12V5A开关电源的原理与设计

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1 绪论 (1)

1.1 开关电源的概念和分类 (1)

1.1.1 开关电源的概念 (1)

1.1.2 开关电源的分类 (3)

1.2 开关电源设计中存在的问题与未来发展 (4)

1.2.1 开关电源中存在的问题 (4)

1.2.2 开关电源的发展趋势 (5)

1.3 开关电源设计中的开关电源术语 (5)

2 开关电源设计的设计基础 (7)

2.1 开关电源的主电路设计 (7)

2.1.1 主电路设计 (7)

2.2 控制电路设计 (9)

2.3 功率因数校正电路设计 (10)

2.3.1 有源功率因数校正峰值 (10)

2.4 其它软开关技术应用及发展概况 (11)

3 开关电源的设计基础 (13)

3.1 12V5A开关电源适配器芯片CR6850C (13)

3.1.1芯片工作原理 (13)

3.1.2 芯片应用 (18)

3.2 开关电源电路分析 (28)

4 开关电源仿真设计 (29)

4.1 开关电源仿真分析 (29)

4.1.1仿真分析波形图 (29)

结论 (31)

参考文献 (32)

致谢 (33)

1 绪论

1.1 开关电源的概念和分类

1.1.1 开关电源的概念

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM ）控制IC 和MOSFET 构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

按照电子理论，所谓AC/DC 就是交流转换为直流；AC/AC 称为交流转换为交流，即为改变频率；DC/AC 称为逆变；DC/DC 为直流变交流后再变直流。为了达到转换的目的，电源变换的方法是多样的。自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（Switching Power Supply ）。

开关电源在转换过程中，用高频变压器隔离称之为离线式开关变换器（Off-line Switching Converter ），常用的AC/DC 变换器就是离线式变换器。

开关电源通常由六大部分组成，如图1.1所示。 低通滤波有源调整

一次整流电子开关高频变压器采样输出平滑滤波二次整流脉宽

调制

基准

电压误差放大比较器

脉冲

驱动

输入电路功率因数校正功率转换

输出电路直流输出V 0控制电路

频率振荡发生器交流输

入电压

220V

图1.1 开关电源工作原理框图

第一部分是输入电路，它包含有低通滤波和一次整流环节。220V 交流电直接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压Vi ，此电压送到第二部分进行功率因数校正，其目的是提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电压同相。功率因

数校正的方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。所谓有源功率因数校正（Active Power Factor Correction ，APFC ），是指电源在校正过程中常采用三极管和集成电路。开关电源电路常采用有源功率因数校正。第三部分是功率转换，它是由电子开关和高频方波脉冲电压。第四部分是输出电路，用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。第五部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后于电路的基准电压进行比较、放大。第六部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。有了高频振荡才有电源变换，所以说开关电源的实质是电源变换。

高频电子开关是电能转换的主要手段和方法。在一个电子开关周期（T ）内，电子开关的接通时间on t 与一个电子周期所占时间之比，叫接通占空比（D ）， D=T

t D on = 断开时间off t 所占T 的比例称为断开占空比（D'），

T t D off

='

开关周期是开关频率的倒数，

f

T 1= 例如：一个开关电源的工作频率是50kHz ，它的周期s T μ20105013

=?=（微秒）。很明显，接通占空比（D ）越大，负载上的电压越高，表明电子开关接通时间越长，此时负载感应电压较高，工作频率也较高。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，开关电源中断开关功率管、高频变压器、控制集成电路以及输入整流二极管的发热量高、损耗大。对于不同的变换器形式，所选用的占空比大小是不一样的。

开关电源与铁芯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，它的效率一般可以达到85%，质量好的可以达到95%甚至更高，而铁芯变压器的效率只有70%或者更低。最近欧盟和美国消费者协会统计，美国一般家用电器和工业电气设备的单机能源消耗指数大于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）体积小，重量轻。据统计，100W 的铁芯变压器的重量为1200g 左右，体积达350cm 3，而100W 的开关电源的重量只有250g ，而且敞开式的电源更轻，体积

不到铁芯变压器的1/4。

（3）开关电源具有各种保护功能，不易损坏。而其他的电源由于本身原因或使用不当，发生短路或断路的事故较多。

（4）改变输出电流、电压比较容易，且稳定、可控。

（5）根据人们的要求，可设计出各种具有特殊功能的电源，以满足人们的需要。

1.1.2 开关电源的分类

目前开关电源的种类很多，从工作性质来分，大体上可分为“硬开关”和“软开关”两种。

所谓硬开关，是指电子脉冲、外加控制信号强行对电子开关进行“开”和“关”，而与电子开关自身流过的电流以及两端施加的电压无关。显然，开关是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。但是它比其他变换电源的形式简单的多，所以，硬开关在很多地方仍然在应用，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。另一类叫做软开关，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，所以，理论上它的损耗为零，对浪涌电压、脉冲尖峰电压的抑制能力很大，其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“开”和零电流“关”，我们常采用谐振的方法。

从电子理论可知道，谐振就是容抗等于感抗，总的电抗为零，电路中的电流无穷大。如果正弦波电压加到并联的电感回路上，这时电感上的电压就无穷大。利用谐振电路可实现正弦波振荡，当振荡倒零时，电子开关导通，称之为零电压导通（Zero V oltage Switching）。同样，流过电子开关的电流振荡到零时，电子开关关断，称之为零电流关断（Zero Current Switching）。

总之，电子开关具有零电压导通、零电流关断的外部条件，这种变换器称为准谐振变换器。它是在脉宽调制器上附加谐振网络而形成的，固定电子开关导通时间，通过调整振荡频率，最终使电路产生谐振，从而获得准谐振变换器的模式。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用电负载的变化而变化，这种开关电源的主变换器依靠开关频率来稳定输出参数，我们称之为调频开关电源。调频开关电源没有脉冲调制开关电源那么容易控制，再加上准谐振电路电压峰值高，开关所受到的应力大，目前还没有得到广泛应用。

DC/DC变换类型是开关电源变换的基本类型，它通过控制开关通、断时间的比例，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（Buck-Boost）、串联式（Cuk）、并联式（Sepic）以及赛达式（Zata）。按激励方式分，有自激式和他激式两种。自激式包括单管式和推挽式，他激式包括调频式（PWF）、调宽式（PWM）、调幅式（PAM）和谐振式（RSM）4种，我们用得最多的是调宽式变换器。调宽式变换器有以下几种：正激式（Forward Converter）、反激式（Feedback Converter Mode）、半桥式（Half Bridge Converter）、全桥式（Overall Bridge Mode）、推挽式（Push Draw Mode）和阻塞式（Ringing Choke Converter，RCC）等6种。

按谐振方式分，有串联谐振式、并联谐振式和串并联谐振式；按能量传递方式分，有连续模式和不连续模式两种。凡是以脉冲宽度来调制的电子开关变换器都叫PWM 变换器。

1.2 开关电源设计中存在的问题与未来发展

1.2.1 开关电源中存在的问题

客观上讲，开关电源的发展是非常快的，这时因为它具有其他电源所无法比拟的优势。材料之新、用途之广，是它快速发展的主要动力。但是，它离人们的要求、应用的价值还差得很远，体积、重量、效率、抗干扰能力、电磁兼容性以及使用的安全性都不能说是十分完美。目前要解决的问题有：

(1) 器件问题。电源控制集成度不高，这就影响了电源的稳定性和可靠性，同时对电源的体积和效率来说也是一个大问题。

(2) 材料问题。开关电源使用的磁芯、电解电容及整流二极管灯都很笨重，也是耗能的主要根源。

(3) 能源变换问题。按照习惯，变换有这样几种形式：AC/DC变换、DC/AC变换以及DC/DC变换等。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。

(4) 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。要做到“软开关”并实行程序化，更是有一定的困难。要真正做到功率转换、功率因数改善、全程自动检测控制实现软件操作，目前还存在很大的差距。

(5) 生产工艺问题。往往在试验室中能达到相关的技术标准，但在生产上会出现

各种问题。这些问题大多是焊接问题和元器件技术性能问题，还有生产工艺上的检测、老化、粘结、环境等方面的因素。

1.2.2 开关电源的发展趋势

未来的开关电源像一只茶杯的盖子：它的工作频率高达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。这就是开关电源的发展趋势。所谓高标准就是对未来开关电源的挑战：第一，能不能全面通容电磁兼容性的各项技术标准；第二，在企业里能不能大规模地、稳定地生产，或快捷地进行单项生产；第三，按照人们的需要，能不能组装或拼装大容量、高效率的电源；第四，能否使新的开关电源具有比运行中的电气额定值更高的功率因数、更低的输出电压（1~3V）、更大的输出电流（数百安）；第五，能不能实现更小的电源模块。

1.3 开关电源设计中的开关电源术语

下面列出一些本书所使用的开关电源术语，并给出解释，以供读者参考。

效率：电源的输出功率与输入功率的百分比。其测量条件是满负载，输入交流电压为标准值。

ESR：等效串联电阻。它表示电解电容呈现的电阻值的总合。一般情况下，ESR 值越低的电容，性能越好。

输出电压保持时间：在开关电源的输入电压撤消后，依然保持其额定输出电压的时间。

启动浪涌电流限制电路：它属于保护电路。它对电源启动时产生的尖峰电流起限制作用。为了防止不必要的功率损耗，在设计这一电路时，一定要保证滤波电容充满电之前，就起到限流作用。‘

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。

线性调整率：输出电压随输入线性电压在指定范围内变化的百分率。条件是负载和周围的温度保持恒定。

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。

噪音和波纹：附加在直流输出信号上的交流电压和高频尖峰信号的峰值。通常是以mv度量。

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。

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。

过载或过流保护：防止因负载过重，使电流超过原设计的额定值而造成电源损坏的电路。

远程检测：电压检测的一种方法。为了补偿电源输出的电压降，直接从负载上检测输出电压的方法。

软启动：在系统启动时，一种延长开关波形的工作周期的方法。工作用期是从零到它的正常工作点所用的时间。

电磁干扰—无线频率干扰：即那些由开关电源的开关元件引起的，不希望传按和发射的高频能量频谱。

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，保护电路启动，将电源输出端电压快速短路。

占空比；在高频开关电源中，开关元件的导通时间和变换器的工作周期之比。

2 开关电源设计的设计基础

2.1 开关电源的主电路设计

开关电源的电路拓扑众多，其中适合小功率电源使用的有正激型、反激型和半桥型，适合大功率电源的有正激型、半桥型、全桥型，其中正激电路又可以分为单管正激、双管正激等多种。电路形式的最终确定，需要根据设计任务书和电源的实际应用场合的具体情况来确定。

一般来说，小功率电源（1~100W ）的宜采用电路简单成本低的反激电路；电源功率在100W 以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，则应采用正激电路；对于功率大于500W ，工作条件较好的电源，则采用半桥或者全桥电路较为合理；如果对成本要求比较严，可以采用半桥电路，如果功率很大，则应采用全桥电路，推挽电路通常用于输入电压很低功率较大的场合。

本设计的输出电压电流为12V/5A ，功率在1~100以内，选用反激电路，如图2.1所示，当功率开关管VT 导通时，输入端的电能以磁能的形式储存在变压器的初级线圈N 1中，由于同名端关系，次级侧二极管V 1不导通，负载没有电流通过。当功率开关晶体管VT 导通断开时，变压器次级绕组以输出电压U 0为负载供电，并对变压器进行消磁。 U o

R C N 2N 1U i VT

TC

V 1

图2.1反激开关电源电路

2.1.1 主电路设计

（1）确定输入直流母线的电压变化范围。

①随输入的变化范围；

②每个工频周期内电压变化。

（2）设计开关频率f S

，最大占空比45.0max D 。

①按照要求设定开关频率；

②根据输入功率，并假定最低电压最大占空比，刚好临界继续，然后确定电感峰值电流。

efficiency P P

o in /max max = V P I DC in avg max max max /=

D I I

avg peak /2max *=

（3）设计反激变压器 ①根据最大峰值电流，确定原边的电感量：

fs L L P peak ***=2

m inmax 5.0

②根据经验选定磁芯尺寸，计算原边匝数： ()()B A L L N e peak m p max

/**= A e 是磁芯截面积，B max 是设计的最大磁通密度。

③根据电感量和匝数，设计气隙。

④根据原边开关管的额定电压选择合适的匝比。

为了获得较好的副边交叉调整率，有时候需要调整变压器原边的匝数。

（4）开关管选择：功率MOSFET

①开关管电压应力；

②开关管电流应力：

计算变压器原边的最大电流。

（5）副边二极管的选择

①快速恢复二极管；

②计算二极管的耐压：

()

3.1/V max *+*=V N N V

o p S dc D ③计算二极管的电流 （6）输出滤波电容的选择

根据电流/电压应力，纹波要求，选择点解电容。

（7）RCD 吸收电路