24v開關(guān)電源設(shè)計24v開關(guān)電源設(shè)計24v開關(guān)電源設(shè)計24v開關(guān)電源設(shè)計編制僅供參考審核批準(zhǔn)生效日期地址：電話：傳真:郵編:摘要隨著開關(guān)電源在計算機(jī)、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應(yīng)用,人們對其需求量日益增長,并且對電源的效率、體積、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。開關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源。電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速發(fā)展，將開關(guān)電源的工作頻率提高到相當(dāng)高的水平，使其具有高穩(wěn)定性和高性價比等特性。開關(guān)電源技術(shù)的主要用途之一是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)，信息技術(shù)的發(fā)展對電源技術(shù)又提出了更高的要求，從而促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展。本次設(shè)計采用典型的正激式開關(guān)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，以(RCC)作為控制核心器件，運(yùn)用脈寬調(diào)制的基本原理，并采用輔助電源供電方式為其供電，有利于增大主電源的輸出功率。采用場效應(yīng)管作為開關(guān)器件，其導(dǎo)通和截止速度很快，導(dǎo)通損耗小，這就為開關(guān)電源的高效性提供保障。同時，電路中輔以過壓過流保護(hù)電路，為系統(tǒng)的安全工作提供保障，本電路注意改善負(fù)載調(diào)整率,降低了電磁串?dāng)_，達(dá)到綠色環(huán)保的目的。輸出電壓可調(diào)，使其可適用于不同場合。關(guān)鍵詞高頻變壓器；場效應(yīng)管；正激式變換器；脈寬調(diào)制AbstractWiththewideapplicationofswitchingpowersupplyinthecomputer,communications,aerospace,instrumentationandelectricalappliancesandsoon,thegrowingdemandforitspeople,andhasputforwardhigherrequirementsforpowerefficiency,volume,weightandpowersupplywithitshighefficiency,smallsize,lightweightandotheradvantagesinmanyrespectsgraduallyreplacedthelinearpowersupply,lowefficiency,heavyandbulky.Thedevelopmentofpowerelectronictechnology,especiallytherapiddevelopmentofthehigh-powerIGBTdevicesandMOSFET,increasingtheworkingfrequencyoftheswitchingpowersupplytoaveryhighlevel,whichhashighstabilityandhighperformancecharacteristics.Oneofthemainpurposesofswitchingpowersupplytechnologyisservesfortheinformationindustries,thedevelopmentofinformationtechnologyonpowertechnologyandputforwardhigherrequirements,soastopromotethedevelopmentofswitchpowersupply.Thisdesignisexcitedbytheswitchingpowersupplydesignofthestructureoftypical,with(RCC)asthecorecontroldevice,usingthebasicprincipleofpulsewidthmodulation,andauxiliarypowersupplybywayofitspower,isconducivetotheoutputpowerincreaseofthemainpowersupply.FETusedasaswitchingdevice,theconductingandclosingfast,conductionlossissmall,whichguaranteethehighefficiencyswitchingpowersupply.Atthesametime,thecircuitwithover-voltageandover-currentprotectioncircuit,providingsecurityforthesafeoperationofsystem,theattentionofthecircuittoimproveloadregulation,reducingtheelectromagneticcrosstalk,toachievethepurposeofenvironmentalprotection.Theoutputvoltageisadjustable,sothatitcanbesuitablefordifferentoccasionsKeywords:Highfrequencytransformer;MOSFET;forwardconverter;pulsewidthmodulation目錄1諸論 1開關(guān)電源的基本概念 1開關(guān)電源的發(fā)展 1開關(guān)電源的發(fā)展史 22電路的比較方案 3方案一、反激式變換器 3方案二、半橋變換器 3方案三、正激式變換器 43各部分電路工作原理 6單相橋式整流電路 6參數(shù)計算 7功率變換電路 8MOS管工作原理 8肖特基二極管 12高頻變壓器的設(shè)計 13變壓器的設(shè)計 13控制電路工作原理 16L431的功能 16短路保護(hù)電路 18輸入保護(hù)器件 18輸入瞬間電壓保護(hù) 184、電路的總結(jié)構(gòu) 20附錄 27附錄一 27附錄二 29參考文獻(xiàn) 30致謝 311諸論電是工業(yè)的動力，是人類生活的源泉。電源是生產(chǎn)電的裝置，表示電源特性的參數(shù)有功率、電壓、電流、頻率等；在同一參數(shù)要求下，又有重量、體積、效率和可靠性等指標(biāo)。我們用的電，一般都需經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能適合使用的需要，例如交流轉(zhuǎn)換成直流，高電壓變成低電壓，大功率變換為小功率等。按照電子理論，所謂AC/DC就是交流轉(zhuǎn)化為直流；AC/AC稱為交流變交流，即為改變頻率；DC/AC稱為逆變；DC/DC為直流變交流后再變?yōu)橹绷?。為了達(dá)到轉(zhuǎn)換的目的，電源變換的方法是多樣的。自20世紀(jì)60年代，人們研發(fā)出了二極管、三極管半導(dǎo)體器件后，就用半導(dǎo)體器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所以，凡是用半導(dǎo)體功率器件作開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的電路，叫做開關(guān)變換電路。在轉(zhuǎn)換時，以自動控制穩(wěn)壓輸出并有各種保護(hù)環(huán)節(jié)的電路，稱為開關(guān)電源（SwitchingPowerSupply）。開關(guān)電源的基本概念開關(guān)電源是通過電路控制開關(guān)管進(jìn)行高速的導(dǎo)通與截止。利用開關(guān)功率器件并通過功率變換技術(shù)而制成的直流穩(wěn)壓電源。它具有體積小、重量輕、效率高、對電網(wǎng)電壓及頻率的變化適應(yīng)性強(qiáng)、輸出電壓穩(wěn)定、有利于計算機(jī)信息保護(hù)等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于以電子計算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源。開關(guān)電源又被稱為高效能節(jié)能電源，內(nèi)部電路工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)化為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要比50Hz高很多，自身消耗的能量很低，電源效率可達(dá)80%左右，比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍。目前生產(chǎn)的無工頻變壓器式中，開關(guān)電源采用脈沖寬調(diào)制器PWM或脈沖頻率調(diào)制器PFM開關(guān)電源的發(fā)展隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展。特別是微處理器和半導(dǎo)體存儲器的開發(fā)利用，孕育了電子系統(tǒng)的新一代產(chǎn)品。顯然，那種體積大而笨重的使用工頻變壓器的線性調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源已經(jīng)過時。取而代之的是小型化、重量輕、效率高的隔離式開關(guān)電源。隔離式開關(guān)電源的核心是一種高頻電源變換電路。它使交流電源高效率地產(chǎn)生一路或多路經(jīng)調(diào)整的穩(wěn)定直流電壓,開關(guān)電源在計算機(jī)、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應(yīng)用,人們對其需求量日益增長,并且對電源的效率、體積、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。開關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源。電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速發(fā)展，將開關(guān)電源的工作頻率提高到相當(dāng)高的水平，使其具有高穩(wěn)定性和高性價比等特性。在轉(zhuǎn)換時，以自動控制穩(wěn)壓輸出并有各種保護(hù)環(huán)節(jié)的電路，稱為開關(guān)電源（SwitchingPowerSupply）。開關(guān)電源的發(fā)展史自20世紀(jì)60年代，人們研發(fā)出了二極管、三極管半導(dǎo)體器件后，就用半導(dǎo)體器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所以，凡是用半導(dǎo)體功率器件作開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的電路，叫做開關(guān)變換電路。在70年代，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成化的開關(guān)電源就已被廣泛地應(yīng)用于電子計算機(jī)、彩色電視機(jī)、衛(wèi)星通信設(shè)備、程控交換機(jī)、精密儀表等電子設(shè)備。這是由于開關(guān)電源能夠滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對多種電壓和電流的需求。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的高度發(fā)展，高反壓快速開關(guān)晶體管使無工頻變壓器的開關(guān)電源迅速實用化。而半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展又為開關(guān)電源控制電路的集成化奠定了基礎(chǔ)，適應(yīng)各類開關(guān)電源控制要求的集成開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)運(yùn)而生，其功能不斷完善，集成化水平也不斷提高，外接元件越來越少，使得開關(guān)電源的設(shè)計、生產(chǎn)和調(diào)整工作日益簡化，成本也不斷下降。目前己形成了各類功能完善的集成開關(guān)穩(wěn)壓器系列。近年來高反壓MOS大功率管的迅速發(fā)展，又將開關(guān)電源的工作頻率從20kHz提高到150-200kHz，其結(jié)果是使整個開關(guān)電源的體積更小，重量更輕，效率更高。開關(guān)電源的性能價格比達(dá)到了很高的水平，使它在與線性電源的競爭中具有先導(dǎo)之勢。當(dāng)然開關(guān)電源能被工業(yè)所接受，首先是它在體積、重量和效率上的優(yōu)勢。在70年代后期，功率在100w以上的開關(guān)電源是有競爭力的。到1980年，功率在50w以上就具有競爭力了。隨著開關(guān)電源性能的改善，到80年代后期，電子設(shè)備的消耗功率在20w以上，就要考慮使用開關(guān)電源了。過去，開關(guān)電源在小功率范圍內(nèi)成本較高，但進(jìn)入90年代后，其成本下降非常顯著，當(dāng)然這包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促進(jìn)開關(guān)電源發(fā)展的因素之一。2電路的比較方案方案一、反激式變換器反激式變換器開關(guān)電源工作原理比較簡單，輸出電壓控制范圍比較大，因此，在一般電器設(shè)備中應(yīng)用廣泛。所謂反激式變換器開關(guān)電源，是指當(dāng)變換器的初級線圈被直流電壓激勵時，變換器的次級線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變換器初級線圈的激勵電壓被關(guān)斷后，才向負(fù)載提供功率輸出，這種變換器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。圖2-1反激式變換器工作原理圖Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，T是高頻變壓器，K是控制開關(guān)，C是儲能濾波電容，R是負(fù)載電阻。圖2-1（b）是反激式變換器開關(guān)電源的電壓輸出波形。方案二、半橋變換器為了減小開關(guān)三極管的承受電壓，可以采用半橋式變換器，它是開關(guān)電源比較好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電容C1、C2與開關(guān)晶體管VT1、VT2組成變換器，如圖2-2所示。橋的對角線接高頻變壓器TR的初級繞組。如果C1、C2容量、耐壓均相等，在某一只開關(guān)晶體管導(dǎo)通時，繞組上的電壓只有電源電壓Vin的一半。在穩(wěn)定的條件下，VT1導(dǎo)通，C1上的電壓1/2Vin加在變壓器的初級線圈上。由于初級繞組和漏感的作用，電流繼續(xù)流入初級繞組黑點標(biāo)示端。如果變壓器初級繞組漏感儲存的電能足夠大，二極管VD6導(dǎo)通，鉗位電壓進(jìn)一步變負(fù)。在VD6導(dǎo)通的過程中，反激能量對C2進(jìn)行充電。連結(jié)點A的電壓在阻尼電阻的作用下，以振蕩形式最后回到中間值。如果這時VT2的基極有觸發(fā)脈沖，則VT2導(dǎo)通，初級繞組黑點標(biāo)示端電壓變負(fù)，Ip電流加上磁化電流流經(jīng)初級繞組和VT2，然后重復(fù)前面的過程。不同的是Ip變換了方向。二極管VD5對三極管VT1的導(dǎo)通鉗位，反激能量再對電容C1進(jìn)行充電。圖2-2半橋式變換器工作原理圖

該電源采用半橋式變換電路，如圖6所示，其工作頻率50kHz，在初級一側(cè)的主要部分是Q4和Q5功率管及C34和C35電容器。Q4和Q5交替導(dǎo)通、截止，在高頻變壓器初級繞組N1兩端產(chǎn)生一幅值為U1/2的正負(fù)方波脈沖電壓。能量通過變壓器傳遞到輸出端，Q4和Q5采用IRFP460功率MOS管。

功率變壓器的設(shè)計

1）工作頻率的設(shè)定

工作頻率對電源的體積、重量及電路特性影響很大。工作頻率高，輸出濾波電感和電容體積減小，但開關(guān)損耗增高，熱量增大，散熱器體積加大。因此根據(jù)元器件及性價比等因素，將電源工作頻率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，本例為fs=50kHz。

T=1/fs=1/50kHz=20μs

2）磁芯選用

①選取磁芯材料和磁芯結(jié)構(gòu)

選用R2KB鐵氧體材料制成的EE型鐵氧體磁芯。其具有品種多，引線空間大，接線操作方便，價格便宜等優(yōu)點。

②確定工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm

R2KB軟磁鐵氧體材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=，考慮到高溫時Bs會下降，同時為防止合閘瞬間高頻變壓器飽和，選定Bm=1/3Bs=。

③計算并確定磁芯型號

磁芯的幾何截面積S和磁芯的窗口面積Q與輸出功率Po存在一定的函數(shù)關(guān)系。對于半橋變換器，當(dāng)脈沖波形近似為方波時為SQ=（1）

式中：η——效率；

j——電流密度，一般取300～500A/cm2；

Kc——磁芯的填充系數(shù)，對于鐵氧體Kc=1；

Ku——銅的填充系數(shù)，Ku與導(dǎo)線線徑及繞制的工藝及繞組數(shù)量等有關(guān)，一般為～左右。

各參數(shù)的單位是：Po—W，S—cm2，Q—cm2，Bm—T，fs—Hz，j—A/cm2。

取Po=640W，Ku=,j=300A/cm2,η=,Bm=,代入式（1）得SQ===

由廠家手冊知，EE55磁芯的S=,Q=,則SQ=，EE55磁芯的SQ值大于計算值，選定該磁芯。

3)計算原副邊繞組匝數(shù)

按輸入電壓最低及輸出滿載的情況（此時占空比最大）來計算原副邊繞組匝數(shù)，已知Umin=176V經(jīng)整流濾波后直流輸入電壓Udmin=×176=。

對于半橋電路、功率變壓器初級繞組上施加的電壓等于輸入電壓的一半,即Upmin=Udmin/2=，設(shè)最大占定比Dmax=，則tonmax=×T×Dmax=×20×=μs

一種輸出電壓4～16V開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計

Upmin×tonmax×104=××10－6×104代入公式N1===匝

次級匝數(shù)計算時取輸出電壓最大值Uomax=16V。次級電路采用全波整流，Us為次級繞組上的感應(yīng)電壓，Uo為輸出電壓，Uf為整流二極管壓降，取1V。Uz為濾波電感等線路壓降，取，則Us====×N1=×=匝，為了便于變壓器繞制，次級繞組取為2匝，則初級繞組校正為：N1=×N2=10匝

輔助電源的設(shè)計

輔助電源采用RCC變換器（RingingChokeConverter），見圖3。其輸入電壓為交流220V整流濾波電壓，輸出直流電壓為，輸出直流電流為。電路中Q8和變壓器初級繞組線圈N1與反饋繞組線圈N3構(gòu)成自激振蕩。R72為啟動電阻。Q9、R77構(gòu)成輔助電源初級過流保護(hù)。D20、C81、ZD1、Q11、R75、R76構(gòu)成電壓檢測與穩(wěn)壓電路，控制Q8的基極電流的直流分量，從而保持輸出電壓恒定，變壓器采用EE19、LP3材質(zhì)構(gòu)成。初級180匝，反饋繞組匝，次級11匝，初級電感量是，磁芯中間留有間隙。方案三、正激式變換器正激式變換器開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性和輸出電壓負(fù)載特性，相對來說比較好，因此，工作比較穩(wěn)定，輸出電壓不容易產(chǎn)生抖動，在一些對輸出電壓參數(shù)要求比較高的場合，經(jīng)常使用。圖2-3正激式變換器工作原理圖正激式變換器開關(guān)電源工作原理：所謂正激式變換器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級線圈正在被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈正好有功率輸出。圖2-3是正激式變換器開關(guān)電源的簡單工作原理圖，圖2-3中Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，T是高頻變壓器，K是控制開關(guān)，L是儲能濾波電感，C是儲能濾波電容，D2是續(xù)流二極管，D3是削反峰二極管，R是負(fù)載電阻。需要特別注意的是高頻變壓器初、次級線圈的同名端。如果把高頻變壓器初線圈或次級線圈的同名端弄反，圖2-3就不再是正激式變換器開關(guān)電源了。3各部分電路工作原理單相橋式整流電路單相橋式整流電路可分為單相橋式全控整流電路和單相橋式半控整流電路，它們所連接的負(fù)載性質(zhì)不同就會有不同的特點。下面分析兩種單相橋式整流電路在帶電感性負(fù)載的工作情況。單相橋式半控整流電路的優(yōu)點是：線路簡單、調(diào)整方便。弱點是：輸出電壓脈動沖大，負(fù)載電流脈沖大電阻性負(fù)載時，且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相橋式全控整流電路具有輸出電流脈動小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點。單相橋式全控整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍，在相同的負(fù)載下流過晶閘管的平均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半。單相橋式半波相控整流電路因其性能較差，實際中很少采用，在中小功率場合采用更多的是單相橋式全控整流電路。根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相橋式全控整流電路，負(fù)載為阻感性負(fù)載在生產(chǎn)實踐中，除了電阻性負(fù)載外，最常見的負(fù)載還有電感性負(fù)載，如電動機(jī)的勵磁繞組，整流電路中串入的濾波電抗器等。為了便于分析和計算，在電路圖中將電阻和電感分開表示。當(dāng)整流電路帶電感性負(fù)載時，整流工作的物理過程和電壓、電流波形都與帶電阻性負(fù)載時不同。因為電感對電流的變化有阻礙作用，即電感元件中的電流不能突變，當(dāng)電流變化時電感要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢而阻礙其變化，所以，電路電流的變化總是滯后于電壓的變化。電路波形圖中：(b)電源電壓；(c)觸發(fā)脈沖；(d)輸出電壓；(e)輸出電流；(f)晶閘管V1,V4上的電流；(g)晶閘管V-2,V-3上的電流；(h)變壓器副邊電流；(i)晶閘管V1,V4上的電壓。圖3-1單相全控橋式整流電路電感性負(fù)載及其波形參數(shù)計算負(fù)載電流連續(xù)時，整流電壓平均值可按下式計算：輸出電流波形因電感很大，平波效果很好而呈一條水平線。兩組晶閘管輪流導(dǎo)電，一個周期中各導(dǎo)電180°，且與α無關(guān)，變壓器二次繞組中電流i2的波形是對稱的正、負(fù)方波。負(fù)載電流的平均值Id和有效值I相等，其波形系數(shù)為1。在這種情況下：當(dāng)α=0°時，Ud=；當(dāng)α=90°時，Ud=0，其移相范圍為90°。晶閘管承受的最大正、反向電壓都是。流過每個晶閘管的電流平均值和有效值分別為。流過負(fù)載的脈動電壓中包含有直流分量和交流分量，可將脈動電壓做傅里葉分析。此時諧波分量中的二次諧波幅度最大，最低次諧波的幅值與平均值的比值稱為脈動系數(shù)S。功率變換電路MOS管工作原理NMOS的特性是Vgs大于一定的值就會導(dǎo)通，適合用于源極接地時的情況（低端驅(qū)動），只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。開機(jī)后，交流電通過整流濾波后一路通過變壓器初級加到開關(guān)管Q2漏極(D極，另一路通過啟動電阻R2、R3加到Q2柵極(G極)，從而使開關(guān)管Q2導(dǎo)通.導(dǎo)通后,變壓器T1原邊產(chǎn)生上正下負(fù)(1正2負(fù))的感應(yīng)電動勢。由于互感，T1輔助繞組也產(chǎn)生相應(yīng)的下正上負(fù)(3正4負(fù))的感應(yīng)電動勢。于是T1的3腳上的正脈沖電壓通過C5、R5加到Q2的G極與S極之間，從而使Q2的漏極電流進(jìn)一步增大，于是開關(guān)管Q2在正反饋雪崩過程的作用下迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)。二氧化硅來作為閘門極下的絕緣體。這種晶體管稱為金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管，或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET。因為MOS管更小更省電，所以他們已經(jīng)在很多應(yīng)用場合取代了雙極型晶體管。

首先考察一個更簡單的器件－MOS電容－能更好的理解MOS管。這個器件有兩個電極，一個是金屬，另一個是襯底，他們之間由一薄層二氧化硅分隔開圖3-1A。金屬極就是閘門，而半導(dǎo)體端就是柵極。他們之間的絕緣氧化層稱為閘門電壓來說明。圖3-1A中的MOS電容的閘門電位是0V。金屬閘門和半導(dǎo)體柵極在差異的電介質(zhì)（氧化層的上下）上產(chǎn)生了一個小電場。圖示的器件中，這個電場使金屬電子少了，故閘門電介質(zhì)。圖示中的器件有一個輕摻雜P型硅做成柵極。這個MOS電容的電特性能通過把柵極接地，閘門接不同的極帶正電），P型硅負(fù)電位（相對電子多了。這個電場把硅中底層的電子吸引到表面來，它同時把空穴排斥出表面。這個電場太弱了，所以載流子濃度的變化非常小，對器件整體的特性影響也非常小。

圖3-1中是當(dāng)MOS電容的閘門相對于柵極正偏置（PN結(jié)）時發(fā)生的情況。穿過閘門電介質(zhì)的電場加強(qiáng)了，有更多的電子從襯底被拉了上來。同時，空穴被排斥出表面。隨著閘門電壓的升高，會出現(xiàn)表面的電子比空穴多的情況。由于過剩的電子，硅表層看上去就像N型硅。摻雜極性的反轉(zhuǎn)被稱為"反型"，反轉(zhuǎn)的硅層叫做溝渠(NPmos的命名就是根據(jù)這里來的)。隨著閘門電壓的持續(xù)不斷升高，越來越多的電子在表面積累，溝渠變成了強(qiáng)反轉(zhuǎn)。溝渠形成時的電壓被稱為閾值電壓Vt。當(dāng)閘門和柵極之間的電壓差小于閾值電壓時，不會形成溝渠。當(dāng)電壓差超過閾值電壓時，溝渠就出現(xiàn)了。（其實還有個亞閾值狀態(tài)柵極電壓,此時也有載流子，也有電子通道，不過很小一般忽略，此時耗盡層的負(fù)電荷占據(jù)主要，以映像柵上的電壓)。圖3-1MOS電容（A）未偏置（VBG＝0V），（B）反轉(zhuǎn)（VBG＝3V），（C）積累（VBG＝-3V）。圖3-1C中是當(dāng)MOS電容的閘門相對于柵極是負(fù)電壓時的情況（就好像給二極管的PN結(jié)加上正電壓）。電場反轉(zhuǎn)，往表面吸引空穴排斥電子。硅表層看上去更重的摻雜了，這個器件被認(rèn)為是處于電荷積累狀態(tài)了。MOS電容的特性能被用來形成MOS管。圖3-1A是最終器件的截面圖。閘門，電介質(zhì)和柵極保持原樣。在閘門的兩邊是兩個額外的選擇性摻雜的區(qū)域。其中一個稱為源極，另一個稱為漏極。假設(shè)源極和柵極都接地，漏極接正電壓。只要閘門對柵極的電壓仍舊小于閾值電壓，就不會形成溝渠。漏極和柵極之間的PN結(jié)反向偏置，所以只有很小的電流從漏極流向柵極。如果閘門電壓超過了閾值電壓，在閘門電介質(zhì)下就出現(xiàn)了溝渠。這個溝渠就像一薄層短接漏極和源極的N型硅。由電子組成的電流從源極通過溝渠流到漏極?？偟膩碚f，只有在閘門對源極電壓V超過閾值電壓Vt時，才會有漏極電流。圖3-2MOSFET晶體管的截面圖NMOS（A）。在圖中，S＝源極，G=閘門,D=漏極。雖然柵極圖上也有，但沒有說明。MOS管的源極和漏極是可以對調(diào)的，他們都是在P型柵極中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個兩個區(qū)是一樣的，即使兩端對調(diào)也不會影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對稱的。在對稱的MOS管中，對源極和漏極的標(biāo)注有一點任意性。定義上，載流子流出源極，流入漏極。因此源極和漏極的身份就靠器件的偏置來決定了。有時晶體管上的偏置電壓是不定的，兩個引線端就會互相對換角色。這種情況下，電路設(shè)計師必須指定一個是漏極另一個則是源極。源極和漏極不同摻雜不同幾何形狀的就是非對稱MOS管。制造非對稱晶體管有很多理由，但所有的最終結(jié)果都是一樣的。一個引線端被優(yōu)化作為漏極，另一個被優(yōu)化作為源極。如果漏極和源極對調(diào)，這個器件就不能正常工作了。圖3-2A中的晶體管有N型溝渠所有它稱為N-溝渠MOS管，或NMOS。如果這個晶體管的閘門相對于柵極正向偏置，電子就被吸引到表面，空穴就被排斥出表面。硅的表面就積累，沒有溝渠形成。如果閘門相對于柵極反向偏置，空穴被吸引到表面，溝渠形成了。由于NMOS管的閾值電壓是正的，PMOS的閾值電壓是負(fù)的，所以工程師們通常會去掉閾值電壓前面的符號。一個工程師可能，從上升到”，實際上PMOS的Vt是從下降到。極帶輕微的正電位是因為下面襯底是P型的空穴多，電子少，故需要從別處"搶來"電子，所以氧化物處。圖3-2功率變換電路工作原理:圖3-2的R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2組成緩沖器，和開關(guān)MOS管并接，使開關(guān)管電壓應(yīng)力減少，EMI減少，不發(fā)生二次擊穿。在開關(guān)管Q1關(guān)斷時，變壓器的原邊線圈易產(chǎn)生尖峰電壓和尖峰電流，這些元件組合一起，能很好地吸收尖峰電壓和電流。從R3測得的電流峰值信號參與當(dāng)前工作周波的占空比控制，因此是當(dāng)前工作周波的電流限制。當(dāng)R5上的電壓達(dá)到1V時，UC3842停止工作，開關(guān)管Q1立即關(guān)斷。R1和Q1中的結(jié)電容CGS、CGD一起組成RC網(wǎng)絡(luò)，電容的充放電直接影響著開關(guān)管的開關(guān)速度。R1過小，易引起振蕩，電磁干擾也會很大；R1過大，會降低開關(guān)管的開關(guān)速度。Z1通常將MOS管的GS電壓限制在18V以下，從而保護(hù)了MOS管。Q1的柵極受控電壓為鋸形波，當(dāng)其占空比越大時，Q1導(dǎo)通時間越長，變壓器所儲存的能量也就越多；當(dāng)Q1截止時，變壓器通過D1、D2、R5、R4、C3釋放能量，同時也達(dá)到了磁場復(fù)位的目的，為變壓器的下一次存儲、傳遞能量做好了準(zhǔn)備。IC根據(jù)輸出電壓和電流時刻調(diào)整著⑥腳鋸形波占空比的大小，從而穩(wěn)定了整機(jī)的輸出電流和電壓。C4和R6為尖峰電壓吸收回路。正激式變換電路設(shè)計正激式是指變壓器的初級與次級同相位。正激式變換器的優(yōu)點是銅損低，因為使用無氣隙磁芯，電感量較高，變壓器的峰值電流比較小，輸出電壓紋波低；缺點是電路較為復(fù)雜，所用元器件多，如果有假負(fù)載存在，效率將降低。它適用于低電壓、大電流的開關(guān)電源，多用于150W以下的小功率場合。它還具有多臺電源并聯(lián)使用而互不受影響的特點，而且可以自動均衡，而反激式卻不能做到這點。C19是開關(guān)晶體管鉗位消噪電路；VD8是肖特基整流二極管，它的作用非常重要，差不多40%的功耗損失在整流二極管上。肖特基二極管肖特基二極管SBD是一種N型半導(dǎo)體器件，工作在低電壓、大電流狀態(tài)下，反向恢復(fù)時間短，只有納秒，正向?qū)▔航禐?，而整流電流達(dá)數(shù)百安。它是最近在開關(guān)電源中應(yīng)用得最多的一種器件。區(qū)分肖特基二極管和超快速恢復(fù)二極的方法是二者的正向壓降不同，肖特基二極管的正向壓降為，超快速恢復(fù)二極管的正向壓降啊。值得注意的是：肖特基二極管的最高反向工作電壓一般不超過100V，它適合用在低電壓、大電流的開關(guān)電源中。因此，在本設(shè)計中肖特基二極管的采用為MBR1045。肖特基二極管MBR1045參數(shù)如下：型號：MBR1045；反向峰值電壓Vrm：45；平均整流電流Id：10A；反向恢復(fù)時Trr：<10ns。高頻變壓器的設(shè)計變壓器的設(shè)計正激式變換器的占空比不得大于，工作頻率應(yīng)低于100KHz，這對高頻變壓器的和開關(guān)功率管來說比較有利。輸入：85V~265V，AC,50Hz。輸出：24V/10A，DC。工作頻率的確定工作頻率的確定，輸出電壓高，響應(yīng)速度快，調(diào)整范圍大，但是場效應(yīng)管、整流二極管以及變壓器等發(fā)熱多。損耗大，噪聲大?，F(xiàn)選用100kHz，電源效率取80%。工作周期為：最大導(dǎo)通時間Ton（max）的確定正激式變壓器的占空比D（max）應(yīng)該低于，現(xiàn)選用D（max）=，D（min）=，得：變壓器次級輸出電壓（Vs）的計算這公式中Vo為肖特基二極管的正向壓降，取值，VL為濾波電感器的壓降，取值為。變壓器匝數(shù)比（n）的計算變壓器初級的最低直流電壓為，一般設(shè)。輸入功率的計算表1輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系尺寸磁芯型號A/H（max）B/h（max）C（max）D（max）有效截面積（mm2）輸出功率Po（W）窗口面積Be（mm2）50kHz100kHz150kHz200kHzEE1616/812/641881216189EE1919/714/6452015203040EE2222/1119/8663620305080EE2525/1719/13764240559013018EE2828/1720/8785090140200EE3038/2121/171111595130210260EE3535/2028/181110110120170300440EE4040/2735/2112138190290420550EE4545/3038/23131215622035051065075根據(jù)輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系（見表1），選用EE35，其有效截面積。變壓器次級匝數(shù)的計算Bm為磁通密度，實際應(yīng)用磁芯的最高溫度為100℃，可以選用以下。對于正激式變壓器，它是單向勵磁?？紤]到剩磁問題和工作頻率，現(xiàn)選用為。反饋繞組的計算的最低啟動電壓為16V，正常工作電壓為20V，加上整流二極管的管壓降，所以反饋繞組的供電電壓為。重新確定是否達(dá)到要求占空比：占空比符合要求，未超過設(shè)計范圍，匝數(shù)成立，假設(shè)可行。扼流圈電感的計算扼流圈在電路中起著平滑濾波的作用，它的大小對輸出波紋電壓的大小似乎起不到很大的作用，但它對于維持負(fù)載最小電流卻起著很大的作用。中的電流在連續(xù)和斷續(xù)兩種模式下工作，不論哪種模式，只要輸入輸出電壓不變，電流波形的斜率不會因負(fù)載電流的增大或減小的改變。 實踐表明，在不連續(xù)工作狀態(tài)下，為達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定，占空比調(diào)節(jié)量的大小是由負(fù)載和輸入電壓變化量的大小同決定的。 當(dāng)輸出電流因負(fù)載變化而降低時，占空比較小，調(diào)節(jié)輸出電壓不變；如果電路負(fù)載恒定，占空比下降，這時輸出電壓也會下降。這種現(xiàn)象是非常不好的，這是因為主輸出扼流圈電感不是處于連續(xù)狀態(tài)。 增大扼流圈的電感，輸出回路雖然可以在工作連續(xù)模式下，但對電源的效率、體積以及安裝都會帶來限制，同時輸出電流變化率將出現(xiàn)較大的變化。認(rèn)真計算和調(diào)試選用扼流圈非常重要。 流經(jīng)扼流圈的電流一般是輸出電流的20%： 扼流圈的電感量L為：要求輸出紋波電壓應(yīng)小于輸出電壓的1%。 計算變壓器初級電感量初級有效電流：初級最大電流：初級電感量：eq\o\ac(○,11)求磁芯氣隙δ 控制電路工作原理圖3-4給出實際應(yīng)用最多的RCC方式的基本電路圖。為簡化穩(wěn)態(tài)分析，可做如下近似；1、忽略變壓器漏感對主管1rT的集射極電壓CEV的影響，實際使用時需要RCD箝位；2、主電路輸出電容足夠大，輸出繞組電壓箝位于輸出電壓OV；3、穩(wěn)態(tài)時電容2C上的電壓保持不變；4、穩(wěn)態(tài)時電阻gR的作用可以忽略。圖3-4RCC工作基本原理圖L431的功能TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（）到36V范圍內(nèi)的任何值，典型動態(tài)阻抗為Ω，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。圖3-5該器件的電路符號。3個引腳分別為：陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）和參考端（REF）。圖3-5TL431電路符號和等效電路由圖3-5可以看到，VI是一個內(nèi)部的基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)REF端（同相端）的電壓非常接近VI（）時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管圖4-2的電流將從1mA到100mA變化。當(dāng)然，該圖絕不是TL431的實際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡單地用這種組合來代替它。但如果在設(shè)計、分析應(yīng)用TL431的電路時，這個模塊圖對開啟思路，理解電路都是很有幫助的。圖3-6TL431內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖短路保護(hù)電路輸入保護(hù)器件隔離式開關(guān)電源在加電時會產(chǎn)生極高的浪涌電流設(shè)計者必須在電源的輸入端采取一些限流措施才能有效地將浪涌電流減小到允許的范圍之內(nèi)。浪涌電流主要是由濾波電容充電引起的在開關(guān)管開始導(dǎo)通的瞬間電容對交流呈現(xiàn)出很低的阻抗。如果不采取任何保護(hù)措施浪涌電流可接近幾百安培。通常廣泛采用的措施有兩種。一種方法是利用電阻一雙向可控硅并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。另一種方法是采用負(fù)溫度系數(shù)(NTc)的熱敏電阻。用以增加對交流線路的阻抗，把浪涌電流減小到安全值。電阻雙向可控硅技術(shù)。采用此項浪涌電流限制技術(shù)時，將電阻與交流輸入線相串聯(lián)。當(dāng)輸入濾波電容充滿電后。由于雙向可控硅和電阻是并聯(lián)的，可以把電阻短路，對其進(jìn)行分流。這種電路結(jié)構(gòu)需要一個觸發(fā)電路，當(dāng)某些預(yù)定的條件滿足后，觸發(fā)電路把雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通。設(shè)計時要認(rèn)真地選擇雙向可控硅的參數(shù)，并加上足夠的散熱片，因為在它導(dǎo)通時，要流過全部的輸入電流。熱敏電阻技術(shù)。這種方法是把NTc(負(fù)溫度系數(shù))的熱敏電阻串聯(lián)在交流輸入端或者串聯(lián)在經(jīng)過橋式整流后的直流線上。由于阻值較大。它就限制了浪涌電流，當(dāng)電容開始充電時，充電電流流過熱敏電阻開始對其加熱。由于熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，隨著電阻的加熱。其電阻值開始下如果熱敏電阻選擇得合適在負(fù)載電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，其阻值應(yīng)該是最小。這樣就不會影響整個開關(guān)電源的效率。輸入瞬間電壓保護(hù)在一般情況下交流電網(wǎng)上的電壓為115v或230v左右。但有時也會有高壓的尖峰出現(xiàn)。比如電網(wǎng)附近有電感性開關(guān)，暴風(fēng)雨天氣時的雷電現(xiàn)象，都是產(chǎn)生高尖峰的因素。受嚴(yán)重的雷電影響，電網(wǎng)上的高壓尖峰可達(dá)5kv。雖然電壓尖峰持續(xù)的時間很短但是它確有足夠的能量使開關(guān)電源的輸入濾波器、開關(guān)晶體管等造成致命的損壞。所以必須要采取措施加以避免。用在這種環(huán)境中最通用的抑制干擾器件是金局氧化物壓敏電阻(VDR)瞬態(tài)電壓抑制器。壓敏電阻起到一個可變阻抗的作用。也就是說，當(dāng)高壓尖峰瞬間出現(xiàn)在壓敏電阻兩端時，它的阻抗急劇減小到一個低值，消除了尖峰電壓使輸入電壓達(dá)到安全值。瞬間的能量消耗在壓敏電阻上。短路保護(hù):當(dāng)輸出短路時,輔助繞組3腳電位跟著抬升，從而使Z1擊穿,使Q3導(dǎo)通關(guān)斷Q2柵極電位，從而關(guān)斷震蕩,起到保護(hù)作用。2、過流保護(hù):當(dāng)輸出功率增大時,輸出電壓下掉,經(jīng)過431反射,使光耦導(dǎo)通程度加強(qiáng)，也即通過光耦次級流到R8的電流增加，當(dāng)加在R8上的電壓>=Q3的B-E導(dǎo)通電壓時,Q3導(dǎo)通，從而實現(xiàn)保護(hù)功能。圖4-1開關(guān)電源的工作原理