电路设计之开关电源设计
1绪论
开关电源(Switching Mode Power Supply,英文缩写为SMPS)又称为开关稳压电
源，问世后在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。随着全球对能源问题的越来越重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电力结构简单、工作可靠，但它存在着效率低(只有40%?50%)、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。为了提高效率，人们研究出了开关式稳压电源，它的效率可达85% 以上，稳压范围宽；除此之外，还具有稳压精度高的特点，是一种较理想的稳压电源。开关电源具有效率高、体积小、重量轻、应用广泛等优点，现已成为稳压电源的主流产品。正因为如此，开关电源被誉为高效、节能型电源，代表着稳压电源的发展方向，并已广泛应用于各种电子设备中⑴。
1.1 开关电源的特点
1.1.1 开关电源的优点
(1) 功耗小，效率高。晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通一截止和截止一导通的开关状态，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。采用高频技术，省掉了体积笨重的工频变压器。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。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1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍；即使采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500
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1/500?1/1000。电路形式灵活多样，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。
1.1.2 开关电源的缺点
电压调整率和负载调整率指标较差，对负载变化的瞬态响应时间较长，输出纹波电压和噪声电压较高，不适合制作精密稳压电源。一种改进方案是把它当做前级稳压器来使用，而把开关式稳压器或低压差稳压器作为后级稳压器，构成两级稳压的高效、精密稳压电源。
1.2 开关电源的基本工作原理
1.2.1 开关电源的组成部分
开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。其电路比较复杂，基本构成如图 1.1所示。
图1.1开关电源的基本构成
主要由以下5部分构成：①输入整流滤波器：包括从交流电到输入整流滤波器的电路。②功率功率管（VT）及高频变压器（T）。③控制电路（PWM调制器），含振荡器、基准电压源（U REF）、误差放大器和PWM比较器，控制电驴能产生脉宽调制信号，其占空比受反馈电路的控制。④输出整流滤波器。⑤反馈电路。除此之外，还需增加偏置电路、保护电路等。其中，PWM调制器为开关电源的核心。
1.2.2 开关电源的工作过程
交流电网电压进入输入电路后，经输入电路中的线路滤波器、浪涌电流控制电路以及整流电路，变换成直流电压。其中线路滤波器及浪涌电流控制电路的主要作用是削弱由电网电源线进入的外来噪声以及抑制浪涌电流，整流电路则完成交流到直流的
变换，可分为电容输入型和扼流圈输入型两大类，开关电源中通常采用电容输入型。功率变换电路是整个开关电源的核心器件，它将直流电压变换成高频矩形脉冲电压，其电路主要由开关电路和变压器组成。开关电路的驱动方式分为自激式和他激式两大
类；开关变压器因是高频工作，其铁芯通常采用铁氧体磁芯或非晶合金磁芯；开关晶体管通常采用开关速度高，导通和关断时间短的晶体管，最典型的有功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅型双极晶体管（IGBT）等三种。输出电路是将高频变压器次级方波电压经过高频整流滤波电路整流成单向脉动直流，并将其平滑成设计要求的低纹波直流电压，供给负载使用。
1.3 开关电源的工作方式
开关电源按控制原理来分类，有以下4种工作方式：
（1）脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称PWM，即脉宽调制）式：其特点是开关周期为恒定值，通过调节脉冲宽度来改变占空比，实现稳压目的。其核心是脉宽调制器。
（2）脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，简称PFM，即脉频调制）式：其特点是脉冲宽度为恒定值，通过调节开关频率来改变占空比，实现稳压目的。其核心
是脉频调制器。
（3）脉冲密度调制（Pulse Density Modulation，简称PDM，即脉密调制）式：其特点是脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压目的。它采用零电压技术，能显著降低功率电压管的损耗。
（4）混合调制式：它是（1）、（2）两种方式的组合。开关周期和脉冲宽度都不固定，均可调节。它包含了脉宽调制器和脉频调制器。
以上4种统“称时间比率控制”方式，其中以脉宽调制器应用最广。
1.4 脉宽调制器的基本原理
脉宽调制式开关电源的工作原理如图1.2所示。220V交流电u首先经过整流滤波电路变成直流电压U I，再由功率开关管VT斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过整流滤波后后的所需要的直流输出电压U O。脉宽调制器能产生频
率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通、断状态，进而调节输出电压的高低，达到稳压目的。锯齿波发生器用于提供始终信号。利用取样电阻。误差放大器和PWM比较器形成闭环调节系统。输出电压U O经R1、R2取样后，送至误差放大器的反相输入端，与
加在同相输入端的基准电压~U REF进行比较，得到误差电压U r, 再用U r的幅度去控制PWM比较器输出的脉冲宽度，最后经过功率放大和降压式输出电路使U O保持不变。U J为锯齿波发生器的输出信号。⑵
图1.2脉宽调制式开关电源的工作原理
2开关电源控制的选择
开关电源有两种控制类型，一种是电压控制(Voltage Mode Con trol);另一种是电
流控制(Current Mode Control)。
2.1 电流控制型开关电源
电流控制型正是针对电压控制型的缺点而发展起来的，电流控制型开关电源在电
压控制环的基础上又增加了电流控制环，形成双环控制系统，使得开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有所提高，是较为理想的工作方式。其基本原理
电流控制型的工作原理是采用恒频时钟脉冲置位锁存器，输出脉冲驱动功率管导通，电源回路中的电流脉冲逐渐增大。当电流检测电阻R s上的压降达到并超过U s时, 电流检测比较器状态翻转，锁存器复位，驱动撤除，功率管截止，直到下一个始终脉冲使PWM锁存器置位，这样逐个检测和调节电流脉冲，就可达到控制电源输出的目的。
2.2 与电压型控制相比，电流型控制的优势
(1)对输入电压变化的响应快。电网电压的变化，必然会引起电流的变化，假设电压升高，那么电流增长变快，反之则变慢。当电流脉冲达到预定的幅度，电流控制动作就会开始，控制脉宽发生变化来进行稳压。对于电压型控制，检测电路对输入电压的变化没有直接的反应，要等到电压发生较大的变化后，才会进行处理，所以响应速度慢。
(2) 过流保护。由于采用了直接的电感电流峰值技术，它可以及时，准确的检测
输出和开关管电流，自然形成了诸葛电流脉冲检测电路，通过给定一个参考电流，就可以准确的限制流过开关管的最大电流，当输出超载或短路时，自动的保护电路，同时也可防止电网浪涌所产生的尖峰电流损坏电路器件，这样设计电路时就不需要考虑
留什么余量，能省一些成本。
(3) 回路稳定性好，负载响应快。
电流控制是一个输出电压控制的电流源，电流源的大小反映了输出电流的大小。
因为电感中电流脉冲的幅值与负载电流的平均值是成比例的，这样电感的相位延迟就不存在了[3]。
3单相桥式整流电路
单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路
3.1 工作原理
T为变压器；D i、D2、D3、D4为四个整流二极管，R L为负载电阻。整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。单相桥式整流电路如图 3.1所示。
图3.1单相桥式整流电路
当U2正半周时，二极管D i、D3正向导通，D2、D4反偏截止，在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。U2正半周时，电流流向图如图3.2所示。
图3.2 U2正半周时
U2负半周时，二极管D i、D3反偏截止，D2、D4正向导通，电流经过负载时，产
生的电压极性仍是上正下负。U2负半周时，电流流向图如图3.3所示。