开关电源原理

第一部分常用器件介绍一、整流二极管•二极管是功率电子系统中不可或缺的器件，用于整流、续流等。目前比较多地使用如下三种选择：•高效快速恢复二极管。压降0.8-1.2V，适合小功率，12V左右电源。•高效超快速二极管。0.8-1.2V，适合小功率，12V左右电源。•肖特基势垒整流二极管SBD。0.4V，适合5V等低压电源。缺点是其电阻和耐压的平方成正比，所以耐压低（200V以下），反向漏电流较大，易热击穿。但速度比较快，通态压降低。•双二极管二、场效应管基础知识•1）、场效应管的分类•按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。见下图。2）场效应管的作用1、场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。2、常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。3、场效应管可以用作可变电阻。4、场效应管可以方便地用作恒流源。5、场效应管可以用作电子开关。3）、场效应管的测试:a、结型场效应管的管脚识别：场效应管的栅极相当于晶体管的基极，源极和漏极分别对应于晶体管的发射极和集电极。将万用表置于R×1k档，用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电阻。当某两个管脚间的正、反向电阻相等，均为数KΩ时，则这两个管脚为漏极D和源极S（可互换），余下的一个管脚即为栅极G。对于有4个管脚的结型场效应管，另外一极是屏蔽极（使用中接地）。b、判定栅极用万用表黑表笔碰触管子的一个电极，红表笔分别碰触另外两个电极。若两次测出的阻值都很小，说明均是正向电阻，该管属于N沟道场效应管，黑表笔接的也是栅极。制造工艺决定了场效应管的源极和漏极是对称的，可以互换使用，并不影响电路的正常工作，所以不必加以区分。源极与漏极间的电阻约为几千欧。注意不能用此法判定绝缘栅型场效应管的栅极。因为这种管子的输入电阻极高，栅源间的极间电容又很小，测量时只要有少量的电荷，就可在极间电容上形成很高的电压，容易将管子损坏。功率场效应管MOSFET•功率场效应管又叫功率场控晶体管。•电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。如果在栅极和源极之间加一正向电压UGS，并且使UGS大于或等于管子的开启电压UT，则管子开通，在漏、源极间流过电流ID。UGS超过UT越大，导电能力越强，漏极电流越大。三、电阻器•碳膜电阻器（RT）•材料：高温下将有机化合物（烷，苯等碳氢化合物）热分解产生的碳积在陶瓷肌体表面。碳膜电阻器阻值范围宽，由良好的稳定性，温度系数不大且是负值，是目前应用最广泛的电阻器。•金属膜电阻（RJ）•材料：通过真空蒸发或阴极溅射，沉积在陶瓷肌体表面上一层很薄的金属或合金膜。•特点：金属膜电阻比碳膜电阻的精度高，稳定性好，噪声，温度系数小，金属膜电阻由于结构不均匀，因此使他的脉冲负载能力差。•SMT电阻：（RI）•材料：片状电阻是金属玻璃铀电阻的一种形式，他的电阻体是高可靠的钌系列玻璃铀材料经过高温烧结而成，电极采用银钯合金浆料。•特点：体积小，精度高，稳定性好，由于其为片状元件，所以高频性能好•绕线电阻:RX•材料：用高阻合金线绕在绝缘骨架上制造。•特点：绕线电阻具有较低的温度系数，阻值精度高，稳定性好，耐热耐腐蚀，主要做精密大功率电阻使用，缺点是高频性能差，时间常数大。压敏电阻根据使用目的的不同，可将压敏电阻区分为两大类：①保护用压敏电阻②电路功能用压敏电阻。保护用压敏电阻（1）区分电源保护用，还是信号线，数据线保护用压敏电阻器，它们要满足不同的技术标准的要求。（2）根据施加在压敏电阻上的连续工作电压的不同，可将跨电源线用压敏电阻器可区分为交流用或直流用两种类型，压敏电阻在这两种电压应力下的老化特性表现不同。（3）根据压敏电阻承受的异常过电压特性的不同，可将压敏电阻区分为浪涌抑制型，高功率型和高能型这三种类型。★浪涌抑制型：是指用于抑制雷电过电压和操作过电压等瞬态过电压的压敏电阻器，这种瞬态过电压的出现是随机的，非周期的，电流电压的峰值可能很大。绝大多数压敏电阻器都属于这一类。★高能型：指用于吸收发电机励磁线圈，起重电磁铁线圈等大型电感线圈中的磁能的压敏电压器，对这类应用，主要技术指标是能量吸收能力。•压敏电阻器的保护功能，绝大多数应用场合下，是可以多次反复作用的，但有时也将它做成电流保险丝那样的"一次性"保护器件。例如并接在某些电流互感器负载上的带短路接点压敏电阻。★高功率型：是指用于吸收周期出现的连续脉冲群的压敏电阻器，例如并接在开关电源变换器上的压敏电阻，这里冲击电压周期出现，且周期可知，能量值一般可以计算出来，电压的峰值并不大，但因出现频率高，其平均功率相当大。电路功能用压敏电阻压敏电阻主要应用于瞬态过电压保护，但是它的类似于半导体稳压管的伏安特性，还使它具有多种电路元件功能，例如可用作：（1）直流高压小电流稳压元件，其稳定电压可高达数千伏以上，这是硅稳压管无法达到的。（2）电压波动检测元件。（3）直流电瓶移位元件。（4）均压元件。（5）荧光启动元件水泥电阻•水泥电阻通常用做功率大，电流大的场合，有2W，3W，5W，10W甚至更大的功率，象空调，电视机，等功率在百瓦级以上的电器中，基本上都会用到水泥电阻，主要作用就是限流……PTC热敏电阻•PTC是PositiveTemperatureCoefficient的缩写，意思是正的温度系数，泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件。通常我们提到的PTC是指正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻。PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度(居里温度)时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。•PTC热敏电阻组织结构和功能原理•陶瓷材料通常用作高电阻的优良绝缘体，而陶瓷PTC热敏电阻是以钛酸钡为基，掺杂其它的多晶陶瓷材料制造的，具有较低的电阻及半导特性。通过有目的的掺杂一种化学价较高的材料作为晶体的点阵元来达到的：在晶格中钡离子或钛酸盐离子的一部分被较高价的离子所替代，因而得到了一定数量产生导电性的自由电子。•对于PTC热敏电阻效应，也就是电阻值阶跃增高的原因，在于材料组织是由许多小的微晶构成的，在晶粒的界面上，即所谓的晶粒边界(晶界)上形成势垒，阻碍电子越界进入到相邻区域中去，因此而产生高的电阻，这种效应在温度低时被抵消：在晶界上高的介电常数和自发的极化强度在低温时阻碍了势垒的形成并使电子可以自由地流动。而这种效应在高温时，介电常数和极化强度大幅度地降低，导致势垒及电阻大幅度地增高，呈现出强烈的PTC效应。•PTC热敏电阻：有下面几个性能！•灯丝预热用PTC热敏电阻器•1.应用范围：•用于各种荧光灯电子镇流器、电子节能灯中，不必改动线路，将适当的热敏电阻器直接中跨接在灯管的谐振电容器两•端，可以变电子镇流器、电子节能灯的硬启动为预热启动，使灯丝的预热时间达0.4～2秒可延长灯管寿命三倍以上。•2.特点：•利用材料PTC特性制作而成，产品体积小、耐电压高、寿命长、正常工作时功耗小。•3.应用原理：•应用PTC热敏电阻器实现预热启动原理如右图所示：刚接通开关时，Rt处于常温态，其阻值远远低于C2阻值，电流通•过C1，Rt自热温度超过居里点温度Tc跃入高阻态，其阻值远远高于C2阻值，电流通过C1、C2形成回路导致LC谐振，产生•高压点亮灯管。•保险丝型PTC热敏电阻器•PTC热敏电阻和NTC热敏电阻技术•1.应用范围：•MZ12A型PTC热敏电阻器主要用于电子镇流器（节能灯、电子变压器、万用表、智能电度表）等的过流过热保护，•直接串联在负载电路中，在线路出现异常状况时，能够自动限制过电流或阻断电流，当故障排除后又恢复原态，俗称“万次保险丝”。•2.特点：•·无触点的电路及元器件保护·自动限制过电流•·故障排除后自动恢复·工作时无噪音无火花•·工作可靠、使用方便•3.应用原理：•将PTC热敏电阻器串联在电源回路中，当电路处于正常状态时，流过PTC的电流小于额定电流，PTC处于常态，阻值•很小，不会影响电子镇流器（节能灯、变压器、万用表）等被保护电路的正常工作。当电路电流大大超过额定电流时，•PTC陡然发热，阻值骤增至高阻态，从而限制或阻断电流，保护电路不受损坏。电流电流回复正常后，PTC亦自动回复至•低阻态，电路恢复正常工作。•在电子镇流器（节能灯、变压器、万用表）等过流保护应用领域，南京时恒凭借其科研和工艺等方面的优势，率先推•出了以高耐压（V≥300VAC）为特色的MZ12型产品。三．TL431基准电源器件这个器件在电源中使用率最高，这里简单介绍该器件。（1）TL431简介图5-2：TL431结构及原理•德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω。•图5-2左图是该器件的符号。3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。•由图可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的。（2）TL431的应用•前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。如图5-3所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若Vo增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=(1+R1/R2)Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1mA。当然，这个电路并不太实用，但它很清晰地展示了该器件在应用中的方法。将这个电路稍加改动，就可以得到在很多实用的电源电路，如图5-4。一般地，在阴极和参考端之间，可以引进R、C串联网络，以做相位补偿。图5-3：推荐的应用电路及电压输出•作为基准器件，TL431可以在恒压源、恒流源等电路中广泛采用。我们前面讲到的开关电源，就广泛地使用这个器件作为比较基准。四、光电耦合器原理及应用•工作原理在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。光电耦合器的测试1、用万用表判断好坏。断开输入端电源，用R×1k档测1、2脚电阻，正向电阻为几百欧，反向电阻几十千欧，3、4脚间电阻应为无限大。1、2脚与3、4脚间任意一组，阻值为无限大，输入端接通电源后，3、4脚的电阻很小。调节RP，3、4间脚电阻发生变化，说明该器件是好的。注：不能用R×10k档，否则导致发射管击穿。2、简易测试电路，当接通电源后，调节LED的发光强度会发生变化，说明被测光电耦合器是好的。•下图：光电耦合器及其典型用法第二部分开关电源原理及各功能电路•一、开关电源的电路组成开关电源的主要电路是由