开关电源试题总结

开关电源的特点

体积小、重量轻、效率高、可靠性高

优点：开关电源的输入端直接将交流电整流变成直流电，再在高频振荡电路的作用下，用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。在电感（高频变压器）的帮助下，输出稳定的低压直流电。由于变压器的磁芯大小与他的工作频率的平方成反比，频率越高铁心越小。这样就可以大大减小变压器，使电源减轻重量和体积。电源的效率比线性电源高很多，节省了能源。

缺点：电路复杂，维修困难，对电路的污染严重。电源噪声大，不适合用于某些低噪声电路。节约能源,节省原材料, 稳压范围宽,可靠安全,滤波容量小

开关电源分类

1. 按控制方式分：脉冲宽度调制，脉冲频率调制，两种方式混合。

2. 按是否使用工频变压器分：低压开关稳压，高压开关稳压。

3. 按激励方式分：自激式，他激式。

4. 按开关调整管的种类分：双极型三极管，MOS场效应管和可控硅开关管等。

开关电源按不同方式分类如下：

按储能电感在电路中所处的位置分为串联型、并联型、脉冲变压器耦合并联型。

按开关电路形式分为单端式、推挽式、半桥式、全桥式。

按开关器件的启动方式分为他激式、自激式。

按开关变压器的激励方式分为正激式、反激式。

按稳压控制形式分为脉宽调制式、频率调制式、调宽调频混合式。

按开关器件类型分为晶体管型、场效应管型、晶闸管型、集成电路型。

按输出输入之间的联系方式分为隔离式、非隔离式。

DC/DC变换通过控制开关通、断时间的比例，用电抗器与电容器上的储能对开关波形进行微分平滑处理，从而更有效地调整脉冲的宽度及频率。

从输入、输出有无变压器隔离来说，DC/DC变换分为有变压器隔离和无变压器隔离两类。每一类有6种拓朴，即：降压式（Buck）、升压式（Boost）、升压－降压式（Buck-Boost）、串联式（Cuk）、并联式（Sepic）以及塞达式（Zata）。

开关电源工作原理框图

开关电源与铁心变压器以及其他形式的电源比较起来具有的优点

一是节能，开关电源效率一般在85%-95%，铁心变压器的效率只有70%或者更低。

二是体积小，重量轻。三是开关电源具有各种保护功能，不易损坏。

四是改变输出电流、电压比较容易，且稳定、可靠。

五是可以设计出各种具有特殊功能的电源，以满足人们的需要

半桥型变换器特性：

优点：1）高频利用率高，原边绕组在正负半周均工作。2）截止开关管极间承受的电压低，等于Ui。3）抗不平衡能力强。

缺点：1）输出功率小，与输出电流I0相同的推挽式电路相比，输出功率小一半。

2）原边绕组上的电压是电容C1和C2的端电压，放电过程中电压逐渐减小，因此输出脉冲电压的顶部呈倾斜状态。

全桥型变换器特性：

优点：1）保持有半桥变换器中开关管截止时承受电压低的特点。2）具有推挽型电路输出电压高、输出功率大的优点。因此全桥电路在DC/DC变换器中应用较多。

缺点：所用功率开关管较多，驱动电路复杂。

推挽式变换器特性：

优点：1）输出功率较大，导通期间高频变压器原边两绕组的总电压是两倍输入电源电压2Ui，整流电压幅值为Ui/n。2）驱动电路简单，两个开关管的发射极相连，驱动电路无需隔离绝缘，从而简化了驱动电路。

缺点：1）会因磁心饱和出现集电极电流尖峰而导致晶体管损坏。这主要由于两个开关管特性不一致，单向偏磁。2）高频变压器利用率差，原边每个绕组只工作一半时间。

3）对功率开关管的耐压要求高。

RCC变换器

RCC变换器是节流式阻尼变换器，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。MOSFET的主要特点：

MOSFET的主要特点

MOSFET是一种依靠多数载流子工作的典型场控制器件。它适应于100~200MHz的高频场合。

MOSFET具有负的电流温度系数，可以避免热不稳定性和二次击穿，适合在大功率和大电流条件下应用。

在驱动模式上，属于电压控制型器件，驱动电路设计比较简单，驱动功率很小。

MOSFET中大多数集成有阻尼二极管，而双极型功率晶体管中大多没有内装阻尼二极管。

MOSFET对系统的可靠性与安全性的影响并不象双极型功率晶体管那样重要。

但其结构简单、成本低、调试容易，因此，有一定的应用价值。

MOSFET的主要缺点：

导通电阻(RDS(on))较大，而且具有正温度系数，用在大电流开关状态时，导通损耗较大，开启门限电压VGS(th)较高（一般为2~4V），要求驱动变压器绕组的匝数比采用双极型晶体管多1倍以上

IGBT的主要特点：

(1) 电流密度大，是MOSFET的10倍以上。(2) 输入阻抗高，栅极驱动功率小，驱动电路简单。(3) 低导通电阻，IGBT的导通电阻只有MOSFET的10%。(4) 击穿电压高，安全工作区大，在受到较大瞬态功率冲击时不会损坏。(5) 开关速度快，关断时间短。耐压为1kV 的IGBT的关断时间为1.2μs，600V级的产品的关断时间仅为0.2 μs。

软磁铁氧体磁芯

软磁铁氧体材料常用在高频变压器、电感整流器、脉冲变压器等电路中，在开关电源中是一种非常重要的元件。

软磁铁氧体材料主要有：锰锌软磁铁氧体、镍锌软磁铁氧体。特点：在高频下具有高磁导率、高电阻率、低损耗。新型磁性材料：超微晶合金、钴基非晶态、坡莫合金等

磁性材料的基本特性

磁场强度（H）与磁感应强度（B）居里温度Tc 初始磁导率μi 剩余磁感应强度Br 矫顽力Hc

二极管

从结构上来分，有点接触型和面接触型。

按功能来分，有快速恢复及超快速恢复二极管、整流二极管、稳压二极管及开关二极管等。

开关二极管在开关电源的过压保护、反馈控制系统经常用到。主要是硅二极管，如1N4148、1N4448等。

稳压二极管又叫齐纳二极管（Zener Diod）

快速恢复二极管（Fast Recovery Diod）和超快速恢复二极管（Superfast Recovery Diod，SRD）这两种二极管具有开关特性好、耐压高、正向电流大、体积小等优点。

热敏电阻

热敏电阻是由锰钴镍的氧化物烧结成的半导体陶瓷制成的，具有负温度系数，随着温度的升高，其电阻值降低。热敏电阻在开关电源中起过温保护和软启动的作用。

硬开关与软开关

硬开关：开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。产生较大的开关损耗和开关噪声。

软开关：

在电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，使开关条件得以改善。

降低开关损耗和开关噪声。软开关有时也被成为谐振开关。

工作原理：

软开关电路中S关断后Lr与Cr间发生谐振，电路中电压和电流的波形类似于正弦半波。谐振减缓了开关过程中电压、电流的变化，而且使S两端的电压在其开通前就降为零。

软开关电路的分类

根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。

根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基本开关单元导出具体电路。

谐振直流环

谐振直流环电路应用于交流-直流-交流变换电路的中间直流环节（DC-Link）。通过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下。

开关电源各回路设计

开关电源输入回路设计开关电源输入回路包括低通滤波和桥式整流滤波两大部分。

(1) 低通滤波回路的设计

两个作用：第一，防止输入电源窜入噪声干扰，同时还要抑制浪涌电压、尖峰电压的进入。第二，阻止、限制开关电源所产生的噪声，高频电磁干扰信号通过输入电线馈进入电网。

整流滤波回路的设计

整流电路有电容输入型和扼流圈输入型两种。开关电源一般采用电容输入型整流滤波电路。整流方式一般采用全波桥式整流。

功率驱动电路的设计

功率驱动的方式

开关电源功率晶体管有两种驱动方式：一种是直接驱动，另一种是隔离驱动。直接驱动有单管基极驱动、推挽驱动和抗饱和驱动3种。

很多开关电源要求主电路与控制电路隔离，隔离的目的是保证电路安全和提高电路抗干扰的能力。一般采用的隔离方式是用脉冲变压器和光电耦合器进行隔离。

开关电源保护电路过流保护电路

过流包括电源负载超出规定值和电源输出线路出现零负载（即短路）。

过电压保护电路

目前要解决的问题主要有：

器件问题：电源控制集成度不高；材料问题：开关电源使用的磁芯、电解电容及整流二极管等都很笨重，也是耗能的主要根源；能源变换问题：变换有几种形式：AC/DC变换、DC/AC变换以及DC/DC变换。实现这些变换都是以频率为基础，以改变电压为目的，工艺复杂，控制难度大，始终难以形成大规模生产；软件问题：开关电源的软件开发目前只是刚刚起步，例如软开关，虽然它的损耗低，但难以实现高频化和小型化；生产工艺问题。

开关电源发展趋势

工作频率高达2~10MHz 效率达到95% 功率密度为3~6W/cm2 功率因数高达0.99

长期使用完好，寿命在80000h以上

对开关电源的高标准：全面通容电磁兼容性；企业能大规模地、稳定地生产，或快捷地进行单项生产；按照人们的需要，能组装或拼装大容量、高效率的电源；更高的功率因数、更低的输出电压（1~3V）、更大的输出电流（数百安）；实现更小的电源模块。

开关电源的技术标准

国际标准有：IEC950、IEC65、IEC380；

美国标准有：UL478、UL1020、UL1950及能源之星；

欧洲标准有：EN60-950、EN60065

另外，在机械指标、附属功能、噪音指标、可靠性、安装和冷却条件、外部环境等方面都有相应的规定。具体有：1. 机械指标：外观、抗冲击震动能力等；2. 环境标准：一般规定为在室内，温度上升到45℃时输出电压漂移小于3%，室外小于5%；在湿度为92%、温度为28 ℃的环境下放置48h，绝缘强度不变；机壳对电源输入、输出线的绝缘电阻大于10MΩ，初级和次级间的绝缘电阻大于5 MΩ，漏电流小于0.5mA，初级对地的绝缘电阻大于3 MΩ。

3. 电气标准(1)输入指标(2)输出指标静态输入电压变动、动态输入电压变动、静态负载变动、环境温度的变动、时间特性变化、保护等。

(3)耐压指标交流输入线对次级电压为3750V，输入线对地电压为2500V，次级输出线对地电压为500V，各执行1min。

(4)绝缘要求输入交流线与输出交流线的绝缘电阻大于10 MΩ，输入线、输出线与机壳的绝缘电阻大于10 MΩ。(5) 对高频变压器的要求：各绕组的绝缘电阻大于10MΩ。初级与次级的耐压为3750V，保持1min不击穿；湿度为92%±2%、温度为20～30℃时，24h 后绝缘强度不变。

(6)电源效率：大于85％。(7) 抗电磁干扰能力：小于8dB/μV。

(8) 功率因数：大于0.95。(9) 漏电流：小于0.5mA。(10)电源使用寿命：200000h以上。

电磁兼容技术概念

电磁兼容技术是解决电磁干扰相关问题的一门技术。电磁兼容设计的目的是解决电路之间的相互干扰，防止电子设备产生过强的电磁发射，防止电子设备对外界干扰过度敏. 所谓电磁兼容是指设备、系统在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态.

开关电源电磁兼容

开关电源由于密度高、智能化程度高、带有微处理器，因而从高至近千伏的电压信号到低至几伏的电压信号，从高频的数字信号至低频的模拟信号，其内部的场分布均相当复杂。PCB布线不合理、结构设计不合理、电源线输入不合理、输入/输出电源线布线不合理及CPU,检测电路的设计不合理，均会导致系统工作的不稳定。

解决开关电源的电磁兼容性问题，

从三个方面入手

1. 减小骚扰源产生的骚扰信号；

2. 切断骚扰信号的传播途径；

3. 增强受骚扰体的抗骚扰能力

措施：

增强输入/输出滤波电路的设计，减小开关管、整流及续流二极管的电流变化率，采用软开关电路拓扑及控制方式，加强机壳的屏蔽效果，改善机壳的缝隙泄漏，并进行良好的接地处理等。

减小开关电源的内部骚扰，实现其自身的电磁兼容性，提高稳定性及可靠性，从以下几个方面入手：

注意数字电路与模拟电路PCB布线的正确分区；

数字电路与模拟电路的正确去耦；

数字电路与模拟电路单点接地、大电流电路与小电流特别是电流电压取样电路的单点接地以减小共阻骚扰，减小地环的影响。

脉宽调制的基本原理