充电器开关电源设计说明.doc

摘 要随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，他们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效速为发展方向，深受广大厂家和商家以与人们的青睐。开关电源是近年来应用非常广泛的一种新式电源，它具有体积小、重量轻、耗能低、使用方便等优点，在邮电通信、航空航天、仪器仪表、医疗器械、家用电器等领域应用效果显著。目前随着技术发展，新型多功能开关电源集成控制芯片不断推向市场，大量的超小型、多功能、模块化开关电源不断涌现。2008年中国开关电源市场总体销售额达到123.8亿元，销售额同比增长了14.8%。开关电源市场与我国各个行业的发展有着密切的关系，而重点行业在我国宏观经济的拉动下，呈现出平稳较快的发展态势。因此，开关电源市场近年来也出现了平稳增长的状态。在开关电源市场中，除了少数几家厂商拥有核心技术外，其他整机生产厂家大多不具有核心技术，只是依靠组装生产，经营区域性市场，这大大抑制了开关电源产品性能的发展。开关电源产品由于其行业的特殊型，用户对产品安全性、稳定性有很高的要求，而对于价格的敏感性却比较低，因此厂商对价格有一定的议价能力。中国开关电源主力厂商大部分拥有较为完备的产品线，集成能力强，各具行业优势。关键词： 电子技术 开关电源 充电器目录1 绪论41.1 充电器简介41.1.1 充电器的概念与分类41.1.2 国外现状分析41.2电池充电器研究意义与容51.2.1 研究意义51.2.2 研究目标与容52 电池充电器设计方案52.1容摘要52.2设计要求62.3制作目的62.4总体方案的选择与论证63 开关电源的设计基础63.1 开关电源的概念和分类63.1.1开关电源的概念63.1.2开关电源的分类83.2 开关电源设计中存在的问题与未来发展93.2.1开关电源中存在的问题93.2.2开关电源的发展趋势103.3 开关电源的控制方式103.3.1脉宽调制的基本原理113.3.2脉冲频率调制的基本原理123.5 谐振式电源与软开关技术133.5.1谐振式电源的基本原理133.5.2谐振开关的动态过程分析144 元器件的选用174.1 开关晶体管174.1.1功率开关MOSFET184.1.2 绝缘栅双极型晶体管194.2 软磁铁氧体磁芯204.2.1磁性材料的基本特性214.2.2磁芯的结构与选用214.3 二极管224.3.1开关二极管224.3.2稳压二极管224.4电容器235 充电器设计245.1充电器相关技术指标与特点245.1.1 充电要求与指标245.1.2 充电方式245.1.3 性能特点255.2 充电器电路设计与原理分析255.2.1电路原理图设计255.2.3 原理分析26结语271 绪论1.1 充电器简介1.1.1 充电器的概念与分类所有充电器其实都是由一个稳定电源（主要是稳压电源、提供稳定工作电压和足够的电流）加上必要的恒流、限压、限时等控制电路构成。原装充电器（指线充）上所标注的输出参数：比如1.5V/1A就是指部稳压电源的相关参数。明白了这个道理，电池常用镍氢电池的充电器采用的是恒流限压充电制，充电电流一般采用C2左右-即采用两小时充电率。现在的USB充电器，只不利用了电脑USB口所具备的比较稳定的来自电脑电源的5.0v电压作为充电电压源，再同样辅以相关的电路而构成USB电池充电器。1.1.2 国外现状分析开关电源是近年来应用非常广泛的一种新式电源，它具有体积小、重量轻、耗能低、使用方便等优点，在邮电通信、航空航天、仪器仪表、医疗器械、家用电器等领域应用效果显著。目前随着技术发展，新型多功能开关电源集成控制芯片不断推向市场，大量的超小型、多功能、模块化开关电源不断涌现。2008年中国开关电源市场总体销售额达到123.8亿元，销售额同比增长了14.8%。开关电源市场与我国各个行业的发展有着密切的关系，而重点行业在我国宏观经济的拉动下，呈现出平稳较快的发展态势。因此，开关电源市场近年来也出现了平稳增长的状态。在开关电源市场中，除了少数几家厂商拥有核心技术外，其他整机生产厂家大多不具有核心技术，只是依靠组装生产，经营区域性市场，这大大抑制了开关电源产品性能的发展。开关电源产品由于其行业的特殊型，用户对产品安全性、稳定性有很高的要求，而对于价格的敏感性却比较低，因此厂商对价格有一定的议价能力。中国开关电源主力厂商大部分拥有较为完备的产品线，集成能力强，各具行业优势。如今，高新科技在不断更新，国外新型手机也层出不穷，电池的更新必然引起充电器的更新。现实告诉我们，科技在进步，社会在发展。1.2电池充电器研究意义与容1.2.1 研究意义随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，他们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效速为发展方向。随着人们生活水平的日益提高和科技的发展，手机使人们的通讯更加的方便和快捷，全球用手机的人数与日剧增。于是，电池充电器就不言而喻成为了电池的主要配角。根据自己所学专业和对电子产品的好奇，结合自身条件，自做一手机充电器，一来可以提高自己动手能力，二来可以自己用，三还可以满足自己的好奇心，可谓一举三得。1.2.2 研究目标与容中小功率开关电源以其诸多优良的性能，在测控仪器仪表、通信设备、学习与娱乐等诸多电子产品中得到广泛的应用。随着环境和能源问题日益突出，人们对电子产品的环保要求不断提高，对电子产品的能源效率更加关注。设计无污染、低功耗、高效率的绿色模式电源已成为开关电源技术研究的热点，电池充电器就是其中一种。充电器是采用电力电子半导体器件，将电压和频率固定不变的交流电变换为直流电的一种静止变流装置。在以蓄电池为工作电源或备用电源的用电场合，充电器具有广泛的应用前景。它不但设计巧妙，还功能强大深受人们的喜爱。本次设计主要是将220V的交流电转换为1.5V的适合5号和7号电池的电压，其中要用到半波整流电路，将交流电中的直流成分加大，再用电容器将交流成分虑掉，经过变压和一系列变换，最终转换成适合手机电池的电压，综合起来就是由一个稳定电源。2 电池充电器设计方案2.1容摘要了解电池充电器的简单工作原理以与各原件的特性与作用；通过动脑与动手行动来完成充电器的设计与制作；接通电源检测与调试电路。2.2设计要求输入电压为220V交流电，输出为1.5V直流电。2.3制作目的加强自己的动手、动脑，以与收集资料的能力，掌握线性电源充电器的工作原理，同时也对开关电源作一定的了解。2.4总体方案的选择与论证本次的设计我做的是电池充电器，之所以选择这个题目是因为其制作原理相对简单之余也需要懂得相关的知识才能完成，适合我自己。这次的电池充电器题目中我也有两个小的项目可供选择：线性电源：相对于开关电源，线性电源的制作比较简单、原理明了，适合我们制作，但它有体积大、消耗高、效率低等缺点。开关电源：对于市面上大多充电器的设计都为开关电源的，选择它主要原因是应为其需要的技术含量相对较高，原理相对复杂，但是它具有高效率、低耗能、体积小且相对稳定的特性。3 开关电源的设计基础开关电源是近年来应用非常广泛的一种新式电源，它具有体积小、重量轻、耗能低、使用方便等优点，在邮电通信、航空航天、仪器仪表、工业设备、医疗器械、家用电器等领域应用效果显著。3.1 开关电源的概念和分类电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。3.1.1开关电源的概念电是工业的动力，是人类生活的源泉。电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。我们用的电，一般都需要经过转换才能适合使用的需求，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换为小功率等。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 Cpnwerter），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3-1所示。图3-1 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变压器来完成的，是把高功率因素的直流电压变换成受到控制的、符合设计要求的高频方波脉冲电压。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），电子开关的接通时间与一个电子周期所占时间之比，叫接通占空比（D），D=。断开时间所占T的比例称为断开占空比（D'），。开关周期是开关频率的倒数，。例如：一个开关电源的工作频率是50kHz，它的周期（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、控制集成电路以与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与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、开关电源以与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350cm3，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。3.1.2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与两端施加的电压无关。显然，开关在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 Voltage 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与频率。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）以与赛达式（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。3.2 开关电源设计中存在的问题与未来发展3.2.1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、电磁兼容性以与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、电解电容与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变换以与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。3.2.2开关电源的发展趋势未来的开关电源像一只茶杯的盖子：它的工作频高达210MHz，效率达到95%，功率密度为36W/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（13V）、更大的输出电流（数百安）；第五，能不能实现更小的电源模块。3.3 开关电源的控制方式目前生产的开关电源多数采用脉宽调制方式，少数采用脉冲频率调制方式，很少见到混合调制方式。脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）是将脉冲宽度固定，通过调节工作频率来调节输出电压。在电路设计上要用固定频率发生器来代替脉宽调制器的锯齿波发生器，并利用电压、频率转换器（例如压控振荡器VCO）改变频率。稳压原理是：当输出电压升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变，而工作周期变长，使占空比减小，输出电压降低。调频式开关电源的输出电压的调节围很宽，调节方便，输出可以不接假负载，详见图3-2所示的波形图。混合调制方式是指脉冲宽度与频率都不固定，都可以改变。目前这种调节方式应用得不是很多，产品类型也不多，只是在个别实验室中使用，其原因是两种调制方式共存，相互影响较大，稳定性差。再者，这种开关电源电路比较复杂，集成控制电路也不是很多。但是它的占空比调节围很宽，输出电压能做到很低。(a) PWM控制方式 (b) PFM控制方式图3-2 PWM、PFM控制方式和波形图3.3.1脉宽调制的基本原理开关电源采用脉宽调制方式的占很大比例，所以有必要对脉宽调制的基本原理加以了解。220V交流输入电压经过整流（BR）滤波后变为脉动直流电压，供给功率开关管作为动力电源。开关管的基极或场效应管的栅极有脉宽调制器的脉冲驱动。脉宽调制器由基准电压源、误差放大器、PWM比较器和锯齿波发生器组成，如图3-3所示。开关电源的输出电压和基准电压进行比较、放大，然后将其差值送到脉宽调制器。脉宽调制的频率是不变的，当输出电压V0下降时，与基准电压比较的差值增加，经发达后输入到PWM比较器，加宽了脉冲宽度。宽脉冲经开关晶体管功率放大后，驱动高频变压器，使变压器初级电压升高，然后耦合到次级，经过二极管VD整流和电容C2滤波后，输出电压上升，反之亦然。图3-3 脉宽调制的原理图3.3.2脉冲频率调制的基本原理脉冲频率调制的过程是这样的：如图3-4所示，从输出电压中取出一信号电压并由误差放大器放大，放大后的电压与5V基准电压进行比较，输出误差电压Vr，并以此电压作为控制电压来调制VCO的震荡频率f。再经过瞬间定时器、控制逻辑和输出级，输出一方波信号，驱动MOS开关管，最后经高频变压器TR和整流滤波获得稳定的输出电压V0。假设由于某种原因而使V0上升或负载阻抗下降，控制电路立即进行下述闭环调整：V0VrfV0。该循环的结果是输出电压V0趋于稳定，反之亦然。这就是PFM的工作原理。假设电源效率为，脉冲宽度为m，脉冲频率为f，则有V0=。当确定后，通过调制VCO的震荡频率就可以调节输出电压V0，并实现稳定输出。需要指出的是：a、b、c是压控振荡器外围元件连接端，它们将决定振荡的工作频率和频率调制灵敏度。D端为锯齿波电压输入端，由它改变定时器的定时时间。图3-4 脉冲频率调制的基本原理3.5 谐振式电源与软开关技术3.5.1谐振式电源的基本原理谐振式电源是新型开关电源的发展方向。它利用谐振电路产生正弦波，在正弦波过零时切换开关管，从而大大提高了开关管的控制能力，并减小了电源体积。同时，也使得电源谐波成分大为降低。另外，电源频率得到大幅度提高。PWM一般只能达到几百K，但谐振开关电源可以达到1M以上。普通传统的开关电源功率因数在0.4-0.7，谐振式电源结合功率因数校正技术，功率因数可以达到0.95以上，甚至接近于1。从而大大抑制了对电网的污染。这种开关电源又分为：ZCS零电流开关。开关管在零电流时关断。ZVS零电压开关。开关管在零电压时关断。在脉冲调制电路中，加入L、C谐振电路，使得流过开关的电流与管子两端的压降为准正弦波。下面是这两种开关的简单原理图。onoffSIsTsTonToffSUsTsIcUiSLrCrVDIcUiSLrCrVD图3-16 电流谐振式开关电路和电压谐振式开关电路ZCS电流谐振开关中，Lr、Cr构成的谐振电路通过Lr的谐振电流通过S，我们可以控制开关在电流过零时进行切换。这个谐振电路的电流是正弦波，而Us为矩形波电压。ZVS电压谐振开关中，Lr、Cr构成的谐振电路的Cr端谐振电压并联到S，我们可以控制开关在电压过零时进行切换。这个谐振电路的电压是正弦波，而Is接近矩形波。以上两种电路，由于开关切换时，电流、电压重叠区很小，所以切换功率也很小。以上开关电源是半波的，当然也可以设计成全波的。所以又有半波谐振开关和全波谐振开关的区分。3.5.2谐振开关的动态过程分析实际上，谐振开关中的所谓“谐振”并不是真正理论上的谐振，而是L、C电路在送电瞬间产生的一个阻尼振荡过程。下面，我们对这个过程做一些分析，以了解谐振开关的工作原理。(1) 零电流开关实际的零电流开关谐振部分拓补又分L型和M型。如下面两组图形所示SL1C1VD1SL1C1VD1SL1C1图3-17 L型零电流谐振开关（中半波，右全波）SL1C1SL1C1VD1SL1C1VD1图3-18 M型零电流谐振开关（中半波，右全波）这里的L1用于限制di/dt，C1用于传输能量，在开关导通时，构成串联谐振。用零电流开关替代PWM电路的半导体开关，可以组成谐振式变换器电路。按照Buck电路的拓扑结果，可以得到如下电路：ViVD2VD1L1L2C2RLSC1V0i1图3-19 Buck型准谐振ZCS变换器（L型）ViVD2VD1L1L2C2RLSC1V0图3-20 Buck型准谐振ZCS变换器（M型）这里，我们分析一下L型电路的工作过程。假定这是一个理想器件组成的电源。L2远大于L1，从L2左侧看，可以认为流过L2、C2、RL的输出电流是一个恒流源，电流I0。谐振角频率： (3-9)特性阻抗： (3-10)动态过程如下：线性阶段（）：在S导通前，VD2处于续流阶段。此时。S导通时，L1电流由0开始上升，由于续流没有结束，此时初始。由，且L1初始电流为0，有： (3-11)到t1时刻，达到负载电流I0，因此：此阶段持续时间： (3-12)可以看出，此阶段是时间的线性函数。谐振阶段（）：在电流i1上升期间，当时，由于无法供应恒流，续流过程将维持。当时，将以对C1充电，VD2开始承受正压，VD2电流下降并截止。L1、C1开始串联谐振，因谐振继续上升。 (3-13) (3-14)因而： (3-15)其中，为谐振电流。 (3-16)谐振到时刻，谐振电流归零。如为半波开关，则开关自行关断；如果是全波开关，开关关断后，将通过VD1进行阻尼振荡，将电容能量馈送回电源，到时刻电流第二次为0。本阶段结束，这时的时刻为t2。VC1在i1谐振半个周期，时，达最大值。第一次过零（）时，S断开。如为半波开关，则谐振阶段结束。如为全波开关，C1经半个周期的阻尼振荡到电流为0（）时，将放电到一个较小值。可以看出谐振阶段前，、是时间的正弦函数；如为全波开关，还有一段时间的阻尼振荡波。恢复阶段（）：由于VC1滞后1/4个谐振周期，因而在t2后，因L2的作用还将继续向负载放电，直至=0。这阶段，如考虑电流方向性： (3-17)故： (3-18)因此，这个阶段的是时间的线性函数，电压从逐步下降到零。如为半波开关，则开关分压也将线性上升到输入电源值。续流阶段（）：当电容放电到零后，VD2因反压消失而导通，对L2与负载进行续流，以保持电流I0连续。此时，我们根据电路的要求，选择在适当时间再次开通S，重新开始线性阶段。根据以上导出的各公式，可以得到如下的波形图：ttttttttSiLVSVC1ONONSiLVSVC1t0t1t3t4t0t1t3t4t2t2I0图3-21 半波ZCS开关波形与全波ZCS开关波形从以上分析可以看出，ZCS谐振开关变换器的开关管总是在电流为0时进行切换。实际情况与理想分析有所不同，将有所超前。M型电路分析方法类似，不再赘述。(2) 零电压开关ZCS在S导通时谐振，而ZVS则在S截止时谐振，二者形成对偶关系。分析过程大体类似，此处从略。综合以上分析过程，我们可以看出，该拓扑谐振结构只能实现PFM调节，而无法实现PWM。原因是脉冲宽度仅受谐振参数控制。要实现PWM，还需要增加辅助开关管。4 元器件的选用4.1 开关晶体管无论那一种变换器，用的是那一种结构形式的开关电源，所使用的元器件都是开关晶体管、电阻、电容、电感与磁性材料等。选用好元器件，是决定开关电源质量的关键。往往设计的开关电源在试验室中式成功的，一到生产线上进行规模生产时，就会出现各种问题。当然，有设计方面的，有工艺方面的，还有焊接方面的，但多数是元器件选用问题。元器件本身质量的差异是影响开关电源质量的一个重要原因。4.1.1功率开关MOSFETMOSFET分P沟道耗尽型、P沟道增强型、N沟道耗尽型和N沟道增强型4种类型。增强型MOSFET具有应用方便的“常闭”特性（即驱动信号为零时，输出电流等于零）。在开关电源中，用作开关功率管的MOSFET几乎全部都是N沟道增强型器件。这时因为MOSFET是一种依靠多数载流子工作的单极型器件，不存在二次击穿和少数载流子的储存时间问题，所以具有较大的安全工作区、良好的散热稳定性和非常快的开关速度。MOSFET在大功率开关电源中用作开关，比双极型功率晶体管具有明显的优势。所有类型的有源功率因数校正器都是为驱动功率MOSFET而设计的，所以说，用作开关的MOSFET是任何双极型功率晶体管所不能替代的。 (1) 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。由于它没有少数载流子的存储效应，所以它适用于100200MHz的高频场合，从而可以采用小型化和超小型化的磁性元件和电容器。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。MOSFET从驱动模式上来分，属于电压控制器件，驱动电路设计比较简单，驱动功率甚微，在启动或稳定工作条件下的峰值电流要比采用双极型功率晶体管小得多。MOSFET多数集成有阻尼二极管，而双极型功率晶体管多没有装阻尼二极管。MOSFET对系数的可靠性与安全性的影响并不像双极型晶体管那样重要。MOSFET的主要缺点是导通电阻（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24V），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。 (2) MOSFET的驱动电路MOSFET的驱动电路如图4-1和图4-2所示。图4-1 加速TR关断驱动电路在图4-1中，NS为脉冲变压器次级驱动绕组，R是MOSFET的栅极限流电阻。齐纳二极管DW1，DW2反向串接在一起，用于对VT的栅漏极进行钳位，放置驱动电压VGS过高而使VT几串。R的阻值一般为60200。尽管MOSFET的输入阻抗很高，但仍会产生充电电流。R值小，则开关速度高，只要栅极的驱动电压一撤销，就会立刻截止。图4-2 功率驱动电路图4-2所示是加速漏极电流跌落时间、有利于零功率控制的电路。当MOSFET的栅极驱动电压突然降到门限电压时，MOSFET由导通突变为截止，三极管BC557加速了ID的跌落，为MOSFET起到加速作用。4.1.2 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种大电流密度、高电压激励的场控制器件，是高压、高速新型大功率器件。它的耐压能力为6001800V，电流容量为100400A，关断时间低至0.2s，在开关电源中作功率开关用，具有MOSFET与之不可比拟的优点。IGBT的主要特点是： 电流密度大，是MOSFET的10倍以上。 输入阻抗高，栅极驱动功率小，驱动电路简单。 低导通电阻。IGBT的导通电阻只有MOSFET的10%。 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。 开关速度快，关断时间短。耐压为1kV的IGBT的关断时间为1.2s，600V的产品的关断时间仅为0.2s。上述这些特征克服了MOSFET的一些缺陷，即在大功率、高电压、大电流条件下工作时导通电阻大、器件发热严重、输出功率下降、电源效率低下的弊病。有关MOSFET和IGBT的图形符号见图4-3和图4-4。图4-3 MOSFET的图形符号图4-4 IGBT的图形符号 4.2 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、脉冲变压器以与PFC中的升压电感等电路中，在开关电源中时一种非常重要的元件。但是，我们不能十分有把握地掌握磁性材料的特性，以与这种特性与温度、频率、气隙等的依赖性和不易测量性。在选择铁氧体时，它不像电子元件那样可以测量，它的具体的参数、特性曲线在显示测量仪器上也不时一目了然。由于高频变压器、电感器所涉与的参数太多，例如电压、电流、温度、频率、电感量、变比、漏感、磁性材料参数、铜损、铁损、交流磁场强度、交流磁感应强度、真空导磁率等十几种参量。设计开发人员对高频变压器的设计制作，时开关电源设计制作的头等重要任务。铁氧体受到的影响因素多、元器件选用以与电路板上元器件的布置和走线的方式等对此都有影响。对于一个产品，我们不看它的电路布置如何漂亮，而是要看各元器件布局是否合理，铁氧体磁芯的颜色、线圈的屏蔽是否合适，散热处理是否得当等等。4.2.1磁性材料的基本特性(1) 磁场强度（H）与磁感应强度（B）。磁场强度时表示磁场强弱与方向的一个物理量，用安/米（A/m）表示。磁感应强度是指磁场作用于磁性物质上的作用力的大小，用（Gs）表示。温度越高，磁感应强度越低。(2) 居里温度TC。磁芯的磁状态由铁磁性转变成顺磁性时，在T曲线上，80%max与20%max的连线跟导磁率等于1的直线的交点相对应的温度称为居里温度。温度越高，出事导磁率也越高，当超过130时，初始导磁率为零。(3) 初始导磁率i。磁性材料的磁化曲线始端磁导率的极限值称为初始导磁率。 (4) 剩余磁感应强度Br。磁芯从饱和状态除去磁场后剩余的磁感应强度称为剩余磁感应强度。(5) 矫顽力HC。磁芯从饱和状态除去磁场后继续反向磁化，直到磁感应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力（保磁力）。选用磁性材料时，要选用可饱和的磁性材料。这种材料具有良好的开关特性，可产生优良的振荡波形，并要求磁芯具有祭祀举行的磁滞回线。这样的磁性材料的磁滞回线可使线圈中的电流波形前后沿陡峭，能很好地传递各种波形电信号。如果磁芯的S矩形曲线在B方向上被压扁，将会严重影响变压器的振荡波形，导致开关晶体管温升加剧。4.2.2磁芯的结构与选用磁芯的使用一定要在一定的居里温度以，这时选择磁芯材料首先要考虑的问题。其次还要注意磁芯的结构、脆度、硬度、稳定性、导磁率与磁感应强度。在设计时，工作频率和噪声干扰应十分注意。在强磁场力作用下，磁性材料会收缩或膨胀，很可能出现磁共振，所以把磁芯变压器装在印制电路板上时要注意切实粘结牢固，防止出现机械噪声和电磁噪声。一下是一些主要磁芯结构的说明。(1) POT 是罐形磁芯，铜线绕在磁芯面，此贴包围线圈。它的优点是导磁感应好，传递电能佳，可大量减少EMI；它的缺点是散热效果极差，温升很高，只能用在小功率开关电源上。(2) PM 时R形磁芯，结构紧凑，体积小，但电能耦合不是很好，散热性能也不是很好。(3) RM、X 形磁芯的磁耦合能力和散热效果都很好，适合用在100W以上的大中功率电源上。其缺点是所占空间大，放置困难。(4) EC 磁芯是在开关电源上常用的一种磁芯，磁芯截面积大，散热效果好，常用在100150W的开关电源上。其缺点是窗口面积比较小，对变压器的匝数要有限制。(5) EE 磁芯是一种常用磁芯，对于中小功率的变压器来说很适合。磁芯面积的大小将决定开关电源的功率。一般来说，磁芯面积越大，输出功率也越大。4.3 二极管二极管在电子电路中用得较多，功能各异。从结构上来分，有点接触型和面接触型二极管。面接触型二极管的工作电流比较大，发热比较厉害，它的最高工作温度不允许超过100。按照功能来分，有快速恢复与超快速恢复二极管，有整流二极管、稳压二极管与开关二极管等。以下介绍几种二极管的特点与检测方法。4.3.1开关二极管开关管用在高速运行的电子电路中，起信号传输作用，在模拟电路中起作钳位抑制作用。高速开关硅二极管是高频开关电源中的一个主要器件，这种二极管具有良好的高频开关特性。它的反向恢复时间trr只有几纳秒，而且体积小，价格低。在开关电源的过压保护、反馈控制系统中常用到硅二极管，如1N4148、1N4448。硅二极管的主要技术指标是：