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光耦合器；

线性；

EMI滤波器；

电网噪声

在研制开关电源时，不仅要设计好电路，还必须能正确选择元器件。

单片开关电源的外围元器件大致可分成三大类：

1）通用元器件包括电阻、电容、整流桥或整流管、稳压管、熔断器、自恢复保险丝。

2）特种半导体器件主要有TL431型可调式精密并联稳压器、EMI滤波器、光耦合器、瞬态电压抑制器、快恢复及超快恢复二极管、肖特基二极管。

3）磁性材料如高频变压器磁芯、电磁线（漆包线、三重绝缘线）、磁珠。

下面介绍7种关键元器件的工作原理与选择方法。

1TL431型可调式精密并联稳压器

TL431是由美国德州仪器公司（TI）和摩托罗拉公司生产的2.50～36V可调式精密并联稳压器。

其性能优良，价格低廉，可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中。

此外，TL431还能构成电压比较器、电源电压监视器、延时电路、精密恒流源等。

目前在单片精密开关电源中，普遍用它来构成外部误差放大器，再与线性光耦合器组成隔离式光耦反馈电路。

TL431系列产品包括TL431C、TL431AC、TL431I、TL431AI、TL431M、TL431Y，共6种型号。

它属于三端可调式器件，利用两只外部电阻可设定2.50～36V范围内的任何基准电压值。

TL431的电压温度系数αT=30×

10－6／℃（即30ppm／℃）。

其动态阻抗低，典型值为0.2Ω。

阴极工作电压UKA的允许范围是2.50～36V，阴极工作电流IKA=1～100mA。

TL431大多采用DIP8或TO92封装形式，管脚排列分别如图1（a）及图1（b）所示。

图中，A为阳极，使用时需接地。

K为阴极，需经限流电阻接正电源。

UREF是输出电压Uo的设定端，外接电阻分压器。

NC为空

（a）电路符号（b）基本接线

图2TL431的电路符号与基本接线

脚。

TL431的等效电路见图1（c），主要包括4部分：

1）误差放大器A，其同相输入端接从电阻分压器上得到的取样电压，反相输入端则接内部2.50V基准电压Uref，并且设计的UREF=Uref，UREF端常态下应为2.50V，因此亦称基准端；

2）内部2.50V（准确值应为2.495V）基准电压源Uref；

3）NPN型晶体管VT，它在电路中起到调节负载电流的作用；

4）保护二极管VD，可防止因KA间电源极性接反而损坏芯片。

TL431的电路符号和基本接线如图2所示。

它相当于一只可调式齐纳稳压管，输出电压由外部精密电阻R1和R2来设定，有公式

Uo=UKA=（1＋R1／R2）

（1）

R3是IKA的限流电阻。

TL431的稳压原理可分析如下：

当由于某种原因致使Uo↑时，取样电压UREF也随之升高，使UREF>

Uref，比较器输出高电平，令VT导通，Uo↓。

反之，Uo↓→UREF↓→UREFTL431可广泛用于单片开关电源中，作为外部误差放大器，构成光耦反馈式电路。

其工作原理是当输出电压Uo发生波动时，经电阻分压后得到的取样电压就与TL431中的2.5V带隙基准电压进行比较，在阴极上形成误差电压，使LED的工作电流IF产生相应变化，再通过光耦去改变控制端电流IC的大小，调节TOPSwitch的输出占空比，使Uo不变，达到稳压目的。

2线性光耦合器

光耦合器（OpticalCoupler）简称光耦。

它是以光为媒介来传输电信号的器件。

通常是把发光器（红外线发光二极管LED）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，从而实现了“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。

线性光耦合器是一种新型光电隔离器件，它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。

线性光耦与普通光耦的重要区别反映在电流传输比（CTR）上。

CTR是光耦的重要参数，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IC与直流输入电流IF的百分比。

有公式CTR=×

100％

（2）

采用一只光敏三极管的光耦合器，CTR的范围大多为20％～300％（例如4N35），而PC817则为80％～160％。

达林顿型光耦（如4N30）可达100％～5000％。

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CTR参数与晶体管的hFE有某种相似之处。

线性光耦与普通光耦典型的CTRIF特性曲线，分别如图3中的虚线和实线所示。

由图可见，普通光耦的CTRIF特性曲线呈非线性，在IF较小时的非线性失真尤为严重，因此它不适合传输模拟信号。

线性光耦的CTRIF特性曲线具有良好的线性度，特别是在传输小信号时，其交流电流传输比（ΔCTR=ΔIC／ΔIF）很接近于直流电流传输比CTR值，因此它适合传输模拟电压或电流信号，能使输出与输入之间呈线性关系。

这是其重要特性。

线性光耦的典型产品及主要参数见表1，这些光耦均以光敏三极管作为接收管。

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：

图3两种光耦的CTRIF特性曲线

（）

技术讲座

（d）

（a）

（b）

（c）

图4单片开关电源常用的四种EMI滤波器

表1线性光的产品型号及主要参数产品型号CTR/％U（BR）CEO/V国外生产厂家封装形式

PC816A80～16070SharpDIP4（基极未引出）

PC817A80～16035Sharp

SFH610A263～12570Siemens

NEC2501H80～16040NEC

CNY17263～12570Motorola,Siemens,ToshibaDIP6（基极引出）

CNY173100～20070Motorola,Siemens,Toshiba

SFH600163～12570Siemens,Isocom

SFH6002100～20070Siemens,Isocom

CNY75GA63～12590TemicDIP6（基极未引出）

CNY75GB100～20090Temic

MOC810150～8030Motorola,Isocom

MOC810273～11730Motorola,Isocom

1）光耦的电流传输比（CTR）的允许范围是50％～200％。

这是因为当CTR<

50％时，光耦中的LED需要较大的工作电流（IF>

5.0mA），才能正常控制单片开关电源的占空比，这会增大光耦的功耗。

若CTR>

200％，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。

2）推荐采用线性光耦，其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。

3）由英国埃索柯姆（Isocom）公司、美国摩托罗拉公司生产的4N×

×

系列（例如4N25、4N26、4N35）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，只适宜传输数字信号（高、低电平），因此不推荐用在开关电源中。

3电磁干扰滤波器

电磁干扰滤波器亦称EMI滤波器，它能有效地抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性，可广泛用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统等领域。

电网噪声是电磁干扰的一种，属于射频干扰（RFI），其传导噪声的频谱大致为10kHz～30MHz，最高可达150MHz。

根据传播方向的不同，电网噪声可分为两大类：

一类是从电源进线引入的外界干扰，另一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。

这表明它属于双向干扰信号，电子设备既是噪声干扰的对象，又是一个噪声源。

若从形成特点看，噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种。

串模干扰是两条电源线之间（简称线对线）的噪声，共模干扰则是两条电源线对大地（简称线对地）的噪声。

因此，电磁干扰滤波器应符合电磁兼容性（EMC）的要求，也必须是双向射频滤波器，一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免设备本身向外部发出噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其它电子设备的正常工作。

此外，电磁干扰滤波器应对串模、共模干扰都起到抑制作用。

为减小体积和降低成本，单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器，主要包括共模扼流圈L和滤波电容。

典型电路如图4所示。

以图4（c）为例，L、C1和C2用来滤除共模干扰，C3和C4滤除串模干扰。

当出现共模干扰时，由于L中两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。

它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上。

R为泄放电阻，可将C3上积累的电荷泄放掉，避免因电荷积累而影响滤波特性；

断电后还能使电源的进线端L、N不带电，保证使用的安全性。

EMI滤波器能有效抑制单片开关电源的电磁干扰。

图5中曲线a为不加EMI滤波器时开关电源上0.15MHz～30MHz传导噪声的波形（即电磁干扰峰值包络线）。

曲线b是插入如图3（d）所示EMI滤波器后的波形，它能将电磁干扰衰减50～70dB。

显然，这种EMI滤波器的效果更佳。

插入损耗（AdB）是EMI滤波器的重要参数。

它是

利用计算机设计单片开关电源讲座（第七讲）

图5加EMI滤波器前、后干扰波形的比较

（a）插入前

（b）插入后

图6测量插入损耗的电路

评价电磁干扰滤波器性能优劣的主要指标。

设电磁干扰滤波器插入前后传输到负载上的噪声电压分别为U1、U2，有公式AdB=20lg（3）

插入损耗用分贝（dB）表示，分贝值愈大，说明抑制噪声干扰的能力愈强。

测量插入损耗的电路如图6所示。

e是噪声信号发生器，Zi是信号源的内部阻抗，ZL是负载阻抗，一般取50Ω。

噪声频率范围可选10kHz～30MHz。

首先要在不同频率下分别测出插入EMI滤波器前后，负载两端的噪声压降U1、U2，再代入式（3）中计算出每个频率点的AdB值，最后绘出插入损耗曲线。

需要指出，上述测试方法比较繁琐，每次都要拆装EMI滤波器。

为此可用电子开关对两种测试电路进行快速切换。

参考文献

[1]沙占友．特种集成电源最新应用技术[M]．人民邮电出

版社，2000

[2]沙占友．EMI滤波器的设计原理[J]．电子技术应用，

2001（5）

[3]沙占友.单片开关电源电磁干扰的分析及抑制方法[J]，

电子测量与仪器学报（2000增刊），2000

作者简介

沙占友（1944－），男，河北科技大学信息学院电子信息工程系教授，已出版专著16部，发表学术论文153篇，主要研究方向为数字化测量技术、仪器仪表及特种电源。

当前产品系列：

3.6MM*10MM

小型保险丝

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陶瓷管慢断保险丝（点击详情）

微型保险丝

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过温保护产品

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---保险管系列---

3X10内焊

保险丝

3X10直线

5X20内焊

5X20直线

5X20外焊带线

5X20陶瓷

6X25陶瓷

6X30内焊

6X30陶瓷

汽车保险丝

保险丝夹片

电木保险盒

电流保险丝应用基本知识

一、保险丝的作用：

1、正常情况下，保险丝在电路中起连接电路作用。

2、非正常（超负载）情况下，保险丝做为电路中的安全保护元件，通过自身熔断安全切断并保护电路。

二、保险丝的工作原理：

保险丝通电时，由电能转换的热量使可熔体的温度上升。

正常工作电流或允许的过载电流通过时，产生的热量通过可熔体、外壳体向周围环境辐射，通过对流、传导等方式散发的热量与产生的热量逐渐达到平衡。

如果产生的热量大于散发的热量，多余的热量就逐渐积聚在可熔体上，使可熔体温度上升；

当温度达到和超过可熔体的熔点时，就会使可熔体熔化、熔断而切断电流，起到了安全保护电路的作用。

三、保险丝的分类：

1、按外型尺寸分为：

φ2、φ3、φ4、φ5、φ6及其它。

2、按熔断特性分为：

快速熔断型、中等延时熔断型、延时熔断型。

（还可分特快、强延时）。

3、按分断能力分为：

低分断型、高分断型（还可分增强分断型）。

4、按安全标准（或使用地区）分为：

UL/CSA（北美）规格、IEC（中国、欧洲等）规格、MIT/KTL（日本/韩国）规格等。

5、其它分类。

四、保险丝的特性术语：

1、额定电流：

保险丝管的公称工作电流（正常条件下，保险丝长期维持正常工作的最大电流）。

2、额定电压：

保险丝的公称工作电压（保险丝断开瞬间，能安全承受的最大电压）。

选用保险丝时，被选用保险丝的额定电压，应大于被保护回路的输入电压。

3、分断能力：

当电路中出现很大的过载电流（如强短路）时，保险丝能安全切断（分断）电路的最大电流。

它是保险丝最重要的安全指标。

安全分断是指在分断电路中不发生喷溅、燃烧、爆炸等危及周围元、部件以至人身安全的现象。

4、过载能力（承载能力）：

保险丝能在规定时间内维持工作的最大过载电流。

当流经保险丝的电流超过额定电流时，一段时间后熔体温度将逐渐上升以至最后被熔断。

UL标准规定：

保险丝维持工作4小时以上，最大不熔断电流是额定电流的110%（微型保险丝管为100%）

IEC标准规定：

保险丝维持工作1小时以上，最大不熔断电流是额定电流的150%

5、熔断特性（I-T）：

保险丝所加负载电流与保险丝熔断时间的关系。

A、熔断特性曲线（I-T曲线）：

在以负载电流为X轴，熔断时间为Y坐标的对数坐标系内，由保险丝在不同负载电流下的平均熔断时间坐标点连成的曲线。

每一种型号规格的保险丝都有一条相应的曲线可代表其熔断特性，这种曲线很好地描绘了保险丝的过载性能。

可供保险丝选用时参考。

B、熔断特性表：

由几个规定的具有代表性的负载电流值和对应的熔断时间范围所组成的表格。

各安全标准都已明确规定，这是验收保险丝的最主要依据。

例如UL、CSA、MIT/KTLA种规格快速熔断型，规定为：

In100%4小时最小

In135%1小时最大

In200%2分钟最大

6、熔化热能值（I2T）：

使保险丝的熔断体熔化，部份汽化的切断电流所需要的公称能量值，简单说就是使保险丝熔断所需的最小热能值。

总量I2t=熔化I2t+飞弧I2t

其中熔化I2t（相当于IEC标准中的预飞弧I2t），指从熔体熔化到飞弧开始瞬间所需要的能量；

飞弧I2t是指飞弧开始瞬间到飞弧最终熄灭所需要的能量。

对于低压保险丝来说，飞弧时间非常短，常可忽略，即飞弧I2t可以按零计算。

UL和IEC都未对I2t作要求，但I2t对选用fuse有些帮助。

保险丝的I2t测算是在保险丝的熔断时间小于10ms（通常是以8ms）时的I2t来计算。

我公司样本上有各规格的I-T曲线，有相应规格I2t参考值，供选用保险丝时参考。

7、电压降：

在额定电流条件下，达到热平衡后保险丝两端的电压差。

8、温升：

在一定电流条件下，达到热平衡后保险丝表面温度与通电初始温度（可以理解为环境温度）之差，即温升=保险丝表面温度—环境温度。

五、保险丝管的安全标准及标志：

1、UL、CSA标准：

美国、加拿大等北美地区安全标准；

小型电流保险丝管标准为UL248-1/14、CSA248-1/14。

安全标志：

---UL/CSALIST（列名标志），完全按照UL/CSA248-1/14标准测试认证通过的产品安全标志。

---UL/CSARECOGNIZED（认可标志），部分按照UL/CSA248-1/14标准测试认证通过的产品安全标志。

---UL测试通过、CSA互认的列名/认可安全标志，等同于

2、JIS标准：

日本电器安全标准。

小型电流保险丝管标准为JISC6575。

安全标志：

---T

---PSE

2006年底前两个标志都有效，之后只有“PSE”标志有效。

3、KTL标准：

韩国电器安全标准。

---K

4、IEC标准：

国际电工委员会标准，欧洲及中国地区使用的安全标准。

小型电流保险丝管标准为IEC60127，GB9364（中国）。

CCC---中国

SEMKO---瑞典

VDE---德国

BSI---英国

IMQ---意大利

六、、影响保险丝寿命的因素及评估保险丝寿命：

1、影响保险丝寿命的因素：

a、工作环境温度：

环境温度过高有损于保险丝的寿命。

延时型（慢熔断型）保险丝如锡球型，温度约等于160℃（150~170℃）时锡开始向金属丝扩散；

快速熔断型保险丝的可熔体（金属丝）开始较剧烈氧化的温度约等于200℃（175~225℃）。

随熔丝由外向里的氧化、多次的扩散、热应力疲劳等，保险丝的寿命将逐渐缩短。

　　因而建议延时型保险丝熔丝不应长时间在150℃以上工作，快速熔断型保险丝不应长时间在175~225℃以上工作。

、脉冲电流：

不断的脉冲冲击，会产生热循环，从而致使熔丝的扩散、氧化、热应力等产生，甚至加速。

保险丝将随着脉冲能量和次数的增加而渐渐老化。

保险丝的抗冲击寿命，取决于脉冲的I2t占保险丝本身I2t的百分比；

通常情况，应小于20%，那样保险丝可承受10万次以上的冲击。

、其它：

如与保险丝接触的管夹、及连接电线的长度、截面积等。

保险丝与管夹的接触电阻大，有损于寿命，UL标准中规定，试验时保险丝与管夹的接触电阻小于3mΩ。

当接触电阻大时，管夹不是散热而是产生热并向熔丝传送。

2、保险丝老化后对使用的影响：

保险丝老化后，不会产生应切断的电流而保险丝不熔断的危险。

保险丝老化后，相当于是额定值（电流）的下降而非上升，因而在电路中不会产生安全性问题，只是会在较小的过载电流或脉冲下即切断电路。

3、保险丝寿命的测试评估：

在IEC标准中规定有“耐久性试验法”，而UL标准中无类似的规定。

IEC标准中的耐久性试验即是寿命试验，其方法是，在正常温度下使用直流电源测试：

、额电流直到温度稳定下测电压降；

、1.2倍额定电流1h切断电流15min。

循环100次；

、通电1.5In1h测电压降；

、同a法测电压降。

要求：

试验前后电压降变化不应超过10%，且标识仍清楚可辩，端帽焊点不出现任何劣变。

七、保险丝适用的电路：

1、特快速和快速熔断型保险丝管：

适用于较恒定电流的电路，或浪涌电流较小的电路，且电路中存在抗冲击脆弱元件或部件。

2、中等延时和延时熔断型保险丝管：

适用于存在正常浪涌电流的电路，且电路中不存在抗冲击脆弱元件或部件。

抗雷击型保险丝管，适用于需要承受瞬间雷击的特殊电路，如电话机等。

3、分断电流保险丝管：

适用于可能出现较大短路电流的电路。

4、氧树脂封装和塑料外壳型保险丝管：

适用于安装密集元件或可能出现接触短路的回路中。

5、350V、300V的保险丝管：

适用于电子整流器等产品。

八、保险丝管使用中的一些注意事项：

1、被选用保险丝的额定电压，应大于被保护回路的输入电压。

2、UL规格保险丝的额定电流是在实验室条件下确定的，实际使用时应小于标称值的75%使用。

例如，电路工作电流为0.75A，最小选用额定电流为1A的保险丝管。

3、IEC规格保险丝管的额定电流，实际使用时可按标称值的90%或100%使用。

例如，电路工作电流为0.9A，最小可选用额定电流为0.9A或1A的保险丝管。

4、不同使用环境温度下，保险丝的工作寿命不一样，温度越高，保险丝的工作寿命越短；

实际选用时，需按系数提高保险丝的额定电流选用。

我司产品目录中已标明温度影响曲线，供选用保险丝管时参考。

5、保险丝管的分断能力与其体积成正比，与额定电压成反比。

即，体积越大或额定电压越小，保险丝管的分断能力就越大；

体积越小或额定电压越大，保险丝管的分断能力就越小。

所以，如选用小尺寸的保险丝管，需判定被保护电路可能出现的短路电流不会太大；

如被保护电路可能出现较大的短路电流，则须选用有较大分断电流的较大尺寸保险丝管。

产品目录中标明了各型号、规格的分断电流，共选用保险丝管时参考。

6、保护回路的浪涌I2T应小于保险丝管额定I2T的20%，保险丝管在被保护回路中才能承受10万次以上的浪涌冲击。

九、保险丝管的选用：

a）确定安全标志：

根据产品将销售的市场要求，选定保险丝管的安全认证标志及安全标准（UL标准或IEC标准保险丝管）。

b）确定外型尺寸：

根据安装空间和确定的安全认证标志及安全标准，选定保险丝管的外型尺寸。

c）确定型号：

根据被保护回路的电流特性，选定保险丝管的型号。

例如，被保护回路的电流特性为恒定电流，则选用快速熔断型。

d）确定额定电压：

根据被保护回路的输入电压及使用要求，确定保险丝管的额定电压。

例如，被保护回路的输入电压为220V，则须选用额定电压220V以上的保险丝管，可选250V、300V、350V等；

但考虑成本因素，不必选用过高的额定电压。

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