电路设计之开关电源设计.docx
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电路设计之开关电源设计
1绪论
开关电源（SwitchingModePowerSupply,英文缩写为SMPS）又称为开关稳压电
源，问世后在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。
随着全球对能源问题的越来越重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。
传统的线性稳压电源虽然电力结构简单、工作可靠，但它存在着效率低（只有40%〜50%）、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。
为了提高效率，人们研究出了开关式稳压电源，它的效率可达85%以上，稳压范围宽；除此之外，还具有稳压精度高的特点，是一种较理想的稳压电源。
开关电源具有效率高、体积小、重量轻、应用广泛等优点，现已成为稳压电源的主流产品。
正因为如此，开关电源被誉为高效、节能型电源，代表着稳压电源的发展方向，并已广泛应用于各种电子设备中⑴。
1.1开关电源的特点
1.1.1开关电源的优点
（1）功耗小，效率高。
晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通一截止和截止一导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近1000kHz。
这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。
（2）体积小，重量轻。
采用高频技术，省掉了体积笨重的工频变压器。
由于调整
管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。
由于这两方面原因，所以
开关稳压电源的体积小，重量轻。
（3）稳压范围宽。
从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。
这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。
所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。
此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。
开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。
（4）滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。
开关稳压电源的
工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍；即使采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。
在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500〜1/1000。
电路形式灵活多样，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。
1.1.2开关电源的缺点
电压调整率和负载调整率指标较差，对负载变化的瞬态响应时间较长，输出纹波电压和噪声电压较高，不适合制作精密稳压电源。
一种改进方案是把它当做前级稳压器来使用，而把开关式稳压器或低压差稳压器作为后级稳压器，构成两级稳压的高效、精密稳压电源。
1.2开关电源的基本工作原理
1.2.1开关电源的组成部分
开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。
其电路比较复杂，基本构成如图1.1所示。
图1.1开关电源的基本构成
主要由以下5部分构成：
①输入整流滤波器：
包括从交流电到输入整流滤波器的电路。
②功率功率管（VT）及高频变压器（T）。
③控制电路（PWM调制器），含振荡器、基准电压源（Uref）、误差放大器和PWM比较器，控制电驴能产生脉宽调制信号，其占空比受反馈电路的控制。
④输出整流滤波器。
⑤反馈电路。
除此之外，还需增加偏置电路、保护电路等。
其中，PWM调制器为开关电源的核心。
1.2.2开关电源的工作过程
交流电网电压进入输入电路后，经输入电路中的线路滤波器、浪涌电流控制电路以及整流电路，变换成直流电压。
其中线路滤波器及浪涌电流控制电路的主要作用是削弱由电网电源线进入的外来噪声以及抑制浪涌电流，整流电路则完成交流到直流的
变换，可分为电容输入型和扼流圈输入型两大类，开关电源中通常采用电容输入型。
功率变换电路是整个开关电源的核心器件，它将直流电压变换成高频矩形脉冲电压，其电路主要由开关电路和变压器组成。
开关电路的驱动方式分为自激式和他激式两大
类；开关变压器因是高频工作，其铁芯通常采用铁氧体磁芯或非晶合金磁芯；开关晶体管通常采用开关速度高，导通和关断时间短的晶体管，最典型的有功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅型双极晶体管（IGBT）等三种。
输出电路是将高频变压器次级方波电压经过高频整流滤波电路整流成单向脉动直流，并将其平
滑成设计要求的低纹波直流电压，供给负载使用。
1.3开关电源的工作方式
开关电源按控制原理来分类，有以下4种工作方式：
（1）脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，简称PWM，即脉宽调制）式：
其特点是开关周期为恒定值，通过调节脉冲宽度来改变占空比，实现稳压目的。
其核心是脉宽调制器。
（2）脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation，简称PFM，即脉频调制）式：
其特点是脉冲宽度为恒定值，通过调节开关频率来改变占空比，实现稳压目的。
其核心
是脉频调制器。
（3）脉冲密度调制（PulseDensityModulation，简称PDM，即脉密调制）式：
其特点是脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压目的。
它采用零电压技术，能显著降低功率电压管的损耗。
（4）混合调制式：
它是
（1）、
（2）两种方式的组合。
开关周期和脉冲宽度都不固定，均可调节。
它包含了脉宽调制器和脉频调制器。
以上4种统“称时间比率控制”方式，其中以脉宽调制器应用最广。
1.4脉宽调制器的基本原理
脉宽调制式开关电源的工作原理如图1.2所示。
220V交流电u首先经过整流滤波电路变成直流电压Ui，再由功率开关管VT斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过整流滤波后后的所需要的直流输出电压Uo。
脉宽调制器能产生频
率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通、断状态，进而调节输出电压的高低，达到稳压目的。
锯齿波发生器用于提供始终信号。
利用取样电阻。
误差放大器和PWM比较器形成闭环调节系统。
输出电压Uo经R1、R2取样后，送至误差放大器的反相输入端，与加在同相输入端的基准电压~Uref进行比较，得到误差电压Ur,再用Ur的幅度去控制PWM比较器输出的脉冲宽度，最后经过功率放大和降压式输出电路使UO保持不变。
UJ为锯齿波发生器的输出信号。
⑵
图1.2脉宽调制式开关电源的工作原理
2开关电源控制的选择
开关电源有两种控制类型，一种是电压控制（VoltageModeControl）;另一种是电
流控制（CurrentModeControl）。
2.1电流控制型开关电源
电流控制型正是针对电压控制型的缺点而发展起来的，电流控制型开关电源在电
压控制环的基础上又增加了电流控制环，形成双环控制系统，使得开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有所提高，是较为理想的工作方式。
其基本原理
电流控制型的工作原理是采用恒频时钟脉冲置位锁存器，输出脉冲驱动功率管导
通，电源回路中的电流脉冲逐渐增大。
当电流检测电阻Rs上的压降达到并超过Us时,电流检测比较器状态翻转，锁存器复位，驱动撤除，功率管截止，直到下一个始终脉冲使PWM锁存器置位，这样逐个检测和调节电流脉冲，就可达到控制电源输出的目的。
2.2与电压型控制相比，电流型控制的优势
（1）对输入电压变化的响应快。
电网电压的变化，必然会引起电流的变化，假设电压升高，那么电流增长变快，反之则变慢。
当电流脉冲达到预定的幅度，电流控制动作就会开始，控制脉宽发生变化来进行稳压。
对于电压型控制，检测电路对输入电压的变化没有直接的反应，要等到电压发生较大的变化后，才会进行处理，所以响应速度慢。
（2）过流保护。
由于采用了直接的电感电流峰值技术，它可以及时，准确的检测
输出和开关管电流，自然形成了诸葛电流脉冲检测电路，通过给定一个参考电流，就可以准确的限制流过开关管的最大电流，当输出超载或短路时，自动的保护电路，同时也可防止电网浪涌所产生的尖峰电流损坏电路器件，这样设计电路时就不需要考虑
留什么余量，能省一些成本。
（3）回路稳定性好，负载响应快。
电流控制是一个输出电压控制的电流源，电流源的大小反映了输出电流的大小。
因为电感中电流脉冲的幅值与负载电流的平均值是成比例的，这样电感的相位延迟就
不存在了[3]。
3单相桥式整流电路
单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路
3.1工作原理
T为变压器；Di、D2、D3、D4为四个整流二极管，Rl为负载电阻。
整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。
单相桥式整流电路如图3.1所示。
图3.1单相桥式整流电路
当U2正半周时，二极管Di、D3正向导通，D2、D4反偏截止，在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。
U2正半周时，电流流向图如图3.2所示。
图3.2U2正半周时
U2负半周时，二极管Di、D3反偏截止，D2、D4正向导通，电流经过负载时，产
生的电压极性仍是上正下负。
U2负半周时，电流流向图如图3.3所示。
图3.3上负半周时
单相桥式整流电路的波形图如3.4所示。
图3.4单相桥式整流电路波形
3.2参数计算
输出电压是单相脉动电压，通常它的平均值与直流电压等效。
输出平均电压：
流过负载的平均电流:
2J2V20.9V2
Il:
二Rl
Rl
（3.2）
流过二极管的平均电流：
Id亠壬皿（3.3）
2hRlRl
二极管所承受的最大反向电压⑷:
VRmax=.2V2（3.4）
3.3电容滤波电路
整流电路将交流电变成脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。
应在整流电路的后面加滤波电路，滤去交流成分。
3.3.1滤波的基本概念
滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。
电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。
电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。
经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。
3.3.2电容滤波的组成及工作原理
在负载电阻上并联一个滤波电容C,如图3.5所示。
二极管导通时，一方面给负载RL供电，一方面对电容C充电。
在忽略二极管正向压降后，充电时，充电时间常数.充电=2RdC，其中rd为二极管的正向导通电阻，其值非常小，充电电压Uc与上
升的正弦电压U2一致，u。
二WU2，当Uc充到U2的最大值时，U2开始下降，且下降速率逐渐加快。
当u2vuc时，四个二级管均截止，电容C经负载Rl放电，放电时间常数为•放电=RlC,故放电较慢，直到负半周。
图3.5电容滤波电路
在负半周，当U2卜Uc时，另外两个二极管（VD2、VD4）导通，再次给电容C充电，当Uc充到U2的最大值时，U2开始下降，且下降速率逐渐加快。
当u23.3.3负载上电压的计算
电容放电时间常数•放电=RLC，即输出电压的大小和脉动程度及负载电阻直接相
关。
若Rl开路，即输出电流为零，电容C无放电通路，一直保持最大充电电压；若Rl很小，放电时间常数很小，输出电压几乎与没有滤波时一样。
全波直流电压平均值：
Uo=0.9U2（3.5）
U2为变压器次级电压有效值。
流过的平均电流[5]:
Il=uo/Rl（3.6）
4电磁干扰滤波器
开关电源电磁干扰滤波器是无源网络，它具有双向抑制性能。
将它插入在交流电网中与电源之间，相当于这二者的EMI噪声之间加上一个阻断屏障，这样一个简单的无源滤波器起到了双向抑制噪声的作用，从而在各种电子设备中获得广泛的应用。
开关电源由于功耗小效率高，体积小，重量轻，稳压范围广，电路形式灵活等特点，广泛地应用于计算机、通信等各类电子设备。
但是随着开关电源的小型化，开关就要高频化，这种高频化，其基波本身也就构成了一个干扰源，发出一种更强的传导干扰波，此外通过改进元器件达到高频化的同时，也会因辐射干扰波而导致一种超标准值的杂散的信号。
这些信号构成了电磁干扰（EMI），被干扰对象是无线电通信。
为使无线电波不受电磁干扰的影响，就要采取措施限定这种电磁干扰，使之符合有关电磁兼容（EMC）标准或规范，这已经成为电子产品设计者越来越关注的问题。
4.1开关电源电磁干扰（EM）的特点
开关电源功率变换器中的功率半导体器件的开关频率通常较高，功率开关器件在
高频下的通、断过程中不可避免地要产生强大的电磁干扰。
与数字电路相比，开关电源EMI呈现出鲜明的特点：
（1）开关电源EMI干扰源的位置比较清楚，主要集中在功率开关器件、二极管以及与之相连的散热器和高频变压器上。
（2）作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，其产生的EMI噪声信号既具有很宽的频率范围，又有一定的强度。
（3）印制电路板布线不当也是引起电磁干扰的主要原因。
这些干扰经传导和辐射对其他电子设备造成干扰。
任何电源线上传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。
在一般情况下，差模干扰幅度小，频率低，所造成的干扰较小；共模干扰幅度大，频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。
因此，欲削弱传导干扰，把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装电磁干扰滤波器。
4.2电磁干扰滤波器的设计
4.2.1电磁干扰滤波器设计原则
电磁干扰滤波器的设计与选择，应根据干扰源的特性、频率范围、电压、阻抗等参数及负载特性的要求综合考虑，通常要考虑以下几方面的问题：
（1）要求电磁干扰滤波器在相应工作频段范围内，能满足负载要求的衰减特性，若一种滤波器衰减量不能满足要求的时候，则可采用多级联，可以获得比单级更高的衰减，不同的滤波器级联，可以获得在宽频带内良好的衰减特性。
（2）要满足负载电路工作频率和需抑制频率的要求，如果遇到要抑制的频率和有
用信号频率非常接近，则需要频率特性非常陡峭的EMI滤波器。
（3）在所要求的频率上，滤波器的阻抗必须与它连接的干扰源阻抗和负载阻抗相匹配，如果负载是高阻抗，则EMI滤波器的输出阻抗应为低阻；如果电源或干扰源阻抗是低阻抗，则EMI滤波器的输出阻抗应为高阻；如果电源阻抗或干扰源阻抗是未知的或者是在一个很大的范围内变化，很难得到稳定的滤波特性，为了使EMI滤波器获得良好的滤波特性，应在其输入和输出端，同时并接一个固定电阻。
（4）电磁干扰滤波器必须具有一定耐压能力，要根据电源和干扰源的额定电压来选择滤波器，使它具有足够高的额定电压，以保证在所有预期工作的条件下都能可靠地工作，能够经受输入瞬时高压的冲击。
（5）滤波器允许通过的电流应与电路中连续运行的额定电流一致。
电流定高了，会加大滤波器的体积和重量；电流定低了，又会降低滤波器的可靠性。
（6）滤波器应具有足够的机械强度，结构简单，重量轻，体积小，安装方便，安全可靠。
4.2.2电磁干扰滤波器的电路结构
开关电源EMI滤波器的电路如图4.1所示。
图4.1电磁干扰滤波器基本电路
该五端器件有两个输入端，两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。
电路中包括共模扼流圈（亦称共模电感儿、滤波电容Ci~C4。
L对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过精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。
当有共模电流通过时，两个线圈上产生的磁场就会互相加强。
L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关，见表4.1。
当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。
此外，适当增加电感量，可改善低频衰减特性。
Ci和C2采用薄膜电容器，容量范围大致是
0.01折~0.47尸，主要用来滤除串模干扰。
C3和C4跨接在输出端，并将电容器的重点接通大地，能有效地抑制共模干扰。
C3和C4的容量范围是2200pF~0.1F。
为减少
漏电流，电容器量不宜超过0.1尸。
Ci~C4的耐压值均为630Vdc或250Vac。
⑹
表4.1电感量范围与额定电流的关系
额定电流1（A）
1
3
6
10
12
15
电感量范围L（mH）
8~23
2~4
0.4~0.8
0.2~0.3
0.1~0.15
0.0~0.08
5推挽变换器
推挽变换器是一种相当于两个正激变换器的组合。
两个变换器轮流互补工作。
变
压器一次侧带中心抽头的两个绕组随各自连接的磁芯工作在磁化曲线的第一象限和
第三象限，完成磁化和去磁功能。
它同半桥、全桥变换器一样，都属于双极性变换器。
5.1电路结构
推挽式变换器可分电流型、电压型两种拓扑结构。
它们的主要区别是电流型的输入级需要增加一个大电感L,但不需要输出滤波电感；而电压型的输入级没有大电感,但输出级必须接滤波电感L。
其典型电路结构如图5.1所示。
Di
图5.1推挽变换器的电路结构
开关管VT1、VT2、变压器T1组成推挽逆变电路，将直流输入变换成高频方波脉冲。
脉冲的频率由PWM驱动信号频率决定。
并联于开关管两端的二极管仅流过磁芯复位时的磁化电流。
二次侧输出的高频正负脉冲电压经二级管VD1、VD2整流成二倍
于开关频率的正向脉冲，再经L、Co租成的滤波电路平滑高频，输出负载Rl上产生具有2fs纹波的直流输出电压。
采用推挽式变换器时，通过设计更多的二次绕组，能产生多路输出电压（含负压输出）。
5.2工作原理
推挽变换器在一个周期Ts内，开关管VT1、VT2各交替轮流导通一次，设每管的导通时间为Ton，占空比D二玉匚即TON=丄DTS，TOFF=11-DTS。
在这里D、Ton、
TS/222
Toff的含义发生了变化，是在半周期内开关管导通、关断一次，不像单端变换器那样，开关管在一个周期内导通和关断一次。
6PWM控制芯片SG3524
SG3524为双端输出式PWM控制器，其属于双闭环控制系统，由电压控制环河电流控制环组成，属于数字、模拟混合型集成电路。
该芯片由频率可在较宽范围内预调的固定频率振荡器、占空比可在0~100%之间调节的脉宽调制器、死区时间校准器、双路功率输出的三极管电路、误差放大器、精密参考电压源一节禁止、缓启动、过流和过压保护电路等组成。
6.1SG3524的特点及性能
6.1.1特点：
（1）完整的PWM功率控制功能。
（2）工作频率大于100KHZ。
（3）集电极、发射极均为开路输出，最大输出电流达100mA。
（4）负载调整率典型值为0.2%。
（5）内部基准电压变化最大为1%。
（6）工作电压范围为8V〜40V。
（7）工作温度为-10C〜+85C。
6.1.2主要性能
电压控制脉宽调制技术，数字、模拟混合集成电路，片内含有精确的参考电压源和误差放大器，具有过流和短路保护功能，PWM占空比可任意调节，输入与TTL和
CMOS电平兼容，双通道脉宽调制输出、易与微机接口，电源电压（8V~40V），电源电流（20mA），占空比（0~49%），输出电流（2X100mA），震荡频率（400kHz）。
6.2SG3524的原理
6.2.1SG3524引脚简介
SG3524采用DIP-16封装，引脚排列如图6.1所示。
各引脚功能如下：
第1、2脚分别为误差放大器的反相输入端与同相输入端。
第3脚是振荡器输出端。
第4、5脚依次是限流比较器检测端。
第&7脚分别接定时电阻（Rt）和定时电容（Ct）。
第8脚为接地端。
第9脚为误差放大器的频率补偿端。
第10脚为关断电路控制端.改变此脚电位就可控制PWM的通断。
第11、14脚为输出管Ea、Eb的发射极。
第12、13脚为输出管的集电极；第15脚为电源输入端，接+5V〜+30V。
第16脚为+5V基准电压引出端。
SG3524芯片引脚功能说明见表6.1。
[7]
1N-丄
16Uref
15巧
OUTok3
14
CL+J.
CL_X
SG3524
12CA
Rt色
11H
Ct1
15SO
GND-
1COMP
图6.1SG3524的引脚排列图
表6.1SG3524引脚功能说明
引脚
符号
功能
1
INV
反相输入引脚
2
N,INV
同相输入引脚
3
OSC
振荡器输出引脚
4
+Cl
检测引脚什Cl）
5
-Cl
检测引脚（-Cl）
6
Rt
积分电阻引脚
7
Ct
积分电容引脚
8
GND
地线
9
comp
补偿引脚
10
SD
关闭（停止）引脚
11
Ea
发射极（A）引脚
12
Ca
集电极（A）引脚
13
Cb
发射极（B）引脚
14
Eb
集电极（B）引脚
15
VIN
输入电压引脚
16
VREF
参考电压引脚
6.2.2工作描述
SG3524的内部框图如图6.2所示。
主要包含9个部分：
+5v稳压器和基准电源；振荡器；误差放大器：
PWM比较器；限流比较器；二分频触发器；或非门（A、B）；推挽式驱动管（VTa、VTb）；关断电路。
图6.2SG3524内部组成原理
稳压器与基准电压源实质上是一个小功率串联调整式稳压器，输出电压为+5V，
向芯片内各单元供电，也对外提供基准电压，最大输出电流为20mA。
振荡器一方面
产生幅度为0.6〜3.6V的连续锯齿波电压Ui、直接输入到脉宽调制器的同相输入端，另一方面又向触发器和或非门提供一个同步方波U2并从3脚输出。
振荡频率f，由下
式决定：
（6.1）
1.18
RtCt
Rt的阻值范围是1.8kQ~100kQ,Ct=0.001尸~0.1折，最高震荡频率为300kHz。
取样电压和基准电压分别接入管脚I和2,经误差放大器放大后，输出控制电压
U3，接入PWM调制器反相输入端，与其同相输入端的锯齿波电压进行比较，输出一个宽度受控制电压U3调制的方波脉冲U4，送至两个或非门的输入端，同时来自振荡器的同步方波脉冲U2经二分频触发器输出两路相位互差180。
的方波脉冲也送至两或非门的输入端。
因触发器有二分频作用，故开关频率f'=f/2。
或非门为三路输入信号，它们分别是触发器、振荡器和PWM比较器的输出信号，其特点是：
只有三路输入信号均为低电平时，输出才为高电平，工作波形如图6.3所示。
由波形图可见，触发器
的两路输出脉冲互补，但在两路输入脉冲问至少存在有宽度为0.5卩〜5血的同步方波脉冲U2，从而保证两个或非门输出脉冲错开一定角度，不会造成输出管类同导通'现象，双端输出时每路占空比的调节范围是~0〜45%。
当电源出现异常或出于某种需要，在第10脚加大于0.7V的电压，就能使关断电路中的晶体管饱和，所拉成低电平
使PWM输出高电平，Va、Vb因没有输入脉冲而截止。
第10脚为低电平时，PWM恢复正
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