小型開關(guān)電源設(shè)計與制作畢業(yè)論文

1、 PAGE98 / NUMPAGES98小型開關(guān)電源設(shè)計ABSTRACTThis paper mostly describes the whole design and debugging of the minitype switched voltage regulator power, which is composed of six parts. The second part wrote about the element and the third part wrote about the design step of minitipe switched power. The mode

2、l includes import loop, output loop, feedback loop, control loop and the design of transformer. The latter includes hardware debugging and experiment results analyzing. After experimentation, Ithink out the relationsamong output voltage, import voltage, duty ratio and switched frequency and also the

3、 relationsof import current, transformer coil ratio and the output current. In addition, I put forward relevant methods by myself for many problems which are met with during the course of the experimentation.Keywords: switched power 、regulated power、transformer摘要本設(shè)計主要描述小型開關(guān)電源的整個設(shè)計和調(diào)試過程，本文包括六個主要部分，第一

4、部分介紹開關(guān)電源的發(fā)展?fàn)顩r。第二部分主要介紹其工作原理，第三部分介紹設(shè)計步驟。主電路包括輸入、輸出和反饋控制部分。最后一部分主要是硬件部分的調(diào)試。調(diào)試部分包括電路的焊接和調(diào)試，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題的解決。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源、變壓器、開關(guān)管目 錄第一章 緒論211 概述 212 開關(guān)電源的新技術(shù) 413 開關(guān)電源的基本構(gòu)成 914 開關(guān)電源的穩(wěn)定度 915 開關(guān)電源的分類 11第二章 小型開關(guān)電源原理 1421 RCC變換器的電路結(jié)構(gòu) 1422 簡單的RCC方式開關(guān)電源 18第三章 開關(guān)電源電路設(shè)計 24第四章 性能改善 4041 保護電路 4042 效率的提高 4143 浪涌與其吸收電路 43

5、44 噪聲與其抑制 5445 功率FET在開關(guān)電源中的幾個問題 57第五章 小型開關(guān)電源主控元件 5951 二極管 5952 開關(guān)電源中使用的磁性元件 6153 開關(guān)電源中選用的電容器 64第六章 硬件調(diào)試 68第七章 結(jié)論 70致 71參考文獻 72附錄 74 第一章 概 論1-1 概述目前空間技術(shù)、計算機、通信。雷達、電視與家用電器中的電源逐漸被開關(guān)電源取代?，F(xiàn)在一般應(yīng)用的串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源，是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)的串聯(lián)穩(wěn)壓器，調(diào)整管總是工作于放大區(qū)，流過的電流是連續(xù)的。這種穩(wěn)壓器的缺點是承受過載和短路的能力差。效率低，一般只有35 60%。由于調(diào)整管上損耗較大的功率，所以需要采

6、用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器。開關(guān)電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，功率損耗小，效率可高達70 95，穩(wěn)壓器體積小、重量輕，調(diào)整管功率損耗較小，散熱器也隨之減小。此外，開關(guān)頻率工作在幾十KHZ，濾波電感、電容可用較小數(shù)值的元件，允許的環(huán)境溫度也可以大大提高。但是，由于調(diào)整元件的控制電路比較復(fù)雜，輸出的紋波電壓較高，瞬間響應(yīng)較差。所以開關(guān)電源的應(yīng)用也受到一定限制。電子裝置地小型輕量化關(guān)鍵是供電電源的小型輕量化，因此，需要盡可能地降低電源電路中的損耗。開關(guān)電源基本上是半導(dǎo)體器件的開關(guān)工作，從原理上講是低損耗的，但是半導(dǎo)體開關(guān)工作也必然存在著開關(guān)損耗，而且損耗隨著開關(guān)頻率成比例地增加。另一方面，開

7、關(guān)電源中必須采用變壓器、電抗器等磁性元件以與平滑濾波用地電容元件，開關(guān)頻率高，可使這些元件小型化，然而，開關(guān)頻率提高時，這些元件地?fù)p耗也隨之增加。目前市售的開關(guān)電源中采用雙極型晶體管時，開關(guān)頻率高達100KHZ；采用MOSFET時，開關(guān)頻率達500KHZ。為提高開關(guān)頻率必須減小開關(guān)損耗，隨之需要采用高速開關(guān)元件。然而，電源高速開關(guān)時，電路存在的分布電感于電容，會由于二極管蓄積電荷的影響產(chǎn)生浪涌電壓于噪聲，不但影響周圍電子設(shè)備的工作，而且也使電源本身的可靠性顯著地降低。為防止開關(guān)工作產(chǎn)生地噪聲，需要用RC或LC吸收電路，對于二極管蓄積電荷產(chǎn)生地浪涌電壓要采用非晶體磁性、矩形磁芯地磁吸收電路。然而

8、，對于MHZ以上地開關(guān)工作頻率可利用諧振電路，加在開關(guān)兩端地電壓或通過開關(guān)地電流為正弦波，這樣，減少開關(guān)損耗地同時可抑制浪涌電壓。這種工作方式稱為諧振開關(guān)方式，目前正在研制中。諧振開關(guān)方式可以極提高開關(guān)速度，原理上開關(guān)損耗為零，噪聲也很小，這是提高開關(guān)電源工作頻率地一種最有效方式。采用諧振開關(guān)方式地幾MHZ變換器已實用化，美國已研制成功20MHZ以上工作頻率地變換器。利用諧振現(xiàn)象使開關(guān)損耗接近于零，消除電壓或電流浪涌，零電壓或零電流開關(guān)諧振變換器也研制成功。有效利用磁性元件對于提高開關(guān)電源技術(shù)是極其重要的。作為高可靠性控制元件是采用磁放大器，而非晶磁芯在次起著關(guān)鍵作用。然而，開關(guān)頻率達到MHZ

9、以上，期待著開發(fā)幾厚膜非晶磁材料。開關(guān)電源的高頻化也需要采用非晶磁芯的吸收電路。另外，采用高頻鐵氧體磁芯與準(zhǔn)晶質(zhì)超急冷磁芯作為主變壓器的磁芯也需要研制。開關(guān)電源的集成化與小型化正在變?yōu)楝F(xiàn)實，目前正在研制開發(fā)主開關(guān)與控制電路集成于同一芯片的集成模塊。然而，把功率開關(guān)與控制電路包括反饋電路都集成于同一芯片上，必須解決電氣隔離與熱絕緣的問題，這是今后一大課題。目前，世界各國正在大力研制新型開關(guān)電源，因這是節(jié)約能源的重大舉措。為了趕上和超過世界先進技術(shù)水平，國很多單位正在研制和應(yīng)用，不斷地向高頻化、線路簡單化和控制電路集成化方向發(fā)展。開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)越性還表現(xiàn)在： 功耗小 由于開關(guān)管功率損耗小，因而不

10、需要采用大散熱器。功耗小使得電子設(shè)備溫升也低，周圍元件不會因長時間工作在高溫環(huán)境下而損壞，這有利于提高整個電子設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。穩(wěn)壓圍寬 當(dāng)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸入的交流電壓在150 250 V圍變化時，都能達到很好的穩(wěn)壓效果，輸出電壓的變化在2以下。而且在輸入電壓發(fā)生變化時，始終能保持穩(wěn)壓電路的高效率，因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源能適用于電網(wǎng)電壓波動比較大的地區(qū)。體積小、重量輕 開關(guān)穩(wěn)壓電源可將電網(wǎng)輸入的交流電壓直接整流，再通過高頻變壓器獲得各種不同交流電壓，這樣就可免去笨重的工頻變壓器，從而節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，使電源體積縮小、重量減輕。安全可靠 開關(guān)穩(wěn)壓電路一般都具有自動保護電路。當(dāng)穩(wěn)壓電路、高

11、壓電路、負(fù)載等出現(xiàn)故障或短路使，能自動切斷電源，其保護功能靈敏、可靠。開關(guān)穩(wěn)壓電源的主要問題是電路比較復(fù)雜，輸紋波電壓較高，瞬態(tài)響應(yīng)差等。因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源的應(yīng)用受到一定的限制。目前，世界各國正在大力研制開發(fā)新型開關(guān)電源，包括新的理論、新型電路方案于新型功率器件等，以適應(yīng)各種電子設(shè)備的小型化。高效率等的需要。1-2 開關(guān)電源的新技術(shù)微型化技術(shù)（1）開關(guān)頻率與損耗決定開關(guān)電源體積的主要因素是電抗器、變壓器等磁性器件和平滑電容器。若提高開關(guān)電源的開關(guān)頻率，這些器件就會小型化。然而，開關(guān)頻率提高時，不但有磁損耗，而且電路的損耗也會增大。一般來說，損耗隨著開關(guān)頻率成正比例地增加。 （2）軟開關(guān)的應(yīng)用與

12、同步整流 諧振或者軟開關(guān)等方式可有效降低伴隨著高頻化帶來地?fù)p耗。這時，開關(guān)損耗只不過時全部損耗中地一部分，若在高頻領(lǐng)域，磁性器件地?fù)p耗所占比例較大。開發(fā)低電壓地集成電路是一種趨勢，因此，低壓大電流地電源顯得非常重要。對于這樣地電源，二極管正向壓降引起的損耗幾乎占總損耗的一半為此，希望采用FET構(gòu)成同步整流方式。然而，采用FET時，由于管二極管的恢復(fù)特性與變壓器漏感等的影響，提高頻率是有限的，對于目前的技術(shù)，開關(guān)頻率為300KHZ左右。除了損耗與開關(guān)頻率以外決定開關(guān)電源體積的還有構(gòu)成電源的元器件。為了減少電源的元器件數(shù)目，需要開發(fā)電源模塊，有效利用漏磁通的寄生參量。另外，從節(jié)省能量來看，也需要在

13、低電壓領(lǐng)域降低損耗，這樣一來，控制電路的低電壓化便成為重要課題。諧振、軟開關(guān)等方式的開關(guān)電源已實用化了，其中，可變頻率的電流諧振開關(guān)電源已率先實用化。在美國，300KHZ到幾MHZ頻率圍的開關(guān)電源已普遍達到2W/cc，在日本，特別是低噪聲、高效率的電視機電源已批量生產(chǎn)。與此相適用的是已經(jīng)開發(fā)的眾多的磁性元器件。另外，作為電壓諧振的基本方式的部分諧振開關(guān)電源，在日本市場特別引人注目。其中，也有采用同步整流。開關(guān)頻率為300KHZ、變換效率為90、輸出電壓為5V、輸出功率為100W的開關(guān)電源。 （3）超薄型電源的研制成功 最近，通信與便攜式電子設(shè)備都要薄型化，其電源當(dāng)然需要采用薄型變壓器，正在研究

14、采用薄膜技術(shù)，但現(xiàn)在已經(jīng)實用化的薄型變壓器是在鐵氧體磁芯上繞制銅片式狀繞組的變壓器。然而，將來的技術(shù)期望是用噴鍍等方法，在鐵氧體基片噴鍍金屬而制作薄型變壓器。這時，降低損耗的方法就是使通過基片磁芯的磁通和通過繞組的電流均勻。另外，磁性薄膜的采用提高了占空因數(shù)，如何解決薄膜化帶來的矯頑力增加是實用化的關(guān)鍵，為此，期望利用矯頑力增加較小的非晶型鐵氧體薄片。諧波電流印制技術(shù)（1）扼流圈輸入方式 這種方式是在電源的輸入級增設(shè)扼流圈、靜噪濾波器或電抗器等，所用元器件數(shù)量最少。電路簡單。成本低，但體積大而且笨重，僅適用于一些對體積和重量沒有嚴(yán)格要求的產(chǎn)品。不過，可用于抑制諧波電流和電磁干擾兩者的混合小型扼

15、流圈和小型電抗器以與專用諧波電流抑制的小型靜噪濾波器，目前正在開發(fā)之中。 （2）部分平滑方式 這種方式是利用無源元件的組合來擴展電流導(dǎo)通角，它本是為防止換流器照明閃爍而開發(fā)的，當(dāng)用于處理功率的開關(guān)電源時，需要增設(shè)所用元器件數(shù)量以提高性能。 （3）單變換器方式 這是最近各個生產(chǎn)廠家都積極進行研究開發(fā)的方式，其電路設(shè)計簡單，輸入級無需接入電抗器，交流輸入可以直接接至負(fù)載使用，PWM變換器不需要修改，只有增設(shè)若干元器件，就可以實現(xiàn)以往的雙變換器方式所具有的功能；穩(wěn)定直流輸出電壓，實現(xiàn)初次級的隔離，減少諧波電流，改善功率因數(shù)。 （4）雙變換器方式 這是一種傳統(tǒng)的電路方式。采用兩個變換器分別用于穩(wěn)定直流

16、輸出電壓和改善功率因數(shù)，其變換器的設(shè)計自由度大，從減少諧波電流和改善功率因數(shù)的角度來說，是一種較理想的電路方式，而且這種電路技術(shù)已經(jīng)成熟。元器件性能的改善（1）功率MOSFET 隨著電子設(shè)備的小型化，大規(guī)模機場電路的性能不斷提高，相應(yīng)地直流/直流變換器地輸出電壓也將降到1V以下。這時，用于直流/直流 變換器輸出端二極管需要采用低導(dǎo)通電阻的功率MOSFET，有可能降低損耗。 （2）平滑電容 對于鋁電解電容，采用聚吡咯或有機半導(dǎo)體的固體電解質(zhì)技術(shù)，已經(jīng)有所進步。而對于這類電容器而言，縮小體積、提高紋波電流和延長壽命，則是永恒的課題。在目前的市場上，用戶十分需求可耐高溫而壽命長達7000 10000

17、小時的品種和高度較低的品種。 對于旦電容器，繼續(xù)在增加其單位體積的容量并降低阻抗，陰極材料采用聚吡咯的高分子型產(chǎn)品也已經(jīng)開發(fā)成功且被市場所接受。 對于薄膜電容器，用戶需要的是阻抗低、承受紋波電流大而且體積小的品種，并且要求符合安全標(biāo)準(zhǔn)。目前這種技術(shù)已取得相當(dāng)進展。引人注目的新技術(shù)（1）軟開關(guān)方式 軟開關(guān)方式包括零電流開關(guān)方式、零電壓開關(guān)方式與兩者兼用的方式。這種方式的優(yōu)點是產(chǎn)品體積小、效率高、噪聲小、成本低。作為實現(xiàn)這種軟開關(guān)方式的手段，有諧振開關(guān)電源技術(shù)和部分諧振型開關(guān)電源技術(shù)，而后者很可能會成為今后開關(guān)電源采用的主流技術(shù)。 （2）組件化技術(shù) 所謂組件化技術(shù)，就是預(yù)先將電源中所需使用的直流/

18、直流變換器、用于諧波電流抑制的功率因數(shù)改善電路、整流平滑電路以與靜噪濾波電路等部分分別制成微型或薄型組件，再根據(jù)用戶需要制作半制定電源，或者根據(jù)用戶需求，和交流/直流前端電路配合，構(gòu)成適應(yīng)大功率輸出或多路輸出等用途的系統(tǒng)電源。利用預(yù)先制作的組件，可以縮短設(shè)計和制造周期，減少產(chǎn)品中所用元器件數(shù)量，降低維護費用。而隨著表面貼裝元件（SMD）和表面貼裝技術(shù)（SMT）的進一步發(fā)展，組件的裝連密度會更加提高，體積會進一步縮小，電源也會隨之更加小型化。 （3）控制技術(shù) 在有些開關(guān)電源產(chǎn)品中，以模擬方式控制輸出電壓，并以數(shù)字方式進行開關(guān)，同時穩(wěn)定輸出電壓，而在于繼續(xù)擴展應(yīng)用圍，以實現(xiàn)節(jié)約電力、放寬輸入電壓圍

19、（適應(yīng)各國不同的市電交流電壓）、進行系統(tǒng)對應(yīng)控制等。 利用數(shù)字控制技術(shù)，可以根據(jù)發(fā)送/接受模式時負(fù)載變化量的大小，對升壓斬波器的通/斷控制進行連續(xù)模式和不連續(xù)模式的轉(zhuǎn)換，從而提高開關(guān)電源的效率并延長電池的壽命。在其控制電路的記憶電路中，可將開關(guān)的導(dǎo)通時間等作為數(shù)據(jù)存儲起來。 （4）交流適配器 便攜式電子設(shè)備的興起，使得交流適配器的市場越來越大。以往的交流適配器采用降壓電路，體積大而且笨重，目前已有采用開關(guān)方式的小型交流適配器上市。 3W或5W的小功率開關(guān)方式交流適配器，外形小巧扁薄，重量輕，使用時像插頭一樣，面向個人機的35 45W量級的開關(guān)方式交流適配器，采用的是諧振換流器電路，也已經(jīng)開始進

20、入市場。有些廠家供應(yīng)的開關(guān)方式交流適配器系列產(chǎn)品，其最大功率已高達60W左右。1-3 開關(guān)電源的基本構(gòu)成開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖1-1所示，其中DC/DC變換器進行 圖1-1 開關(guān)電源的基本構(gòu)成功率變換，它是開關(guān)電源的核心部分，此外還有啟動電路、過流與過壓保護電路、噪聲濾波器等組成部分。反饋回路檢測其輸出電壓，并與基準(zhǔn)電壓比較，其誤差電壓通過放大器放大與控制脈寬調(diào)制電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制半導(dǎo)體開關(guān)地通斷時間比，從而調(diào)整輸出電壓的大小。DC/DC變換器有多種電路方式，常用的有工作波形為方波的 脈寬調(diào)制

21、（PWM）變換器以與工作波形為正弦波的 諧振型變換器。1-4 開關(guān)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定度開關(guān)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定度比串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源低，對于輸入電壓的變化，串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源的輸出電壓幾乎不變，而開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出電壓的變化比串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源達倍左右。圖1-2 開關(guān)穩(wěn)壓電源穩(wěn)定度的說明在圖1-2所示的開關(guān)穩(wěn)壓電源中，由于由于反饋放大器的作用，輸出電壓與輸入電壓變化之比為：式中，A為放大器增益，其中包含電阻分壓器（與）引起的衰減量。若A設(shè)為1000，,這就意味著輸入電壓變化10V，輸出電壓就要變化10mV。若在一樣情況下，對于串聯(lián)線性穩(wěn)壓器，輸出電壓只變化。開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出阻抗為：式中，為整流器的等效串聯(lián)電阻

22、，為電抗器L的直流電阻。輸出阻抗雖因整流器中二極管的額定電流不同而異，但二極管等效串聯(lián)電阻為幾十，電抗器L的串聯(lián)電阻也可能與此相等，若，A=1000,輸出阻抗為，在一樣反饋放大器增益時，輸出阻抗也比串聯(lián)穩(wěn)壓電源低。對于串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源，輸出對輸入的瞬間響應(yīng)特性由調(diào)整管的為晶體管基極接地工作方式的輸入反饋系數(shù)，實用時此值可忽略不計。然而，對于開關(guān)穩(wěn)壓電源，輸入的瞬間變化全部表現(xiàn)在輸出端。要減小這種變化，卻極影響著反饋放大器地增益與頻率特性，一般為ms數(shù)量級。提高開關(guān)頻率地同時，反饋放大器地頻率特性得到改善，此問題也由可能得到解決。負(fù)載變化地串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源地瞬態(tài)響應(yīng)，由反饋放大器地頻率地頻率特性

23、以與輸出電容地容量與特性決定，而對于開關(guān)穩(wěn)壓電源，瞬態(tài)響應(yīng)主要是輸出LC濾波器特性決定，因此，可以提高開關(guān)工作頻率，降低輸出濾波器LC乘積地方法來改善其瞬態(tài)響應(yīng)特性。1-5 開關(guān)穩(wěn)壓電源的分類開關(guān)穩(wěn)壓電源地電路結(jié)構(gòu)有多種，分類方法也很多，作如下說明：按驅(qū)動方式分有自激式與它激式。按DC/DC變換器地工作方式分隔離型有通/通方式、通/斷方式、中心抽頭方式、半橋方式和全橋方式、諧振方式。非隔離型有降壓型、升壓型、極性反轉(zhuǎn)型、開關(guān)電容型以與諧振型。按控制方式分脈寬控制方式有它激式與自激式。磁放大器地混合控制方式有電壓控制、電流控制與并聯(lián)控制。脈寬控制與磁放大器地混合控制方式。按控制信號的隔離方式分采

24、用光電耦合的隔離方式。采用變壓器的隔離方式。電壓/頻率變換、頻率/電壓變換、用變壓器隔離控制信號的方式。采用磁放大器的隔離方式。按過流保護方式分有輸出電流檢測方式與開關(guān)電流檢測方式。以上這些方式的組合可構(gòu)成多種方式的開關(guān)穩(wěn)壓電源，因此，設(shè)計時務(wù)必弄清各種方式的特性，進行有效的組合，設(shè)計出高質(zhì)量的開關(guān)穩(wěn)壓電源。第二章 小型開關(guān)電源原理一、RCC變換器的電路結(jié)構(gòu)RCC變換器是Ringing Choke Converter的簡稱,廣泛應(yīng)用50W以下的開關(guān)電源中,它不需要自勵式振蕩電路,結(jié)構(gòu)簡單,由輸入電壓與輸出電流改變頻率。RCC的基本電路如圖2-1所示,電壓和電流波形如圖2-2所示。在導(dǎo)通期間變壓

25、器蓄積能量, 在下一此截止期間變壓器蓄積的能量釋放供給輸出負(fù)載。 圖2-1 RCC基本電路結(jié)束時,變壓器電壓波形自由振蕩返回到0 V,見圖2-2（c）。這電壓通過基極繞組加到開關(guān)晶體管的基極,因此, 晶體管觸發(fā)導(dǎo)通，一導(dǎo)通就進入開始下一個工作周期。輸入電壓是輸入交流電壓經(jīng)整流的直流電壓。時的等效電路如圖2-3（a）所示。晶體管導(dǎo)通, 因此變壓器的初級線圈兩端加上輸入電壓。圖2-2 電源和電流波形圖2-3 RCC的等效電路另一方面,在變壓器次級側(cè)放電,供給輸出電流 。這期間,輸出二極管中無電流,因此,變壓器初級側(cè)不產(chǎn)生相互作用。中蓄積的能量為。時等效電路如圖2-3（b）所示，因初級側(cè)無電流，所以

26、，圖中未畫出。時中蓄積的能量通過變壓器的次級側(cè)線圈釋放給次級側(cè)。從轉(zhuǎn)換到瞬間，初級側(cè)線圈的安匝相等原理仍成立，因此，若變 壓器初級側(cè)能量全部傳遞 給次級側(cè)，則： （21）匝比N為： （22） 電感與之比是與繞組匝數(shù)平方成正比例，即： （23）傳遞給次級側(cè)能量就變?yōu)檩敵龉β?。圖2-4示出次級側(cè)電壓與電流之間關(guān)系。圖2-4 次級側(cè)電壓與電流之間關(guān)系設(shè)變壓器輸出功率為,則： （24） （25）式中，為變壓器的效率。但是，若變壓器的初級側(cè)能量不全部傳遞給次級側(cè)，其一部分能量變?yōu)樽儔浩鞯臒岷摹?根據(jù)式，有： （26） （27） （28） 這些等式可改寫為： （29） （210） （211）占空比,它是R

27、CC設(shè)計時決定電路特性的重要參數(shù)。開關(guān)晶體管的集電極電流等于,因此，根據(jù)式， （212） 由圖2-6所示波形可知，時，的集電極與發(fā)射極間所加電壓為 （213）圖 2-5 晶體管電流和電壓與D之間關(guān)系圖 2-6 開關(guān)晶體管的發(fā)射極與集電極間電壓Vce圖2-5示改變D時，與相對值的變化。D較大時，較小，但較高，因此，務(wù)必選用高耐壓晶體管。D較小時，也較低，但增大。另外，這與變壓器設(shè)計以與輸出二極管和輸出電容的選用也有關(guān)系。輸入最低時D選為0.3 0.5進行參數(shù)設(shè)計是適宜的。二、簡單的RCC方式開關(guān)穩(wěn)壓電源15V/3A的RCC方式開關(guān)穩(wěn)壓電源，它由主開關(guān)電路、浪涌電壓吸收電路、電壓檢測電路、次級側(cè)整

28、流平滑電路組成。 工作原理簡要說明如下：主開關(guān)電路是保證輸出電壓穩(wěn)定而通斷的直流電路，他是開關(guān)穩(wěn)壓器的重要組成部分。對于RCC方式，開關(guān)晶體管的集電極電流峰值是決定電源的輸出功率之值，它由開關(guān)晶體管基極電流與晶體管的蓄積時間決定?；鶚O驅(qū)動電路與電流波形如圖2-6所示。圖2-6開關(guān)晶體管的基極電流與集電極電流（a）基極驅(qū)動電路 （b）工作波形反饋線圖產(chǎn)生的正向電壓，使晶體管的基極電流按時間常數(shù)衰減。若兩端電壓達到二極管的正向壓降時，電流經(jīng)和流通。的基極電流是這些電流的合成電流。的集電極電流增加到基極電流的倍之后，在蓄積電荷期間，還繼續(xù)增加，若增加接近峰值時，的基極有反偏置電流，因此，截止。大小與

29、電阻有關(guān)，越小，就越大。若這樣確定時，即輸入電壓升高時或輸出電流下降時，有必要使基極電流不需要的分量流經(jīng)其它電路。這種電路如圖2-7所示，不需要的基極電流分量流經(jīng)，對于輸入電壓與輸出電流變動時，保持輸出電壓恒定。此電路中采用PNP型晶體管，也有采用NPN型晶體管，但采用PNP型晶體管電路的過流保護電路簡單。電路中與是供給控制基極電流的光電耦合器的電源。當(dāng)輸出電壓稍升高時，光電耦合器中LED光量增加，光電晶體管 圖2-7開關(guān)晶體管的基極的集電極電流增大，導(dǎo)致的集 電流與集電極電流電極電流增大，形成使的基極電流減小的負(fù)反饋閉環(huán)路。的基極電流一旦減小，集電極峰值電流也減小，但同時變短。 另外，隨著輸

30、入電壓的升高與輸出功率的減小而變短，因此，輸入電壓最高，輸出功率最小時應(yīng)最短。若輸入電壓升高，輸出電流又下降，它作為最小值的輸入電壓與輸出電流的界限時，就不能維持正常的振蕩，產(chǎn)生如圖2-8所示的間歇振蕩。這樣，變壓器就會發(fā)出振動聲響。因此，必須有最小負(fù)載電流，若負(fù)載不能保證不開路時，可在輸出端接入假負(fù)載電阻R。如圖2-9所示，最小負(fù)載電流消耗在此電阻R中。圖2-8 間歇振蕩實例圖2-9 防止間歇振蕩的電路主開關(guān)電路中還有保護開關(guān)晶體管的保護電路。電源接通瞬間或輸出短路時，光電耦合器停止工作，為截止?fàn)顟B(tài)。為此，基極電流全部流經(jīng)的基極。當(dāng)輸入電壓較高時，基極電流與輸入電壓成比例增大，晶體管集電極電

31、流峰值也成比例增大。因整流平滑后的直流電壓變動圍為105-195V，195V時的集電極電流峰值時105時的2倍。這樣，變壓器變成飽和狀態(tài)，或破壞的安全工作區(qū)，于是就需要加過流保護電路，防止集電極電流增大。圖2-10是幾種過流保護實例。最常用的是圖（a）所示電路，采用專用的過流保護晶體管。圖（b）電路是用兩個二極管替代晶體管電路。圖（c）是基極電流控制晶體管兼有保護電路功能。圖2-10過電流保護電路實例此例中的過流保護電路如圖2-11所示，當(dāng)開關(guān)晶體管的集電極電流增加時，若過流檢測電阻R兩端電壓與的之和接近的與的正向壓降之和，則基極電流通過分流，從而減少基極電流，因此，限制了的集電極電流，到達保

32、護目的。 圖2-11 過電流保護電路與其工作波形圖2-12 吸收電路與其工作波形吸收電路的等效電路與工作波形如圖3-13所示，二極管導(dǎo)通期間，晶體管的集電極與發(fā)射極的電壓是輸入電壓和吸收電路中電容充電電壓之和。流經(jīng)二極管的電流其峰值較大，如圖中所示，但平均電流小，選用0.2A電流二極管即可，其耐壓等于或大于。另外，由波形可知，電路中較大，因此選用噪聲性良好的二極管，圖3-6中的選FR，與其并聯(lián)的電容改善了二極管噪聲特性。 圖2-13 輸出整流波形與其工作波形 輸出整流濾波電路是由整流二極管、電解電容和扼流圈組成。流經(jīng)二極管的電流如圖2-13所示，它與開關(guān)晶體管集電極電流相反，線性下降。有效電流

33、為平均電流（輸出電流）的1.4 1.6倍。二極管上加的反向電壓為輸出電壓的2 3倍。此例中采用FD二極管。電壓檢測電路是LED光量隨輸出電壓的微小變化，從而控制輸出電壓，使其穩(wěn)定的電路。當(dāng)輸出電壓為8V以下時，檢測電路采用可變串聯(lián)穩(wěn)壓器，如圖2-15(a)所示，輸出電壓。當(dāng)輸出電壓為8V以上時，采用6.2V穩(wěn)壓管和晶體管組合的電路，如圖2-14（b）所示，輸出電壓。 圖2-14電壓檢測電路第三章 開關(guān)電源電路設(shè)計一、開關(guān)電源設(shè)計步驟圖3-1所示是RCC的設(shè)計程序，現(xiàn)按程序說明如下。圖3-1 RCC設(shè)計程序1 確定電源規(guī)格 輸入電壓： DC36V 輸入電壓變化圍： 20% 輸出電壓： DC15V

34、 輸出電壓變化圍： 1% 輸出功率為； 45W2 確定占空比D和頻率f 設(shè)設(shè)最低振蕩頻率。低于25KHZ的頻率即為音頻域，回發(fā)出刺耳的撥號音。而提供就會增大開關(guān)損耗。RCC在輸出電流減小時頻率會增高，以致達200KHZ以上。這樣就會因不能配合開關(guān)晶體管的工作而致?lián)p耗增加。3. 輸入直流電壓的計算=28.8V 43.2V4一次電流的峰值、圈數(shù)比N和一次電感的計算?，F(xiàn)以輸出電壓最低、輸出電流為過流保護設(shè)定點（的120%）的情況進行計算。RCC在該點時最大，f最小。設(shè)=0.55V， =0.35V，=0.94，由=15V得=+ +=15 + 0.55 + 0.35 = 15.9 （V）變壓器的輸出功率

35、因15V輸出電流是過流檢測點，為3A1.2，所以 = 15.9 3 1.2 = 57.24 （W） （A）ON時為： （S）一次和二次（5V線圈）圈數(shù)比N為： 一次線圈電感為： （mH）5磁芯的選用磁芯選用EEC28L（TDK）圖3-2和圖3-3是磁芯和繞線管的示意圖。6 匝數(shù)N1、N2的確定二次線圈的匝數(shù)為：S：磁芯有效截面積：最大磁通密度3000高斯（匝）一次線圈的匝數(shù)為：（匝）圖3-2 磁芯示意圖圖3-3 繞線管示意圖表3-1 磁芯尺寸（mm） 有效截面積為81.4ABCFl28.5516.99.911.421.8表3-2 饒線管尺寸（mm）ABC20.912.322.47. 變壓器的設(shè)

36、計一定要檢驗線圈能否容入所選的磁芯。因此要先計算出通過線圈的電流。電流在輸入電壓最低和輸出電流最大時最大，此時變壓器的輸出功率為：=15.93=47.7 (W)(A)電流波形變化如圖3-4所示有效值 (A)流入變壓器15V線圈的電流的峰值可按下式從輸出電流求出 圖3-4 通過線圈的電流計算 (A)有效值為：(A)變壓器需要有供給晶體管的基極電流的基極線圈，因此要算出該線圈的匝數(shù)如圖3-5，即使輸入電壓V1最低時，基極電路電壓也需5.5V，因此為：圖3-5 基極線圈的設(shè)計(匝)設(shè)，則晶體管VT1基極電流為： (A)有效值(A)下面談?wù)劥_定線圈用導(dǎo)線（漆包線）的線徑問題?？s小導(dǎo)線線經(jīng)無疑可嵌入繞組

37、節(jié)距，但因線圈電阻部分發(fā)熱過大，可能不合適。因此，作為確定導(dǎo)線線經(jīng)的指標(biāo)，就要考慮導(dǎo)線的電流密度。導(dǎo)線的單位截面流過的電流（A/）=I/S I ： 電流 S ： 截面積然而，確定不是容易的。變壓器的溫度容許度數(shù)取決于磁芯的溫度特性和所用絕緣材料（繞線管和磁帶等）的最高使用溫度。變壓器的環(huán)境溫度是氣溫加部上升溫度，而部上升溫度難以確切估計（尤其是安裝密度過大時），電流密度（或線圈的損耗）和變壓器的溫升的關(guān)系就更難成立。其中采用自然冷卻還是風(fēng)扇冷卻就有很大差異。因困難很大，所以要使用以往的經(jīng)驗值。自然冷卻時以1.54A/為宜，風(fēng)扇冷卻以3 6 A/為宜。變壓器小時，最好選較大值，變壓器大時則要選較

38、小值。確定最佳磁芯和線圈時，只能通過實際工作測定變壓器的溫度。這里按=4 A 進行設(shè)計以下談?wù)劥_定線圈的導(dǎo)線尺寸（導(dǎo)線線經(jīng)）問題計算一次線圈所需截面積導(dǎo)線便覽里截面積比S大的最細導(dǎo)線為0.7mm，截面積為0.3848，一級漆包線的外徑為0.776mm。其它線圈同樣，其導(dǎo)線確定結(jié)果如表3-1所示。同理，二次線圈采用三根并聯(lián)。表3-1線圈設(shè)計結(jié)果線 圈次 數(shù)Irms/A 導(dǎo)線IdA/mm層數(shù)一2.880.70.7760.38483.7 2 二7.90.7 0.7760.3848 4.2 1 B0.330.40.4560.12572.6初級線圈剩余注：1. 使用一級漆包線。2一、二次線圈使用1根要加

39、粗，故分別用2根、三根并聯(lián)。3. 基極線圈的尺寸于一次同，減少了導(dǎo)線種類。按所使用的磁性和饒線管計算線圈的繞組節(jié)距，由圖3-6可知高度為22.4mm、厚度為4.59mm。線圈的饒法會影響漏感（漏磁通）的變化，因此要使一次、二次線圈的磁性耦合好。在安全上，確保一次、二次線圈的絕緣很重要，各全標(biāo)準(zhǔn)對絕緣材料和絕緣距離也都有詳細規(guī)定。這里采用將一次線圈和線圈交替重疊卷繞法以達到良好的磁性耦合。為符合UL（美國）CSA（加拿大）標(biāo)準(zhǔn)，要在繞線管兩端裝上2mm的絕緣帶，以取沿面放電的最短距離。因此，實際繞組節(jié)距的高度是22.4-2=20mm。在一次、二次間裝入3層絕緣膠帶，并規(guī)定一次和二次間的耐壓為12

40、50V?，F(xiàn)計算繞組節(jié)距高20mm時，各線圈層數(shù)。設(shè)線圈外形為r，則一次線圈繞一層的匝數(shù)為： （匝）所以層數(shù)是： 圖3-6 繞組節(jié)距 (層) 因此，一次線圈為2層。因線圈第二層線圈減少，所以將基極線圈加入該層空余部分。同理，二次線圈層數(shù)為一層。最后，要檢驗線圈的厚度是否達到繞組節(jié)具的厚度。線圈的厚度d為：r：電線徑 l：層數(shù) dt：絕緣膠帶的厚度考慮到空余，將其按1.2倍處理。如果不考慮該空余率，線圈即使繞好也會產(chǎn)生跟磁芯不符的問題，設(shè)絕緣膠帶的厚度為0.05mm，總15從表2-1可得：d=（0.7762+0.776+0.0515）1.2=3.52 4.45 結(jié)果跟磁芯相符。此時如果跟磁芯不符，

41、就要把磁芯改大再計算。如顯得過緊時，也可考慮稍增大電流密度的方法。反之，在空余過大時，會造成磁芯過大，因而要減磁芯尺寸后再進行計算。圖3-7所示為上述變壓器的設(shè)計程序。 圖3-7 變壓器的設(shè)計程序 8.開關(guān)晶體管的選用 設(shè)計晶體管之前的變壓器時，要檢查一下已計算的參數(shù)的情況，并按4項設(shè)定的輸入電壓最低、15出電流為過流設(shè)定點輸出電流最大的調(diào)節(jié)進行計算。因圈數(shù)比為： 所以可分別得： （A） (s) (s) 因此： （KHZ） (高斯)就輸入電壓最高，輸出電流最大的情況加以計算.這時可由3項得43.2V。為： （W）（A） （s） （s）因此： KHZ 晶體管的電壓實際波形如圖3-8所示。從轉(zhuǎn)換到

42、時，由于變壓器的漏磁通，致使一部分電量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，就是由這種電量導(dǎo)致的一種波形。因漏電感得計算有困難，故這里按下式進行設(shè)計。 因 V，所以確定 V圖3-8 晶體管的圖3-9 復(fù)位電路和浪涌電壓保護電路圖3-9所示是一次線圈的復(fù)位電路和減振電路。在該設(shè)計例中設(shè)復(fù)位電路中得為33K，不過要邊觀察 工作時的 波形而定，使保持14.4V左右。表示由一次電路的電感成分產(chǎn)生的浪涌電壓。晶體管的兩端裝有C、R，以控制峰值。該C、R值可參考設(shè)計例采用嘗試法確定。的集電極電壓的最高值是： （V） 集電極電流的峰值 （A） 決定選用2SC519A型晶體管表2-3 晶體管的特性2SC519A參數(shù)項

43、 目符 號額 定 值單 位極限參數(shù)結(jié) 溫150集電極、發(fā)射極電壓110V集 電 極電 流DC7A峰 值A(chǔ)電熱特性直流電流放大系數(shù)15集電極、發(fā)射極飽和電壓2V基極飽和電壓2.5V熱 電 阻存 儲 時 間4.5s上 升 時 間0.4s下 降 時 間0.4s下面計算晶體管的損耗：晶體管的電流波形從OFF轉(zhuǎn)移到ON時，如圖3-10所示，就會有放電電流通過緩沖器的電容器。該電流的峰值會按電容值變化， 這里設(shè)定為。擴大這時的和，即呈圖3-11（a）的狀態(tài)。而從ON到OFF轉(zhuǎn)移時，即呈圖（b）的狀態(tài)。設(shè)，則ON時的損耗和OFF時的損耗可分別按下式計算。 圖3-10 晶體管的電流圖3-11 ON、OFF時的

44、晶體管的電流、電流 on時的損耗 （W） off時的損耗 （W） 設(shè)的飽和電壓,則：時損耗 （W）的損耗 （W）9 輸出二極管的選定通過二極的電流波形如同圖3-4的。但實際上一定要考慮時反向漏電流通過的問題。因時的反向電壓為： 所以其最大值（V）按該電壓可使用肖特基勢壘二極管，選擇F107 為確定散熱片的大小，要計算二極管的損耗，正向電流通過時的損耗為： W根據(jù)管殼和散熱器間的熱電阻和 設(shè)為100，在環(huán)境溫度為60，所需散熱器熱電阻為：10.確定輸出電容通過電容的紋波電流 ，如圖3-12，有效值在輸入電壓最低， 圖3-12輸出電容的紋波電流輸出電壓最大時最大。 = =4.9 （A） 作為15V

45、輸出電容選紋波電流大于4.9A的電容，可以幾個電容并聯(lián)。 僅此，輸出紋波電壓就很大，所以如電路圖的輸出上裝有LC濾波器，使其衰減。L確定為數(shù),C確定為上述所選容量的1/4左右。11. 復(fù)位電路和吸收電路參數(shù)確定圖3-12中電路是通過把磁能作為熱能進行消耗的電路，ON時，儲存在里的磁通為： 圖 3-12 復(fù)位電路設(shè)的電壓為，則消耗熱能為： = 加在上的峰值電壓為： =式中是時的值，因為為400V，那么按80%使用率為320V時間常數(shù)要絕對比周期T大，約為10倍左右 （F）的漏極電流為： （A） 輸出變壓器一次線圈的等效負(fù)載電阻為： （）設(shè)變壓器漏電感 （H）由知 （） （pF） 第四章 性能改善

46、措施4-1 保護電路一、過電壓保護電路過電壓發(fā)生大多認(rèn)為時檢測線路斷開或者控制電路損壞。過電壓發(fā)生時首要任務(wù)是保護負(fù)載，因此，對于輸出5V的開關(guān)電源大部分都設(shè)有較好的過電壓保護電路，過電壓發(fā)生時一般是使振蕩電路停振。因此，若過電壓保護電路動作后再啟動電路工作時，必須使輸入斷開。一般方式是采用穩(wěn)壓二極管，需要注意其工作點是隨流經(jīng)穩(wěn)壓管電流與溫度而變，因此，設(shè)計上必須選用穩(wěn)定電壓的溫飄非常小的穩(wěn)壓管。過電壓保護電路實例如圖4-1所示，在圖4-1（a）所示電路中PC采用P613G，當(dāng)輸出電壓為5V時，選HZ5C3，選15；輸出電壓為12V時，選用HZ13B3，選56；輸出電壓為24V時，選用HZ27

47、-05,選 100，在圖4-1（b）所示電路中，當(dāng)輸出電壓為5V時選用HZ6B-1L,選15；輸出電壓為12V時，選用HZ12C-2L,選56；輸出電壓為24V時，選用HZ27L/S,選100。 圖4-1 過電壓保護電路實例4-2 效率的提高開關(guān)電源效率降低的主要原因如下：1）開關(guān)晶體管驅(qū)動方法不佳，如過激勵，激勵不足以與反偏置 電流不足等。2）變壓器設(shè)計不佳，如變壓器飽和，變壓器漏感大，繞組與鐵芯的選用不適宜等。3）電壓吸收電路參數(shù)不適當(dāng)。4）整流器特性不佳，如整流器壓降大，反向恢復(fù)時間長等。5）扼流線圈的電感不合適，線圈與鐵芯損耗大等。6）輔助電路的功耗大，假負(fù)載電流過大，控制電路產(chǎn)生異常

48、振蕩等。諸多原因中最主要的是開關(guān)晶體管的損耗與整流二極管的損耗。整流二極管的損耗是由使用的二極管特性決定，要采用正向壓降低，反向恢復(fù)時間短的二極管。為了降低二極管正向壓降，盡可能地留有電流余裕量，降額使用。反向恢復(fù)時間短的一般采用肖特基二極管，開關(guān)頻率可到幾百KHZ，但肖特基二極管的反向耐壓較低，一般只有40 60 V。需要耐壓高的二極管時，可采用PN結(jié)速復(fù)二極管，但這種二極管 的恢復(fù)時間為100ns以上，如果工作頻率超過50KHZ以上時，損耗大不能采用這種二極管。目前已有反向恢復(fù)時間為60ns以下的高耐壓恢復(fù)二極管，以與反向耐壓為200V的肖特基二極管，可在幾百KHZ工作頻率電路中使用。變壓

49、器與扼流線圈如果設(shè)計適宜對效率沒有多大影響，主要時假負(fù)載電阻，變壓器與扼流線圈的發(fā)熱而影響效率。下面介紹如何改善開關(guān)晶體管驅(qū)動方法而提高開關(guān)電源效率。開關(guān)晶體管的損耗與其基極驅(qū)動條件有很大關(guān)系，基極理想驅(qū)動波形如圖4-2所示。脈沖上升時的峰值電流是為了縮短晶體管的開通時間。開關(guān)晶體管導(dǎo)通瞬間晶體管上加有較高電壓，如圖4-3所示，其電壓下降到正常飽和電壓時需要時間，則晶體管功耗增加，因此，要防止開通瞬間的高電壓產(chǎn)生。在開關(guān)晶體管特性表中一般不給出，必須實際測量而獲得這種特性。晶體管到完全導(dǎo)通時的延遲時間隨晶體管而有較大不同，即使上升時間短的晶體管，其中也有很多有較長的延遲時間，為的5 10倍。對

50、于圖4-2 基極理想驅(qū)動波形圖4-3 晶體管的開通特性這樣的晶體管的大多數(shù)，即使在基極電壓上升時提高瞬態(tài)電壓，基極電流上升仍有延遲，如圖4-3所示。圖4-2中是為了使晶體管繼續(xù)導(dǎo)通的電流，這電流大時，發(fā)射極集電極飽和電壓要下降。然而，過大，晶體管的截止特性就變壞。的最佳值一般為的1/5，其值隨晶體管不同而異。圖4-2所示時集電極電流在晶體管導(dǎo)通后不變化的情況，集電極電流隨時間變壞時，理想情況是基極電流也隨集電極電流也隨集電極電流成正比例變化。4-3 浪涌與其吸收電路一、浪涌的產(chǎn)生眾所周知，作為開關(guān)的主元件有寄生電感與電容，圖4-4所示電路中寄生電容與開關(guān)元件或二極管并聯(lián)，寄生電感與其串聯(lián)。由于

51、這些寄生電容與電感的作用，開關(guān)元件通斷工作時，會產(chǎn)生較大的電壓浪涌與電流浪涌。圖4-4開關(guān)元件或二極管中的寄生電感與電容（a）開關(guān)； （b）二極管圖4-5開關(guān)斷開時產(chǎn)生電壓浪涌的說明（a）開關(guān)斷開時電路；（b）等效電路1.開關(guān)斷開時電壓浪涌在圖4-5所示開關(guān)斷開時電路中,開關(guān)接通時,通態(tài)電流流經(jīng)開關(guān),同時也流經(jīng)寄生電感.寄生電感中蓄積能量為 （41）開關(guān)斷開時,這能量對寄生電容充電,開關(guān)上產(chǎn)生較大的高頻電壓振動,即電壓浪涌.圖4-5(b)是說明開關(guān)斷開時產(chǎn)生電壓浪涌機理的等效電路.在等效電路中電阻是表示開關(guān)斷開的電阻,電壓源表示斷開時,加在開關(guān)兩端電壓。實際上開關(guān)斷開時電阻是變化的，從最小電阻

52、，即通態(tài)電阻，變到最大電阻，即開路電阻，但只是 簡單說明其原理，因此，認(rèn)為為常數(shù)。另外，電路的寄生電阻也包含在中。由這電路得到微分方程式為 （42）初始條件設(shè)為 （43）求得加在開關(guān)兩端電壓為 （44）式中， （45）而 （46）但 （47）由于開關(guān)斷開時電阻較大，很多情況下(4-7)式的條件都能滿足。（7-4）式所示的開關(guān)電壓波形計算實例如圖4-11所示。計算所用的參數(shù)為,由圖4-6可知，由于寄生電感與寄生電容作用，在開關(guān)上呈現(xiàn)高頻振蕩電壓，這電壓稱為電壓浪涌。電壓浪涌的峰值求得如下： （48）圖4-6 開關(guān)斷開時電壓波形圖4-7峰值電壓與電路中參數(shù)之間關(guān)系圖4-6中峰值電壓達到288V，它

53、約為穩(wěn)定時開關(guān)斷開電壓的2倍。開關(guān)斷開前流經(jīng)開關(guān)的電流較大時，（7-5）式所示的變大，由（7-8）式可知，峰值電壓較高。根據(jù)（2-6）式，求得 （49）,時作為參數(shù)，從0變到2，采用（2-9）式，（2-5）式和（78）式計算峰值電壓的結(jié)果如圖4-12所示，由圖可知，電阻較大時，峰值電壓較高。高速開關(guān)情況下，開關(guān)斷開時斷開電阻迅速變大，其結(jié)果產(chǎn)生的電壓浪涌，另外，由圖4-12可知，達到某一峰值以上時，峰值電壓隨著增大而增高。因此，開關(guān)斷開以前的電流與寄生電感較大，寄生電容較小。高速開關(guān)情況下，開關(guān)斷開時產(chǎn)生的電壓浪涌的峰值變得很高。在開關(guān)斷開期間，（2-1）式所表示得電感中蓄積得能量在變換器部消

54、耗掉。每當(dāng)開關(guān)工作時這能量就消耗掉，平均功率損耗與開關(guān)工作頻率成比例增加，這也是開關(guān)損耗得一種。2.開關(guān)接通時電流浪涌開關(guān)接通時電路如圖4-13所示，開關(guān)斷開時加在開關(guān)兩端電壓為，開關(guān)寄生電容中蓄積能量為 （410）若開關(guān)接通，寄生電容通過開關(guān)放電，則在開關(guān)流經(jīng)較大電流浪涌。圖4-8（b）示出開關(guān)接通時等效電路。但是，電流源在開關(guān)接通時流經(jīng)開關(guān)電流為恒定值。開關(guān)斷開時，假定寄生電感中電流迅速達到電流。圖4-8（b）中電阻表示開關(guān)接通時開關(guān)電阻。其大小受開關(guān)驅(qū)動電流或電壓支配，從較大值（開關(guān)斷開電阻）變到較小值（導(dǎo)通電阻），但此處假定為常數(shù)。根據(jù)圖4-8（b）所示等效電路，得到微分方程式為 （4

55、11）若設(shè)初始值為 （412）求得開關(guān)兩端電壓為 （413）因此，流經(jīng)開關(guān)電流為 （414）圖4-8 開關(guān)接通時產(chǎn)生電流浪涌（a）開關(guān)接通時電路 （b）開關(guān)接通時等效電路圖4-9 開關(guān)接通時電流波形采用（7-14）式計算得開關(guān)電流波形如圖4-9所示。計算時設(shè)，其它參數(shù)與開關(guān)斷開時一樣。很明顯，開關(guān)接通時流經(jīng)開關(guān)電流有較大電流浪涌。由（2-14）式可知，開關(guān)斷開時電壓較大，開關(guān)接通，電阻較小時，峰值電流較大。對于高速開關(guān)，開關(guān)接通時電阻迅速變小，其結(jié)果在開關(guān)中流經(jīng)較大電流浪涌。開關(guān)接通時蓄積在（7-10）式所示得寄生電容中得能量消耗在開關(guān)元件得部。每當(dāng)開關(guān)工作時也消耗這能量，平均功率損耗與頻率成

56、正比例，這也是開關(guān)損耗得一種。3.二極管反向恢復(fù)時產(chǎn)生的電壓浪涌二極管正向偏置變?yōu)榉聪蚱脮r，由于有積蓄電荷，因此有反向電流流通。反向恢復(fù)狀態(tài)得等效電路如圖4-10所示。對于恒定電流流經(jīng)二極管得導(dǎo)通狀態(tài)， 圖4-10 二極管反向恢復(fù)時浪涌產(chǎn)生機理當(dāng)開關(guān)斷開時，反向電 （a）二極管電路；（b）蓄積能量時等效電路壓加到二極管上，由 （c）方向阻斷時等效電路于串聯(lián)寄生電感作用，二極管電流不能瞬時變?yōu)榱?，繼續(xù)導(dǎo)通，等效電路如圖4-10（b）所示。反向加到寄生電感上，寄生電感中電流為： （415）采用（2-15）式計算得二極管電流波形，但電流方向為二極管的正方向，其電流迅速減小降為零。由于二極管蓄積電荷

57、，二極管的電流即使降為零，不能進入阻斷反向電流的狀態(tài)，仍為導(dǎo)通狀態(tài)，流經(jīng)反向電流。若由于這反向電流作用，二極管中蓄積能量全部掃出，就形成耗盡層，變?yōu)樽钄喾聪螂娏鞯臓顟B(tài)，這時二極管中反向電流為，則寄生電感，蓄積能量為 （416）若二極管變?yōu)樽钄喾聪螂娏鞯臓顟B(tài)，寄生電感中蓄積能量對二極管的耗盡層電容充電，等效電路如圖4-10（c）所示。圖中，表示二極管耗盡層等寄生電容，表示掃出蓄積電荷狀態(tài)的二極管等效電阻。這電阻也從較小值（二極管導(dǎo)通時電阻）到較大值（二極管截止時電阻）變化，但這里假定為常數(shù)。另外，電路中的寄生損耗電阻也包含在。等效電路與圖4-5（a）所示的開關(guān)斷開時等效電路完全一樣。因此，求得二

58、極管的反向電壓與電流分別為： （417）式中， （418） （419）采用（2-17）式 (2-19)式計算的二極管電流與電壓波形。電流與電壓方向為二極管的正方向。另外，計算中所用的參數(shù)為：,。由于寄生電感與電容作用，二極管上出現(xiàn)高頻振蕩電壓，這就是電壓浪涌。對于所示波形，峰值電壓達到50V，它是常態(tài)電壓的2倍。二極管的反向電流較大，寄生電感較大，而寄生電容較小時，電壓浪涌峰值變大。反向恢復(fù)慢的二極管的反向電流變大，其結(jié)果產(chǎn)生較大電壓浪涌。蓄積在（2-16）式所示寄生電感中能量在二極管截止期間消耗在電路部的寄生電阻上，功率損耗也與開關(guān)頻率成比例增加。二極管由反向偏置變?yōu)檎?偏置時，首先是在二

59、極管截止?fàn)顟B(tài)形成的耗盡層的電容放電，由于耗盡層電容放電，二極管加正向電壓，則變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。因此，二極管導(dǎo)通時，就不會有像開關(guān)接通時那樣的電流浪涌。二、吸收電路 由上所述，開關(guān)通斷與二極管反向恢復(fù)時要產(chǎn)生較大電流浪涌與電壓浪涌。由于開關(guān)元件與其寄生電容一體化，從外部看不見圖4-14所示那樣的開關(guān)接通的電流浪涌。抑制開關(guān)接通的電流浪涌的最有效方法是采用零電壓開關(guān)電路。另一方面，開關(guān)斷開的電壓浪涌與二極管反向恢復(fù)的電壓浪涌常損壞半導(dǎo)體元件，也是產(chǎn)生噪聲的原因。為此，開關(guān)斷開時要采用吸收電路。二極管反向恢復(fù)時電壓浪涌產(chǎn)生機理與開關(guān)斷開時一樣，因此，這種吸收電路也使用于二極管。本節(jié)介紹RC、RCD、LC

60、吸收電路實例，這些吸收電路的基本工作原理就是在開關(guān)斷開時為開關(guān)提供旁路，吸收蓄積在寄生電感中的能量，使開關(guān)電壓被箝位，從而抑制浪涌。1.RC吸收電路圖4-11 RC吸收電路圖4-12 RCD吸收電路RC吸收電路如圖4-11所示，它是電阻與電容串聯(lián)，并與開關(guān)并聯(lián)連接的結(jié)構(gòu)。若開關(guān)斷開，蓄積在寄生電感中能量對開關(guān)的的寄生電容充電的同時，通過吸收電阻對吸收電容充電。由于吸收電阻作用，阻抗變大，那么，吸收電容也也等效地增加了開關(guān)的并聯(lián)電容容量，為此，抑制開關(guān)斷開的電壓浪涌。開關(guān)接通時，吸收電容通過開關(guān)放電，其放電電流被吸收電阻所限制。2.RCD吸收電路RCD吸收電路如圖4-12所示，它由電阻、電容、和