第1章 开关电源基本工作原理

1.1 开关电源基本形式

1.1.1 什么是开关电源

开关电源是开关稳压电源的简称，可将一种电源形态变换成另一种形态。这种变换是自动控制的，并具有各种保护。它是利用现代电子技术、新材料科学，通过集成控制输出所需要的电压。这种电源具有体积小、重量轻、功耗低、效率高、纹波小、智能化程度高、使用方便等优点。电源犹如人体的心脏，是所有电动能源设备的动力。通常适用电源标记有各种特性参数，如功率、电压、频率、使用温度等。正因为开关电源具有很多优点，所以它广泛用于通信、仪器仪表、工业自动化、航空航天、医疗设备、交通运输、家用电器等领域。随着电子技术的发展，新材料不断地涌现，一大批高频率、高效率、高可靠性的新型电源相继问世。

开关电源在变换过程中，要达到我们所需要的要求。例如，交流变换成直流，高电压变换成低电压，大功率变换成小功率等。开关电源在变换过程中，用高频变压器将一次侧与二次侧隔离，称为离线式开关电源，常用的AC/DC变换器就是离线式开关变换器，也称为整流离线变换。输入电压经低通滤波，桥式整流，直接到用电负载，中间不用变压器隔离，称为非隔离式开关变压器。变换的方法是多样的，凡是用半导体功率器件作开关，并具有一定的控制智能性，将一种电源形态变换成另一种形态的电路，叫作开关变换电路。在变换时，能自动控制输出电压并有各种保护的称为完全开关电源。

传统的晶体管调整稳压器是开关电源的鼻祖，它具有结构简单、输出纹波小、噪声低等优点，但是它也有体积大、过载能力低、效率低等缺点。近年来，无工频变压器开关电源技术已被广泛采用。这种电源丢掉了笨重的工频变压器。功率管工作在开关频率1.5MHz以上的状态。这样电源的体积和重量大大降低，其效率得到极大的提高，在开关管饱和导通时，漏（Drain）-源（Source）电压降低近似零，在开关管截止时，它的漏极电流为零，其损耗功率小，效率高，可达95%，具有体积小、重量轻的特点。不但如此，开关电源可直接对供电电网进行滤波调整。电路上所用的滤波电容、电感等元器件的参数特性优于目前所用的电解电容和滤波电感，且体积小，允许使用的环境温度高，对供电电网电压波动范围大的适应能力加大，可获得稳定基准的输出电压，使电网的谐波大大减小，满足了绿色环保的要求。

1.1.2 开关电源的工作程序

不管是现代的开关电源还是过去老旧的开关电源，其工作原理和工作程序都是不变的，都由两大部分组成，即主电路和控制电路。主电路由输入电路、功率变换电路和输出控制电路组成；控制电路则由信号取样电路、控制电路和频率振荡发生器组成。输入电路由低通滤波电路和一次整流电路构成。220V交流电经低通滤波电路和桥式整流电路后，得到未稳压的直流脉动电压Vi，脉动电压经功率因数校正，使它的输入电流与输入电压同相，得到功率因数高、谐波含量低的直流电压。此电压经电子开关和高频变压器进行电能转换，变换成受控制、符合设计要求的高频方波脉冲电压，高频电压经第二次整流滤波后，变为直流电压输出。最后，将输出的电压经分压采样与设置的基准电压进行比较、放大，经过频率振荡发生器，产生一个高频信号，该信号与控制信号叠加，进行脉宽或频率调制，达到脉宽或频率可调的方波信号，这一信号又经放大，去触发开关功率管的“开”与“停”，由开关管的漏极输出一功率较大的脉冲去激发高频变压器的一次绕组，一次绕组所产生的可调的交流电压经高频变压器的耦合变压后，在二次绕组产生频率较高的二次电压，二次电压又经整流滤波，输出一波纹较低的直流电压，所以说，开关电源的实质是两个变换，即功率因数变换和工作频率变换，如图1-1所示。

高频电子开关是电能变换的主要手段和方法。在一个电子周期T内，电子开关的接通时间ton与一个电子周期T所占时间的比例，叫接通占空比（Don）。Don=ton/T，如图1-2所示。断开时间toff与所占周期T比例为断开占空比D′off，D′off=toff/T。开关周期等于开关频率的倒数，即T=1/f。例如一个开关电源的工作频率是100kHz，它的周期是T=1/100×103μs=10μs。很明显，接通占空比越大，开关管接通时间越长，变换器输出的电压越高，负载感应电压越高，工作频率越高。这对于开关电源的高频变压器实现小型化有帮助，同时，能量传递的速度也快。但是，对于开关电源的高频、开关功率管、控制集成电路以及输入整流二极管来说，由于工作频率的提高，导致开关管、高频变压器的发热量大、损耗大、效率低。对于不同的变换器形式，所选用的占空比大小是不一样的。

开关电源与铁心变压器电源以及其他形式的电源比较起来具有较多的优点：

1）节能：绿色电源是开关电源中用途最为广泛的电源，它的效率可达到90%，质量好的可达到95%，甚至更高，而铁心变压器的效率只有70%或者更低。美国一般家用电器和工业电气化设备的单机能源效率大于92%。美国的“能源之星”对电子镇流器、开关电源以及家用电器的效率都制定有很仔细的、非常严格的规章条款。

2）电源的体积小、重量轻。据统计，100W的铁心变压器的重量为1200g左右，体积达到350cm3，100W的开关电源的重量只有250g，而敞开式电源的重量更轻，体积不到铁心变压器的1/4。

3）开关电源具有保护功能。在过载、轻载时能实施保护，不易损坏。而其他电源由于本身的原因或使用不当，发生短路或断路甚至烧毁的事故较多，安全性很差。

4）能方便地改变输出电流、电压，且稳定可控。

5）能根据用户要求，可设计出各种具有特殊功能的电源。如数字电源、程序遥控电源、水下机器人电源、航天航空高温高压电源等，以满足人们的需要。

1.1.3 开关电源的分类

目前开关电源的种类很多，结构既有简单的也有复杂的，下面从五个方面进行划分：

1．按工作性质分类

所谓工作性质就是开关电源的“开”和“关”的特点，按其特点分为“硬开关”和“软开关”两种。硬开关是指电子脉冲，在外加信号的控制下强行对开关晶体管进行“通”和“断”，而与电子开关自身流过的电流以及两端加入的电压无关，只与脉冲开关信号有关。显然，开关管处在接通和关断期间是有电流、电压存在的，因此，这种工作方式是有损耗的。但是这种变换方式比其他变换方式的控制形式简单很多，成本也较低，所以硬开关现在在很多地方仍然应用，如脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）器就属于硬开关。目前，很多开关电源都用PWM来控制，因为技术要求不很高，所以用得比较多。另一类叫软开关，电子开关在零电压下导通，在零电流下关断。可见电子开关是在“零状态”下工作的，在这种状态下工作的开关电源，理论上，其损耗为零，工作效率很高，软开关还对浪涌电压、脉冲尖峰电压有很强的抑制能力，它的工作频率可以提高到5MHz以上，开关电源的重量和体积则可进行更大的改变。为了实现零电压导通和零电流关断，工程师们常常采用谐振的方法。从电子理论可知道，谐振就是容抗等于感抗，总的电抗为零，这样电路中的电流为无穷大，如果适时将正弦波电压加到并联电感回路上，这时电感上的电压也为无穷大，谐振就会出现。利用谐振时的正弦波，实现软开关。电路上的正弦波振荡到零时，电子开关导通，称为零电压导通；当电子开关的电流振荡到零时，电子开关关断，称为零电流关断。总之，电子开关具有零电压导通、零电流关断的外部条件，叫软开关。这种变换器叫准谐振变换器。要实现软开关，工程师们利用高频频率测试仪，观察谐振波形，调整开关管的导通时间，使电路上的电压处在谐振波谷点上，调整串接在振荡变压器一次绕组上的一个小电容，再固定开关管的导通时间，通过调整频率，观看高频仪上的波形，直到出现谐振，从而获得准谐振变换器的模式。必须指出，准谐振变换器开关电源的输出电压不随输入电压的变化而变化，它的输出电流也不随输入电流的变化而变化，这种开关电源的变换器依靠谐振频率来稳定输出电压，叫调频开关电源。调频开关电源没有脉宽调制开关电源那么容易控制，再加上高频变压器一次绕组上的峰值电压高，开关管所承受的应力大，目前还没有得到广泛应用。

2．按变换方式分类

本书所描述的电能变换是通过脉冲宽度改变来传递电能的大小，包括有AC/DC、DC/DC、DC/AC、AC/AC等四种，而AC/DC、DC/DC变换是开关电源变换的基本类型，通过控制占空比，改变开关管的通断时间，用电抗器与电容器上蓄积的能量对开关波形进行微分平滑处理，从而有效地调整输出电压。但是，这种变换方式，要想取得理想的效果，还必须对电路设计，及高频变压器设计，采用准确有效的计算方法，对提高开关电源效率，提高EMI能力，延长电源寿命才能起到至关重要的效果。

3．按输入输出有无变压器隔离分类

一般AC/DC、AC/AC两种变换是有变压器隔离的，而DC/DC变换又分为有变压器隔离和没有变压器隔离两类。每一类有6种拓扑，即降压式（Buck）、升压式（Boost）、升压-降压式（Boost-Buck）、串联式（Cuk）、并联式（Sepic）以及塞达式（Zata），降压式、升压式两种在开关电源DC/DC变换中应用比较多，因为它的电路比较简单、使用安全、转换的效率较高。

4．按激励方式分类

按激励方式分，有自激式和他激式。自激式包括单激式和推挽式，他激式包括脉冲调频式（PFM）、脉冲调宽式（PWM）、脉冲调幅式（PAM）和脉冲谐振式（RSM），我们用得最多的是脉冲调宽变换器。脉冲调宽变换器有以下几种：正激式（Forward Converter Mode）、反激式（Feedback Converter Mode）、半桥式（Half Bridge Mode）、全桥式（Overall Bridge Mode）、推挽式（Push Draw Mode）和阻塞式（Ringing Choke Converter）等6种。正激式、反激式、半桥式、全桥式、推挽式这5种在市面上出现较多，应用十分广泛。

5．按谐振方式分类

谐振有串联谐振、并联谐振和串并联谐振，变换器按这3种谐振划分出了3种方式；另外按能量传递形式来分，有连续和不连续两种。往往一种变换方式包含有激励方式、谐振方式和能量传递方式。例如，大功率、高性能、双管正激式、输出连续传递的ML4800电路，包含有多种变换，所以说不能以一种变换方式，来确定电源的变换方式。

1.1.4 开关电源的结构形式

1．反激式单晶体管变换电路

所谓反激式是指变压器的一次侧极性与二次侧极性相反，其基本电路如图1-3所示。如果变压器的一次侧上端为正，则二次侧上端为负。反激式变换器效率高，电路简单，能提供多路输出，所以得到了广泛应用。但是在二次侧输出的电压中，有较大的纹波电压。为了解决这一问题，只有加大输出滤波电容和电感，但这样做的结果是增大了电源的体积。最近，开发人员发现利用小型LC噪声滤波器效果比较好。反激式变换器有两种工作模式：一种是完全能量转换，即变压器在储能周期ton中存储的所有能量在反激周期toff中传递输送出去；另一种是不完全能量转换，即变压器在储能周期ton中存储的部分能量在反激周期toff中一直保存着，直至等到下一个储能周期ton。在脉宽调制开关变换器中引用完全能量转换模式，可以减少控制电路触发脉冲的宽度，但也会出现波形失真和调制困难等一些问题。

反激式变换器是怎样工作的呢？当开关晶体管VT截止时（见图1-3a），变压器一次侧所积蓄的电能向二次侧传送，这时变压器二次绕组下端为负、上端为正，二极管VD正向导通，导通电压经电容C滤波后向负载RL供给电能。当变压器一次侧存储的电能释放到一定程度后，电源电压Vin通过变压器的一次绕组N1向晶体管VT的集电极充电，N1又开始储能。V1上升到一定程度后，晶体管VT截止，又开始了新一轮放电。在充电周期，变换器的输出电压为Vo=（N2/N1）VinD，其中D为占空比。从图1-3b可以看出，开关管与整流二极管的电流波形为相位相差180°的两个锯齿波。

2．反激式双晶体管变换电路

开关电源的功率在200W以上时，不宜采用反激式单晶体管变换电路，这时可以利用反激式双晶体管结构，两管可用双极型晶体管或功率场效应晶体管。其中，场效应晶体管特别适用，无论是固定频率、可变频率、完全和不完全能量传递方式，还是电源价格比，用场效应晶体管代替双极型晶体管是首选方案。

反激式双晶体管变换电路的基本电路如图1-4a所示。高频变压器TR1的一次绕组通过两只场效应晶体管接到直流电源Vin上。两只场效应晶体管需要同时导通、同时截止，要达到目的要求通过两个相同相位但又互相隔离的信号，一般用一只双路输出的变压器TR2。与前面介绍的反激式单晶体管变换电路一样，场效应晶体管导通时，只把能量存在磁路中；场效应晶体管截止时，磁能转化为电能送到负载中。二极管VD1、VD2是交叉连接的，这样可把过剩的能量反馈回电源Vin中，并把两只场效应晶体管都钳位在Vin电压水平上。所以，采用市电桥式整流的电路，可选用耐压为400V的场效应晶体管。

在图1-4a所示电路中，变压器漏感起着重要作用。当VT1和VT2导通时，直流电压Vin加在变压器一次绕组Np上。设绕组的同名端为正，那么输出整流二极管VD3将正向偏置且导通，这样二次绕组中有电流流通，它的漏感为LLS。在导通期间，变压器一次绕组的电流呈线性增加，如图1-4b所示。

在导通末期，存储在变压器中可耦合到二次侧的磁场能量为I2PLLP/2。一旦VT1和VT2同时截止，二次绕组电流IS降为零。然而，磁感应强度没有改变，则通过反激作用，变压器上所有的电压将反向。二极管VD1、VD2也导通，一次绕组在反激电压作用下使供电电源保持Vin值。由于绕组的极性反向，二次绕组感应出的反向电动势将导致整流二极管VD3截止。二次绕组感应的电流为nIp值时（n=NP/NS），存储在二次绕组的漏感LLS中的能量反馈到电源Vin中，则一次绕组电压VP降至二次绕组反射电压。此时，二次绕组电压等于C3上的电压折算到一次绕组。通过设计使钳位电压小于供电电源电压Vin，否则，反激能量将回送到供电电源中。然而，在正常条件下，对于一个完善的能量变换系统，两只场效应晶体管刚截止关断时，存储在变压器磁场中的能量将转移到输出电容和负载上。在两只场效应晶体管截止关断的末期，新一轮周期将开始。

反激式双晶体管变换电路在任何条件下，两只场效应晶体管所承受的电压都不会超过Vin。VD1、VD2必须是超快速恢复二极管。因为这些元器件在电压超值时特别容易损坏，与反激式单晶体管变换电路相比，开关功率管可选用较低的耐压值。

反激开始时，存储在一次漏电感中的电能经VD1、VD2进行反馈，系统能量损耗小、效率高。当负载减小时，在电路导通期间，变压器一次绕组中存储过多的电能，那么，在下个周期反激时，将电能反馈至电源Vin，降低损耗。

反激式双晶体管变换电路与反激式单晶体管变换电路相比，高频变压器不需要反馈绕组。这对于生产商来说，有利于降低成本，缩小体积。

3．正激式单晶体管变换电路

如图1-5a所示，正激式单晶体管变换电路的变压器纯粹是个隔离元件，它的一次侧分为两组N1a和N1b，中心抽头接输入电压的正极，两端分别接二极管VDF和开关晶体管VT的集电极。二次绕组接整流二极管VD1、续流二极管VD2以及电感器L。正激式单晶体管变换电路是利用电感L储能及传送电能的。变压器的一次和二次绕组是相同的同名端，由于电感L的存在，它的电感反射到一次侧，使一次电感增大。

正激式单晶体管变换电路的工作原理是这样的：开关晶体管VT截止时，在电感的反激作用下，VD2正向导通，导通后的电路通过电感L和负载RL构成回路，这时电感上的电压等于输出电压Vo。电感L中存储的能量的大小将影响输出电压的峰值。由图1-5可知，电感电流等于峰值电流。当开关晶体管VT导通时，电源电压经变压器一次绕组向晶体管VT充电，这时变压器一次绕组N1储能，而绕组N2在二极管VD2的作用下释放电能，结果VD1导通，VD2截止。VD1向电感L供电，“感化”储能，输出直流电压。当晶体管VT截止时，电感器L积蓄的电能经二极管VD2整流、LC滤波后，向负载供电。正激式单晶体管变换电路二次侧整流二极管与开关管集电极的电流是一致的。输出电压Vo=（N2/N1）VinD。正激式单晶体管变换电路的优点是铜损低，因为使用无气隙磁心，电感量较高，变压器的峰值电流比较小，输出电压纹波低；缺点是电路较为复杂，所用元器件多，如果有假负载存在，效率将降低。电源处于空载，也有一些损耗。它适用于低电压、大电流的开关电源，多用于150W以下的小功率场合。它还具有多台电源并联使用而互不受影响的特点，而且可以自动均压，而反激式却不能做到这点。

4．正激式双晶体管变换电路

正激式双晶体管变换电路（又称正激式双管变换电路）是在正激式单晶体管变换电路上再串接一只晶体管而组成的，这对于高压大功率的开关电源来说更加安全可靠。安全可靠是最大的效益，所以双管正激式变换电路得到了广泛应用。

如图1-6所示，晶体管VT1、VT2在工作期间同时导通，或者同时截止。在导通时，电源电压Vin加在变压器TR2的一次绕组NP上。在这个工作周期里，电感L1已经存储了电能，电流通过续流二极管流VD4后经电感器L1向负载RL供电。由于VT1、VT2的导通，变压器TR2的一次绕组NP向二次绕组NS感应了电动势，整流二极管VD3在正向电压作用下导通，便有电流IL向负载RL供电。但是，供电时间受到二次绕组漏感的影响，IL继续保持。在此期间，流经VD4的电流快速减小，直至VD4转为截止。当VT1、VT2截止时，二次绕组电压反向，这时二极管VD3很快截止。在电感L1的反激下，VD4进入导通状态，电流经VD4、L1向负载RL供电。当IL慢慢减小后，在变压器一次电压Vin的帮助下，VT1、VT2再次进入导通状态，这就是正激式双晶体管变换电路的电能传递过程。

5．半桥式变换电路

为了减小开关晶体管的电压应力，可以采用半桥式变换电路，它是离线式开关电源较好的拓扑结构。电容器C1、C2与开关晶体管VT1、VT2组成半桥式变换电路，如图1-7所示。桥的对角线接高频变压器TR的一次绕组。如果C1=C2，当电源Vin接通后，某一只开关晶体管导通，绕组上的电压只有电源电压Vin的一半。在稳定的条件下，VT1导通，C1上的电压Vin/2加在变压器的一次绕组上。由于一次绕组电感和漏感的作用，电流继续流入一次绕组黑点标示端。如果变压器一次绕组漏感存储的电能足够大，二极管VD6导通，钳位电压进一步变负。在VD6导通的过程中，反激能量对C2进行充电。连接点A的电压在阻尼电阻的作用下，以振荡形式最后回到中间值。如果这时VT2的基极有触发脉冲，则VT2导通，一次绕组黑点标示电压变负，IP电流加上磁化电流流经一次绕组和VT2，然后重复前面的过程。不同的是IP变换了方向。二极管VD5对晶体管VT1的导通钳位，反激能量再对电容C1进行充电。

二次电路的工作过程如下：当VT1导通时，变压器二次绕组电压VS使VD1导通，这与正激式变换电路的工作相同。当VT1截止时，两个绕组的电压都下降。在二次电感L的反激下，储能继续向负载RL提供电能。当变压器二次绕组电压下降到零时，二极管VD2起着续流作用，二次电压VS下降到零。在稳定的条件下，晶体管处于导通期间，通过L的电流增加；当晶体管关断截止时，L上的电流减小，这期间它的平均值等于输出电流Io。输出电压为

由上式可知，通过控制占空比D，在电源电压Vin和负载电流Io发生变化时，可以保持输出电压Vo不变。

半桥式变换电路要求VT1、VT2具有相同的开关特性，但是，即使是在相同的基极脉冲宽度的作用下，也很难保证两只晶体管导通和截止的时间相同。如果用这种不平衡的波形驱动变压器，将会产生偏磁现象，其结果将导致磁心产生磁饱和，从而降低了效率，严重时将导致晶体管烧毁。解决的办法是在一次侧加一只电容C4。

6．桥式变换电路

桥式变换电路由4只开关晶体管组成，与前面介绍的半桥式变换电路相比，多了两只晶体管，如图1-8所示。在一个电子开关周期中，4只晶体管中每一条对角线上的两只管子为一组。它们的“开”和“关”与占空比有关。当给VT1、VT3以等量触发脉冲时，两只晶体管同时导通，等到触发脉冲消失后，两只晶体管又同时截止。电源电压经VT1流入变压器一次绕组NP，并经VT3到电源负极。在这一过程中，变压器一次电流IP逐渐升高。这时，变压器的二次侧得到感应电压，使整流二极管VD1的电压上升，VD2的电压下降。这一变化的快慢是由二次绕组NS的漏感及二极管VD1、VD2的性能决定的。如果输出大电流、低电压时，工作频率的影响更大。由于变压器一次电能的增加，二次绕组的感应电流也跟着上升，二极管VD2慢慢进入反向偏置状态，二极管VD1却进入正向导通，电感L的电压紧跟着上升。L上的电感在反向电动势的作用下，对变压器的一次绕组进行“磁化”，“磁化”的结果是使VT1、VT3截止。VT2、VT4在电压Vin的作用下趋向导通，又开始了新一轮的“开”“关”工作循环。桥式变换电路和正激式变换电路的输出电压相同。

7．推挽式变换电路

在驱动脉冲的作用下，VT1、VT2交替导通、截止，如图1-9所示。当VT1导通时，电源电压Vin加到变压器一次绕组N1b上，VT2的集电极通过变压器耦合作用承受2Vin的电压。二次绕组N2a的上端为正。电流ID1经VD1整流和C滤波后送到负载RL上。一次电流IC1是负载电流折算到一次电流与一次电感磁化电流之和。VT1导通时的一次电流随时间增加而增加，导通时间由驱动脉冲的宽度而定。VT1截止是一次绕组储能和漏感共同作用的结果。VT1的集电极电压上升，通过变压器绕组N1a、N1b的耦合，VT2的集电极电压下降。当VT2的集电极电压下降到零时，N1a所存储的电能反馈到电源Vin中去。在反馈时，也反激到二次侧，使VD2导通，将电能送到负载上。在运行中，如果VT1、VT2都处于截止状态，那么这段时间称为死区时间。在此期间，扼流圈L1有一段保持电流的时间，这时电流流向负载。二次侧的两个绕组和两只整流二极管形成一个完整的回路。推挽式隔离变换电路与其他形式的变换电路基本相同，但与正激式变换电路不同的是，它用两只管子进行推挽，变压器采用中心抽头连接，二次侧也是两相半波整流。因此，它相当于两个正激式变换电路工作的形式。这类变换电路比较复杂，尤其是变压器的一次和二次侧都需要两个绕组，但是它的利用率较高，效率高，输出纹波电压小，适合用于百瓦级至千瓦级的开关电源中。

推挽式变换电路由于使用两只晶体管，有时也会出现偏磁现象，出现这一现象是由两只开关晶体管的存储时间和开关时间的差异所致。加在变压器上的正、负电压的持续时间不同，经过几个周期的积累，就会出现单绕组励磁饱和现象和所谓的偏磁现象。在选用晶体管时，尽量使两只晶体管的技术参数保持一致。其次，在设计时，它的工作频率应小于100kHz。

8．RCC变换电路

RCC变换电路是节流式阻尼变换电路，是一种自激式振荡电路，它的工作频率随着输入电压的高低和输出电流的大小而变化，因此在高功率、大电流场合，它的工作不很稳定，只适用于50W以下的小功率场合。但其结构简单，成本低，制作、调试容易，因此，有一定的应用价值。它的工作原理是这样的（见图1-10）：当晶体管VT截止时，变压器一次侧所积蓄的电能耦合到二次绕组N2，如果N2上端为正，则二极管VD导通，流过VD的电流ID经C滤波后向负载RL供电。变压器一次绕组N1的蓄能逐渐减小，电源电压Vin通过绕组Nb和电阻RB不停地反向供电，再加上Nb受二次漏感的影响和N2的反向激励作用，使RB上的电压快速建立，建立的结果是VT由导通变为饱和。图中IC与ID是两个相反的锯齿波电流，V1和V2是两个相位差为180°的矩形脉冲电压。