开关电源中的关键元器件设计
U( k ) 0.4 0.2 0 0.4 1 0.8 0.6
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0.5
0.6
0.7 k
0.8
0.9
1
When the voltage had decayed to 70.7% of its initial value, half of the available energy has been extracted.
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开关电源中关键元件的设计 Example for fuse Ele-characteristics
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开关电源中关键元件的设计 Example for fuse Safety approvals
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开关电源中关键元件的设计 Example for fuse Safety approvals
Set
(
)
(
)
k = 0.6 V0 = 310Vdc t = 20mS
That
2⋅ P ⋅t C= 2 ⇒ C = 0.65µF / W 2 Vo (1 − k )
Note: The efficiency had been ignore to simplify the calculation.
开关电源中关键元件的设计
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开关电源中关键元件的设计
Designing for the ELE-Capacitor Holdup Time vs. Bus Voltage • Energy U extracted from the bus capacitor is
1 U = C ⋅ (V0 2 − V12 ) 2 Let V1 = k ⋅ V0 1 Then U = C ⋅V0 2 ⋅ (1 − k 2 ) 2
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开关电源中关键元件的设计
王海杰（jack_wang） 世纪电源网版主 中国电源学会高级会员 2009年3月28日
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开关电源中关键元件的设计
开关电源中关键元件的设计
• Input Fuse • MOV • ELE- Capacitors • Power mosFET • Schottky Diode • Photocoupler
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10
20
30 t
40
50
60
开关电源中关键元件的设计
Designing for the ELE-Capacitor Needed capacitance calculation
suppose
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k=
V final V0
1 1 2 2 W = P ⋅ t = C ⋅ Vo − V final = C ⋅ V0 1 − k 2 2 2
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开关电源中关键元件的设计
Designing for the ELE-Capacitor Loss angle tangent (dissipation factor)
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开关电源中关键元件的设计
Designing for the ELE-Capacitor Loss angle tangent (dissipation factor)
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开关电源中关键元件的设计
Designing for the ELE-Capacitor Impedance vs tempreture
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The impedance varies much due to ESR affected by the temperature
开关电源中关键元件的设计
开关电源中关键元件的设计 Introduce to Metal Oxide Varistor
Maximum Surge Current Derating curves
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The maximum current value will sudden derate with repeated pulse
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开关电源中关键元件的设计 Introduce to Metal Oxide Varistor
Power Derating vs Temperature
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Note: Need to care if some MOV show -40 ~ 125DegreeC operating range
开关电源中关键元件的设计
Power mosFET characteristic
The symbol of a power mosFET
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开关电源中关键元件的设计
Power mosFET characteristic
The mosFET switching waveforms
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Designing for the ELE-Capacitor
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Design for the output capacitor Due to the current characteristic of electrical capacitor, the SMPS output capacitor normally will be decide by the ripple current capability and ESR, just calculate the ripple current and select the capacitance should meet most of application, the think need to care is that the thermal and the life of ele-cap.
开关电源中关键元件的设计
Power mosFET characteristic
Vgs vs Id example
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开关电源中关键元件的设计
Power mosFET characteristic
Qg vs Vds example
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开关电源中关键元件的设计
Power mosFET characteristic
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The tangent shows higher values as the measured frequency increases and the measured temperature decreases.
开关电源中关键元件的设计
Designing for the ELE-Capacitor Impedance and ESR vs frequency
Designing for the ELE-Capacitor Leakage current vs tempreture
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The higher temperature and higher voltage will affect the leakage current
开关电源中关键元件的设计
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Note: Should Simply estimated the maximum I2t Value with 20uS for Design Margin.
开关电源中关键元件的设计 Introduce to Metal Oxide Varistor
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Part Number code for Thinking MOV
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Measured at a frequency of 120Hz and applying a maximum AC voltage of 0.5V rms with a DC bias voltage of 1.5 or 2.0V (JIS C 5101)
开关电源中关键元件的设计
Designing for the ELE-Capacitor Typical capacitance behavior vs temperature
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开关电源中关键元件的设计 I2t Example for Bell fuse 5ET Series
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开关电源中关键元件的设计 I2t Example for Bell fuse 5ET Series
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开关电源中关键元件的设计 Surge current Shape for Combine Wave
开关电源中关键元件的设计 Introduce to Metal Oxide Varistor
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Warning: Around 0.1mA peak leakage current with TVR10471 and 264Vac input
开关电源中关键元件的设计
Designing for the ELE-Capacitor Structure of Aluminum ELE-Capacitors
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开关电源中关键元件的设计
Designing for the ELE-Capacitor The Equivalent Circuit
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开关电源中关键元件的设计
Designing for the ELE-Capacitor Typical capacitance behavior vs frequency
开关电源中关键元件的设计 Introduce to Metal Oxide Varistor
Electrical Characteristics of MOV
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开关电源中关键元件的设计 Introduce to Metal Oxide Varistor
Safety Approval of MOV
开关电源中关键元件的设计
• •
• •
开关电源普通元器件设计选用..
选用滤波电容说明
在开关稳压电源中作为输出滤波用的电解 电容器，其上锯齿波电压的频率高达数十 千赫，甚至数十兆赫，它的要求和低频应 用时不同，电容量并不是主要指标，衡量 它好坏的则是它的阻抗一频率特性，要求 它在开关稳压电源的工作频段内要有低的 等的阻抗，同时，对于电源内部，由于半 导体器件开始工作所产生高达数百千赫的 尖峰噪声，亦能有良好的滤波作用，一般 低频用普通电解电容器在10千赫左右，其阻 抗便开始呈现感性，无法满足开关电源使 用要求。
7
电容
电容的主要作用有哪些？ 抑制噪声，尖峰吸收，滤波，储能。 输入电容的设计： C=I×t/ΔV 这里的C：电容值（F）； I：负载电流（A）； t：电容提供电流的时间（s）； ΔV：允许的纹波电压（V）。 举例：计算50W开关电源的输入滤波电容的 值，输入交流电压为110V，50Hz。
9
电解电容特别说明
滤波时电解电容容量大一些，可有效的减 少直流电压纹波。 可根据公式计算得到的数值稍低一些 5~10W 4.7~10UF 10~50W 2~3UF/W 50~100W 2.5~3.5UF/W
10
怎样选用滤波电容 ?
许多人都知道滤波电容在电源中起的作用， 但在开关电源输出端用的滤波电容上，与 工频电路中选用的滤波电容并不一样，在 工频电路中用作滤波的普通电解电容器， 其上的脉动电压频率仅有100赫芝，充放电 时间是毫秒数量级，为获得较小的脉动系 数，需要的电容量高达数十万微法，因而 一般低频用普通铝电解电容器制造，目标 是以提高电容量为主，电容器的电容量、 损耗角正切什以及漏电流是鉴别其优劣的 主要参数。
2
二极管
稳压二极管 稳压二极管又叫齐纳二极管（zener diod），具有 单向导电性，它工作在电压反向击穿状态。当反 向电压达到并超过稳定电压时，反向电流突然增 大，而二极管两端的电压恒定，这就是稳压。 稳压二极管主要参数： 1）稳定电压Vz，这也是根据设计人员的需要选用； 2）稳定电流Iz； 3）温度系数at（温度越高，稳压误差越大）； 如1N6001B（11V稳压管）， Vz=11V， Iz=5mA， at =0.088。
一种高效反激式开关电源的设计及性能测试
一种高效反激式开关电源的设计及性能测试高效反激式开关电源是一种常见的电源设计方案，具有高效率、低功耗和小体积等优点。
本文将介绍一种高效反激式开关电源的设计，并对其性能进行测试。
一、设计方案高效反激式开关电源的设计主要包括变压器设计、功率开关管选择、电容滤波和反馈控制电路等。
下面依次介绍各个部分的设计。
1.变压器设计变压器是高效反激式开关电源的关键部分，通常采用多层铜箔绕线制成。
变压器的设计需要考虑输入电压、输出电压、输出功率和开关频率等因素。
根据具体的设计要求，可以采用磁芯材料和线圈参数来确定变压器的结构和参数。
2.功率开关管选择功率开关管是实现开关过程的关键元器件，常见的有MOS管和IGBT 管等。
选择适合的功率开关管需要考虑开关频率、功率损耗和电流容量等因素。
3.电容滤波电容滤波是实现开关电源输出稳定的重要环节，它能减小输出纹波和噪声。
选择合适的电容容值和工作电压是关键。
4.反馈控制电路反馈控制电路可以通过对输出电压进行实时监测和控制，实现电压的稳定输出。
常见的反馈控制电路有电流反馈和电压反馈。
二、性能测试对高效反激式开关电源的性能进行测试，可以从以下几个方面进行评估。
1.效率测试高效反激式开关电源的一个主要特点是高效率，因此需要测试其输入功率和输出功率，从而计算出电源的转换效率。
2.输出稳定性测试输出稳定性是衡量开关电源性能的关键指标之一，可以通过在不同负载条件下测量输出电压的波动情况来评估。
3.过载和短路保护测试过载和短路保护是开关电源的常见功能，需要测试电源在负载过载和短路情况下的响应速度和保护能力。
4.温升测试温升测试是为了评估开关电源在高负载和长时间运行时的热耗能力，通过测量电源的温度变化来评估其散热效果。
5.器件可靠性测试开关电源的器件可靠性测试是为了评估电源的长期稳定性和可靠性，可以通过长时间运行和负载周期测试等方法进行。
通过以上测试，可以全面评估高效反激式开关电源的性能，从而为其后续的生产和应用提供参考。
盘点开关电源设计中所用到的各种元器件
盘点开关电源设计中所用到的各种元器件
设计开关电源并不是如想象中那幺简单，特别是对刚接触开关电源研发的童鞋来说，他的外围电路就很负责，其中使用的元器件种类繁多，性能各异。
要想设计出性能高的开关电源就必须弄懂弄通开关电源中各元器件的类型及主要功能。
本文将总结出这部分知识。
开关电源外围电路中使用的元器件种类繁多，性能各异，大致可分为通用元器件、特种元器件两大类。
开关电源中通用元器件的类型及主要功能如下：
一、电阻器：
1. 取样电阻构成输出电压的取样电路，将取样电压送至反馈电路。
高频开关电源主要磁性元件的设计
高频开关电源主要磁性元件的设计引言广告插播信息维库最新热卖芯片：SI4412DY-T1ADS7864YB/250MJE802XC68HC705P6ACDW T082LTC1067CS BA6418N LE50STR80145LTC1421CSW-2.5在电力直流系统中，由于普遍采用高频模块，对于高频模块的设计是功率越来越大，而体积却是越来越小，这就对其设计提出了一个关键的问题，那就是如何解决磁性元件的损耗及发热问题。
高频开关电源中大量使用各种各样的磁性元件，如输入／输出共模电感，功率变压器，饱和电感以及各种差模电感。
各种磁性元器件对磁性材料的要求各不相同，如差模电感希望μ值适中，但线性度好，不易饱和；共模电感则希望μ值要高，频带宽；功率变压器则希望μ值要适中，温度稳定好，剩磁小，损耗低等。
在非晶材料出现以前，共模电感主要采用高μ值(6K～10K)Mn-Zn合金，差模电感多采用铁粉芯或开气隙铁氧体材料，变压器则采用铁氧体材料等。
这些材料应用技术成熟，种类也很丰富，并有各种各样的产品形状供选择。
随着非晶材料的出现和技术不断成熟，在开关电源设计中，非晶材料表现出许多其它材料无法比拟的优点。
几种常用磁性材料基本性能比较如表1。
1 主变压器的设计对于高频开关电源的主要发热元件，主变压器的设计尤其重要，其尺寸的大小和材料的选择更是重要。
1)主变压器的磁芯必须具备以下几个特点(1)低损耗；(2)高的饱和磁感应强度且温度系数小；(3)宽工作温度范围；(4)μ值随B值变化小；(5)与所选用功率器件开关速度相应的频响。
早前高频变压器一般选用铁氧体磁芯，下面对VITROPERM500F铁基超微晶磁芯与德国西门子公司生产的N67系列铁氧体磁芯的性能进行较，见图1。
从以上图表可以看出两者有以下区别：(1)相同工作频率(200kHz以下)，非晶材料损耗明显低于铁氧体，工作频率越低，工作B值越高，非晶材料优势越明显。
但在250kHz以上频段，铁氧体损耗要明显低于非晶材料。
开关电源设计
一个比较好的解决方案是：以轻巧的高频变压器取代笨重的工频变压器，采用脉冲调制技术的直流--直流变换器型稳压电源，即我们马上就要讲到的开关电源。
开关电源具有管耗小、效率高、稳压范围宽及体积小、重量轻等优点，目前已在各种电子仪器和设备、航空和宇宙飞行器、发射机、电子计算机、通讯设备和电视机、录放像机等中得到了广泛应用。
开关电源按变换方式可分为以下四大类：1、AC/DC 开关电源2、DC/DC 开关电源3、DC/AC 逆变器4、AC/AC 变频器目前只将前面两类称为开关电源，将后面两类分别称为逆变器和变频器。
开关电源按应用方式可分为以下三大类：1、外置电源与设备分开放置的电源模块或电源系统，如：---通信用一次电源模块和系统---电力操作电源模块和系统---手机电池充电器---笔记本电脑的Adapter---各类手提设备、便携设备的电池充电器等等2、内置电源放在设备内部的电源模块或电源系统，如：---计算机内部的SilverBox和VRM---家电(如：普通电视机、等离子电视机、液晶电视机)内部的供电电源---工业控制设备内部的电源---仪器中使用的电源---通信设备内部的电源模块和系统---复印机、传真机、打印机等的内部电源等等3、板上电源放在设备内单板上的电源模块，如：---标准砖类电源(全砖、半砖、1/4砖、1/8砖)---非隔离POL(Point of Load 负载点)变换器---VRM(V oltage regulator module电压调节模块)和VRD(V oltage regulator down)---小功率SMD电源---SIP和DIP电源等等开发一个开关电源产品所需要的基本技能：1、认识组成开关电源的所有元器件2、掌握各种元器件的电气性能和电路符号3、会自己制作各种磁芯元件4、会正确装配电源中的各个部分5、了解电源各项指标的意义并掌握如何测试的方法6、会使用仪器对装配后的电源进行正确的调试，优化和折中7、会对获得的实验结果进行分析，并进行总结8、会从不同渠道不断地学习电源知识并能够和别人交流开发一个开关电源产品所需要的专业理论知识：1、有源PFC的拓扑分析，控制与设计2、DC/DC功率变换器的拓扑与稳态分析3、开关电源的功率级参数设计4、开关电源的控制与动态分析5、开关电源的小信号分析与设计6、开关电源的大信号分析与设计7、开关电源的EMI分析与设计8、开关电源的热分析与设计9、开关电源的容差分析与设计10、开关电源的各种保护技术11、开关电源的同步整流技术12、开关电源的模块均流控制技术有些技术很成熟了，只要查表或者使用现成电路或专用芯片就可以做好。
【开关电源设计】开关电源中的关键元器件设计
开关电源中关键元件的设计
Power mosFET characteristic
Switching loss structure of power mosFET
开关电源中关键元件的设计
Design the output diode Forward conduction voltage of diode
t
开关电源中关键元件的设计
Designing for the ELE-Capacitor
Needed capacitance calculation
suppose
k = V final V0
( ) ( ) W
=
P⋅t
=
1C⋅ 2
Vo − V final 2
=
1 2
C
⋅ V0 2
1−
k
2
Set k = 0.6 V0 = 310Vdc t = 20mS
The higher temperature and higher voltage will affect the leakage current
开关电源中关键元件的设计
Designing for the ELE-Capacitor Leakage current vs tempreture
Infant
pegasuspowermosfetcharacteristic开关电源中关键元件的设计thesymbolofapowermosfetpegasuspowermosfetcharacteristic开关电源中关键元件的设计themosfetswitchingwaveformspegasuspowermosfetcharacteristic开关电源中关键元件的设计vgsvsidexamplepegasuspowermosfetcharacteristic开关电源中关键元件的设计qgvsvdsexamplepegasuspowermosfetcharacteristic开关电源中关键元件的设计capacitanceofpowermosfetpegasuspowermosfetcharacteristic开关电源中关键元件的设计switchinglossstructureofpowermosfetpegasusdesigntheoutputdiode开关电源中关键元件的设计forwardconductionvoltageofdiodepegasusdesigntheoutputdiode开关电源中关键元件的设计schottkyvsultrafastdiodeforwardconductionvoltagecharacteristicpegasusdesigntheoutputdiode开关电源中关键元件的设计averageforwardcurrentvstemperaturepegasusdesigntheoutputdiode开关电源中关键元件的设计repeatedpeakforwardcurrentpegasusdesigntheoutputdiode开关电源中关键元件的设计junctioncapacitancevsreversevoltagepegasusdesigntheoutputdiode开关电源中关键元件的设计trrcharacteristicofrectifierpegasusdesigntheoutputdiode开关电源中关键元件的设计dioderectifierlossstructurepegasusdesigntheoutputdiode开关电源中关键元件的设计wherekis1forfullwavesecondaryandkis2foracentertappedsecondaryvoltage
UC3842芯片设计开关电源_中文资料
UC3842芯片设计开关电源_中文资料UC3842是一款常用的开关电源控制器芯片，它可以通过调节PWM（脉宽调制）信号的占空比来控制开关管开关时间，从而实现对开关电源输出的稳定调节。
UC3842芯片的设计和应用非常灵活，而且它的设计原理和工作方式较为简单。
下面我将为大家介绍UC3842芯片的基本特点以及设计开关电源的步骤。
一、UC3842芯片的基本特点：1.输入电压范围广：UC3842芯片的输入电压范围为7.6V～30V，适用于大多数开关电源设计。
2.输出电压的精度高：UC3842的输出电压精度为±5%，可以满足大部分应用的要求。
3.PWM控制方式：UC3842采用PWM控制方式，可以精确调节输出电压和电流。
4.内置反馈保护：UC3842内置有过电流保护、短路保护等功能，可以保护开关电源的稳定工作。
5.芯片内置30V功率管驱动器：UC3842芯片内部集成了30V功率管驱动器，可以直接驱动高压功率管，减少了外部驱动电路的设计和成本。
6.温度补偿：UC3842芯片内置了温度补偿电路，可以根据环境温度的变化调整输出电压的稳定性。
二、UC3842芯片的应用：1.确定输出电压和电流：根据具体应用的要求，确定所需的输出电压和电流。
2.选择外部元器件：根据芯片的特性和应用需求，选择合适的功率管、电感、电容等外部元器件。
3.连接芯片引脚：将UC3842芯片和外部元器件按照电路图连接好，注意引脚的正确连接。
4.设计反馈电路：根据输出电压的要求，设计合适的反馈电路，将输出电压与电压参考源进行比较，输出误差信号用于控制芯片的PWM输出。
5.调节PWM信号：通过调节UC3842芯片的PWM输入信号的占空比，控制开关管的开关时间，从而调节输出电压和电流。
6.测试和调试：将设计好的开关电源连接到负载上，进行测试和调试，确保输出电压和电流稳定，满足要求。
三、UC3842芯片设计开关电源的要点：1.控制丝印标注：通过丝印标注控制引脚的功能，方便布线和检查。
开关电源设计(精通型)
开关电源设计（精通型）一、开关电源基本原理及分类1. 基本原理开关电源的工作原理是通过控制开关器件的导通与关断，实现电能的高效转换。
它主要由输入整流滤波电路、开关变压器、输出整流滤波电路和控制电路组成。
在开关电源中，开关器件将输入的交流电压转换为高频脉冲电压，通过开关变压器实现电压的升降，经过输出整流滤波电路，得到稳定的直流电压。
2. 分类（1）PWM（脉冲宽度调制）型开关电源：通过调节脉冲宽度来控制输出电压，具有高效、高精度等特点。
（2）PFM（脉冲频率调制）型开关电源：通过调节脉冲频率来控制输出电压，适用于负载变化较大的场合。
二、开关电源关键技术与设计要点1. 高频变压器设计（1）选用合适的磁芯材料，保证变压器在高频工作时的磁通密度不超过饱和磁通密度。
（2）合理设计变压器的绕组匝数比，以满足输出电压和电流的要求。
（3）考虑变压器损耗，包括铜损、铁损和杂散损耗，确保变压器具有较高的效率。
2. 开关器件的选择与应用（1）开关频率：根据开关电源的设计要求，选择合适的开关频率。
（2）电压和电流等级：确保开关器件能承受最大电压和电流。
（3）功率损耗：选择低损耗的开关器件，提高开关电源的效率。
（4）驱动方式：根据开关器件的特点，选择合适的驱动电路。
3. 控制电路设计（1）稳定性：确保控制电路在各种工况下都能稳定工作。
（2）精度：提高控制电路的采样精度，降低输出电压的波动。
（3）保护功能：设置过压、过流、短路等保护功能，提高开关电源的可靠性。
三、开关电源设计实例分析1. 确定设计指标输入电压：AC 85265V输出电压：DC 24V输出电流：4.17A效率：≥90%2. 高频变压器设计选用EE型磁芯，计算磁芯尺寸、绕组匝数和线径。
3. 开关器件选择根据设计指标，选择一款适合的MOSFET作为开关器件。
4. 控制电路设计采用UC3842作为控制芯片，设计控制电路，实现开关电源的稳压输出。
5. 实验验证搭建实验平台，对设计的开关电源进行测试，验证其性能指标是否符合要求。
开关电源制作设计(电路原理图+PCB)
一、工作原理我们先熟悉一款开关电源的工作原理，该电源可输出5V电压，如图1所示。
1. 抗干扰电路在电网输入端首先设置一个NTC5D-9负温度系数热敏电阻，作用是保护后面的整流桥，刚开机时热敏电阻处于冷态，阻值比较大，可以限制输入电流，正常工作时，电阻比较小。
这样对开机时的浪涌电流起到有效的缓冲作用。
电容CY1、CY2、CY3、CY4用以滤除从工频电网上进入开关稳压电源和从开关稳压电源进入工频电网的不对称杂散信号，电容CX1、CX2用以滤除从工频电网上进入开关稳压电源和从开关稳压电源进入工频电网的对称杂散信号，用电感L1抑制从工频电网上进入开关稳压电源和从开关稳压电源进入工频电网的频率相同、相位相反的杂散干扰电流信号。
采用高频特性好的瓷片电容和铁芯电感，实现开关稳压电源电路中的高频辐射不污染工频电网和工频电网上的杂散电磁波不会窜入开关稳压电源电路中而干扰和影响其工作，对高频分量或工频的谐波分量具有急剧阻止通过功能，而对于几百赫兹以下的低频分量近似一条短路线。
图1 开关电源的工作原理图2. 整流滤波电路在电路中D1、D2、D3、D4组成全桥整流电路，把输入的交流电压进行全波整流，然后用C1进行滤波，最后变成直流输出供电电压，为后级的功率变换器供电，整流滤波后的电压约为300V。
3. UC3842供电与振荡300V的脉动直流电压，此电压经R12降压后给C4充电，供电UC3842的7脚，当C4的电压达到UC3842的启动电压门槛值时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由6脚输出推动开关管工作。
一旦开关管工作，反馈绕组的能量经过D6整流，C4滤波，又供电到UC3842的7脚，这时可以不需要R12的启动了。
C9、R11接UC3842的定时端，和内部电路构成振荡电路，振荡的工作频率计算为：f=1.8/（Rt*Ct）代入数据可计算工作频率：f=68.18K4. 稳压电路该电路主要由精密稳压源T L 4 3 1 和线性光耦P C 8 1 7 组成，假设输出电压↑→经过R 1 6 、R 1 9 、R20、RES3的取样电压↑→TL431的1脚电压↑，当该脚电压大于TL431的基准电压2.5V时，TL431的2、3脚导通，→通过光电耦合到UC3842的2脚，于是UC3842的6脚驱动脉冲的占空比↓→开关变压器T1绕组上的能量↓→输出电压↓，达到稳压作用；反之，假设输出电压下降，则稳压过程与上相反。
(整理)开关电源的设计与制作
开关电源的设计与制作第一章开关电源概述一. 什幺是开关电源(Switching Power Supply)所谓开关电源是指以高频变压器取代工频变压器,采用脉冲调制技术的直流直流变换器型稳压电源.开关晶体管,开关二级管和开关变压器是组成开关电源的三个关键组件.二. 隔离式高频开关电源.图标说明:1)交流线路电压无论是来自电纲的,还是经过变压器降压的,首先要经过电纲滤波,以消除电磁干扰和射频干扰;2)经电纲滤波后的电流首先要经过整流,滤波电路变成含有一定脉动电压成分的直流电压,然后进入高频变换部分;3)高频变换器具有多种形式,主要分为半桥式,全桥式,推挽式,单端正激式,单端反激式等;高频变换部分的核心是一个高频功率开关组件,比如开关晶体管,场效应管(MDSFET)等组件,高频变换器产生高频(20KHZ以上)高压方波,所得到的高压方波送给高频隔离变压器的初级,在变压器的次级感应出的电压被整流,滤波后就产生了低压直流.4)脉冲宽度调制器(P WM)主要用于调节输出电压,使得在输入交流和输出直流负载发生变化时,输出电压能保持稳定,运作过程是P WM电路通过输出电压采样,并把采样的结果反馈给控制电路,控制电路把它与基准电压作比较,根据比较结果来控制高频功率开关组件的开关时间比例(占空比),达到调整输出电压的目的.(注:控制电路还有调频方式的)5)为了使整个电路安全可靠地工作,必须设置过压,过流保护电路等辅助电路.三.开关电源常用术语.1.效率(dfficiency):电源的输出功率与输入功率的百分比(测量条件为满负载,输入交流电压为标准值)2.ESR: 等效串联电阻,它表示电解电容呈现的电阻值的总和. ESR值越低的电容,性能越好.3.输出电压保持时间: 在开关电源的输入电压撤离后,依然保持其额定输出电压的时间;4.激活浪涌电流限制电路: 属保护电路,它对电源激活时产生的尖峰电流起限制作用.5.隔离电压: 电源电路中的任何一部分与电源基板地之间的最大电压.或者能够加在开关电源的输入端与输出端之间的最大直流电压.6.线性调整率: 输出电压随输入线性电压在指定范转内变化的百分率,条件是线电压和环境温度保持不变.7.负载调整率: 输出电压随负载在指定范围内变化的百分率,条件是线电压和环境温度保持不变.8.噪音和纹波: 附加在直流输出信号上的交流电压和高频兴峰信号的峰值.通常是以mV度量.9.隔离式开关电源: 一般指高频开关电源,它从输入的交流电源直接进行整流和滤波,不使用低频隔离变压器.10.输出瞬态响应时间: 从输出负载电流产生变化开始,经过整个电路的调节作用,到输出电压恢复额定值所需要的时间.11.过载或过流保护: 防因负载过重,使电流超过原设计的额定值而造成电源损坏的电路.12.远程检测: 为了补赏电源输出的电压降,直接从负载上检测输出电压的方法.13.软激活: 在系流激活时,一种延长开关波形的工作周期的方法,工作周期是从零到它的正常工作点所用的时间.14.电磁干扰无线频率干扰(EMI一RFI):那些由开关电源的开关组件引起的,不希望传输和发射的高频能量频谱.15.快速短路保护电路:一种用于电源输出端的保护电路,当出现过压现象时,保护电路激活,将电源输出端电压快速短路.16.占空比:在高频开关电源中,开关组件的导通时间和变换器的工作周期之比.即:δ=Ton /Τ(T= Ton+Toff)开关电源的设计与制作第二章输入电路一.电压倍压整流技术世界范围内的交流输入电压,通常是交流90~130V和180~260V的范围,为了适应不同电源输入环境的需要,实现两种输入电源的转换,要利用倍压整流技术.如下图2一1所示.2一15可用于110V和220V交流的开关电源输入电路电路工作过程为:1)当开关S1闭合时,电路在115V交流输入电压下工作,在交流电的正半周,通过二极管VD1和电容器C1被充电到交流电压的峰值,即115×1.4=160V,在交流电的负半周,电容器C2通过二极管VD4也被冲电到160V, 这样,电路输出的直流电压应该是电容器C1和C2上充电电压之和(160+160V=320V) 注意:不同的用电环境电压选择开关位置一定要选择正确.否则,会导致直流变换器中的开关功率管损坏,或因为输入电压太低而使开关电源进入欠压输入自动保护状态.二.抗电磁干扰和射频干扰电路考虑输入滤波电路(电纲滤波)1.开关电源的设计,生产,一定要将其辐射和传导干扰降低到可接受的程度.在美国,权威的指导性文件是F CCD ocket20780,在国际上,德国的Verband Deutscher Elektronotechniker(VDE)安全标准则得到了广泛的采用.2.开关电源中的RFI产生源:开关噪声的主要来源是开关晶体管,主回路整流器,输出二极管,晶体三极管的保护二极管以及控制单元本身.反激式变换器,由于设计的原因,其输入电流波形呈现三角形,较之输入波形为矩形的变换器,如正激式,桥式变换器等将产生较少的传导RFI噪声.(付里叶分析表明,一个三角形电流波形的高频谐波幅度是以40dB每倍频程进行跌落的,而对一个差不多的矩形电流波形,则只呈现20dB每倍频程的跌落)3.交流输入线路噪声滤波器对RFI的抑制.通常在开关电源中采用的噪声抑制方法是在主交流输入回路接入一个LC组成的滤波器,用于差模一共模方式的RFI抑制,通常是交流线路上串入一对电感L1, , 其两端并联二只电容器(X电容器),并在交流线二端对大地各接一只电容器(Y电容器),如图2一2(低通滤波纲络)2一2开关电源输入线路滤波器结构1)上图中电容电感的值可以采用下列的数值:C (X): 0.1~2UF;C(Y): 2200PF~ 0.033uF;L: 在25A时, 为1.8mH; 0.3A时, 为47mH注意:在选择滤波器的组件时,重要的是要使输入滤波器的谐振频率远低于电源的工作频率;另一方面,滤波器使得电源的工作频率增加时,会使噪声的传导变得更容易.2)上图中并联在交流输入线的电阻R是X电容的放电电阻,这是由VDE一0806和IEC一380两个标准中的有关安全的规范条款推荐应用的.IEC一380的8.8节阐明:若线路滤波器的X电容器的值大于0.1UF,则放电电阻的数值应由下式确定:R=t /2.21c (2一1)式中,t=ls, c为l电容器的总和值3)为进一步减少对称和不对称的干扰电压的措施是在交流线路中另外再接入一对电感L2,从而使得电容C4(X)的充电电流得到限制,于是降低了干扰,如图2一32一3改进的线路滤波器上图中L1与C3.C4组成常模抗干扰回路,L1与C1.C2组成共模,抗干扰回路,L2用于C4的充电电流的限制,因此,整个组合对各种高频干扰信号的抑制作用较好.三.输入整流器及整流后滤波电路.一)输入整流器如图2一1中,此整流电路由VD1~VD4组成(桥式或倍压整流)在选择组合组件或分立组件的整流器时,必须要查对下面的一些重要参数:1.最大正向整流电流,这个参数主要根据开关电源设计的输出功率决定.所选择的整流二极管的稳态电流容量至少应是计算值的2倍.2.峰值反向截止电压(PIV).由于整流器工作在高电压的环境,所以它们必须有较高的PIV值,一般应为600V以上.3.要有能承受高的浪涌电流的能力.二.输入滤波电容.由于滤波电容的选择将会影响到:电源输出端的低频交流波及电压和输出电压保护时间.一般情况下,高质量的电解电容所具有的滤除交流波纹电压的能力越强,它的ESR值越低.其工作电压的额定值至少应达到200V.在图2一1中,C1,C2 为滤波电容,电阻R4,R5与之并联以便在电源关闭时,给电容提拱一个放电通路.计算滤波电容的公式为:C=It /ΔV (2一2)式中C: 电容量, F;I: 负载电流 At: 电容提供电流的时间, s;ΔV: 所允许的峰一峰值纹波电压v .例:计算50w开关电源的输入滤波电容器的值.设输入交流电压为115V,60HZ,允许30V峰一峰值的纹波电压,且电容可维持电压电平的时间为半周期.解:1)计算直流负载电流假定一个最坏的情况,电源的效率为70%,那幺,输出功率为50W的电源其输入功率应该是:Pin=Pout/η=50 / 0.7=71.5(w)利用电压倍压技术(图2一1),在输入交流为115V时,直流输出电压将是2×(115×1∙4)=320(V),则负载直流电流应为I=P/E=7105/320=0.22(A)2)因半周期的线性频率或者说对于60HZ的交流电压大约是8ms,即t=1/2×1/60=8.33ms,故根据式2一2有.C=0.22(8×10 –3) /30=58×10 _6 =58(uF)选择标称值为50 uF的电容器.3)因为在倍压结构中,C4C5为串联,故有1/C=1/C1+1/C2,有C1=C2=100uF,即50W的开关电源,其滤波电容C4,C5为100uF.四.输入保护电路一).浪涌电流1.浪涌,一般情况下,只是电容的ESR值,如果不采取任何保护措施,浪涌电流可接近几百安培.2.控制电流主要是由滤波电容充电引起的,在开关管开始导通的瞬间,电容对交流电呈现出很低的阻抗浪涌电流的方法:广泛采用的措施有两种,一种是利用电阻 双向可控硅并联纲络;另一种是采用负温度系数(NTC)的热敏电阻,用以增加对交流线路的阻抗.1) 如图2一1,R 1,VS 组成此电路,R 1与VS 并联,当输入滤波电容充满电后,由于双向可控硅和电阻是并联的,可以把电阻短路,对其进行分流.这种电路结构需要一个触发电路,当某些预定的条件满足后,触发电路把双向可控硅触发导通,如图2一4 所示.1 T 2可控硅VS 的工作过程为:当电源接通后,C 6两端的电压逐渐升高,电流相应稳定.在C 6两端的电压稳定之前,浪涌电流被与之串联的电阻R 1(6.8Ω)所抑制,当输入交流为115V 时,C6两端的电压V C =115×1∙4=160(V).当电容器C 6充电时,电压加到高频变压器T 1的绕组LB 上,则在绕组LP 4端上产生感应电压,当感应电压达到1.5V 时,电流I G 开启可控硅.即当IG 流过可控硅的控制极G 时,触发T 1与T 2短接,可控硅导通,电阻R 1被VS 短路,使其温度下降,于是实现了R 1抑制浪涌电流的目的 .注:设计时要认真地选择双向可控硅的参数,并加上足够的散热片,因为在它导通时,要流过全部的输入电流.2)热敏电阻技术:这种方法是把负温度系数(NTC)的热敏电阻串联在交流输入或者串联在经过桥式整流后的直流线上,如2一1图中的RT 1和RT 2,其工作原理为:当开关电源接通后,热敏电阻的阻值基本上是电阻的标称值,这样,由于阻值较大,它就限制了浪涌电流,当电容开始充电时,充电电流流过热敏电阻开始对其加热.由于其具有负温度系数,随着电阻的加热,其电阻值开始下降,如果热敏电阻选择得合适,在负载电流达到稳定状态时,其阻值应该是最小,这样,就不会影响整个开关电源的效率..二) 输入瞬间电压保护一般情况下,交流电纲上的电压比较稳定,但由于电纲附近电感性开关,暴风雨天气雷电等现象的存在,都会产生高压的尖峰(如受严重的雷电影响,电纲上的高压尖峰可达5KV;而电感性开关产生的电压尖峰的能量公式W=1/2L.I2.式中L是电感器的漏感:I是通过线圈的电流)可是,虽然电压尖峰持续的时间很短,但是它有足够的能量使开关电源的输入滤波器,开关晶体管等造成致命的损坏,故必须采取措施加以干扰.最通用的抑制干扰器件是金属氧化物物压敏电阻(MOV)瞬态电压抑制器.如图2一1中的RV 把压敏电阻RV连在交流电压的输入端,起到一个可变阻抗的作用.即,当高压尖峰瞬间出现在压敏电阻两端时,它的阻抗急剧减小到一个低消值,消除了尖峰电压使输入电压达到安全值.其瞬能量消耗在压敏电阻上,选择压敏电阻时应按下述步骤进行.(1)选择压敏电阻的电压额定值,应比最大的电路电压稳定值大10%~20%;(2)计算或估计出电路所要承受的最大瞬间能量的焦耳数.(3)查明器件所需要承受的最大尖峰电流开 关 电 源 的 设 计第三章 高频电源变换器的基本类型一. 高频电源变换器的基本类型高频电源变换器的基本类型有五种:单端反激式,单端正激式,推挽式.半桥式和全桥式变换器,而半桥式和全桥式变换器电路实际上是推挽式变换器电路的改进型,所以,有人把这三种电路形式统称为推挽式变换器.高频电源变换器从激励方式上可分为单端(单极性)激励和双极性激励变换器,双极性变换器包括推挽式,半桥式,桥式等,其工作原理的实质是两个单端正激式变换器电路,从其耦合方式可分为直接耦合和变压器隔离两种,其中直接耦合形式为其基本形式.近年来出现的新型的变换器为C U K 变换器.1.单端反激式变换器的模型图: (3一1)(a) (b) 3 一1单端反激式变换器模型图单端反激式变换器的工作原理为:1) 当开关s 闭合时,电流I 流过电感L,在L 中储存能量,由于电压的作用,使二极VD 处于反向偏置,因此,在负载电阻R L 上无电压;2) 当开关S 打开时(上b 图),电感上的感应电压极性相反,则二极管VD 处于正向偏置,并产生电流Iv,这样,在负载电阻R L 上就出现一个与输入电压极性相反的电压.由于开关S 不断地开关动作,电路中的电流就以及脉的形式出现,因此,在单端反激式变换器中,当开关闭合时,能量存储在电感L 中,在开关打开时,能量被传递到负载RL 上.3. 单端正激式变换器的电路模式图(3一2)单端正激式变换器的工作原理为:Vin Ic------------- 1) 当开关S 闭合时,电流I 流过电感L,系,二极管VD 处于反向偏置; 2) 当开关S 打开时,电感L 中的磁场极性发生变化,,b2单端正激式变换器模型图,无脉动现象,恰恰与其相反,输入电流则是不连续的,. 3.(3一3)推挽式变换器的工作原理为:1)当S 1闭合S 2打开时,电源电流流过方向为 a Lp 1 b s1 d V in,那幺此时,在变压器次级绕组中咸应出电压并形成感应电流Is 1.2)当S 2闭 合S 1打工时,电源电流方向为 a f e d vin,那幺此时在变压器次级绕组LS 2中感应出电压形成感应电流IS 2二. 隔离式单端反激式变换器电路.概述 :一般情况下,隔离式开关电源都是用高频变压器作为主要隔离器件.在单端反激式隔离L-------------电路中,高频变压器是以变压器的形成出现的,但实际上它起的作用是扼流圈,所以应称之为变压器 扼流圈.如图3一4中,由于隔离变压器T 除了具有初次级间安全隔离的作用外,它还有变压器和扼流圈的作用,所以在反激式变换器的输出部分一般不需要加电感,但在实际应用中,往往在整流器和滤波电容之间加一个小的电感线圈,用以降低高频开关噪声的峰值.单端隔离激式变换器的工作过程为:1) 当晶体管VT1导通时,它在变压器初 级电感线圈中储存能量,与变压器次 级相连的二极管VD 处于反偏压状 态而截止,故在变压器次级回路无电 流流过,即没有能量传给负截. 2) 当晶体管VT 1截止时,变压器次级电 感感线圈中的电压极性反转过来,使得二极管VD 导通,给输出电容C 充电,同时在负载L 年也有了电流I L 3 一4隔离单端反激式变换器电路注:图3一4中C 为输出滤波电容.1.单端反激式变换器电路中的开关晶体管在单端反激式变换器电路中,所使用的开关晶体管必须具备两个条件:1)在晶体管截止时,要能承受集电极尖峰电压; 2)在晶体管导通时,要能承受集电极的尖峰电流.1) 晶体管截止时尖峰电压的计算公式:V CE max =Vin / 1一δmax式中Vin 是输入电路整流滤波后的直流电压, δmax 是晶体管最大工作占空比(注意:为了限制限晶体管的集电板安全电压,工作占空比应保持在相对地低一些,一般要低于50%,δmax<0.5,在实际设计时, δmax 一般取0.4左右,这样就限制集电极峰值电压: V CE max ≦2.2Vin,因此,在单端反激式变换器电路设计中,晶体管的工作电压一般在800V 通常接900V 计算可安全可靠地工作.)2) 晶体管导通时的集电极电流计算式:I C = I L / n式中,I L 是变压器初级绕组的峰值电流,而n 是变压器初级与次级间的匝数比.注: 为了导出用变压器输出功率和输入电压表达集电极峰值工作电流的公式.变压器绕组传递的能量Pout =可用下式表示:Pout = L . I L 2 / 2T ·η (3 一 3 )式中,η是变换器的效率.则有: Ic= 2Pout / η·Vin ·δmax ( 3 一 4 )假定变器的效率η是0.8,最大占空比δmax=0.4(即40%),那幺Ic = 6. 2Pout / Vin ( 3 一 5 )2. 单端反激式变换电路中的变压器绕组.在单端反激式变换器电路中,在设计时要汪意不要使磁芯饱和,所选的磁芯一定要有足够大+ RL 一的有效体积,通常应用空气隙来扩大其有效体积:V=Uo ·Ue · I L max ·L / B 2max ( 3一6 )中,Ilmax: 最大负载电流;L :变压器次级绕组的电感量; Uo : 空气的导磁率,其值为1;Ue: 所选磁芯的磁性材料的相对导磁率Bmax:磁芯的最大磁通密度;(具体见第五章)3一53.基本的单端反激式变换器的变形.1)如图3一5中,由于考虑到单只晶体管有时承受不了过高的输入电压,(一般商甲晶体管达不到指针),故利用两只晶体管工作.图中VD 1和VD 2同时导通或截止,二管起箝位作用,它们把晶体管的最大集电板电压限制在Vin,这样耐压低的晶体管就可以使用了.2单端反激式变换器电路的优点是:电路结构简单,可以实现多路电压输出.如图3一6,在电路中隔离变压器对各路输出电压起到公共扼流圈的作用变压器的次级可以有多个绕组,故可以实现多路输出 .每个次级绕组只需一个整流二极管和一个滤波电容,就可以得到一组直流输出电压.3一6有多路输出的单端反激式变换器电路+ R L 一1 1 out 1 out2 + V out3 一 L L3一7隔离单端正激式变换器电路图三.隔离单端正激式变换器电路1.概述:如图3一7所示1)在单端正激式变换器电路中,隔离组件是一个纯粹的变压器,为了有效地传递能量,,在输出电路中, 必须有储能组件电感线圈Lo同时,初次级绕组的极性是相同的.其电路工作过程为:当VT1导通时,在变压器的初级产生了电流,并储存了能量,由于变压器的次级极性与初级同相,这个能量也传到了变压器的次级并处在偏正的二极管VD2把能量储存到了电感L中.此时,二极管VD3是处在反向偏压状态,为截止状态,当三极管VT1截止时,二极管VD2是反向偏压,变压器绕组中的电压反向,续流二级管VD3处于正向偏压,在输出回路中,储存在电感中的能量通过电感L 继续传负载R L .2)变压器的第三绕组称为箝位绕组(或回授绕组)LP2,它与二极管VD1串联,其作用是用来限制晶体管C一E结上的电压尖峰,在晶体管截止时,还能使高频变压器的磁通复位, 这是因为:A.在VT1导通时,变压器初级绕组LP 1中会储存能理,当VT1截止时,变压器次级侧二极管VD2截止,那幺储存在LP1中的能量再不能传递到次级绕组了,此时必须要通过一种途径释放出来,否则,必然在线圈两端产生过高的电压,解决的办法是增加箝位绕组和二极管VD1,并使箝位绕组的匝数与初级绕组的匝数相同,二者紧密耦合,这样,当箝位绕组上的感应电超过电源电压时,二极管VD1导通,将磁能送回电源中,就可以把初级绕组的电压限制在电源电压上,所以,开关晶体管VT1的C一E极间的最高电压就被限制在二倍电源电压上.B.为满足磁芯复位的条件,使磁通建立和复位的时间相等,所以这种把电路的占空比不能超过50%.3)磁化电流Imag的计算公司为:Ima= Tδmax·Vin∕N ( 3一7)式中, T·δmax是VT时向,L是输出电感Ho4))单端正激式变换器是在晶体管导通时通过变压向负载传输能量,故运用的输出功率范转较大,一般情况下可达50~200W,其高频变压器要起变压器隔离和传输能量的作用,又起电感线圈储存能量的作用.2单端正激式变换器电路中的开关晶体管1)晶体管截止峰值电压:在单端正激式变换器电路中,由于有第三绕组和续流二极管VD1的作用,所以其截止时降在VT1上的最大电压VCEmax应为2Vin,且只要二极管VD1处于导通状态,即在Tδmax这个时间内,降在VT铁C 一E间的2Vin的峰值电压就维持不变.2)晶体管导通时集电极电流的峰值:为正激式变换器的电流值加上磁化电流Imag.Ic= Ic / n + Tδmax Vin / L =6.2Pout / Uin式中.n: 变压器初次级匝数比;IL : 输出电感电流. A;Tδmax: 晶体管导通时间L: 输出电感, H.3.单端正激式变换器电路的传输变压器在设计正激式变换器的传输变压器时,应十分注意选择适当的磁芯有效体积,并选择空气隙,以避免磁芯的饱和,其有效体积V为:V= UoUe I2mag L / B2max注意:A.这种电源的最大工作占空比应保持低于50%,以便通过第三绕组将变压器的电压进行箝位,将总电限制在2倍输入电压之内.这样,当VT1导通时,为箝位电平:当VT停止时,使该总电压接近于0值.如果最大工作占空比大于50%,即δmax > 0.5,将打破这种2倍于电源电压的平衡,导致变压器发生饱和,反过来会产生很高的集电峰位电流,这可能会损坏开关晶体管.B.尽管有第三绕组以及箝位二极管可将开关晶体管的峰值集电极电压限制在2倍直流输入电压之内,但在制作变压器时,还要严格注意初级绕组和第三绕组间的紧密耦合,以消除由于漏感引起的致命的电压尖峰.4.单端正激式变换器电路的变形.1)如同单端反激式变换器电路一样,也可用两个晶体管代替一个晶体管工作,它们同时导通或同时截止,但每个晶体管所承受的电压不会高于Vin.2)此电路也可以产生多路的出电压,但是需增加二极管和扼流圈应指出的是,续流二极管的容量至少要与主回路中的整流二极管相同,因为在晶体管VT1截止时,它要提供输出电路中的全部电流.四. 推挽式变换器电路概述:如图3一8所示,推挽式变换器电路实际上是由两个正激式变换器电路组成,只是它们工作时相位相反,在每个周期里,,两个晶体管交替导通和截止,在各自导通的半个周期内,分别把能量传递给负载,所以称之为”推挽”电路.故在推挽式变换器电路中,两组开关三极管和输出整流二极管因流过每一组组件的平均电流比同等的单端正激式变换器电路减少35%以上,其设计计算可接单端正激式变换器.还应看到,在只开关晶体管导通间隙,二极管VD1和VD2同时导通,它们把高频变压器的次级给短路了,与此同时,把能量传递到了输出回路,实质上,它们起到了续流二极管的作用.推挽式变换器电路的输出电压可用下式计算:V out= 2δmax·Vin / n (3一10)注意:为了避免两只开关晶体管同时导通而引起损坏,公式中δmax的值必须得持在0.5以下.假定δmax=0.4则有:Vout = 0.8Vin / n (3一11 )式中n是高频变压器的初级对次级的匝数比.1)每只开关管的峰值集电极电流Ic=Ic / n (3一12)Ic = Pout / η. (3一13)设η=0.8 δmax=0.8则Ic= 1.6Pout / Vin (3一14)2)每只管所承受的峰值电压限制在2Vin以内.3.推挽式变换器电路中的高频变压器在推挽式变换器电路中,两只晶体管导通时间相等(或者说强制两管导通时间相等),高频变压器的。