開關(guān)電源原理

1、1第一部分第一部分常用器件介紹常用器件介紹2一、整流二極管 二極管是功率電子系統(tǒng)中不可或缺的器件，用于整流、續(xù)流等。目前比較多地使用如下三種選擇： 高效快速恢復(fù)二極管。壓降0.8-1.2V，適合小功率，12V左右電源。 高效超快速二極管。0.8-1.2V，適合小功率，12V左右電源。 肖特基勢壘整流二極管SBD。0.4V，適合5V等低壓電源。缺點是其電阻和耐壓的平方成正比，所以耐壓低（200V以下），反向漏電流較大，易熱擊穿。但速度比較快，通態(tài)壓降低。3 雙二極管4二、場效應(yīng)管基礎(chǔ)知識二、場效應(yīng)管基礎(chǔ)知識 1）、場效應(yīng)管的分類）、場效應(yīng)管的分類 按溝道半導(dǎo)體材料的不同，結(jié)型和絕緣柵型各分溝道和

2、P溝道兩種。若按導(dǎo)電方式來劃分，場效應(yīng)管又可分成耗盡型與增強型。結(jié)型場效應(yīng)管均為耗盡型，絕緣柵型場效應(yīng)管既有耗盡型的，也有增強型的。場效應(yīng)晶體管可分為結(jié)場效應(yīng)晶體管和MOS場效應(yīng)晶體管。而MOS場效應(yīng)晶體管又分為N溝耗盡型和增強型；P溝耗盡型和增強型四大類。見下圖。 562）場效應(yīng)管的作用 1、場效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。 2、常用于多級放大器的輸入級作阻抗變 換。3、場效應(yīng)管可以用作可變電阻。4、場效應(yīng)管可以方便地用作恒流源。5、場效應(yīng)管可以用作電子開關(guān)。 73）、場效應(yīng)管的測試）、場效應(yīng)管的測試: a、結(jié)型場效應(yīng)管的管腳識別：、結(jié)型場效應(yīng)管的管腳識別：場效應(yīng)管的柵極相當(dāng)于晶體

3、管的基極，源極和漏極分別對應(yīng)于晶體管的發(fā)射極和集電極。將萬用表置于R1k檔，用兩表筆分別測量每兩個管腳間的正、反向電阻。當(dāng)某兩個管腳間的正、反向電阻相等，均為數(shù)K時，則這兩個管腳為漏極D和源極S（可互換），余下的一個管腳即為柵極G。對于有4個管腳的結(jié)型場效應(yīng)管，另外一極是屏蔽極（使用中接地）。8 b、判定柵極、判定柵極用萬用表黑表筆碰觸管子的一個電極，紅表筆分別碰觸另外兩個電極。若兩次測出的阻值都很小，說明均是正向電阻，該管屬于N溝道場效應(yīng)管，黑表筆接的也是柵極。制造工藝決定了場效應(yīng)管的源極和漏極是對稱的，可以互換使用，并不影響電路的正常工作，所以不必加以區(qū)分。源極與漏極間的電阻約為幾千歐。注

4、意不能用此法判定絕緣柵型場效應(yīng)管的柵極。因為這種管子的輸入電阻極高，柵源間的極間電容又很小，測量時只要有少量的電荷，就可在極間電容上形成很高的電壓，容易將管子損壞。9功率場效應(yīng)管功率場效應(yīng)管MOSFET 功率場效應(yīng)管又叫功率場控晶體管。10 電力場效應(yīng)晶體管有3個端子： 漏極D、源極S和柵極G。當(dāng)漏極接電源正，源極接電源負時，柵極和源極之間電壓為0，溝道不導(dǎo)電，管子處于截止。如果在柵極和源極之間加一正向電壓UGS，并且使UGS大于或等于管子的開啟電壓UT，則管子開通，在漏、源極間流過電流ID。UGS超過UT越大，導(dǎo)電能力越強，漏極電流越大。 11三、電阻器三、電阻器 碳膜電阻器（碳膜電阻器（R

5、T） 材料：高溫下將有機化合物（烷，苯等碳氫化合物）熱分解產(chǎn)生的碳積在陶瓷肌體表面。碳膜電阻器阻值范圍寬，由良好的穩(wěn)定性，溫度系數(shù)不大且是負值，是目前應(yīng)用最廣泛的電阻器。12 金屬膜電阻（金屬膜電阻（RJ） 材料：通過真空蒸發(fā)或陰極濺射，沉積在陶瓷肌體表面上一層很薄的金屬或合金膜。 特點：金屬膜電阻比碳膜電阻的精度高，穩(wěn)定性好，噪聲， 溫度系數(shù)小，金屬膜電阻由于結(jié)構(gòu)不均勻，因此使他的脈沖負載能力差。13 SMT 電阻：（電阻：（RI） 材料：片狀電阻是金屬玻璃鈾電阻的一種形式，他的電阻體是高可靠的釕系列玻璃鈾材料經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而成，電極采用銀鈀合金漿料。 特點：體積小，精度高，穩(wěn)定性好，由于其為

6、片狀元件，所以高頻性能好14 繞線電阻繞線電阻:RX 材料：用高阻合金線繞在絕緣骨架上制造。 特點：繞線電阻具有較低的溫度系數(shù)，阻值精度高， 穩(wěn)定性好，耐熱耐腐蝕，主要做精密大功率電阻使用，缺點是高頻性能差，時間常數(shù)大。15 壓敏電阻 根據(jù)使用目的的不同，可將壓敏電阻區(qū)分為兩大類： 保護用壓敏電阻 電路功能用壓敏電阻。 16 保護用壓敏電阻保護用壓敏電阻（1） 區(qū)分電源保護用，還是信號線，數(shù)據(jù)線保護用壓敏電阻器，它們要滿足不同的技術(shù)標準的要求。（2） 根據(jù)施加在壓敏電阻上的連續(xù)工作電壓的不同，可將跨電源線用壓敏電阻器可區(qū)分為交流用或直流用兩種類型，壓敏電阻在這兩種電壓應(yīng)力下的老化特性表現(xiàn)不同。

7、 （3） 根據(jù)壓敏電阻承受的異常過電壓特性的不同，可將壓敏電阻區(qū)分為浪涌抑制型，高功率型和高能型這三種類型。17浪涌抑制型：是指用于抑制雷電過電壓和操作過電壓等瞬態(tài)過電壓的壓敏電阻器，這種瞬態(tài)過電壓的出現(xiàn)是隨機的，非周期的，電流電壓的峰值可能很大。絕大多數(shù)壓敏電阻器都屬于這一類。高能型：指用于吸收發(fā)電機勵磁線圈，起重電磁鐵線圈等大型電感線圈中的磁能的壓敏電壓器，對這類應(yīng)用，主要技術(shù)指標是能量吸收能力。 18 壓敏電阻器的保護功能，絕大多數(shù)應(yīng)用場合下，是可以多次反復(fù)作用的，但有時也將它做成電流保險絲那樣的"一次性"保護器件。例如并接在某些電流互感器負載上的帶短路接點壓敏電阻。

8、19高功率型：是指用于吸收周期出現(xiàn)的連續(xù)脈沖群的壓敏電阻器，例如并接在開關(guān)電源變換器上的壓敏電阻，這里沖擊電壓周期出現(xiàn)，且周期可知，能量值一般可以計算出來，電壓的峰值并不大，但因出現(xiàn)頻率高，其平均功率相當(dāng)大。20 電路功能用壓敏電阻電路功能用壓敏電阻壓敏電阻主要應(yīng)用于瞬態(tài)過電壓保護，但是它的類似于半導(dǎo)體穩(wěn)壓管的伏安特性，還使它具有多種電路元件功能，例如可用作：（1）直流高壓小電流穩(wěn)壓元件，其穩(wěn)定電 壓可高達數(shù)千伏以上，這是硅穩(wěn)壓管無法 達到的。（2）電壓波動檢測元件。 （3）直流電瓶移位元件。（4）均壓元件。（5）熒光啟動元件21 水泥電阻水泥電阻 水泥電阻通常用做功率大，電流大的場合，有2W

9、，3W，5W，10W甚至更大的功率，象空調(diào)，電視機，等功率在百瓦級以上的電器中，基本上都會用到水泥電阻，主要作用就是限流22 PTC熱敏電阻 PTC是Positive Temperature Coefficient 的縮寫，意思是正的溫度系數(shù)， 泛指正溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件。通常我們提到的PTC是指正溫度系數(shù)熱敏電阻，簡稱PTC熱敏電阻。PTC熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，超過一定的溫度(居里溫度)時，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。2324 PTC熱敏電阻組織結(jié)構(gòu)和功能原理 陶瓷材料通常用作高電阻的優(yōu)良絕緣體，而陶瓷PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇為基，摻雜其它的多

10、晶陶瓷材料制造的，具有較低的電阻及半導(dǎo)特性。通過有目的的摻雜一種化學(xué)價較高的材料作為晶體的點陣元來達到的： 在晶格中鋇離子或鈦酸鹽離子的一部分被較高價的離子所替代，因而得到了一定數(shù)量產(chǎn)生導(dǎo)電性的自由電子。25 對于PTC熱敏電阻效應(yīng)，也就是電阻值階躍增高的原因，在于材料組織是由許多小的微晶構(gòu)成的，在晶粒的界面上， 即所謂的晶粒邊界(晶界)上形成勢壘，阻礙電子越界進入到相鄰區(qū)域中去，因此而產(chǎn)生高的電阻，這種效應(yīng)在溫度低時被抵消： 在晶界上高的介電常數(shù)和自發(fā)的極化強度在低溫時阻礙了勢壘的形成并使電子可以自由地流動。 而這種效應(yīng)在高溫時，介電常數(shù)和極化強度大幅度地降低，導(dǎo)致勢壘及電阻大幅度地增高 ，

11、呈現(xiàn)出強烈的PTC效應(yīng)。26PTC熱敏電阻： 有下面幾個性能！燈絲預(yù)熱用PTC熱敏電阻器1.應(yīng)用范圍：用于各種熒光燈電子鎮(zhèn)流器、電子節(jié)能燈中，不必改動線路，將適當(dāng)?shù)臒崦綦娮杵髦苯又锌缃釉跓艄艿闹C振電容器兩端，可以變電子鎮(zhèn)流器、電子節(jié)能燈的硬啟動為預(yù)熱啟動，使燈絲的預(yù)熱時間達0.42秒可延長燈管壽命三倍以上。2.特點：利用材料PTC特性制作而成，產(chǎn)品體積小、耐電壓高、壽命長、正常工作時功耗小。3.應(yīng)用原理：應(yīng)用PTC熱敏電阻器實現(xiàn)預(yù)熱啟動原理如右圖所示：剛接通開關(guān)時，Rt處于常溫態(tài)，其阻值遠遠低于C2阻值，電流通過C1，Rt自熱溫度超過居里點溫度Tc躍入高阻態(tài)，其阻值遠遠高于C2阻值，電流通過C

12、1、C2形成回路導(dǎo)致LC諧振，產(chǎn)生高壓點亮燈管。27保險絲型PTC熱敏電阻器PTC熱敏電阻和NTC熱敏電阻技術(shù)1.應(yīng)用范圍： MZ12A型PTC熱敏電阻器主要用于電子鎮(zhèn)流器（節(jié)能燈、電子變壓器、萬用表、智能電度表）等的過流過熱保護，直接串聯(lián)在負載電路中，在線路出現(xiàn)異常狀況時，能夠自動限制過電流或阻斷電流，當(dāng)故障排除后又恢復(fù)原態(tài)，俗稱“萬次保險絲”。2.特點：無觸點的電路及元器件保護自動限制過電流故障排除后自動恢復(fù)工作時無噪音無火花工作可靠、使用方便3.應(yīng)用原理：將PTC熱敏電阻器串聯(lián)在電源回路中，當(dāng)電路處于正常狀態(tài)時，流過PTC的電流小于額定電流，PTC處于常態(tài)，阻值很小，不會影響電子鎮(zhèn)流器（

13、節(jié)能燈、變壓器、萬用表）等被保護電路的正常工作。當(dāng)電路電流大大超過額定電流時，PTC陡然發(fā)熱，阻值驟增至高阻態(tài)，從而限制或阻斷電流，保護電路不受損壞。電流電流回復(fù)正常后，PTC亦自動回復(fù)至低阻態(tài)，電路恢復(fù)正常工作。在電子鎮(zhèn)流器（節(jié)能燈、變壓器、萬用表）等過流保護應(yīng)用領(lǐng)域，南京時恒憑借其科研和工藝等方面的優(yōu)勢，率先推出了以高耐壓（V300VAC）為特色的MZ12型產(chǎn)品。28 三TL431基準電源器件 這個器件在電源中使用率最高，這里簡單介紹該器件。（1）TL431簡介 圖5-2：TL431結(jié)構(gòu)及原理2930 德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的TL431是一是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源。它

14、的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值（如圖2）。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2。 圖5-2左圖是該器件的符號。3個引腳分別為：陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）和參考端（REF）。 由圖可以看到，VI是一個內(nèi)部的2.5V基準源，接在運放的反相輸入端。由運放的特性可知，只有當(dāng)REF端（同相端）的電壓非常接 31 近VI（2.5V）時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管的電流將從1到100mA變化。當(dāng)然，該圖絕不是TL431的實際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡單地用這種組合來代替它。但如果在設(shè)計、分析應(yīng)用TL

15、431的電路時，這個模塊圖對開啟思路，理解電路都是很有幫助的。32（2）TL431的應(yīng)用 前面提到TL431的內(nèi)部含有一個2.5V的基準電壓，所以當(dāng)在REF端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖5-3所示的電路，當(dāng)R1和R2的阻值確定時，兩者對Vo的分壓引入反饋，若V o增大，反饋量增大，TL431的分流也就增加，從而又導(dǎo)致Vo下降。顯見，這個深度的負反饋電路必然在VI等于基準電壓處穩(wěn)定，此時Vo=(1+R1/R2)Vref。選擇不同的R1和R2的值可以得到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任意電壓輸出，特別地，當(dāng)R1=R2時，Vo=5V。需要注意的是，在選擇電阻

16、時必須保證TL431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1 mA 。 33 當(dāng)然，這個電路并不太實用，但它很清晰地展示了該器件在應(yīng)用中的方法。將這個電路稍加改動，就可以得到在很多實用的電源電路，如圖5-4。 一般地，在陰極和參考端之間，可以引進R、C串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以做相位補償。3435圖5-3：推薦的應(yīng)用電路及電壓輸出 作為基準器件，TL431可以在恒壓源、恒流源等電路中廣泛采用。我們前面講到的開關(guān)電源，就廣泛地使用這個器件作為比較基準。36四、光電耦合器原理及應(yīng)用 工作原理 在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)

17、生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。 37 常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達林頓型、集成電路型等。38光電耦合器的測試 1、用萬用表判斷好壞。斷開輸入端電源，用R1k檔測1、2腳電阻，正向電阻為幾百歐，反向電阻幾十千歐，3、4腳間電阻應(yīng)為無限大。1、2腳與3、4腳間任意一組，阻值為無限大，輸入端接通電源后，3、4腳的電阻很小。調(diào)節(jié)RP，3、4間腳電阻發(fā)生變化，說明該器件是好的。注：不能用R10k檔，否則導(dǎo)致發(fā)射管擊穿。 392、簡易測試電路，當(dāng)接通電源

18、后，調(diào)節(jié)LED的發(fā)光強度會發(fā)生變化，說明被測光電耦合器是好的。 下圖：光電耦合器及其典型用法4041第二部分開關(guān)電源原理及各功能電路42 一、 開關(guān)電源的電路組成 開關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM 控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過欠壓保護電路、輸出過欠壓保護電 路、輸出過流保護電路、輸出短路保護電路等。 開關(guān)電源的電路組成方框圖如下： 4344 PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調(diào)制，是一種開關(guān)式穩(wěn)壓電源應(yīng)用，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。 什么是什么是PFC電路

19、電路 PFC就是就是“功功率因數(shù)校正功功率因數(shù)校正”的意思，主要的意思，主要用來表征電子產(chǎn)品對電能的利用效率。功用來表征電子產(chǎn)品對電能的利用效率。功率因數(shù)越高，說明電能的利用效率越高率因數(shù)越高，說明電能的利用效率越高 45二、 輸入電路的原理及常見電路 1、AC 輸入整流濾波電路原理： 46472、 DC 輸入濾波電路原理： 48 輸入濾波電路：C1、L1、C2組成的雙型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜 波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。C3、 C4 為安規(guī)電容，L2、L3為差模電感。 49 R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、

20、Q2、RT1、C7組成抗浪涌電路。在起機的瞬間， 由于 C6的存在Q2不導(dǎo)通，電流經(jīng)RT1構(gòu)成回路。當(dāng)C6上的電壓充至Z1的穩(wěn)壓值時Q2導(dǎo) 通。如果C8漏電或后級電路短路現(xiàn)象，在起機的瞬間電流在RT1上產(chǎn)生的壓降增大，Q1導(dǎo) 通使 Q2沒有柵極電壓不導(dǎo)通，RT1將會在很短的時間燒毀，以保護后級電路502、 常見的原理圖： 51四、 輸出整流濾波電路/b： 1、 正激式整流電路： 52 T1為開關(guān)變壓器，其初極和次極的相位同相。D1為整流二極管，D2為續(xù)流二極管，R1、C1、R2、C2為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感，C4、L2、C5組成型濾波器。 532、 反激式整流電路：54 T1為開關(guān)變壓器，

21、其初極和次極的相位相反。D1為整流二極管，R1、C1為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感，R2為假負載，C4、L2、C5組成型濾波器。 55五、 穩(wěn)壓環(huán)路原理 1、反饋電路原理圖：56 2、工作原理： 當(dāng)輸出 U0升高，經(jīng)取樣電阻R7、R8、R10、VR1分壓后，U1腳電壓升高，當(dāng)其超過U1 腳基準電壓后 U1腳輸出高電平，使Q1導(dǎo)通，光耦OT1發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導(dǎo)通， UC3842腳電位相應(yīng)變低，從而改變U1腳輸出占空比減小，U0降低。 57 當(dāng)輸出 U0降低時，U1腳電壓降低，當(dāng)其低過U1腳基準電壓后U1腳輸出低電平，Q1 不導(dǎo)通，光耦OT1發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管不導(dǎo)通，UC3842

22、腳電位升高，從而改變 U1腳輸出占空比增大，U0降低。周而復(fù)始，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調(diào)節(jié)VR1可改變 輸出電壓值。 反饋環(huán)路是影響開關(guān)電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯、漏、虛焊等，會產(chǎn)生自激 振蕩，故障現(xiàn)象為：波形異常，空、滿載振蕩，輸出電壓不穩(wěn)定等。58六、短路保護電路： 1、在輸出端短路的情況下，PWM控制電路能夠把輸出電流限制在一個安全范圍內(nèi)，它 可以用多種方法來實現(xiàn)限流電路，當(dāng)功率限流在短路時不起作用時，只有另增設(shè)一部分電路。59 2、短路保護電路通常有兩種，下圖是小功率短路保護電路，其原理簡述如下：60 當(dāng)輸出電路短路，輸出電壓消失，光耦OT1不導(dǎo)通，UC3842腳電壓上升

23、至5V左右，R1與R2的分壓超過TL431基準，使之導(dǎo)通，UC3842腳VCC電位被拉低，IC停止工作。UC3842停止工作后腳電位消失，TL431不導(dǎo)通UC3842腳電位上升，UC3842重新啟動，周而復(fù)始。當(dāng)短路現(xiàn)象消失后，電路可以自動恢復(fù)成正常工作狀態(tài)。 613、下圖是中功率短路保護電路，其原理簡述如下： 62 當(dāng)輸出短路，UC3842腳電壓上升,U1 腳 電位高于腳時，比較器翻轉(zhuǎn)腳輸出高電位，給 C1充電，當(dāng)C1兩端電壓超過腳基準電壓時 U1腳輸出低電位，UC3842腳低于1V，UCC3842 停止工作，輸出電壓為0V，周而復(fù)始，當(dāng)短路 消失后電路正常工作。R2、C1是充放電時間常數(shù)， 阻值不對時短路保護不起作用。 634、 下圖是常見的限流、短路保護電路。其工作原理簡述如下： 64 當(dāng)