梁适安 1-4章.doc

目录 1、 转换式电源供给器 1.0概论 1.1非线上转换式电源供给器 1.2电源供给器专有名词 2、 电源输入部份 2.0双倍电压的技巧 2.1零件选择与设计方法 2.1.1输入整流器 2.1.2输入滤波电容器 2.2输入保护组件 2.2.1突波电流 2.2.2输入暂态电压保护 3、 电源转换器的种类 3.0各类转换器定义与原理 3.1隔离返驰式转换器 3.1.1返驰式转换器交换电晶体 3.1.2返驰式转换器变压器－－扼流圈 3.1.3基本返驰式转换器的变压型式 3.2隔离顺向式转换器 3.2.1顺向式转换器交换电晶体 3.2.2顺向式转换器变压器 3.2.3基本顺向式转换器的变化型式 3.3推挽式转换器 3.3.1推挽式转换器变压器 3.3.2推挽式转换器电晶体 3.3.3推挽式电路的限制 3.4推挽式转换器的变化型式 3.4.1半桥式转换器 3.4.2串联式耦合电容器 3.4.3转换二极体 3.5全桥式电路 3.6新型式无涟波输出的转换器 4、 转换器功率电晶体的设计 4.0概论 4.1电晶体的选择 4.2双极式功率电晶体的开关作用 4.3双极式电晶体交换时间的定义（电阻性负载） 4.4电感性负载交换时间的关系 4.5电晶体反饱和电路 4.6双极式电晶体基极驱动电路的方法 4.6.1恒定驱动电流电路 4.6.2比例式基极驱动电路 4.6.3反饱和电路用于基极驱动 4.7双极式电晶体二次崩溃的考虑 4.7.1顺向偏压的二次崩溃 4.7.2逆向偏压的二次崩溃 4.8交换式电晶体保护电路RC箝制电路 4.9功率型MOSFET用作开关 4.9.1概论 4.9.2基本MOSFET的定义 4.9.3MOSFET门极驱动的考虑 4.9.4MOSFET静态操作点的特性 4.9.5MOSFET的安全操作区（SOA） 4.9.6驱动功率型MOSFET的设计考虑 4.9.7用于驱动MOSFET的电路 4.9.8功率型MOSFET开关保护电路 5、 高频率的功率变压器 5.0概论 5.1电磁的原理 5.2磁滞回路 5.3基本变压器原理 5.4铁心材料与几何形状的选择 5.5脉波宽度调变的半桥式转换器的功率变压器设计 5.6实际上的考虑 5.7返驰式转换器的变压器扼流圈设计 5.7.1设计过程 5.8一般高频变压器的考虑 6、 电源输出部份整流器、电感器与电容器 6.0概论 6.1输出整流与滤波电路 6.2转换式电源供给器设计上功率整流器的特性 6.2.1快速与超快速回复二极管 6.2.2肖特基障壁整流器 6.2.3暂态过电压抑制电路 6.2.4计算返驰式、顺向式与推挽式转换器整流二极体峰值电流的容许值 6.3输出电感器的设计 6.3.1一般性的考虑 6.3.2设计方程式的推导 6.4输出滤波电容器的设计 7、 转换式稳压器的控制电路 7.0概论 7.1转换式稳压器系统的隔离方法 7.2脉波宽度调变（PWM）系统 7.2.1单端的、不连续的组件、PWM控制电路 7.2.2积体电路PWM控制器 7.3应用于商业上的单石PWM控制电路 7.3.1TL494PWM控制电路 7.3.2UC1840可规划，非线上的PWM控制器 7.4其它型式的PWM控制器 8、 转换式电源转换器周边附加电路与组件 8.0概论 8.1光耦合器 8.2自给偏压的方法 8.3作为输入与输出隔离之用的光耦合器电路设计 8.4柔和起动电路设计 8.5电流限制电路 8.5.1应用于初级参考直接驱动的电流限制电路 8.5.2应用于基极驱动器的电流限制电路 8.5.3一般的电流限制电路 8.6过电压保护电路 8.6.1以积纳二极体做侦测的保护电路 8.6.2以积体电路做过电压保护电路 8.7交流线路损失侦测电路 9、 转换式电源供给器稳定度分析与设计 9.0概论 9.1拉普拉斯转换 9.2转移函数 9.3波德图 9.4回授原理与稳定度的准据 9.5稳定度的分析 9.5.1控制－输出转移函数 9.5.2误差放大器的补偿 9.6环路稳定度的测量 10、电磁与射频干扰EMI-RFI的考虑 10.0概论 10.1FCC与VDE传导的杂讯规格 10.2在转换式电源供给器中RFI的来源 10.3RFI抑制用的交流输入线路滤波器 11、电源供给器电气安全标准 11.0概论 11.1电源供给器结构的安全需求 11.1.1空间需求 11.1.2电介质测试承受度 11.1.3漏电流测量 11.1.4绝缘电阻 11.1.5PC板需求 11.2变压器结构的安全需求 11.2.1变压器的绝缘 11.2.2变压器电介质强度 11.2.3变压器绝缘电阻 11.2.4变压器沿面与间隙距离 11.2.5变压器的水阻 11.2.6VDE规格的变压器温度额定值 11.2.6UL与CSA规格的变压器温度额定值 1、 转换式电源供给器 THE SWITCHING POWER SUPPLYAN OVERVIEW 1.0概论INTRODUCTION 由于LSI与VLSI芯片技术的快速成长，尤其是在微处理机与半导体记忆器的发展上，使得电子产品在系统设计上，朝向高密度化、重量轻、效率高及低价格的方向。 以往电源系统是以线性串联稳压器方式来做设计，对现在系统设计上来说，它不仅重量重，体积大，无效率，且是一种落伍的设计。而目前的趋势是朝向体积小，重量轻，高效率的电源系统来设计发展，也就是一般所谓的非线上转换式电源供给器off-the-line switching power supply。 最近几年来，由于功率半导体，控制电路与被动组件的快速研究发展，使得转换式电源供给器目前己被大量生产，不仅在可靠度上大大提高，而且价格上也渐渐下降。因此，我们有必要要转换式电源供给器的设计上予以深切明了，提升电子技术的新领域与新的境界。 1.1非线上转换式电源供给器THE OFF-THE-LINE SWITCHING POWER SUPPLY 非线上转换电源供给器设计的方法有好几种型式，如半桥式half-bridge、返驰式flyback，或是顺向式forward，而以那种方式来做设计，主要取决于它的价格、性能及设计者的选择。不管设计者以那种方法来做设计、转换式电源供给器的基本结构是相同的，如图1-1所示。首先将进来的AC交流线电压，直接予以整流与滤波，得到DC直流高电压，再将其转换进入转换组件中，如电晶体、硅控整流器SCR等，切割成高频率一般频率都在20kHz，高电压的方波信号。 此方波信号再进入步降step-down隔离变压器的初级，而由次级所感应的电压，经由整流滤波，就可获得低电压电流输出。不管是输入电压有无变化或是输出负载有无变动，我们都必须保持输出直流电压的稳定，因此需将此输出电压予以监视，并将信号回授至控制逻辑电路，如此才能达到稳压效果。此控制逻辑电路的作用就是将输出电压与参考电压做比较，并调整转换组件的导通周期，由于转换组件所切割出来的是高频方波信号，因此在陡峭的上升时间rise time与下降时间fall time部份，就会有一系列谐频harmonic frequencies产生，此谐频若传导回到是AC交流线上，就会对其它仪器设备有所干扰，因此一台好品质的转换式电源供给器，就必须在AC交流电源输入端装上射频干扰radio frequency interference RFI滤波器，减少这些频率的干扰到可接受的程度。 本书会将转换式电源供给器每一结构部份，详细予以解析，其主要目的就是让读者在融会贯通之后，有能力去设计可靠度高、价格低、效率高的转换式电源供给器。 1.2电源供给器专有名词POWER SUPPLY TERMINOLOGY 我们将对转换式电源供给器常用的专有名词解释如下 橇杆电路crowbar circuit应用于电源供给器输出端的保护电路，以防电压情况发生。 效率efficiency此值代表输出功率与输入功率比值百分比，用来表示，在满载full load情况量测。 电磁-射频干扰EMI-RFI电磁干扰electromagnetic interference与射频干扰radio frequency interference乃由电源供给器的转换组件传导与幅射出不需要的高频能谱。 有效串联电阻ESR所谓有效串联电阻equivalent series resistance ESR乃指电容器中的电阻值，一般来说电容器中的ESR值愈低是愈好。 持住时间hold-up time一般指移去AC输入电压而输出电压仍维持稳定值的继续时间，此持住时间愈大愈好。 突波电流限制器inrush current limiting属于保护电路的一种，用来限制当电源启动时所产生的峰值线电流。避免滤波电容在满电荷情况下，损失多余之功率。 隔离电压isolation voltage电路中任何部份与底板的地之间可允许操作的最大电压。此最大的交流或直流电压亦需适用于电源供给器的输入端与输出端之间。 线稳压率line regulation当负载与周围温度保持不变情况下，AC交流输入在一定的百分比一般在10变化下，而在输出端电压的变化率。 负载稳压率load regulation当线电压与周围温度保持不变情况下，输入电压不变而输出电压从不加负载到全载所产生的电压变化百分比。 杂讯与涟波noise and ripple重叠加在直流输出电压之上的交流电压与高频波尖spikes，一般都以均方根值SMS或峰对峰值来表示，单位是毫伏特millivolts为大小。 非线上电源供给器off-the-line power supply也就是一般所称的转换式电源供给器，输入交流信号直接做整流与滤波，不使用低频的隔离变压器。 输出暂态响应output transient response在指定的稳压限制范围内，将输出负载电流做步级改变，观察输出电压维持固定值所需之时间。 过载或过电流保护overload or overcurrent protection乃指负载之变动超过电流所需，此电路装置用于保护电源供给器免于受损。 遥远侦测remote sensing当其负载与转换式电源供给器成一距离时，我们就要考虑到此连接线的内阻抗是否会使正常的输出电压产生压降，而无法使系统正常工作，通常是用I2R公式来计算。 柔和起动soft start防止转换式电源供给器在开机瞬间产生巨大电流脉动，因此我们将其工作周期duty cycle由零值缓慢上升到其操作点。 2、电源输入部份（THE SECTION） 2.0双倍电压的技巧THE VOLTAGE DOUBLER TECHNIQUE 在前章我们己经提到过转换式电源供给器，其输入的AC交流电压信号，直接予以整流即可，并不需要在输入端与整流器之间，使用到低频的隔离变压器。由于目前制造商对其电子产品都追求国际化，纷纷打入国际市场，因此从事电源供给器的设计者来说，就必须明了国际间目前使用的输入电压是多少，一般所使用的电压是90伏特至130伏特交流电压或是180伏特至260伏特的交流电压。 在图2-1所示为双倍电压之电路，当开关S1置于关闭状态时，它可操作于115伏特交流电压下，因此当交流电压在正半周时，电容器C1被充电至峰值电压，此值为115Vac1.4 160Vdc，而在此正半周期间是经由二极体D1与D2所整流，同理在负半周时，经由二极体D3与D4的整流，电容器C2被充电至160Vdc，而最后输出的总电压为电容器C1与C2的总和值，其大小为320 Vdc。当开关S1打开时，四个二极体D1- D4就形成全波桥式整流器，可操作于230伏特交流电压，最后输出的总电压也是相同为320 Vdc。 2.1零件选择与设计方法COMPONENT SELECTION AND DESIGN CRITERIA 2.1.1输入整流器 Rectifiers 当我们选择使用桥式整流器时，不管是整体包装的或是由分离组件来组成，设计者都需考虑到以下一些重要规格 1.最大顺向整流容许值此值是依转换式电源供给器所设计的功率大小来决定，所选择的二极体至少要能承受所计算出来的二倍稳态电流值。 2.峰值逆向电压PIV阻隔值由于输入部分所使用的整流器都是在较高电压状态，因此在选择二极体时，需考虑其峰值逆向电压PIV的额定值，一般都在600伏特以上。 3.另外需考虑具有较高的突波电流容许值，避免开关在打开瞬间，其峰值电流破坏二极体。 2.1.2输入滤波电容器 Filter Capacitors 要如何正确地计算与选择输入滤波电容器是一项重要的课题，对以下一些性能参数值会有所影响也就是电源供给器输出的低频交流涟波ripple与保持时间holdover time。一般来说高品质的电解电容器就具有好的滤涟波电流容许能力，以及低的ESR值，此时电解电容器至少工作于200 Vdc电压下。在图2-1中电阻R4与R5，与电容器互相并联，其作用是当开关电源关闭时，提供电容器放电之路径。 要计算滤波电容器的公式如下 （2-1）C电容器，单位μF微法拉 I负载电流，单位A安培 t电容器所能提供电流时间，单位ms毫秒 △V容许的峰对峰涟波值，单位V伏特。 例题2-1 50W的转换式电源供给器，工作于115 Vac，60Hz情况下，试计算输入滤波电容器之值。 解首先我们需计算直流负载电流，假设此电源供给器在最差的情况下，也有百分之七十的效率，则在50W输出下，我们可求得其输入功率大小 再利用图2-1的电压倍压方法，可求得在115 Vac交流输入电压下，直流输出电压为21151.4＝320 Vdc，因此直流负载电流为 现在假设我们设计所能容许的峰对峰涟波值为30V，而且电容器在每一半周情况下必须能维持电压单位，也就是每一半周对60Hz的交流线频率来说大约是8ms的时间，使用2-1公式可得 我们可选用电容器一般标准规格值50μF 由于倍压电路之结构电容器C值为C1值与C2值串联之结果，因此当选用C值为50μF时，C1与C2值应选用100μF之电容器。 2.2输入保护组件 PROTECTIVE DEVICES 2.2.1突波电流Inrush Current 如果设计者在设计转换式电源供给器时，在输入部份没有加入电流限制装置的话，一般来说，电源供给器在打开瞬间都会有极大的峰值突波电流，而这些电流造成之因，乃由于滤波电容器之充电而引起，在开关导通时，交流线源上就会呈现非常低的阻抗值，其大小约等于ESR值。因此，线路中若没有保护组件的话，其突波电流甚至可高达数百安培，这是非常危险的。 为了解决突波电流至安全值范围，以及开关在导通时交流线源上阻抗值问题，我们一般常用以下二种方法，第一种是用电阻-闸控开关resistor-triac的组合组件，第二种是使用负温度系数negative temperature coefficient NTC的热阻体thermistor，在图2-1中，我们可看到这些组件如何应用于线路里。 电阻-闸控开关的方法使用电阻-闸控开关的组合组件来达到突波电流限制之目的，需将电阻器串联于交流线源上，同时将triac与电阻器并联组合在一起，当输入滤波电容器己经充满电荷时，triac会被导通，当然triac要能达到导通状态，吻合预先设定之情况，必须要有触发电路trigger circuit，来让它触发导通方可。另外当triac导通时，所有的输入电流都会流经其上，因此在组件的选择上与散热方面的处理，需多加留意。 热阻体的方法使用负温度系数NTC的热阻体，可置于交流线源上或是置于桥式整流器的直流汇流排上，如图2-1所示。 在图2-2中为NTC热阻体的电阻-温度特性曲线与温度系数α的关系，当电源供给器开关打开时，经由交流线源上的阻抗值就是热阻体的电阻值了，如此就可达到限制突波电流的目的。 当电容器开始充电时，电流开始流经热阻体，此时热阻体就会有发热现象产生，由于本身又具有负温度系数之特性，所以热阻体温度升高，其电阻值反而下降了。至于若能正确地选择热阻体，在稳态负载电流下，其电阻值将会最小，而且也不会影响到整个电源供给器的效率。 2.2.2输入暂态电压保护 Transient Voltage Protection 虽然目前一般市电其交流电压的标准额定值一般都为115 Vac或是230Vac，然而其共通的都会被感应而有高压波尖的产生，这是由于附近的感应交换inductive switching所引起或是天然情况所产生如电暴electrical storms或雷电lightning之类。尤其是在严重的雷雨产生时，电压波尖高达5kV是常有之事。 我们由感应交换的电压波尖可得知其储存的能量为 2-2 在此L为电感器的漏电感，I为流经绕组的电流。 除非能很成功有效地予以抑制，否则电压波尖虽然时间非常短暂，但是它却能够带足够的能量，来将输入整流器转换电晶体严重破坏。 大多数应用于此种情况的抑制组件为金属氧化变阻体metaloxide varisor MOV暂态电压抑制器，如图2-1所示，它装置于交流线的输入端。此种组件其作用就如同是一个可变的阻抗，当暂态电压出现在变阻体两端时，变阻体的阻抗就会快速地下降到最低值，将输入电压定位到安全值范围，在此暂态期间能量是消耗在变阻体上，以下有几个步骤是指导如何正确地选择所需的变阻体组件 1.首先要选择MOV的交流电压额定值，其值必须比最大的稳态电路值大百分之十到百分之二十左右。 2.计算或估测电路中可能遇到的最大暂态能量有多少焦耳。 3.最后要确定此组件的最大峰值突波电流的额定值大小。 以上这三点的额定值若确定无误后，我们就可以从制造厂商的资料手册中，查出所需的金属氧化变阻体了。 3、电源转换器的种类（TYPES OF POWER CONVERTERS） 3.0各类转换器定义与原理DEFINITIONS AND DIMENSIONING 虽然有很多作者与研究人员创造研究出很多种类的转换器电路，但是追根究底还是可归纳出三种最基本的电路出来，第一种称为“返驰式flyback”或者称为“buck-boost”型式，第二种称为“顺向式forward”或者称为“buck”型式，第三种称为“推挽式push-pull”或是称为“buck-derived”型式，在图3-1中，就是返驰式转换器的基本电路模型，其操作原理说明如下。 在图3-1 a中，当电路中的开关S关闭时，电流就会流经电感器L，并将能量储存于其中，由于电压极性的关系，二极体D是在逆向偏压状态，此时负载电阻RL上就没有电压输出，当开关S打开时，如图图3-1b所示，此时由于磁场的消失，电感器L呈逆向极性，二极体D为顺向偏压，环路中则有IC感应电流产生，因此负载RL上的输出电压其极性正好与输入电压相反，由于开关ON/OFF的作用，使得电感器的电流交替地在输入与输出间，连续不断的改变其方向，不过这二者电流都是属于脉动电流形式，所以在buck-boost转换器电路中，当开关是在导通周期时，能量是储存于电感器里，反之，当开关是在打开OFF周期时，能量会转移至负载上。 在图3-2为顺向转换器基本电路型式，其操作原理说明如下，当开关S关闭时，电流就会顺向地流经电感器L，此时在负载上就会有带极性的输出电压产生，如图3-2a所示，由于输入电压极性的关系，二极体D此时是在逆向偏压状态。如图3-2b所示，当开关S打开时，电感器L会改变磁场，二极体D则为顺向偏压状态，因此在电容器C中就会有电流流过，因此在负载RL上输出电压的极性仍是相同的，一般我们称此二极体D为“自由转轮free-wheeling”或“飞轮flywheel”二极体。 由于此种转换动作，使得输出电源是一种连续形式而非脉动电流形式，相对的由于开关S在ON/OFF之间改变，所以输入电流则为不连续形式，也就是所谓的脉动电流形式。 最后在图3-3中则为推挽式转换器的基本电路型式，其实它是由二个顺向转换器的电路所组成，操作于互相推挽的动作状态，开关S1与S2互相在ON/OFF状态间互相交换，此种电路一般也称之为buck-derived。 3.1隔离返驰式转换器THE ISOLATED FLYBACK CONVERTER 在图3-1中的返驰式转换器，其输入与输出间，并没有安全的隔离装置，一般在转换式电源供给器里常用的隔离组件是变压器transer。更正确的来说，虽然在电路图中出现是变压器形式，但是其动作状态却是扼流圈choke形式，因此我们亦可直呼为变压器-扼流圈transer-choke。 在图3-4所示的电路为隔离返驰式转换器isolated flyback converter与其稳态的电路波形。电路的操作原理如下说明，当电晶体Q1导通时，变压器的初级绕组渐渐地会有初级电流流过，并将能量储存于其中，由于变压器-扼流圈的输入与输出绕组，其极性是相反的，因此二极体被逆向偏压，此时没有能量转移至负载。 当电晶体不导通时，由于磁场的消失导致绕组的极性反向，此时二极体D会被导通，输出电容器C会被充电，负载RL上有IL电流流过。 由于此种隔离组件的动作就像是变压器与扼流圈，因此在返驰式转换器输出部分，就不需要额外的电感器了，但是在实际电路应用中，为了抑制高频的转换杂讯波尖，我们还是会在整流器与输出电容器之间加装小型的电感器。 3.1.1返驰式转换器交换电晶体The Flyback Converter Switching Transistor 在返驰式转换器中所使用的转换电晶体，必须考虑二个因素就是电晶体在OFF时的峰值集极电压大小与电晶体转换成ON时的峰值集极电流大小。此峰值集极电压乃电晶体在转换成OFF状态时，所需要承受的电压大小 3-1 在此Vin为直流输入电压，δmax为最大工作周期。 因此公式3-1，就是告诉我们选择使用转换电晶体时，为了避免其受损坏，必须考虑的集极电压值大小。因此相对地工作周期就必须保持在低值范围，也就是δmax0.5将会破坏伏特秒volt-seconds积分作用的平衡，使得变压器趋于饱和状态，也会产生极高的集极电流波尖，而破坏了转换电晶体。 虽然变压器的第三绕组与二极体的定位动作，能够限制电晶体的集极峰值电压至二倍的输入直流电压，但是有一点需留意的是，在绕制变压器时，需将第三绕组与初级绕组紧密来绕制使用双线绕法，如此方可减少由漏电感产生的致命电压波尖。 3.2.3基本顺向式转换器的变化型式Variations of the Basic Forward Converter 如同在返驰式转换器的情况，由于输入电压过高，电晶体承受较大的耐压值，因此改用二个电晶体的变化型式，同理顺向式转换器亦可应用此种变化的型式，如图3-8电路所示，此二个电晶体开关会同时ON或OFF，但是电晶体上所承受的电压不会超过Vin以上。 顺向式转换器亦可应用于多重输出的电路中，不过在每一输出部份都需要有额外的二极体与扼流圈。在此需注意的是飞轮二极体至少要与主要的整流二极体有一样的电流额定值，这是因为当电晶体OFF时，会有满电流输出，在图3-9的电路，就是多重输出顺向转换器multiple-output forward converter。 3.3推挽式转换器THE PUSH-PULL CONVERTER 推挽式转换器push-pull converter乃是由二个反相位工作的顺向式转换器组合而成，在每一半周时，推挽式转换器会将功率传导至负载上，所以此种转换器更正确地来说应该称呼为推推转换器push-push converter，但是延用流行至今，我们还是习惯称呼为推挽式转换器。 在图3-10中，就是基本传统的推挽式电路结构与它的电路波形图。由于它有二个转换电晶体与输出二极体，由波形中观察得知，在每一组中的平均电流都被减少至百分之五十，此大过于等效的顺向转换器。在电晶体导通期间，二极体D1与D2同时导通，会将隔离变压器的次级短路，并将功率传导至输出，其动作状态就如飞轮二极体。 此转换器的输出电压可导出如下 3-20 在公式3-20中的δmax值必须低于0.5，为了避免转换电晶体同时导通，而破坏了电晶体。假设δmax＝0.4，则公式3-20可写成 3-21 在此n为初级对次级的圈数比。 3.3.1推挽式转换器变压器The Push-Pull Converter Transer 在前面我们所讨论的返驰式与顺向式转换器中，其变压器仅利用到B-H特性曲线一半 部份，因此铁心就较为笨大而且有空气间隙，假定在推挽式转换器的二个电晶体，其导通时间相同，则变压器就会使用到B-H曲线的各半部，如此铁心的大小仅需返驰式或顺向式的一半即可，而且空气间隙也不需要了。 变压器的体积大小可由下面公式求得 3-22 在此I.mag＝nVoutT/4L为磁化电流。 在第3章中，将继续对以推挽式为基底的转换器有更深入的设计分析。 3.3.2推挽式转换器电晶体The Push-Pull Converter Transistors 由于推挽式转换器的每一半部份就是属于顺向式转换器，因此在OFF时，每一电晶体的集极电压被限制为 3-23 每一电晶体的集极峰值电流为 3-24 假设ImagIL/n，可得出 3-25 我们可如3-2-1节所示，导出电晶体集极工作电流，以输出功率、效率与工作周期来表示之，如下