1、開關電源原理及分類 1、12V/5V兩路輸出開關電源。 （1）原理圖設計（參考PI軟件給出的解決方案）（拓撲圖）采用反激式。主回路開關電源中，功率電流流經的通路。主回路一般包含了開關電源中的開關器件、儲能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器、等所有功率器件，以及供電輸入端和負載端。開關電源（直流變換器）的類型很多，在研究開發或者維修電源系統時，全面了解開關電源主回路的各種基本類型，以及工作原理，具有極其重要的意義。開關電源主回路可以分為隔離式與非隔離式兩大類型。1. 非隔離式電路的類型：非隔離輸入端與輸出端電氣相通，沒有隔離。1.1. 串聯式結構串聯在主回路中開關器件（下圖中所示的開關三極管T

2、）與輸入端、輸出端、電感器L、負載RL四者成串聯連接的關系。開關管T交替工作于通/斷兩種狀態，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T及電感器L對負載供電，并同時對電感器L充電，當開關管T關斷時，電感器L中的反向電動勢使續流二極管D自動導通，電感器L中儲存的能量通過續流二極管D形成的回路，對負載R繼續供電，從而保證了負載端獲得連續的電流。串聯式結構，只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓，因此為降壓式變換。例如buck拓撲型開關電源就是屬于串聯式的開關電源上圖是在圖1-1-a電路的基礎上，增加了一個整流二極管和一個LC濾波電路。其中L是儲能濾波電感，它的作用是在控制開關K接通期間Ton限制大電流通過，

3、防止輸入電壓Ui直接加到負載R上，對負載R進行電壓沖擊，同時對流過電感的電流iL轉化成磁能進行能量存儲，然后在控制開關T關斷期間Toff把磁能轉化成電流iL繼續向負載R提供能量輸出；C是儲能濾波電容，它的作用是在控制開關K接通期間Ton把流過儲能電感L的部分電流轉化成電荷進行存儲，然后在控制開關K關斷期間Toff把電荷轉化成電流繼續向負載R提供能量輸出；D是整流二極管，主要功能是續流作用，故稱它為續流二極管，其作用是在控制開關關斷期間Toff，給儲能濾波電感L釋放能量提供電流通路。在控制開關關斷期間Toff，儲能電感L將產生反電動勢，流過儲能電感L的電流iL由反電動勢eL的正極流出，通過負載R

4、，再經過續流二極管D的正極，然后從續流二極管D的負極流出，最后回到反電動勢eL的負極。對于圖1-2，如果不看控制開關T和輸入電壓Ui，它是一個典型的反 型濾波電路，它的作用是把脈動直流電壓通過平滑濾波輸出其平均值。串聯式開關電源輸出電壓uo的平均值Ua為：1.2. 并聯式結構并聯在主回路中，相對于輸入端而言，開關器件（下圖中所示的開關三極管T）與輸出端負載成并聯連接的關系。開關管T交替工作于通/斷兩種狀態，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T對電感器L充電，同時續流二極管D關斷，負載R靠電容器存儲的電能供電；當開關管T關斷時，續流二極管D導通，輸入端電源電壓與電感器L中的自感電動勢正向疊加

5、后，通過續流二極管D對負載R供電，并同時對電容器C充電。 由此可見，并聯式結構中，可以獲得高于輸入電壓的輸出電壓，因此為升壓式變換。并且為了獲得連續的負載電流，并聯結構比串聯結果對輸出濾波電容C的容量有更高的要求。例如boots拓撲型的開關電源就是屬于并聯型式的開關電源。并聯開關電源輸出電壓Uo為：boots拓撲輸出電壓Uo：Uo=Ui(1+D/1-D)=Ui(1/1-D)(D 為占空比)1.3.極性反轉型變換器結構（inverting）極性反轉輸出電壓與輸入電壓的極性相反。電路的基本結構特征是：在主回路中，相對于輸入端而言，電感器L與負載成并聯。(也是串聯式開關電源的一種，一般又稱為反轉式串

6、聯開關電源) 開關管T交替工作于通/斷兩種狀態，工作過程與并聯式結構相似，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T對電感器L充電，同時續流二極管D關斷，負載RL 靠電容器存儲的電能供電；當開關管T關斷時，續流二極管D導通，電感器L中的自感電動勢通過續流二極管D對負載RL供電，并同時對電容器C充電；由于續流二極管D的反向極性，使輸出端獲得相反極性的電壓輸出。反轉式串聯開關電源輸出電壓Uo為：由（1-27）式可以看出，反轉式串聯開關電源輸出電壓與輸入電壓與開關接通的時間成正比，與開關關斷的時間成反比。2. 隔離式電路的類型：隔離輸入端與輸出端電氣不相通，通過脈沖變壓器的磁偶合方式傳遞能量，輸入輸出

7、完全電氣隔離。2.1. 單端正激式 single Forward  Converter（又叫單端正激式變壓器開關電源 ）單端通過一只開關器件單向驅動脈沖變壓器 （又叫單激）雙激式（雙端）變壓器開關電源：所謂雙激式變壓器開關電源，就是指在一個工作周期之內，變壓器的初級線圈分別被直流電壓正、反激勵兩次。與單激式變壓器開關電源不同，雙激式變壓器開關電源一般在整個工作周期之內，都向負載提供功率輸出。雙激式變壓器開關電源輸出功率一般都很大，因此，雙激式變壓器開關電源在一些中、大型電子設備中應用很廣泛。這種大功率雙激式變壓器開關電源最大輸出功率可以達300瓦以上，甚至可以超過1000瓦

8、。推挽式、半橋式、全橋式等變壓器開關電源都屬于雙激式變壓器開關電源。）（單激式變壓器開關電源普遍應用于小功率電子設備之中，因此，單激式變壓器開關電源應用非常廣泛。而雙激式變壓器開關電源一般用于功率較大的電子設備之中，并且電路一般也要復雜一些。單激式變壓器開關電源的缺點是變壓器的體積比雙激式變壓器開關電源的激式變壓器的體積大，因為單激式開關電源的變壓器的磁芯只工作在磁回路曲線的單端，磁回路曲線變化的面積很小。）正激式：就是只有在開關管導通的時候，能量才通過變壓器或電感向負載釋放，當開關關閉的時候，就停止向負載釋放能量。目前屬于這種模式的開關電源有：串聯式開關電源，buck拓撲結構開關電源，激式變

9、壓器開關電源、推免式、半橋式、全橋式都屬于正激式模式。反激式：就是在開關管導通的時候存儲能量，只有在開關管關斷的時候釋放才向負載釋放能量。屬于這種模式的開關電源有：并聯式開關電源、boots、極性反轉型變換器、反激式變壓器開關電源。 正激變壓器脈沖變壓器的原/付邊相位關系，確保在開關管導通，驅動脈沖變壓器原邊時，變壓器付邊同時對負載供電。所謂正激式變壓器開關電源，是指當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。（正激式變壓器開關電源是推免式變壓器開關電源衍生過來的，推免式有兩個控制開關，正激式改成一個開關控制。） U1是開關電源的輸入電壓，N是開關變壓器，

10、T是控制開關，L是儲能濾波電感，C是儲能濾波電容，D2是續流二極管，D3是削反峰二極管，RL是負載電阻。（對于加不加N3和D3主要由設計者來決定，如果不加N3和D3就得在變壓器初級線圈N1的兩端并聯一個RC電路，用來吸收變壓器產生的反激式輸出能量，要么變壓器初級線圈產生的反電動勢非常高，很容易把電源開關管擊穿。這個反激式能量很大，如果用RC電路來吸收，能量會白白的浪費掉，使開關電源的工作效率大大下降。因此，如果你不考慮工作效率，也可以不加N3和D3，而加一個RC電路。）工作原理：開關管T導通時，D1也導通，這時電網向負載傳送能量，濾波電感儲存能量；當開關管T截止時，電感通過續流二極管D2 繼續

11、向負載釋放能量。 在上圖中，需要特別注意的是開關變壓器初、次級線圈的同名端。如果把開關變壓器初線圈或次級線圈的同名端弄反，上圖就不再是正激式變壓器開關電源了該電路的最大問題是：開關管T交替工作于通/斷兩種狀態，當開關管關斷時，脈沖變壓器處于“空載”狀態，其中儲存的磁能將被積累到下一個周期，直至電感器飽和，使開關器件燒毀。圖中的D3與N3構成的磁通復位電路，提供了泄放多余磁能的渠道。優點：1）正激式變壓器開關電源輸出電壓的瞬態控制特性相對來說比較好。2）正激式變壓器開關電源的負載能力相對來說比較強，輸出電壓的紋波比較小。（說明正激式變壓器開關電源的電壓和電流輸出特性要比反激式變壓器開關

12、電源好很多。） 缺點：1）電路中比反激式變壓器開關電源多用一個大儲能濾波電感，以及一個續流二極管。 2）正激式變壓器開關電源的變壓器的體積要比反激式變壓器開關電源的變壓器的體積大。 3）變壓器初級線圈產生的反電動勢電壓要比反激式變壓器開關電源產生的反電動勢電壓高。（一般正激式變壓器開關電源都設置有一個反電動勢能量吸收回路，如的變壓器反饋線圈N3繞組和整流二極管D3。由于反電動勢電壓高因此，正激式變壓器開關電源在輸入電壓為交流220伏的設備中很少使用，或者用兩個電源開關管串聯來使用）2.2. 單端反激式 Single F1yback Converter（單端反激式變壓器開關電源）  所

13、謂反激式變壓器開關電源，是指當變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈沒有向負載提供功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關斷后才向負載提供功率輸出，這種變壓器開關電源稱為反激式開關電源。工作原理：當開關K 關閉時,變壓器初級N1有電流 Ip,并將能量儲存于其中(e1 = L1di/dt =Ui 或者e1 = N1d/dt = Ui).由于N1與N2極性相反,此時二極管D反向偏壓而截止,無能量傳送到負載.當開關K打開 時,由楞次定律 : (e = -N/T)可知,變壓器原邊繞組將產生一反向電勢,此時二極管D正向導通,負載有電流IL流通 反激式變壓器開關電源的輸出電壓為：（1-

14、110）式中，Uo為反激式變壓器開關電源的輸出電壓，Ui變壓器初級線圈輸入電壓，D為控制開關的占空比，n為變壓器次級線圈與初級線圈的匝數比。 一、反激式轉換器的優點有: 1. 電路簡單比正反激式少用一個大儲能濾波電感，以及一個續流二極管，因此，反激式的體積要比正激式變壓器開關電源的體積小，且成本也要降低。且能高效提供多路直流輸出,因此適合多組輸出要求. 2. 轉換效率高,損失小. 3. 變壓器匝數比值較小. 4. 輸入電壓在很大的范圍內波動時,仍可有較穩定的輸出,目前已可實現交流輸入在 85265V間.無需切換而達到穩定輸出的要求. 二、反激式轉換器的缺點有: 1. 電壓和電流輸出特

15、性要比正激式變壓器開關電源差，輸出電壓中存在較大的紋波,負載調整精度不高,因此輸出功率受到限制,通常應用于150W以下. 2. 轉換變壓器在電流連續(CCM)模式下工作時,有較大的直流分量,易導致磁芯飽和,所以必須在磁路中加入氣隙,從而造成變壓器體積變大. 3. 變壓器有直流電流成份,且同時會工作于CCM / DCM兩種模式,故變壓器在設計時較困難,反復調整次數較順向式多,迭代過程較復雜.2.3. 推挽 Push pull （變壓器中心抽頭）式這種電路結構的特點是：對稱性結構，脈沖變壓器原邊是兩個對稱線圈，兩只開關管接成對稱關系，輪流通斷，工作過程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。 主

16、要優點：高頻變壓器磁芯利用率高（與單端電路相比）、電源電壓利用率高（與后面要敘述的半橋電路相比）、輸出功率大、兩管基極均為低電平，驅動電路簡單。主要缺點：變壓器繞組利用率低、對開關管的耐壓要求比較高（至少是電源電壓的兩倍）。2.4. 全橋式 Full Bridge Converter這種電路結構的特點是：由四只相同的開關管接成電橋結構驅動脈沖變壓器原邊。 圖中T1、T4為一對，由同一組信號驅動，同時導通/關端；T2、T3為另一對，由另一組信號驅動，同時導通/關端。兩對開關管輪流通/斷，在變壓器原邊線圈中形成正/負交變的脈沖電流。主要優點：與推挽結構相比，原邊繞組減少了一半，開關管耐壓降低一半。

17、主要缺點：使用的開關管數量多，且要求參數一致性好，驅動電路復雜，實現同步比較困難。這種電路結構通常使用在1KW以上超大功率開關電源電路中。 2.5. 半橋式 Half Bridge Converter電路的結構類似于全橋式，只是把其中的兩只開關管（T3、T4）換成了兩只等值大電容C1、C2。 主要優點：具有一定的抗不平衡能力，對電路對稱性要求不很嚴格；適應的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以；開關管耐壓要求較低；電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種非穩壓輸出的DC變換器，如電子熒光燈驅動電路中。諧振式開關電源在脈沖調制電路中，加入C、L諧振電路，使得流過開關的電流及管子兩端

18、的壓降為準正弦波。這種開關電源成為諧振式開關電源。利用一定的控制技術，可以實現開關管在電流或電壓波形過零時切換，這樣對縮小電源體積，增大電源控制能力，提高開關速度，改善紋波都有極大好處。所以諧振開關電源是當前開關電源發展的主流技術。又分為：1ZCS零電流開關。開關管在零電流時關斷。2ZVS零電壓開關。開關管在零電壓時關斷。 串并聯諧振（SPRC,也叫LCC諧振） 對于諧振變換來講，串聯諧振（SRC），并聯諧振（PRC）,以及串并聯諧振（SPRC,也叫LCC諧振）是三種主要的流行拓撲結構。這三種拓撲的分析和設計已經非常系統。下面將研究這三種拓撲在前端變換中的應用。 DCDC電

19、源變換器的拓撲類型 0 引言    本文的第一部分為“DCDC電源變換器拓撲的分類”，第二部分是在參考美國TI公司資料的基礎上撰寫而成的，新增加了各種DCDC電源變換器的主要特點及PWM控制器的典型產品，另外還按照目標對電路結構、波形參數和汁算公式中的物理量作了統一。本文的特點足以表格形式歸納了常見DCDC電源變換器的拓撲結構這對電源專業的廣大技術人員是一份不可多得的技術資料。1 DCDC電源變換器拓撲結構的分類    DCDC電源變換器的拓撲類型主要有以下13種：    (1)Buck Con

20、verter降壓式變換器；    (2)Boost Conyerter升壓式變換器；    (3)BuckBoost Converter降壓/升壓式變換器，含極性反轉(Inverting)式變換器；    (4)Cuk Converter升壓，升壓串聯式變換器；    (5)SEPIC(Single Endcd Pdimary Inductor Converter)單端一次側電感式變換器；    (6)F1yback Converter反激式(亦

21、稱回掃式)變換器；    (7)Forward Converter正激式變換器：    (8)Double Switches Forward Converter雙開關正激式變換器；    (9)Active Clamp Forward Converter有源箝位    (0)Half Bridge Converter半橋式變換器；    (11)Full Bridge Converter全橋式變換器；    (12)

22、Push pull Convener推挽式變換器：    (13)Phase Shift Switching ZVT(Phase Shift Switching Zero Voltage Transition)移相式零電壓開關變換器。2 常見DCDC電源變換器的拓撲類型    常見DC/DC電源變換器的拓撲類型見表1表3所列。表中給出不同的電路結構，同時也給出相應的電壓及電流波形(設相關的電感電流為連續工作方式)。PWM表示脈寬調制波形，U1為直流輸入電壓，UDS為功率丌關管S1(MOSFFT)的漏一源極電壓。ID1為S1的漏極電流。

23、IF1為D1的工作電流，U0為輸出電壓，IL為負載電流。T為周期，t為UO呈高電平(或低電平)的時間及開關導通時間，D為占空比，有關系式：D=t/T。C1、C2均為輸入端濾波電容，CO為輸出端濾波電容，L1、L2為電感。3、RC鉗位電路： 由于變壓器漏感的存在，反激變換器在開關管關斷瞬間會產生很大的尖峰電壓，使得開關管承受較高的電壓應力，甚至可能導致開關管損壞。因此，為確保反激變換器安全可靠工作，必須引入鉗位電路吸收漏感能量。鉗位電路可分為有源和無源鉗位電路兩類，其中無源鉗位電路因不需控制和驅動電路而被廣泛應用。在無源鉗位電路中，RCD 鉗位電路因結構簡單、體積小、成本低而倍受青睞。 RCD鉗

24、位電路在吸收漏感能量的時候，同時也會吸收變壓器中的一部分儲能，所以RCD鉗位電路參數的選擇，以及能耗到底為多少，想要確定這些情況會變得比較復雜。對其做詳細的分析是非常必要的，因為它關系到開關管上的尖峰電壓，從而影響到開關管的選擇，進而會影響到EMI，并且，RCD電路設計不當，會對效率造成影響，而過多的能量損耗又會帶來溫升問題，所以說RCD鉗位電路可以說是很重要的部分。開關電源布線規則一、采用平等走線可以減少導線電感，但導線之間的互感和分布電容增加，如果布局允許，最好采用井字形網狀布線結構，具體做法是印制板的一面橫向布線，另一面縱向布線，然后在交叉孔處用金屬化孔相連。為了抑制印制板導線之間的串擾

25、，在設計布線時應盡量避免長距離的平等走線，盡可能拉開線與線之間的距離，信號線與地線及電源線盡可能不交叉。盡量避免大電流高電壓布線與測量線、控制線的并行布線。在一些對干擾十分敏感的信號線之間設置一根接地的印制線，可以有效地抑制串擾。二、 參數設置相鄰導線間距必須能滿足電氣安全要求，而且為了便于操作和生產，間距也應盡量寬些。最小間距至少要能適合承受的電壓，在布線密度較低時，信號線的間距可適當地加大，對高、低電平懸殊的信號線應盡可能地短且加大間距，一般情況下將走線間距設為8mil。焊盤內孔邊緣到印制板邊的距離要大于 1mm，這樣可以避免加工時導致焊盤缺損。當與焊盤連接的走線較細時，要將焊盤與走線之間

26、的連接設計成水滴狀，這樣的好處是焊盤不容易起皮，而是走線與焊盤不易斷開。三、 元器件布局實踐證明，即使電路原理圖設計正確，印制電路板設計不當，也會對電子設備的可靠性產生不利影響。例如，如果印制板兩條細平行線靠得很近，則會形成信號波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲；由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾，會使產品的性能下降，因此，在設計印制電路板的時候，應注意采用正確的方法。大功率的器件最好能比較規整地布局，便于散熱器的安裝及散熱風道的設計。在大電流高電壓的布線連接中，盡量避免用導線在空間中長距離連接，它導致的干擾是很難處理的。交流輸入與直流輸出要有較明確的布局區分，最佳辦法是能夠互相隔離。

27、控制電路與主功率電路要有較明確的布局區分。輸入端與輸出端（包括DC/DC變換初級與次級）布線距離最少要在5毫米以上。每一個開關電源都有四個電流回路：(1). 電源開關交流回路(2). 輸出整流交流回路(3). 輸入信號源電流回路(4). 輸出負載電流回路輸入回路通過一個近似直流的電流對輸入電容充電，濾波電容主要起到一個寬帶儲能作用；類似地，輸出濾波電容也用來儲存來自輸出整流器的高頻能量，同時消除輸出負載回路的直流能量。所以，輸入和輸出濾波電容的接線端十分重要，輸入及輸出電流回路應分別只從濾波電容的接線端連接到電源；如果在輸入/輸出回路和電源開關/整流回路之間的連接無法與電容的接線端直接相連，交

28、流能量將由輸入或輸出濾波電容并輻射到環境中去。電源開關交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形電流，這些電流中諧波成分很高，其頻率遠大于開關基頻，峰值幅度可高達持續輸入/輸出直流電流幅度的 5 倍，過渡時間通常約為 50ns。這兩個回路最容易產生電磁干擾，因此必須在電源中其它印制線布線之前先布好這些交流回路，每個回路的三種主要的元件濾波電容、電源開關或整流器、電感或變壓器應彼此相鄰地進行放置，調整元件位置使它們之間的電流路徑盡可能短。建立開關電源布局的最好方法與其電氣設計相似，最佳設計流程如下： 放置變壓器 設計電源開關電流回路 設計輸出整流器電流回路 連接到交流電源電路的控制電路 設計輸入電流

29、源回路和輸入濾波器 設計輸出負載回路和輸出濾波器根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下原則：(1) 首先要考慮 PCB 尺寸大小。PCB 尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過小則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。電路板的最佳形狀矩形，長寬比為 3：2 或 4：3，位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于 2mm。(2) 放置器件時要考慮以后的焊接，不要太密集。(3) 以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局。元器件應均勻、 整齊、緊湊地排列在 PCB 上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接, 去耦電容盡量靠近器件的VCC。(4)

30、在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數。一般電路應盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀，而且裝焊容易，易于批量生產。(5) 按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。(6) 布局的首要原則是保證布線的布通率，移動器件時注意飛線的連接，把有連線關系的器件放在一起。(7) 盡可能地減小環路面積,以抑制開關電源的輻射干擾。屏蔽地的布線不能構成明顯的環路，這樣的話會形成天線效應，容易引入干擾。四、 布線開關電源中包含有高頻信號，PCB 上任何印制線都可以起到天線的作用，印制線的長度和寬度會影響其阻抗和感抗，從而影響頻率響應。即使是通過直流信號

31、的印制線也會從鄰近的印制線耦合到射頻信號并造成電路問題(甚至再次輻射出干擾信號)。因此應將所有通過交流電流的印制線設計得盡可能短而寬，這意味著必須將所有連接到印制線和連接到其他電源線的元器件放置得很近。印制線的長度與其表現出的電感量和阻抗成正比，而寬度則與印制線的電感量和阻抗成反比。長度反映出印制線響應的波長，長度越長，印制線能發送和接收電磁波的頻率越低，它就能輻射出更多的射頻能量。根據印制線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環路電阻。 同時、使電源線、地線的走向和電流的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。接地是開關電源四個電流回路的底層支路，作為電路的公共參考點起著很重要的作用，它是控制干擾的重要方法。因此，在布局中應仔細考慮接地線的放置，將各種接地混合會造成電源工作不穩定。如果成本允許的情況下，可采用多層板布線，有專門的輔助電源層與地層，將大大降低EMC的影響。在地線設計中應注意以下幾點：1. 正確選擇單點接地，通常濾波電容公共端應是其它的接地點耦合到大電流的交流地的唯一連接點，同一級電路的接地點應盡量靠近，并且本級電路的電源濾波電容也應接在該級接地點上，主要是考慮電路各部分回流到地的電流是變化的，因實際流過的線路的阻抗會導致電路各部分地電位的變化而引入干擾。做不到單點時，在共地處接兩二極管或一小電阻，其實