自激式开关电源设计 精品推荐.docx
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自激式开关电源设计
摘要
随着电力电子技术的发展和新型功率元器件的不断出现，开关电源技术得到了飞速的发展，在计算机、通讯、电力、家用电器、航空航天等领域得到广泛应用，取得了显著的成果。
论文主要完成的内容有：
（1）根据设计需要选择开关电源电路；
（2）设计输入整流滤波电路，并确定相关器件参数；
（3）设计输出电路，并确定相关器件参数；
（4）设计电压反馈电路；
（5）通过实验和计算对设计中的数据进行验证。
本论文对开关电源的滤波、整流、反馈电路等分别作了细致的研究工作，通过实验和计算，掌握了开关电源设计的核心技术，并对设计过程进行了详尽的阐述。
关键词:
开关电源，电力电子技术，整流，自激式振荡
Self-excitedSwitchingPower
ABSTRACT
Withthedevelopmentoftheelectronictechnologyandtheemergingofnewpowercomponents,switchingpowersupplyhasbeenwidelyusedincomputer,communications,electricity,homeappliancesandaerospacefields,achievingremarkableresults.
Themaincontentofthepapersare:
（1）Chooseswitchingpowersupplycircuitbasedontherequirement;
（2）Designinputrectifierfiltercircuitandidentifytherelevantdeviceparameters;
（3）Designrectifieroutputandestablishtherelevantdeviceparameters;
（4）Designvoltagefeedbackcircuit;
（5）Validatedataofthedesigningbyadoptionofexperimentalandcomputations.
Inthethesis,theswitchingpowersupplyfiltering,rectifierandthefeedbackcircuitarestudiedindetails.Themaintechnologyofdesigningswitchingpowersupplyisobtainedbyexperimentsandcalculations.Thedesignprocessisspecifiedalso.
KEYWORDS:
SwitchingPowerSupply,Electronictechnology,BridgeRectifier,Self-excitation
目 录
前 言
电源[powersupply;powersource]向电子设备提供功率的装置。
把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。
发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能.发电机.电池本身并不带电,它的两极分别有正负电荷,由正负电荷产生电压（电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的）,电荷导体里本来就有,要产生电流只需要加上电压即可,当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去,当电荷散尽时,也就荷尽流（压）消了.干电池等叫做电源。
通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。
能提供信号的电子设备叫做信号源。
晶体三极管能把前面送来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去。
晶体三极管对后面的电路来说，也可以看做是信号源。
整流电源、信号源有时也叫做电源。
开关电源技术是一门运用半导体功率器件实现电能的高频率变换，将粗电变换成精电，以满足供电质量要求的技术。
由于在开关电源中半导体功率器件工作在高频开关方式，因此它具有高效率，高功率密度，高可靠性。
由于开关电源的突出优点，开关电源更替线性电源是发展的必然趋势。
近年来，由于微型计算机的普及，通信行业的迅猛发展，推动了开关电源技术的进步和产业的迅速发展。
开关电源具有功耗小、功率高、稳压范围宽、体积小（重量轻）等突出优点，在通讯设备、数控设备、仪器仪表、影音设备、家用电器等电子电路中得到广泛应用。
由于价格低廉，电路简单，目前仍有较多的电子设备采用自激式开关电源完成多种电压输出，包括升/降电压、改变极性等功能。
自激式开关电源触发开关管的信号由自激振荡产生，在一定程度上简化了电路。
基本的自激式开关电源是不隔离式的，输入电压经开关管控制后构成输出电压，输入与输出共有负极为公共端。
采用不隔离的开关电源的用电设备当由市电整流输出时，用电设备可能接有交流高压的输入，因此其应用条件和范围有所限制。
第1章开关电源基础技术
1.1开关电源概述
1.1.1开关电源的工作原理
开关电源的工作原理可以用图1-1进行说明。
图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。
这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压Uo。
（a）电路图；（b）波形图
图1-1开关电源的工作原理
为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下：
D=
（1-1）
式中，T表示开关S的开关重复周期；TON表示开关S在一个开关周期中的导通时间。
开关电源直流输出电压Uo与输入电压Ui之间有如下关系：
Uo=UiD（1-2）
由式（1-1）和式（1-2）可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间TON，即可改变脉冲占空比D，从而达到调节输出电压的目的。
T不变，只改变TON来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调制（PWM）。
由于PWM式的开关频率固定的，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此PWM式开关电源用得比较多。
若保持TON不变，利用改变开关频率ƒ=1/T实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压Uo稳压的方法，称做脉冲频率调节（PFM）。
由于该方式的开关频率不固定，因此输出滤波电路的设计不易实现最优化。
即改变TON,又改变T，实现脉冲占空比调节的稳压方式叫做脉冲调频调宽方式。
在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节的稳压方式均有应用。
1.1.2开关电源的组成
开关电源的组成如图1-2所示。
其中DC/DC变换器用以进行功率交换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由他激或自激电路产生，可以是PWM信号、PFM信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。
除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。
图1-2开关电源的基本组成
DC/DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普通。
开关电源与线性电源相比，其输入的瞬态变换比较多的表现在输出端，在提高开关频率的同时，由于比较放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应指标也能得到改善。
开关电源的负载变换瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定，所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器LC的方法来改善瞬态响应特性。
1.1.3开关电源的特点
开关电源具有如下特点：
（1）效率高。
开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在80%～90%,高的可达90%以上。
（2）重量轻。
由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，从而使重量只有同容量线性电源的1/5,体积也大大缩小了。
（3）稳压范围宽。
开关电源的交流输入电压在90～270V内变化时，输出电压的变化在±2%以下。
合理设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。
（4）安全可靠。
在开关电源中，由于可以方便的设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠。
（5）功耗小。
由于开关电源的工作频率高，一般在20kHz以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。
1.1.4开关电源的主要技术指标
开关电源有以下主要技术指标。
（1）输入电压变化范围：
当稳压电源的输入电压发生变化时，使输出电压保持不变的输入电压的变化范围。
这个范围越宽，表示电源适应外界电压变化的能力越强，电源使用范围越宽。
它和电源的误差放大、反馈调节电路的增益以及占空比调节范围有关。
目前开关电源的输入电压变化范围已达到90～270V，可以省去许多电器中的110V/220V转换开关。
（2）输出内阻Ro:
输出电压的变化量ΔUo与输出电流的变化量ΔIo的比值。
这个比值越小，表示电源输出电压随负载电流的变化越小，稳定性越好。
（3）效率η：
电源输出功率Po与输入功率Pi的比值。
这个比值越高，开关电源的体积越小，同时可靠性也越高。
目前开关电源的效率可达到90%以上。
（4）输出纹波电压：
由于开关电源的稳压过程是一个不断反馈调节的过程，因此在输出的直流电压Uo上会出现一个叠加的波动的纹波电压，即输出纹波电压。
这个电压值越小，表示电源的输出性能越好。
这个参数的表示有两种方法：
一是输出纹波电压有效值；二是输出纹波电压的峰峰值Upp。
（5）输出电压调节范围：
由于电源的输出电压只和基准电压与输出取样电路的元器件参数有关，因此，输出电压调节范围反应在线性电源上时稳压调整管集电极电流的变化范围。
（6）输出电压稳定性：
输出电压随负载变化而变化的特性，这个变化量越小越好。
它主要和反馈调节回路的增益及频响特性有关。
反馈调节回路增益越高，基准电压UE越稳定，输出电压Uo的稳定性越好。
（7）输出功率Po：
电源能输出给负载的最大功率，它和负载功率有关。
为了保证电源安全，要求输出功率有20%～50%的裕量。
1.2开关电源的分类
现在，电子技术和应用迅速的发展，对电子仪器和设备的要求是：
在性能上，更加安全可靠；在功能上，不断地增加；在使用上，自动化程度要越来越高；在体积上，要日趋小型化。
这使采用具有更多优点的开关稳压电源就显的更加重要了。
所以，开关稳压电源在计算机、通信、航天、彩色电视机等方面都得到了越来越广泛的应用，发挥了巨大的作用，这大大促进了开关稳压电源的发展，从事这方面的研究和生产人员也越来越多。
图1-3给出了各种类型的开关稳压电源的原理图。
常见的开关稳压电源分类方法有已下几种：
1．按激励方式划分
（1）它激式
它激式开关电源必须有一个振荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。
电路中专设激励信号产生的振荡器，电路形式如图1-3（c）所示。
（2）自激式
自激式开关电源利用电源电路中的开关晶体管和高频脉冲变压器构成正反馈电路，来完成自激振荡，使开关电源输出直流电压。
在显示设备的PWM式开关电源中，自激振荡频率同步于行频脉冲，即使在行扫描电路发生故障时，电源电路仍能维持自激振荡而有直流输出电压。
开关管兼作振荡器中的振荡管，电路形式如图1-3（d）所示
2．按调制方式划分
（1）脉冲调制型
振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，有时通过取样电路，耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。
（2）频率调整型
频率调整型占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。
（3）混合型
通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。
3．按开关管电流的工作方式划分
（1）开关型
用开关晶体管把直流变成高频标准方式，电路形式类似于他激式。
（2）谐振型
开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准的正弦波，电路形式类似于自激式。
4．按开关晶体管的类型划分
（1）晶体管型
采用晶体管作为开关管，电路形式如图1-3（b）所示。
（2）可控硅型
采用可控硅作为开关管，这种电路的特点是直接输交流电，不需要一次整流部分，其电路形式如图1-3（g）所示。
5．按储能电感与负载的连接方式划分
（1）串联型
储能电感串联在输入与输出电压之间，电路形式如图1-3（a）所示。
（2）并联型
储能电感并联在输入与输出电压之间，电路形式如图1-3（b）所示。
6．按晶体管的连接方式划分
（1）单端式
仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，这种电路的特点是价格低，电路结构简单，但输出功率不能提高，其电路形式如图1-3（a）（b）（c）。
（2）推挽式
使用两个开关晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式，这种电路的特点是开关变压器必须是有中心抽头，电路形式如图1-3（I）所示
（3）半桥式
使用两个开关晶体管，将其连接成半桥的形式，它的特点是适应于输入电压较高的场合，其电路形式如图1-3（m）所示。
（4）全桥式
使用四个开关晶体管，将其连接成全桥的形式，它的特点是输出功率较大，其电路形式如图1-3（h）所示。
7．按输入与输出电压大小划分
（1）升压式
输出电压比输入电压高，实际就是并联型开关稳压电源。
（2）降压式
输出电压比输入电压低，实际就是串联型开关稳压电源。
8．按工作方式划分
（1）可控整流型
所谓可控整流型开关稳压电源，是指采用可控硅整流元件作为调整开关管，可由交流市电电网直接供电，在可工作的半波内，截去正弦曲线的前一部分，这一部分所占角度称为截止角，导通的正弦曲线后一部分称为导通角，依靠调节导通角的大小，可达到调整输出电压和稳定输出电压的目的，其电路形式如图1-3（f）所示。
（2）斩波型
斩波型开关稳压电源是指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电路的输出端得到单相的脉动直流，经过滤波得到与输入电压不同的稳定的直流输出电压。
电路还从输出电压取样，经过比较、放大，控制脉冲发生电路产生的脉冲信号，用以控制调整开关的导通时间和截止时间的长短和开关的工作频率，最后达到稳定输出电压的目的，电路的过压保护电路也是依据这一部分所提供的取样信号来进行工作的，斩波型电路形式如图1-3（e）所示。
（3）隔离型
这种形式的开关电源是在输入回路与逆变电路之间，经过高频变压器，利用磁场的变化实现能量传递，没有电流间的之间流通，隔离型开关稳压电源采用直流供电，经过开关电路将直流电变成频率很高的交流电，再经变压器隔离、变压，然后经整流器整流，最后就可以得到新的、极性和数值各不相同的多组直流输出电压。
电路从输出端取样，经放大后反馈至开关控制端，控制驱动电路的工作，最后达到稳定输出电压的目的，这种形式的开关稳压电源在实际中应用的最为广泛。
9．按电路结构划分
（1）散件式
整个开关稳压电源电路都是采用分立式元器件组成的，它的电路形式较为复杂，可靠性较差。
（2）集成电路式
整个开关稳压电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的，这种集成电路通常为厚膜电路。
有的厚膜集成电路包括开关晶体管，有的则不包括开关晶体管。
这种电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。
彩色电视机中常采用这种开关电源。
10．按电路的输出取样样式分类
（1）直接输出取样开关电源
直接输出取样开关电源在光电耦合器尚未应用时，主要在串联开关电源上使用；在光电耦合器应用后，开始在变压器耦合并联开关电源上使用。
（2）间接输出取样开关电源
间接输出取样方式输出电压的变化须经开关变压器磁耦合才能反映到取样绕组两端，所以稳压速度低，并且这种开关电源不能空载检修，检修时须在输出端接替代负载。
以上五花八门的开关稳压电源都是站在不同的角度，已开关稳压电源不同的特点命名的。
图1-3示出开关稳压电源的原理框图。
尽管电路的激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方式、开关管的器件种类以及串并联结构各不相同，但是它们最后总可以归结为串联型开关稳压电源和并联型开关稳压电源这两大类。
图1-3各种开关电源原理图（a）-（c）
图1-3各种开关电源原理图（d）-（n）
1.3开关电源设计中存在的问题与未来发展
1.3.1开关电源设计中存在的问题
随着半导体技术和微电技术的高速发展，集成度高、功率强的大规模的集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断的缩小，重量在不断的减轻，所以从事这方面的研究和生产的人们对开关稳压电源中开关变压器还感到不是十分的理想，他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途径来取代开关变压器，使之能过满足电子仪器和设备微小型化的需要。
这是从事开关稳压电源研制的科技人员目前正在克服的第一困难。
开关稳压电源的效率与开关管的变换速度成正比的，并且开关稳压电源中采用了开关变压器以后，才能使之一组输入得到极性、大小各不相同的多组输出，要进一步提高开关稳压电源的效率，就必须提高电源的工作频率。
但是，当频率提高以后，对整个电路中的元器件又有了新的要求，高频电容、开关管、开关变压器、储能电感等都会出现新的问题，近一步研制适应高频率工作的有关电路元器件，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第二困难。
工作在线性状态的线性稳压电源，具有稳压和滤波的双重作用，因而串联线性稳压电源不产生开关干扰，且纹波电压输出较小。
但是，开关稳压电源的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰就会污染市电电网，影响临近的电子仪器及设备的正常工作。
随着开关稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进，开关稳压电源的这一缺点得到进一步克服，可以达到不妨碍一般的电子仪器、设备和家用电器正常工作的程度。
但是，在一些精密电子仪器中，由于开关稳压电源的这一缺点，却使它不能得到使用。
所以，克服稳压电源的这一缺点，进一步提高它的使用范围，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第三个问题。
客观上讲，开关电源的发展是非常快的，这时因为它具有其他电源所无法比拟的优势。
材料之新、用途之广，是它快速发展的主要动力。
但是，它离人们的要求、应用的价值还差得很远，体积、重量、效率、抗干扰能力、电磁兼容性以及使用的安全性都不能说是十分完美。
目前要解决的问题有：
（1）器件问题。
电源控制集成度不高，这就影响了电源的稳定性和可靠性，同时对电源的体积和效率来说也是一个大问题。
（2）材料问题。
开关电源使用的磁芯、电解电容及整流二极管灯都很笨重，也是耗能的主要根源。
（3）能源变换问题。
按照习惯，变换有这样几种形式：
AC/DC变换、DC/AC变换以及DC/DC变换等。
实现这些变换都是以频率为基础，以改变电压为目的，工艺复杂，控制难度大，始终难以形成大规模生产。
（4）软件问题。
开关电源的软件开发目前只是刚刚起步，例如软开关，虽然它的损耗低，但难以实现高频化和小型化。
要做到“软开关”并实行程序化，更是有一定的困难。
要真正做到功率转换、功率因数改善、全程自动检测控制实现软件操作，目前还存在很大的差距。
（5）生产工艺问题。
往往在试验室中能达到相关的技术标准，但在生产上会出现各种问题。
这些问题大多是焊接问题和元器件技术性能问题，还有生产工艺上的检测、老化、粘结、环境等方面的因素。
1.3.2开关电源的发展趋势
未来的开关电源像一只茶杯的盖子：
它的工作频高达2~10MHz，效率达到95%，功率密度为3~6W/cm2，功率因数高达0.99，长期使用完好，寿命在80000h以上。
这就是开关电源的发展趋势。
所谓高标准就是对未来开关电源的挑战：
第一，能不能全面通容电磁兼容性的各项技术标准；第二，在企业里能不能大规模地、稳定地生产，或快捷地进行单项生产；第三，按照人们的需要，能不能组装或拼装大容量、高效率的电源；第四，能否使新的开关电源具有比运行中的电气额定值更高的功率因数、更低的输出电压（1~3V）、更大的输出电流（数百安）；第五，能不能实现更小的电源模块。
第2章自激式开关电源元器件的选用
无论那一种变换器，用的是那一种结构形式的开关电源，所使用的元器件都是开关晶体管、电阻、电容、电感及磁性材料等。
选用好元器件，是决定开关电源质量的关键。
往往设计的开关电源在试验室中式成功的，一到生产线上进行规模生产时，就会出现各种问题。
当然，有设计方面的，有工艺方面的，还有焊接方面的，但多数是元器件选用问题。
元器件本身质量的差异是影响开关电源质量的一个重要原因。
开关器件的特征：
同处理信息的电子器件相比，开关电源的电子器件具有以下特征：
（1）能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处理信息的电子器件。
（2）开关器件一般都工作在开关状态，导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。
（3）开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。
作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际开关。
（4）电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。
在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。
（5）为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。
导通时，器件上有一定的通态压降；形成通态损耗阻断时，开关器件上有微小的断态漏电流流过；形成断态损耗时，在开关器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。
对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。
2.1开关晶体管
2.1.1电力场效应管MOSFET
MOSFET分P沟道耗尽型、P沟道增强型、N沟道耗尽型和N沟道增强型4种类型。
增强型MOSFET具有应用方便的“常闭”特性（即驱动信号为零时，输出电流等于零）。
在开关电源中，用作开关功率管的MOSFET几乎全部都是N沟道增强型器件。
这时因为MOSFET是一种依靠多数载流子工作的单极型器件，不存在二次击穿和少数载流子的储存时间问题，所以具有较大的安全工作区、良好的散热稳定性和非常快的开关速度。
MOSFET在大功率开关电源中用作开关，比双极型功率晶体管具有明显的优势。
所有类型的有源功率因数校正器都是为驱动功率MOSFET而设计的，所以说，用作开关的MOSFET是任何双极型功率晶体管所不能替代的。
（a）N沟道内部结构断面示意图；（b）电气图形符号
图2-1电力MOSFET的结构和电气图形符号
1.MOSFET的主要特点
MOSFET是一种依靠多数载流子工作的典型场控制器件。
由于它没有少数载流子的存储效应，所以它适用于100~200MHz的高频场合，从而可以采用小型化和超小型化的磁性元件和电容器。
MOSFET具有负的电流温度系数，可以避免热不稳定性和二次击穿，适合在大功率和大电流条件下应用。
MOSFET从驱动模式上来分，属于电压控制器件，驱动电路设计比较简单，驱动功率甚微，在启动或稳定工作条件下的峰值电流要比采用双极
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