隨著電力電子技術的高速發(fā)展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現(xiàn) 了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都 已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發(fā)展。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電 源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這 為開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。

　　本期電子發(fā)燒友《電源工程師設計全攻略》為你搜集開關電源相關設計資料，加深你對開關電源的理解，讓你的電路設計如虎添翼！

　　一、開關電源的基本工作原理

　　開關電源接控制方式分為調寬式和調頻式兩種，在實際的應用中，調寬式使用得較多，在目前開發(fā)和使用的開關電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調制型。因此下面就主要介紹調寬式開關穩(wěn)壓電源。

　　調寬式開關穩(wěn)壓電源的基本原理可參見下圖。

　　對于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓Uo取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓Ｕ?？捎晒接嬎悖?/p>

　　即Uo=Um×T1/T

　　式中Um為矩形脈沖最大電壓值；T為矩形脈沖周期；T1為矩形脈沖寬度。

　　從上式可以看出，當Um 與T 不變時，直流平均電壓Uo 將與脈沖寬度T1 成正比。這樣，只要我們設法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達到穩(wěn)定電壓的目的。

　　二、開關電源的原理電路

　　1、基本電路

　　圖二 開關電源基本電路框圖

　　開關電源的基本電路框圖如圖二所示。

　　交流電壓經整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓進人高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/p>

　　控制電路為一脈沖寬度調制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調制及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關電源用集成電路。控制電路用來調整高頻開關元件的開關時間比例，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

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　　單端反激式開關電源的典型電路如圖三所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側。所謂的反激，是指當開關管VT1 導通時，高頻變壓器Ｔ初級繞組的感應電壓為上正下負，整流二極管VD1處于截止狀態(tài)，在初級繞組中儲存能量。當開關管VT1截止時，變壓器Ｔ初級繞組中存儲的能量，通過次級繞組及VD1 整流和電容Ｃ濾波后向負載輸出。

　　單端反激式開關電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為20－100Ｗ，可以同時輸出不同的電壓，且有較好的電壓調整率。唯一的缺點是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對固定的負載。

　　單端反激式開關電源使用的開關管VT1 承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在20－200kHz之間。

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　　單端正激式開關電源的典型電路如圖四所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。當開關管VT1導通時，VD2也

　　導通，這時電網向負載傳送能量，濾波電感Ｌ儲存能量；當開關管VT1截止時，電感Ｌ通過續(xù)流二極管VD3 繼續(xù)向負載釋放能量。

　　在電路中還設有鉗位線圈與二極管VD2，它可以將開關管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復位條件，即磁通建立和

　　復位時間應相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于５０％。由于這種電路在開關管VT1導通時，通過變壓器向負載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出50－200 Ｗ的功率。電路使用的變壓器結構復雜，體積也較大，正因為這個原因，這種電路的實際應用較少。

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　　自激式開關電源的典型電路如圖五所示。這是一種利用間歇振蕩電路組成的開關電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。

　　當接入電源后在R1給開關管VT1提供啟動電流，使VT1開始導通，其集電極電流Ic在L1中線性增長，在L2 中感應出使VT1 基極為正，發(fā)射極為負的正反饋電壓，使VT1 很快飽和。與此同時，感應電壓給C1充電，隨著C1充電電壓的增高，VT1基極電位逐漸變低，致使VT1退出飽和區(qū)，Ic 開始減小，在L2 中感應出使VT1 基極為負、發(fā)射極為正的電壓，使VT1 迅速截止，這時二極管VD1導通，高頻變壓器Ｔ初級繞組中的儲能釋放給負載。在VT1截止時，L2中沒有感應電壓，直流供電輸人電壓又經R1給C1反向充電，逐漸提高VT1基極電位，使其重新導通，再次翻轉達到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復振蕩下去。這里就像單端反激式開關電源那樣，由變壓器Ｔ的次級繞組向負載輸出所需要的電壓。

　　自激式開關電源中的開關管起著開關及振蕩的雙重作從，也省去了控制電路。電路中由于負載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。

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　　推挽式開關電源的典型電路如圖六所示。它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側。電路使用兩個開關管VT1和VT2，兩個開關管在外激勵方波信號的控制下交替的導通與截止，在變壓器Ｔ次級統(tǒng)組得到方波電壓，經整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/p>

　　這種電路的優(yōu)點是兩個開關管容易驅動，主要缺點是開關管的耐壓要達到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在100-500 Ｗ范圍內。

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　　降壓式開關電源的典型電路如圖七所示。當開關管VT1 導通時，二極管VD1 截止，輸人的整流電壓經VT1和L向Ｃ充電，這一電流使電感Ｌ中的儲能增加。當開關管VT1截止時，電感Ｌ感應出左負右正的電壓，經負載RL和續(xù)流二極管 VD1釋放電感Ｌ中存儲的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在VT1基極上的脈沖寬度確定。

　　這種電路使用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣，只需要利用電感、電容和二極管即可實現(xiàn)。

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　　升壓式開關電源的穩(wěn)壓電路如圖八所示。當開關管 VT1 導通時，電感Ｌ儲存能量。當開關管VT1 截止時，電感Ｌ感應出左負右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經二極管VD1向負載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開關電源。

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　　反轉式開關電源的典型電路如圖九所示。這種電路又稱為升降壓式開關電源。無論開關管VT1之前的脈動直流電壓高于或低于輸出端的穩(wěn)定電壓，電路均能正常工作。

　　當開關管 VT1 導通時，電感L 儲存能量，二極管VD1 截止，負載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當開關管VT1截止時，電感Ｌ中的電流繼續(xù)流通，并感應出上負下正的電壓，經二極管VD1向負載供電，同時給電容Ｃ充電。

　　幾種經典的開關電源電路

　　1、感性開關式電源電路圖

　　如圖所示，555和R1、R2、C1組成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，振蕩頻率約在10kHz，占空比接近50%。VT2、VT3作為擴大電流用的開關管使用。當振蕩方波為高電平時，VT2、VT3導通，向LC放電；為低電平時，L中的儲能通過續(xù)流二極管回路向負載供電。當過壓時，DW擊穿，VT1飽和導通，c極呈低電平（0.7V），使555復位、停振，起穩(wěn)壓和動態(tài)平衡作用。

　　2、5V不間斷電源

　　電池電壓GB為3.6V，由三節(jié)AANiCd電池組成。IC1位開關穩(wěn)壓器，IC2位線性穩(wěn)壓器。當輸入電壓Vin》7.3V，IC1將關斷，在此情況下有IC2提供輸出電壓。Vin則通過VD1和R1以浮充電流對GB進行充電。當Vin7.3V時，IC2則處于關斷狀態(tài)，IC1將3.6V電池電壓升到5V，負載電流為50mA。IC2帶有低電池電壓監(jiān)測器，并由R6、R7對Vin進行檢測。監(jiān)測器在7腳的輸出驅動倒相器VT1，VT1又反過來驅動IC1和IC2的6腳及5腳兩個關斷輸入腳。這兩個輸入具有相反的極性電平。IC1和IC2公用反饋電阻R2和R3使兩個穩(wěn)壓器對輸出電壓V0都能進行監(jiān)測。當IC2關斷，其輸出被切斷。當IC1關斷，芯片維持低功率狀態(tài)，消耗電流小于1微安。在工作狀態(tài)IC1對50mA的負載提供75%的總效率。只要正確設定限流電阻R1的阻值，就能使浮充電流電荷量不超過電池容量的10%，Vin可高達17V。

　　3、高耐壓PWM開關電源

　　本電源為簡單的5V、5W開關電源。圖中TOP210（IC）為PWM開關。IC中含有PWM控制器，功率MOSFET和各種保護電路，這種5V、5W開關電源的成本比常用的線性電源成本低。

　　交流輸入電壓經VD1~VD2整流后的直流高壓，加到變壓器T初級線圈的一端，初級線圈的另一端加到TOP210內部輸出MOSFET的漏極。VD2和VD6組成的箝位電路，把電壓器T漏感引起的脈沖前沿尖峰電壓限制到安全值。本電源工作頻率為100kHz。變壓器T次級電壓級VD7整流和C4、C5、L2濾波后，輸出5V的穩(wěn)定電壓。L1、C1、C6、C7用來減小傳導輻射電流，以減小開關電源產生的射頻干擾。反饋線圈兩端電壓經VD8整流，R1、C3濾波后，加到TOP210的控制腳，C3兩端電壓有TOP210來調整，以便穩(wěn)定輸出電壓。

　　4、調頻燈的開關穩(wěn)壓電源

　　本電源在光學儀器和設備中應用非常廣泛，其范圍主要包括光學教學儀器。如投影儀、幻燈機、放映機、等。光學影像設備如放大機、印像機曝光機、高速攝影機等。光學分析儀器，如顯微鏡、放大鏡、分光光度計、光譜儀等。

　　電路原理如圖所示，電容C1、C2、C3和共模電感T1組成的共模濾波器，可將電源內部主變換器產生的高頻信號對電網（220V，50Hz）的影響和污染降到最低，二極管VD1~VD4及電解電容C4組成的全波整流濾波電路，將220V、50Hz變成300V的直流電壓，用以作電路的電源。主變換器有開關功率管VT1和VT2、電容C6和C10、變壓器T2和T3等外圍元件組成，電路形式為半橋型自激式。

　　5、低噪聲開關電路原理圖

　　電路如圖所示，該電路可以獲得更大的輸出功率，只需更改部分器件。圖中左邊的電路R1，L1，D1，C1至C7是常規(guī)的共模濾波和整流電路，獲取約 300V的直流電壓供DC-DC變換電路使用；最右邊電路L5，C11等是普通的LC濾波電路；IC2，D8，R9，R10組成電壓反饋電路，形成閉環(huán)結構，穩(wěn)定電源輸出電壓；中間部分是DC-DC變換器，降噪聲的關鍵是對這一部分的電路進行適當處理。

　　開關電源電磁干擾的抑制

　　開關電源工作在高頻開關狀態(tài)，內部會產生很高的電流、電壓變化率，導致開關電源產生較強的電磁干擾。電磁干擾信號不僅對電網造成污染，還直接影響到其他用電設備甚至電源本身的正常工作，而且作為輻射干擾闖入空間，造成電磁污染，制約著人們的生產和生活。

　　1、無源濾波技術

　　無源濾波電路簡單，成本低廉，工作性能可靠，是抑制電磁干擾的有效方式。無源濾波器由電感、電容、電阻元件組成，其直接作用是解決傳導發(fā)射。開關電源中應用的無源濾波器的原理結構圖如圖1所示。

　　由于原電源電路中濾波電容容量大，整流電路中會產生脈沖尖峰電流，這個電流由非常多的高次諧波電流組成，對電網產生干擾；另外電路中開關管的導通或截止、變壓器的初級線圈都會產生脈動電流。由于電流變化率很高，對周圍電路會產生出不同頻率的感應電流，其中包括差模和共模干擾信號，這些干擾信號可以通過 2根電源線傳導到電網其他線路和干擾其他的電子設備。圖中差模濾波部分可以減少開關電源內部的差模干擾信號，又能大大衰減設備本身工作時產生的電磁干擾信號傳向電網。又根據(jù)電磁感應定律，得E=Ldi／dt，其中：E為L兩端的電壓降；L為電感量；di／dt為電流變化率。顯然要求電流變化率越小，則要求電感量就越大。

　　脈沖電流回路通過電磁感應其他電路與大地或機殼組成的回路產生的干擾信號為共模信號；開關電源電路中開關管的集電極與其他電路之間產生很強的電場，電路會產生位移電流，而這個位移電流也屬于共模干擾信號。圖1中共模濾波器就是用來抑制共模干擾，使之受到衰減。

　　2 、有源濾波技術

　　有源濾波技術是抑制共模干擾的一種有效方法。該方法從噪聲源出發(fā)而采取的措施（如圖2所示），其基本思想是設法從主回路中取出一個與電磁干擾信號大小相等、相位相反的補償信號去平衡原來的干擾信號，以達到降低干擾水平的目的。如圖2所示，利用晶體管的電流放大作用，通過把發(fā)射極的電流折合到基極，在基極回路來濾波。R1，C2組成的濾波器使基極紋波很小，這樣射極的紋波也很小。由于C2的容量小于C3，減小了電容的體積。這種方式僅適合低壓小功率電源的情況。另外，在設計和選用濾波器時應注意頻率特性、耐壓性能、額定電流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。濾波器的安裝位置要恰當，安裝方法要正確，才能對干擾起到預期的濾波作用。

　　3、共模、差模電源線濾波器設計

　　電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除，開關電源EMI濾波器基本電路如圖所示。一個合理有效的開關電源EMI濾波器應該對電源線上差模干擾和共模干擾都有較強的抑制作用。在圖中CX1和CX2叫做差模電容，L1叫做共模電感，CY1和CY2叫做共模電容。差模濾波元件和共模濾波元件分別對差模和共模干擾有較強的衰減作用。

　　共模電感L1是在同一個磁環(huán)上由繞向相反、匝數(shù)相同的兩個繞組構成。通常使用環(huán)形磁芯，漏磁小，效率高，但是繞線困難。當市網工頻電流在兩個繞組中流過時為一進一出，產生的磁場恰好抵消，使得共模電感對市網工頻電流不起任何阻礙作用，可以無損耗地傳輸。如果市網中含有共模噪聲電流通過共模電感，這種共模噪聲電流是同方向的，流經兩個繞組時，產生的磁場同相疊加，使得共模電感對干擾電流呈現(xiàn)出較大的感抗，由此起到了抑制共模干擾的作用。

　　實際使用中共模電感兩個電感繞組由于繞制工藝的問題會存在電感差值，不過這種差值正好被利用作差模電感。所以，一般電路中不必再設置獨立的差模電感了。共模電感的差值電感與電容CX1及CX2構成了一個∏型濾波器。這種濾波器對差模干擾有較好的衰減。

　　除了共模電感以外，圖6中的電容CY1及CY2也是用來濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時主要由電感器起作用，而在高頻時大部分由電容CY1及 CY2起作用。電容CY的選擇要根據(jù)實際情況來定，由于電容CY接于電源線和地線之間，承受的電壓比較高，所以，需要有高耐壓、低漏電流特性。計算電容 CY漏電流的公式是：ID=2πfCYVcY，式中：ID為漏電流，f為電網頻率。

　　一般裝設在可移動設備上的濾波器，其交流漏電流應《1mA；若為裝設在固定位置且接地的設備上的電源濾波器，其交流漏電流應3.5mA，醫(yī)療器材規(guī)定的漏電流更小。由于考慮到漏電流的安全規(guī)范，電容CY的大小受到了限制，一般為2.2～33nF。電容類型一般為瓷片電容，使用中應注意在高頻工作時電容器CY與引線電感的諧振效應。

　　差模干擾抑制器通常使用低通濾波元件構成，最簡單的就是一只濾波電容接在兩根電源線之間而形成的輸入濾波電路（如圖6中電容CX1），只要電容選擇適當，就能對高頻干擾起到抑制作用。該電容對高頻干擾阻抗甚底，故兩根電源線之間的高頻干擾可以通過它，它對工頻信號的阻抗很高，故對工頻信號的傳輸毫無影響。該電容的選擇主要考慮耐壓值，只要滿足功率線路的耐壓等級，并能承受可預料的電壓沖擊即可。為了避免放電電流引起的沖擊危害，CX電容容量不宜過大，一般在0.01～0.1μF之間。電容類型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。

　　4、屏蔽技術和接地技術

　　采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾。屏蔽一般分為2種：一種是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場和恒定磁場的影響；另一種是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、磁場以及交變電磁場的影響。屏蔽技術分為對發(fā)出電磁波部位的屏蔽和受電磁波影響的元器件的屏蔽。在開關電源中，可發(fā)出電磁波的元器件是指變壓器、電感器、功率器件等，通常在其周圍采用銅板或鐵板作為屏蔽，以使電磁波產生衰減。

　　此外，為了抑制開關電源產生的輻射向外部發(fā)散，為了減少電磁干擾對其他電子設備的影響，應采取整體屏蔽?？赏耆凑諏Υ艌銎帘蔚姆椒▉砑庸て帘握郑缓髮⒄麄€屏蔽罩與系統(tǒng)的機殼和地連接為一體，就能對電磁場進行有效的屏蔽。然而在使用整體屏蔽時應充分考慮屏蔽材料的接縫、電線的輸入／輸出端子和電線的引出口等處的電磁泄露，且不易散熱，結構成本大幅度增加等因素。

　　為使電磁屏蔽能同時發(fā)揮靜電屏蔽的作用，加強屏蔽效果，同時保障人身和設備的安全，應將系統(tǒng)與大地相連，即為接地技術。接地是指在系統(tǒng)的某個選定點與某個接地面之間建立導電的通路設計。這一過程是至關重要的，將接地和屏蔽正確結合起來可以更好地解決電磁干擾問題，又可提高電子產品的抗干擾能力。在地線設計中應注意以下幾點：

　?。?）、正確選擇單點接地通常，濾波電容公共端應是其它的接地點耦合到大電流的交流地的唯一連接點，同一級電路的接地點應盡量靠近，并且本級電路的電源濾波電容也應接在該級接地點上，主要是考慮電路各部分回流到地的電流是變化的，因實際流過的線路的阻抗會導致電路各部分地電位的變化而引入干擾；

　?。?）、量加粗接地線 若接地線很細，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設備的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞，因此要確保每一個大電流的接地端采用盡量短而寬的印制線，盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關系是：地線＞電源線＞信號線，如有可能，接地線的寬度應大于3mm，也可用大面積銅層作地線用，在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用；

　?。?）輸入地與輸出地本開關電源中為低壓的DC－DC，欲將輸出電壓反饋回變壓器的初級，兩邊的電路應有共同的參考地，所以在對兩邊的地線分別鋪銅之后，還要連接在一起，形成共同的地。

——下期《電源工程師設計全攻略（三）：充電電源設計》不日上線，敬請期待！