开关稳压电源概述

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1、沈阳单片机开发网帮您精确掌握电子器件的使用细节 开关稳压电源概述 开关稳压电源概述 作者：王水平 付敏江 一、开关稳压电源的结构 一、开关稳压电源的结构 图 1 画出了开关稳压电源的原理图及等效原理框图，它是由全波整流器，开关管 V，激励信号，续流二极管 Vp，储能电感和滤波电容 C 组成。实际上，开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。这里我们对直流变换器和逆变器作如下解释。 逆变器，它是把直流转变为交流的装置。逆变器通常被广泛地应用在采用电平或电池组成的备用电源中。 直流变换器，它是把直流转换成交流，然后又把交流转换成直流的装置。这种装置被广泛地应用在开关稳压电源中。 采用直流变换器可以

2、把一种直流供电电压变换成极性、 数值各不同的多种直流供电电压。 二、开关稳压电源的优点 二、开关稳压电源的优点 1.功耗小，效率高。在图 1 中的开关稳压电源电路中，晶体管 V 在激励信号的激励下，它交替地工作在导通截止和截止导通的开关状态， 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。 从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。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

3、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。这样，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 1

4、000 倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高 1沈阳单片机开发网帮您精确掌握电子器件的使用细节 了 1000 倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了 500b 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1/5001/1000。 5.电路形式灵活多样。例如，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。 三、开关稳压电源的缺点 三、开关稳压电源的缺点 开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。 开关稳压电源中， 功率调整开关晶体管 V 工作在状态， 它产

5、生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。 目前， 由于国内微电子技术、 阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距，因而造价不能进一步降低，也影响到可靠性的进一步提高。所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中， 开关稳压电源还不能得到十分广泛的普及及使用。 特别是对于无工频变压器开关稳压电源中的高压电解电容器、 高反压大功率开关管、 开关变压器的

6、磁芯材料等器件，在我国还处于研究、开发阶段。在一些技术先进国家，开关稳压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在一些问题，不能十分令人满意。这暴露出开关稳压电源的又一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。对此，如果设计者和制造者不予以充分重视，则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。当今，开关稳压电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。 四、开关稳压电源的发展 四、开关稳压电源的发展 1 国际发展状况 ? 发展史 1955 年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。 此后， 利用这

7、一技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子示换流设备。 由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态， 所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。 由于那时的微电子设备及技术十分落后， 不能制作出耐压高、 开关速度较高、功率较大的晶体管， 所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入， 并且转换的速度也不能太高。 60 年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器

8、降压了，从而极大地扩大了它的应用范围,并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。 70 年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来， 使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。 ? 目前正在克服的困难 2沈阳单片机开发网帮您精确掌握电子器件的使用细节 随着半导体技术和微电子技术的高速发展， 集成度高

9、、 功能强大的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断地缩小，重量在不断地减轻，所以从事这方面研究和生产的人们对开关稳压电源中的开关变压器还感到不是十分理想， 他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途经取代开关变压器，使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要， 这是从事开关稳压电源研制的科技人员目前正在克服的一个困难。 开关稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的， 并且开关稳压电源中由于采用了开关变压器以后，才能使之由一组输入得到极性、大小各不相同的多组输出。要进一步提高开关稳压电源的效率，就必须提高电源的工作频率。但是，当频率提高以后，对整个电路

10、中的元器件又有了新的要求。例如，高频电容、开关管、开关变压器、储能电感等都会出现新的问题。 进一步研制适应高频率工作的有关电路元器件， 是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第二个问题。 工作在线性状态的线性稳压电源， 具有稳压和滤波的双重作用， 因而串联线性稳压电源不产生开关干扰，且波纹电压输出较小。但是在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的元件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰。 这些干扰就会污染市电电网， 影响邻近的电子仪器及设备的正常工作。 随着开关稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进， 开关稳压电源的这一缺点得到了一定的克服， 可以达到不妨碍一般的电子仪器、

11、家用电器的正常工作的程度。但是在一些精密电子仪器中，由于开关稳压电源的这一缺点，却使它得不到使用。所以，克服开关稳压电源的这一缺点，进一步提高它的使用范围，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第三个问题。 2 国内发展情况 我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源研制工作开始于 60 年代初期， 到 60 年代中期进入实用阶段，70 年代初期开始研制无工频降压变压器开关稳压电源。1974 年研制成功了工作频率为 10kHz、输出电压为 5V 的无工频降压变压器开关稳压电源。近 10 多年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校已研制出多种型号的工作频率在 20kHz 左右，输出功率在1000W 以下

12、的无工频降压变压器开关稳压电源，并应用于电子计算机、通信、电视等方面，取得了较好的效果。 工作频率为 100kHz200kHz 的高频开关稳压电源于 80 年代初期就已开始试制， 90 年代初期就已试制成功。目前正在走向实用阶段和再进一步提高工作频率。许多年来，虽然我国在无工频降压开关稳压电源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我国的开关稳压电源技术与一些先进的国家相比仍有较大的差距。此外，这些年来，我国虽然把无工频变压器开关稳压电源的工作频率从数十 kHz 提高到了数百 kHz，把输出功率由数十瓦提高到了数百瓦甚至数千瓦， 但是， 由于我国半导体技术与工艺跟不上时代的发展， 导

13、致我们自己研制和生产出的无工频变压器开关电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管。所以我国的开关稳压电源事业要发展，要赶超世界先进水平，最根本的是要提高我国的半导体技术和工艺。 五、开关稳压电源的种类 五、开关稳压电源的种类 现在，电子技术和应用迅速地发展，对电子仪器和设备的要求是：性能上，更加安全可靠，在功能上，不断地增加。在使用上自动化程度越来越高。在体积上，要日趋小型化。这使采用具有众多优点的开关稳压电源就显得更加重要了。所以，开关稳压电源在计算机、通信、航天、彩色电视等方面都得到了越来越广泛的应用，发挥了巨大的作用，这大大促进了开关稳压电源的发展， 从事这方面研究和生产的人员也在不断

14、地增加， 开关稳压电源的品种和类型也越来越多。下面的组图给出了各种类型开关稳压电源的原理图。 3沈阳单片机开发网帮您精确掌握电子器件的使用细节 (1)按激励方式划分 他激式 电路中转设激励信号的振荡器，电路形式如图 2 所示。 自激式 开关管兼作振荡器中的振荡管，电路形式如图 3 所示。 图 2 他激式 图 3 自激式 (2)按调制方式划分 脉宽调制型 振荡频率保持不变， 通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小， 有时通过取样电路、耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。 频率调制型 占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。 混合调制型 通过调节导通

15、时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。 (3)按开关管电流的工作方式划分 开关型 用开关晶体管把直流变成高频标准方波，电路形式类似于他激式。 谐振型 开关晶体管与 LC 谐振回路将直流变成标准正弦波，电路形式类似于自激式。 (4)按开关晶体管的类型划分 晶体管型 采用晶体管作为开关管，电路形式如图 4 所示。 可控硅型 采用可控硅作为开关管，这种电路的特点是直接输入交流电，不需要一次整流部分，其电路形式如图 5。 图 4 晶体管型 图 5 可控硅型 (5)按储能电感与负载的连接方式划分 串联型 储能电感串联在输入与输出电压之间，电路形式如图 6 所示。 并联型 储能电感并联在输入与

16、输出电压之间，电路形式如图 7 所示。 4沈阳单片机开发网帮您精确掌握电子器件的使用细节 图 6 串联型 图 7 并联型 (6)按晶体管的连接的连接方式划分 单端式 仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，这种电路的特点是价格低，电路结构简单，但输出功率不能提高，其电路形式如图 4、图 6 和图 7 所示。 推挽式 使用两个晶体管， 将其连接成推挽功率放大器形式。 这种电路的特点是开关变压器必须具有中心抽头，电路形式如图 8。 半桥式 使用两个晶体管，将其连接成半桥形式。它的特点是适应于输入电压较高的场合。电路形式如图 9。 全桥式 使用四个开关晶体管，将其连接成全桥形式。它的特点是输出的功率比

17、较大。其电路形式如图 10。 图 8 推挽式 图 9 半桥式 图 10 全桥式 (7)按输入与输出的电压大小划分 升压式 输出电压比输入电压高，实际就是并联型开关稳压电源。 降压式 输出电压比输入电压低，实际就是串联型开关稳压电源。 (8)按工作方式划分 可控整流型 所谓可控整流型开关稳压电源， 是指采用可控硅整流元件作为调整开关管， 可由交流市电电网直接供电，也可用变压器变压后供电。 （这种供电方式在开关稳压电源刚兴起的初期常常采用，目前基本上不太采用。 ）在可工作的半波内，截去正弦曲线的前一部分，这一部分所占角度称为截止角，导通的正弦曲线的后一部分称为导通角。依靠调节导通角的大小，可达到调

18、整输出电压和稳定电压的目的。其电路如图 11 所式。 图 11 可控整流型 图 12 斩波型 5沈阳单片机开发网帮您精确掌握电子器件的使用细节 斩波型 斩波型开关稳压电源是指直流供电， 输入直流电压加到开关电路上， 在开关电路的输出端得到单向的脉动直流， 经过滤波得到与输入电压不同的稳定的直流电压， 电路还从输出电压取样，经过比较、放大、控制脉冲发生电路产生的脉冲信号，用以控制调整开关的导通时间和截止时间的长短或开关的工作频率， 最后达到稳定输出电压的目的。 电路的过压保护电路也是依据这一部分提供的取样信号来进行工作的，斩波型电路形式如图 12 所示。 隔离型 这种形式的开关电源是在输入回路

19、与逆变电路之间， 经过高频变压器 （也可称为开关变压器） ，利用磁场的变化实现能量的传递，没有电流间的直接流通，隔离型开关稳压电源采用直流供电，经过开关电路，将直流电变成频率很高的交流电，再经变压器隔离、变压（升压或降压） ，然后经整流器整流，最后就可以得到新的、极性和数值各不相同的多组直流输出电压。电路从输出端取样，经放大后反馈至开关控制端，控制驱动电路的工作，最后达到稳定输出电压的目的。这种形式的开关稳压电源在实际稳压电源中应用最为广泛。 (9)按电路结构划分 散件式 整个开关稳压电源电路都是采用分立元器件组成的， 它的电路结构较为复杂， 可靠性较差。 集成电路式 整个开关稳压电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的， 这种集成电路通常为厚膜电路。有的厚膜集成电路中包括开关晶体管，有的则不包括开关晶体管。这种电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。彩色电视机中常采用这种开关电源。 以上五花八门的开关稳压电源的品种都是站在不同的角度， 以开关稳压电源不同的特点命名的。尽管各种电路的激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方式、开关管器件种类以及串并联结构等各不相同， 但是它们最后总可以归结为串联型开关稳压电源和并联型开关稳压电源这两大类。这两大类也正是作者对开关稳压电源的划分方法。 6