰信号进入受搔扰体。线间耦合主要是产生搔扰电压及搔扰电流的导线或 !"# 线因并行布线而产生的相互耦合。电场耦合主要是由于电位差的存在,产生的感应 电场对受搔扰体产生的场耦合。磁场耦合主要是指在大电流的脉冲电源线附近,产生的 低频磁场对搔扰对象产生的耦合。电磁场耦合主要是由于脉动的电压或电流产生的高频 电磁波通过空间向外幅射,对相应的受搔扰体产生的耦合。实际上,每一种耦合方式是不 能严格区分的,只是侧重点不同而已。 在开关电源中,主功率开关管在很高的电压下,以高频开关方式工作,开关电压及开 关电流均接近方波,从频谱分析知,方波信号含有丰富的高次谐波。该高次谐波的频谱可 达方波频率的 $%%% 次以上。同时,由于电源变压器的漏电感及分布电容以及主功率开关 器件的工作状态非理想,在高频开或关时,常常产生高频高压的尖峰谐波振荡。该谐波振 荡产生的高次谐波,通过开关管与散热器间的分布电容传入内部电路或通过散热器及变 压器向空间辐射。用于整流及续流的开关二极管,也是产生高频搔扰的一个重要原因。 因整流及续流二极管工作在高频开关状态,二极管的引线寄生电感、结电容的存在以及反 向恢复电流的影响,使之工作在很高的电压及电流变化率下,且产生高频振荡。整流及续 流二极管一般离电源输出线较近,其产生的高频搔扰最容易通过直流输出线传出。开关 电源为了提高功率因数 & 均采用了有源功率因数效正电路。同时,为了提高电路的效率 及可靠性,减小功率器件的电应力,大量地采用了软开关技术。其中零电压、零电流或零 电压 ’ 零电流开关技术应用最为广泛。该技术极大地降低了开关器件所产生的电磁搔扰。 但是,软开关无损吸收电路多数利用 (、" 进行能量转移,利用二极管的单向导电性能实 现能量的单向转换,因此,该谐振电路中的二极管成为电磁搔扰的一大搔扰源。 开关电源一般利用储能电感及电容器组成 (、" 滤波电路,实现对差模及共模搔扰信 号的滤波。由于电感线圈的分布电容,导致了电感线圈的自谐振频率降低,从而使大量的 高频搔扰信号穿过电感线圈,沿交流电源线或直流输出线向外传播。滤波电容器随着搔 扰信号频率的上升,引线电感的作用导致电容量及滤波效果不断地下降,甚至导致电容器 参数改变,也是产生电磁搔扰的一个原因。 开关电源由于功率密度高、智能化程度高,带 )"* 微处理器,因而从高至近千伏的 · +,+ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 电压信号到低至几伏的电压信号,从高频的数字信号至低频的模拟信号,其内部的场分布 均相当复杂。!"# 布线不合理、结构设计不合理、电源线输入滤波不合理、输入 $ 输出电 源线布线不合理及 "!%、检测电路的设计不合理,均会导致系统工作的不稳定。 四、电磁兼容性研究及解决方法 电磁兼容性的研究一般运用 "&’!()* 及 &+"*),,, 中规定的电磁场检测仪器及各种 搔扰信号模拟器、辅助设备,在标准测试场地或实验室内部,通过详尽的测试分析,结合对 电路性能的理解与改进来进行分析研究。 从电磁兼容的三要素讲,要解决开关电源的电磁兼容性问题,可从三个方面入手:第 一,减小搔扰源产生的搔扰信号;第二,切断搔扰信号的传播途径;第三,增强受搔扰体的 抗搔扰能力。在解决开关电源内部的兼容性时,可以综合运用上述三个方法,以成本效益 比及实施的难易性为前提。因而,开关电源产生的对外搔扰,如电源线谐波电流、电源线 传导搔扰,电磁场辐射搔扰等只能用减小搔扰源的方法来解决。一方面,可以增强输入 $ 输出滤波电路的设计,改善 -!." 电路的性能,减小开关管及整流、续流二极管的电压、电 流变化率,采用各种软开关电路拓扑及控制方式等;另一方面,加强机壳的屏蔽效果,改善 机壳的缝隙泄露,并进行良好的接地处理。而对外部的抗搔扰能力(如浪涌、雷击)应优化 交流电输入及直流输出端口的防雷能力。通常,对 ) / 0 $ 1,!2 开路电压及 3 $ 0,!2 短路电 流的组合雷击波形,因能量较小,因此采用氧化锌压敏电阻与气体放电管等的组合方法来 解决。对于静电放电,通常在通信端口及控制端口的小信号电路中,采用 4 5’ 管及相应 的接地保护、加大小信号电路与机壳等的电距离来解决或选用具有抗静电搔扰的器件。 快速瞬变信号含有很宽的频谱,很容易以共模的方式传入控制电路内,采用与防静电相同 的方法并减小共模电感的分布电容、加强输入电路的共模信号滤波(加共模电容或插入损 耗型的铁氧体磁环等)来提高系统的抗扰性能。 减小开关电源的内部搔扰,实现其自身的电磁兼容性,提高开关电源的稳定性及可靠 性,应从以下几个方面入手:"注意数字电路与模块电路 !"# 布线的正确分区;#数字电 路与模拟电路电源的正确去耦;$数字电路与模拟电路单点接地,大电流电路与小电流特 别是电流电压取样电路的单点接地以减小共阻搔扰,减小地环的影响,布线时注意相邻线 间的间距及信号性质,避免产生串扰,减小地线阻抗,减小高压大电流回路特别是变压器 原边与开关管、电源滤波电容回路所包围的面积,减小输出整流回路及续流二极管回路与 直流滤波电路所包围的面积,减小变压器的漏电、滤波电感的分布电容,运用谐振频率高 的滤波电容器等。 · 076 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !"# 与液晶显示器的数据线、地址线工作频率较高,是产生辐射发射的主要搔扰 源。小信号电路是抗外界搔扰的最薄弱环节,适当地增设提高抗搔扰能力的 $ %& 及高频 电容、铁氧体磁珠等元器件,以提高小信号电路的抗搔扰能力。对于与机壳距离较近的小 信号电路,应加适当的绝缘耐压处理等。功率器件的散热器、主变压器的电磁屏蔽层要正 确地接地,综合考虑各种接地措施,有助于提高整机的电磁兼容性。各控制单元间的大面 积接地用接地板屏蔽,可以改善开关电源内部工作的稳定性。 整流器的机架上要考虑各整流器间的电磁耦合、整机地线布置以及交流输入中线、地 线直流地线和防雷地线间的正确关系,电磁兼容量级的正确分配等。 开关电源对内、外的搔扰及抗搔扰中,共模信号与开关器件的工作方式、散热器的安 装及整 ’"( 板与机壳的连接有相当复杂的关系,共模信号在一定的条件下又可转变成差 模信号。解决共模搔扰最简单的方法是解决好各电路单元与整机端口、机壳间的问题。 整机屏蔽难以实施且成本较高,在无可奈何的情况下才采用该措施。 五、国内开关电源的电磁兼容性现状 自 )* + $,-. 标准开始起草以来,国内开关电源制造商纷纷开始进行电磁兼容性的 研究。由于电磁兼容性测试仪器、试验场地建设费用很高,且需要有经验的研发人员,很 多制造商不能有自己的试验室,对电磁兼容性的研究造成了一定的困难。在 )* + $,-. 标 准中,除雷击、浪涌、/&* 及 /0$ 指标外,其他抗扰度指标均比较容易达到要求。电磁搔 扰指标,如传导搔扰及辐射搔扰指标,由于很难满足标准的要求,因此是目前电磁兼容性 研究的热点内容。国内仅有极少数的厂家可以完全达到相关标准的要求。 我国于 12 世纪 -2 年代中期开始建立适用于军品的电磁兼容测试手段,制定了相应 标准。随着民用电子工业、信息产业的迅猛发展,为适应国际市场要求,12 世纪 ,2 年代 我国民用电磁兼容检测机构应运而生。到目前已基本建立了能适应国内外需求、满足不 同行业技术标准要求的检测手段,为提高我国电子产品电磁兼容性能奠定了良好的基础。 我国开关电源电磁兼容标准基本参照了 3/"43222 系列、/566211、/5622,371:3,,4 等国际标准和欧洲标准。我国对开关电源电磁兼容执行的标准有:8(,16973,,-(《信息 技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》、)* + $,-.73,,《- 通信电源设备电磁兼容性限值 及测量方法》、8( + $39:367,《. 信息技术设备不问断电源通用技术条件》。国内外标准对 高频开关电源电磁兼容性的抗扰度及传导和辐射骚扰均给出了明确的技术要求和限值。 开关电源常出现电压输入端传导骚扰电压过大,因而达不到标准限值要求。其原因 通常是电源输入端未加 /! ; 滤波器或滤波器性能不良、滤波频段选择不适当、电路布线 · 1:9 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 不合理、分布参数产生影响等,导致传导骚扰电压过大。若合理选择品质优良的滤波器、 陷波器以及精心布线,会显著抑制电源输入端的骚扰电压。但应特别注意所选元器件的 指标,尤其是电感和电容器的过流、耐压、绝缘性能,以避免降低电源输出功率、绝缘耐压 性能。 开关电源辐射骚扰场强超过限值,通常是整流模块内部高频开关部件,如高频变压 器、控制器、晶振等屏蔽不良均可引起空间辐射。此外,机箱设计不合理、缝隙大、接触导 电不良、散热孔与电磁波辐射波长相比过宽、过大都会降低电源屏蔽性能。现代开关电源 均采用微机控制,实现电源自动管理和遥控、遥信、遥测等功能。但微机控制器引起的辐 射骚扰不容忽视,应加以取舍或采取相应措施。对于开关电源输出电压端通常也应加装 滤波器和铁氧体磁环,以抑制输出电压端的射频干扰。 新产品研发时应特别注重电磁兼容指标,请电磁兼容专家和对策工程师设计有关电 路和结构,并与电源工程师共同提出总体设计,避免后期整改所带来的经济损失。后期对 产品电磁兼容性整改的成本会大大高于先期设计的投入。 第二节 开关电源电磁兼容性测试 一、!" # 测试技术 !"# 设计与 !"# 测试是相辅相成的。!"# 设计的好坏是要通过 !"# 测试来衡 量的,只有在产品的 !"# 设计和研制的全过程中,进行 !"# 的相容性预测和评估,才能 及早发现可能存在的电磁干扰,并采取必要的抑制和防护措施,从而确保系统的电磁兼容 性。否则,当产品定型或系统建成后再发现不兼容的问题,则需在人力、物力上花很大的 代价去修改设计或采用补救的措施。 !"# 测试包括测试方法、测量仪器和试验场所。测试方法以各类标准为依据,测量 仪器以频域为基础,试验场地是进行 !"# 测试的先决条件,也是衡量 !"# 工作水平的 重要因素。!"# 检测受场地的影响很大,尤其以电磁辐射发射,辐射接收与辐射敏感度 的测试对场地的要求最为严格。目前,国内外常用的试验场地有开阔场、半电波暗室、屏 蔽室和横电磁波小室等。 作为 !"# 测试的实验室大体有两种类型:一种是经过 !"# 权威机构审定和质量体 系认证,而且具有法定测试资格的综合性设计与测试实验室或检测中心。它包括进行传 导干扰、传导敏感度及静电放电敏感度测试的屏蔽室,进行辐射敏感度测试的消声屏蔽 · &%$ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 室,用来进行辐射发射测试的开阔场地和配备齐全的测试与控制仪器设备。另一种类型 就是根据本单位的实际需要和经费情况而建立的具有一定测试功能的 !"# 实验室。比 起检测中心,这类测试实验室规模小、造价低,主要适用于预相容测试和 !"# 评估,也就 是为了使产品在最后进行 !"# 认证之前,具有自测试和评估的手段。 在测试仪器方面,以频谱分析仪为核心的自动检测系统,可以快捷、准确地提供 !"# 有关参数。新型的 !"# 扫描仪与频谱仪相结合,实现了电磁辐射的可视化。可对系统 的单个元器件、$#% 板、整机与电缆等进行全方位的三维测试,显示真实的电磁辐射状 况。 !"# 测试必须依据 !"# 标准和规范给出的测试方法进行,并以标准规定的极限值 作为判据。对于预相容测试,尽管不可能保证产品通过所有项目的标准测试,但至少可以 消除绝大部分的 电 磁 干 扰,从 而 提 高 产 品 的 可 信 度,而 且 能 够 指 出 如 何 改 进 设 计、抑 制 !"& 发射。 二、开关电源的无线电骚扰特性测试 作为商品化的开关电源是国内首批被指定为需要进行电磁兼容认证的产品之一。其 考核重点是它们在工作时对外的骚扰发射(包括传导和辐射两方面)以及对电网供电质量 所产生的影响。开关电源的骚扰测试采用 ’&"()*+,--《. 工业、科学和医疗(,/")射频设 备电磁骚扰特性的测量方法和限值》(参照 #&/$0,,+,--1 而等效转化)所提供的方法。 根据 ’%*()*+,--. 标准对骚扰源的分类,将设备划分为两组:一组设备是指为发挥 其自身功能需要而包含专门产生或使用传导耦合射频能量的所有工、科、医设备;另一组 设备是指为满足材料处理、电火花腐蚀等功能需要而包含专门产生或使用电磁辐射能量 的所有工、科、医设备。从上述定义看,开关电源当属于第一组设备。 另外,’%*()*+,--. 根据设备所使用供电网络的不同,将设备又划分成 2、% 两类。2 类设备是非家用、不直接连到住宅低压电网的所有设施的工、科、医设备;% 类设备是在家 用设施内和直接连到住宅低压电网的设施的工、科、医设备。从上述分类看,开关电源均 有可能分属于这两大类设备。 表 , 3 . 3 , 是试验场内第一组 2 类和 % 类设备的电源端传导骚扰电压限值。表 , 3 . 3 ) 则是试验场内第一组 2 类和 % 类设备的辐射骚扰限值。 · )4. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 表 ! " # " ! 电源端传导骚扰电压限值 频段( $%&) + , !- . + , - 第一组 ’ 类设备 准峰值 )((!*) 平均值 )((!*) /0 ## 第一组 ( 类设备 准峰值 )((!*) ## . -# 平均值 )((!*) -# . 1# (按频率对数线性减小) +,-. - /2 #+ -# 1# - . 2+ /2 #+ #+ -+ 频段( $%&) + , !- . 2+ 2+ . 32+ 32+ . !+++ 表 ! " # " 3 辐射骚扰限值 第一组 ’ 类设备 测量距离 2+4 考虑中 2+ 2/ 第一组 ( 类设备 )((!* 5 4) 考虑中 2+ 2/ ! , 测量仪器、人工电源网络、天线和测试场地 (!)测量仪器 采用带有准峰值和平均值检波器的干扰接收机,其性能应符合 6789:!#;! 或对应国 标 <( 5 =#!!2 , (!《无线电骚扰和抗扰度测量设备规范》)的要求。在标准涉及的频率范围 内,一般要用两台不同频段的干扰接收机,分别是 0>%& . 2+$%&、2+ . !+++$%&。 (3)人工电源网络 在做电源端传导骚扰电压测试时,应采用阻抗为 -+"5 -+!% 的人工电源网络(* 型网 络),其特性应符合 6789:!#;! 和 <( 5 =#!!2 , ! 的要求。人工电源网络的主要作用是使试 品与电源之间有效间隔,同时又为试品提供稳定的高频阻抗。 (2)天线 在 0>%& . 2+$%& 频段内采用具有屏蔽的环型天线。在 2+ . !+++$%& 频段内采用 平衡偶极子天线。 (1)测试场地 0>%& . !+++$%& 频段的辐射测试场地应该是一个空旷、平坦的场地,在其边界范围 内无架空线,附近无反射结构物(如钢筋水泥建筑和高大树木等),而且具有足够大的尺 寸,使天线、试品和反射结构物之间能充分分开。满足标准的辐射测试场地应该是一个由 长轴等于两倍焦距( !)、短轴等于!2倍焦距的椭圆所包围的场地,如图 ! " # " ! 所示。试 · 3// · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 验时,试品和测量天线将分别处在两个焦点上。 图 ! " # " ! 满足标准的辐射测试场地 为了获得稳定的电波传输特性,必须有一个固定的、相当大的反射地面(或称接地平 板)。反射面用金属材料制成,如钢板(包括镀锌钢板)和金属丝网等。板与板之间要用电 焊连接,无大的漏缝或孔洞。金属网孔径的最大尺寸必须小于波长的 ! $ !(% 对 !%%%&’(, 孔径应小于 )*+)。另外,场地表面必须平整,同时要考虑排水设施。图 ! " # " , 是金属 接地的最小尺寸。 图 ! " # " , 金属接地的最小尺寸 传导骚扰电压的测试可以在辐射试验场地内进行,也可以在屏蔽室内进行。 , - 测试方法 (!)环境电平的测试 试品接入测量线路,但在未通电运行时,要用测量环境噪声电平的方法来决定试验环 境的适用性,环境电平应至少比规定的限值低 #./。如果环境电平和试品的辐射叠加后, 仍不超过规定限值,试品即被认为已满足规定限值。 在测量电源端传导骚扰电压时,可在人工电源网络和供电电网之间接入一个适当的 射频滤波器,以降低环境电平。但接入射频滤波器后,在测量频率上,人工电源网络的阻 抗仍应满足规定要求。 · ,10 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 在测量辐射骚扰时,如果环境电平无法满足要求,则可将测量天线向试品移近后再进 行测量,但限值不变。这实际上是对试品的要求更加严格了。 (!)对试品布置的一般要求 试品的骚扰电平是指试品在各种典型使用情况下,所取不同配置和试验布置时骚扰 值的最大值。在试验报告中应详细说明试验时试品的配置和试验布置。当试品是由几个 互连设备组成时,互连电缆的型号和长度应与试品技术要求中规定的相一致。如果电缆 长度是可以改变的,则取在辐射试验中能产生最大辐射的长度。 (")#$%& ’ ()%& 的辐射测试 当试品放在试验转台上时,应使设备的辐射中心尽可能地接近转台的转动中心。试 品和测量天线的距离是指转台转动轴线和测量天线之间的水平距离。 关于试验的转台,如果是高出接地平板的转台,一般不应高出该平面 * + ,-;如果是与 接地平板处在同一平面的转台,则转台平面一定是金属平面,且和接地平板有良好的电气 连接。不管哪一种转台,非落地式试品放在转台上,离接地平板的高度应为 * + .-。当试 品不放在转台上时,试品和测量天线之间的距离是指试品边界和测量天线之间的最近水 平距离。 对于试品放在转台上的情况,测量天线处在水平和垂直两种极化状态时,转台都应在 所有角度上旋转,应在每个测量频率上记录其辐射骚扰的最高电平。 当试品不放在转台上时 + 测量天线在水平和垂直两种极化状态下时都应在地平面的 各方位上选取不同测量位置。测量应在其最大辐射方向上进行,并在每个测量频率上记 录其辐射骚扰的最高电平。 测量中对天线的要求是:在 "* ’ .*)%& 频段内,天线长度应等于 .*)%& 的谐振长 度;在 .* ’ (***)%& 频段内,天线长度应等于测量频率的谐振长度。另外,应该用一个适 当的变换装置使天线与馈线相匹配。还要配置一个平衡 / 不平衡变换器,实现与测量接收 机的连接。 天线应能任意取向,分别测量其垂直极化和水平极化波分量。天线中心高度应能在 ( ’ 0- 内调节。天线离地的最近点不应小于 * + !-,以测出其最大值。 如果使用其他形式天线的测量结果与平衡偶极子天线的测量结果的差值在 1 !23 以 内,则也可用其他形式天线。实用中常用的宽带天线是双锥天线("* ’ "**)%&)和对数周 期天线("** ’ (***)%&)。图 ( 4 5 4 " 是辐射骚扰测量的典型布置。 (0)电源端传导骚扰电压的测量 在辐射试验场上测量时,试品应处于和辐射测量相同的状态下,且试品应处在比其边 界至少扩展 * + ,- 或最小尺寸为 !- 6 !- 的金属接地平板上。 · !7# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $ 辐射骚扰测量的典型布置 在屏蔽室内测量时,可用地面屏蔽层或任意一壁的屏蔽层作为接地平板。试验时非 落地试品应放在离地平板 % & ’( 高的绝缘支架或台子上。落地试品则放在接地平板上, 其接触处应 相 互 绝 缘 或 与 正 常 使 用 时 一 致。 所 有 试 品 离 其 他 金 属 物 体 的 距 离 应 大 于 % & )(。 人工电源网络的外表面和试品边界之间的最近距离应小于 % & )(。网络的参考接地 端应该用尽量粗短的导线接到接地平板上。电源电缆和信号电缆走线与接地平板间的相 关情况应与实际使用情况等效。并应十分小心地布置电缆,以免造成假响应效应。 当试品有特别的接地端子时,应该用尽量短的导线接地。不装有特别接地端子的试 品,应在其正常连接方式下进行试验,即从供电电网上取得接地。 由制造厂提供软性电源线的设备,其电源线的长度应为 !(。如果实际长度超过 !(, 则超过部分应来回折叠成 % & $ * % & ’( 的线束。 如果受试品由几个单元组成,而且每个单元都具有电源线,在与人工电源网络连接 时,取决于下列规定: !接在标准电源插头的每根电源电缆都应分别测量; "制造厂未规定须从系统中另一单元取得供电电源的电源线或端子都应分别测量; #由制造厂规定须从系统中某一单元取得电源的电源线或端子应接至该单元,而将 该单元的电缆或端子接至人工电源网络进行测量; $当试品为了安全目的需要接地时,接地线应接在人工电源网络的参考接地点上。 除了由制造厂提供接地线或对接地另有规定外,在无其他特殊要求时,接地线长度应为 +(,并与试品电源线平行敷设,其间距不大于 % & !(。 其他(如为电磁兼容目的)由制造厂规定或提供的、接在用作安全接地同一端子上的 接地线,也应接到人工电源网络的参考线上。图 ! " # " ’ 为传导骚扰电压测量的典型布 置示意。 $ & 替代的测试方法 上述实验室终测配置讲求的是测试结果的准确性及与国内外测试机构之间的可比 · ,)% · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $ 传导骚扰电压测量的典型布置 性,因此配置价格不菲,如果还要涉及到测试场地,则更不是一般生产企业所能接受了的。 而替代测试方案,在确保有一定可比性的前提下,可尽量降低配置成本,为尽可能多的企 业所接受。 (!)测量仪器 考虑到开关电源的特点,其内部均由电子线路构成,电源稳态工作时不产生火花、电 弧和气体放电,也不产生家电产品特有的“喀呖”声干扰,只产生周期性的电压、电流及其 谐波,因此推荐采用频谱分析仪。在标准规定的测试频率范围内,只要选用一台 %&’( ) !***+’( 以上的频谱分析仪即可。 (,)人工电源网络 方法同前。 (-)天线 采用吉赫芝横电磁波室(./0+ 小室),其上、下底板与内部隔板所起的功能类似于 接收天线,所以在终测配置中用到的接收天线予以取消。 ($)测试场地 由于开关电源 的 外 形 尺 寸 并 不 大,可 望 容 纳 在 最 近 发 展 起 来 的 吉 赫 芝 横 电 磁 波 室 (./0+ 小室)中,而小室的工作频率范围也足以满足一般测试的需求。 尽管这种测试场地在 1234566 和 .2+7,$ 标准中尚未表示认可,但在测试汽车用电 子 8 电气零部件无线电骚扰特性的 12345,9 标准中,已经把 /0+ 小室法作为测试零部件 8 模块辐射发射特性的标准试验方法。./0+ 小室则是 /0+ 小室的发展,有较大的试验 空间,且 与 使 用 的 频 率 范 围 没 有 矛 盾,因 而 得 到 了 越 来 越 多 的 应 用。表 ! " # " - 是 ./0+ 小室的主要性能与可以容纳的试品尺寸。 · ,7! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 表 ! " # " $ %&’( 小室的主要性能与可以容纳的试品尺寸 %&’( 小室长度()) * # + !, 适用的频率范围 -. / !+,,,(01 一般试验的试品尺寸高())2 宽())2 长()) , 3 4 5 , 3 4# 2 , 3 4# , 3 + 2 ! 3 , 5 ! 3 , ! 3 6 2 ! 3 * 2 ! 3 * ! 3 4 2 ! 3 # 2 ! 3 # 精密试验的试品尺寸高())2 宽())2 长()) , 3 64 2 , 3 4 2 , 3 4 , 3 * 2 , 3 + 2 , 3 + , 3 # 2 ! 3 6 2 ! 3 6 , 3 74 2 ! 3 4 2 ! 3 4 (4)测试方法 对于 8901 / !,,,(01 的辐射测试,采用 %&’( 小室和频谱仪的测试配置如图 ! " # " 4 所示。 图 ! " # " 4 测试配置图 为保证试验结果的重复性和可比性,试品每次试验所放置的位置应予固定。 关于极化的测试问题:由于小室内部隔板与上、下底板之间的位置是固定的,因此只 能通过试品的转动,让试品的几个面依次朝对隔板来实现。 * 3 其他可能的替代测试方法 国际上有人建议对小型电子设备采用类似于 .:;<=!*>!(对应的我国国家标准是 %?*$*$>《! 家用和类似用途电动、电热器具、电动工具以及类似电路的无线电干扰特性的 测量方法和允许值》)中所提供的吸收钳方法来测试试品对外的辐射功率。采用此法的前 提是试品尺寸较小,其辐射到空间的能量主要是通过试品的电源线等逸出的。因此,对这 部分能量的测量可以用一个环绕电源线的吸收装置来实现。这个吸收装置便被称为吸收 钳(或铁氧体钳)。这个方法的优点是简便易行,对环境要求不高,在屏蔽室里便可进行, 而且测试结果有很好的重复性和可比性。图 ! " # " # 是测试简图。 · 6+6 · 图 ! " # " # 吸收钳测试配置 www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 此法已在 !"#$%& 分会上作为对 !"#$%’(’ 对应的我国国家标准是 &()’*+《信息技 术设备的无线 电 骚 扰 限 值 和 测 量 方 法 》)的 修 订 方 案 通 过 了 该 分 会 技 术 委 员 会 的 草 案 (!,),现已进入到秘书处起草成国际标准草案(-,"#)的阶段。 由于上述原因,此法在技术上有一定可行性,且方法简单、重复可比,配置价格较低。 只是吸收钳法与辐射骚扰的直接测量法之间还存在一个数据比对问题,但就方法而言,仍 不失为一般企业可采取的一个很好的试验方法。 三、展望我国电磁兼容试验技术 我国运用电磁兼容试验技术始于 ’. 世纪 /. 年代前后,当时试验条件简陋,测量设备 多半是国内自行研制的简易测量设备,测量手段也比较落后。0)// 年船舶工业先行一 步,制定了自己的行业测量标准 1(23*+2//《船用电气设备工业无线电干扰端子电压测量 方法及允许值》。进入 ’. 世纪 3. 年代,国外先进的电子测量设备大量涌进中国市场。国 内一些重要的科研单位、大型生产厂家及某些高校先后兴建电磁兼容试验室,引进了成套 的测量设备。 因电磁兼容领域与其他专业相比要更多地依赖于测量,而且电磁兼容测量对试验条 件的要求又很严格。因此,随着国际电磁兼容标准的应用与转化,我国高标准的试验室陆 续建成,专业技术队伍不断扩充壮大,这为电磁兼容试验技术的发展带来了机遇和条件保 证。 目前的电磁兼容试验室大都以军标或民标为主,彼此适当兼顾,安装的测试设备与试 验室规模与等级相配套。这种试验室可完成规定标准的规范测试,测试结果可指明受试 件是否满足规定标准要求。如果超标,则可给出超标的频点及超标量值;对于抗干扰性能 检测,则给出受试件的实际抗扰度电平,亦即敏感度阂值。这种测试是产品验收的最终检 测手段,无论是新产品定型、产品上市流通,还是军品总装前的产品交付验收都是必不可 少的。这类试验室大多能够根据相应标准作全自动化检测,消除系统测试误差,从而得到 精确的测试结果。 由于电磁兼容标准已被赋予法律效力,则电磁兼容测试结果的公正性与正确性就显 得十分重要,它关系到一项设计能否被认可,一个产品能否成为合格产品,关系到企业的 命运。如何保证同一产品在不同试验室中测试结果的一致性呢?谁来保证试验室测试的 公正性呢?这些工作正在纳入规范化管理之中。 0))) 年曾由国防部主办过一次试验室比对工作,最近又在筹备新一轮的比对工作, 参加比对的试验室在有关部门组织下参照《"#4 5 "6! 系列导则 +720)3+(6)实验室能力测 · ’37 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 试的设计及实施》,对同一被测试设备进行约定测试项目的测试。测试方法及测试要求均 在比对文件中给出。最后由组织单位按规定对测试结果进行数据处理。这对电磁兼容测 量中量值的统一将起到重要作用。 为了保证电磁兼容测试结果的公正性,首先要有一个在电磁兼容领域中具有丰富经 历的权威组织作为认证机构。在确认标准规定要求得到满足后,认证机构有权颁发合格 证书。认证机构按照标准 !" #$%%%& ’ &(%% ) $《测试试验室操作的通用标准》授权和控制 试验室,使其具有合法身份,检查它的公正性、独立性、诚实性、技术能量及质量管理体系。 目前我国对电磁兼容试验室的认证工作已经开始,也出台了相应的标准。各试验室 已按标准要 求 加 强 试 验 室 管 理。 一 些 直 接 引 进 的 试 验 室 已 拿 到 承 制 方 申 请 的 欧 共 体 “*!”标记的认可证书。 !+ , 诊断,即 !+* 预测试。!+* 预测试的特点是在产品开发初期能够及早地发现 设计中的问题,它不需要苛刻的试验条件,也回避了购置昂贵测试设备的困难,因此它有 强大的生命力。它 在 整 个 产 品 的 研 制 生 产 中 仍 是 重 要 的 测 试 手 段,可 及 时 检 验 产 品 的 !+* 设计是否合理,所采取的 !+ , 抑制措施是否奏效,使设计人员尽快了解要进一步抑 制干扰需从哪些环节入手。 !+* 设计应与产品电性能设计同步进行、综合考虑,这已被产品开发设计人员接受。 一般产品的 !+* 测试在产品功能测试(即电性能)指标达标后进行。在未来的测试技术 发展中,!+* 测试有与产品的功能测试融为一体的可能。如当前信息产业部通信计量 中心引进的手机等专用信息产品的 !+* 测试试验室和测试设备就是在手机正常工作状 态下检测相关的 !+* 指标。随着电子仪器的进步以及内装自检技术的应用,测试技术 正向多媒体化、网络化方向发展。未来的电子产品检测将是全方位、全自动化的测试。 近 &% 年,人们逐渐推广使用混响室进行电磁兼容试验。混响室是一个由金属墙壁构 成的试验室,一般在测试室的天花板上装设一个搅拌器。将待测设备(!- .)放在室内, 当搅拌器旋转时,使待测设备暴露于电磁场中。待测设备在场中的平均响应可通过响应 对搅拌器旋转一周的时间周期进行积分来求得。混响室的金属墙壁容许在室内建成一个 强场。待测设备暴露于由数个不同的极化组成的强场电平中。 在传统的电磁敏感度试验中,试验应在完全给定而不能任意选择的环境下进行,如在 横电磁波小室或电波暗室中进行。在这种限定的环境下,场的极化与分布不随时间改变, 因为这些方法的工作原理是建立在一个单一优势模基的础上的。混响室则没有给出一个 限定性的场,但却提供了一个空间均匀的电磁环境,即室内各处能量密度均匀,各向同性, 各方向能流相同而极化是任意的,亦即所有波间的相位与极化是任意的。只要室内有大 量本征模(在某一固定频率以上会出现这种情况),就可达到上述要求。此外,简并情况 · 0/# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (即在某频率下有多少模重合)与波形间隔是重要参量。混响室的主要优点是在该室内用 一个适当的功率源就有可能建立一个强场,因此需要很高的品质因数 ! 。 最近,国外又在推广 !" 法电波暗室,与 #$" 法电波暗室相比,这种暗室占用的空间 要小得多,因而成本会大大下降。人们正在研究如何将 !" 法测试结果等效成 #$" 法的 结果,这一研究工作在国内外受到广泛关注,进展较快,预计在近期将会取得满意的成果。 此外,人们还提出另一种屏弊小室———% &’( 小室,其结构是半个 &’( 小室,但采 用线阵结构而非板块结构。它与 &’( 小室相比并没有实质性的改变,但这种结构在改 善电磁场的均匀性、降低本身的耦合与提高单模带宽方面比 &’( 小室更容易实现。 由此可见,屏蔽测量技术今后还会有较大的发展。以此为推动力,相应的理论研究、 应用研究及其开发工作都将会受到更多的重视。 第三节 开关电源的噪声 一、开关电源噪声的产生 开关电源噪声的产生一般可分为两大类:一是开关电源内部元件形成的干扰;二是由 于外界因素影响而使开关电源产生的干扰,这涉及到人为因素和自然因素。 # ) 内部干扰源 开关电源产生 ’( * 的原理较多,其中由基本整流器产生的电流高次谐波干扰和变压 器型 功率转换电路产生的尖峰电压干扰是主要原因。 基本整流器的整流过程是产生 ’(* 最常见的原因。这是因为正弦波电源通过整流 器后变成单向脉动电源,已不再是单一频率的电流,此电流波可分解为直流分量和一系列 频率不同的交流分量之和。实验结果表明,谐波(特别是高次谐波)会沿着输电线路产生 传导干扰和辐射干扰,一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变,另一方面通过 电源线产生射频干扰。 变压器型功率转换电路是开关稳压电源的核心,它产生的尖峰电压是一种有较大幅 度的窄脉冲,其频带较宽且谐波比较丰富。产生这种脉冲干扰的主要原因是: !开关管。开关管及其散热器与外壳和电源内部的引线间存在分布电容。当开关管 流过大的脉冲电流时,大体上形成了矩形波,该波形含有许多高频成分。由于开关电源使 用的元件参数(如开关管的存储时间、输出级的大电流、开关整流二极管的反向恢复时间) · ,+! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 均会造成回路瞬间短路,产生很大短路电流。凡有短路电流的导线及这种脉冲电流流经 的变压器和电感产生的电磁场都可形成噪声源。开关管的负载是高频变压器或储能电 感,在开关管导通的瞬间,变压器初级出现很大的涌流,造成尖峰噪声。这个尖峰噪声实 际上是尖脉冲,轻者造成干扰,重者有可能击穿开关管。 !高频变压器。当原来导通的开关管关断时,高频变压器的漏感所产生的反电势 ! ! " " # # $ # $,其值与集电极的电流变化率(# # $ # $ )成正比,与漏感量成正比,叠加在关断 电压上,形成关断电压尖峰,从而形成传导性电磁干扰,既影响变压器的初级,还会传导给 配电系统,影响其他用电设备的安全和经济运行。开关电源中的变压器用作隔离和变压。 但在高频的情况下,它的隔离是很不完全的,变压器层间的分布电容使开关电源中的高频 噪声很容易在初次级之间传递。变压器对外壳的分布电容形成另一条高频通路,而使变 压器周围产生的电磁场更容易在其他引线上耦合形成噪声。 "整流二极管。在输出整流二极管截止时有一个反向电流,它恢复到零点的时间与 结电容等因素有关。其中能将反向电流迅速恢复到零点的二极管称为硬恢复特性二极 管,这种二极管在变压器漏感和其他分布参数的影响下将产生较强的高频干扰,其频率可 达几十兆赫。%& 型硅二极管用作高频整流时,正向电流蓄积的电荷在加上反向电压时 不能立即消除(因载流于的存在,还有电流流过)。一旦这个反向电流恢复时的电流斜率 过大,流过线圈的电感就产生了尖峰电压。 #电容、电感器和导线。开关电源由于工作在较高频率,会使低频的元器件特性发生 变化,由此产生噪声。 $’%() 逆变电源噪声。’%() 逆变电源的噪声主要形成于逆变回路中电流或电 压的突变,突变的电流、电压又通过电磁场等传播到其他级。逆变桥工作在高频开关方 式,通过开关管的高频脉冲电流在输入端产生高频脉冲电压,叠加在输入直流电压 % * 上,形成输入端差模噪声(电源引线之间的噪声)。逆变桥输出的高频 ’%() 开关信号通 过电感 +,、电容 -, 滤波后变成所需的正弦波电压,但滤波电路在滤除噪声的同时也增加 了基波的损失,所以滤波器参数不宜取大,因而在输出正弦波电压中仍残留了高频开关信 号脉动成分,成为输出差模噪声的一部分,在正弦波变化幅度大处尤为明显。另一方面, 由于线路电感、分布电容的存在,在开关管通断时不可避免地要产生高频衰减的振荡,即 振铃响应。这一振铃可通过变压器影响到输出端,若不采取相应措施,其振幅远高于前述 高频脉动电压的幅值。同时变压器线圈的匝间分布电容相当于一个微分电容,对脉动的 阶梯正弦信号上升沿有放大作用,形成又一脉冲型噪声电平。三者叠加在输出正弦波上 形成不可忽视的差模噪声,开关电路中突变的电压又可成为共模噪声源,通过各种分布电 容耦合在电源的输入、输出端形成共模噪声(电源线对地的噪声)。 · 0/. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 从应用的角度上看,逆变电源的输出噪声可直接影响作为负载的电子设备的工作,即 使通过了电磁兼容性测试的逆变电源,在实际应用时仍可能出现噪声电平超标的情况。 其主要原因如下: !逆变电源带某些负载后滤波器参数发生变化,滤波效果降低。 "某些负载(含开关电源的负载)可将其开关噪声传导到其输入侧 ! 即 "#$% 逆变 电源的输出侧。 #输入、输出电缆平行敷设且距离很近,导致输入侧的噪声耦合到输出线上,尤其是 大容量升压型逆变电源输入电流较大,噪声耦合严重。 $逆变电源输出端两臂上的阻抗不对称,引起共模噪声电平不相等,两者之差就转变 为差模噪声。如逆变电源输出滤波器采用单臂串接电感的方式,某些整流负载为缓和合 闸时的冲击电流,而在其输入侧(即逆变电源的输出侧)单臂串接的扼流电感,使得两臂阻 抗变得不对称。 %当逆变电源输入、输出侧共模滤波电路的接地线接至同一点时,就形成了地线环 流,输入侧的共模噪声通过输出侧共模滤波电路的接地线,将共模噪声耦合到输出端,即 使再加一级 &%’ 滤波器也无效。 对上述开关电源产生的 &% ’ 所采取的抑制措施主要有正确选择半导体器件、变压器 铁芯材料和在开关电源的电路中采取屏蔽、接地、滤波等几种方法。 ( ! 外部干扰源 ())电源干扰 电源干扰可以以“共模”或“差模”方式存在。两种干扰模式的区别是十分重要的,因为对 共模干扰是不能用差模的方式来解决的,反之亦然。干扰类型可以从持续期很短的尖峰干扰 到完全失电之间进行变化。其中也包括电压变化(如电压的跌落、浪涌与中断)、频率变化、波 形失真(电压的或电流的)、持续噪声或杂波以及瞬变等,电源干扰的类型见表 ) * + * ,。 表 ) * + * , 电源干扰的类型 序号 ) ( , . + / 干扰的类型 跌落 失电 频率偏移 电气噪声 浪涌 谐波失真 瞬变 典型的起因 雷击:重载接通;电网电压低下 恶劣的气候:变压器故障;其他原因的故障 发电机不稳定;区域性电网故障 雷达;无线电讯号;电力公司和工业设备的飞弧;转换器和逆变器 突然减轻负载;变压器的抽头不恰当 整流:开关负载;开关型电源;调速驱动 雷击:电源线负载设备切换;功率因素补偿电容切换;空载电动机的断开 · (0/ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 在表 ! " # " $ 中的几种干扰中,能够通过电源进行传输并造成设备的破坏或影响其 工作的主要是电快速瞬变脉冲群和浪涌冲击波,而静电放电等于扰只要电源设备本身不 产生停振、输出电压跌落等现象,就不会造成因电源引起的对用电设备的影响。 良好的电源设计应使开关电源在较恶劣的电磁环境中本身能正常工作,同时应对电 源线中的各种脉冲干扰有较好的抑制作用。 (%)雷电干扰 雷电干扰可分成直击雷、感应雷和浪涌三种。 直击雷的主要破坏力在于电流特性而不在于放电产生的高电位。雷电击中人体、建 筑物或设备时,强大的雷电流转变成热能,直接破坏建筑物或设备。 感应雷是雷电在雷云之间或雷云对地放电时,在附近的户外传输信号线路、埋地电力 线、设备间连接线中产生电磁感应并侵入设备,使串联在线路中间或终端的电子设备遭到 损害。感应雷的破坏也称为二次破坏。雷电流变化梯度很大,会产生强大的交变磁场,使 得周围的金属构件产生感应电流,这种电流可能向周围物体放电,如附近有可燃物就会引 发火灾和爆炸,而感应到正在联机的导线上时就会对设备造成强烈的破坏。感应雷可分 为以下两类: !静电感应雷:带有大量负电荷的雷云所产生的电场 & 将会在架空线路上感生出被 电场束缚的正电荷。当雷云对地放电或对云间放电时,云层中的负电荷在一瞬间消失了 (严格说是大大减弱),那么在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了 束缚,在电势能的作用下,这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击,从而对电器设备产生 不同程度的影响。 "电磁感应雷:雷击发生在供电线路附近或击在避雷针上,会产生强大的交变电磁 场,此交变电磁场的能量将感应于线路并最终作用到设备上(由于避雷针的存在,建筑物 上落雷的机会反倒增加,内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了),对用 电设备造成极大危害。 雷电浪涌是近年来由于微电子设备的不断应用而引起人们极大重视的一种雷电危害 形式,同时其防护方式也不断完善。最常见的电子设备危害不是由直接雷击引起的,而是 由雷击发生时在电源和通信线路中感应的电流浪涌引起的。一方面由于电子设备内部结 构高度集成化(’()* 芯片),从而造成设备耐压、耐过电流的水平下降,对雷电(包括感应 雷及操作过电压浪涌)的承受能力下降;另一方面由于信号来源路径增多,系统较以前更 容易遭受雷电波侵入。浪涌电压可以从电源线或信号线等途径窜入微电子设备。我们就 电源浪涌和信号系统浪涌两方面分别讨论其对弱电设备的危害。 !电源浪涌。电源浪涌并不仅源于雷击,当电力系统出现短路故障、投切大负荷时都 · %++ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 会产生电源浪涌。不论是雷击还是线路浪涌发生的几率都很高。当距你几百公里的远方 发生了雷击时,雷击浪涌就会通过电网线路传输,经过变电站等衰减,到你的微电子设备 时可能仍然有上千伏,这个高压冲击的时间很短,只有几十到几百个微秒,或者不足以烧 毁微电子设备,但是对于微电子设备内部的半导体元件却有很大的损害。 !信号系统浪涌。信号系统浪涌电压的主要来源是感应雷击、电磁干扰、无线电干扰 和静电干扰。金属物体(如传输线)受到这些干扰信号的影响,会使传输中的数据产生误 码,影响传输的准确性和传输速率。排除这些干扰将会改善网络的传输状况。 二、干扰途径与耦合机制 产生干扰必须具备三个条件:干扰源、干扰通道及易受干扰设备。外部干扰通道主要 通过分布电容的电磁耦合传到内部;内部干扰通道则表现为极为复杂。由于设备敏感元 件的选用和结构布局等不尽合理,造成本身抗干扰能力差,因此要从设备设计上对干扰加 以抑制,降低其幅度,减少其影响力。 ! " 干扰途径 开关电源的防雷干扰工作重点是防止感应雷入侵。入侵系统的雷电过电压过电流主 要有以下三个途径。 (!)由交流 ##$% 电压供电线路入浸 开关电源的电压由电力线路输入室内,电力线路可能遭受直击雷和感应雷。直击雷 击中高压电力线路,经过变压器耦合到 ##$% 低压,入侵开关电源;低压线路也可能被直 击雷击 中 或 感 应 雷 电 引 起 过 电 压。在 ##$% 电 源 线 上 出 现 的 雷 电 过 电 压 平 均 可 达 !$$$$%,对开关电源可造成毁灭性打击。电源干扰复杂性中众多原因之一就是包含着众 多的可变因素,电源干扰可以以“共模”或“差模”方式存在。电源干扰复杂性中的第二个 原因是干扰情况可以从持续周期很短暂的尖峰干扰到全失电之间变化。电源干扰进入开 关电源的途径有:一是电磁耦合;二是电容耦合;三是直接进入。 (#)由信息线路入侵 "当地面突出物遭直击雷打击时,强雷电电压将邻近土壤击穿,雷电流直接入侵到电 缆外皮,进而击穿外皮,使高压入侵信息传输线路。 !雷云对地面放电时,在线路上感应出上千伏的过电压,击坏与线路相连的电器设 备,通过设备连线浸入通信线路。这种入侵沿通信线路传播,涉及面广,危害范围大。 #若通过一条多芯电缆连接不同来源的导线或者多条电缆平行铺设时,当某一导线 · #’& · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 被雷电击中时,会在相邻的导线中感应出过电压,击坏低压电子设备。 (!)地电位反击电压通过接地体入侵 雷击时,强大的雷电流经过引下线和接地体泄人大地,在接地体附近形成放射型的电 位分布,这时若有连接电子设备的其他接地体靠近,即产生高压地电位反击,入侵电压可 高达数万伏。建筑物防直击雷的避雷器引入强大的雷电流通过引下线入地,在附近空间 产生强大的电磁场变化,会在相邻的导线(包括电源线和信号线)上感应出雷电过电压。 " # 耦合机制 雷电冲击影响微电子设备构成系统的耦合机制有下面几种。 !电阻耦合。雷电放电将使受影响的物体相对于远端地的电位升高至几百千伏,地 电位升高形成的电流将分布到设备的金属部分,如连接到系统参考点数据线和电源电线。 电缆屏蔽层的电流在屏蔽层与芯线之间引起过电压,其数值与传输阻抗成正比例。 "磁耦合。在导体上流通的或处在雷电通道的雷电流会产生磁场,在几百米范围内, 可以认为磁场的时间变化率与雷电电流时间变化率相同。然而,磁场经常被建筑材料和 周围的物体所衰减和改变。磁场的变化会在室内外电缆设备上产生感应电流和电压。 #电耦合。雷电通道下端的电荷会在附近产生一个很强的电场,它对鞭状天线设备 有影响,而对于建筑物内部电场干扰一般可以忽略。 $电磁耦合。远距离雷电放电产生的电磁场会在大范围的数据传输网上感应出过电 压,这种干扰会传导到接口上,但这种情况下直接辐射的电磁场很难对建筑物或机柜内的 微电子设备造成破坏。 第四节 开关电源的 $%& 设计 在开关电源设计中,为了少走弯路和节省时间,应充分考虑并满足抗干扰性的要求, 避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。抗干扰设计的基本原则是:抑制干扰源, 切断干扰传播路径,提高敏感器件的抗干扰性能。消除干扰应主要从产生干扰的部件、传 播噪声部位及公共结合部分入手。开关电源的 $%& 设计应考虑滤波器、高频变压器、软 开关技术、共模干扰的有源抑制及印制线路板布线的 $%& 设计。本节主要讲述滤波器, 高频变压器已在第三章作以详细讲述,软开关技术在第四章已作为专题讲述,印制线路板 布线的 $%& 设计在本章第五节中讲述。 · "(’ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 滤波器结构 滤波是一种抑制传导干扰的方法。例如,在电源输入端接上滤波器,可以抑制来自电 网的噪声对电源本身的侵害,也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。电源滤 波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元,在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其重 要的作用。它不仅可抑制传输线上的传导干扰,同时对传输线上的辐射发射也具有显著 的抑制效果。在滤波电路中,选用穿心电容、三端电容、铁氧体磁环,能够改善电路的滤波 特性。进行适当的设计或选择合适的滤波器,并正确地安装滤波器是抗干扰技术的重要 组成部分。 在交流电输入端加装的电源滤波器的电路如图 ! # $ # % 所示。图中 &’、(’ 用于抑制 差模噪声,一般取 ! ’ 为 !)) * %))+,,"’ 取 ! * !)!-。&.、(. 用于抑制共模噪声,可根据 实际情况加以调整。 图 ! # $ # % 电源滤波器 所有电源滤波器都必须接地(厂家特别说明允许不接地的除外),因为滤波器的共模 旁路电容必须在接地时才起作用。一般的接地方法是除了将滤波器与金属外壳相接之 外,还要用较粗的导线将滤波器外壳与设备的接地点相连。接地阻抗越低,滤波效果越 好。 滤波器尽量安装在靠近电源入口处。滤波器的输入及输出端要尽量远离,避免干扰 信号从输入端直接耦合到输出端。 如在电源输出端加输出滤波器、加装高频电容、加大输出滤波电感的电感量及滤波电 容的容量,则可以抑制差模噪声。如果把多个电容并联,则效果会更好。 几种滤波器的构成如图 ! # $ # / 所示。在图 ! # $ # (/ 0)中,阻抗 # 1 !(2 $"!),高频区 域用陶瓷电容、聚酯薄膜电容并联,其滤波效果更好。在图 ! # $ # (/ 3)中,噪声能通过电容 旁路到地线上,这种滤波器连接时应使接地阻抗尽量小。图 ! # $ # (/ .)中,(!、(4 对不对称 噪声有良好的滤波效果,(5 对对称噪声有良好的滤波效果,连接时应使电容器的引线及接 地线尽量短。图 ! # $ # (/ ’)为常用的噪声滤波电路,&!、&4 对噪声呈现高阻抗,而 (! 则对 噪声呈现低阻抗。当 &!、&4 采用共模电感结构时,对对称和非对称噪声都有较好的滤波效 果。图 ! # $ # (/ 6)适用于对共模噪声进行滤波,应注意的是其接地阻抗同样应尽量小。 · 47! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $ 各种滤波器构成 图 ! " # " % 是对共模噪声和差模噪声都有效的滤波器电路。其中,&!、&’、(! 为抑 制差模噪声回路,&)、(’、() 构成抑制共模噪声回路。&!、&’ 的铁芯应选择不易磁饱和 的材料及 ! — " 特性优良的铁芯材料。(! 使用陶瓷电容或聚酯薄膜电容,应有足够的 耐压值,其容量一般取 * + ’’ , * + -.!/。&) 为共模电感,对共模噪声具有较高的阻抗、较 好的抑制效果。 图 ! " # " % 滤波器电路 图 ! " # " !* 中给出了共模电感及其磁通的方向,它在同一个铁芯上有两个匝数相等 的绕阻,电源线的往返电流在铁芯上有两个匝数相等的绕组。电源线的往返电流在铁芯 中产生的磁通方向相反,互相抵消,因而不起电感作用;而对于共模噪声,能得到一个大的 电感量,呈现高阻抗,因此对其有良好的抑制作用。 图 ! " # " !* 共模电感及磁通的方向 图 ! " # " !! 共模电感等电路 图 ! " # " !! 是共模电感的等效电路,其中共模噪声为 # 0,不平衡电阻为 $ 1,则有: · ’%’ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% ! ! " #!" $ #$ % #!$ #& % % ’ #$ ($ ( ) ( $) ! ! " #!" & #& % #!$ #$ % % ’ #& ($ ( ) ( &) " $ " " & " $ " " ,! * " #$ % ’ 设 % +! % ’,有 !* !! " %+ "% & + % !& "& ($ ( ) ( ,) 若 !" # % -,则 ! ! * ! $.,因此噪声减小。 图 $ ( ) ( $& 为无源低通网络 /0 1 滤波器,该滤波器是由集中参数元件构成的无源 低通网络,其中 ’$ 和 ’& 是绕在同一磁环上的两只独立线圈,称为共模电感线圈或共模 线圈(’+0),’,、’2 是独立的差模抑制电感。如果把该滤波器一端接入干扰源,负载端接 被干扰设备 3 那么 ’$ 和 +,’& 和 +4 就分别构成 ’—/ 和 *—/ 两对独立端口间的低通 滤波器,用来抑制电源线上存在的共模 /0 1 信号,使之受到衰减或被控制到很低的电平 上。 共模滤波网络结构等效电路如图 $ ( ) ( $, 所示,它由 ’-5和 +4 组成。图中右边是开 关电源的共模噪声等效电路,并联电容 +6 包括开关管集电极和地之间的分布电容及高 频变压器初次级间的分布电容;78 是电流源的并联电阻。开关电源共模噪声等效电路的 源内阻 9:5;:是高阻抗容性的。 图 $ ( ) ( $& 开关电源 /0$ 滤波器网络结构 图 $ ( ) ( $, 共模滤波器网络结构 图 $ ( ) ( $& 中,’$ 和 ’& 两个线圈所绕匝数相同、绕向相反,使滤波器接入电路后, 两只线圈内电流产生的磁通磁环内相互抵消,不会使磁环达到磁饱和状态,从而使两只线 圈的电感值保持不变。但是,由于种种原因,如磁环的材料不可能做到绝对均匀,两个线 圈的绕制也不可能完全对称等,使得 ’$ 和 ’& 的电感量是不相等的,于是(’$—’&)形成 差模电感 ’60,它和 ’, 和 ’2 形成的独立差模抑制电感,与 +< 电容器又组成 ’=* 独立 端口间的一只低通滤波器,用来抑制电源线上存在的差模 /0 1 信号。 差模干扰信号等效电路如图 $ ( ) ( $2 所示。它由高阻抗干扰等效电路和低阻抗干 扰等效电路两部分组成。图中,开关 > 表示桥式整流二极管导通与否,因此这两个等效电 · &?, · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 路是不能同时存在的,!" 是分布电阻,#" 是分布电感,数值都很小。为与共模情况区别, !$ 和 %& 分别用 !’& 和 %’& 表示。 图 ( ) * ) (+ 开关电源 ,-. 差模信号等效电路 差模 ,- . 信号滤波网络结构等效电路如图 ( ) * ) (/ 所示。#0-是差模电感,包含共 模线圈形成的差模电感和独立的差模抑制电感;%##是滤波网络选用的并联电容。图 ( ) * ) ((/ 1)与图 * ) ((/ 2)相比,增加了一个 %##3,其数值的选择使滤波网络与负载构成失 配状态。 图 ( ) * ) (/ 差模滤波器网络结构 由于图 ( ) * ) (3 电路是无源网络,它具有互易性。当它安装在系统中后,既能有效 地抑制电子设备外部 ,- . 信号传入设备,又能大大衰减设备本身工作时产生的传向电网 的 ,- . 信号,起到同时衰减两组共模 ,- . 信号和一组差模 ,- . 信号的作用。 3 4 ,-. 滤波器选用与安装 开关电源 ,- . 滤波器中的 + 只电容器用了两种不同的下标“5”和“6”,不仅说明了它 们在滤波网络中的作用,还表明了它们在滤波网络中的安全等级。无论是选用还是设计 ,- . 滤波器,都要认真地考虑 %5 和 %6 的安全等级。在实际应用中,%5 电容接在单相电 源线的 # 和 7 之间,它上面除加有电源额定电压外,还会迭加 # 和 7 之间存在的 ,- . 信 · 38+ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 号峰值电压,因此要根据 !" # 滤波器的应用场合和可能存在的 !" # 信号峰值,正确选用 适合安全等级的 $% 电容器。$& 电容器是接在电源供电线 ’、( 与金属外壳(!)之间的, 对于 ))*+、,*-. 电源,它除符合 ),*+ 峰值电压的耐压要求外,还要求这种电容器在电气 和机械性能方面具有足够的安全裕量,以避免可能出现的击穿短路现象。 !" # 滤波器是具有互易性的,即把负载接在电源端还是负载端均可。在实际应用 中,为达到有效抑制 !" # 信号的目的,必须根据滤波器两端将要连接的 !" # 信号源阻抗 和负载阻抗来选择该滤波器的网络结构和参数。当 !"# 滤波器两端阻抗都处于失配状 态时,即图 / 0 1 0 /1 中 !! !23、!’! !’! !456时,!" # 信号会在其输入和输出端产生反 射,增加对 !" # 信号的衰减。其信号的衰减 " 与反射! 的关系为:" 7 0 /*’(8 /9 :! : ))。 图 / 0 1 0 /1 滤波器工作原理 电磁兼容设计的目的是在网络结构符合最大失配的原则下,尽可能合理选择元件参 数,使 !" # 信号衰减最大。 在使用开关电源滤波器时。要注意滤波器在额定电流下的电源频率。在安装滤波器 时,要特别注意滤波器的输入导线与输出导线的间隔距离,不能把它们捆在一起走线,否 则 !" # 信号很容易从输入线上耦合到输出线上,这将会大大降低滤波器的抑制效果。 滤波器可以抑制交流电源线上输入的瞬变干扰信号及信号传输线上感应的各种干 扰,滤波器可分为交流电源滤波器、信号传输线滤波器和去耦滤波器。交流电源滤波器大 量应用在采用开关电源的系统中,加装交流电源滤波器后,一方面可以抑制外来的高频干 扰,还可以抑制开关电源向外发送干扰。来自工频电源或雷击等的瞬变干扰,经电源线的 传导及直流电源侵入电子设备,这种干扰以共模和差模方式传播,可用电源滤波器滤除。 在滤波电路中,有很多专用的滤波元件(如铁氧体磁环),它们能够改善电路的滤波特性, 恰当地设计和使用滤波器是抗干扰技术的重要手段。例如,开关电源通过电源引线辐射 出的噪声有差模和共模之分。差模噪声抑 制 中 采 用 的 开 关 电 源 滤 波 器 为 !型 滤 波 器,如 图 / 0 1 0 /(; <)所示。图 / 0 1 0 /;(<)中,’= 为滤波扼流圈。若要对共模燥声有抑制能 力,应采用如图 / 0 1 0 /(; >)所示的滤波电路。图 / 0 1 0 /;(>)中,’? 为滤波扼流圈。由 于 ’? 的两个线圈绕向一致,当电源输入电流流过 ’? 时,所产生的磁场可以互相抵消,相 当于没有电感效应,因此它使用导磁率高的磁芯。’? 对共模噪声来说,相当于一个大电 感量的电感,故它能有效地抑制共模传导噪声。开关电源输入端分别对地并接的电容 $& · )@, · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 对共模噪声起旁路作用。共模扼流圈两端并联的电容 !" 对共模噪声起抑制作用。# 为 !" 的放电电阻,是 $%&’()(* 和 +&!’,)( 安全技术标准所推荐的。图 - . * . -/(0)中各 元件参数选择范围为:! " 1 ( 2 - 3 4!5;! 6 1 4 2 4 3 ,,75;" 8 为几个或几十毫亨,随工作电 流不同而取不同的参数值。如电流为 49: 时," 8 1 - 2 );<,电流为 ( 2 ,: 时," 8 1 =/;<。 另外在滤波器元件选择中,一定要保证输入滤波器的谐振频率低于开关电源的工作频率。 图 - . * . -/ 滤波器结构图 图 - . * . -/ 所示的滤波器中的 !" 电容器的安全等级分为 >- 等级和 >4 等级。>- 等级用于设备的峰值电压大于 - 2 4?$ 的场合,>4 等级用于设备峰值电压小于 - 2 4?$ 的 一般场合。另外,通过限制 !6 的容量可达到控制在规定电压频率作用下,流过该电容器 漏电流的大小。若为装设在可移动设备上的滤波器,其交流漏电流应低于 -;:;若为装 设在位置固定且接地的设备上的电源滤波器,其交流漏电流应小于 , 2 9;:,再根据漏电 流 #@ 的要求计算 !6 的容量,其关系式为: #@ 1 4"$! 6 % (- . * . =) 式中:$ ———电源频率; % ———电源供电电压。 交流电源滤波器的安装及布线对滤波器的性能发挥是极为重要的,在其安装布线中 应注意以下几点: #滤波器应安装在机柜底部离设备电源入口尽量近的部位,并加以绝缘垫板,不要让 未经过滤波器的电源线在机柜内迂回。如果交流电源进入机壳内到电源滤波器有较长的 距离,则这段线应加以屏蔽。 $电源滤波器的外壳必须用截面积大的导线以最短的距离与机壳连为一体,并尽量 使电源滤波器的接地点与机壳接地点保持最短的距离,输入、输出线应靠近机壳底部布线 以减少耦合,并将输入、输出线严格分开,绝不允许将滤波器的输入线和输出线捆扎在一 · 4A* · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 起或靠得很近,否则干扰频率将达到数兆赫兹以上,这时输入,输出线会相互耦合而降低 其对高频干扰信号的衰减效果。插座式交流电源滤波器从结构上实现了输入、输出线的 隔离,对某些直接用机壳做屏蔽的电子设备来说是一种较理想的抗干扰器件。滤波器输 出线应采用双绞线或屏蔽线,其屏蔽线应可靠接地。 !机壳内的其他用电器(照明灯、信号灯等)或电磁开关等应从滤波器前端引线接到 负载,或为这些干扰源单独加装滤波器。 第五节 开关电源印刷电路板(!"#)中的电磁兼容问题 开关电源产品越来越趋向高速、宽带、高灵敏度、高密集度和小型化,这种趋势导致了 $%" 问题更加严重。!"# 的电磁兼容($%")问题是目前电子设备设计中急待解决的技 术难题。 一、!"# 中带状线、电线、电缆间的串音和电磁耦合 !"# 中带状线、电线、电缆间的串音是印刷电路板线路中存在的最难克服的问题之 一。这里所说的串音是较广意义上的串音,不管是有用信号还是噪声,串音均用导线的互 容和互感来表示。当在 $%" 预测和解决 $% & 问题时,首先应确定发射源的耦合途径是 传导的、辐射的还是串音的。例如,当 !"# 上某带状线上载入控制和逻辑电平时,与其靠 近的第二条带状线上载有低电平信号;当平行布线长度超过 ’()* 时,就预期会产生串音 干扰。当一长电缆载入几组串行或并行高速数据和遥控线时,串音干扰也成为主要问题。 靠近的电线和电缆之间的串音是由电场通过互容、磁场通过互感引起的。 当考虑在 !"# 带状线、电缆中的导体或靠近的电线和电缆的串音问题时,最主要的 是确定电场(互容)、磁场(互感)耦合中哪个是主要的。确定哪种耦合模型主要取决于线 路阻抗、频率和其他因素。对线路阻抗,一个粗略的原则是:当源和接收器阻抗的乘积小 于 +((, 时,耦合的主要是磁场;当源和接收器阻抗的乘积大于 ’(((, 时,耦合的主要是电 场;当源和接收器阻抗的乘积在 +((, - ’(((, 之间时,则磁场或电场都可能成为主要耦 合,这时取决于线路间的配置和频率。 上述标准并不适用于所有的情况。例如,在地(底)板上 !"# 带状线之间的串音,这 时 !"# 上带状线特性阻抗可能较低,而负载和源阻抗可能较高,但串音仍以电场(互容) 耦合为主。一般来说,在高频时电容耦合是主要的,但如果源或接收器中之一或两者采用 · ,/. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 屏蔽电缆并在屏蔽层两端接地,则磁场耦合将是主要的。另外,低频一般有较低的电路阻 抗,则电感耦合是主要的。 串音预测计算程序是计算机辅助 !"# 设计软件中的重要内容,通过串音预测,可以 保证 !"# 上数字和模拟信号适当的间距。由 $%&’()* 实验室编制的程序 +,--’. /-0.12 3 和 4-56. 编制的 7 8&9- :;)*<- 程序可预测串音、延时和振荡。该程序可确定几层 !"# 布 置的电压和脉冲上升时间表格。 !"# 电磁辐射分两种基本类型:差模辐射与共模辐射。差模辐射的特点取决于闭合 环路中电流特性;共模辐射由对地的干扰(噪声)电压引起。目前的文献中对共模辐射讨 论得较少,但实际 !"# 或电路并非都是由单根或回路轨迹组成,而且即使是并行电路轨 迹的电流也并非相等,所以在分析辐射问题时,只考虑差模电流的作用远远不够,必须考 虑轨迹中所有电流的作用。同时因为差模电流的辐射是相减的,而共模电流的辐射则是 相加的,所以共模电流即使比差模的电流小很多,也会产生相当程度的辐射电场。 电磁辐射主要表现在对周围的电子系统构成窄带与宽带干扰;另一方面造成潜在的 信息泄漏问题。影响 !"# 电磁辐射的因素主要是 !"# 的结构的激励因素,!"# 的结构 不同,其辐射效果也不同,传输带的长度、回路面积、地线走向、整体布局等都会影响到辐 射效果。除结构原因外,还有激励因素,比如幅值、周期、脉冲宽度、上升与下降时间、频率 等也都是影响辐射效果及频率特性的重要因素。显然 !"# 的布局设计将直接关系到整 机电磁辐射的强弱。在确定的激励状态下,整机系统辐射水平的抑制和降低,必须从 !"# 的辐射分析及布局的优化设计着手。 目前有不少文献对 !"# 的辐射问题进行讨论,提出 !"# 辐射的简化计算方法和测 试手段。然而,由于结构参数与激励参数的差异,!"# 的辐射问题不可能像其他电路那 样用一种模型就可以分析解决。比如,电偶极子和磁偶极子的辐射模型只有在电路线路 长度小于波长和测试点距离的情况下才能适用。另外,对一块 !"# 来说 = 众多的线路和 回路是潜在的辐射源。所以 !"# 的整体辐射效果应是各辐射单元辐射效果的叠加,总体 辐射作用的大小主要与频率、辐射源长度或面积、激励强度、方位等因素有关。此外,布线 结构的合理设计对降低 !"# 辐射也具有关键的作用。 消除辐射干扰最有效的方法是采取屏蔽,屏蔽噪声源或屏蔽敏感电路。除屏蔽方法 外,还可以通过改变电路设计来提高系统的抗干扰能力。 为了抑制 !"# 电磁辐射,除了采用相应的技术措施外,">:!?、"4@4A4"、B"" 和 CD4 等国际组织先后颁布了有关数字电子设备电磁辐射的约束规范。目前辐射标准覆 盖的频率为 EF3GH I >+GH,在不久的将来会扩展到 J I KF+GH。 · 1ML · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 二、!"# 布局、布线设计 在早期的 !"# 设计工具中,布局有专门的布局软件,布线也有专门的布线软件,两者 之间没什么联系。随着球栅阵列封装的高密度单芯片、高密度连接器、微孔内建技术以及 $% 板在 !"# 设计中的应用,布局和布线已越来越一体化。并成为设计过程的重要组成 部分。 自动布局和自由角度布线等软件技术已渐渐成为解决这类高度一体化问题的重要方 法,利用此类软件能在规定时间范围内设计出可制造的电路板。在目前产品上市时间越 来越短的情况下,手动布线极为耗时,不合时宜。因此,现在要求布局、布线工具应具有自 动布线功能,以快速响应市场对产品设计提出的要求。 & ’ 设计约束条件 由于要考虑电磁兼容( ( ) ")及 电 磁 干 扰、串 扰、信 号 延 迟 和 差 分 对 布 线 等 高 密 度 设 计因素,布局、布线的约束条件每年都在增加。例如,在几年前,一般的电路板仅需 * 个差 分对来进行布线,而现在则需 *++ 对。在一定时间内仅依赖手动布线来实现这 *++ 对布 线是不可能的。因此自动布线工具必不可少。 尽管与几年前相比,当今设计中的节点( ,-.)数目没有大的改变,只是硅片复杂性有 所增加,但是设计中重要节点的比例大大增加了。当然,对于某些特别重要的节点,要求 布局、布线工具能够加以区分,但无需对每个管脚或节点都加以限制。 (&)自由角度布线 随着单片器件上集成的功能越来越多,其输出管脚数目也大大增加,但其封装尺寸并 没随之扩大,再加上管脚间距和阻抗因素的限制,这类器件必须采用更细的线宽。产品尺 寸的总体减小也意味着用于布局、布线的空间也大大减小了。在某些电子产品中,底板的 大小与其上器件大小相差无几,元件占据的板面积高达 /+0 。 某些高密度元件管脚交错,即使采用具有 123布线功能的工具也无法进行自动布线。 尽管 123布线工具能对某些恰成 123的线段进行完美的处理,但自由角度布线工具具有更 大的灵活性,并能最大程度地提高布线密度。 拉紧(!4556.789.)功能使每个节点在布线后自动缩短以适应空间要求,它能大大降低 信号延迟,同时降低平行路径数,有助于避免串扰的产生。尽管自由角度设计具有可制造 性,并且性能良好,但是这种设计会导致主板看起来不如以前的设计美观。 (:)高密度器件 · :;; · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 最新的高密度系统级芯片采用 !"# 或 $%! 封装,管脚间距日益减小。球间距已低 至 &’’,并且还会继续降低,导致封装件信号线不可能采用传统布线工具来引出。目前 有两种方法可解决这个问题:一是通过球下面的孔将信号线从下层引出;二是采用极细布 线和自由角度布线在球栅阵列中找出一条引线通道。对这种高密度器件而言,采用宽度 和空间极小的布线方式是惟一可行的,只有这样才能保证较高的成品率。现代的布线技 术也要求能自动地应用这些约束条件。 自由布线方法可减少布线层数,降低产品成本。同时也意味着在成本不变的情况下, 可以增加一些接地层和电源层来提高信号完整性和 ()$ 性能。 一台性能优良的电子设备,除选择高质量的元器件和合理的电路外,*$! 的元件布 局和电气连线方向的正确结构设计是决定电子设备能否可靠工作的一个关键问题,对同 一种元件和参数的电路,由于元件布局设计和电气连线方向的不同会产生不同的结果,其 结果可能存在很大的差异。因而,必须把如何正确设计 *$! 元件布局的结构和正确选择 布线方向及整体电子设备的工艺结构三方面联合起来考虑。合理的工艺结构,既可消除 因布线不当而产生的噪声干扰,同时也便于生产中的安装、调试与检修等。 *$! 是电子产品中电路元件和器件的支撑件,提供电路元件和器件之间的电气连 接。随着电子技术的飞速发展,*$! 的密度越来越高。*$! 设计的好坏对抗干扰能力影 响很大,因此在进行 *$! 设计时必须遵守 *$! 设计的一般原则,并应符合抗干扰设计的 要求。要使电子电路获得最佳性能,元器件的布局及导线的布设是很重要的。 由于优良的“结构”没有一个严格的“定义”和“模式”,因此每一种电子设备的结构必 须根据具体要求(电气性能、整机结构安装及面板布局等要求),采取相应的结构设计方 案,并对几种可行设计方案进行比较和反复修改。 印刷板电源和地总线的布线结构选择因模拟电路和数字电路在元件布局图的设计和 布线方法上有许多相同和不同之处。模拟电路中,由于放大器的存在,由布线产生的极小 噪声 电 压 都 会 引 起 输 出 信 号 的 严 重 失 真;在 数 字 电 路 中,+ + , 噪 声 容 限 为 - . / 0 - . 12 . $)%3 噪声容限为 ! 44的 - . 5 0 - . /6 倍,故数字电路具有较强的抗干扰能力。良好 的电源和地总线方式的合理选择是电子设备可靠工作的重要保证,相当多的干扰源是通 过电源和地总线产生的,其中地线引起的噪声干扰最大。 7 . 总体布局设计原则 为了设计质量好、造价低的 *$!,应首先考虑 *$! 尺寸的大小。*$! 尺寸过大时,印 制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;尺寸过小,则散热不好。且邻近线条 易受干扰。电路板的最佳形状为矩形,长宽比为 5 8 7 或 / 8 5。电 路 板 面 积 尺 寸 大 于 · 5-- · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !""## $ %&"## 时,应考虑电路板所受的机械强度。在确定 ’() 尺寸后,再确定特殊元 件的位置。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。应把相互有关的 器件尽量放得靠近些,这样可以获得较好的抗噪声效果。各种发生器、晶振和 (’* 的时 钟输入端都易产生噪声,要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路,大电流电路等 应尽量远离逻辑电路,如有可能,应另做电路板,这一点十分重要。 尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。 易受干扰的元器件不能相互挨得太近,输入和输出元件应尽量远离。某些元器件或导线 之间可能有较高的电位差,应加大它们之间的距离,以免放电引出意外短路。带高电压的 元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。 重量超过 %&+ 的元器件应当用支架加以固定,然后焊接。那些又大又重、发热量多的 元器件不宜装在印制板上,而应装在整机的机箱底板上,且应考虑散热问题。热敏元件应 远离发热元件。对于电位器、可调电感线圈、可变电容器,微动开关等可调元件的布局应 考虑整机的结构要求。若是机内调节,应放在印制板上便于调节的地方;若是机外调节, 其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应,应留出印制板定位孔及固定支架所占 用的位置。根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则: !按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽 可能保持一致的方向。 "以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧 凑地排列在 ’() 上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。 #在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器 件平行排列。这样,不但美观,而且装焊容易,易于批量生产。 $位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘的距离一般不小于 !##。 , - 印刷电路板设计的基本要求 印刷电路板的设计,首先从确定板的尺寸大小开始,其次应考虑印刷电路板与外接元 器件(主要是电位器、插口或另外印刷电路板)的连接方式。印刷电路板与外接元件一般 通过塑料导线或金属隔离线进行连接,但有时也设计成插座形式。在设备内安装一个插 入式印刷电路板要留出充当插口的接触位置。对于安装在印刷电路板上的较大元件,要 加金属附件固定,以提高耐振、耐冲击性能。 布线的原则如下: !输入、输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线,以免发生反馈耦 合。 · ,"% · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !印制板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值 决定。当铜箔厚度为 ! " !#$$、宽度为 % & %#$$ 时,通过 ’( 的电流,其温度不会高于 )*,因此导线宽度为 % " #$$ 可满足要求。对于集成电路,尤其是数字电路。通常选 ! " !’ & ! " )$$ 导线宽度。当然,只要允许,还是尽可能用宽线,尤其是电源线和地线。导 线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路,尤其 是数字电路,只要工艺允许,可使间距小至 # & +$$。 "印制导线拐弯处一般取圆弧形,而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此 外,尽量避免使用大面积铜箔,否则,长时间受热时,易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用 大面积铜箔时,最好用栅格状,这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气 体。 #印刷线路板的布线要注意以下问题:专用零伏线,电源线的走线宽度大于或等于 %$$;电源线和地线尽可能靠近,整块印刷板上的电源与地要呈“井”字形分布,以便使分 布线电流达到均衡;要为模拟电路专门提供一根零伏线;为减少线间串扰,必要时可增加 印刷线条间距离,或安插一些零伏线作为线间隔离;印刷电路的插头也要多安排一些零伏 线作为线间隔离;特别注意电流流通中的导线环路尺寸;如有可能,在控制线(于印刷板 上)的入口处加接 , - . 去耦,以便消除传输中可能出现的干扰因素;印刷板上的线宽不 要突变,导线不要突然拐角。 在设计布线图时,首先需要对所选用元件器及各种插座的规格、尺寸、面积等有完全 的了解;对各部件的位置安排作合理的、仔细的考虑,主要是从电磁场兼容性、抗干扰的角 度、走线短、交叉少、电源、地的路径及去耦等方面考虑。各部件位置定出后,就是确定各 部件的连线,按照电路图连接有关引脚,完成的方法有多种,印刷线路图的设计有计算机 辅助设计与手工设计两种方法。 利用计算机辅助制图,现在有多种绘图软件,功能各异,绘制、修改较方便,并且可以 存盘储存和打印。大多数软件基本上能通过输入的原理图进行自动布线,效果也不错(推 荐使用 /0123/.4、/30526 7+ 8 77 或 93.:;)。印刷电路板中各元件之间的接线安排方式如 下: $印刷电路中不允许有交叉电路,对于可能交叉的线条,可以用“钻”、“绕”两种办法 解决。即让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去,或从可能交叉的某 条引线的一端“绕”过去。在特殊情况下如果电路很复杂,为简化设计也允许用导线跨接, 解决交叉电路问题。 !同一级电路的接地点应尽量靠近 " 并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接 地点上。特别是本级晶体管基极、发射极的接地点不能离得太远,否则因两个接地点间的 · )!’ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 铜箔太长会引起干扰与自激,采用这样“一点接地法”的电路工作较稳定,不易自激。 !总地线必须严格按高频—中频—低频一级级地按弱电到强电的顺序排列,切不可 随便翻来复去乱接,级与级间宁肯可接线长点,也要遵守这一规定。特别是高频头、再生 头、调频头的接地线安排要求更为严格,如有不当就会产生自激以致无法工作。调频头等 高频电路常采用大面积包围式地线,以保证有良好的屏蔽效果。 "强电流引线(公共地线,功放电源引线等)应尽可能宽些,以降低布线电阻及其电压 降,可减小寄生耦合而产生的自激。 #阻抗高的走线尽量短,阻抗低的走线可长一些,因为阻抗高的走线容易吸收信号, 引起电路不稳定。电源线、地线、无反馈元件的基极走线、发射极引线等均属低阻抗走线, 射极跟随器的基极走线的地线必须分开,各自成一路,一直到末端再合起来。如两路地线 连来连去,极易产生串音,使分离度下降。 采用正确的布线策略。采用平等走线可以减少导线电感,但导线之间的互感和分布 电容增加,如果布局允许,最好采用“井”字形网状布线结构,具体做法是印制板的一面横 向布线,另一面纵向布线,然后在交叉孔处用金属化孔相连。为了避免高频信号通过印制 导线时产生的电磁辐射,在印制电路板布线时,还应注意以下几点: $时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰,走线时应与地线回路相靠近,驱动器应紧 挨着连接器。 %总线驱动器应紧挨其欲驱动的总线。对于那些离开印制电路板的引线,驱动器应 紧紧挨着连接器。 !对于数据总线的布线,应每两根信号线之间夹一根信号地线。最好是紧紧挨着最 不重要的地址引线放置地回路,因为后者常载有高频电流。 为了抑制出现在印制线条终端的反射干扰,除了特殊需要之外,应尽可能缩短印制线 的长度和采用慢速电路。必要时可加终端匹配,即在传输线的末端对地和电源端各加接 一个相同阻值的匹配电阻。根据经验,对一般速度较快的 ! ! " 电路,其印制线条长于 #$%& 时就应采取终端匹配措施。匹配电阻的阻值应根据集成电路的输出驱动电流及吸 收电流的最大值来决定。 ’ ( 印刷板图设计中应注意的问题 $布线方向:从焊接面看,元件的排列方位应尽可能保持与原理图相一致,布线方向 最好与电路图走线方向相一致,因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测,便 于生产中的检查、调试及检修(注:指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提 下)。 · )$) · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !元件排列:各元件分布要合理和均匀,力求整齐、美观,结构严谨。 "电阻、二极管的放置方式有以下两种。 平放:在电路元件数量不多,而且电路板尺寸较大的情况下,一般是采用平放较好;对 于 ! " #$ 以下的电阻平放时,两个焊盘间的距离一般取 # " !% 英寸;! " &$ 的电阻平放时, 两焊盘的间距一般取 ’ " !% 英寸;二极管平放时,()#%%* 系列整流管一般取 + " !% 英寸, !)’#%* 系列整流管一般取 # " !% , ’ " !% 英寸。 竖放:当电路元件数较多,而且电路板尺寸不大时,一般是采用竖放,竖放时两个焊盘 的间距一般取 ! " !% , & " !% 英寸。 #电位器、-. 座的放置原则如下。 电位器:在稳压器中用来调节输出电压,故设计电位器应满足顺时针调节时输出电压 升高,反时针调节器节时输出电压降低的要求;在可调恒流充电器中电位器用来调节充电 电流的大小,设计电位器时应满足顺时针调节时电流增大的要求。电位器安放位置应当 满足整机结构安装及面板布局的要求,因此应尽可能放置在板的边缘,旋转柄朝外。 -. 座:设计印刷板图时,在使用 -. 座的场合下,一定要特别注意 -. 座上定位槽放置 的方位是否正确,并注意各个 -. 脚位是否正确,例如第 ! 脚只能位于 -. 座的右下角或者 左上角,而且紧靠定位槽(从焊接面看)。 $进、出接线端布置:相关联的两引线端不要距离太大,一般为 & " !% , + " !% 英寸左右 较合适;进出线端尽可能集中在 ! , & 个侧面,不要太过离散。 %设计布线图时要注意管脚排列顺序,元件脚间距要合理。 &在保证电路性能要求的前提下,设计时应力求走线合理,少用外接跨线,并按一定 要求走线,力求直观,便于安装和检修。 ’设计布线图时走线尽量少拐弯,力求线条简单明了。 (布线条宽窄和线条间距要适中,电容器两焊盘间距应尽可能与电容引线脚的间距 相符。 )设计应按一定顺序方向进行,例如可以按由左往右和由上而下的顺序进行。 *+,焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径 ! 一 般不小于( " / ! 0 &)11,其中 " 为引线孔径。对高密度的数字电路,焊盘最小直径可取 ( " / ! 0 %)11。 · +%# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 三、印制电路板的可靠性设计 ! " 地线设计 在电子设备中,接地是抑制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用, 可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地 (逻辑地)和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点: !正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中,信号的工作频率小于 !#$%,它的 布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对于扰影响较大,因而应采用一点 接地。当信号工作频率大于 !&#$% 时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应 采用就近多点接地。当工作频率为 ! ’ !&#$% 时,如果采用一点接地,其地线长度不应超 过波长的 ! ( )&,否则应采用多点接地法。 "将数字电路与模拟电路分开。电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它 们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接 地面积。 #尽量加粗接地线。若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备 的定时信号电平不稳,抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三倍位于 印制电路板的允许电流。如有可能,接地线的宽度应大于 *++。 $将接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时,将接 地线做成闭环路可以明显提高抗噪声能力。其原因在于:印制电路板上有很多集成电路 元件,尤其遇有耗电多的元件时,因受接地线粗细的限制,会在地线上产生较大的电位差, 引起抗噪声能力下降,若将接地结构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声 能力。 ) " 去耦电容配置 在直流电源回路中,负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中,当电路从一个 状态转换为另一种状态时,就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流,形成瞬变的噪声电 压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声,是印制电路板可靠性设计的一种 常规做法,配置原则如下: !电源输入端跨接一个 !& ’ !&&%, 的电解电容器,如果印制电路板的位置允许,采 用 !&& (%, 以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。 · *&- · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !为每个集成电路芯片配置一个 ! " !#"$ 的陶瓷电容器,如遇到印制电路板空间小 而装不下时,可每 % & #! 个芯片配置一个 # & #!"$ 钽电解电容器,这种器件的高频阻抗特 别小,在 ’!!()* & +!,)* 范围内阻抗小于 ##,而且漏电流很小(! " ’"- 以下)。 $对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和 ./,、.-, 等存储型器件,应在芯 片的电源线( 011)和地线( 2 3 4)间 直 接 接 入 去 耦 电 容。去 耦 电 容 的 引 线 不 能 过 长,特 别 是高频旁路电容不能带引线。 5 " 热设计 从有利于散热的角度出发,印制版最好是直立安装,板与板之间的距离一般不应小于 +67,而且器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则。 %对于采用自由对流空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其他器件)按纵长方式 排列;对于采用强制空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其他器件)按横长方式排列。 !同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列,发热量小 或耐热性差的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的最上 流(入口处),发热量大或耐热性好的器件(如功率晶体管、大规模集成电路等)放在冷却气 流最下游。 $在水平方向上,大功率器件尽量靠近印制板边沿布置,以便缩短传热路径;在垂直 方向上,大功率器件尽量靠近印制板上方布置,以便减少这些器件工作时对其他器件温度 的影响。 &对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域(如设备的底部),千万不要将 它放在发热器件的正上方,多个器件最好是在水平面上交错布局。 ’设备内印制板的散热主要依靠空气流动,所以在设计时要研究空气流动路径,合理 配置器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动,所以在印制电路板 上配置器件时,要避免在某个区域留有较大的空域。整机中多块印制电路板的配置也应 注意同样的问题。大量实践经验表明,采用合理的器件排列方式,可以有效地降低印制电 路的温升,从而使器件及设备的故障率明显下降。 以上所述只是印制电路板可靠性设计的一些通用原则,印制电路板可靠性与具体电 路有着密切的关系,在设计中还需根据具体电路进行相应处理,最大程度地保证印制电路 板的可靠性。 四、开关电源印制板 8, 1 辅助设计的软件方法 减小电子设备的 8, 9,印制板(:1;)的设计是个关键。一种好的布线方案可以在不 · 5!< · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 修改电路拓扑和增加任何元件的情况下降低干扰。但目前 !"# 的设计在大多数情况下 只是一种依赖于经验的尝试性设计过程,国外称之为“$%&’( ) *%%+%”设计方法,带有很大 的盲目性。!"# 上主要的干扰耦合方式是传导干扰和近场干扰(包括电场干扰和磁场干 扰)。它们常常可以用杂散电阻、电容、电感来表示。!"# 的设计目标之一就是设法降低 这些杂散参数,减小印制电路之间不必要的干扰耦合。 许多文献都列举了一些减少印制电路间杂散参数的方法,但这些方法往往过于笼统, 实际应用中很大程度上还是依赖于经验。目前也有使用数值技术来提取 !"# 杂散参数、 建立仿真模型的辅助设计软件包。虽然仿真结果能与测量结果较好吻合,但这类方法本 质上是把 $%&’( ) *%%+% 设计方法从硬件平台移植到软件平台上,并不能指导如何布线以 减小线路间的杂散参数。毕竟这些方法都是从集中电路的角度去分析干扰的,而 ,- . 本 质上是个场的问题,故仍有相当的局限性。 电场耦合是由位移电流干扰引起的,变化的电场将产生位移电流,其中位移电流密度 ( ! ,",# ,$)和电位移密度( ! ,",# ,$)都是空间和时间的函数。根据经验,绝大多数开关 电源产生的干扰都集中在 /00-12 以下,频率在 /00-12 以上的干扰的幅值已经很小了。 而大多数 !"# 的几何尺寸都远小于 /00-12 电磁波的波长,可做准静态场近似。在此条 件下,场量可写成相互独立的空间量和时间量的乘积。其中 !( ! ,",# )是空间任意一点 ( ! ,",# )电位!( ! ,",# ,$)的空间分量,!( $)是该点电位的时间分量。( ! ,",# )是该点 位移电流密度( ! ,",# ,$)的空间分量。在准静态场条件下,这些空间量和时间量之间是 相互独立的。要减小印制电路间的电场干扰,可以通过降低时间分量和空间分量来实现。 延长开关器件的导通 3 关断时间,但这样会增大开关损耗,降低效率。另一个方法是减小 ( ! ,",# ),可以通过选择合适的布线方案,把敏感电路放在较小的地方来实现。对开关电 源来说,干扰源主要集中在与开关器件相连、电压变化率 4 % 3 4 $ 相对较大的几根导线上。 选择合适的布线方案,首先要计算出于扰源的干扰强度分布图。根据分布的情况,把敏感 电路放在较小的地方,可以减小其受干扰的程度,这是用“场”的方法来布线的基本思想。 印制导线间的干扰耦合水平不完全由相互位置决定,与导线的大小、形状也有关系。 为了能够综合评价敏感导线与干扰导线之间的耦合程度,提出了一种新的评价参数——— 耦合系数("+56(&78 .74*9),其基本思想是把敏感导线细分为 & 个网格,是第 & 个网格的 位移电流密度的大小,!’( &)是第 & 个网格的面积。把所有网格的位移电流密度与 !’ ( &)的乘积相加之和作为耦合系数评价敏感导线与干扰导线之间的耦合程度。与电容的 计算相比,耦合系数的计算非常简单,可以根据实时的耦合系数计算结果及时调整布线方 案,改进设计。而不用等整块 !"# 设计完成,再用软件包提取杂散参数以建立仿真模型, 输入仿真软件包,如仿真结果不行再回头修改设计。 · ;0: · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 表 ! " # " $ 列出了 % 种不同的布线设计,分别给出了相应的耦合系数和电容值计算 结果。比较这些结果可以发现,印制导线的大小、形状和相对位置都会影响它们之间的耦 合系数和电容值。为了更清楚地反映两者的关系,把耦合系数和电容值绘入同一张图中 并进行线性回归分析,如图 ! " # " !& 所示。其相关系数为 ’ ( %&,表明耦合系数能够很好 地反映导线间的耦合程度。依据耦合系数进行布线是可行的。 表 ! " # " $ 不同布线设计时的耦合系数和电容值 序号 +, ( ! +0 ( 1 +0 ( . +0 ( 2 +0 ( $ +0 ( # +0 ( +0 ( & +0 ( % 耦合系数 $-! ( ’$ 2&1 ( 1& !’. ( .! !$.$ ( --# ( .$ $-1 ( ’! !2.1 ( % !’’. ( $ !’’. ( # 电容值()*) & ( .’ / !’ " . # ( $& / !’ " . ! ( #& / !’ " . .# ( $ / !’ " . !! ( . / !’ " . & ( 2$ / !’ " . 1% ( , / !’ " . 1! ( ’ / !’ " . 1! ( ’ / !’ " $ 图 ! " # " !& 耦合系数与电容的关系 图 ! " # " !% 的试验装置用来进一步证实这个思想。印制导线经屏蔽电缆与信号发 生器 34&!!’5 相连,馈入 !’6、1’’738 的脉冲干扰信号作为干扰源。敏感导线如表达式 中 +0 ( $ 或 +0 ( - 所示布置,经屏蔽电缆与频谱分析仪 34&$%’9 相连测量干扰信号。整 个装置放入屏蔽盒中。图 ! " # " 1’ 是表 ! " # " $ 中 +0 ( $ 布线方案的设计尺寸和测量结 · .’& · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 果,图 ! " # " $! 是表 ! " # " % 中 &’ ( ) 布线方案的设计尺寸和测量结果。比较表 ! " # " % 中 &’ ( % 的耦合系数 ))# ( *% 和 &’ ( ) 的耦合系数 !+*$ ( ,,&’ ( ) 中的敏感导线要比 &’ ( % 中的敏感导线接收到更多的干扰,图 ! " # " $(- .)、# " $(! .)的实验结果证实了这一点。 图 ! " # " !, 试验布置图 图 ! " # " $- &’( % 布线的尺寸和干扰测量结果 图 ! " # " $! &’( ) 号布线的尺寸和干扰测量结果 软件设计的最初思想是想摆脱 /01 的“23456 7 833’3”传统设计方法,希望软件能在 /01 设计过程中就给出必要的干扰分布信息,以期在 /01 设计的早期阶段就把干扰抑制 在尽可能低的水平。 设计工作主要包括两大步骤:初步辅助设计和仿真论证设计。在初步设计阶段,计算 机首先根据电路中各节点的 9 ! : 9 " 的大小识别干扰源,计算干扰源的干扰分布图并显示 在屏幕上供参考。根据干扰分布图把敏感电路放在干扰较弱的区域,这样可以降低敏感 · *-, · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 电路的受扰程度。同时可以根据实时的耦合系数计算值及时地调整敏感电路的大小、形 状,在 !"# 设计的初期阶段就尽量把干扰耦合降低。整块 !"# 设计完成后,进入仿真设 计阶段。利用有限元技术提取 !"# 的杂散参数,建立分布参数等效电路,放入电路仿真 软件包 !$%&’( 或 )*+(,,可以计算出可能的干扰水平,与 -." 标准规定的干扰容许限值比 较。整个软件设计框图如图 / 0 1 0 22 所示。 图 / 0 1 0 22 !"# 辅助 -." 设计软件框图 印制板的杂散参数对开关电源的 -." 有很大的影响,合适的布线对减小印制电路 间的干扰非常关键。根据干扰强度分布图进行 !"# 的布线设计,可以把敏感的电路放在 干扰较弱的区域。精确的杂散电容计算需要很长的时间,而耦合系数可以实时地显示导 线间的耦合程度,大大缩短了计算时间。计算和实验结果都证实了这一点。新的软件辅 助设计思想为印制板的设计提供了新思路。 五、抑制电磁干扰的 !"# 设计和制造 #3&4563% 新技术 目前电子产品设计都在追求低功率消耗、低电磁辐射、小型化、轻重量的目标。然而, 用 789 制作的 !"# 已经是到了难以满足要求的地步。为此,:3;(< 公司向 !"# 设计与制 造业推出“表面积层”技术和实现这一技术的 -=> 软件。 · @/? · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 表面积层技术 综观电子系统产品设计和生产的发展历程,如果我们将电子器件的发展同 #$% 基板 的发展作一些比较,就会明显地发现,器件集成度的增加速度已远远大于 #$% 基板的发 展速度。为了使得 #$% 基板赶上器件集成度的发展速度,就必须提高 #$% 基板的密度, 这可以通过降低在此基板上的设计规则和结构来实现,然而这样做有其物理实现上的制 约。一个崭新的解决方案就是命名为“表面积层”法的多层 #$% 技术。由这一新技术所 带来的功能,可以极大地降低 #$% 的尺寸和重量,减少层数,提高电磁兼容性,增加电子 产品特色,降低成本,同时也会使得设计工作更加简便快捷。 到目前为止,只有 &$& 技术能使得体积、重量、性能得以大大的改进。但是,&$& 技术的应用代价太高,只适用于一些高端电子产品、工作站、军用电子和通信等领域。然 而“表面积层”技术恰恰能够为这种需求提供切实可行的解决方案。顾名思义,“表面积 层’是设计和制造上的一种方法。它通过在低成本的 ’() 工艺 #$% 上增加薄绝缘层和用 于贯穿这些层的小过孔的组合来实现。采用这种表面积层技术,一个 * 层或 ) 层的常规 #$% 板采用 ’() 工艺,可以当成一个核心,用于构筑绝缘层,薄的绝缘层和导电层附着在 核心层上,这些薄层间用微型孔采联接。由此可见,薄的绝缘层和微孔技术是实现表面积 层技术的关键。相比于 ’() 工艺的 + " +*, 英寸焊盘直径,新技术的盘径可达到 + " +!* 英 寸,而连线宽度可以是 + " ++* 英寸。 (!)降低电磁辐射的要求 有许多必然的因素使我们必须采用表面积层技术,其中最主要的是降低电磁辐射和 电磁干扰。射频干扰产生于被高频电压干扰的传输信号或射频信号。通常射频干扰来自 于电子设备或仪器,由于电流或电压的突变,这些设备产生具有副作用的射频二次谐波, 而且设备本身也产生高频能量,尤其是射频信号。 首先,薄绝缘组合层技术允许小体积。采用表面积层技术设计制作的 #$%,单位面积 上的走线密度会增加近一倍,因而可降低 #$% 的体积。#$% 面积的缩小对走线的拓扑结 构有巨大的影响,这意味着缩小电流回路,缩小分支走线长度,而电磁辐射近似正比于电 流回路的面积;同时小体积特征意味着高密度引脚封装器件可以被使用,这又使得连线长 度下降,从而使电流回路减小,提高电磁兼容特性。其次,由于这种改进所带来的走线拓 扑的下降还会减少走线的感抗与容抗。这会减少功耗,改善高频性能。 (*)高密集的设计趋势 由表面积层技术所带来的小体积特征允许采用现今最新的微型 -$ 封装技术,这类封 装的引脚数大增,引脚间距可以很精细,如 %./ 封装等。采用这些高度集成封装的器件 · 0!! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 进行设计可以大大地提高信号一致性,减少寄生参数,从而大大地抑制电磁干扰和射频干 扰。 (!)微型孔技术 通孔焊盘、过孔是 "#$ 上连接层与层间信号的基本要素。在传统 "#$ 设计和加工 中,这些穿导孔会带来许多问题。首先它们占据大量的有用(走线)空间,其次大量的穿导 孔密集处也对多层 "#$ 内层走线造成巨大障碍,这些穿导孔占去走线所需的空间,在物 理实现上又使钻孔成本上升(通常钻孔的费用占 "#$ 制板费用的 !%& ’ (%&)。它们密 集地穿过电源与地线层的表面,还会破坏电源地线层的阻抗特性,使电源地线层失效。常 规的机械法钻孔将是采用微孔技术工作量的 )% 倍。 在过去的几年间,虽然焊盘、过孔的尺寸已逐渐减小下来,但如果板层厚度不按比例 下降,将会导致通孔的纵横比增大,穿导孔的纵横比增大会降低可靠性。采用表面积层技 术,非贯穿的小盲孔和小埋孔成为可能。这些非贯穿孔的孔径可达 % * !++(直径),所带 来的寄生参数是原先常规孔的 , - ,% 左右,为了加工这些过孔,各种先进的技术已设计出 来,如激光打孔技术、等离子干腐蚀技术等。由于无需机械钻孔,所以成本极低,且一致性 非常好。 (()表面积层技术应用于高密度高速 "#$ 的优点 由于采用微孔技术,使得 "#$ 上大的过孔会很少,因而可以为走线提供更多的空间 (采用微孔技术可以提高 ( ’ . 倍的 "#$ 布线密度)。布线不是穿导所有的层意味着更多 的空间被节省下来,这样就会更容易使 "#$ 实现 ,%%& 布通。而剩余空间可以用作大面 积屏蔽用途,以改进 /0 1 - 231 性能。对只有少数走线的 "#$ 外层进行大面积的接地屏 蔽是相当有用的。除了表面积层技术,这些特点是其他工艺根本无法实现的。同时更多 的剩余空间还可以使得我们可以在内层对器件和关键网线进行部分屏蔽,以取得最佳电 气性能。 此外,采用这种微孔技术的非穿导过孔,可以更方便地进行器件引脚进出,因而不存 在引脚无法进出的问题。这就使得高密度引脚器件(如 $45 封装器件)很容易地实现(走 线)连接,缩短连线长度,满足高速电路时序要求。 利用表面积层技术中薄绝缘介质,可以将离散去耦电容做在 "#$ 板内电容层上,这 又会增加 "#$ 的剩余空间,从而抑止 /0 1 - 231。 (6)层内埋器件技术 为进一步降低由于器件密度增加和引脚数增加所带来的问题,采用表面积层技术允 许部分离散电阻直接做到 "#$ 内层上面,在进行电原理图设计时就可以通过规则和属性 来设定一些电阻到指定的 "#$ 层上,#57 系统在布局布线时会自动地定位和生成所需的 · !,) · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 电阻,这种电阻称为层内埋器件。采用这种技术可以节省大量的 !"# 表面的空间,而这 些空间可以用于走线和更密的器件布局。 ($)测试问题 增加的布线空间可以允许我们实现边界扫描测试,这可以极大地降低测试成本。采 用表面积层技术所节省的空间可以用于插入测试点,可以很容易地利用微孔所允许的小 孔径技术实现测试点。 表面积层技术解决了 !"# 设计和制造中器件密度增大、连接密度增加和时钟频率大 幅度提高所带来的诸多技术难题。它为应对下一代电子系统设计所面临的挑战,如降低 成本、增加密度、提高性能、改进用户应用界面、提高电磁兼容性等提供最佳的解决方案, 必将成为新一代 !"# 设计与制造的核心技术。 % & 国外 !"# 技术动态 %’ 世纪印制板技术会很快进入到以微通孔( ()*+,-).)为主的 /01 时代。/01 是英 文 /)23 0456)78 1574+*,54*7)52 的缩写,意为“高密度互连”,是美国人于 ’99: 年提出来的。 同较早前日本人习惯叫“#;)<=>;? (;<7)<.84(+ 积层多层板,简称 #@ ()”含义相同。按美国 1!" 资料的报导,/01 包含的意义为:孔径小于或等于 A & ’BCC($C)<);孔环小于或等于 A & %BCC(’AC)<);接点(*,554*7)52)密度大于或等于 ’DA 点 E 平方英寸;布线密度大于或等 于 ’’: 英寸 E 平方英寸。/01 类型的印制板,其线宽 E 间距小于或等于 A & A:BCC(DC)<)。 /01 印制板的微导通孔不是用通常的数控钻床制作的,成孔方式有 F 类:激光钻(烧)孔、 光致法成孔、等离子体蚀孔(!<.6C G7*3)52)和碱液蚀孔。从 ’999 年起,最流行的是用激 光钻孔技术,从而制成积层式的多层印制板。 !激光钻孔机。/01 技术离不开激光钻孔机。微孔的形成是靠激光机“烧’出来的。 激光钻孔机分两大类型,即 "H% 和 IJK,各有特点。 "电镀和化学镀镍 E 浸金。选择性镀金镀哑(沙)金工艺在传统印制板工艺中,表面涂 覆是铅锡合金,即热风整平,对许多新品种的印制板已不能适应,而电镀镍 E 金、化学镀镍 E 浸金越来越多了。还值得一提的是,除了化学镍 E 金外,更新的工艺化学浸银即将兴起, (.*,4C)=、J?@<)。/- 世纪提出来印制板要求有特性阻抗指标。通信高 频信号的传输以及电脑运算速度的加快,对多层板层间厚度、线宽、间距、线厚、阻焊等都 会提出更严格的要求,对线路侧蚀、过缘的垂直度的要求更为苛刻,线路上出现的缺口、针 孔、锯齿不会以目前 :$% 的 /+A 标准接收,所有这些对印制板更严的指标都体现在特性 阻抗性能上。诚然,生产特性阻抗板对上游物料覆铜板、铜箔、半固化片亦提出了新的挑 战(如介电常数、高 1B、C$. 铜箔覆铜板等。) %激光直接成像。传统的内 层 和 外 层 光 成 像 必 须 用 到 银 盐 片 或 重 氮 片( $DEFEFEE6), 由于底片上的某一缺口、针孔或曝光框架上的一颗尘埃都会引起印制板批量重复的缺陷, 在制作 + , +3 ’ + , +G3.. 线宽 2 间距的 $%! 时更为突出。另外,底片常受到温、湿度变化 而伸长缩短的干扰,大拼板尺寸的底片更是难对位。针对底片,出现了直接成像 HI: (H>JB5?B)技术。该方法直接利用 %8# 工作站输出的数据,驱动 " L 激光成 像装置在贴有感光干膜的板面上高速扫描,完成传统光成像用的底片对位曝光的任务,从 而省去底片对位曝光的任务,类似于一台激光绘图机,从而省去底片显影机、重氮片显影 机、拷贝机、光绘机等一大堆机器,亦省去重氮片和银盐片,底片检查机也被淘汰了。此法 可快速大量生产 + , +3.. 线宽 2 间距的线路板,大大节约投资和成本,缩短流程,改善线路 板的质量。激光直接成像由美、日多家公司研制,I9;E?F 公司研制的介质材料和 MKNEF 等 公司开发的激光设备从 -CC* 年开始开始在美国、法国、加拿大、奥地利等国试用,反映十 分良好。预测 /- 世纪初这种激光直接成像设备和方法会传入中国。 综如上述,/- 世纪印制板行业将进入微通孔( #5@KEO5>)为主的高密度互连(PI:)时 代,印制板变得越来越薄、越来越密,质量要求越来越严,需要有埋 2 盲孔、阻抗特性、化学 · &-( · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 ###################################################### 镍 ! 金、局部镀厚等工艺技术来满足高技术产品对印制板的要求。 第六节 开关电源可靠性设计 近年来,电源设备日趋复杂,元器件的品种和数量增加很快,使用环境也变得恶劣多 样,所服务的电子系统又越来越重要和昂贵。以开关电源为例,已广泛地应用于车载、机 载、舰载、地面的军用装备、航空航天部门、铁路和交通的信号和通信系统等方面。电源需 要日夜不停地连续运行,还要经受高、低温、高湿、冲击等考验。运行中往往不允许检修或 只能从事简单的维护。这一切就使得电源设备的可靠性研究变得刻不容缓。其实,早在 "# 世纪 $# 年代,英国电气工程师学会发表的论文就指出:在提供军事通信的英国天网系 统的设计研制中,中心课题首先是可靠性。 一、可靠性定义 国际上通用的可靠性定义为:在规定环境条件下和规定的时间内完成规定功能的能 力。此定义适用于一个系统,也适用于一台设备或一个单元。由于故障出现的随机性,用 数学方式来描述可靠性,常用“概率”来表示。 可靠度[ !( ")]的定义:系统在规定环境条件下和规定时间内完成规定功能的概率。 例如:对 # 个产品进行试验,每经过 !" 的时间间隔检查一次,每次出故障的产品数为 $%,则在 & 时间内的可靠度 !( ")可近似为: [ " ] & ’!" !( ")% &’( !"!# ( # * #!) %(+ $%)’ # (+ * , * -) & ’!" !( ")%( # * " $%)’ # %(+ (+ * , * ,) !( ")的数值范围为[# . +]。 !( ")的值越接近于 +,则表示可靠性越高。如系统有 # 个单元组成(串联方式),各单元的 !( ")分别为 !(+ ")、!(" ")…… !#( "),则整个系统的 ! "( ")% !(+ "). !(" ")… !#( ")。可见,系统越复杂,可靠性越差。 + . 影响系统可靠性的因素 涉及系统可靠性的因素很多。目前,人们认识上的主要误区是把可靠性完全(或基本 上)归结于元器件的可靠性和制造装配的工艺,忽略了系统设计对于可靠性的决定性的作 · /+- · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 ###################################################### 用。在民用电子产品领域,日本的统计资料表明,可靠性问题 !"# 源于设计方面(日本把 元器件的选型、质量级别的确定、元器件的负荷率等部分也归入设计上的原因)。总之,对 系统的设计者而言,需明确建立“可靠性”这个重要概念,把系统的可靠性引为重要的技术 指标,重视可靠性的设计工作,并采取足够的提高可靠性的措施,这样才能使系统和产品 达到稳定、优质的目标。 $ % 衡量系统可靠性的指标及其数学关系 (&)失效率! !的定义为:该种产品在单位时间内的故障数,即: !’ ( ! ) ( " 每一个依然正常工作的样品的失效率为: (& * + * ,) !’(& ) ! -)·( ! ) ( " (& * + * !) 式中:! - 为 # 个总试验 "" 经过 "" 时间以后依然正常工作的样品数。 工程上采用近似式。如果在一定时间间隔( "& * "$)内,试验开始时的正常工作的样 品数为 !. 个,而经过( "& * "$)后出现的故障样品数为 ! 个,则这一批样品中每一个正常 样品的失效率!为: !’ ![) !(- "& * "$)! (& * + * /) 失效率!的数值越小,则表示可靠性越高。!可以作为电子系统和整机的可靠性特 征量,更经常作为元器件和接点等的可靠性特征量。其量纲为[& ) 0]。国际上常用[& ) &"/ 0],称为[ 123],作为!的量纲。 例如,&"" 只美国 45 公司 /,6!""" 系列用于交流电源的金属化薄膜电容器在工作 +""""0 以后,/7 只电容器正常,7 只电容器在此期间有可能出现故障,代入 !$ ’ &"",! ’ 7(, "& * "$)’ +""""0,则有:!’ " % !8·&" * + ) 0 ’ !8[" 123]。 ($)平均无故障工作时间 % &’( % &’( 的定义为:电子系统无故障工作时间的平均值。 对于一批( # 台)电子系统而言: # % &’( ’ " ") + #[ ,] )*& 式中:")———第 ) 个电子系统的无故障工作时间; # ———电子系统的数量。 (& * + * &") 工程上,如一台整机在试验时,总的试验时间为 ",出现了 ! 次故障。出现故障后进 行修复,然后再进行试验(维修的时间不包括在总试验时间 & 内),则 % &’( ’ " + !。 · 8&+ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 ###################################################### ! "#$ 数值越大,则表示该电子系统可靠性越高。 ! "#$ 的参考数据如表 % & ’ & ’ 所示。 表 % & ’ & ’ ! "#$ 的参考数据 电子系统名称 ! "#$(() %)*+ 年集成彩色电视接收机(国际水平) !,--- 间液罗宇宙飞船电子计算机 (, . , / 0)1 %-2 英国天网卫星系统 %--- 美国“泰康”远程导航设备(,- 世纪 +- 年代) %0- 345678 数字频率合成器 %- 1 %-2 以上述美国 9: 公司 )*$+--- 系列用于交流电源的金属化薄膜电容器为例,% ; ’----(,%-- 只受试电容器共出现 0 只有故障,那么对于每只电容器来讲,! "#$ ; %-- % < & ; %,- 1 %-2(。 在此必须明确,不论是失效率!还是平均无故障工作时间 ! "#$,均为衡量设备或 元器件可靠性的“概率”性的指标。切不可误解为对于上述电容器每只可以工作 %,- 万小 时以后才 会 出 现 故 障。具 体 到 某 一 只 电 容 器,也 可 能 一 用 就 坏,更 大 的 可 能 是 工 作 ’----( 以后还很正常。 (=)平均维修时间 ! " " ’ ! " "> 的定义为:系统维修过程中每次修复时间的平均值,即: ( ! " " ’ ; " %) + ![ ,] )*% 式中:"%)———第 ) 次的修复时间; ! ———修复次数。 (% & ’ & %%) 任何设备无论如何可靠,永远存在着维修的问题,所以 ! " " ’ 总是越小越好,因而 实现方便快捷的维修或不停机维修有着重大的价值。 (2)有效度(可用度)- - 的定义为:电子系统使用过程中(尤其在不间断连续使用条件下)可以正常使用的 时间和总时间的比例(通常以百分比来表示)。 - ; ! "#$(+ ! "#$ ? ! " " ’) (% & ’ & %,) - 值越接近于 %--@ ,表示电子系统有效工作的程度越高。 实际上,设备 ! "#$ 受到系统复杂程度、成本等多方面因素的限制,不易达到很高的 数值。尽量缩短 ! " " ’ 也同样可以达到增加 - 的目的。对于高失效率单元,采用快速 · =%* · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 由备份单元代替失效单元的冗余式设计,可以在 ! "#$ 不很高的情况下使 ! " " % 接近 于 !,这样也可以使 & 近于 "!!# 。 ($)可靠度 %( ’) 可靠度 %( ’)是衡量电子系统可靠性的最基本的指标。可从可靠度 %( ’ )的定义中 导出故障概率 $( ’),即: $( ’)% " & %( ’)或 %( ’)% " & $( ’) (" & ’ & "() 可以看出,对于 %( ’ )和 $( ’ )来讲,其值均为时间量 ’ 的函数。极端地讲,’ % ! 时, 任何系统的 %( ’)% ",)(*)% !。在 * % + 时,任何系统的 ,(*)% !,)(*)% "。,(*)和 )(*) 只有在指定的时间范围以内才有具体的意义。在实际使用中常用年可靠度 ( 来表示。 年可靠度 ( 的定义为:电子系统在规定的环境条件下,在 " 年的时间内完成规定功 能的概率。例如 ( % ! - .,就说明系统在一年内有 .!# 的可能不出现故障(也即有 "!# 的 可能会出现故障)。如果在一个地点有 "! 台同类设备,则平均 " 年会有 " 台设备可能需 要进行维修。国际通信卫星系统有关可靠度 %( ’)的参考数据如表 " & ’ & / 所示。 表 " & ’ & / 国际通信卫星系统有关 %( ’)的参考数据 电子系统名称 %( ’)(0 #) 地面站 .. - / 国际通信卫星!号 天线 电源 .( - $ .1 - 2 连续工作 2 个月时 .. - . 国际通信卫星"号转发器电子设备 连续工作 / 午后 供电系统国际水平 /. - ! .. - .$ 依据#、! "#$、%( ’)、$( ’)的定义和基本数学表达式,经数学运算以后,可得出以下 的相互数学关系(运算过程从略): ! "#$ % " 0#或#% " 0 ! "#$, %( ’)% ) &!’ 或 %( ’)% 3 & ’!"#$ % " 0 3’ * !"#$ $( ’)% " & %( " )或 %( ’)% " & $( ’) (" & ’ & "1) 这样,#、! "#$、%( ’)三个指标可以通过上述换算,从一个量算出另两个量的对应数 值。在不同的场合,以上三个指标都可能在衡量电子系统可靠性时交替使用。 · ("4 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 二、提高系统可靠性的途径 ! " 认真从事系统可靠性的设计 电子系统的可靠性模型大体上有三种形式。 (!)串联系统的可靠性模型 串联系统模型如图 ! # $ # %& 所示。串联系统是指它的每一个元件对于系统的正常 工作都是必须的、不可或缺的,任何一个元件的失效都将导致系统工作不正常。这是一种 较常见和简单的系统。 图 ! # $ # %& 串联系统模型 如果系统有 ! 种元件,每种元件的失效率为!(" " ’ ! ( ! ),则串联系统的总失效率 为: !! ’ #!!! ) #%!% ) … #!!! 总的无故障工作时间为:年可靠度为: (! # $ # !*) ! $%&! ’ ! +!! ’ ![+ #!!! ) #%!% ) … #!!!] (! # $ # !$) 例 !:优质的交流参数稳压电源单元的 , -./0 ’ %0 万小时,如果每台铁路信号屏用 !0 只电源单元。则每屏交流电源部分的 ’ $%& ’ ’ $%&0 + !0 ’ % 万小时。相当于年可靠 度 ( ’ 0 " $1* ’ $1 " *2 ,即年故障概率 & ’ ! # ( ’ &* " *) ,也就是每台电源屏每年有 &* " *2 的可能性需要维修。如果一个车站有 !0 台信号屏,则每年有 & ( 1 台交流参数稳 压电源单元有可能出故障。这也和某部门有 !00 台电源单元大都连续工作的故障概率相 仿。 可见,虽然对于每单元交流参数稳压电源,’ $%&0 ’ %0 万小时,已经比其他类型的 交流电源高了许多倍(其他类型电源的 ’ $%& 往往只有数千小时)但处于连续工作条件 下的串联系统模型的信号屏的可靠度并不十分令人满意。 (%)并联系统的可靠性模型 并联系统模型如图 ! # $ # %1 所示。图中 3!、3% 均可单独地实现系统的功能,而且 3!、3% 任何一个单元出现故障,将自动(或手动)和输入、输出端断开,同时接入另一个互 为备份的单元。 · &!4 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $% 并联系统模型 显然,并联系统的任何一个单元的失效均不会影响系统的功能,只有在两个单元均失 效时,系统才不能正常工作。同理,也可以 ! 个单元并联构成一个系统,其数学关系为: "( #)& "(! #)·"($ #)… "!( #) (! " # " !’) 若 "(! #)& "($ #)& … & "!( #)则可靠度为: $( #)& ! " "( #)& ! " "[!( #)]% (! " # " !’) 例 $:优质的交流参数稳压电源单元的 & ’("( & $( 万小时,每台铁路信号屏用 !( 只 电源单元。若每个电源单元有 $ 台互为备份的电源构成并联系统,则每台电源的年可靠 度为 )! & ! ) *’+#( &’(" & ( , -.+。年故障概率 "! & ! " )! & ( , (%/。 所以,每个电源单元($ 台互为备份的电源构成)的年故障率为: "!! &( "!)$ & ! , ’. 0 !( " / 每个电源单元的年可靠度: )!! & ! " "!! & ! "(! " )!)$ & ! " ! , ’. 0 !( " / & ( , --’ & -- , ’* 每台铁路信号屏有 !( 只电源单元,则每台信号屏的年可靠度为: ) &( )!!)!( &(( , --’)!( & ( , -’ & -’1 年故障概率 " & ! " ) & $* 。 若一个车站有 !( 台信号屏,则每年只有 $1 的可能性会进行一次维修。与例 ! 串联 系统相比,故障概率降低了近 !’ 倍。 结论很明确,在每个单元的可靠性受各种限制不可能太高,而又要求系统具有很高的 可靠度的情况下,采用并联系统代替串联系统是提高电子系统可靠性的根本方法。美国 波音 +(+ 飞机的发电机采用 % 台并联系统(其中 / 台备用),核电站的直流供电采用 / 台 并联系统(其中两台备用)都是很好的例子。并联系统的成本将高于串联系统,但为了保 证必要的可靠性,花些代价是必须的,也是值得的。 (/)混合系统可靠性模型 实际工程中,为了在成本和可靠性方面求得平衡,常常使用串联和并联混合系统。也 就是对可靠度较低的单元采用并联系统,可靠度高的单元保持串联系统,模型如图 ! " # " $. 所示。 · /$( · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $% 混合系统模型 混合系统的可靠度为: !( ")& !(! ")·!($ ")·! ’ "($ ")·!(" ") (! " # " $() 如果 ! ! & ! $ & ! ) & ( * ++,! ’ & ( * +,则 ! ’ " $ & ! "(! " ! ’)$,! ’ " $ & ( * ++,! & ! !· ! $·! ’ " $·! ) & ( * +# & +##(, & )- )。 假使 .’ 不用并联系统,则 ! & ( * /0 & /0-(, & !’-)。可见,两者可靠度的差别还 是很明显的,故障率降低了 ’ 倍多。混合系统比串联系统可靠性高,比并联系统简单。 $ * 改善电子系统的使用环境,降低元器件的环境温度 电子系统的可靠性和使用环境如何有着极为密切的关系。元器件的失效率在不同的 使用环境中和其基本失效率差别很大,通常应以环境系数进行修正。美国于 $( 世纪 0( 年代公布了不同元器件的环境系数数值。原有 + 种环境条件,现只列出较常用和有代表 性的 ) 种。 12:良好地面环境。环境引力接近于 (,工程操作和维护良好。 1,:地面固定式的使用环境。装在永久性机架上,有足够的通风冷却。由专业人员 维修,通常在不热的建筑内安装。 34:艉船舱内环境。水面舰船条件,类似于 1,,但要受偶然剧烈的冲击振动。 1 5 :地面移动式和便携式的环境。劣于地面 固 定式 的条件,主要是 冲击振动。通 风 冷却可能受限制,只能进行简易维修。 上述环境条件下的环境系数!6 如表 ! " # " / 所示。 从表 ! " # " / 可以看出,使用环境对元器件的失效率影响极大,15 和 12 相比失效 率要高出 ) 7 !( 倍。环境条件的改善往往受使用场合的限制。在设计和生产中比较容易 做得到的就是重视和尽量加强通风冷却。过高的环境温度对元器件的可靠性非常有害。 对于半导体器件(含各种集成电路和二极管、三极管),例如硅三极管,以 $% & $! & ( * % 设计( $8 为使用功率,$9 为额定功率),环境温度对可靠性的影响如表 ! " # " + 所 示。 · ’$! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 表 ! " # " $ 环境系数!% 元器件类型 &’ 集成电路 ,-. 电位器 !-, 功率塑薄膜电阻嚣 !-, 纸和塑料膜 !-, 电容器 陶瓷 !-, 铝电介 !-, 变压器 !-, 军用 !-, 继电器 下等质量 .-, 开关 ,-2 军用 !-, 按插件 下等质量 !, &( )* &+ 说明 !-, /-, /-, .-, 0-, 1-, 0-, 1-0 !. - , .-, /-, /-, .-, /-, /-, "4 5"6·!% .-, !. - , !. - , 式中:"7 为实际使 用 .-, 0-, 2-, 中的失效率;"6 为 基 .-, 3 !, 本失效率;!% 为环境 /-, ./ 2, !-, !-. 0-, /-, /-, $-, !# !. !# 环境温度 !(8 9) 失效率"(! : !,3 ;) 表 ! " # " 3 环境温度对半导体器件可靠性的影响 ., 0, 0,, .0,, $, !0,,, 可见,加强通风冷却十分有益于提高电子系统的可靠性。国内有些部门要求系统有 很高的可靠性,又明令不许使用风扇进行强迫通风冷却。结果不仅设备成本提高,可靠性 也难以真正保证,人为地造成了许多问题。其实,现在优质 的 风 扇 可 以 保 证 0,,,, < #,,,,; 的使用寿命(相当于连续运行 # 年以上)。更换风扇比其他部件的维修也省力省 时得多。只要在系统设计条件中,规定风扇即使不工作,设备依然可以长期正常运行,那 么加强通风冷却绝对有利于可靠性的提高。 2 - 减小元器件的负荷率是改善失效率的捷径 元器件实际工作中的负荷率和失效率之间存在着直接的关系。因而,元器件的类型、 数值确定以后,应从可靠性的角度来选择元器件必须满足的额定值,如半导体器件的额定 功率、额定电压、额定电流,电容器的额定电压、电阻器的额定功率等。 (!)硅半导体器件 环境温度 ! 8 5 0,9时,"= : "> 对频率的影响如表 ! " # " !. 所示。 · 2.. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 ###################################################### 表 ! " # " !$ !% & !’ 对硅半导体器件失效率的影响 !% & !’ ( ()$ ()* ()+ (), ()# ()- (). !(! & !(/ 0) *( ,( !,( -(( $,(( -((( $(((( -(((( 由表 ! " # " !$ 可知,当 !% & !’ 1 ( ) . 时,失效率比 ( ) $ 时增加了 !((( 倍以上。 ($)电容器 英国曾发表电容器失效率!正比于工作电压的 , 次方的资料,称为“五次方定律”即! ! ", (! " # " $!) 当 " 1 " # $ $ 时,!1!’ & $, 1!’ & *($ 为额定失效率);当 " 1 ( ) . " ’ 1 " ’ & ! ) $, 时,! 1!’(& ! ) $,), 1!’ & * ) (,。 当电容器工作电压降低到额定值的 ,(2 时,失效率可以减小 *$ 倍之多。 (*)碳膜电阻器 环境温度 % 3 1 ,(4 时,美国于 $( 世纪 -( 年代实际使用的军品数据如表 ! " # " !* 所示。 表 ! " # " !* !% & !’ 对碳膜电阻器失效率的影响 !% & !’ ( ()$ ()+ ()# (). !)( !(! & !(/ 0) ( ) $, (), !)$ $), +)( -)( 由表 ! " # " !* 可知,当 !% & !’ 1 ( ) . 时,失效率比 ( ) $ 时增加了 . 倍。 以上数据表明,为了保证可靠性,必须减小元器件的负荷率。例如,美国“民兵’洲际 导弹的电子系统规定元器件的负荷率为 ( ) $,实际使用中的经验数据为:半导体元器件负 荷率应在 ( ) * 左右;电容器负荷率(工作电压和额定电压之比)最好在 ( ) , 左右,一般不要 超过 ( ) .;电阻器、电位器负荷率不超过 ( ) ,。 总之,对各种元器件的负荷率只要有可能,一般应保持在 ( ) * 以下。不得已时,通常 也应小于或等于 ( ) ,。 + ) 简化电路 减少元器件的数量,尽量集成化,认真选用高可靠性的元器件是提高系统可靠性的最 基本思路。电子系统的可靠度 # 1 # !·# $·# *…… # (5 (" # "!)。 电子系统的失效率为: · *$* · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 ###################################################### ! ! !"·!" # !$·!$ # !%·!%…… ! &·!& (!!’) (" ( ) ( $$) 显然,元器件数量越多越不可靠。 假如每个元器件 "# ! ’ * +++,共有 ,’’’ 个元器件,则 " ! ’ * +++,’’’ ! ’ * ’",显然极不 可靠。若元器件数量减到 "-’’ 个,则 " ! ’ * +++"-’’ ! ’ * "+。说明如能做到元器件减少 )./ ,可靠度将增加 "+ 倍。 因而应尽量采用集成化的器件,如一只集成电路可以代替成千上万只半导体三极管 和二极管等器件,从而极大地提高了可靠性。 还应注意到选用高可靠性的元器件和品质档次的重要意义。例如,功能相似的电容 器,云母介质的失效率就要比玻璃或陶瓷介质的低 %’ 倍左右。对于不同品质档次的同类 元器件(如军品和民品,上等质量和下等质量)在同样的功能和条件下,失效率也会相差 % 0 "’ 倍,选用时应慎之又慎。可以说,在保证相同功能和使用环境的条件下,电路越简 化,元器件越少,系统就越可靠。 例如:"’’’12 高品质交流参数稳压电源使用于 34 环境条件(移动,车载,通风不理 想,不便维修),也能保证 $ %&’!$’ 万小时。主要原因就是电路简单,元器件数量少。 整台电源只包括:特种变压器 " 只,基本失效率!" ! %’’ 5 "’ ( + 6 7;金属化薄膜电容器 $ 只,基本失效率!’ ! -%’ 5 "’ ( + 6 7,电容器负荷率为 ’ * -,所以!$ !(-%’ 6 % * ’,)5 "’ ( + 6 7; 焊接点 $’ 个,基本失效率!% ! , * 8 5 "’ ( + 6 7。因而且!" !!" # $!$ # $’!% !(%’’ # ,.. # "".)5 "’ ( + 6 7 ! +,- 5 "’ ( + 6 7。 使用于 34 环境条件,平均"9 ! .,!": !!"·"9 ! %-%$ 5 "’ ( + 6 7。平均无故障工作时 间 $ %&’ ! " 6!": !(" 6 %-%$)5 "’+ 6 7 ! $) 5 "’.7 ! $) 万小时!$’ 万小时。年可靠度 ( ! " 6 ;!":-8)’ ! ’ * +)8 ! +) * 8/ ,故障率 ’ ! " ( ( ! % * %/ 。 长期生产实践的统计数字也证明,该类电源的 $ %&’ 不低于 $’ 万小时。 , * 重视元器件的老化工作,减少系统的早期失效率 元器件、设备、系统的失效率在整个使用寿命中并非是恒定不变的常数,通常存在着 如图 " ( ) ( $) 所示的“浴盆曲线”。 通常早期失效率会比稳定期的失效率高得多。造成失效的原因是元器件制造过程中 的缺陷、装机的差错、不完善的连接点或元器件出厂时漏检的不合格产品混入所致。因而 一定要先使设备运行一个时期,进行老化,使早期失效问题暴露在生产厂老化期间。给用 户提供的是已进 入 稳 定 期 的 可 靠 产 品。 对 于 老 化 的 时 间,日 本 的 民 用 产 品 一 般 不 小 于 -7。而美国宇宙飞船规定每个元器件装上飞船之前老化 ,’7,装上飞船以后又老化 $,’7, 共 %’’7,以淘汰有隐患的元器件,保证工作可靠性。实际工作中,对可靠性要求较高的设 · %$. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $# 失效率与时间的关系曲线 备老化时间确定在 $% & ’%( 较为合适。 稳定期时失效率!近于常数,用作正常使用期。也可根据失效率!来预算设备的其 他可靠性指标。通常,在较好的使用环境中,如果一旦出现故障能得到及时和正确的维 修,则电子系统的稳定期应不短于 # & ) 年。 磨损期设备使用的寿命末期,由于元器件的材料老化变质或设备的氧化腐蚀、机械磨 损、疲劳等原因,失效率!将逐步增加,进入不可靠的使用期。磨损期出现的具体时间受 各种因素影响,很不一致。设计合理、元器件质量选择较严、环境条件不太恶劣的设备磨 损期出现的时间会晚得多。 保证设备的可靠性是一个复杂的、涉及广泛知识领域的系统工程,只有给予充分的重 视和认真采取各种技术措施,才会有满意的成果。其基本点为; "高可靠度的复杂系统,一定要采用并联系统的可靠性模型。系统内保有足够冗余 度的备份单元,可以进行自动或手动切换。如果功能上允许,冷备份单元切换较热备份单 元切换更能保证长期工作的可靠性。 #任何电子系统都不可能 !%%*地可靠。设计中应尽量采用便于离机维修的模块式 结构,并预先保留必要数量(通常为 ’*)的备件,以便尽量缩短平均维修时间 ! " " # ,使 有效度 $ 近于 !%%*。 $加强通风冷却,改善使用环境,是成倍提高可靠性的最简便和最经济的方法。 %简化电路,减少元器件的数量,减轻元器件的负荷率,选用高可靠的元器件,是保证 系统高可靠的基础。 &重视设备老化工作,减少系统早期失效率。 通过精心设计、认真生产、严格质检、及时维修完全可以使电子系统(含电源设备)达 到十分接近于 !%%* 的可靠度,满足国防、科研、工业等各方面的需求。 三、开关电源电气可靠性设计 电子产品特别是开关电源的设计是一个系统工程,不但要考虑电源本身参数设计,还 · +$’ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 要考虑电气设计、电磁兼容设计、热设计、安全性设计、三防设计等方面。因为任何方面哪 怕是最微小的疏忽,都可能导致整个电源的崩溃,所以我们应充分认识到电源产品可靠性 设计的重要性。 ! " 供电方式的选择 集中式供电系统各输出之间的偏差以及由于传输距离的不同而造成的压差降低了供 电质量,而且应用单台电源供电,当电源发生故障时可能导致系统瘫痪。分布式供电系统 供电单元靠近负载,改善了动态响应特性,供电质量好,传输损耗小,效率高,节约能源,可 靠性高,容易组成 ! # ! 冗余供电系统,扩展功率也相对比较容易,所以采用分布式供电 系统可以满足高可靠性设备的要求。 $ " 电路拓扑的选择 开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、 推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关 管的承压在两倍输入电压以上,如果按 %&’ 降额使用,则使开关管不易选型。在推挽和 全桥拓扑中可能出现单向偏磁饱和,使开关管损坏,而半桥电路因为具有自动抗不平衡能 力,所以就不会出现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输 入电压,即使按 %&’ 降额使用,选用开关管也比较容易。在高可靠性工程上一般选用这 两类电路拓扑。 ( " 控制策略的选择 在中小功率的电源中,电流型 )*+ 控制是大量采用的方法,它较电压控制型有如下 优点:逐周期电流限制,比电压型控制更快,不会因过流而使开关管损坏,大大减小过载与 短路的保护;优良的电网电压调整率;迅捷的瞬态响应;环路稳定,易补偿;纹波比电压控 制型小得多。生产实践表明电流控制型的 ,&* 开关电源的输出纹波在 $,-. 左右,远优 于电压控制型。 硬开关技术因开关损耗的限制,开关频率一般在 (,&/01 以下,软开关技术应用谐振 原理,实现开关损耗为零,从而可将开关频率提高到兆赫级水平,这种应用软开关技术的 变换器综合了 )*+ 变换器和谐振变换器两者的优点,接近理想的特性,如低开关损耗、 恒频控制、合适的储能元件尺寸,较宽的控制范围及负载范围,但是此项技术主要应用于 大功率电源,中小功率电源中仍以 )*+ 技术为主。 · ($% · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 元器件的选用 因为元器件直接决定了电源的可靠性,所以元器件的选用非常重要。元器件的失效 主要集中在以下四个方面。 (#)制造质量问题 质量问题造成的失效与工作应力无关。质量不合格的可以通过严格的检验加以剔 除,在工程应用时应选用定点生产厂家的成熟产品,不允许使用没有经过认证的产品。 ($)元器件可靠性问题 元器件可靠性问题,即基本失效率的问题,这是一种随机性质的失效,与质量问题的 区别是元器件的失效率取决于工作应力水平。在一定的应力水平下,元器件的失效率会 大大下降。为剔除不符合使用要求的元器件,包括电参数不合格、密封性能不合格、外观 不合格、稳定性差、早期失效等,应进行筛选试验,这是一种非破坏性试验。通过筛选可使 元器件失效率降低 # % $ 个数量级。电源设备主要元器件的筛选试验一般要求: !电阻在室温下按技术条件进行 #&&’ 测试,剔除不合格品。 "普通电容器在室温下按技术条件进行 #&&’ 测试,剔除不合格品。 #接插件按技术条件抽样检测各种参数。 $半导体器件按以下程序进行筛选:目检、初测、高温储存、高低温冲击、电功率老化, 高温测试、低温测试、常温测试。筛选结束后应计算剔除率: ! ( " # $ ) #&&’ (# * + * $,) 式中:$ ———受试样品总数; " ———被剔除的样品数。 如果 ! 超过标准规定的上限值,则本批元器件全部不准上机,并按有关规定处理。 在符合标准规定时,则将筛选合格的元器件打漆点标注,然后入专用库房供装机使用。 (,)设计问题 首先是恰当地选用合适的元器件: !尽量选用硅半导体器件,少用或不用锗半导体器件。 "多采用集成电路,减少分立器件的数目。 #开关管选用 -./012 能简化驱动电路,减少损耗。 $输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管。 %应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件。禁止选用塑料封装的器件。 &集成电路必须是一类品或者是符合 - 345-5,67#&、- 345/5#87&& 标准 95# 以上质 量等级的军品。 · ,$: · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !设计时尽量少用继电器,确有必要时应选用接触良好的密封继电器。 "原则上不选用电位器,必须保留的应进行固封处理。 #吸收电容器与开关管和输出整流管的距离应当很近,因流过高频电流,故易升沮, 所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。 (!)环境问题 在潮湿和盐雾环境下,铝电解电容会发生外壳腐蚀、容量漂移、漏电流增大等现象,所 以在艉船和潮湿环境中最好不要用铝电解电容。由于受空间粒子轰击时电解质会分解, 所以铝电解电容也不适用于航天电子设备的电源中。 钽电解电容温度和频率特性较好,耐高低温,储存时间长,性能稳定可靠,但钽电解电 容较重,容积比低,不耐反压,高压品种(电压大于 "#$%)较少,价格昂贵。 $ & 降额设计 电子元器件的基本失效率取决于工作应力(包括电、温度、振动、冲击、频率、速度,碰 撞等)。除个别低应力失效的元器件外,其他均表现为工作应力越高,失效率越高的特性。 为了使元器件的失效率降低,在电路设计时要进行降额设计。除可靠性外还需考虑体积、 重量、成本等因素。不同的元器件降额标准亦不同。实践表明,大部分电子元器件的基本 失效率取决于电应力和温度,因而降额也主要是控制这两种应力。以下为开关电源常用 元器件的降额系数: $电阻的功率降额系数在 ’ & " ( ’ & $ 之间; %二极管的功率降额系数在 ’ & ! 以下,反向耐压在 ’ & $ 以下; &发光二极管电压降额系数在 ’ & ) 以下,功率降额系数在 ’ & ) 以下; ’功率开关管电压降额系数在 ’ & ) 以下,电流降额系数在 ’ & $ 以下; (普通铝电解电容和无极性电容的电压降额系数在 ’ & * ( ’ & + 之间; )钽电容的电压降额系数在 ’ & * 以下; !电感和变压器的电流降额系数在 ’ & ) 以下。 ) & 损耗 损耗引起的元器件失效取决于工作时间的长短,与工作应力无关。铝电解电容长期 在高频下工作会使电解液逐渐损失,同时容量亦同步下降。当电解液损失 !’, 时,容量 下降 #’, ;电解液损失 -’, 时,容量下降 !’, ,此时电容器芯子已基本干涸,不能再使 用。 · *#. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 保护电路的设置 为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作,应设置多种保护电路,如防浪涌冲击、过 压,欠压、过载、短路、过热等保护电路。 四、电源设备可靠性热设计 除了电应力之外,温度是影响设备可靠性最重要的因素。电源设备内部的沮升将导 致元器件的失效,当温度超过一定值时,失效率将呈指数规律增加,温度超过极限值时将 导致元器件失效。国外统计资料表明,电子元器件温度每升高 #$,可靠性下降 %&’ ,温 升为 (&$时的寿命只有温升 #($ 时的 % ) *。需要在技术上采取措施限制机箱及元器件 的温升,这就是热设计。热设计的原则,一是减少发热量,即选用更优的控制方式和技术, 如移相控制技术、同步整流技术等,选用低功耗的器件,减少发热器件的数目,加大加粗印 制线的宽度,提高电源的效率。二是加强散热,即利用传导、辐射、对流技术将热量转移, 这包括采用散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水、油),热电致冷、热管等方法。 强迫风冷的散热量比自然冷却大 %& 倍以上,但是要增加风机、风机电源、联锁装置 等,这不仅使设备的成本和复杂性增加,而且使系统的可靠性下降,另外还增加了噪声和 振动,因而在一般情况下应尽量采用自然冷却,而不采用风冷、液冷之类的冷却方式。在 元器件布局时,应将发热器件安放在下风位置或在印制板的上部,散热器采用氧化发黑工 艺处理,以提高辐射率,不允许用黑漆涂覆。喷涂三防漆后会影响散热效果,需要适当加 大裕量。散热器安装器件的平面要求光滑平整,一般在接触面涂上硅脂以提高导热率。 变压器和电感线圈应选用较粗的导线来抑制温升。 % " 热设计 由于电源模块的转换效率不可能是 %&&’ ,因此自身有一定的功耗,电源模块本身发 热的高低主要取决于电源模块的转换效率。在一定外壳散热条件下,电源模块存在一定 的温升(即壳温与环境温度的差异)。电源模块外壳散热表面积的大小直接影响温升。对 于温升的粗略估计可以使用这样的公式:温升 + 热阻系数 , 模块功耗。热阻系数对于涂 黑紫铜的外壳 -#(..(. 用于 /0-1%#(& 系列产品的外壳)来说约为 2 " !*$ ) 3。这里的温 升和系数是在模块直立,并使下方悬空 %45,自然空气流动的情况下测试的。对于温度较 高的地方须将模块降额使用以减小模块的功耗,从而减小温升,保证外壳不超过极限值。 对于功率较大的模块,须加相应的散热器以使模块的温升得到下降。不同的散热器在自 · 2#6 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 然的条件下有不同的对环境的热阻,主要影响散热器热阻的因素是散热器的表面积。同 时考虑到空气的对流,如果使用带有齿的散热器应考虑齿的方向尽量不阻碍空气的自然 对流。例如:当使用的模块输出功率为 !""#、效率为 $%& 时,满载时模块的功耗为 !"" ’ " ( $% ) !"" * %%#,选用附件中的 #+,(- ,-#)散热器,其热阻为 ! ( ./ ’ #,不考虑原外壳 的横向散热,自然散热的沮升为 ! ( . 0 %% * 1%/。 所有的功率转换产品在运转时,由于内部功率消耗都将产生一些热量。在每一应用 中都有必要限制这种“自身发热”,使模块外壳温度不超过指定的最大值。下面介绍 23 ’ 23 转换器外壳升沮的大概过程。 (!)可用的功率密度 绝大多数 23 ’ 23 转换器生产商都以产品的功率密度作为水准,衡量产品的有效性。 功率密度通常由瓦 ’ 立方英寸(# ’ 456)来表示。了解功率密度定义的条件是非常重要的。 如果用户不能在规定的最大的环境温度范围内使用 23 ’ 23 转换器,就有可能达不到参 数中的最大输出功率。23 ’ 23 转换器可用的平均输出功率就是可用的功率密度。在下 面的应用中,可用的功率密度取决于下列因素: !要求的输出功率。要求的输出功率是应用需要的最大平均功率,在多输出 23 ’ 23 转换器中就是各个独立输出的输出功率的总和。 "转换效率。转换效率 7 是指输出功率与输入功率之比( ! * "89: ’ "45)。内部功率 消耗可以从转换效率推导得出( "45:;<5=> * "89(: ! )!)#!)。最具代表性的效率值是在额定 输入电压和满负载输出功率下的值。由于负载的减少或输入电压的变化,效率会发生一 些改变。 (%)热阻抗 热阻抗的定义是功率消耗产生的温升。热阻抗通常用/ ’ # 表示。 (6)外壳最高工作温度 所有 23 ’ 23 转换器都规定了外壳最高工作温度。该温度是指 23 ’ 23 转换器内部 的元件工作时所能承受的最高温度,为保持转换器的可靠性,应工作在最高温度以下。 (1)工作环境温度 工作环境温度指在 23 ’ 23 转换器工作时周围环境的最差的环境温度。 % ( 计算机壳温度 在应用场合中有许多因素都有可能影响外壳工作温度。在应用中,温度的冷却和最 高外壳工作温度都需要经常认真地核对、检查。估算外壳工作温度过程如下: !确定应用所需要的最大输出功率。 · 66" · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !确定应用的最高工作环境温度,应该用 !" # !" 转换器周围最高环境温度。 "确定内部功率消耗( !$% & !’(() * +!)"!)。 #计算所估计的外壳工作温度( # ’,-. & # ,/01.%) 2 !$%)3%,1 4 $ ’’,,$ ’’, & $ ’’- 2 $ ’-,其中 # ’,-.为外壳温度,5,/01.%) 为环境温度,!$%).3%,1 为内部功率消耗,$ ’’,为外壳到环境的 热阻抗,$ ’’-为外壳到散热片的热阻抗,$ ’-,为散热片到环境的热阻抗)。 $在应用中通过测量外壳温度检验热特性。 6 7 降低外壳温度 在一定的工作环境温度和输出负载条件下,在正常的大气环境下(自然对流冷却),外 壳到周围环境的热阻抗可能使外壳工作温度超过特定的最大值。如果确实如此,就需要 降低外壳到周围环境的热阻抗,从而降低外壳工作温度。下面的技术可以用来减少热阻 抗 $ ’’,。 (*)附加散热片 散热片的用途是增大散热片面积,以便将 !" # !" 转换器产生的热量转移到空气中。 这会导致比较小的热阻抗,但会增加 !" # !" 转换器的体积。当使用散热片时,将散热片 在空气中垂直排列会产生最好的效果。如果散热片不是暴露在空气中,热量转移将受到 一定的影响。当给 !" # !" 转换器添加散热片时,应考虑散热片装配表面与 !" # !" 转换 器外壳之间的热阻抗,计算方式如下: $ ’’, & $ ’’- 2 $ ’-, (* + 8 + 9:) 因为 !" # !" 转换器外壳和散热片装配表面不是完全平坦的,所以组装时在两个表 面之间会产生空隙。这些空隙产生热阻抗 $ ’’-,可使用热表面材料将表面热阻抗减少到 最小。使用这种热表面材料,$ ’’-值可以达到 *; # < 以下。 (9)提供气流 气流对于改进散热片状况并减少热阻抗是一种有效的方法。气流可迫使空气冷却, 应用中可使用风扇或吹风机。气流可降低热阻抗,而不用加散热片,从而也不用增加 !" # !" 转换器的体积。在某些应用场合没有气流,但加装风扇也不是最佳选择。因为风扇 会增加系统整体体积,影响系统的平均无故障工作时间( % #&’ ),并产生可以听到的噪 音。气流定义通常采用线性英尺每分钟( (’!% )或立方英尺每分钟( )%’)来表示: )%’ & (’!% 4 *+,* (* + 8 + 9=) (6)增加散热片并提供气流 带有气流的散热片可以极大地减少热阻抗。当使用散热片时,最好使气流平行于散 热片表面流动。对于一个长方形的 !" # !" 转换器,气流顾着转换器的长边吹,而散热片 · 66* · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 平行于其转换器的短边,这样散热效果最好。 五、安全性设计 对于电源而言,安全性历来被确定为最重要的性能之一,不安全的产品不但不能完成 规定的功能,而且还有可能发生严重事故,造成机毁人亡的巨大损失。为保证产品具有相 当高的安全性,必须进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容主要是防止触电和烧 伤。 对于商用设备市场,具有代表性的安全标准有 ! "、#$%、&’( 等,内容因用途而异, 容许泄漏电流在 ) * + , +-% 之间,我国军用标准 ./01234 规定的泄漏电流小于 +-%。电 源设备对地泄漏电流的大小取决于 (56 滤波器电容 !" 的容量。从 (56 滤波器角度出 发,电容 ! 7 的容量越大越好,但从安全性角度出发,电容 ! 7 的容量越小越好,电容 ! 7 的 容量根据安全标准来决定。若电容 ! 8 的安全性能欠佳,电网瞬态尖峰出现时可能被击 穿,它的击穿虽然不危及人身安全,但会使滤波器丧失滤波功能。为了防止误触电,插头 座原则上以产品端(非电源端)为针,电网端(电源端)为孔;电源设备以输入端为针,输出 端为孔。 为了防止烧伤,对 于 可 能 与 人 体 接 触 的 暴 露 部 件( 散 热 器、机 壳 等 ),当 环 境 温 度 为 4+9时,其最高温度不应超过 :)9,面板和手动调节部分的最高温度不超过 +)9。 六、开关电源的三防设计 3 * 三防设计 三防设计是指防潮设计,防盐雾设计和防霉菌设计。在设计时,对于密封有要求的元 器件应采取密封措施;对于不可修复的组合装置,可采用环氧树脂灌封。所用元器件、原 材料的吸湿度应较小,不得使用含有棉、麻、丝等的易霉制品;对密封机箱、机柜应设置防 护网,以防昆虫和啮齿动物进入;直接暴露在大气中装置的外顶部不应采用凹陷结构,避 免积水导致腐蚀;可以选用耐蚀材料,再通过镀、涂或化学处理使电子设备及其零部件的 表面覆盖一层金属或非金属保护膜,隔离周围介质;在结构上采用密封或半密封形式来隔 绝外部不利环境;对印制板及组件表面涂覆专用的三防清漆可以有效地避免导线之间的 电晕、击穿,提高电源的可靠性;电感、变压器应进行浸漆、端封,以防潮气进入引发短路事 故。 · ;;4 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 以上建议只适用于军用电源,对于商用和工业用产品可以在某些方面做出不同的选 择。总之,电源设备可靠性的高低不仅与电气设计有关,而且同元器件、结构、装配、工艺、 加工质量等方面有关。 ! " 可靠性措施探索 可靠性是一切电子设备最基本的指标,对于不问断供电系统来说,一般要求运行几万 小时,因此要特别注意以下几点。 !直接采用全桥整流。通过接入电感进行电流功率补偿,整流器设计要求电压输入 范围宽,一般在 # !$% 范围内。电压变化大的地区要达到 # &$% 。 "开关频率选在 $’()* 左右。由于高频整流管反向恢复较显著,不宜将开关频率选 得过高,否则开关损耗明显增大,使高频整流管工作状态恶化,抗干扰能力降低。 #尽量减少使用机电零件,如继电器、电风扇之类的机电零件。这些零件的正常使用 寿命比电子器件短得多,应尽量减少使用。必须使用时,应采取相应的保护措施以延长寿 命。例如用温度传感器控制降温风扇的工作状态;改进空气散热气流流动方式;改抽风式 散热为直接吹风方式,冷空气经风扇后,再流过散热器,风扇工作环境仅为室温,可延长其 寿命。 $控制部分应采用高性能集成电路。用光电耦合器件等比较娇嫩的器件时,采用双 重设计可提高其可靠性。采用自动、手动转换及调节部件时,不可超过安全范围和产生误 操作。 %加强绝缘。交流输入、输出之间要求耐压为 &’’’+,-。输入对地、输出对地要求耐 压 !’’’+,-。 &接地线要求。要求可靠接地,在出故障时为故障电流提供低阻回流通道。接地电 流小于 & " $.,,接地线截面积大于 /..!。 ’电路板线条间隔和电器件间隙要求。电路板线条间的距离和电器件间隙距离不能 太小,一般粗略地按下面公式计算:间隙 0(工作电压 1 /’’)2 !。 (过流、过压保护。当电流、电压超出设计规定的安全区限时,要有相应的保护措施 把输入电压、输出电压断开。 )超沮保护。高频开关电源工作在不间断状态时,使用环境温度应给予注意,超过规 定温度时,应断电保护。在选择元器件时,应注意其温度极限,选用耐温高的器件。 *防火。对于易引起电弧的元器件要有防火外罩。要采用耐温高的绝缘材料制成的 电缆、电线等。 +,-瞬变电压保护。采用瞬变电压保护器和浪涌电流吸收电路。 · &&& · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !"#抗干扰措施。对于端间干扰,信号线要远离大功率电磁接触器、变压器等载有大电 流的导线。信号线要用绞合线,减少磁通穿过信号线回路的面积,可以减小静电感应和分 布电容引起的干扰。信号线进行等电位屏蔽。对于地线干扰要尽量减小漏电流。元器件 要远离高温部位。选择合适的公共接地点,前后级接地应尽量不要颠倒,接地点要选择在 没有强磁场、强电场的地方。 ! " 电源模块的可靠性 提高 #$ % #$ 变换器的效率,从而改善热性能,提高可靠性及降低成本,一直是电源 设计人员关注的焦点。标准的半砖封装的电源产品可以提供高达 &’( 的电流,标准的 ) % * 砖封装电源产品能够供应 !’( 的电流,效率超过 +’, 。 在性能方面的这个巨大进展之所以能够实现,是因为出现了高性能的金属氧化物半 导体场效应晶体管( - . / 01 2),在同步整流器中用它取代普通设计中使用的二极管整流 器。由于这个重大变化,与前一代的产品相比,可以把高效率 #$ % #$ 变换器的功率密度 增大一倍。 虽然这个进展对产业界有着巨大影响,但还有许多其他因素影响电源模块的可靠性。 现在大多数的仿真与数字集成电路是非常可靠的,大多数设备制造商都使用由相同供货 商提供类似的组件。但现在的高功率密度变换器的可靠性差别很大,这是因为它的设计 很复杂,组件承受过载电压和过载电流的能力和功耗不同。值得注意的是,虽然高效率协 助降低了热功耗,这并不等于说可靠性也相应地提高。为了确保产品具有最好的性能表 现,设计人员必须掌握那些影响电源模块可靠性的因素,包括系统的工作温度、#$ % #$ 变 换器为了达到安全工作温度而采取的内部设计规则、#$ % #$ 组件的技术特性和等级、系 统中的气流及其在电源模块上流动的方向、电源模块的输入电压及负载的要求、系统需要 的供电及温度变化状况。 所有这些因素都影响电源模块的可靠性。系统设计人员可控制的一个最重要因素是 电源模块的温度。 ())高效率电源模块的优点 与标准效率的电源模块相比,高效率电源模块的优点如表 ) 3 & 3 )* 所示。 高效率电源模块有两种:一种是有底板的,一种是没有底板的。有底板产品为设计人 员带来以下的优点和好处,优点如表 ) 3 & 3 )4 所示。 · !!* · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 表 ! " # " !$ 高效率电源模块的优点 高效率的优点 设计人员的好处 消耗的热量较少 系统工作时的温度较低 需要的输入功率较低 组件的温度较低 提高封装密度,占用的电路板面积较少;附近组件的温升上升较少;减 少采用额外散热器的需要 气流较小,需要较少数量的散热风扇或可以在较高温的环境下操作而 不会降低额定值 降低运作成本及可使用较小的 %& ’ (& 前端电路或可自行提供更高的 处理功率 提高整个系统的可靠性 表 ! " # " !) 有底板电源模块的优点 有底板电源模块的优点 设计人员的好处 热阻较小 可以在较高的温度下工作而不会降低额定值 由 *+,-./ 导热 在任何应用情况下,组件听受的电压较少 组件的温度较低 可靠性较高,温度每降 ! 煤炭 !01可靠性便增一倍 可以使用散热器 扩大操作环境的温度范畴,进一步降低热阻(234) (5)电源模块的设计规则 众所周知,大多数电子系统的可靠性都受温度影响。人们通常使用设计规则来比较 故障率的数字。根据设计准则,其中一条设计规则显示组件在 #)1 以上的环境下工作 时,温度每上升 !01,故障率便增加一倍。这个常用的规则是基于以下的假定:用作比较 的产品是用类似的设计和制造原理制作的,而组件是在相近的条件下工作(例如,在指定 的外围环境下,芯片的温度也相同)。实际上,不同的设计条件会对模块的整体性能及可 靠性造成影响。 根据另一个设计规则,如果组件是在其额定最高结温( ! 6789)的 :0; < =0; 下工作, 将享有很高的可靠性。对半导体来说,! 6789通常保证为 > !)01 或 > !:)1。根据这些数 字,半导体器件的结沮应该分别维持在低于 > !501 和 > !?)1 的水平。按照这个设计规 则保持结温处于较低水平,将可大大地提高整个系统的可靠性。 (?)确定热性能 电源制造商通过内部测试为 (& ’ (& 变换器制定了热指针或者降额曲线。这些测试 通常用风洞系统协助进行,以确定在不同对流条件下电源模块的热性能。因 (& ’ (& 变 换器制造商都是按照自己的内部标准进行测试。而这些标准往往受到现有的测试设备、 · ??) · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 测试费用以及许多其他因素所影响。这些变量意味着 !" # !" 变换器的降额曲线会造成 误导,设计人员应当考虑到这些内部测试的结果对设计带来的影响。 风洞有多种不同的形状和尺寸,加上电源模块可以放置在风洞的不同位置,这些都会 影响测试结果。若气流系统庞大,足以让气流在模块的四周流动,这与漏斗式风洞不同。 漏斗式风洞强迫空气直接吹到模块上面。由于大多数的应用并不是采用漏斗式或强迫式 气流,因此非漏斗式测试程序将可得到最稳健的结果。 气流的测量也是很重要的。应利用热线风速表直接测量模块前的气流,以保证流量 的准确度。气流系统利用层流,是比较保守稳健的方法,会获得较佳的测试结果。降额曲 线是根据在最坏的方向进行,确保在任何方向下电源模块操作都不受影响。 在测试过程中,温度稳定的时间越长,测量的结果越准确。基于这个方法,测量结果 足以保证温度的稳定性,虽然实际测试的时间会长一些,而准确性是预备热降额曲线最重 要的一环。为了确保对系统运作及可靠性起着关键作用的组件获得最佳性能,在特殊应 用的系统中要对模块的测试进行个别比较。 确定热性能的另一个方法就是利用发热图像,即使用红外摄影机来测量温度。这对 于确定正确温度非常有效,设计人员必须要深入研究有关模块的方向、气流的类型、稳定 时间有多长等。比较热数据的最佳方法是将不同的模块并排起来作红外扫描(包括不同 方向和测试板)。 可靠性是电源系统设计的一个关键。其中,在比较 !" # !" 变换器的可靠性指针时, 首先要明了这些指针是在什么假定和情况下得到的。可靠性与热性能及工作温度的关系 十分密切。工作温度每上升 $%&,故障率就增大一倍。在典型的系统中,! "#$(无故障 平均时间)的计算是非常有意义的,但由于受到机柜内其他组件所产生热量的影响,电源 模块附近空气的温度一般在 ’’&左右。这就需要在设计中选用的 !" # !" 电源模块必须 能够在温度上升时提供最高效率,消耗最少电能 ( 需要最少的散热,在底板 # 基板中温度 上升的幅度最少。 · **) · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第七章 国外开关电源典型模块及应用 第一节 !"#$%&’( 公司开关电源典型模块及应用 一、! )*+,- !)*+,- 是 !"#$%&’( 公司推出的高效率脉频调制电路。 * . !)/+,- 的主要性能 !)*+,- 采用 0/12*, 封装,管脚排列如图 * 3 4 3 * 所示。 图 * 3 4 3 * !)*+,- 的管脚排列 各管脚的功能如下: ! !# 为输入电源端,该端通常取 *5 6 578 直流电压。 "9! :*、9! :5 分别为输出端 *、输出端 5。 #;<=0、1<=0 分别是信号地与功率地,二者应在输出端汇合。 $>8 为内部 >8 发生器的引出端。 %?@!A: 为保护电路输入端。 &;8BC? 为软启动及基准电压端。 ’ D 、3 、!& 分别为误差放大器的同相输入端、反相输入端、误差电压输出端。 ()&、BE、BF 为压控振荡器的外接阻容元件端。其中,)G 是振荡电容;利用 BE 可定出 · HH4 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 最高振荡频率与最低振荡频率的比值 ! !"#$ % ! !"&’所以称 (# 为振荡频率的量程电阻;(" 则 用以设定 ! !"&’的值。)*、(# 和 (" 应接在相应的引出端与信号地之间。 !+,(- 为零点比较器的零点检测信号输入端。 "(. % ). 为瞬间定时器的外接定时电阻和定时电容的公共端。 / 0 1)2345 的主要特点 #具有脉冲宽度固定而频率可变的脉冲频率调制原理,两个输出端可并联使用。 $采用零电压开关的设计方案,使外部 6-7 开关功率管工作在理想的通、断状态。 %内部有宽频带的压控振荡器(8)-),频率范围一般设定为 9: ; 9::<=>。振荡频率 受反馈的误差电压控制。 &具有完善的保护电路、欠压锁定电路和故障比较器。当输入电压低于 ?8 阀值或 者检测到过压、过流故障时,能将两个输出端拉成低电子,起到保护作用。 ’具有通电时软启动功能,同时当故障排除后能重新启动。 @ 0 1)2345 的工作原理 1)2345 内部主要包括误差放大器、压控振荡器、控制逻辑器、输出级电路、欠压锁定 器、98 电压发生器、故障比较器,故障锁存器、延迟锁存器、零点比较器等,如图 2 A ? A / 所示。 图 2 A ? A / 1)2345 的内部框图 误差放大器的同相输入端接反馈的输出电压 " B,反相输入端接软基准端的 98 基准 电压,由它输出的误差电压 " C 就作为控制电压,用来控制压控振荡频率 ! !。 压控振荡器(8)-)的振荡频率受 " C 控制。设计时,通常先选定 ! !"#$、! !"&’的值,求 出 ! !"#$与 ! !"&’的比值以及中心频率 ! !B的值。频率调制灵敏度为: · @@3 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ ! ! " " # $ % (& # ’ " $ () (& % ) % &) 式中:负号表示 " # 电压升高时,振荡频率降低。 ! !、$ (、# ’ 的单位分别为 *+,、!- 和 *"。 设置零点电压检测及比较电路的目的是要实现真正的零电压开关。零点比较器的参 考电压为 . / 01,信号电压取自主电路开关 234 管漏一源极电压 " 5!。当 " 5!波形的下降 沿通过 . / 01 时,零点比较器就翻转,改变瞬间定时器的状态,进而使输出级关断。 故障比较器、故障锁存器和延迟锁存器构成的保护电路有两种保护方式:软启动和重 新启动。 软启动时间( %&)和重新启动的延迟时间( %6)分别为: %& $ &. % 6 $;%6 $ & / 7 8 &. % 6 $ (& % ) % 6) 式中:$ 的单位为!-,%&、%6 的单位为 !。 9:;<=> 的稳压工作过程可概括为:通电后首先经过软启动阶段建立输出电压 " ?,然 后由误差放大器输出的控制电压 " # 来调制 1:3 的振荡频率 ! !,再经过瞬间定时器、控 制逻辑和输出级驱动外部 234 开关管,最后通过整流滤波电路获得稳定的输出电压 " ?。假若输出电压 " ? 升高,即进行下述闭环调整:" ?!" " #!" ! !#" " ?#,使输出 电压降至稳定值,反之亦然。 二、9 :@<>6 9:@<>6 是一种高性能的固定频率电流型控制器,单端输出,可直接驱动双极型晶体 管和 234-AB,具有管脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等 优点,能通过高频变压器与电网隔离,适用于构成无工频变压器的 6. C 0.D 小功率开关 电源。由于器件设计巧妙,构成电路所需的元件极少,非常符合“适用、够用、好用”的原 则。在一些只有直流电压供电的场合,更是起着不可或缺的作用,有着很好的应用前景。 & / 内部电路 图 & % ) % @ 示出了 9:@<>6 的内部电路框图和引脚图。 9:@<>6 采用固定工作频率 脉宽调制方式,输出电压或负载变化时仅调整导通宽度,共 < 个脚,各脚功能如下:#脚接 内部误差放大器;$脚为反馈电压输入脚,此脚电压与内部 6 / 01 基准电压进行比较,产 生控制电压,从而控制脉冲宽度;%脚接电感电流传感器,当取样电压超过 &1 时,缩小导 通脉宽,使电源处于间隙工作状态;&脚为定时端,外接定时电阻 EB 及定时电容 :B,! $ & / <(" # B 8 $ B);’脚接地;(脚为输出端,内部为图腾柱式,上升、下降时间仅 0.F!,驱动 能力为 G &H;)脚为供电输入,启振后工作电压为 &. C &@1,低于 &.1 时停止工作,功耗 · @@7 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 为 !"#$;!脚接内部基准电压,电压为 "%,电流为 "&#’。 图 ! ( ) ( * +,*-./ 内部电路框图及引脚图 其内部基准电路产生 0 "% 基准电压作为 +,*-./ 内部电源,经衰减得 / 1 "% 电压作 为误差放大器基准,并可作为电路输出 "% 2 "&#’ 的电源。振荡器产生方波振荡,振荡频 率取决于外接定时元件,接在"脚与!脚之间的电阻 34 与接在"脚与地之间的电容 ,4 共同决定了振荡器的振荡频率,! 5 ! 1 -(2 " 4 # 4)。反馈电压由#脚接误差放大器反相 端;$脚外接 3, 网络以改变误差放大器的闭环增益和频率特性;%脚输出驱动开关管的 方波为图腾柱输出;&脚为电流检测端,用于检测开关管的电流,当&脚电压大于或等于 !% 时,+,*-./ 就关闭输出脉冲,保护开关管不致于过流损坏。 +,*-./6$7 控制器设 有欠压锁定电路,其开启阈值为 !8%,关闭阈值为 !&%。正因如此,可有效地防止电路在 阈值电压附近工作时的振荡。 +,*-./ 的最高开关频率可达 "&&9:;。其采用图腾柱输出电路,能够提供大电流输 出,输出电流可达 !’,可直接对双极型晶体管和 7<=>?4 进行驱动。 内部有高稳定度的基准电压源,典型值为 " 1 &%,允许有 @ & 1 !% 的偏差。温度系数为 & 1 /#% 2 A,稳压性能好。其电压调整率可达 & 1 &!B 2 %,能同第二代线性集成稳压器相媲 美。启动电流小于 !#’,正常工作电流为 !"#’。带锁定的 6$7 可以进行逐个脉冲的 电流限制。具有内部可调整的参考电源,可以进行欠压锁定。 / 1 应用电路 图 ! ( ) ( . 为单端反激式隔离开关电源实际电路原理图。由于大功率电源中有 0 /.% 的直流电压,所以本电源的输入电压取为 /.%。)-!" 经一发光二极管抬升电位后启 动 +,*-./ 工作,反馈线圈 C/ 的电压整流后经取样电阻分压回送到 +,*-./ 的误差放大 器反向端来调整驱动脉冲宽度,从而改变输出电压。根据实际给定的定时元件的数值, · *.& · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !"#$%& 的工作频率为 ’(( ) *+,-。.% 的值为 / ) 0!,为电流检测电阻,其上的检测信号经 低通滤波器后与斜率补偿信号相加送到 !"#$%& 的"脚,当开关管流过的电流超过 &1 时,!"#$%& 关断,从而保护了开关管不致损坏。采用斜率补偿后,电路在任何占空比条 件下也变得稳定。与开关管并联的电容 "% 用以消除开关管的尖峰电压。变压器采用印 刷电路板变压器,不需要人工绕线,简化了变压器的制作过程,同时使整个电源的体积减 小,使线圈之间完全耦合,并能根据需要很方便地增加或减少输出的组数。变压器变比为 ’,原边线圈和副边线圈成对叠放(为耦合得更好),再加上一组反馈线圈,由此来保证输出 多组隔离的 &%2 稳定电压。 图 ’ 3 * 3 % 单端反激式开关电源实际电路原理图 三、!""&$/& 4 #$/& !""&$/& 4 #$/& 是 !56789:; 继 !"#$%& 之后生产的一种高速、低损耗、高性能的电流 型 <=> 控制器,其引脚方式与 !"#$%& 类似。与 !"#$%& 不同的是采用 ?@A">BC 集成 技术,极大地降低了工作损耗,工作频率也从 0//+,- 提升到 ’>,-。由于采用了较先进 的技术,较 !"#$%& 来说,有些外围元器件不再需要,如图 ’ 3 * 3 0 虚线框内所示的元器 件。 注:当用 !""#$/& 代替 !"#$%& 时,虚线框内为可省略的元器件。 ’ ) !""#$/& 各管脚的功能 #脚为误差放大器输出端,用于补偿或电压反馈信号直接接入。此 @" 已集成了软启 · #%’ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $ %&&’()* 原理框图 动电路,图 ! " # " $ 中左侧虚线框内两电阻和三极管可省略。 !脚为 电 压 反 馈 信 号 输 入 端。与 %&’(+* 所 不 同 的 是 该 误 差 放 大 器 的 频 宽 为 *,-.,而 %&’(+* 为 !,-.。 "脚为电流信号输入端。与 %&’(+* 所不同的是该 /& 内有 !))01 前沿屏蔽功能,所 以 2& 滤波器不再需要,另外内部还多了一个过电流比较器,在过电流状态时能迅速切断 #脚的输出。%&&’()* 的电流放大器增益为 ! 3 4$5 6 5,%&’(+* 电流放大器增益为 ’5 6 5。 $脚为 27 6 &7 端。 %&&’()* 的振荡频率 ! 8 ! 3 $(6 " 7 # 7),建议 " 7 的范围取 !) 9 *)):%,# 7 的范围取 !)) 9 !)));<。 &脚为接地端。 #脚为脉冲输出端。与 %&’(+* 所不同的是采用 &,=> 作为功率放大器,而不是用 双极型三极管,所以在理想情况下不应有过冲和下冲,不再需要肖特基二极管并接在该端 与地端之间,也不需要栅极泄放电阻。 ’脚为电源输入端。与 %&’(+* 不同,因采用 &,=> 结构,输入电压不能太高,最高 被限制在 !’ 3 $5,这与 %&’(+* 里限制在 ’+5 不同。另外,启动电压是 !* 3 $5,关闭电压 是 ( 3 +5。 (脚为参考电压输出端。精度为 ? !@ ,而 %&’(+* 为 ? *@ 。带载能力比 %&’(+* 差,最多为 $AB。 * 3 应用电路 图 ! " # " 4 为该电路原理的应用。5 7* 是由 ,CDCECFG 生产的 $ H1E为 !))5、" H(1 C0)为 ) 3 *$%、IJBK 封装的场效应管。5 7’ 是由 2CLA 生产的 >=7M(N 封装的三极管,O! 的电 · ’+* · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 感量为 ! " #!$ % &’( 。)*、)&’、)&& 是贴片陶瓷电容。如果在输入电压范围、负载范围 内某一点发生振荡,可调整 +&,、)&-、+!、)& 的值来消除它。本例选用的工作频率是 ./’0$1。选用的磁芯型号是 2345467 的 89:&/;-9-;<,根据电感系数自己开出适当气隙。 该电路提高了工作频率,减小了体积,降低了成本,效率却没有降低。经过简单的电路改 变,可设计出 - " -= > ?@、/= > ?@、隔离和非隔离 :) > :) 变换器。 图 & A . A , :) > :)(#’= B ,’= > /=、,@)电路原理 四、C )-*’# 在直流模块并联方案中,自主均流法以其优越的性能而得到广泛的应用。 C)-*’# 芯片的问世,加速了这一技术的推广,并已成功地应用于电力操作电源。 直流模块并联的方案很多,但用于电力操作电源却存在着一些缺陷。如输出阻抗法 的均流精度太低;主从设置法和平均电流法都无法实现冗余技术,使并联电源模块系统的 可靠性得不到很好的保证;而自主均流法依据特有的性能,如“均流精度高,动态响应好, 可以实现冗余技术等”,越来越受到广大产品开发人员的青睐。 针对自主均流法的特点,C) 公司开发出了集成芯片 C)-*’#,其外形为 ? 个管脚。 电流最大的模块被自动确定为主模块,主模块驱使均流母线电压与它的输出电流成比例。 从模块以均流母线电压为基准,达到每个模块均分电流的目的。 & " C)-*’# 内部框图介绍 C)-*’# 集成芯片通过精确地调整变换器的输出电压以匹配所有的输出电流。另 · -!- · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 外,此芯片有一个独特的有利条件是它使用了差模均载母线,这种结构大大增强了系统对 噪音的抑制能力。图 ! " # " # 是它的内部框图,由以下几个部分组成:检测电流放大器、 均流驱动和均流检测放大器、跨导式误差放大器、缓冲级调整放大器及辅助工作电路(用 以提供内部偏置和芯片内部的参考)。 图 ! " # " # $%&’() 内部框图 电流检测放大器的增益为 *(+,。电流检测放大器的输出与电源模块的输出电流成 正比,且作为输入信号提供给均流驱动放大器的正向输入端和误差放大器的反向输入端。 因为均流驱动放大器为单位增益,所以均流驱动放大器的输出电压等于电流检测放大器 的输出电压。假如这个电压在所有模块中属于最高电位,那么这个模块称为主模块,主模 块均流驱动放大器的输出决定了均流母线的电压。比均流母线电压低的模块称为从模 块,从模块控制器的均流驱动放大器的输出是不与均流母线相通的,这是因为被串联在均 流驱动放大器输出端的二极管隔离了。 均流检测放大器检测差模均流母线上的电压,并把输出信号作为误差放大器的正向 输入端,跟均流驱动放大器一样,增益也为 !+,。因此均流检测放大器的输出电压与主模 块的输出电流相对应,也就是和均流母线上的电压相对应。 $%&’() 的误差放大器应用了跨导放大。如果把反馈网络连接在误差放大器的反向 输入端与输出端,那么所代表的输出电流是不准确的。而跨导放大器把反馈网络连接在 误差放大器的输出与地线之间,这样把电流信号的可靠性放在误差放大器的反向输入端, 提高了放大器输出电流的可靠性。同时,跨导放大器需要一高的输入与输出阻抗,用电流 源输出阻抗代替电压源输出阻抗,相应的跨导被定义为 - . /,乘以带有补偿网络阻抗的 跨导 01,就转化为 / . /。 误差放大器稳定状态的输出电压是电流检测放大器的输出和均流检测放大器输出的 电压差的函数,当工作在主模块状态时电压差为零。为确保误差放大器正确的工作状态, · &** · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 有 !"#$ 的偏置串联在它的反向输入端。这种人为的补偿是为了增加主、从模块之间转 换的裕度,同时将确保工作在主模块状态的误差放大器输出为零,但所有的从模块产生非 零的误差电压是与各个电源模块电流检测放大器的输出和均流母线电位之差成比例的。 误差放大器的输出电压是用来调整变换器模块的输出电压,以平衡所有并联模块的 负载电流,这是通过一调整放大器和缓冲三极管 %&% 来实现的。调整放大器输出的误 差信号去驱动 %&% 三极管,一个电阻连接在三极管的发射极和地之间,误差信号定义为 ! ’(),它流经 ’() 管脚与正的输出端之间的电阻 *’(),就是通过 ! ’()改变 *’()上的电压来 调节模块的输出电压,从而实现模块间的均流。 + , -./01"+ 外围电路的设计 -./0"+ 的外围电路如图 2 3 4 3 5 所示。此芯片只需要很少的外部元器件。在这些 元器件的值被计算之前,模块变换器中的三个参数必须知道: ! " 1%16,即额定输出电压; " ! 1#78,即最大输出电流; #$" 1#78,最大输出电压调节范围。 图 2 3 4 3 5 -./0"+ 外围电路图 模块之间为了精确均流,每个模块的输出电流必须被检测。电流检测电阻 *9:%9:,检 测一负信号输入到电流检测放大器反向端。对检测电阻的选择基于以下两个因素:!最 大功耗;"通过检测电阻的最大压降。功耗受效率、器件的额定功率的限制。最大压降必 须与芯片内部对信号的限制相对应,很重要的一点是防止电流检测放大器的饱和,放大器 输出的最高电压 " 9’1是 " ;;的函数,根据芯片提供的资料和实际调试的经验,取 ! 3 2"$ 为宜,相应可得: " 1#78 < " .9’1 # .9’ 式中:电流检测放大器的增益 # .9’ < ="。 (2 3 4 3 /) · /=! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" ! !"#!$ % " !"#!$&’( # )&’( (* + , + -) # ./0&’(根据经验应工作在 1 2 *3&. 之间,因为较低一点的值可能引起系统对噪音的 敏感,但不能超过 *3&.。它的实际电流由 ./04 管脚上可能的最高电压(5 6 78)和连接 在 ./04 管脚与地之间的电阻 49 来决定,这样: !9 % 567 # ./0&’( (* + , + 1) ! ./0是电源检测正端的阻抗,它的值是 !" )&’(与 # ./0&’(的函数,又由于检测电阻降低了 输出电压的调整范围,所以: ! ./0 % !" )&’( + # )&’(·! # ./0&’( !"#!$ (* + , + 7) 所有并联单元的均流环是负反馈控制环,为了可靠地工作,负反馈控制环必须服从稳 定性原则。均流环加在已存在的单个模块电源上,所以必须避免各控制环之间的干扰。 为了保证电压环的稳定性,均流环的交越频率至少低于电压环交越频率的 *3 倍,这样均 流环在电压环交越频率处被最小化。可以用以下的传递函数对网络进行分析。 $ :;4:电压环的传递函数。 $ 8)! " <=:这个增益术语描述的是输出电压和检测电阻上的电压之间的关系,它随 着负载阻抗的变化而变化。 $ 8)! " )./ $ "!.:电流检测放大器增益,大小为 -3。 $ !?.:均流驱动和均流检测放大器增益。 $ $.:误差放大器的增益。 $ $. % % @ A & ")@: 式中:% @ 为跨导,& ")@:为复频函数补偿器件的阻抗。 $ ./0调节电路增益为: $ ./0 % ! ./0·! " !" !9 所以均流环增益为: (* + , + ,) (* + , + B) (* + , + C) .!? % .:;4.8)! DE!."!..!?..$.../0 (* + , + *3) · F-7 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 五、! "#$%& ’ ( !"#$%& 的工作原理及性能 !"#$%& 管脚排列如图 ’ ) * ) + 所示,其管脚功能如下: 图 ’ ) * ) + !"#+,% 管脚排列图 !脚( - . /):误放大器反相输入端; "脚( . -):误差放大器同相输入端; #脚(0 1 23! 4):误差放大器输出端; $脚("56 1 507):时钟 1 上升沿封锁; %脚(8 4):振荡器定时电阻; &脚(" 4):振荡器定时电容; ’脚(82 9 :):斜坡输入; (脚(;;):软启动; )脚( - 5 5 9 ):限流; *脚( < . =):信号地; *脚(3! 42):输出 2; *脚( :< . =):功率地; *脚( />):输出级电压; *脚(3! 47):输出 7; *脚( /""):电源电压; *脚( / .8/ ):基准电压。 !"#$%& 内部电路主要由高频振荡器、:?9 比较器、限流比较器、过流比较器、基准 · #@* · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 电压源、故障锁存器、软启动电路、欠压锁定器、!"# 锁存器、输出驱动器等组成。其工 作频率可达 $#%&,最大驱动电流峰值高达 $ ’ (),可用作电压或电流型 !"# 控制器。 * ’ 主电路工作原理 ($)主电路结构框图 $#%& + $,," 功率信号源主电路框图如图 $ - . - $, 所示。 /012*( 输出驱动脉冲 3/ 4)、3/ 45 直接驱动功率 #36784 开关管 6$、6*,6$、6* 轮流导通,经变压器 4 推挽 输出,再经 9、0 滤波输出一正弦波到负载 :; 上。由于电路工作在 $#%& 的频率,所需滤 波电感、电容都很小。 图 $ - . - $, #%& + $,," 功率信号源主电路图 (*)工作时序波形图 工作时序波形如图 $ - . - $$ 所示。 · 1<2 · 图 $ - . - $$ 工作时序波形图 www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 实验参数与实验结果 (#)实验参数 电源电压:$% &’(; 工作频率:# ) *+; 控制芯片:, %!-./ 0; 控制方式:电压型 12) 控制方式; 开关器件:.34#5&#; 变压器磁芯:66.-; 初级:#’ 匝; 次级:!’ 匝; 负载(电阻):/’!。 (.)实验结果 负载输出电压波形:正弦波; 电压频率:# ) *+; 电压幅度:#’’(; 输出功率:#’’2。 用推挽式开关逆变电路实现 #)*+ 7 #’’2 功率信号源,由于电路工作频率高,滤波元 件参数小,波形质量好,所需的变压器体积也小,调整容易,实现了功率信号源的高频小型 化。当然,这是实验电路,还要进一步完善。 实验中,在功率 )8396: 漏、源极间加 ;% 缓冲电路即可,且功率开关管不需散热 器,由此可见该电路的效率较高。但是由于 ,%!-./ 是电流型 12) 控制芯片,容易发 热,需要适当调整驱动电阻 ;%。经实验,;% 选为 #/!较好。 六、, %!-&< ,%!-&< 是峰值电流模式控制的芯片,其内部结构如图 # = > = #. 所示。电流模式控 制的优点是:电感电流的上升坡度为 ! ?@ 7 ! A,所以电感电流的波形对电网电压的变化能 迅速响应,避免了响应延时和增益随输入电压的变化而变化;误差放大器用来控制输出电 流而不是输出电压,所以电感可以看作误差电压控制的电流源,输出滤波电路可以简化为 单极点电路(输出电容并联负载电阻),这就使补偿电路简化,并且比电压模式控制具有更 大的增益带宽;误差放大器的输出钳位达到逐脉冲电流限制的目的;电源模块并联时均流 · !&5 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 容易实现。 图 ! " # " !$ %&’()* 结构图 电压模式控制的所有显著缺点都被电流模式控制克服了,所以电流模式控制得到了 越来越普遍的关 注 和 应 用。 但 在 应 用 电 流 模 式 控 制 时 也 要 注 意 以 下 问 题:占 空 比 大 于 +, - 时,控制回路不稳定,这时需加斜坡补偿;控制调节电路是基于从电感电流取得的信 号,因此功率部分的振荡容易将噪声引入控制电路。 %&’()* 通过用一个放大倍数固定为 ’ 的差动电流检测放大器(其输入小于 ! . $/)来 获得电感电流或开关电流信号,该电流检测放大器即使在低检测电压时也能保持高噪声 抑制。012 比较器的另一端接电压误差放大器,电压误差放大器的输出作为给定信号, 电压误差放大器的输出同时被限流调整端(脚!)钳位在 / 脚(! 3 , . #/),从而完成了逐 脉冲限流的目的。当差动电流检测放大器检测的是开关电流而不是电感电流时,由于开 关管寄生电容放电,检测电流会有一个较大的尖峰前沿,可能使电流检测锁存和 012 电 路误动作,所以我们在电流检测输入端加 4& 滤波。 %&’()* 在晶振信号通道上全部采用了 505 的晶体管取代开关速度慢的 050 的晶 体管,所以即使在 !267 的工作频率上也有很好的温度稳定性和波形。 为了减小噪声对晶振的影响,&8 应选择大于 !,,,9: 的电容,本设计选择了 ),,,9: 的晶振电容,#;"的晶振电阻(工作频率为 (,;67)。对于主电路拓扑为全桥电路的情况, 为了防止开关管的全导通,要设定开关管都关断的“死区时间”“,死区时间”由晶振的下降 沿决定。 %&’()* 的软启动和关断信号也是连到限流调节端 ! 脚的。当 ! 脚 的 电 位 低 于 , . +/ 时无脉宽输出,我们在 ! 脚连电容到地,开机后随着电容的充电,电容电压高于 , . +/ 时有脉宽输出,并随着电容电压的升高脉冲逐渐变宽,完成软启动功能。当外部有 “关断”信号到#$%脚时(一个高于 ’+, ? @ .=>、“2”表示 - ,=> ? @ (:>、“A”表示 - )=> ? @ (:>、“ /”表示 - ::> ? @ !,:>。 第三个字符表示该芯片的封装形式。“&”表示 +=B,,=;“8”表示侧面嵌铜陶瓷封装; “$”表示陶瓷扁平封装“;C”表示 +=B**“;D”表示陶瓷双列直插封装“;E”表示 +=B’“;3”表 示无引线陶瓷封“; /”表示塑料扁平封装“; F”表示窄型塑料双烈直插封装;“ G”表示塑料 双列直插“;H”表示 +=B:,;“ +”表示 +=B:、+=B.(、+=B99、+=B!==;“ %”表示 +=B.,、+=B!(; +=B.!“;I”表示 +=B’9“;J”表示 +=B9,。 第四个字符表示引脚数目。“0”表示 ( 脚;“<”表示 != 脚;“&”表示 !, 脚;“8”表示 · ’:, · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !" 脚“;#”表示 !$ 脚“;%”表示 !& 脚“;’”表示 () 脚“;*”表示 (( 脚“;+”表示 (" 脚“;,”表 示 (& 脚“;-”表示 .( 脚“;/”表示 ") 脚“;0”表示 "& 脚。 如果后缀只有 . 个字符,这 . 个字符分别表示芯片的工作温度、封装形式和引脚数 目,且每个字符的定义如上所述。 012,0 公司生产的开关稳压器可分为升压式、降压式和反向式三种。每一种根据 其控制原理又可分为 ’30 控制和 ’*0 控制。其具体分类如表 ! 4 5 4 ! 所示。 表 ! 4 5 4 ! 012,0 公司开关稳压器分类 升压式 降压式 反向式 ’30 0125.! 0125.( 0125.. 0125." 01257! 01257( ’*0 012"!6. 012$.) 012$.! 012$.! 012$.( 012$.. 012$"! 012$"( 012$". 012$7" 012$77 012$7$ 012$75 012$7& 012$76 ’30 0125(" 0125($ 0125(5 0125(& 0125(6 0125.) 0125.& 0125"5 01257) 01257& 0128)5" 0128)5$ ’*0 012$.& 012$.6 ’30 0125.7 0125.5 0125.6 012577 012576 ’*0 012".6! 012$." 012$.7 012$.$ 012$.5 012$.5 012$7) 0125"6 以 ’30 方式工作的芯片内部振荡频率是固定的,因而比较容易滤波;而以 ’*0 方 式工作的芯片内部振荡频率是变化的,因而其滤波较 ’30 方式困难。在要求输出功率 较大,而输出噪声低的场合,可采用 ’30 方式控制。在输出功率要求低(73),静态功耗 较低的场合,可采用 ’*0 方式控制。 衡量输出电压精度的高低可分为以下两个方面:一个是初始精度;另一个是工作精 度,它将受工作温度和时间的影响。输出电压的精度是一个重要的参数,它将决定静态偏 置的稳定性和基准电压的稳定性。有时,还需考虑稳压电路的动态特性,因为坏的传输将 使输出电压出现一个过冲。输出噪声的大小重要取决于滤波元件的性能。通常,输入、输 出滤波器应选用高质量的瓷片电容和低 #9: 的电解电容来降低噪声,普通的滤波电容将 使输出波纹增大。对于升压式 ’30 稳压器,波纹电压主要来源于以下几个方面。 !滤波电容串联等效电阻的影响。由于滤波电容不是理想的电容,它可以等效为一 个电阻和一个电容相串联。这个电阻就是电容的串联等效内阻 #9:。通过电感的开关 电流将在这个电阻上形成一电压降,开关电流不同,电压降也就不一样,因而引起输出电 压发生变化。当滤波电容值在一定范围内时,单独增加电容值将不能有效地抑制波纹,而 需要降低电容的串联等效内阻,可选用高质量的钽电解电容作为滤波电容。为了降低成 · .7. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 本,也可以采用高频瓷片电容与电解电容并联来代替钽电解电容。 !滤波电容的分布电感、地线干扰和电磁干扰也将影响输出电压波纹的大小。 "滤波电容对负载电阻反向放电的大小也影响输出波纹的大小。 转换效率是输出功率与输入功率之比,在以电池供电的设备中,对转换效率的要求是 比较严格的,这里所介绍的开关稳压器的效率是比较高的,有的甚至可达 !"# 以上。 $%&’$ 公司的开关稳压器的稳压范围是很宽的,其输入电压范围相当大。例如, $%&()* 的输入电压范围为 * + , - *(.,输入电压最大值与最小值之比大于 , / *。为了减 小体积,$%&’$ 公司推荐使用贴面元件(0$1)作为开关稳压器的外围元件。这样可使 得整个电路具有小巧、高效的优越性能。 $%&’$ 公司的开关稳压器有三种主要工作电路,即升压式、降压式和升降压式。如 果输出电压值大于输入电压,则为升压式开关稳压器;反之,如果输出电压小于输入电压, 则为降压式开关稳压器;如果输出电压可以高于输入电压,也可以低于输入电压,则为升 降压式开关稳压器。由控制部分产生开关脉冲,开关脉冲的频率或脉宽受控制部分的控 制。开关脉冲控制开关管 0* 导通或截止。导通期间,流过电感的电流逐渐增大,把电能 转化为磁能;截止期间,电感反向放电,对输出滤波电容充电,把磁能转化为电能。根据电 池、开关管、电感、负载之间的不同接法,形成了升压式、降压式和升降压式工作电路。在 这里,我们对 $%&’$ 公司近年来生产的近 "2 种开关稳压电路中有代表性的几种电路进 行重点介绍。 一、$ %&*()3 4 $ %&5()6 $%&*()3 4 $%&5()6 是 $%&’$ 公 司 推 出 的 新 颖 电 源 器 件。由 于 采 用 78$ 和 79$ 技术,所以具有功耗低、效率高的特点。利用它能方便地组成各种实用的升压变换 器,因此该芯片是各种小型电子设备和 手 持 式 电 脑 首 选 的 电 源 器 件。低 输 入 电 压 是 $%&5()3 4 $%&5()6 的重要特点之一,它能简化激励电源的设计和减小芯片的体积,从 而为微型设备和掌上电脑提供小型电源。 * + 引脚功能和工作原理 (*)引脚功能 升压型直流电压变换器 $%&*()3 4 $%&*()6 系列的电路和性能基本相似,仅输出和 引脚排列略有不同,现以 $%&*()3 为例进行说明。 $%&*()3 引脚排列如图 * : ; : *" 所示。引脚功能如下: · 6") · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " !$ %&’!()* 的引脚图 +&, ,(!脚):芯片输入电压引脚。 -.(/ "脚);电源故障输入引脚。当该引脚电压低于 (!)01 时,则 -.2 为吸电流。 -.2(#脚):电源故障输出引脚。当 1-./ 3 (!)01 时,则 -.2 为吸电流。 4567($脚):停机输入引脚,低电平有效。正常工作时,该引脚与 +&, , 相连。 .+(%脚):反馈输入引脚。实际应用电路中,采用固定输出方式时,该脚直接接地; 在可调输出方式时,该脚连接在输出和地的分压电阻之间。 8 7 6(&脚):地线。 9’(’脚):片内 7 沟道 %24.:, 开关漏极和 - 沟道同步整流器漏极引脚。 2; ,((脚):输出引脚。 (*)升压变换器的原理 %&’!()* 的内 部 框 图 如 图 ! " # " !( 所 示。该 芯 片 主 要 由 误 差 比 较 器、7 沟 道 %24.:, 功率开关管( ! 内 < !))、同步整流器、振荡器、参考电压源、-.% 控制电路等组 成。 图 ! " # " !( %&’!()* 内部框图 当片内误差比较器检测到外部输出电压太低时,比较器输出使片内 7 沟道 %24.:, 功率管导通,并使输入电压提供的电流流向存储电感。由于电感中的电流不能突变,所以 通过电感的电流只能线性增长。此时电感将以磁场形式存储能量,并以感应电势阻止电 流增长。 · =$$ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 当 !"#$%& 功率管截止时,即突然切断存储电感中的电流,磁场消失。但是由于电 感中的电流不能突变,这时势必产生一个反自感应电动势,以阻止电流减小,这样存储在 电感中的能量通过输出波电容和负载构成回路,继续向负载供电并向电容充电,从而迫使 输出电压上升,以补偿输出电压原来下降的电压,达到稳定输出电压的目的。 ’ ( 实际应用 !)*+,-’ . !)*+,-/ 01 . 01 变换器的应用电路较多,现就 !)*+,-’ . !)*+,-/ 构 成的标准升压电路和可调升压电路进行介绍。 (+)标准升压电路 利用芯片 !)*+,-’ . !)*+,-/ 和少量外围器件可组成固定输出的 01 . 01 变换器, 其电路如图 + 2 3 2 +3 和图 + 2 3 2 +4 所示。这两种电路基本相似,仅是个别引脚有些区 别,它们都能把 5 ( 44 6 + ( ,7 的输入电压变换为 / ( /7 输出。为了提高输入电压和输出电 压的质量,分别在其端点设置电容滤波器。这些滤波器电容均采用 ’’!$ 和 5 ( +!$ 电容 并联使用,这样效果更佳。 图 + 2 3 2 +3 普通升压电路 图 + 2 3 2 +4 标准升压电路 电路中的电感可使用 +55!8、峰值电流为 /95:)、直流电阻小于 +"的电感器。 (’)输出电压可调电路 由单块集成电路 !)*;,-’ 和部分外围元件可组成可调输出的 01 . 01 变换器,其电 · /9, · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 路如图 ! " # " !$ 所示。该电路是一种升压可调电路,它能把 % & ’’ ( ! & )* 输入的直流电 压变换成 + ( , & +* 输出的直流电压。在应用时,只要改变输出端的反馈电阻值(-! 和 -+)就能方便地获得多种输出直流电压(+ ( , & +*)。 图 ! " # " !$ 输出电压可调的 ./ 0 ./ 变换器 1 & 应用中问题分析 为了能正确使用并取得良好的效果,必须对使用中的问题作些分析。 (!)装配中的问题 为了减小噪声和纹波,应按以下规定进行装配: !如果采用双面印刷板,./ 0 ./ 变换器和数字电路必须放在印刷板的正面,且远离 敏感的射频源和输入级; "功率元件( 电 感 器、输 入 和 输 出 滤 波 电 容 )应 尽 量 靠 近,连 线 应 遵 守 短、直 接 和 宽 (! & +,22)的原则; #输出( !" # )引脚直接旁路到地,并尽可能靠近芯片,长度必须在 ,22 之内; $外接反馈网络要尽量靠近 34 引脚,其长度必须在 ,22 之内; %56 引脚必须远离电压反馈网络,并用接地的钢皮分开; &推荐使用低值 78- 的滤波电容; ’建议使用闭口铁芯的电感器,这样能使磁场干扰达到最小。 (+)推荐参数 在应用时,必须使用推荐参数,严禁使用极限参数,否则要影响芯片性能或损坏器件。 9:6!);+ 0 9:6<);1 的推荐参数如下: !最小工作作输入电压:% & #*; "最大工作输入电压:! & ),*; #启动电压:% & ’’*; $=3> 触发电压:)!;2*; %=3> 输入电流:!%?:; · 1,# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!"# # $% 触发电压:& ’ (); "* 沟道 +%,-.# 导通电阻:&#; $/ 沟道 +%,-.# 导通电阻:& ’ 0#。 二、+ "10((2 & ’ +"10((2 的主要特性 +"10((2 是 +"13+ 公司新推出的灵活的高压 /4+ 开关电源控制器,该芯片可用 于设计隔离或非隔离的高电压反激或正激模式的 56 7 56 转换器,主要特性如下: %内置可关断的高压启动电路,轻载时效率高,系统热耗散小,允许输入电压范围为 && 8 &&(),可直接工作于高压下; &设计灵活简单,可根据需要设置电流限制、最大占空比、振荡频率、欠压锁存和软启 动等; ’具有外同步工作模式; (精密的内部基准可保证在全温范围内精度达 9 : ’ 0;; )电源电流仅为 : ’ :<"; !具有电流限制的电压控制模式,易于补偿,输入瞬态响应和噪声抑制好; "具有可编程开关电流限制功能,便于选用外接低成本功率 +%,-.#; $可选择自由运行或外部同步两种方式,工作频率可调节至 2((=>?,外接磁性元件 和电容体积小,能简化整体设计; *具有软启动、欠压锁定,开关频率、最大占空比和过流保护阈值,可借助于外部较少 的元件进行编程设置; +采用输入前馈结构,具有快速输入瞬态响应; ,-.具有 9 : ’ 0; 精度的精密内部电压基准,电压精确并稳定; ,-/封 装 小 巧,占 用 线 路 板 空 间 小,采 用 @,%/ 封 装,比 ,%A&B 封 装 的 同 类 芯 片 小 B2 ; 。 +"10((2 在启动时,其外接高压经过内置的高压启动 -.# 晶体管和一个预置输出 的线性调节器给芯片供电;启动过程结束后,内部 -.# 晶体管被关闭,高压输入被切断, 芯片转为由外部较低电压的自举电源供电。因此,+"10((2 仅在启动时从高压电源吸取 很小的0" 级漏电流,静态功耗很小,并且较好地解决了启动问题;启动后,电路进入正常 工作模式,若外部自举电源设置为 &:),则 +"10((2 典型的静态电流为 :<",其消耗的 · 20C · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 静态功耗也只有 !"#$。相反地,如果一直用高输入电压给电源控制器供电,就难以保证 轻载时的高效率;如果始终从 %&&’ 高压电源获得能量的话,()*+&&, 的消耗功率将高 达 !&&#$。 ! - ()*+&&, 的引脚排列 ()*+&&, 具有 %. 脚 /012 或窄 01 封装形式,其引脚排列如图 % 3 4 3 !& 所示,其各 引脚功能说明如下。 图 % 3 4 3 !& ()*+&&, 的管脚图 ’ 5 :预调节输入端。连接到高压输入端,一般在 ’ 5 和地之间跨接入 & - %!6 的电 容。 7897’:欠压检测和前馈输入端。将其连接到 ’ 5 和 ):89 之间外部电阻分压网络 的中点;当 ! 7897’ ; % - !’ 时,内部欠压锁定电路启动并关闭 ()*+&&,。 <0:内部高压启动 6<=。预调节输出端。当 ’ 5 高于 ,.’ 时,在 <0 和地之间跨接 & - %!6 的电容;如果工作电压较低(小于 ,.’),则需要把 ’ 5 和 <0 端直接连接,此时外部 输入电压被限制在 %% > ,.’ 范围内。 6? 3 45- 时,输入电压可接在 -’’端,在这种情 况下,-’’作为电源输入端与 - 0 、1) 连接在一起。如果加在 -’’的电压高于 *+ 3 45-,则 第一级 <’= 不工作,电流损耗只有 5+"$。 因为 -’’电压对于外部 & 沟道 #=)/1? 过高,所以在 -’’ <’= 之后采用了第二级 稳压电路,包括:-(( <’=、电源总线内部逻辑电路和模拟电路和外部功率 #=)/1? 驱动 器。-(( <’= 带有锁存输出,当 -(( <’= 不工作时,可将 & 沟道 #=)/1? 驱动器的输出 · 7;+ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $! %&’())* 内部结构图 端与地短路。+,, -./ 的输出电压为 # 0 1 2 !$+,该电压除欠压检测电路、+,,锁存输出逻 辑电路和线性稳压电源外,为 %&’())* 内部的所有电路供电。 %&’())* 驱动器输出用于驱动 3 沟道 %/4567,输出端灌出、吸入相当大的电流以 满足 %/4567 切换时栅极电荷量的需要。该电流等效于栅极开关电荷量与工作频率的 乘积,它决定了 %&’())* 的降压功耗,+,,端应接较大的储能电容(( 2 !)!5)。驱动器可 灌出 (8)9&、吸入 !& 瞬态电流,源阻抗典型值为 1",空载输出电平为 +,,。 带隙基准源提供 *+ 的基准电压,引出脚为 :65,输出电流可达 !9&。当 ! :65低于 标称值 $))9+ 时,镇存输出 :65/; 将关断振荡器和输出驱动电路。由于 ! :65为误差 放大器提供基准,! :65的变化将直接影响电压的稳定输出,因此应尽量减小 :65 端的负 载。 ($)欠压检测和关断控制 当 <3.<+ 端的电压低于 ! 0 $+ 时,欠压检测器(滞回电压为 !$)9+)产生一欠压镇存 信号,用于关闭控制器;当 <3.<+ 端的电压高于 ! 0 $+ = ) 0 !$+(滞回)> ! 0 *$+ 时,控制器 重新开启。<3.<+ 端的信号由连接在电源与 &?3. 端的电阻分压器(:!、:$)提供,该信 号也可作为快输入前馈电路的信号。利用欠压检测功能,可将 <3.<+ 引脚作为关断控制 端,通过外接一个对地的开关即可实现关断控制。 (*)电流检测与误差放大 · *8! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 电流检测(!")比较器及其相关的逻辑电路用于限制流过功率开关管的电流,在外部 功率开关 #$"%&’ 的源极与地之间接一限流电阻 ()*,!" 引脚的电压与流过 ()*的电流 相对应,通过检测 !" 端的电压可对流过功率开关管的电流加以检测。通常在 !" 端与 #$"%&’ 源极之间连接一个 +,,!电阻或 (! 低通滤波器。当功率 #$"%&’ 关断时,!" 接地;重新开启时,!" 将保持接地状态 -,.*,以避免开关瞬态噪声引起的误操作。当 ! !" / +,,01 时,功率开关管被关断,从开关电流超出门限值到驱动电路断开的延迟时间为 23,.*。如果不需要电流限制,!" 引脚应接 4567。 #89:,,; 内部误差放大器为一积木式模块,为 #89:,,; 的应用提供了灵活性。放 大器的单位增益带宽为 + < 2#=>,开环增益为 ?,@A,单位增益稳定。其同相输入端偏置在 + < :1,由内部 ;1 基准源提供。反相输入端的引出脚为 %A,是稳压反馈连接端。不使用 误差放大器时应将 %A 引脚接地。把误差放大器的输出连接到 4B# 比较器的输入端 ! $ 6,可用于频率补偿。 (3)4B# 比较器 脉宽调制( 4B #)把误差放大器输出的 电 压 误 差 信 号 与 三 角 波 斜 升 电 压( (8 # 4)相 比较,将电压误差转换成占空比。(8#4 的电压范围为 , < : C 2 < :1,4B# 比较器滞回电 压典型值为 : < D01,延迟 +,,.*,比较器输出用于控制外部场效应管。 #89:,,; 的软启动功能降低了开启时的浪涌,当采用多个转换器时,软启动电路还 可确定上电顺序。上电时,"" 端的外接电容通过 "" 引脚放电,一旦内部基准源的电压超 出其镇存输出门限值,"" 引脚即开始对其外接电容充电并控制输出电压线性上升。转换 器输出电压达到满幅输出的时间近似为 , < 3:* E"%。"" 是 4B# 比较器的一个强制性控 制端,只要 "" 端的电压低于 ! !$6,4B# 比较器的输出占空比就由 "" 端的电子确定;当 "" 端的电压高于 ! !$6时,将失去对 4B# 比较器输出的控制作用。稳态时,"" 端的电压 为 ! !!。 (:)振荡器与三角波发生器 #89:,,; 内部的 振 荡 器 与 三 角 波 发 生 器 用 于 为 4B# 比 较 器 提 供 一 斜 升 信 号 ((8 # 4),该信号又进一步转换成不同占空比的脉冲信号,同时也用于控制外部功率管的 最大导通时间。振荡器有两种工作模式:自激振荡和外同步。%(&F 引脚亦有两个功能; 外接电阻用于设置振荡频率和外同步输入。振荡器工作模式依照 %(&F 引脚的电平自 动识别。 在自激振荡模式下,内部电路为 %(&F 引脚提供 + < 2:1 的电压,振荡频率与该引脚 外接电阻流过的电流成正比,比例系数为 +DG=> E"8。在外同步模式下,外部主发生器必 须提供矩形方波,频率为电源控制器工作频率的 3 倍,可接受的最小脉冲宽度为 +:,.*,最 · ;D2 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 大工作频率为 ! " #$%&。当 ’()* 引脚的加载电压高于 # " +, 时,振荡器为外同步模式; 如果检测到 ’()* 点的电压低于 ! " -, 的时间在 . / #0!1,则振荡器进入自激振荡状态。 两种模式下,最大导通时间均低于 +-2 ,是 (3$4 由最小值 0 " -, 上升到最大值 # " -, 所 用的时间,具体时间可由 $35678 引脚的外接电阻确定。 $35 678 在内部由 ! 98:9,驱动,该引脚与 3;8: 之间需接电阻 ($35678,由于 (3$4 信号的范围是固定的,因此改变 ( 一的斜率就可以改变最大导通时间," 3$4 的斜率与 ! 98:9,成正比,与 " $35678成反比。当 ! <78保持不变时,改变 " 3$4的斜率同样能够改变 占空比和电源转换器每个周期馈送给负载的能量。最大占空比可由下式计算: # $35 = !00 $ $3>678 ? $ (! @ + @ !!) 式中:# $35为最大占空比( 2 ),$ $35678为最大导通时间,$ 为开关周期。 A " 典型应用 这里主要介绍一下 @ A. / B -, 的隔离转换电路的设计方法。 用 $35-00C 设计具体的电源时,需已知 A 个参数:输入电压、输出电压、负载电流和 占空比。4D$ 控制器通过检测输入电压与输出电压调整占空比,最终达到稳压的目的。 电源控制器有两种工作模式:连续工作模式和非连续工作模式。在非连续工作模式 下,每个工作周期终止时电感上都没有储能,频率响应特性只有一阶主极点和一个高频零 点,该极点由负载电阻和输出滤波电容确定,零点由输出滤波电容的等效串联电阻()E() 确定。这时,在保持一个合理的快速环路响应的同时,系统能够在很宽的工作条件下保持 稳定。连续工作模式下,在任何时候电感上均有储能,电感、电容共同作用产生一对极点, 而且在频率响应曲线的右半部产生一零点,这种响应特性难以补偿,这时系统只能做到有 条件的稳定。为避免设计困难,一般选择非连续工作模式,此时需计算最小输入电压和最 大负载下的变压器原边电感值,并应对最大占空比加以限制,$35-00C 的占空比可由用 户加以控制,这恰好满足非连续工作模式电源设计的需求。 $35-00C 可广泛应用于电信设备和 A#, 汽车电子仪表等。一个简单的电信设备通 常包括用于处理高速数据的接口板(如 E$ 6 @ !)、系统控制板及其他附加功能板,通常需 要将 @ A.,(输入范围为 @ A# / @ F0, 或 @ CF / @ +F,)电压转换为 -, ? #3、C " C, ? C3 和 ! " ., ? #3 的电源,利用 $35-00C 实现 A. / B -, 的隔离转换电路如图 ! @ + @ ## 所示,利 用 $35GF#+ 还可再将 -, 电压转换为 C " C, 或更低(! " .,)。 图 ! @ + @ ## 是由 $35-00C 组成的 A., / -, ? !3 非隔离电源的电路原理图,电路的 设计步骤和外接元器件的选择方法如下。 "明确设计要求,确定设计参数。设计参数主要有以下 - 个:输入电压 ! HI的变化范 · CFC · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 围、输出电压 ! !"#、输出负载电流 " !"#、纹波 ! $%&及建立时间 # ’。图 ( ) * ) ++ 电路中的 输入电压范围为 ,-. / ! 01 / *+.,要求输出电压 ! !"# 2 3.,输出电流 " !"# 2 (4,纹波 ! $%& / 356.,建立时间 # ’!5 7 368。 图 ( ) * ) ++ 隔离型 9 :;. < 9 3. 电源转换器 对于自由运行模式,应认真选择 =$>? 引脚的外接电阻 $,;而在外同步模式,则需要 确定外部时钟频率 $ @AB。 一般来讲,使用较高的频率意味着外接较小尺寸的变压器,也可以提供较高的系统带 宽和更快的建立时间,这样做的缺点是会损失一定的效率。本例中选择的是自由运行模 式,且设定内部振荡频率 $ CD 2 ,55EFG,以便减少变压器尺寸。外部电阻 $, 的值可用下 式算出: % , 2 (55EFG H +55E!I $ CD 2 -- 7 * E! "确定变压器匝数比,检查最大占空比。确定负载线圈匝数比考虑的主要因素是开 关关断电压和占空比,这需要在降低变压器初级绕组峰值电流和降低初级电压之间折衷 考虑。负载线圈匝数比选择的一个良好起点是使其近似等于平均电压比 ! 01 I ! !"#,同时 为简化补偿,还应尽量避免出现连续导通工作状态,因此应选取比 ! 01 I ! !"#稍小一点儿的 值。 基于以上考虑,本例中 ! 01 I ! !"# 2 :; I 3!J,负载线圈匝数比选择为 & ( 2 ;。最大占 空比 ’ K4L由匝数比 & (、最小电源电压 ! 601、变压器次级电压 ( C>@决定。本例中的 ! 601 2 ,-.。对于 ( C>@,考虑到次级所连接的肖特基二极管的压降,若取 ( C>@ 2 3 7 :.,则 ) 6MN约为 33O 。也就是说,当占空比达到 33O 时将出现连续导通状态,这对于 K4L355, 来讲是一个适当的值。若计算出来的最大占空比 ) 6MN超过 -3O 或低于 :3O ,则需重新 调整匝数比 & ( 的大小。变压器的另一个次级线圈要用来产生芯片的自举供电电压,一 般选取 (+. 左右,次级最大电流为 +564。此例中初级电压为 :;.,应选取自举电源线圈 的匝数比 &+ 2 :; I (+ 2 : P (。 · ,-: · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !确定变压器的初级电感。如果我们假定变压器的效率! ! "#$ ,则系统要求具有 的输入功率 !%&为 ’ ( )*+。假定工作占空比 " 低于最大占空比 ,)$ ,则 " 应为 -.$ ,由 此可以计算出额定初级电感量 # , 为 ’-"/。 #选择 012345 端的编程电阻 6- 和欠压锁定分压电阻 6,、6)。本电路中的最小 供电电压 $ 7%&为 .’8,假设欠压锁定值 $ 98: ! .)8,则所需的 6- 电阻值为 **;$,实际选 取标称值为 *,;$的电阻。当输入电压低于 $ <8(: .)8)时,应使相应 =5 > ?=8 端的电压 低于 , ( )8,以使欠压锁定电路启动而关闭 012*##.,故 % , 和 % ) 的选择应满足下式: % )(& % , @ % ))A $ 8:: ! , ( )8 (, > B > ,)) 同时应考虑具有较小的漏电流,因而选取 % , ! ,0$,% ) ! .C;$。 %选择滤波电容。由于电阻对纹波的计算影响较小,因此应主要考虑电容量的大小。 如果纹波电压 ’ 6=D ! *#78,则选用两只 ))"E 的陶瓷滤波电容并联(--"E),即可在占空 比为 **$时获得低于 *#78 的纹波。 &确定补偿网络。补偿网络 6E、 B > )) 中给出了各外部元器件的主要参数,可以在设计时参考,另外对于下述 元器件还应注意以下问题。 ’功率开关管。 012*##. 的外部功率开关管为 5 沟道 04KEL3,主要考虑参数为 最大漏极电压、最大导通电阻 % ?M(45),和栅极开关电荷量。其中,栅极开关电荷量将直 接影响 012*##. 的内部功耗,导通电阻 % ?M(45)决定开关的总功耗。具体选择时需考虑 效率、散热、封装形式等,最大漏极电压的设置与系统结构有关,如采用反激式结构,最大 漏极电压为最大输入电压与变压器副边反射电压、开关导适时的自激电压、漏电感产生的 尖峰电压的和,04KEL3 的最佳选择是在保证满足最大漏极电压的条件下,总开关电荷 量与 6?M(45)最小。 (变压器。依照设计过程中计算出的有关参数,应尽量选用现有的标准型,主要应考 虑:饱和电流、原级电感量、匝数比、损耗等参数以及封装形式、L0 = 辐射、磁化系数等因 素,在安装时引线要尽量短,为抑制 L0 = 辐射,还需加外部屏蔽;输入电压较高时,也要考 虑绝缘。 !电容 器。由 于 012*##. 为 高 频 电 源,滤 波 电 容 需 具 有 极 低 的 等 效 串 联 电 阻 · .’* · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (!"#)和等效串联电感(!"$)。工作频率为 %&&’() 时,最好选用瓷片电容或有机半导体 (*"+*,)电容。!"# 是较为关键的参数,特别是反馈网络中的电容。 !二极管。二极管的选择取决于输出电压的范围,二极管的正向导通压降直接影响 系统的损耗,须选择低导通压降二极管,最好选用肖特基二极管。在应用中,肖特基二极 管的反向电压无法满足要求,可选用快恢复二极管。另外,在任何情况下都需考虑峰值电 流、平均电流、最大反向电压以及所能允许的二极管损耗。 三、- ./001 -./001 在 -./2- 公司众多的 3+ 4 3+ 转换器中应用范围较广的一种产品。它具 有较宽的输入、输出电压范围,由于采用了低至 5&&67 的电流检测电压和 -./2- 公司 特有的空闲模式(289: -;8:<-),转换效率可达 =&> 以上。利用 -./001 不仅可以构成升 压型 3+ 4 3+ 转换器,还可以根据需要构成其他类型的 3+ 4 3+ 转换器,如 "!?2+、@9AB CDE’、隔离电源等。 5 F -./001 的结构特点及引脚功能 -./001 为固定频率、电流反馈型 ?G- 控制器。脉冲占空比由( ! ;HI J ! KL)4 ! KL决 定,其中 ! ;HI、! KL分别为输出、输入电压。输出误差信号是电感峰值电流的函数。内部采 用双极型 +-*" 多输入比较器,可同时处理输出误差信号、电流检测信号及斜率补偿纹 波。由于省去了传统的误差放大器,从而抑制了由误差放大产生的相移。当为中等负载 或中等以上负载供电时,-./001 工作于 ?G- 模式以获得更低的噪声和更高的转换效 率;轻载时,控制器工作于空闲模式,以保证轻载下的高效率转换。 -./001 具有低静态 电流(MM&".)、工作频率可调(5&& N O&&’())、软开启等特点;带有可逻辑控制的停机模 式,停机电流为 % F O".;输入电压范围为 % N M17(与 -./001 引脚兼容的 -./00= 可提 供 5 F 1 N M17 的输入范围);输出电压可高至 M17。引脚如图 5 J P J M% 所示,引脚功能如 下: · %00 · 图 5 J P J M% -./001 引脚图 www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !"#:内置 $% 线性稳压器输出,该稳压器为片内电路供电,!"# 的旁路电容选用 &!’ 或大于 &!’ 的陶瓷电容; ’()*:工作频率设置输入端; + , ":模拟地; ()’:& - .$% 基准输出,可提供 $/!0 电流,旁路电容选用 / - ..!’ 的陶瓷电容; ’1:反馈输入端,’1 门限电压为 & - .$%; 23 4 :电流检测输入正极,电流检测电阻连接在 23 4 与 5+," 之间; 5+ , ":电源地; )67:外部 8#3’)7 门极驱动输出端; %22:电源输入端,旁路电容选用 / - &!’ 陶瓷电容; 39,2 : 3;",:停机控制与同步输入端,有三种控制状态:低电平输入,"2 : "2 关断 及高电子输入。"2 : "2 工作频率由 ’()* 端的外接电阻 (#23确定,时钟输入,"2 : "2 的 工作频率由输入同步时钟确定。 . - 806<<= 应用电路的设计考虑 (&)设置工作频率 806<<= 的工作频率可通过外接电阻 (#32外同步时钟设置在 &// > $//?;@ 的范围 内。选择工作频率时,首先应根据系统的噪声要求限定工作频率的范围。另外选择较高 的工作频率可使用较小的电感和电容,有利于减小系统板的尺寸,但较高的工作频率使 A2 本身及对外部场效应管的门极驱动损耗增大,有可能降低轻载下的转换效率,806<<= 的空闲模式可在一定程度上对其加以补偿。另外,工作频率较高时,也会使场效应管的瞬 态损耗增大,降低转换效率,这一缺陷可利用某些小电感 : 电容的低电阻优势加以补偿。 总之,应平衡诸多因素对性能指标的影响来确定工作频率。 ! #32与振荡频率的关系式如 下: 无外部时钟时, 外加同步时钟时, (.)设置输出电压 ! #32 B $ C &/&/ : " #32 ! #32 B $ C &/&/(: / - =$ " 39,2) (& D E D &F) (& D E D &G) 输出电压由 ’1 引脚的外部电阻设置,可参考(& D E D &$)式选择电阻 ! .、! F。 ! . B ![F( # HIJ : # ()’)D &] (& D E D &$) # ()’为 & - .$%,! F 的选择范围为 &/?"> &8"。 (F)选择外部电感 806<<= 常用于升压变换,可根据(& D E D &<)式选择电感,该式是以内部斜率补偿为 · F)选择功率 -=;?3@ -./,,0 能够驱动多种类型的 A 沟道 -=;?3@,由于内部 15= 将门极躯动 3/@ 输 出信号的摆幅限制在 >B 以内,应选择逻辑电子控制的 -=;?3@,特别是当输入电压较低 时,低电平控制的 -=;?3@ 可获得较低的导通电阻。 -=;?3@ 的选择主要考虑以下因 素: !栅极总电荷量( % C); "反向迁移电容( & D;;); #导通电阻( ’ 5(; =A)); $最大漏源电压( " 5(; -./); %最小门限电压( " @E(-FA))。 控制器工作频率较高时,-=;?3@ 的动态特性造成的直流损耗较大,对转换效率的 影响大于 D5(; =A)。 (,)选择二极管 -./,,0 的工作频率较高,因而需要高速的二极管与之相配合,由于肖特基二极管具 有快恢复、低导通电压等特性,比较适合该类应用。二极管的最大平均电流需满足式() * + * )G)的要求。 · H,0 · # 5F=53 ! # "#$ 7( # 123.4 * # "#$)% H () * + * )G) www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 反向击穿电压需高于输出电压。当输出电压很高时(如高于 !"#),肖特基二极管很 难满足上述要求,这时可选用高速硅二极管。 ($)线路板布局 由于大电流输出和高工作频率的影响,会产生较大的辐射噪声,在 %&’(() 的电路 设计中,优化线路板布局是保证高性能指标的基础。对模拟地采用星型连接结构,即将 * + ,、-* + ,、输入旁路电容 的 接 地 端、输 出 滤 波 电 容 的 接 地 端 连 接 在 一 个 点 上,可 有 效 抑制噪声。另外,尽量缩短线路板的布线长度,可降低杂散电容、线电阻及辐射噪声。 . / 典型应用 (0)升压电路 图 0 1 $ 1 23 所示电路是利用 %&’(() 将 !# 输入电压提升到 02# 输出的电路,其输 出电流高于 0& 时,保证转换效率高于 425 。%&’(() 工作于非自举方式,具有较低的电 源电流。当输入电压较低时,应采用自举方式,以获得较好的低电压特性。 图 0 1 $ 1 23 !# 升至 02# 电路 (2)67-89 电路 用 3 节 +:%; < +:9= 电池或碱性电池作输入,> !# 输出时,输入电压有可能高于输 出电压,也有可能低于输出电压。67-89 电路结构如图 0 1 $ 1 2! 所示,是一种典型的升 < 降压应用电路。其中,# ?@ 器件漏极与源极间所能承受的电压需高于输入与输出电压之 和;耦合电容必须具有较低的等效串联电阻,并能承受较大的纹波电流。一般钽电容不适 合大电流的应用。其电路输出电压为 !# 时,输出电流可高于 0&,转换效率介于 $"5 A )" 5 之间。 (.)隔离电源 图 0 1 $ 1 2( 电路提供了一种 !# 输入时,产生隔离 !# 输出的电路,输出电流可达 3""B&。变压器 ?0 提供转换器前向通路的电隔离,并联稳压源 ? C#3.0 与光耦 %D9200 · .(4 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $% &’()* 电路 为转换器提供隔离的误差反馈信号。输出电压由 +$、+, 确定,- ./0,! 提供的门限电压 为 ! 1 $0/,输出电压可调范围为 ! 1 $0 2 3/,要求输出电压高于 3/ 时,可用 - .0,! 替代 - ./0,!,反馈门限电压为 $ 1 %/。 图 ! " # " $3 由 456337 构成隔离电源 四、4 563$8 4563$8 是一种低压供电的 9* : 9* 转换器,输入电压在 ; 1 7 2 ! <=>范围内,它可输出 高达 ? $7/ 的电压并独具限流脉冲频率调制((=@AB CDBE=BFGH 4K:. 端对 9.: 端电压:6 * " ; < = &-。 ?401、@0/、/A、B5C 端对 9.: 端电压:6 * " ; < ! 88 = * " ;-。 C% 端对 9.: 端电压:6 * " ; < = ;*-。 持续耗散功率( " $ D 7*E)(7*E以上下降速率为 ) " ,,+F G E):H7!+F。 工作温度范围:6 H*E < ,)E。 结温:!)* E 。 存储温度:6 &)E < = !&)E。 焊接温度(!*I):;** E 。 (’)#$%&’( 的引脚功能 #$%&’( 引脚排列如图 ! 6 7 6 ’, 所示,引脚功能如下: 4>:.;关闭控制输入端。低电平有效,逻辑低电平输入将 #$%&’( 置于关闭状态, · ;7! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 图 ! " # " $% &’()$* 的引脚图 并使电源电流降至 !+’。 ,-.:极性控制输入端。用于改变输出电压的极性和 /0 的阀值电压,允许对正相和 反相输出进行调整。,-. 为 123 时,输出正相电压;,-. 为 ! 44时,输出反相电压。 56/:! 7 $89 参 考 输 出 端。 56/ 可 提 供 !::!’ 的 电 流 驱 动 外 部 负 载。当 " 56/ ! !:;’ 时,接 : 7 !!/ 的电容旁路至 123;当 !:!’! " 56/!!::!’ 时,接一个 : 7 <#!/ 的电 容旁路至 56/。 /0:用以设置输出电压的反馈输入端。连接一个外部分压器。 =>6?:限流设置输入端。与 944相连时,.( 电流限制为 8::+’;与 123 相连时,.( 电流限制为 $8:+’。 1 2 3:电源地。 .(:内置 2 沟道 3&-> 开关的漏极。 944:电源输入端。 @ 7 &’()$* 的工作原理 在较宽输入电压范围内,&’()$* 组成的升压 34 A 34 转换器可输出高达 B $%9 的 正、反 相 电 压,为 低 功 耗、高 电 压 设 备(如 .43 偏 压 和 顶 置 盒 中 的 变 容 调 谐)供 电。 &’()$* 仅有 %:;’ 的 静 态 电 流,因 此 特 别 适 用 于 电 池 供 电 的 设 备。内 置 的 2 沟 道 3&-> 开关可编程限流值分别为 $8:+’ 和 8::+’,&’()$* 的典型工作电路如图 ! " # " $* 所示。 (!)控制方案 峰值电流限制端和极性控制端共同控制 &’()$* 内的开关管,决定开关管的断开时 间和最大导通时间。在第一个循环周期内,内部开关闭合,电感线圈中的电流急剧上升, 开关导通时间最大值为 !:!(C 在低电平输入时)。开关峰值电流可为 8::+’(=>6? 为 944 时)或 $8:+’(=>6? 为 123 时)。开关断开,电感通过二极管对输出电容充电。在正常 工作状态下,最小断开时间在正相输出时设定为 D;>;但输出远低于正常值时,时间可增 加到 8;>,为电源提供软启动功能。负载的大小影响电路的工作频率,工作频率最大值可 以高至 @::EFG。 · @#$ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $% &’()$% 典型工作电路 ($)关闭模式 *+,- 是逻辑电平输入端。它与 .//相连时,&’()$% 处于工作状态。当 *+,- 为 低电平时,&’()$% 进入关闭状态。在关闭状态下,反馈和控制电路、参考电路、内设偏 置电路均不工作,芯片电流降到 !0’ 以下。在图 ! " # " 12 所示的正相输出电路中,芯片 的输出端通过二极管和电感线圈直接与输入相连。在断开状态下,输出电压比输入电压 低一个二极管的压降。在图 ! " # " 1! 所示的的反相输出电路中,输出与输入之间无直流 通道,所以在关闭状态下输出被拉至低电平。 图 ! " # " 12 $3. 正相 4/, 偏置电路 3 5 应用设计 (!)设置输出电压 正、反相输出电压的应用电路分别如图 ! " # " 12 和图 ! " # " 1! 所示,通过外加电阻 6! 和 6$ 设置输出电压。由于 78 脚输入偏置电流最大值为 92:’,因而在反馈回路中可 选用大电阻。6$ 可在 !2 ; $224 与 ?-, 相连,78 脚的阀值电压与 ! 6@7 · 1#1 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $! %&’ 反相 ()* 偏置电路 相等。选好 +% 后,可按下面公式计算 +! 的阻值: ! ! , ![%( " -./ 0 " +12)" !] (! " # " %3) 式中:" +12 , ! 4 %5’。 在如图 ! " # " $! 所示的反相输出电路中,67( 与 ’))相连,28 的阈值电压接地点 (9:*)电压。选好 +% 后,可按下式计算 +! 的阻值: ! ! , !(% ; " -./ ; 0 " +12) (! " # " %!) 式中:" +12 , ! 4 %5’。 在反相输出电路中,在 <=>?%@ 后面连接了一个反相充电泵,这种电路把 " -./限制 在 " ; " AB ; 到 " %C’ 范围内。假如需要输出较低的反相电压,*% 的负极可与 " AB相连。这 种结构允许输出电压低于 " ; " AB ; ,但输出电压仍是不能小于 " ; !%C’ " " AB ; ,输出电流 约为标准结构的一半,效率也降低了 5D 。 (%)限流值设置 需较大输出电流时,将 EF1G 端与 ’))端相连,限流值为 533H=。若需较小的输出电 流时,可将 EF1G 端接 9:* 端,此时,限流值为 %53H=。选择小限流值有几个优点:首先, 可以选用更小一些的电感线圈,既可节省空间又节约费用;其次,可以使用更便宜、更高效 的 1F+ 电容;最后,在每个周期内只需要转换更少的能量,从而降低了输出纹波。 ($)电感线圈的选择 在“典型工作电路”中,电感可选 &#!I,增大电感可降低电感线圈中电流的峰值,但可 能限制低输入电压下的输出电流,并使启动时间变长。小电感所需空间小,但可能因电流 取样比较器的传输延迟产生更大的峰值电流。一般情况下,输出电压低于 %’,电感降到 %%!I 可以提高性能,但是负载电流最大值和电源效率会因此而下降。所以,选择时要充 分考虑实际应用的各种条件。 可选用带铁芯或空芯的电感线圈,高开关频率下不推荐使用铁氧体磁芯。电感线圈 的磁饱和量必须留有裕量。使用低直流阻抗(!33 H" 以下)的电感线圈可获得更高效率。 · $#& · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" (!)二极管的选择 由于 "#$%&’ 开关频率很高,因此需要采用快速整流管。推荐使用肖特基二极管, 如 ()*+(’ 或 ",-.*!./,同时必须保证二极管的峰值电流大于 /$ 脚设定的峰值电流, 二极管的耐压值应超过输出电压。由于肖特基二极管的正向电压很低,所以应优先选用 肖特基二极管,但要求不高时,也可选用超高速硅整流管。 (*)选择电容 !输出滤波电容。选择输出滤波电容的首要标准是低等效串联电阻。电感峰值电流 和输出滤波电容的 01- 所产生的效应决定了输出电压端的高频纹波,解决这类问题还应 合理选择限流值。 "输入旁路电容。在大部分应用 "#$%&’ 的场合,输出电流较小,但是输入端仍需 能承受与电感电流限制相等的电流瞬变值。输入旁路电容减少了采自电压源的电流峰 值,降低了 "#$%&’ 的开关噪声。输入电源阻抗决定了输入端( 234)所需的电容值。推 荐使用低 01- 电容,在大部分场合下,选用 (.#5 的低 01- 电容就可以了,当然再小一些 也可以。. 6 (#5 的瓷片电容应尽量靠近 277和 8)9 端,以便对 :7 进行电源退耦。 $参考电容。利用 . 6 (#5 的瓷片电容将 -05 分路至 8)9 端,可使 -05 电流升至 (.##。接外 部 负 载 时,-05 电 流 可 升 至 (.##。 当 (.## ! ! -05 ! ;..## 时,可 采 用 . 6 !<#5 的电容。 %前馈电容。与 -: 并联一只电容 75,加入反馈回路中可提高稳定性(见图 ( = < = >.、图 ( = < = >()。在大多数电路中,75 可采用 &<.?5 电容。小电容可增强稳定性,电容 过大则会降低线性调整率。 * 6 应用实例 (()调整输出电压 许多设备需要可调的输出电压,此时可采用图 ( = < = >& 所示电路。在该电路中,外 部偏压(可由电位器、数模转换器或其他器件产生)通过 -, 与 5, 耦合。该电路的输出电 压为: " @AB C " :):D E( # ( F # ,)( " 5, = " ,/#1) (( = < = &&) 式中:" :):D为按“设定输出电压”计算出的固定输出电压;" 5,在正相结构时等于 " -05 (( 6 &*2),在反相结构时等于 .2。选择合适的 -,,利用简易的外部元件产生 $ ,:#1,可以 获得多种输出电压。 (&)输入电压范围 在许多场合下,"#$%&’ 和电感线圈由同一电源供电,但是在用电池供电的设备中, · ><* · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $% 可调输出电压结构 电感线圈由电池供电,别的电源给芯片供电好处会更多。 &’()%* 在 ! ++端需加入 % , # - . , ./ 电源,但电感线圈用 0 , 1/ 的电源供电,可延长电池寿命。 ! ++和 ! 23用不同的电 源供电还可以避免开关瞬变影响 /++,并且允许选用小而便宜的输入滤波电容,从而降低 /++上的噪声干扰。若输入电压小于 %/,电感线圈选为 %%!4,可增强性能,并且可在不增 加成本的前提下提高负载电流极限值和效率。 在图 ! " # " $! 所示的反相结构电路中,反相充电泵在每个周期内对 5( 灌入电流, ! 23越高,灌入的电流越大,并且可能会过早断开内部限制。电阻 6$ 可限制峰值灌入电 流,从而提高可调的输入电压。 ! 23低于 !./ 时,由 %" 电阻提供可调的输入电压范围。 6$ 的阻值可根据需要增大或减小,它对效率的影响大致为 0 , .7 8"。 五、& ’(!#.* &’(!#.* 是 &’(9& 公司新推出的稳压型升 8 降压电荷泵,能够为采用 ! 节锂离子 电池 或 % - $ 节 :2&4 电 池 或 碱 性 电 池 供 电 的 手 持 式 设 备 提 供 稳 定 的 电 源 电 压。 &’(!#.* 具有较宽的输入电压范围(! , ) - . , ./)。 &’(!#.* 的输出 电 压 可 固 定 为 $ , $/ 或在 % , . - . , ./ 范围内调节。 &’(!#*. 的独特的电荷泵结构允许输入电压高于 或低于输出电压,在工作频率高达 ! , .&4; 时,&’(!#.* 仍能保持 .0!’ 以内的静态电 流。 &’(!#.* 具有紧凑的结构设计,外部仅需 $ 个小尺寸陶瓷电容,在输入电压为 % , ./ 时,输出电流可达 !00<’(最小)。为简化设计,&’(!#.* 内置一漏极开路输出的“输出 电压正常(=>?)”指示器,可在输出电压出现故障时产生报警。 &’(!#.* 采用 !0 脚 !&’( 封装,高度为 ! , 0*<<,尺寸仅为 1 脚 @> 封装的一半。引脚排列如图 ! " # " $$ 所 示,引脚功能说明如下: =>?:输出正常指示,漏极开路输出; @4A::停机模式输入控制; 9 ::电源输入引脚; · $#) · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " #:地; $! " #:功率地,电荷泵电流流过此引脚; %&":电荷泵“迁移”电容负端; %&$:电荷泵“迁移”电容正端; ’( ):电压输出端; *+:双模反馈引脚,接地时输出为 , - ,.,接电阻分压器输出可调。 图 / 0 1 0 ,, 23&/145 引脚图 / - 23&/145 工作原理 23&/145 原理框图如图 / 0 1 0 ,6 所示,内部升一降压控制器通过比较输入与输出 电压的大小确定芯片的工作方式,当输入电压低于输出电压时,电荷泵工作于倍压方式。 当输入电压高于输出电压时,电荷泵工作于降压方式,如果负载较轻,可将控制器的 %&" 引脚连接到 $!"# 端,根据负载需要,%&$ 引脚被交替地切换到 7" 或 ’( ) 端,使输入 电压反复为输出电容充电。尽管输入电压高于输出电压,这种结构在重载时仍无法提供 稳定的输出。重载时,23&/145 内部将自动切换到升压模式,通过调 节“迁 移”电 容 (%&)提供给负载的电荷来获取稳定的输出电压。 当 89#" 为低电平时,23&/145 处于停机模式,此时电荷泵的开关、振荡器以及控 制逻辑均被关闭,静态电流降低到 /!3 以内,输出端与输入端之间被断开,输出为高阻 态,$’: 输出亦为高阻态。$’: 为漏极开路输出,当稳压器反馈电压跌落到 / - /. 以下 时灌入电流。反馈电压可以由内部电阻分压器(固定输出模式,*+ 接 !"#)或外部电阻 分压器(输出可调)提供,$’: 与 ’( ) 引脚之间需接 /;<"= /2"的上拉电阻,以提供适 当的逻辑输出。$’: 引脚不用时可以接 !"# 端或浮空。 23&/145 内部带有短路保护和过热保护电路,上电时,保护电路可通过限制浪涌电 流提供软启动功能,输出短路时,保护电路将输出电流限制到 //;>3(典型值);管芯温度 超出 /?;@ 时,过 热 保 护 电 路 将 芯 片 内 部 电 路 关 断,直 到 管 芯 温 度 恢 复 到 A;@ 时, 23&/145 才重新开启工作,如果造成管芯过热的原因是输出过载,则在负载断开之前 23&/145 将工作于脉动状态,产生脉冲输出。 · ,11 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $% &’(!#)* 原理框图 + , &’(!#)* 的典型应用 (!)设置输出电压 如果所需要的电源电压为 $ , $-,则将 ./ 引脚接地。通过连接在 01 2 与 345 之间 的电阻分压器可将输出电压设置在 + , ) 6 ) , )- 范围内,为保证反馈环路的稳定性,并减 小由于 ./ 引脚的偏置电压所产生的误差,电阻分压器的电流应接近 !)!’,7+ 的阻值需 设置为 )8 6 !889",可由下式计算 7! 的阻值: ! ! : ![+( " ;<= > " ./)" !] (! " # " +$) 式中," ;<=,为所要设置的输出电压,设置范围为 + , ) 6 ) , )-。 " ./为内部基准电压,典型 值为 ! , +$)-。 图 ! " # " $) 所示电路中采用精度为 !? 的标准电阻,可产生 + , )- 输出电压。表贴 电阻要尽量靠近 &’(!#)* 安装,且距 ./ 引脚应在 )@@ 以内。 · $#A · 图 ! " # " $) &’(!#)* 典型应用电路图 www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (!)外部电容的选择 外部电容 "#$、"%、"&"’的选择应从电路的物理尺寸、输出电流以及输出电压纹波等 方面考虑,应尽量选择具有低等效串联电阻的陶瓷电容,以保持较低的输出电压纹波。在 输出电流较大、对成本要求比较苛刻的应用中,输出电容可以采用 (!) 的陶瓷电容与 (*!) 的钽电容相并联的方式,陶瓷电容的低 +,- 特性有助于改善输出纹波。 ./%(012 根据输入电压、输出电压的大小确定其工作方式(倍压方式或降压方式), 当输入电压低于输出电压时,电荷泵工作于倍压方式;当输入电压高于输出电压时,工作 方式由负载的大小决定。轻载时,电荷泵工作于降压模式;重载时,为保持稳定的输出电 压,电荷泵工作于倍压模式。电荷泵在降压模式下具有较低的输出电压纹波。 六、. /%0(! ./%0(! 是 ./%#. 公司生产的镍镉电池快速充电器专用集成电路,具有多种可编 程功能,可实现充电过程自动化,充电时间短、效率高,使用方便灵活。 ( 3 ./%0(! 的结构 图 ( 4 0 4 56 是 ./%0(! 的内部结构框图,主要包括定时器、电压斜率检测器(内含 / 7 8 转换器)、9 1: 并联式稳压器、上电复位电路(-(、"& 和反相器 ))、控制逻辑、电流 和电压调节器(内含电流比较器和电压比较器)、电池电压比较器、温度比较器(过温度比 较器、欠温度比较器)、! 3 *: 基准电压源、$ 沟道 .&, 场效应管。 图 ( 4 0 4 56 ./%0(! 的内部结构图 · 502 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 引脚功能 #$%&’! 采用 ()* ’+ 脚封装,各管脚功能如下: ,$- - . 、,$- - / :分别接镍镉电池的正、负端。 0 . :内部 . 10 并联稳压器的引出端,该端相对于 ,$- - / 端为 . 10,电源电流最小 值为 12$。 03)# )-:用于设定 ,$- - . 4 ,$- - / 之间的最大电池电压为 !" 。设电池个数为 # ,此端接 $ . 时,!" 5 $ 3)#)- 6 7,单位为 $ ,并且 $ 3)#)-应小于 . ! " 10; 089::内部 ! " ;0 基准电压源的输出端,可提供 ’2$ 的输出电流。 *<#;、*<#’:电池电压比较器输入端,用于设置串联数目 # 。 *<#=、*<#>:内部定时器引出端,用于设定快速充电时间 % :$?-。 -:由负温度系数热敏电阻 8- 检测到的与正比的热敏电压输入端。 -@、- 3:分别为过温度比较器和欠温度比较器的阂值输入端。 :$ ? - A:漏极开路的快速 充 电 逻 辑 电 子 输 出 端(负 逻 辑),外 接 上 拉 电 阻。 在 快 速 充 电时此端为低电子;在快速充电结束或转入涓流充电时此端变成高电平。 AA:电流环路的补偿端。在 AA 与 -$,, / 端之间接补偿电容。 (80:驱动外部 *7* 管的引出端。 < 7 (:公共地。 = " 主要特点 !采用零电压斜率检测技术。对 ’ 4 ’+ 节串联的镍镉电池,能以 A B = 4 A 速率的大 电流快速充电,也能以 A B ’+ 的速率进行均流充电(镍镉电池的额定容量用 $·(C 安时))表 示,如果某电池额定容量为 ’$·C,若以 ’$ 电流充电,充电时间为 ’C,则称 ’A 速率充电)。 "可编程。可以编程设定充电池数量(’ 4 ’+ 节电池串联)、充电时间(!! 4 !+>2DE)、 均流充电电流的大小。只需改变相应管脚的接法,即可实现编程。 #利用外部电阻可设定快速充电电流 & :$?-。 $内含电压斜率检测器、温度比较器、定时器。根据电压斜率、电池温度或充电时间 检测结果,可判断电池是否已充好电。一旦充好,就立即从快速充电自动切换到均流充 电,确保电池不受损害。 %静态功耗低,充电效率高,不充电时最大静态电流仅为 1$。 · =F; · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" ! " 编程方法 !电池数的编程方法:将 #$%&、#$%’ 分别接 ( ) 、(*+,、-./ / 0 端或开路时,即 可对充电电池数(’ 1 ’2 节)进行编程。 "快速充电时间及均流充电电流的编程方法:#$%3、#$%! 分别接 ( ) 、(*+,、 -./ / 0 端或开路时,将可在 44 1 42!567 之内设定充电时间 ! ,.8/。#$%3 端还设定了 从快速充电切换到均流充电时,均流充电电流 " /*的大小。 9 " 镍镉电池快速充电器的实现 由 %.:;’4 构成的镍镉电池快速充电器电路如图 ’ 0 ; 0 3; 所示。要利用该电路对 3 节 .. 型 ’.·< 镍 镉 电 池 充 电,选 择 快 速 充 电 时 间 ! ,.8/ = >&567。查 表 可 知,应 将 (*+,?(@A 作为电源输入端,它的电压分 3(、! " 9(、2(、>(、’4(、’9(、’B( 等规格,输 入电流分 ’9&5.,4&&5.、3&&5.、!9&5.、9&&5.、;9&5.、B&&5.、’&&&5. 等规格。在本 电路中,# @A = >(,输入电流为 B&&5.。A’ 为输入端滤波电容,*’ 是限流电阻。设 # @A 的最小电压为 # @A567,内部并联式稳压器的电压为 9(,用 *’ 将 ( ) 端的最小电源电流限 定为 95.,$ ’ 的计算公式为: $ ’ = # @A567 0 9 C 9 D ’& 0 3 (’ 0 ; 0 4!) 图 ’ 0 ; 0 3; 镍铬电泡快速充电器 设 ! ,.8/ = ’. 时,# @A 567 = 2(,则 $ = 4&&#,# @A经 *’ 对 A4 充电;当 # A4 = # ) = ) 9( 时开始快速充电。要求 %4!9$,,现取 ’$,。A3 是补偿电容,规定 %3!9&&&E,,现取 & " &’$,。( / 为 4F2’&> 型 #F# 功率管,其主要参数为:& A-? = B&(," A% = ;.,’A% = · 3B’ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !"#。$% 是基极偏置电阻。&’ 是阻塞二极管,可防止 ’$& 端的导通电流影响 & ( 的正 常偏置,它选用 )*!""+ 型 +, - ."& 的塑封硅整流管。$. 为检测电阻,用来设定快速充电 电流 ! /,0(的值。因为 1,( ( 2 与 3*’ 端之间的电压差为 " 4 %.&,故 " . 5 " 4 %.& - ! /,0(。 当 ! /,0( 5 +, 时," . 5 " 4 %.!,负温度系数的热敏电阻 $(+、$(% 采用 +6,+""% 型。该电 路在快速充电、均流充电时的充电电流分别为 +,、+, - +7 5 7% 4 .8,,充电速度分别为 #、 # - +7。 7 4 9,:;+% 的充电曲线分析 图 + 2 ; 2 6< 是实测的由 9,:;+% 构成的镍镉电池快速充电器的充电曲线,充电过 程分 . 个阶段。通电前,9,:;+% 只从电池上汲取极少的电能,对应于阶段 +,充电电流 为", 级。在 9,:;+% 接通电源而它的上电复位信号到来之前,电池处于均流充电状态 (阶段 %),充电电流为 8, 级。当复位信号到来时,只要 $% & ’ = " 4 !&(" 4 !& 为欠压锁 定电压),就转入快速恒流充电,此时充电电压迅速升高而充电电流很快保持恒定(阶段 6),充电电流为 , 级。判断快速充电结束有两种方法:#根据电压斜率判断,9,:;+% 内 部 , - ’ 转换器(量程为 + 4 7.&,分辨率为 % 4 .8&)在经过两次连续采样后得到 ( +、( % 的 值,可比较出电池电压的变化斜率,只要 ( + 5 ( %,说明斜率为零,就从快速充电切换到均 流充电(阶段 !);$根据温度判断,如图 + 2 ; 2 6> 所示,使用两只负温度系数的热敏电 阻,其中 $(+ 与被充电电池表面相接触,以检测电池是否超过温度上限 ) ?,$(% 用于感 知环境温度。当 ) = ) ? 时,温度比较器翻转,快速充电结束。关断电源后进入阶段 .,充 电电流又降到零。 图 + 2 ; 2 6< 充电电压与电流变化曲线 图 + 2 ; 2 6> 温度检测与比较电路 使用 9,:;+% 实际设计的镍镉电池充电器快速充电时间短,充电效率高,克服了普 · 6<% · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 通镍镉电池充电器功能单一、充电电流无法调整、充电时间长且效率低的缺点,取得了良 好的使用效果。 七、! "#$%%&" !"#$%%&" 是美国 !"#’! 公司生产的镍镉 ( 镍氢电池快速充电控制器电路,可实 现快速充电及充电过程自动化,使用安全可靠、灵活方便。 ) * 内部结构 图 ) + , + -% 是 !"#$%%&" 的内部结构框图。它主要包括振荡与时间控制器、充电 控制状态器、最高电池电压(!./)检测器、" ( 0 转换器、调制方式( !10)控制器、显示控 制器和两个温度(低温和 2.1)检测器、两个电压比较器等。 图 ) + , + -% !"#$%%& 内部结构图 $ * 引脚撑列及功能 !"#$%%& 采用 )3 脚 0’4 型封装,其引脚排列如图 ) + , + -) 所示,各引脚功能如下: .. ! 0:充电使用。 0.!0:放电使用。..!0、0.!0 决定快充开始方式,同时接高电位或低电位时,上 电即开始快充。 · &5& · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $! %&’())* 引脚图 +,-.:"!! 终止方式使用。 / %!、/ %(:最长时间快速充电以及脉冲充电等的编程输入端。 / 0:温度检测电压输入端。其电压由外部负温度系数的热敏电阻器分压得到。 1& / :单节电池电压检测。多节电池充电时,用电阻器分压得到。 ,00:地。 0.0:电流检测输入(连到电池的负端)。用于决定 %2+ 的开关时间。 /0 和 1&/ 脚 的电压即以此电压为参考基准。 /32:温度方式终止电压的设定输入。当 /0 到 0.0 脚之间的电压低于 /32 的电压 时,快速充电和补充充电( /245266)过程结束。 %3,:单节电池最大电压设定输入。当 1&/ 到 0.0 脚之间的电压超过 %3, 的设 定电压时,快速充电和补充充电过程结束。 / - % 4:温度状态输出。电池温度低于允许 快 充 的 最 低 温 度 或 高 于 设 定 的 最 高 温 度 时,将使外部的 7-+ 闪亮。 389:充电状态输出。直接驱动外部 7-+。7-+ 有 : 种不同的亮、灭或闪耀方式,分 别代表 : 种不同的状态。 % 2+:调制电流输出。控制充电方式是脉冲开关方式还是线性恒流方式。 +;0:放电控制输出。当 +3%+ 的上升沿来到时,+;0 被拉高,放电过程开始。 ,33:电源端(通常为 < :,)。 * = 主要特点 "可对多节镍镉或镍氢电池进行快速充电,充电速率可编程控制。 #提供脉冲开关和线性恒流两种充电模式。 $具有温度斜率,最高电压、最长时间和最高温度等 : 种快充终止方式,避免电池过 充。 · *>$ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !提供补充( !"#$"%%)充电和脉冲均流充电功能,在快充结束后用补充方式继续对 电流充电,以防止电池的欠充;脉冲均流充电可以抵消电池由于自放电引起的能量减少, 还有助于克服记忆效应。 "能实现从快速充电到脉冲充电的自动转换。 #具有可选用的放电功能,对于激发旧电池的活性和容量恢复非常有效。 $可直接驱动 &’(,显示不同的充电状态,见表 ) * + * ,。 表 ) * + * , &’( 的状态 充电嚣工作状态 &’( 状态 电池待放置 常暗 正在快速充电 常亮 充电器工作状态 快速充电等待 正在放电 &’( 状态 充电器工作状态 亮 - . ),/0 快充结束,正在补充充电 灭 ) . 1+/0 亮 ) . 1+/0 灭 - . ),/0 &’( 状态 亮 - . ),/0 灭 - . ),/0 2 . 镍镉电池快速充电器的设计与实现 ())快速充电终止方式的选择 用 345,--1 制作快速充电器,快速充电终止方式有 / 种:温度斜率法、最高电压法、 *%! 法、最长时间法和最高温度法等。对于镍镉电池而言,采用 * %! 法最为安全,也 最为可靠。因为镍镉电池在充电时有这样一种特性,就是在其容量达到额定容量的 6-7 左右时,电池端电压快速上升,而在容量达到或接近 )--7 时,其电压反而下降,即产生所 谓的 *%! 变化。不同的镍镉电池,其 *%! 变化特性基本一致,而不同电池的最大电压 与温度斜率等都不尽相同。因而检测 * %! 的变化作为充电终止方式最为可靠。同时, 345,--1 检测 *%! 的变化也极为灵敏,其灵敏度约为 ),89。 另外,可同时选用最高电压作为快充终止条件,并且为安全起见,电路会根据不同的 充电速率自动选定一个时间作为最长的快充终止时间,而且最长时间终止方式优先级最 高。快充开始后,内部的时间控制器会自动计时,一旦设定的最长时间达到,无论其他快 充终止条件是否满足,快速充电和补充充电过程立即结束。 (,)345,--1 的编程与电路设计 根据以上的分析,下面以对 2 节容量为 /--84·: 的 44 型镍镉电池的快速充电为 例,说明 345,--1 的编程方法和电路设计原则。 345,--1 的第$脚(;4! 端)检测单节电池的电压,以决定快充的开始与结束,它通 常由一个电阻器分压网络获得(如图 ) * + * 2, 的 <;) 和 <;,)。电池的数目可通过设定 · 16/ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !"#和 !"$的值进行确定,一般通过下式计算: 电池数 %( ! "# & ! "$)’ # (# ( ) ( $*) 图 # ( ) ( +$ 快速充电器实用电路 另外,为确保充电器可靠工作,!"#和 !"$的值既不能太大,也不能太小,通常两者的 和值在 #,, - *,,.!之间。本例中,选择 ! "# % /,.!,! "$ % 0,.!。 (0)检测电阻 !121的选择 345$,,0 第"脚(121 端)的连接方式决定充电电流的模式。该脚连接到电池的负 端,如果再直接与地相连,则充电方式是线性恒流模式;如果该脚通过一个电阻器(!121) 与地相连,则充电方式是脉冲开关方式。由于脉冲方式充电能够减小电池内部发热,防止 树状结晶的产生,而且比恒流方式充电的效率更高,因此我们选用脉冲电流充电模式。此 时,345$,,0 的第#$%脚(367 端)输出为脉冲电压。!121的阻值由下式确定: ! 121 % " 121 & # 8419 % , : $0* & # 8419 (# ( ) ( $;) 我们选定快充电流 # 8419为 *,,<4,则 ! 121为 , : +)!(# & +=)。 (+)最高电池电压( $% " )、温度关断电压( " 9>6)和温度检测电压( " 91)的设定 在设计中,温度检测法并没有采用,但第&脚( 9>6 端)的温度关断电压 " 9>6和第’ 脚( 91 端)的温度检测电压 " 91都必须进行正确性设定,否则充电器无法进入快速充电 状态。 · 0?; · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" !" # 的值和 # !"#通常分别为 $ % &’ 和 $ % ($’,二者可由一电阻分压网络同时设定 (如图 $ ) ( ) *+ 中的 ,$、,+,,-),若 ,$、,+ 和 ,- 分别为 ./0!、- % .0!和 --0!,则 !" # 和 # !"#的值分别为 $ % 1&’ 和 $ % ($’。同时,# !2 的值必 须 在 $ % ($ 3 +’ 范 围 内,否 则 456+//- 也不能进入快速充电状态。如果选 $ !$ 7 $ % 80!、$ !+ 7 &$/!,则 # !2 7 $ !+ 9 # ""(: $ !$ ; $ !+)7 8 9 / % &$(: $ % 8 ; / % &$)!$ % 1&’ 这样,在其他终止条件没有达到时,充电器处于可靠的快充状态。 (8)快充速率、最长时间及脉冲电流的设定 快充速率(即快充电流)和 最 长 时 间 的 值 以 及 脉 冲 电 流 的 开 关 比 都 可 以 通 过 对 " 脚 ( ! 4$)和#脚( ! 4+)的设置进行确定(见表 $ ) ( ) -)。 表 $ ) ( ) - ! 4$ 和 ! 4+ 的设置 ! 4$ 地 悬空 ’"" 地 悬空 ’"" 地 悬空 ’"" ! 4+ 地 地 地 悬空 悬空 悬空 ’"" ’"" ’"" 快速充电 最长时间(<=>)延迟时间(?) 补充充电 ":* -./ $*/ 9 ":+ $1/ 1+/ 9 " &/ *$/ 9 +" *8 +// 9 *" +- $// 9 ":+ $1/ 1+/ — " &/ *$/ — +" *8 +// — *" +- $// — 脉冲电流(?)(#@ : #AA) 9 $ $. $ -+ $ .* $ $+1 /%8 $. /%8 -+ /%8 .* /%8 $+1 本设计中,将 ! 4$ 接地,! 4+ 接 ’"",这样快充时间为 $B,但实际的快充时间一般要 比设定值多 -/C 3 */C ,大约为 1/<=>。在快充结束后,继续对电池进行补充充电,直到 最长时间到达设定值(&/<=>),或者电池电压达到设定的最大值($ % 1&’),补充充电结束。 然后,自动转入开 / % 8?、关 -+? 脉冲充电。 表 $ ) ( ) - 中的延迟时间是指在充电器加电且待充电池放置后的一段时间内,)$# 和最大电池电压的终止方法无效时避免错误动作发生。 (.)放电功能的选用与放电电流的设定 充电前的放电功能对于旧的镍镉电池特别有用,它有助于消除因为经常性的不完全 放电而引起的电压下沉和容量减少现象。通常只需在 D"4D 端有一个正沿触发脉冲,即 · -1( · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 可使电路进入放电状态。但 !"#$%%& 不能控制放电电流,所以需要加合理的放电限流 电阻器(如图 ’ ( ) ( *$ 中的 +,-.),否则若放电电流过大,会使电池过热甚至烧毁。 本设计中,放电通路由电池正极经由 +,-.、/ 0$ 到地,再经 +.1.到电池负极。为安全 起见,放电电流选为 2 3 (4 即 ’%%5"),/ 0$ 选用场效应管 -+67$%,因此,! ,8. 9(* : ’ ; $ ( % ; &)/ 3 % ; ’" 9 *4!,实际选用 *$!3 ’< 的电阻器。 4 ; 电路实现 按上述原则设计的由 !"#$%%& 构成的镍镉电池快速充电器实用电路如图 ’ ( ) ( *$ 所示。利用该电路可对 * 节 4%%5"·= 的 "" 型镍镉电池实施快速充电,充电电流约为 4%%5"(即 ’2)。交流变压器为 ’%/ 3 ’4<,对充电常数有关键影响的电阻器 +>’、+>$ 和 +’、+$、+& 都选用精确的 4 环金属膜电阻器,+.1.则由两只 % ; ?*!(’ 3 *<)的电阻器并联 而成(% ; ?*’ 的电阻器用欧姆表从多只 ’! 电阻器中筛选出来);电感器的参数为 ’%%5@A 3 ’"。 当待充电放置好后,接通电源,如需放电,则按下按键“"1”,电池即开始以 ’%%5" 左 右的电流放电。直到 !"#$%%& 的"脚检测到单节电池的电压低于 ’/,则放电终止,然 后转入正常的快速充电过程。 +> 和 2> 组成一个简单的低通滤波器(须满足 ! > : "> B $%%5C),以消除可能出现的 高频噪声,使 >"0 端检测到的电压更平稳,充电过程更可靠。其电路具有以下特点: #图 ’ ( ) ( *$ 所示的电路可对 * 节 "" 型镍镉电池实施快速充电,充电电流约为 4%%5"(即 ’2 速率),充电过程实现自动化。 $对于放置时间过长、电压低于放电终止电压(一般为 ’/)的电池,该电路会首先自 动对其进行脉冲方式充电,以消除其内部的树状结晶,待电池电压上升到 ’/ 以上时,再 开始快速充电。这有助于消除电池的记忆效应,恢复其容量。 %该电路还可利用补充充电( 0DEFD66)方式,在快充结束后,以大约为快充电流 ’ 3 7 大小的小电流对电池充电,这种方式是采用开 % ; 4C、关 % ; &C 的脉冲调制方式,有助于减小 电池内部发热,增加电池的储能效果。 & !"#$%%& 还可以对镍氢电池进行快速充电,但不能采用图 ’ ( ) ( *$ 所示的电路, 因为镍氢电池没有 ( ’# 现象。对镍氢电池充电时,应该主要用 ’$ 3’#(温度斜率)法 和最高电压法监视快速充电过程。 · &77 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第三节 国外其他公司开关电源典型模块 一、!"#$%%& 系列 !"#$%%& 系列 !’ ( !’ 转换器是美国 )*+, 公司推出的一种高强度、高可靠性的转 换器,采用高强度、高可靠性设计,具有很低的温度系数,超宽的铝线设计增强了电路的可 靠性,可抵抗 -%%%. 的冲击力,输出和输出调整端能承受高于 /-0 的电压,关闭端和所有 的同步端能承受高于 -%0 的电压。 !"#$%%& 系列转换器内含开尔芬感应、短路保护、远距离关断、输出错误监测、接通 电压调整、开关频率同步、!型输入滤波等电路。 !"#$%%& 系列是一个电流型推拉拓扑结构转换器,工作频率为 -%%123。其输入和输 出的内部滤波电路省去了应用中的外接电容。 4# 引脚的 5674#8 封装结构采用真空密封,与内部电路绝缘,可连接到散热器上。 4 9 外形图及主要参数 !"#$%%& 系列 !’ ( !’ 转换器的外形图如图 8 : ;/ 所示。其主要参数如表 4 : 8 : ; 所列。 项目 型号 输入电压范围( 0) 输入电压( 0) 图 4 : 8 : ;/ 外型图 表 4 : 8 : ; !"#$%%& 系列主要参数 !"#$%/& <=> ?@A ?@A ?@A ?@A ?$#11 @ =>?$#1# =>?$#11 和 =>?$#1# 是微功率的双极性单片集成电路,主要用于精密电压检测和精 密电压产生。这两种集成电路分别由精密基准电压、比较器和一对输出缓冲 @ 驱动器组 成。当加至 =>?$#11 预置门限输入端( ABC,DBEFG)的电压低于 1 9 10H 时,具有 7(2 的输 出限流功能。图 1 < 7 < 36 是 =>?$#11 的功能框图。当输入 =>?$#1# 预置端的电压大于 · &4% · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " !#$ 时,它为一饱和晶体管输出(无限流)。图 ! % & % ’& 是 ()*+,!, 工作框图。这两个 电路,当预置输入端电压大于 ! " !#$ 时,输出级饱和,并具有可控低电流回差。()*+,!! 和 ()*+,!, 可用于不同输出电压档次的应用场合,并可用作温度检测元件。 图 ! % & % ’- ()*+,!! 功能框图 图 ! % & % ’& ()*+,!, 工作框图 ()*+,!! . ()*+,!, 也可用于各种电压检测、电源故障检测、稳压器、可编程基准电压 和恒流源等应用场合。下面主要讨论 ()*+,!! . ()*+,!, 在各种电源电路中的应用。其 主要优点是可使电源在很低的电压和电流下工作,而普通的标准电源又不能适应这些工 作场合。同时, 由于 ()*+,!! . ()*+,!, 的独特特性,使得它们在许多辅助电路,如电流源、过压保 护、可编程基准电压源和电源故障保护中应用非常广泛。 ! " 正极性输出稳压电源 采用 ()*+,!! . ()*+,!, 可以设计一系列低电压输入、低压差输出的稳定电源。这在 低功耗的电路板上、低输入 . 输出电压应用场合特别有用。 图 ! % & % ’+ 所示的 ()*+,!! 具有提供基准参考电压和采用 $ /0 作为输出的扩展功 · 21! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $% 采用 &’& 管扩展输入的正极性输出稳压电源 能。电阻 (! 决定 )*+%,!! 的输出电流,*!、*, 用以使电路稳定工作,并可起抑制输入到 输出的瞬态变化。(,、(- 用以决定输出电压 ! ./0。 ! ./0 1 ! 2 !(3 " , 4 " -)5 " 同时,(,、(- 为 6 7! 提供一个小维持电流,以确保电路稳定工作。当输出电压可调 时,可将 (, 或 (- 改为可变电阻。当 (, 可变时,输出电压随 (, 转动角度呈线性变化。 但是当 (, 开路时,输出电压将上升。所以,一般使 (- 为可调,这样可使电路输出不致于 由于 (- 断开而使输出电压上升,从而达到保护作用。 6 7! 的选择取决于输出的需要。 )*+%,!! 在最差的情况下,它的最大输出电流为 $89,所以选适当的 6 7!,可输出 3:89 电流,并使输入、输出间压降为 : 2 36。如果要使 输出电流更大,6 7! 可采用复合管,但电源的输入、输出电压差将增加。 需注意的是,电路中的 6 7; 具有反相作用,所以使用时,应使用 )*+%,!! 的同相输出 端,以确保电路具有负反馈作用。 应注意图 ! " # " $% 在实际使用时,)*+%,!! 的最大工作电压为 -:6。采用图 ! " # " $< 所示电路,可使供电电压更高。 图 ! " # " $< 采用结型插效应管加大输入电压范围电路 在图 ! " # " $< 所示电路中,输入电压的最大值取决于 6 7; 的额定值,输入、输出电 压降取决于 6 7; 管 的 内 阻 " =(> ?’)。例 如,6 7; 选 用 )’$- 所示。它的封装形式及管脚如图 7 ; < ; !" 系列 #$# 器件的内部结构 图 7 ; < ; : 3 $7 和 2?% > ( 3 27,开关频率为 ’:@AB。该电路的 C 2?% 直流输出可由线性光耦合器 #2"D(1 %$(-、可 · ?:5 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 调精密并联稳压器 !"#$% 和电阻 &’ 所组成的闭环负反馈回路进行精确地控制。而 () 输出则可通过调整变压器次级绕组的匝数来获得。 在变压器原边并联的 &%、)*% 和 +$ 为缓冲电路,用以消除变压器原边关断瞬间形 成的反向电压。当 , ’#) 电压发生变化时,在电阻 &(、&# 分压处得到的取样电压将与 !"#$% 提供的电压进行比较,其误差电压将使 -.* 的工作电流产生相应的变化,从而通 过光耦改变反馈极电流的大小,然后调节 /0/ 的输出占空比。这样即可使电源输出电压 维持不变而达到稳压的目的。 $ 1 !"$(%% 美国快捷公司生产的 0+/02/ 次边监控芯片 !"$(%% 是一种改进型的固定频率 032 控制 4+。用其设计 0+ 电源,是目前比较理想的选择。 (%)引脚功能及主要特点 !"$(%% 采用 ’’ 脚 *40 封装,引脚排列如图 % 5 6 5 6# 所示。!"$(%% 主要由振荡 器、误差放大器、032 比较器、过电压保护(7)0)与欠电压保护( 8 )0)电路、遥控开 9 关 控制电路、电源好(0:;<= >::?)信号产生器和精密参考电压等单元电路所组成,引脚功能 如表 % 5 6 5 ( 所示。 图 % 5 6 5 6# !"$(%% 引脚排列 脚号 ! % ’ ) + / 1 3 6 "#7 名称 )++ +720 .9"5 .9", D&.2 &.2 &D +D *.D D0> 0> · #A# · 表 % 5 6 5 ( !"$(%% 引脚功能 !!!!!!!!!!!! 功能 电源电压 误差放大器(. 9 ")输出 . 9 " 反向输入 . 9 " 同相输入 遥控开 9 关延迟 遥控开 9 关输入 振荡器频率设定电阻 振荡器频率设定电容 欠电压检测输入 电源好(0>)信号延迟 电源好信号输出 脚号 "#$ "#& "#( "#* "#, "#. "#0 "#2 "45 "47 "4$ 名称 )=<@ )$ 1 $ )( )%’ 0D D8)0 >E* *D+ +’ . +% 功能 ( 1 A$) B ’C的参考电压 $ 1 $) 输出的 7)0、8 )0 输入 () 输出的 7)0、8 )0 输入 %’) 输出的 7)0、8 )0 输入 另外的保护输入 +)0 延迟 信号地 死区时间控制输入 输出驱动 功率地 输出驱动 www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" (!)"#$%&& 的主要特点 !只需很少量的外部元件就可以组成性能优良的 ’()’ 辅助电路。 "固定频率、可变占空比电压型 (*) 控制。 #利用死区时间控制实现软启动。 $为推挽操作对偶输出,每个输出晶体管的电流容量为 +,,-#。 %对于 ’)(’ 的 . $ / $0、. %0 和 . &!0 输出,具有 10( 和 2 0( 功能。 &遥控开 3 关控制功能。 ’为监视电源电压,使微处理器安全操作,内置电源好信号产生器。 (精密电压参考,容差为 4 !5(6 / 70!089:!% / &0)。 )电源电压 0;;为 &6 < $,0,待机(’=>?@AB)电流(C;;)典型值是 &,-#。 ($)工作原理 "#$%&& 是固定频率 (*) 控制 CD,内部线性锯齿波振荡器的频率由 CD 脚’外部电 阻 E= 和脚(外部电容 D= 设定: ! FG; H &/& "= I #= (& J K J $&) "#$%&& 的 (*) 控制电路如图 & J K J K% 所示。图 & J K J KL 为其工作波形。误差 放大器用于感测电源输出电压,它的输出连接到 (*) 比较器的同相输入端。死区时间 控制比较器有一个 , / &!0 的失调电压,以限制最小输出死区时间。(*) 比较器为误差 放大器调节输入脉冲宽度提供了一个手段。当振荡器定时电容 D= 放电时,在死区时间比 较器输出上产生一个正脉冲。时钟脉冲控制触发器,并使输出晶体管 0 M& 和 0 M! 禁止。 为使 0 M& 和 0 M! 推挽工作,脉冲控制触发器将调制脉冲对准 0 M& 和 0 M! 中的一只晶体 管,其输出频率是振荡器频率的一半。 图 & J K J K% (*) 控制电路 输出 (*) 通过 D= 上的正锯齿波与两个控制信号中的任意一个进行比较完成。或 非(N1E)门驱动输出晶体管 0 M& 和 0 M! 使能,此情况仅当触发器时钟输入为低电平时 发生。随控制信号幅值的增加,输出脉冲宽度相应变窄。控制信号是电源输出的反馈输 · 6,% · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 图 ! " # " #$ 工作波形 入,亦即误差放大器输入。 %&’(!! 的软启动电路如图 ! " # " ## 所示。软启动的目的是防止 )*+) 的输出 (’ , ’- . (- . !/-)在启动时上升太快,达到 0-+ 电平。在主电源开始接通时,死区时间控 制电压为 ’-,尔后进入低态。低态电压由 1! 和 1/ 决定: 图 ! " # " ## 软启动电路 由于 ! 234!(-," !!5#6!," / !!%!,故 ! 078(90:)!!;(<-。在软启动过程中,电 源辅出上升时间典型值是 !(<=, 输出占空比从最小到最大变化。 如果遥控电压为“高(>)”态时,死区时间控制电压通过 ?8 内 ’<& 的电流源保持在 ’-( @ ’<& A "(/ !6!))。当遥控电压变为“低(9)”态时,死区时间控制电压将从 ’- 变为 ;-。 输出电压调整电路如图 ! " # " #B 所示。 C (- 和十 !/- 的输出电压由 1!、1/ 与 1’ 及 15 的电阻比确定。如果输出电压( C (- 或 C !/-)升高或降低,%&’(!! 通过 +:* 控 制比较器信号和误差放大器输出,使主电源开关的占空比相应变化,实现 )*+) 输出电压 的调节。1( 与 8! 组成补偿电路,以使系统稳定。 0-+ 电路如图 ! " # " #D 所示。 0-+ 功能通过 ?8 脚 "#$、脚 "#% 和脚 "#& 分别连接到 )*+) 次边 C ’ , ’-,C (- 和 C !/- 的输出实现。?8 内部电阻 1! 与 1/、1’ 与 15 和 1( · 5;$ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " #$ 输出调节电路 图 ! " # " #% &’( 电路 与 )* 的电阻比与参考电压 ! +,-决定每一个 &’( 电平。例如,. / 0 /’ 输出的 &’( 门限 电压为: ! &’((! . / 0 /’)1 "! . "2 "2 3 !4 1 "! . "2 "2 3 ! +5- 1 6 0 !’ (! " # " //) 同理,)/ 与 )6、)7 与 )* 决定的 . 7’ 和 . !2’ 输出的 &’( 电平分别是 * 0 2’ 和 !6 0 2’。 89 脚!"#((:)是 &’( 比较器的另一个保护输入,&’( 电平由 (: 外部电阻 );<;和 );=> 决定(典型值是 ! 0 !7’)。 ?4/7!! 的 @ ’( 电路如图 ! " # " $A 所示。该电路由带三个输入的 @ ’( 比较器及 )! 与 )2、)/ 与 )6 和 )7 与 )* 电阻分压器组成。对于 BC(B 次边 . / 0 /’、. 7’ 和 . !2’ 的三个输出,每一个 @ ’( 电平分别是 2 0 /’、6’ 和 !A’。 图 ! " # " $A @’( 电路 ?4/7!! 的遥控开 D 关及延迟电路如图 ! " # " $! 所示。这部分电路利用微处理器控 制。如果有一个大信号施加到 89 脚$,比较器输出高电平,并被传送到开关延时电路和 电源好((E)电路。如果没有信号施加到脚$,脚$则保持 7’ 的高电平。当 )FC(脚$) 1“G”时,在经过约 $HI 的开通延时之后,(JC 1“G”,主 BC(B 关断。当 )FC 1“K”时, 在经过约 26HI 的延时之后,(JC 1“K”,主 BC(B 工作。 图 ! " # " $2 为 ?4/7!! 的 ) D B 触发器电路。) D B 触发器由 &’(、@ ’( 和一些延迟 · 6A# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $! 遥控开 % 关及延迟电路 的遥控开 % 关信号控制。如果 &’( 或 ) ’( 输出是高电平,触发器置位信号则为高态, (*+ 亦为“高”,主电源关断。当遥控信号是高态时,它的延迟输出信号施加到 , % - 触发 器的复位端口,导致置位为低态,从而使输出 ! 是低态。在这段时间中,(*+ 通过延迟 的遥控高信号保持在高态。在主电源被 &’( % ) ’( 和通过遥控初始化关断之后,如果遥 控信号变为低态,主电源则开始工作。 图 ! " # " $. , % - 触发器电路 /012!! 的电源好信号产生器电路如图 ! " # " $1 所示。电源好信号产生器电路产 生依赖于输出电压状态的“开”与“关”信号。当 34 脚!"#上的输出 (5 6“7”时,意味着电 源是“好的”;当 (5 6“8”时,则表示电源出现故障。当电源接通时,为稳定输出,在经过 约 .29:; 的延时之后产生 (5“高”信号。当电源切断时,为保护下面所跟随的系统,通过 检测电源状态产生 (5“低”信号,并且没有延迟。 比较器 4&+(! 和 4&+(. 分 别 用 作 检 测 < 2’ 和 ’44 电 压。 ’44 检 测 点 电 压 为 !# = .’,脚$(>?@)外部电阻 ,!! 和 ,!. 的取值应符合下面的要求: " >?@ 6 ! = .2 A(! < # # !! !. )6 !# = . (! " # " 1B) 当 < 2’ 的输出降至 B = 1’ 以下时,为提高系统稳定性,比较器 4&+(1 产生不带延迟 的 (5“低”信号。当遥控开 % 关信号是高态时,则产生不带延迟的 (5“低”信号。在主电源 被接地之前,(5 就变为低态。 · B9$ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $% 电源好信号产生器电路 &’ 延时时间( ())由 *+ 脚!( (&’)外部电容 +&’、+,-&% 的门限电压 ! ./和充电电 流 "0/1决定: #) 2 "! " 0/1 2 $ &+ 3 ! ./ " 0/1 2 4 5 43 !$ 446789 (! " # " %6) (:)应用电路 ;<%6!! 只需外加很少量的元件,即可在 =-&= 的次边组成功能齐全的 =-&= 辅助 电路。;<%6!! 的典型应用电路如图 ! " # " $: 所示。在图 ! " # " $: 所示的 =-&= 次边 监控电路中,;<%6!! 的脚#$%、脚#$&和脚#$’分别连接 &+=-&= 的 % 5 %>、6> 和 !4> 的次边 输出端,以履行 ,>& 和 ? >& 功能。*+ 脚(通过外部电阻分压器感测 =-&= 次边 6> 和 !4> 的输出电压,并与脚)内部 ! 5 46> 的参考电压进行比较,其输出和 &@- 比较器的控 制信号调节主电源开关的占空比,以使输出电压稳定。*+ 脚*与脚)之间在外部连接的 A+ 网络,用于误差放大器输出与反相输入之间的补偿。*+ 脚+为遥控开 B 关输入,脚, 外部电容用作遥控开 B 关延迟。脚-外部 !4C. 的电阻和脚/外部 7 5 7!0D 的电容,用于 设定 *+ 振荡器频率。脚1可通过外部电阻分压器对 >++进行欠电压检测,脚!外部电容 (4 5 40D)用于电源好(&’)信号延迟,脚+外部电容(4 5 4ED)用于 ? >& 延迟。 四、F:G#7< F:G#7< 大功率 &@- 开关稳压电源芯片是意法公司(=’=H(/I89IJ)的第二代新品, 它的最大特点是直接输出 !7< 大电流,具有过流、过热、软启动等完备的保护功能,因而 用它实现的电源简单可靠。下面首先给出该芯片的主要性能特点、封装和关键外围元件 参数选择等,重点介绍由该芯片实现的双路 !7< 输出电压可调的开关稳压电源工作原 · :7G · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $% &’()!* 应用电路 理、具体电路、调试安装和注意事项等。 ! + ,%-#.’ 简介 ,%-#. 系列是意法公司继 ,%-/. 系列之后新推出的单片开关式稳压器。它是采用 0123 开关功率管、混合式 4123、双极型晶体管等集成电路制造新工艺研制而成的。 ,%-#.’ 是其中的代表,其主要性能特点如下: !输出电流大,最大可达 !.’,适宜制作 5.. 6 %..7 大功率单片开关稳压电源。 "开关频率高,可达 %..89:,常选 5..89(: 允许 ; 5.89: 偏差),从而提高电源效率, 减小滤波电感体积。 #输入、输出压差低,可降到 ! + !< 左右,自身耗能低,电源效率高。对于 ! => ? ).<、 ! @ ? %.<," @ ? !.’ 的电源,效率可达 -5 + )A 。 $输入电压范围宽,正常值为 !) 6 ).<,极限值为 !! 6 ))<。输出电压控制灵活,可 在 ) + ! 6 %.< 范围内连续调整。若直接从 ! @ 反馈,可得到固定 ) + !< 输出。典型电压调 整率 # < ? )B<,负载调整率 # C ? !)B<,输出纹波 !! ? (.B<,纹波抑制比为 /.DE。最 大限流值由内部电路限定。 %除软启动、限流保护,过热保护等完善的保护电路外,还增加了欠压锁定、F71 锁 存、掉电复位等电路。 · %!. · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !误差放大器开环增益大于 !"#$,电源电压抑制比 !" ## % &"#$,输入失调电压为 ’()。 ’ * 管脚功能 +,-."/ 采用 012345 封装,管脚排列如图 4 6 . 6 &5 所示,内部原理框图如图 4 6 . 6 &! 所示。 图 4 6 . 6 &5 +,-."/ 管脚封装与排列 图 4 6 . 6 &! +,-."/ 内部原理框图 各管脚功能如下: "脚和#脚:分别接锯齿波振荡器外部定时电阻 78 和电容 98。 $脚:复位输入端,接内部复位和掉电电路,此端电压需设定成 5 * 4),可通过电阻分 压器接 $ :;或 $ <,监视 $ :;或 $ < 是否掉电。若不用,须经 =">%电阻接&’(脚。 · ,44 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 ###################################################### !脚:复位输出端,集电极开路输出,常态下输出呈高电平。 "脚:复位延迟端,外接复位电容 !",以决定复位信号的延迟时间。 #脚:自 举 端,经 自 举 电 容 !# 接 至 ! $ 端,可 提 升 功 率 驱 动 级 的 电 压,增 加 驱 动 %&’( 开关功率管的能力,获得大电流输出。 $脚:输出端 ! $,固定输出 ) * +, 电压,可调输出时需外接电阻分压器给!脚。 %脚:公共地 -.% 与小散热器连接。 &脚:输入端 ! /0。 ’脚:频率补偿端,外接 1! 网络,对误差放大器进行补偿。 ()*脚:反馈输入端,直接接 ! $ 端时输出电压 ! $ 为固定的 ) * +,,如果经分压器分压 时,! $ 可获得 23, 以下的输出电压。 ()+脚:软启动端,外接启动电容 !4,以决定软启动时间。 (),脚:同步输入端,用于多片同时使用。 ()-脚:内部 ) * +, 基准电压输出端。 ().脚:驱动级启动电路的引出端,接内部 +5, 基准电压。 6 * 电路原理与工作过程 如图 + 7 8 7 9: 所示,;2<83= 芯片内部主要由基准电压源、锯齿波发生器、23>?@ 振 荡器、误差放大器、AB& 比较器、AB& 锁存器、驱动级、%&’( 开关管、两级或门构成触 发器、或非门、欠过压检测、限流取样电阻 14 限流比较器,过热保护电路、软启动电路以及 掉电复位电路等组成,工作过程如下:首先把输出电压 ! $ 经 1+、15 和 1C 组成的取样电 路提供的反馈电压 ! D 和 ) * +, 基准电压进行比较,产生误差电压 ! E;再将 ! F 进行比较, 获得 AB& 信号。该信号经或非门驱动 %&’( 功率管,最后利用外接的 ;、,%、! 构成的 降压输出电路得到稳定输出电压。在图 + 7 8 7 9: 中,将输入电压 ! /0加到锯齿波发生器 上,目的是提供一个前馈信号,使器件在很宽的输入电压范围内具有良好的稳压性能。 2 * 关键外围元件参数选择 当开关频率 " 取 +33>?@、533>?@、)33>?@,定时电阻 1G 取 +:>/ 时,定时电容 !G 分 别取 2 * 80H、5 * 50H、:93CH。输出电压为: ! $ I( # + J #$ J # 5)K ) * + L #(5 ! ) (+ 7 8 7 6:) 式中:# 5 一般取 2 * 8>/,# +"53/,电位器 1A 取值视输出电压的大小和调整范围而 定,最大不超过 23>/。开关频率 " 和自举电容 %# 的对应关系如下:+33>?@、3 * 660H, 533>?@、3 * 550H,)33>?@、3 * +0H。储能电感 ; 一般取 23 M +)30?。电源的效率和输出电 · 2+5 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 ###################################################### 压 ! ! 的关系是:当 ! !!""# 时," $ %&&’(),! $ *"+ ;当 " $ "&&’() 时,! $ *,+ ;当 " $ -&&’() 时,! $ *%+ 。 % . 基于 /,*0&1 实现的双路 -&1 输出电压 图 - 2 0 2 30 一双路 -&1 输出电压可调的开关稳压电源电路 该开关稳压电源是为某半导体致冷装置的电源系统设计的,具体电路如图 - 2 0 2 30 所示。它主要是由两片 /,*0&1 芯片和一片 03&% 芯片组成。两片 /,*0&1 芯片及其外围 电路组成两路 -&1 输出且电压在 % . - 4 ,&# 之间的可调稳定电压,分别为两个串联的半 导体致冷器件提供电源。一片 03&% 及其外围电路产生精确的 5 %# 电压,为半导体致冷 装置的单片微控器提供电源。为了避免干扰,将两片 /,*0&1 的同步输入端"脚短接,这 样它们就共用一路由 678 芯片锯齿波振荡器产生的开关频率 " ," 的大小由 9,、7* 的参 数确定,按图中参数 " 为 "&&’()。/:;- 和 /:;" 两发光管分别用于两路正常输出指示。 两片 /,*0&1 的其余部分完全相同,故仅对 67- 外围元件进行简单介绍:7-、7" 为输入滤 · ,-< · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 波电容,亦可用一只 !"##!$ % &#’ 电解电容代替,()、(* 构成分压器,以设定复位阈值电 压 ! +,值,图中 ! +,为 ))’,即输入 ! +,!))’ 时,输出 ! - 为 .’,且复位输出也为 #’。 /0、/1 分别是芯片内部 2 )*’ 和 2 & 3 )’ 基准电压滤波电容。/& 为软启动电容,/! 为复 位延迟电容。/"、(0 是误差放大器的频率补偿网络。/4 用于高频补偿。(1、/5 是确定 两个芯 片 开 关 频 率 的 定 时 电 阻 和 电 容。 /)# 为 自 举 电 容。 ’6 是 续 流 二 极 管,采 用 7(8*#"(# *#9 % "#’)肖特基整流共阴极对管,仅用其中一只,另一只备用。/)) 和 (& 构 成吸收网络,用以限制储能电感 , 在内部功率开关管关断瞬间产生的尖峰电压和 : " % : #, 保护功率管和续流二极管不被损坏。/)* 为输出滤波电容,采用三只 **#!$ % &#’ 电解电 容并联,使其等效电感大为降低,(;)、(" 和 (5 构成分压器,为"#$脚提供反馈电压 ! <,以 确定输出电压 ! .)的大小,调整电位器 (;) 使输出电压 ! -)在 & 3 & = 1#’ 之间变化。同 理,调整电位器 (;* 使第二路的输出电压 ’-*也在 & 3 & = 1#’ 之间变化。 ! 3 设计时注意事项 %两片 ,154#9 芯片的信号地和功率地应分别在各自的输出端汇合后再连接在一 起,以减少热噪声干扰。 &应采用体积小、效率高的黑色叉指式或筋片式散热器,且尽量远离电源变压器和其 他大功率器件,以提高散热效率。 经实测,当该电源的输出电压大于 *#’ 时,两路效率均在 5#> 以上,整个电源的体积 要比用线性器件时缩小 ) % 0。 五、,915!# ) 3 特点及引脚功能 ,915!# 是 ?@?ABC.7?.D 公司生产的集成电路。其主要特点有:转换效率高,一 般为 4&> = "&> ,最高可达 5#> ;输出电压范围宽,而且连续可调(& = 1#’);具有软启 动、过流限制及过热保护功能;外围元件少,制作方便。与一般常用的 , 70)4 可调输出稳 压集成电路组成的稳压电源相比,该稳压电源所用的电路元器件稍多一些,但输出电压范 围宽,输出电流大,节电显著。 ,15!# 是一种降压式 6/ % 6/ 变换器集成电路,其封装及引脚排列如图 ) E 4 E "" 所 示,各引脚功能见表 ) E 4 E !。 · 1)1 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!! 引脚 ! 5 9 & 符号 +,67 63 =>? 图 ! " # " $$ %&’() 引脚排列图 表 ! " # " ( %*’() 各引脚功能 功能 引脚 符号 功能 电源输入端(’ . &(/) 0 123 振荡器外接 43(并联)到地 输出电压反馈端 ( 误差 放 大 器 频 率 补 偿 端,外 接 # 43(串联)到地 地 22 软启动外接电容端(5 8 5 . & 8 #/) +:;< 输出 5 8 典型应用 (!)0 . !0/ 连续可调稳压电源电路 0 . !0/ 连续可调稳压电源电路如图 ! " # " $’ 所示。市电经变压器 @ 降压、/?! . /?& 二极管整流、3! 电容滤波后,得到的直流电压输入 %&’() 的!脚。"脚接在由 AB、 49 组成的分压器的中点,反馈输出电压的变化。AB 与 49 的电阻值确定输出电压。输出 电压 ! :;<与 A!、49 的关系为 ! :;< C(! D " ! E # 9)F 0 8 !/,式中 0 8 !/ 为 %&’() 内部的基 准电压。#脚接 3&、45 及 30,用作频率补偿。$脚接地。%脚接 39、4! 并联电路,它确 定振荡器工作频率。&脚接电容 39,使电源具有软启动功能。’脚为输出端。 图 ! " # " $’ ! 8 &’() 构成的 0 . !0/ 连续可调稳压电源电路 (5)固定输出电路 · &!0 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 若将 !" 改成电阻 #$,则可组成固定输出稳压电源。其阻值可根据输出电压 ! %&’的 值来确定。输出电压确定之后,#$ 的阻值可由公式 ! %&’ ((" ) " $ * " +), - . "/ 计算出 来,式中 " + 可取 $ . 01!。 (+)元器件的选择 /2" 3 /2$ 可采用工作电流为 +4 的整流二极管,也可采用 +4 * -5/ 全桥器件。/2- 必须采用工作电流为 -4 的肖特基二极管。电感 6 的饱和电流要大于 -4,工作频率大于 "55178。9:、90 应采用等效串联电阻小的优质电解电容。等效电阻不仅影响转换效率, 还会影响输出纹波电压。电位器 !" 最好采用多圈电位器,或用一个 "51!单圈电位器和 一个 "55!单圈电位器串联来代替。"51!电位器用作粗调,"55! 电位器用作细调,其他 元件可按图中标注参数选取。6$;:5 要加尺寸约为 <==+5 , -5== 的散热片或相应的型 材散热片。 在设计印刷电路板时,应注意图中粗线是大电路走线,其宽度应不小于 +==(最好取 $ 3 -==)。/2-、9:、90 应焊在粗线上。 六、6 ><-0- 6><-0- 系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的 "4 集成稳压电路。 它内部集成了一个固定的振荡器,只需极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路,可大 大减小散热片的体积,而在大多数情况下不需散热片;内部有完善的保护电路,包括电流 限制及热关断电路等;芯片可提供外部控制引脚,是传统三端式稳压集成电路的理想替代 产品。 该产品分为 6 >?-0-、6 ><-0- 及 6 ><-0-7/ 三个系列,其中 6 >?-0- 为军品级产品, 6 ><-0- 为标 准 电 压 产 品,6 ><-0-7/ 为 高 电 压 输 入 产 品。每 一 种 产 品 系 列 均 提 供 + . +/、-/、"、J 表示。对于 -/ 输出的 6 ><-0- 产品不同的封装形式,其完整表示分别 为 6 ><-0-AC- . 5、6 ><-0-AC- . 5 F?%G 6H5+、6 ><-0-IC- . 5、6 ><-0->C- . 5 及 6 ><-0-JC- . 5。 " . 6 ><-0- 系列开关稳压集成电路芯片的主要参数 该系列芯片的主要参数有: 最大输出电流:"4; · $": · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 最大输入电压:! "#$%$ & ! "’$%$ 为 ($),! "’$%$*) 为 +,); 输出电压:, - ,)、$)、#’)“、)、./(0 可调); 振荡频率:$(1*2; 最大稳压误差:(3 ; 转换效率:%$3 4 553(不同的电压输出的效率不同); 工作 温 度 范 围:! "6$%$ 为 7 $$8 4 9 #$:8,! "’$%$ & ! "’$%$*) 为 7 (:8 4 9 #’$ 8 。 ’ - 引脚功能 图 # 7 % 7 ;: 是 ! "’$%$ 集成稳压器的两种引脚排列图,其中: ) < =:未稳压电压输入端; >? @A? @:开关电压输出端,接电感及快恢复二极管; B = /:公共端; CDD/E.FE:反馈输入端; >= & >CC:控制输入端,接公共端时,稳压电路工作;接高电平时,稳压电路停止。 图 # 7 % 7 ;: 引脚排列图 , - 基本原理 ! "’$%$ 的内部框图如图 # 7 % 7 ;# 所示。该框图对应于 @>G’’: 封装的引脚。其中 H# 为 #1!(./0 时开路),H’ 分别为 # - %1!(, - ,)),, - #1!($))、5 - 5(1I(#’))、## - ,1! (#$))和 :!(./0)。可以看出,! "’$%$ 内含 $’1*2 振荡器、基准电路、热关断电路、电流 限制电路、放大器、比较器及内部稳压电路等。 将稳压输出的电压接到反馈输入端的目的是为了同内部电压基准比较,若电压偏低, 则用放大器来控制内部振荡器以提高输出占空比,从而提高输出电压。 · (#% · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $! %&’(#( 的内部框图 ) * 设计注意事项 在利用 % &’(#( 设计电路时,应注意以下几点(以 % &’(#(+,( * - 为例)。 (!)电感的选择 根据输出的电压挡次、最大输入电压 ! .(/ 012)、最大负载电流 " 341(5 012)等参数选择电感 时,可参照相应的电感曲线图来查找所需采用的电感值,如图 ! " # " $’ 所示。 图 ! " # " $’ 电感曲线图 (’)输入输出电容的选择 输入电容应大于 )#!6,并要求尽量靠近电路。而输出电容推荐使用的电容量为 !-- 7 )#-!6,其耐压值应大于额定输出的 ! * ( 7 ’ 倍。对于 (8 电压输出,推荐使用耐压值为 !98 的电容。 (:)二极管的选择 二极管的额定电流值应大于最大负载电流的 ! * ’ 倍,但考虑到负载短路的情况,二极 管的额定电流值应大于 % &’(#( 的最大电流限制。另外,二极管的反向电压应大于最大 · )!; · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 输入电压的 ! " #$ 倍。 $ " 典型应用 图 ! % & % ’( 为 ) *#$&$ 的典型应用电路。它具有稳定的电压输出,如果需要负电压 输出,可将其输出反接。 图 ! % & % ’( )*#$&$ 的典型应用 七、) *#$&+,-./ 串联开关稳压器由振荡器、取样放大器、比较器、01* 调制器、功率开关等几部分组 成。稳压器已实现了集成化,使外围电路大大简化,与常见的三端集成稳压器相比,并不 复杂多少。市售的串联开关稳压器 23 种类很多,早期的有 )4’+5、)4’+#、)#’+ 等型号。 管脚数目较多,外围电路较复杂。美国 67 公司推出的 ) *#$&+,-./ 为单片降压式开关 电压调整器,它采用 89,##5 封装,只有 $ 只管脚,外形和一只塑封晶体管差不多,它是同 类产品中最简单的一种。) *#$&+,-./ 的引脚排列及功能框图如图 ! % & % ’4 和图 ! % & % ’$ 所示。 图 ! % & % ’4 )*#$&+ 的引脚排列图 ) *#$&+,-./ 是输出电压可调型的,其技术参数如下: !输入电压为 ( " $ : 45;; "输出电压为 ! " #( : (&;; #输出电流为 (-; $只需 4 个外部元器件; %内部振荡器固定频率为 $#<=>; &高效,具有 8 8 ) 关闭能力,低功率备用状态; · 4!’ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $% &’(%#) 的功能框图 !具有热关闭和限流保护功能; "可采用现成的标准电感器; #* + 经过产品增强试验。 由此可见,& ’(%#),-./ 不仅电路简单,且性能也十分优越,是目前最优秀的降压式 开关电源稳压器之一。采用该集成块,可设计制作出双路输出的稳压稳流电路,兼有电压 和电流两种输出,宽范围连续可调,电压输出为 ! 0 (1 2 134,电流输出为 (%5- 2 !-,完全 能满足大多数电路实验、测试和检修的需要。 八、& ’()#6 & ’()#6 单片集成电路是一种电压变换器,即 .7 8 .7 开关电路。可以为配电稳压块 提供各种功能。它通过一个低阻尼 .’9: 电源获得高效率,最大输出电流可达 %-,输出 电压可以为 1 0 14、%4、!(4 或可调输出。 这种电压转换器的内部是由很少数量的元器件组成的,采用高频振荡技术,使该产品 的体积小、速率高、功能强,在 .7 8 .7 电源设计中,选用 & ’()#6 单片集成电路可以大大 简化设计步骤及减少元器件的个数。 & ’()#6 系列产品具有过热保护功能和限流短路保护功能。输入、输出电流是由一 个静电流能调节到低于 %3$- 的旁路控制电流进行控制的,输出电压精度优于 ; (< ,时 钟频率误差为 ; !!<。 ! 0 特点 %设计简单容易。 &!(35’.’9: 开关输出。 (1 0 14、%4、!(4 的固定输出电压及 ! 0 ( 2 1#4 的可调输出电压。 · =(3 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" !开关关断时的备用电流为 !""#。 #输出最大误差 $ %&。 $输入电压为 ’ ( )"*。 %固有振荡频率为 %+",-.。 &工作点温度范围为 / )"0 ( 1 2%!0。 ’效率高。 % 3 指标 4 5%+6’ 的各系列技术指标见表 2 / 6 / 6、表 2 / 6 / ’、表 2 / 6 / 7。 表 2 / 6 / 6 4 5%+6’89 3 9* 技术指标 名称 代号 测试条件 输出电压 ! :;< ! => ? ’ ( )"*,2""@#! " :; ? 2%*," :;< ? !# 典型值 939 ’3% 最小 9 3 %9) 最大 9 3 9++ 单位 * & 表 2 / 6 / ’ 4 5%+6’8! 3 "* 技术指标 名称 代号 测试条件 输出电压 ! :;< ! => ? ’ ( )"*,2""@#! " :; ? 2%*," :;< ? !# 典型值 !3" ’) 最小 ) 3 7" 最大 ! 3 2" 单位 * & 表 2 / 6 / 7 4 5A+6’82%* 技术指标 名称 代号 测试条件 输出电压 ! :;< ! => ? 2! ( )"*,2""@#! " :; ? %)*," :;< ? !# 典型值 2% 7% 最小 22 3 6+ 最大 2% 3 %) 单位 * & 其外型结构如图 2 / 6 / 7+ 所示,图 2 / 6 / 76 为 4 5%+6’ 原理框图。 图 2 / 6 / 7+ 45%+6’ 外形结构图 图 2 / 6 / 76 45%+6+ 原理框图 · )%2 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 引脚定义及说明 !脚:开关输出端。此引脚为电压输出端,通过 #$%&’( 开关输出,且 #$%&’( 的 另一极同输入电压相连接,并为电感器、输出电容器和脉冲宽度调制器等负载电路提供电 源,脉宽调制器内部振荡频率为 )*+,-.,转换开关的导通时间和断开时间控制!脚电压 的输出,!脚电压可以在输入电压($/ 时)和低于肖特基二极管外部电压($&& 时)之间 转换。 "脚:开关输入 端。 " 脚 连 接 电 源 的 输 入 电 压,它 除 了 对 负 载 提 供 能 量 之 外,也 为 0 #)*12 的内部电路系统提供偏压,输入电压在 2 3 4+5 之间以确保其正常工作特性。为 了使电源开关有最好的输出特性,通常在"脚上接一个旁路电容。 #脚:接升压电容。在#脚和!脚之间连接一个电容器,此电容器可以升高输入电 压,使内部开关 #$%&’( 完全转换为开状态($/),内部损耗减小到最小,从而提高了电 源的效率,一般情况下此电容值为 + " +6$&。 %脚:接地。%脚为所有电源器件的接地参考点,在快速转换、高电流的应用中,例如 0 #)*12 的扩流应用中,为了减少电路中信号耦合,建议使用宽的接地面。 &脚:空脚。 ’脚:反馈端。’脚输入到双向高增益放大器,用于驱动 78# 控制器。对于固定输 出电压(! " !5、95、6)5 输出),为了满足集成电路内部增益调节的要求,应将’脚接到输 出端。对于可调输出需接 4 个外部电阻器以控制直流输出电压。对于固定输出的电源, 一定要注意电磁干扰。 (脚:开关控制端。(脚控制电源的输出,此脚连接到地或任何一个低于 + " 25 的电 源,则可完全关断电源输出,关断时,电流仅为 9+$:,它的内部关断电流接近 )+$:,有一 个 15 的稳压二极管。当高电位驱动该脚时,其高电位最大不能超过 *5,电源有电压输 出。不需要作开关控制时,该引脚悬空。 4 " 典型应用电路 典型应用电路如图 6 ; 1 ; <2 所示。利用 0 #)*12 集成电路设计 => ? => 电源,很大 程度简化了设计步骤,而且所用元器件也大大减少,给设计者带来很大的方便。在外围元 器件选取上基本按照电路本身的特性及电源的标准要求而确定。具体设计过程可按以下 方法进行。 输出电容器的作用是平稳直流输出电压,降低输出电压的纹波并储存能量,输出电容 器和 ’%@(等效串联电阻)的选择将影响输出感生电压和控制电路的稳定性。 · 4)) · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $% 典型应用电路 在指 定 情 况 下,固 定 脉 冲 频 率 和 输 出 电 容 量 在 反 馈 中 产 生 两 个 尖 峰,另 外 容 值 和 &’( 值会产生漂移,这些频率的变化以及 ) *+,#% 的内部频率补偿将改变闭环系统的增 益和相移。通常对于稳压电源,设计者希望电路有一个统一的增益带宽,即不大于控制器 开关电路的 ! - ,。) *+,#% 的固有频率为 +,./01,输出电容器提供的增益带宽最大不超 过 2./01。 必要时可利用几个电容器并联来减少输出电容器的 &’( 值,减少电压波动或者提高 容值以降低整个电路的带宽增益(小于 2./01)。当需要两个电容器并联时,这两个电容 器应相同。 输出电容器的漏电流和额定电压应充分考虑,一般情况下漏电流越小越好,额定电压 应是电源最大输出电压的 ! 3 4 倍。 输入电容器和输出电容器一样用以改善输出电压纹波,确定方法同输出电容器。但 是在大多数情况下,在输入端有必要增加一个陶瓷电容器,容量为 . 3 ! 5 . 3 2#!6,因为电 源中连接导线和印制电路板上的线路所产生的串联电感能够在输入末端产生振荡信号, 这个信号有可能扩散到输出电路和其他电路中去,从而影响整个电流的性能指标,所以在 输入端接一个电容器可以防止或者限制电路中产生的振荡信号。 当 ) *+,#% 的开关断开时,输出电流仍继续存在,通过二极管在开关和地之间流动, 而二极管使输出电压为负值,这一负电压应大于 " !7,所以建议使用肖特基二极管。钳 位二极管的功耗将大大影响电流效率,而钳位二极管中的电流取决于开关闭合时间并等 于负载电流。使用额定值大于工作值的二极管将有利于减小二极管中的压降和功率损 耗。 在开关闭合期间,输入电压导通并加在二极管两端,而且导通电压值应至少是输入电 压的 ! 3 4 倍多。 增压电容器主要产生一个高于 *8’6&9 内部门电压的电压,减小开关电阻及相关功 率损耗,以提高工作效率。在应用中一般选用 . 3 .!!6 的陶瓷电容器。 电感器是开关电路的关键部分,它在开关闭合时储存能量,开关断开时提供能量。一 · 2+4 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 般选用带磁芯的电感器,电感量一般在 !! " #$!% 之间,但必须考虑到电磁干扰,使其减 少到最小。 九、& ’($)* & ’($)* 是线性器件公司生产的一种电流模式脉冲宽度调制(+,-)的电池充电芯 片,它可提供恒定的充电电流和电压。由于通常的锂离子( &./012)、镍氢( 3.-4)、镍镉 (3.56)电池等都需要恒定的电流或者电压对其充电,所以用 & ’($)* 设计的充电器可以 实现对锂、镍氢、镍镉这样的电池进行高效的快速充电。& ’($)* 内部的切换开关可以承 受 !7 的直流电流(最大可承受 87),充电电流可以编程控制。由于 & ’($)* 具有 9 : ;< 的 参考电压精度,因此可为恒压要求较高的 &./012 电池组充电。 该芯片有一个控制环路,可用于调整交流适配器的输入电流,这样可以在仪器工作的 同时对电池进行充电而不会出现过载。在这种情况下,应适当降低充电电流,以保证适配 器的电流不超过额定值。 & ’($)* 的电池电压可以为 ( " !9=。电池的负端可以直接接地,与地之间不需要再 外接一个电流传感电阻。切换开关的频率可达 !99>%?,这样可以提供较高的充电效率, 而且需要的电感也比较小。当充电器没有交流输入时(即没有插入墙上的插座时),该芯 片会处于睡眠状态,泄漏电流只有 8!7,所以芯片和电池之间不需要保护二极管。 ( : & ’($)* 的特点 & ’($)* 的特点是:可以对镍镉、镍氢以及锂离子电池充电,充电电流可以由电阻或 者 @75 来编程;当系统工作在有适配器的电流限制场合时,可对电池提供最大的充电电 流;电压模式充电的精度为 9 : ;< ;具有 87 内部切换的 高 效 电 流 模 式 脉 冲 宽 度 调 制 (+,-);充电电流的精度为 ;< ;可调整欠压锁定阈值;交流断电时,器件自动关闭;电池 对器件的反向泄漏电流很低,为 8!7;电流传感电阻可接在电池的任意一端;充电电流可 以软启动;可关断控制;采用 !A 引脚窄 BBC+ 封装。 ! : 外部引脚排列 图 ( D $ D ** 是 & ’($)* 的引脚图,各个引脚的说明如下。 E 3 @(脚"、脚#、脚$、脚%、脚&、脚 ’()、脚 ’(*、脚 ’+,、脚 ’+-、脚 ’+.、脚 ’+/):接 地 端。为 了有合适的热耗散,这些接地端必须连接到电路板的公共地。 B,(脚0):切换开关输出端。外接的肖特基二极管的阴极必须尽可能靠近 B, 脚和 · #!# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " $$ %&!#’( 引脚图 接地端。 )**+&(脚!):该引脚用于自举,以使 ,-, 功率开关管得到足够强的驱动,从而使 功率开关管的压降足够低,以减小功率损耗。在图 ! " # " !.! 中,当功率开关管闭合时, ! )**+& / ! 00 1 ! )2&。 3 4(脚"):欠压锁定输入端。当电压低于 ’ 5 64 时,欠压锁定;当电压上升到 ’ 5 #4 时,锁定开启。低压锁定时开关切换停止。当电路没有交流输入时,3 4 引脚电位被拉到 . 5 #4 以下(在适配器到地之间需要接一个 78#的电阻),否则,将有大约 6..$2 的反向电 池电流泄漏,而不是接有电阻时的 9$2。 3 4 引脚不能悬空。如果 3 4 引脚不是接在电 阻分压网络而是直接接到 ! :;时,那么锁定的阈值电压为内置的 ’ 5 #4。 *4-(脚%):比较器 42 的正输入端。其阀值为 6 5 <’74。这个引脚的典型偏置电流 为 9;2。在对锂电池充电时,可利用 42 检测电池电压,当电池电压到达预定值时,会自 动停止大电流充电,进入均流充电模式。如果这个引脚不用,则应该接地。 0%-(脚&):输入电流限制放大器 0%= 的正输入端。阈值设置为 !..>4。当用于限 制电源电流时,需要用一个电容器滤除 6..8?@ 的开关噪声。 0 % ,(脚’()):输入电流限制放大器的负输入端。 0*A-(! 脚’(*):输入电流限制放大器 0%! 的补偿端。当达到输入适配器电流限制 时,该脚电压上升到 !4。当不需要限制适配器电流时,用一个外部三极管将 0*A-! 端 拉低,使放大器 0%! 无效。0*A-! 端可以吸收 6..$2 的电流。如果不用这个功能,那么 0*A-! 端可不接电阻和电容。 +B,+B(脚’(+):电流放大器 02! 的正输入端。 +-C,(脚’(,):电流放大器 02! 的偏置。在 62 锂离子电池充电器中,这一端必须连 接到 D+!上,如图 ! " # " !.. 所示。 )2&(脚’(-):电流放大器 02= 的负输入端。 0*A-(6 脚’(.):放大器 0%! 的另一个补偿端。当需要限制输入适配器电流或者恒压 · <67 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " !$$ %&!#’( 的内部结构方框图 充电时,此引脚的电压上升到 ) * +,。 - ,.- &(脚!"#):集电极开路输出的欠压锁定状态输出端。处于欠压状态时,这个引 脚保持低电子。用一个外部的上拉电阻可将其拉高到 ! //。注意,该集电极开路的 010 三极管的基极电流由 /%0 引脚提供。当 /%0 高于 ), 时,,.-&为低电平,上拉电流应小 于 !$$$2。 ,/(脚!%&):电流模式脉宽调制的内部环路控制端。当该引脚电压为 $ * #, 时,切换 开关开始工作。在通常的情况下,! / 越高,充电电流越大。在这一端和地之间接一个 $ * 33$4 的电容,既可以滤除噪声,也可以控制软启动的速度。将这个引脚拉低可使切换 开关停止工作。该引脚典型的输出电流是 3$$2。 15. 6(脚!%’):这 个 引 脚 用 于 编 程 设 置 充 电 电 流 和 系 统 环 路 补 偿。 在 通 常 情 况 下, ! 15.6接近 ) * 7’8,。如果这一端的电平接近于地电平,那么切换开关停止工作。当用微 处理器控制的 92/ 进行编程设置充电电流时,在 92/ 输出 ) * 7’8, 电压时,必须能够提 供一定的灌电流。 ,//!、,//)、,//(3 脚!%( : !%)):电源输入端。应注意抑制噪声,通常使用 !8$4 或容量 更大的低分布电感(;<5)电容,并应尽量缩短其引线。一般说来,! //在 + : )+, 之间,但 应至少比 ! =2& 高 3,。当 ! //低于 #, 时,欠压锁定有效,切换开关停止工作。注意,在 <> 引脚和 ,//引脚之间有一个内部二极管。当接有电池时,,//端电压不能比 <> 端电 · 7)’ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 压低 ! " #$。这三个 $%%引脚应该尽可能短地连接在一起。 & " 内部结构 ’ ()#*+ 是一个具有降压开关切换功能的电流模式脉宽调制充电器芯片。电池的充 电电流可以由电阻 ,-,.(/ 或者 01% 的输出电流)在 -,./ 引脚设置(见图 2 3 # 3 2!!)。 放大器 %12 将通过 ,42的充电电流转换成一个较小的电流,这个电流就是从 -,./,引脚 流出的电流 ! -,./。放大器 %15 将 %12 的输出与预先设置的充电电流相比较,并通过脉 宽调制(-67)控制环路使这两个电流相等。注意,由于 ! -,./既有直流成分又有交流成 分,在引脚 -,./ 与地之间接一个电容 %-,./可滤除交流成分,从而使该芯片具有较高的 直流 0%)设置精度。 ! -,./通过 ,2 产生一个斜波信号,这个斜波信号通过缓冲器 82 和电 平平移电阻 ,5 和 ,& 输入到脉宽调制(-67)的控制比较器 %2,形成一个电流模式内部 控制环路。8..4( 引脚可使开关三极管深度饱和,从而降低功率耗损。对于锂离子电 池,’ (2#*+ 可提供精度为 ! " 9: 的恒流和恒压充电。5 " ;*9$ 的参考电源和放大器 $1 的作用是使电路在电池电压达到预先设定值时自动降低充电电流,进入均流充电状态。 对于镍氢和镍镉这样的电池,$1 用于过压保护。当没有输入电压," %%引脚的电压低于 电池电压 ! " #$ 时,可使充电器进入睡眠模式。用一个三极管将 $% 引脚电压拉低,可以 停止充电。 ; " 应用设计 (2)锂离子电池充电器 图 2 3 # 3 2!2 所示为 51 锂离子电池充电器典型电路,图中 ,4;,是适配器电流传感 电阻,,4&是电池电压传感电阻,,42是电池电流传感电阻,利用 ,9 进行欠压锁定。输入电 容(%<=)用于吸收转换器的开关纹波电流,所以 %<=必须有足够的纹波电流吸收能力,应该 选用固体钽电容,该电容具有较高的纹波电流吸收能力,而且尺寸小。但是应该注意,当 插头带电插到适配器时,可能会有很高的冲击电流,也有可能损坏钽电容,因此也可以用 陶瓷电容(9 > 5!!?)。 ’ (2#*+ 的欠压锁定阂值固定在 #$,在 @ $ 引脚上接一个电阻分压可以提高欠压阈 值。当 @ $ 引脚电压高于 #$ 时,$% 引脚电压变高,而当 @ $ 引脚电压低于 * " 9$ 时(有 ! " 9$ 的迟滞),$% 引 脚 电 压 被 拉 低,同 时 外 部 的 上 拉 电 阻 将 @ $.@( 引 脚 电 压 拉 高。 @ $.@(信号还可用于指示系统即将开始充电。$% 不用时,由 ! " &&!? 电容设置的软启动 时间是 ;AB。在图 2 3 # 3 2!2 中,,9 和 ,* 组成的电阻分压器用于设置所需的 " %%锁定 电压。,* 的典型值是 9C",,9 可以由下式计算: · ;5# · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " !$! %& 锂离于充电器 ! ’ ( !() " *+ " " ,-). " ,- (! " # " /#) 式中," ,-为 , - 引脚的上升锁定阈值。 " *+为维持满负载功率时充电器所需的输入电压 值。如果 ! ) ( ’0!," ,- ( ) 1 #-,设定 " *+为 !%-,那么 ! ’ ( ’0!(!%- " ) 1 #-). ) 1 #- ( 20!。 另外,适配电流传感电阻 ! 33的计算可按下式进行: ! 3/ ( !$$4- . 适配器电流限制值 (%)镍镉和镍氢电池充电电路 图 ! " # " !$! 所示的 %& 锂离子电池充电电路经过如图 ! " # " !$% 所示的方法修改 后,亦可用于镍镉和镍氢电池的充电。图 中 5! 导 通 时 电 流 为 !&,5! 截 止 时 电 流 为 !$$4&。 图 ! " # " !$% 修改后图 ! " # " !$! 的两种充电电流电路 本节介绍的 6 7!#)8 恒流 . 恒压电池充电芯片具有外围电路简单和功能强的特点,并 可用电阻或 9&: 编程控制充电电流。对于锂、镍镉、镍氢等充电电池,通常需要恒流或恒 压进行充电,利用 6 7!#)8 可为这种电池设计出高效的充电电路。由于该芯片还具有一 定的智能,可用最大的电流对电池进行充电,所以可在交、直流两用仪器中实现电源的智 · 2%; · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 能化管理。 十、! "#$%& ’() ! "#$%& 是美国线性技术公司在 *&&& 年 + 月推出的新型升压式 ,- . ,- 变换 器 ! "#$%& 是小尺寸 /0"1*% 封装器件中输出功率最大的开关式稳压器。此外,该器件的 特点还有:开关频率为 # 2 *)34,允许采用小尺寸电容器及电感器等。例如,可采用仅 *55 高的电感器,电容器可采用贴片式陶瓷电容器,使整个 ,- . ,- 变换器电路占印刷板 的空间极小,并且减轻了重量;采用固定频率、内部补偿的电流型 ’() 技术,可使输出噪 声低并容易被滤掉;输出电压可由用户来设定,最高可达 %67;输入电压范围宽,从 * 2 + 8 #+7 不等;内 部 开 关 管 的 最 大 开 关 电 路 可 达 #9,其 饱 和 管 压 降 小,在 #9 输 出 时 为 6&&57,有关闭控制端,关闭时耗电小于 *&!9;输出功率大,在 :7 输入、#*7 输出时可输 出 %&&59 电流(输出功率可达 % 2 +(),在 % 2 %7 输入,:7 输出时可输出 6;&59 电流(输 出功率为 * 2 6();工作温度范围为 6&< 8 ;:<;采用小尺寸管脚 /0"1*% 封装。 由于该器件有上述特点,因此主要适用于便携式电子产品。例如,数字相机、无绳电 话、电话后备电源、!-, 显示器的偏置电路、医疗诊断仪器、’- 卡及 =,/! 等。另外,它 也可替换 ! "#+#%,管脚兼容。 # 2 封装与管脚 ! ">$%& 为 : 管脚 /0"1*% 封装,其管脚排列如图 # ? @ ? #&% 所示。 图 # ? @ ? #&% !"#$%& 引脚图 * 2 典型应用电路 ! "#$%& 的典型应用电路如图 # ? @ ? #&6 所示。输入电压为 :7、输出电压为 #*7,输 出电流可达 %&&59。输出电压可由 A#、A* 的阻值来设定,输出电压 ! BCD与 " #、" * 的关 系为: ! BCD E(# F " # . " *)G # 2 *::7 (# ? @ ? %;) · 6*$ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 式中,! " #$$% 为内部的基准电压。建议流过 &# 的电流为 !’’!( 左右,&# 可取为 !)*"。 这样,可按要求的 ! +,-计算出 &! 的阻值。 图 ! . / . !’0 12!3)’ 典型应用电路 在图 ! . / . !’0 中,在 4567 端可用电平来控制:此端加高电平( 8 # " 0%)时,电源工 作正常;此端加低电平( 8 ’ " $%)时,电源被关闭。若不用控制电源关闭时,此端可直接接 " 97。但要注意的是,上述情况仅适用于 " 97 !!’%;若 %97 8 !’% 时,此端要串联 ! 个 !#’*"电阻后再接 " 97。 1 2:3)’ 的转换效率与输入电压大小有关,并且与输出电流大小有关,如图 ! . / . !’$ 所示。这是输入电压为 ) " )% 及 $% 时的典型效率与输出电流(负载电流)特性曲线。 图 ! . / . !’$ 12!3)’ 转换效率曲线 从图 ! . / . !’$ 中可看出:在输入电压为 ) " )% 时,负载电流为 ;’ < !#’=(,其效率 约为 ;0> ;在输入电压为 $% 时,负载电流为 !’’ < )’’=(,其效率在 ;$> < ;/> 范围内。 并且可以看出,在轻负载(小于 #’=()情况下,其效率是极低的。所以这种电路较适合负 载电流为 ;’ < )’’=( 的情况。 一种 $% 输入、#;% 输出 ? !’’=( 电路如图 ! . / . !’@ 所示。一种有电池反接保护、) < @% 输入、;% 输出电路如图 ! . / . !’/ 所示。 · 0)’ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " !$% &’ 输入、()’ 输出 * !$$+, 电路 图 ! " # " !$# - . %’ 输入 )’ 输出电路 - / 元器件选择 !电感器 0!。电感器 !! 的选取与输入电压、输出电压,工作频率及允许的电感的纹 波电流有关,但一般可在 1 / # . !$"2 范围内选取。所选的电感要求能在 ! / (324 条件下 工作,并且饱和电流大于 !,,直流电阻要小。56 3 78, 公司型号为 98:258!);!$$ 的 !$"2 电感器,其高度仅为 (++,最大直流电阻为 !(1+#。 $电容器 9!,9(、9-。输入电容 9!、输出电容 9( 可采用 <&: 或 <#: 的多层陶瓷电 容器(贴片式)。它们在 ! / (324 时有较低的等效串联电阻,不仅使输出损耗小,并且纹波 电压也低。输入电容 9! 的值可采取 ! . 1 / #"=,而输出电容 9( 的值可取 1 / # . !$"=。9与 :! 并联,可稍改善稳定界限。9- 的值取 !>"= 到几十个皮法。 %二极管 ’8!。二极管要采用肖特基二极管,可采用 3?:$&($(反压为 ($’)或 3?:$&-($ 反压为 -$’),也可采用 6@5&)!(# 或其他公司的 &)!# 芯片)。 十一、3&!AA& 3&!AA& 是 3 7B56?7527 公司推出的专门为 ,9 * 89 变换而设计的离线式开关电源 初级 @C3 控 制 芯 片。 该 芯 片 内 置 大 容 量 图 腾 柱 电 路,可 以 直 接 驱 动 3>5=DB。 · 1-! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !"#$$" 不仅具有高频振荡和快速输出能力,而且具有快速响应的电流限制功能。它的 另一大特点是过流时采用断续方式工作。 # % 芯片的主要特征 芯片的主要特征如下: !工作频率为 "&&’(); "输出电流达 * +,,输出上升时间为 -&#.,下降时间为 /&#.,启动电流小,典型值为 $&#,; $启动电压和关闭电压间压差大,启动电压为 #-0,关闭电压为 #&0; %改进图腾柱输出方法,穿透电流小;过流保护采用断续方式工作;用逐脉冲方法快 速限制电流;具有欠压、过压锁存电路。 + % 管脚排列及说明 管脚排列见图 # 1 2 1 #&3,各引脚定义见表 # 1 2 1 #&。 图 # 1 2 1 #&3 !"#$$" 臂脚排列 表 # 1 2 1 #& !"#$$" 各引脚定义 !!!!!!!!!!!!!!!!!!! 引脚 ! " $ % , . 0 2 符号 功能 456 6 74 8 59 0<=> 7!@8 879 0? 5; A 5?? 50D C78 ?AF 图腾柱输出集电极 图腾柱输出 图腾柱输出发射极 0? 控制端 工作使能端 过压保护端 检测端 电压反馈 引脚 & ’ ()* ()+ ()()/ ()1 ()3 符号 8:5; 4? 8:5?? 48 B;C 46! 1 46! E 044 功能 计时电阻 5; 端 计时电容端 计时电阻 5?? 端 断续方式工作检测电容端 芯片地 负压过流检测端 正压过流检测端 芯片供电端 · /G+ · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " 工作原理 #$%&&$ 的原理框图如图 % ’ ( ’ %)& 所示。它主要由振荡器、反馈电压检测变换、 *+# 比较、*+# 锁存、过压锁存、欠压锁存、断续工作,断续方式和振荡控制、驱动输出 及内部基准电压等电路组成。 (%)振荡器 图 % ’ ( ’ %)& #$%&&$, 的原理图 图 % ’ ( ’ %%) 振荡电路的等效电路 振荡电路的等效电路如图 % ’ ( ’ %%) 所示。-. 电压由于恒流源的充放电而呈三角 波。在正常工作时,充电电流为: 放电电流为: !% / " 0 ’ 12 3 # 12 (% ’ ( ’ !&) !4 / " 0 ’ 1.. 3 # 1.. 5 " 0 ’ 12 3 %6 # 12 (% ’ ( ’ 7)) · 7!! · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 振荡周期为: ! !( " "#$% & " "#$’)# (() $* + $,) (* & - & .*) 其中(, " "#$% & " "#$’)为三角波的峰一峰值," "#$%!. / .0," "#$’!, / 10," 2 & "3! . / 40," 2 & "((! 5 / 40。芯片输出最大脉宽为三角波的上升时间,而三角波的下降时间 则为死区时间。当发生过流时,断续方式和振荡控制电路开始工作,此时 26"(( 端电压 依赖于 0( 端电压,振荡器的充电电流同正常工作时一样,所以当 " 0( 7 5 / 40 时,振荡器 的工作和没有发生过流时一样。通常使 0( 端电压正比于变换器的输出电压,这样当发 生过流而使输出电压变低时死区时间也相应变长,从而进一步降低占空比。图 * & - & *** 显示了正激式变换器中 0( 端的应用,这里 8$ 构成低通滤波器;而在反激式变换器 中可以对偏置绕组电压进行分压后接到 0( 端,因为偏置绕组电压正比于变换器的输出 电压。 图 * & - & *** 正激式变换器中 0( 墙的应用 (,)9:; 比较锁存部分 图 * & - & **, 为 9:; 比较锁存部分的电路图,由图可知 < 点电位为: " < ! 4 / = & *4 / , >(411 > $ ? ) @) 5 (* & - & .,) 图 * & - & **, 9:; 比较和锁存 < 点电位与振荡三角波比较后锁存,并与从振荡器输出的控制信号逻辑组合后输出。 各点波形如图 * & - & **5 所示,故 @、$、A、? 各点的逻辑关系为: · .5. · @ ! A·?,$ ! @·? ! A·? (* & - & .5) www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " !!$ %&’ 比较和镇存部分各点波形 ($)输出电路 芯片的输出为图腾柱电路,以驱动 ’() 管。传统的图腾柱电路具有高穿透电流的 缺点,可达 !*,这在高频应用时将引起较大的 ! ++电流,并不可避免地使 ,+ 受热及产生噪 声电压。’-!..- 使 用 了 改 进 的 图 腾 柱 电 路,在 不 恶 化 性 能 的 条 件 下 穿 透 电 流 约 为 !//0*。 (1)电流限制电路 在图 ! " # " !!$ 中,如果 * 点波形和三角波的上升沿相交之前电流限制端 +2 ’ 3 或 +2 ’ " 的电压超过阈值( 3 4//05 6 " 4//05),过流信号将使输出截止,并且这个截止状 态将持续到下一个周期。实际上该信号控制的状态在接下来的死区时间里被复位,所以 电流限制电路在每个周期都可以起作用。为了消除寄生电容引起的噪声电压的影响,需 要使用 7+ 组成的低通滤波器,如图 ! " # " !!1 所示。 图 ! " # " !!1 +2’ 3 6 +2’ " 的连接 当内部限流电路工作时,断续方式和振荡控制电路开始工作,即输出高电平。图 ! " · 1$- · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! " ##$ 为时序图,在断续方式和振荡控制电路输出为高电平并且 %& 端电压下降到低于 约 ’% 的临界值时,断续方式电路开始工作。图 # " ! " ##( 为断续方式电路的原理图。 当 %& 端电压高于 ! )*)+,-时,晶体管 % ) 导通,.) 端电位接近于 /01;当 %& 端电压低 于 ! )*)2,-时,晶体管 % ) 截止,.) 将被充放电;345 闭合而 346 断开时,.) 被 #78!5 的电流充电;346 闭合而 365 断开时,.) 被 #$!5 的电流放电,所以 .) 端呈三角波。只 有在 .) 端电压上升期才会产生输出脉冲。显然 " ) 端的三角波频率要远远低于开关振 荡频率。这样功率电路中包括次级整流二极管在内的元器件可被有效保护,以防过流引 起的过热。当断续方式不用时,建议将 .) 端接地。 图 # " ! " ##$ 断续方式和振荡控制电路时序 图 # " ! " ##( 断续方式工作电路图 ($)辅助功能部分 1-) 端可被用来控制输出电压。1-) 端和 & 9 6 端之间的电路与并联型可调电压基 准芯片 :’# 非常相似,当 1-) 端电压高于 7 ; $% 时运放具有吸收电流能力,而当 1-) 端 电压低于 7 ; $% 时输出为高阻。1-) 端和 & 9 6 端相互具有反相特性,所以建议在它们之 间串接电阻和电容以利于相位补偿。 <%= 和 <0 9 <&& 端子可方便地用来实现过压保护和开关芯片工作。两者都具有迟 滞特性。在过压保护及 <&& 状态下,芯片的工作电流均由启动电路提供。<0 9 <&& 端为 低电平时芯片才工作,阈值电压为 7 ; :%。当 <%= 端高于 !$8>% 的阂值电压时芯片进入 过压保护状态(<%=)。为了复位 <%= 状态,须使 <%= 端电压低于阂值电压或使 # ..低 于 <%= 复位供电电压(典型值为 ?%)。 : ; 典型应用 图 # " ! " ##! 和图 # " ! " ##@ 分别为 ,$#??$ 在正激式和反激式变换器中的应用。 在正激式变换器中,交流输入经全波整流和平滑滤波后进行开关变换。次级为多组输出, 而稳压控制则是对主输出进行的。采样和误差放大采用 :’# 用基准芯片和光耦以提高输 出精度和隔离初级和次级电压。过流检测使用电流检测变压器。电源可由外部信号进行 · :’( · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 开关。 ! !"推荐为 # $ %&’!,! !((推荐为 ) $ *#’!;电源电压推荐为 +) $ +%,;流过 -+ 启动 电阻的启动电流推荐为 *##". 以上,这样才能稳定启动。 图 + / % / ++% 0&+11& 在正激式变换器中的应用 图 + / % / ++2 0&+11& 反激式变换器中的应用 · 3*% · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 十二、! " # $%%& ’ ( !"#$%%& 筒介 !"#$%%& 是 !)* "+,+- ./01/ 公 司 生 产 的 一 个 带 .2 振 荡 器 的 电 平 转 换 器( 32 4 32),具有电平移动和倍压功能。其典型应用电路最多只需外接两个电容、两个电阻和一 个二极管即可。它采用 2567 结构,功耗非常低。几片 !"#$%%& 串联可实现 ! 倍、8 ! 倍(,8 ! 9 ’)倍等电平转换。!"#$%%& 的内部结构和引脚排列如图 ’ 9 $ 9 ’’: 所示。 图 ’ 9 $ 9 ’’: !"#$%%& 内部结构框图和引脚图 !"#$%%& 的主要特点如下: !可进行电平反向转换; "可进行倍压转换; #采用 2567 结构及 3;< 4 35< 封装; $电压转换效率高达 :: ( :=(无负载时); %用级连的方法可实现 8 ! 倍的电压输出; &工作电压在 > ( ? @ ’& ( ?A 之间; ’两种封装形式的功耗分别为 ?&&B*(3;<)和 >&&B*(35<); (输出电阻为 ??); *振荡频率为 ?CDE。 8 ( 应用举例 (’)负电电压输出电路 具有负电压输出的应用电路如图 ’ 9 $ 9 ’8& 所示。在图中,当 " 1-小于 %A 时,&脚 · G>F · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 应接地;当 ! !"大于等于 #$ 时,!脚应开路。当 ! !"小于 # % &$ 时,无需接图 ’ ( ) ( ’*+ 中的二极 管 $,;当 ! !" 大 于 # % &$ 时,则 需 接 图 ’ ( ) ( ’*+ 中 的 二 极 管 $,,以 保 护 - ./)##+ 的内部电路。 (*)倍压输出电路 具有倍 压 输 出 的 - ./)##+ 的 应 用 电 路 如 图 ’ ( ) ( ’*’ 所 示。采 用 该 电 路 可 在 -/.)##+ 的"脚得到 * 倍于输入电压的输出电平,其输入电压应在 0 1 ’+$ 之间。 图 ’ ( ) ( ’*+ 负电压输出的应用电路 图 ’ ( ) ( ’*’ 倍压输出的应用电路 (0)" 倍负电压输出电路 将多个 -/.)##+ 采用级连的方法可实现 " 倍负电压输出。图 ’ ( ) ( ’** 是 " 倍负 电压输出的应用电路。 在图 ’ ( ) ( ’** 中,当 ! !"小于 0 % &$ 时,!脚应接地;当 ! !"大于或等于 0 % &$ 时,! 脚应开路。当 ! !"小于 # % &$ 时,无需接二极管 $,;当 ! !"大于或等于 # % &$ 时,则应将二 极管 $, 按图示方法接上,以保护 -/.)##+。当开关 2 置于“’”时,输出电压 ! 345 6 ( (* " ( ’)! !";当开关 2 置于“*”时,输出电压 ! 345为 ( " ! !"。 图 ’ ( ) ( ’** " 倍负电压输出的应用电路 用级连的方法实现 * " 倍正电压输出的应用电路如图 ’ ( ) ( ’*0 所示。在图 ’ ( ) ( ’*0 电路中,当开关 2 置于“’”时,输出电压 ! 345 6(* " ( ’)! !";当开关 2 置于“*”时,输 出电压 ! 345 6 * " ! !"。 · 807 · www.plcworld.cn 第一篇 开关电源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 ! " # " !$% $ ! 倍正电压输出的应用电路 十三、&’%($) ! * &’%($) 的工作原理 &’%($) 是美国硅通用公司(&+,+-./’0/012,)生产的双端输出式脉宽调制器,工作频率 高于 !33456,工作温度为 37 8 #37,适宜构成 !33 8 (339 中功率推挽输出式开关电源。 &’%($) 采用 :;<=!> 型封装,管脚排列如图 ! " # " !$) 所示,其内部结构如图 ! " # " !$( 所示。 图 ! " # " !$) &’%($) 的