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电子开关

更新时间:2022-12-31 19:18:02 阅读：评论：0

2022年12月31日发(作者：可以说的秘密)

兰州交通大学毕业设计（论文）

摘要

随着电力电子技术的发展和新型功率元器件的不断出现，开关电源技术得到了飞

速的发展，在计算机、通讯、电力、家用电器、航空航天等领域得到广泛应用，取得

了显著的成果。

本论文是通过用电源控制芯片M51995AFP设计并制作一种开关电源，该开关电

源是通过PWM技术控制开关的占空比来调整输出电压的，以达到稳定输出的目的。

论文主要完成的内容有：

（1）根据设计需要选择开关电源电路；

（2）设计输入整流滤波电路，并确定相关器件参数；

（3）基于M51995AFP对开关电源的控制核心部分进行设计；

（4）设计输出整流滤波电路，并确定相关器件参数；

（5）设计电压反馈电路；

（6）通过实验和计算对设计中的数据进行验证。

本论文对开关电源的滤波、整流、反馈电路等分别作了细致的研究工作，通过实

验和计算，掌握了开关电源设计的核心技术，并对设计过程进行了详尽的阐述。

关键词：开关电源；占空比；PWM

兰州交通大学毕业设计（论文）

Abstract

Withthedevelopmentoftheelectronictechnologyandtheemergingofnewpower

components,switchingpowersupplyhasbeenwidelyudincomputer,communications,

electricity,homeappliancesandaerospacefields,achievingremarkableresults.

Thepurpoofthispapersistodesignandmakeaswitchingpowersupplybadon

itchingpowersupplycouldadjustthe

outputpurposcouldbe

attained.

Themaincontentofthepapersare:

(1)Chooswitchingpowersupplycircuitbadontherequirement;

(2)Designinputrectifierfiltercircuitandidentifytherelevantdeviceparameters;

(3)DesignthecorecontrolpartsofswitchingpowersupplybadonM51995AFP;

(4)Designrectifieroutputfiltercircuitandestablishtherelevantdeviceparameters;

(5)Designvoltagefeedbackcircuit;

(6)Validatedataofthedesigningbyadoptionofexperimentalandcomputations.

Inthethesis,theswitchingpowersupplyfiltering,rectifierandthefeedbackcircuit

ntechnologyofdesigningswitchingpowersupplyis

ignprocessisspecifiedalso.

Keywords:SwitchingPowerSupply;Dutycycle;PWM

兰州交通大学毕业设计（论文）

III

1．绪论..............................................................................................................................................1

1.1开关电源的概念和分类......................................................................................1

1.1.1开关电源的概念..........................................................................................1

1.1.2开关电源的分类..........................................................................................3

1.2开关电源设计中存在的问题与未来发展..........................................................4

1.2.1开关电源中存在的问题..............................................................................4

1.2.2开关电源的发展趋势..................................................................................5

2．开关电源元器件的选用....................................................................................................6

2.1开关晶体管..........................................................................................................6

2.1.1功率开关MOSFET.........................................................................................6

2.1.2绝缘栅双极型晶体管.................................................................................7

2.2软磁铁氧体磁芯..................................................................................................8

2.2.1磁性材料的基本特性..................................................................................9

2.2.2磁芯的结构与选用......................................................................................9

2.3光电耦合器........................................................................................................10

2.4二极管................................................................................................................12

2.4.1开关二极管................................................................................................13

2.4.2稳压二极管................................................................................................13

2.4.3快速恢复及超快速恢复二极管................................................................14

2.5自动恢复开关....................................................................................................14

2.6热敏电阻............................................................................................................15

3．开关电源的设计基础.......................................................................................................17

3.1开关电源的控制方式.....................................................................................................17

3.1.1脉宽调制的基本原理................................................................................17

3.1.2脉冲频率调制的基本原理........................................................................18

3.2各类拓扑结构电源分析....................................................................................19

3.3谐振式电源与软开关技术................................................................................24

3.3.1电路的谐振现象........................................................................................24

3.3.2谐振式电源的基本原理............................................................................25

3.3.3谐振开关的动态过程分析........................................................................26

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3.3.4软开关技术及常见软开关拓扑简介........................................................30

3.4其它软开关技术应用及发展概况....................................................................36

4．开关电源设计.......................................................................................................................38

4.1开关电源集成控制芯片....................................................................................38

4.1.1芯片管脚排列及说明................................................................................38

4.1.2芯片基本特性............................................................................................39

4.1.3芯片工作原理分析....................................................................................40

4.2开关电源电路分析............................................................................................47

4.2.1开关电源电路原理图................................................................................47

4.2.2开关电源各单元电路具体分析................................................................49

结论....................................................................................................................................................55

致谢....................................................................................................................................................56

参考文献...............................................................................................................................-57-

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1．绪论

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。

1.1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。

1.1.1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（SwitchingPowerSupply）[1]。

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

SwitchingCpnwerter），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1-1所示。

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低通

滤波

有源

调整

一次

整流

电子

开关

高频变

压器

采样

输出

平滑

滤波

二次

整流

脉宽

调制

基准

电压

误差

放大

比较器

脉冲

驱动

输入电路功率因数校正

功率

转换

输出电路

直流输出

控制电路

频率振荡发生器

交流输

入电压

220V

图1-1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

（ActivePowerFactorCorrection，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）内，电

子开关的接通时间

t与一个电子周期所占时间之比，叫接通占空比（D），D=

on。

断开时间

off

t所占T的比例称为断开占空比（D'），

Doff'。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sT20

1050







（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、

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高频变压器、控制集成电路以及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及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、开关电源以及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。

1.1.2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及两端施加的电压无关。显然，开关是接通和关断期

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（PulWidth

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

VoltageSwitching）。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

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零电流关断（ZeroCurrentSwitching）。

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

整脉冲的宽度及频率。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）以及赛达式（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（ForwardConverter）、

反激式（FeedbackConverterMode）、半桥式（HalfBridgeConverter）、全桥式（Overall

BridgeMode）、推挽式（PushDrawMode）和阻塞式（RingingChokeConverter，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。

1.2开关电源设计中存在的问题与未来发展

1.2.1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、电磁兼容性以及使用的安全

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、电解电容及整流二极管灯都很笨重，也是

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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

换以及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。

1.2.2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2~10MHz，效率达到95%，

功率密度为3~6W/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（1~3V）、更大的输出电流（数百安）；第五，能不能实现更小的电源

模块[2]。

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2．开关电源元器件的选用

2.1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、电感及磁性材料等。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。

2.1.1功率开关MOSFET

MOSFET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[4]。

(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100~200MHz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中大多数集成有阻尼二极管，而双极型功率晶体管中大多没有内装阻

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（R

DS(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V

GS(th)

较高（一般为2~4V），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2-1和图2-2所示。

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图2-1加速TR关断驱动电路

在图2-1中，N

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DW

，DW

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V

过高而使VT几串。R的阻值一般为60~200Ω。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。

100

MTD5N

25E

25T

BC557

图2-2功率驱动电路

图2-2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I

的跌落，为MOSFET起到加速作用。

2.1.2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600～1800V，电流容量为100～400A，

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关断时间低至0.2μs，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：

①电流密度大，是MOSFET的10倍以上。

②输入阻抗高，栅极驱动功率小，驱动电路简单。

③低导通电阻。IGBT的导通电阻只有MOSFET的10%。

④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。

⑤开关速度快，关断时间短。耐压为1kV的IGBT的关断时间为1.2μs，600V

的产品的关断时间仅为0.2μs。

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2-3和图2-4。

门极

D漏极

S源极

图2-3MOSFET的图形符号

C集电极

栅极

E发射极

栅极

C(D)

集电极(漏极）

E(S)

发射极(源极)

图2-4IGBT的图形符号

2.2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、脉冲变压器以及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，以及这种特性与温度、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、电感器所涉及的参数太多，例如电压、

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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

以及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。

2.2.1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T

。磁芯的磁状态由铁磁性转变成顺磁性时，在μ—T曲线上，

80%μ

max

与20%μ

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μ

。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B

。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H

。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。

2.2.2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内，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、导磁率及磁感应强度。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，铜线绕在磁芯内面，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

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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100～150W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。

2.3光电耦合器

光电耦合器（OpticalCoupler，OC）也叫光电隔离器（OpticalIsolationg，OI），

简称光耦。它时一种以红外光进行信号传递的器件，由两部分组成：一是发光体，实

际上时一只发光二极管，受输入电流的控制，发出不同强度的红外光；另一部分时受

光器，受光器接受光照以后，产生光电流并从输出端输出。它的光—电反应也是随着

光的强弱改变而变化的。这就实现了“电—光—电”功能转换，也就是隔离信号传递。

光电耦合器的主要优点是单向信号传输，输入端和输出端完全实现了隔离，不受其他

任何电气干扰和电磁干扰，具有很强的抗干扰能力。因为它时一种发光体，而且用低

电平的电源供电，所以它的使用寿命长，传输效率高，而且体积小，可广泛用于级间

耦合、信号传输、电气隔离、电路开关以及电平转换等[5]。在仪器仪表、通信设备及

各种电路接口中都应用到了光电耦合器。在开关电源电路中利用光电耦合器构成反馈

电路，通过光电耦合器来调整、控制输出电压，达到稳定输出电压的目的；通过光电

耦合器进行脉冲转换。

图2-6光电耦合器及其典型用法

实际上，光电耦合器有晶体管、达林顿、可控硅、磁效应管等多种输出形式。

通常的光电耦合器由于它的非线性，因此在模拟电路中的应用只限于对较高频率

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的小信号的隔离传送。普通光耦合器只能传输数字（开关）信号，不适合传输模拟信

号。近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其

应用领域大为拓宽。

(1)光耦合器的性能特点及其抗干扰作用

光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗

干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、

开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及

微机接口中。

由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在光电耦合

器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光。

光电耦合器的外壳是密封的，它不受外部光的影响。光电耦合器的隔离电阻很大、隔

离电容很小（约几个pF），所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。

线性方式工作的光电耦合器是在光电耦合器的输入端加控制电压，在输出端会成

比例地产生一个用于进一步控制下一级的电路的电压。它由发光二极管和光敏三极管

组成，当发光二极管接通而发光，光敏三级管导通。光电耦合器是电流驱动型，需要

一定的电流才能使发光二极管导通，如果输入信号太小，发光二极管不会导通，其输

出信号将失真。在开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控

制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。

在开关电源中我们是采用电压环进行闭环调节实现输出电压的稳定输出的，光电

耦合器作为输入采样、反馈信号、输出驱动的隔离器件。一方面光电耦合器可以起到

隔离两个系统地线的作用，使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影

响。另一方面，光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路的传送

形式，电流环路是低阻抗电路，对噪音的敏感度低，提高了系统的抗干扰能力，起到

了电磁兼容和隔离抗干扰的作用，不会因为电路中的高频电流的电磁干扰对控制电路

产生干扰。

(2)光耦合器的技术参数

主要有发光二极管正向压降

V、正向电流

I、电流传输比CTR、输入级与输出级

之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压

(BR)CEO

、集电极-发射极饱和压降

CE(sat)

。此外，在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间等参数。

电流传输比CTR是光耦合器的重要参数，通常用直流电流传输比来表示。当输出

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电压保持恒定时，它等于直流输出电流

I与直流输入电流IF的百分比。其公式为：

(/)100%CTRII

（2-1）

采用一只光敏三极管的光耦合器，CTR的范围大多为20%～300%（如4N35），而

PC817则为80%～160%，达林顿型光耦合器（如4N30）可达100%～5000%。这表明欲

获得同样的输出电流，后者只需较小的输入电流。因此，CTR参数与晶体管的hFE有

某种相似之处。

普通光耦合器的

CTRI

特性曲线呈非线性，在

I较小时的非线性失真尤为严

重，因此它不适合传输模拟信号。线性光耦合器的

CTRI

特性曲线具有良好的线性

度，特别是在传输小信号时，其交流电流传输比(/CTRICIF)很接近于直流电

流传输比CTR值。因此，它适合传输模拟电压或电流信号，能使输出与输入之间呈线

性关系。这是其重要特性。

(3)线性光耦合器的产品及选取原则

使用光电耦合器主要是为了提供输入电路和输出电路间的隔离，在设计电路时，

必须遵循下列原则：所选用的光电耦合器件必须符合国内和国际的有关隔离击穿电压

的标准；由英国埃索柯姆(Isocom)公司、美国摩托罗拉公司生产的4N系列(如4N25、

4N26、4N35)光耦合器，目前在国内应用地十分普遍。鉴于此类光耦合器呈现开关特

性，其线性度差，适宜传输数字信号(高、低电平)，可以用于单片机的输出隔离；所

选用的光耦器件必须具有较高的耦合系数。

开关电源则应该选择线性光电耦合器，上表给出了常见的线性光电耦合器及主要

数据。

其次，必须正确选择线性光耦合器的型号及参数。

再次，除了必须遵循普通光耦的选取原则外，还必须考虑合理选择CTR值。光

耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是50%～200%。这是因为当CTR＜50%时，

光耦中的LED就需要较大的工作电流(IF＞5.0mA)，才能正常控制单片开关电源IC

的占空比，这会增大光耦的功耗。若CTR＞200%，在启动电路或者当负载发生突变

时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出。

2.4二极管

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，有快速恢复及超快速恢复二极管，有整流二极管、

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稳压二极管及开关二极管等。以下介绍几种二极管的特点及检测方法。

2.4.1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t

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：

(1)最高反向工作电压V

和反向击穿电压V

：这两个参数越大越好。

(2)最大管压降V

：小于0.8V。

(3)最大工作电流I

：大于150mA。

(4)反向恢复时间t

：小于10ns。

2.4.2稳压二极管

稳压二极管又叫齐纳二极管（ZenerDiod），具有单向导电性，它工作在电压反向

击穿状态。当反向电压达到并超过稳定电压时，反向电流突然增大，而二极管两端的

电压恒定，这就叫做稳压。它在电子电路中用作过压保护、电平转换，也可用来提供

基准电压。

(1)稳压二极管的分类

稳压二极管分低压和高压两种。稳压值低于40V的叫做低压稳压二极管；高于

200V的叫做高压稳压二极管。现在市面上从2.4V到200V，各种型号规格齐全。稳

压管的直径一般只有2mm，长度为4mm。它的稳压性能好，体积小，价格便宜。稳

压二极管从材料上分为N型和P型两种。选用稳压二极管的原则是：第一，注意稳

定电压的标称值；第二，注意电压的温度系数。

(2)稳压二极管的用途

稳压二极管具有以下几个作用：第一，对漏极和源极经行钳位保护；第二，起到

加速开关管导通的作用；第三，在开关电源中常用高压稳压二极管代替瞬态电压抑制

器TVS对初级回路产生的尖峰电压进行钳位；第四，在晶体管反馈回路中，常常在

晶体管的发射极串联一只稳压管作电压负反馈，提高放大电路的稳定性。

(3)稳压二极管的主要参数

稳压二极管的主要参数如下：

①稳定电压V

。设计人员根据需要选用。

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②稳定电流I

。

③温度系数



。温度越高，稳压误差越大。

2.4.3快速恢复及超快速恢复二极管

快速恢复二极管（FastRecoveryDiod）和超快速恢复二极管（SuperfastRecovery

Diod，SRD）时很多电子设备中常用的器件，在开关电源中也经常用到。这两种二极

管具有开关特性好、耐压高、正向电流大、体积小等优点，在电子镇流器、不间断电

源、变频电源、高频微波炉等设备中常用在整流、续流、限流等电路中。

(1)超快速恢复二极管的性能特点

①反向恢复时间t

：通过二极管的电流由零点正向转反向后，再由反向转换到

规定值的时间。

②平均整流电流I

：这时选用二极管的又一个主要指标。一般来说，选用管子

的整流电流时设计输出电流的3倍以上。

③恢复和快速恢复二极管有3种结构，即单管、共阴对管和共阳对管。所谓共阴、

共阳是指两只二极管接法不同。

(2)检测方法及选用原则

①检测方法：利用万用表的电阻档或数字万用表的二极管检测档，能够检查二

极管的单向导电性，并测出正向导通压降；用兆欧表能测出反向击穿电压。一般正向

电阻为6，反向电阻为无穷大，可从读出的负载电压计算出正向导通压降。

②选用原则：超快速恢复二极管在开关电源中可作为阻塞二极管和次级输出电

压的整流管。超快速恢复二极管的反向恢复时间在20～50ns之间；整流电流I

为最

大输出电流I

的3倍以上，即I

>3I

；最高反向工作电压V

为最大反向峰值电

压V

(BR)S

的2倍以上，即V

>2V

(BR)S

。

2.5自动恢复开关

自动恢复开关（RettableSwithing，RS）又叫自动恢复保险丝，它是一种过流

保护器件。当电路发生短路或用电电流超过极限值时，它起保护作用。它具有开关特

性好、使用安全、不需维护、自动恢复、可反复使用等特点。

(1)工作原理

自动恢复开关是由高分子晶状聚合物和导电链构成的，它将聚合物紧密束缚在导

电链上，在常态下它的电阻值非常低，只有0.2，工作电流通过开关时功耗也很小，

它所产生的热量很少，不改变聚合物内部的晶状结构。当电路电流超过最大设计值或

发生短路故障时，电流增加，导电链产生的热量时聚合物从晶状体状态变为非晶状体

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状态，立即将电路电流切断，对电路起到保护作用。当故障排除以后，它又能很快恢

复到低电阻状态。这种可持续性的转换器件能反复使用而不损坏。自动恢复开关可在

家用电器、计算机通信设备以及开关电源上用作过流保护。通常，将自动恢复开关串

接在低压直流输出端，此时交流输入端的保险管可省去。这里应特别注意：自动恢复

开关只能进行低压过流保护，而不能接在220V或110V交流电压上，否则将使开关

烧坏。日光灯短路或漏气时，镇流器的工作电流是正常工作电流的3倍以上，这时只

要在镇流器的输出端与灯之间的电路上串接一只自动恢复开关，就能非常有效地进行

过流保护，提高电子镇流器的可靠性。

(2)检测方法

①电阻检查

用数字万用表的电阻档直接测量它的直流电阻，电阻值越小，自动恢复开关的容

量越大。

②过流后自动恢复能力的检查

在直流稳压电源输出端，将自动恢复开关与电流表串联，要求稳压电源的输出电

流必须大于自动恢复开关的电流容量I

。稳压电源的输出电压从零开始逐渐升高，这

时注意电流表的电流读数也在不断增加。当稳压电源的输出电流接近或超过自动恢复

开关的电流容量时，电流表上的电流读数突然减小，此时自动恢复开关已进入高阻状

态。关断电源后，稳压电源的输出电压又从零点几伏开始上升。观察电流表，如果一

段时间后电流表上的电流读数升到一定值，这段时间就是自动恢复开关的自动恢复时

间。

2.6热敏电阻

热敏电阻时有锰钴镍的氧化物烧结成的半导体陶瓷制成的，具有负温度系数，随

着温度的升高，其电阻值降低。热敏电阻的主要参数有：

(1)R

：零功率电阻值，表示室温为25℃时的电阻值。

(2)

：零功率电阻系数，表示零功率下温度每变化1℃所引起电阻值的相对变

化率（%/℃）。

(3)：耗散系数，指热敏电阻的温度每变化1℃所消耗功率的相对变化量

（mW/℃）。

热敏电阻在开关电源中起过温度保护和软启动的作用。过温保护时将热敏电阻并

接在输入电路中。刚启动时，温度低，电阻值高，相当于开路。如果电路输入电压超

高，热敏电阻就会发热，其电阻值降低，对输入电流分流。当发热越过极限值时，整

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流后的输出电压降低，开关电源高频振荡停振，或是由于热敏电阻阻值降低后，将电

路保险丝烧断，电路与供电电源断开，起到热保护作用。所谓软启动是指电源刚通电

时，因滤波电容C的电压不能突变，容抗趋于零，瞬时对电容充电的电流很大，容

易损坏电解电容。为了解决这一问题，一般是在电路中串接几欧姆的电阻，在启动瞬

间对电流加以限制。但是，由于电阻功耗上升，电源效率下降。如果将电阻换为热敏

电阻，就可解决这一问题。电路刚通电时，热敏电阻的温度低，阻值很大，瞬时能对

充电电流加以限制。随着电流通过发出热量，热敏电阻的阻值迅速减小，启动成功，

功耗降低。这就是热敏电阻对软启动的作用。

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3．开关电源的设计基础

3.1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（PulFrequencyModulation，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范围

很宽，调节方便，输出可以不接假负载，详见图3-1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

占空比调节范围很宽，输出电压能做到很低[6]。

off

(a)PWM控制方式

off

00t

(b)PFM控制方式

图3-1PWM、PFM控制方式和波形图

3.1.1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3-2所

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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V

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C

滤波后，输出电压上升，反之亦然。

PWM

比较器

锯齿波

发生器

基准

电压源

PWM调制器

220V

50HZ

误差放大器

图3-2脉宽调制的原理图

3.1.2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3-3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V

，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V

。假设由于某种原因而使V

上升或负载阻抗下降，控制电路立即

进行下述闭环调整：V

↑→V

↑→f↓→V

↓。该循环的结果是输出电压V

趋于稳定，

反之亦然。这就是PFM的工作原理。假设电源效率为η，脉冲宽度为m，脉冲频率

为f，则有V

Vfm。当

Vm确定后，通过调制VCO的震荡频率就可以

调节输出电压V

，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。

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压控振荡器

零电压比较器控制逻辑

误差放大器

VC0

瞬

时

定

时

器

0.5V

图3-3脉冲频率调制的基本原理

3.2各类拓扑结构电源分析

(1)非隔离型开关变换器

①降压变换器

Buck电路：降压斩波器，入出极性相同。

由于稳态时，电感充放电伏秒积相等，因此：

ioonoo

()UUtUt,(3-1)

ionoonooff

UtUtUt

ionoonoff

()UtUtt

oiononoff

//()UUttt(3-2)

即，输入输出电压关系为：

/UU

(占空比)

图3-4Buck电路拓扑结构

在开关管S通时，输入电源通过L平波和C滤波后向负载端提供电流；当S关

断后，L通过二极管续流，保持负载电流连续。输出电压因为占空比作用，不会超过

输入电源电压。

②升压变换器

Boost电路：升压斩波器，入出极性相同。

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利用同样的方法，根据稳态时电感L的充放电伏秒积相等的原理，可以推导出电

压关系：

/1/(1)UU

(3-3)

图3-5Boost电路拓扑结构

这个电路的开关管和负载构成并联。在S通时，电流通过L平波，电源对L充

电。当S断时，L向负载及电源放电，输出电压将是输入电压

UU

，因而有升压

作用。

③逆向变换器

Buck-Boost电路：升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。

电压关系：

//(1)UU

(3-4)

图3-6Buck-Boost电路拓扑结构

S通时，输入电源仅对电感充电，当S断时，再通过电感对负载放电来实现电源

传输。所以，这里的L是用于传输能量的器件。

④丘克变换器

Cuk电路：升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。

电压关系：

//(1)UU

(3-5)

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图3-7Cuk变换器电路拓扑结构

当开关S闭合时，Ui对L1充电。当S断开时，Ui+EL1通过VD对C1进行充电。

再当S闭合时，VD关断，C1通过L2、C2滤波对负载放电，L1继续充电。

这里的C1用于传递能量，而且输出极性和输入相反。

(2)隔离型开关变换器

①推挽型变换器

下面是推挽型变换器的电路。

图3-8推挽型变换电路

S1和S2轮流导通，将在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流

信号，再经L、C滤波，送给负载。

由于电感L在开关之后，所以当变比为1时，它实际上类似于降压变换器。

②半桥型变换器

图3-9给出了半桥型变换器的电路图。

当S1和S2轮流导通时，一次侧将通过电源-S1-T-C2-电源及电源-C1-T-S2-电

源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，

再经L、C滤波，送给负载。

同样地，这个电路也相当于降压式拓扑结构。

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图3-9半桥式变换电路

③全桥型变换器

图3-10全桥式变换电路

当S1、S3和S2、S4两两轮流导通时，一次侧将通过电源-S2-T-S4-电源及电源

-S1-T-S3-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转

换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。

这个电路也相当于降压式拓扑结构。

④正激型变换器

下图为正激式变换器

图3-11正激型变换器电路

当S导通时，原边经过输入电源-N1-S-输入电源，产生电流。当S断开时，N1

能量转移到N3，经N3-电源-VD3向输入端释放能量，避免变压器过饱和。VD1用

于整流，VD2用于S断开期间续流。

⑤隔离型Cuk变换器

隔离型Cuk变换器电路如下所示：

VD1

VD2

VD3

C2Ui

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图3-12隔离型Cuk变换器

当S导通时，Ui对L1充电。当S断开时，Ui+E

对C11及变压器原边放电，

同时给C11充电，电流方向从上向下。附边感应出脉动直流信号，通过VD对C12

反向充电。在S导通期间，C12的反压将使VD关断，并通过L2、C2滤波后，对负

载放电。

这里的C12明显是用于传递能量的，所以Cuk电路是电容传输变换电路。

⑥电流变换器

能量回馈型电流变换器电路如下图所示。

图3-13能量回馈型电流变换器电路

该电路与推挽电路类似。不同的是，在主通路上串联了一个电感。其作用是在

S1、S2断开期间，使得变压器能量转移到N3绕组，通过VD3回馈到输入端。

下面是升压型变换器的电路图：

图3-14升压型电流变换器电路

VD1

VD2

VD1

VD2

VD3

C12

SN1

C11

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该电路也与推挽电路类似，并在主通路上串联了一个电感。在开关导通期间，L

积蓄能量。当一侧开关断开时，电感电动势和Ui叠加在一起，对另一侧放电。因此，

L有升压作用。

(3)准谐振型变换器

在脉冲调制电路中，加入R、L谐振电路，使得流过开关的电流及管子两端的压

降为准正弦波。这种开关电源称为谐振式开关电源。

利用一定的控制技术，可以实现开关管在电流或电压波形过零时切换，这样对缩

小电源体积，增大电源控制能力，提高开关速度，改善纹波都有极大好处。所以谐振

开关电源是当前开关电源发展的主流技术。又分为：

①ZCS——零电流开关。开关管在零电流时关断。

②ZVS——零电压开关。开关管在零电压时关断。

3.3谐振式电源与软开关技术

3.3.1电路的谐振现象

为了更好地理解谐振式电源，这里回忆一下电路谐振的条件及其特点。

(1)串联电路的谐振

一个R、L、C串联电路，在正弦电压作用下，其复阻抗：

(1/)ZRjLC(3-6)

一定条件下，使得XL=XC，即1/LC，ZR，此时的电路状态称为串联谐

振。

明显地，串联谐振的特点是：

①阻抗角等于零，电路呈纯电阻性，因而电路端电压U和电流I同相。

②此时的阻抗最小，电路电流有效值达到最大。

③谐振频率：

1/LC

④谐振系数或品质因素：

/1///QLRCRLCR(3-7)

由于串联谐振时，L、C电压彼此抵消，因此也称为电压谐振。从外部看，L、C

部分类似于短路。

而此时Uc、UL是输入电压U的Q倍。Q值越大，振荡越强。

这里的

/ZLC，我们称为特性阻抗，它决定了谐振的强度。

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⑤谐振发生时，C、L中的能量不断互相转换，二者之间反复进行充放电过程，

形成正弦波振荡。

(2)并联电路的谐振

一个R、L、C并联电路，在正弦电压作用下，其复导纳：

1/(1/)YRjLC(3-8)

一定条件下，使得

YY，即1/LC，Y=1/R，此时电路状态称为并联谐振。

明显地，串并谐振的特点是：

①导纳角等于零，电路呈纯电阻性，因而电路端电压U和电流I同相。

②此时的导纳最小，电路电流有效值达到最小。

③谐振频率：

1/LC。

④由于并联谐振时，L、C电流彼此抵消，因此也称为电流谐振。从外部看，L、

C部分类似于开路，L、C各自有效电流却达到最大。

⑤谐振发生时，C、L中的能量不断互相转换，二者之间反复进行充放电过程，

形成正弦波振荡。

3.3.2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：

①ZCS——零电流开关。开关管在零电流时关断。

②ZVS——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及管子两端的压

降为准正弦波。下面是这两种开关的简单原理图。

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图3-15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。

3.3.3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：

图3-16L型零电流谐振开关（中半波，右全波）

VD1

off

Ton

Toff

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图3-17M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：

图3-18Buck型准谐振ZCS变换器（L型）

图3-19Buck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I

。谐振角频率：

0rr

1/LC(3-9)

VD1

VD2

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特性阻抗：

0rr

/ZLC(3-10)

动态过程如下：

①线性阶段（

tt）：

在S导通前，VD2处于续流阶段。此时

VD2C1

0VV

。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

L1i

VV

。

由

L1i1

/VVLdidt

，且L1初始电流为0，有：

1i01

()/iVttL

(3-11)

到t1时刻，达到负载电流I

，因此：

此阶段持续时间：

11010i

/TttLIV

(3-12)

可以看出，此阶段

i是时间的线性函数。

②谐振阶段（

tt）：

在电流i

上升期间，当

iI时，由于

i无法供应恒流

I，续流过程将维持。当

iI时，将以

iI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，

i因谐振继续上升。

c11c110

/iCdVdtiI

(3-13)

L111iC1

/VLdidtVV(3-14)

因而：

10c101001

/*sin*()iIiIVZtt(3-15)

其中，

i为谐振电流。

c11L1110110

cos()[1cos()]VVVVVttVtt(3-16)

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谐振到

t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

t电

流第二次为0。本阶段结束，这时的时刻为t2。

在i

谐振半个周期，

iI时，达最大值。

i第一次过零（

t）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（

t）时，将放电到一个较小值。

可以看出谐振阶段

t前，

i、

V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。

③恢复阶段（

tt）：

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

V=0。这阶段，如考虑电流方向性：

01C1

/ICdVdt(3-17)

故：

C1C1(t2)021

()/VVIttC(3-18)

因此，这个阶段的

V是时间的线性函数，电压从

C1(t2)

V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。

④续流阶段（

tt

）：

当电容放电到零后，VD2因反压消失而导通，对L2及负载进行续流，以保持电

流I

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：

图3-20半波ZCS开关波形与全波ZCS开关波形

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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，

V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。

3.3.4软开关技术及常见软开关拓扑简介

软开关技术实际上是利用电容与电感的谐振，使开关器件中的电流或电压按正弦

或准正弦规律变化。当电流过零时，使器件关断，当电压过零时，使器件开通，实现

开关的近似零损耗。同时，有助于提高频率，提高开关的容量，减小噪声。

相对于软开关，普通开关电源的转换器也叫硬开关。

按控制方式，软开关可以分为：脉冲宽度脉冲频率调制式（PFM）、脉冲频率调

制式（PWM）、脉冲移相式（PS）三种。

(1)PWM变换器

PWM控制方式是指在开关管工作频率恒定的前期下，通过调节脉冲宽度的方法

来实现稳定输出。这是应用最多的方式，适用于中小功率的开关电源。

①零电流开关PWM变换器

图3-21Buck型ZCS-PWM变换器

上图是增加辅助开关控制的Buck型零电流开关变换器。其工作过程与前面过程

略有差异：

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（a）线性阶段（S1、S2导通）：开始时，在

L作用下，S1零电流导通。随后，

因Uin作用，

I线性上升，并到达

LR0

II

。

（b）正向谐振阶段（S1、S2导通-关断）：当

LR0

II

时，因

C开始产生电压，

VD在零电流下自然关断。之后，

L与

C开始谐振，经过半个谐振周期，

I再次谐

振到

I，

U上升到最大值，而

I为零，S2关断，

U和

I将被保持，无法继续谐

振。

（c）保持阶段（S1导通、S2关断）：此状态保持时间由PWM电路要求而定，保

持期间，Uin正常向负载以

I供电。

（d）反向谐振阶段（S1导通-关断、S2导通）：当需要关断S1时，可以控制

重新打开S2，此时在

L作用下，S2电流为0。谐振再次开始，当

I反向谐振到0

时，S1可在零电流零电压下完成关断。

（e）恢复阶段（S1关断、S2导通）：此后，

U在

I作用下，衰减到0。

（f）续流阶段（S1关断、S2导通-关断）：

U衰减到0后，VD自然导通开始

续流。由于VD短路作用，S2可在此后至下一周期到来前以零电压零电流方式完成

关断。可见，S1在前四个阶段（线性、谐振、保持）均导通，恢复及续流时关断。

S2的作用主要是隔断谐振产生保持阶段。S1、S2的有效控制产生了PWM的效果，

并利用谐振实现了自身的软开关。

该电路的开关管及二极管均在零电压或零电流条件下通断，主开关电压应力低，

但电流应力大（谐振作用）。续流二极管电压应力大，而且谐振电感在主通路上，因

而负载、输入等将影响ZCS工作状态。

②零电压开关PWM变换器

图3-22Boost型ZVS-PWM变换器

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上面是Boost型零电压谐振变换器。在每次S1导通前，首先辅助开关管S2导通，

使谐振电路起振。S1两端电压谐振为0后，开通S1。S1导通后，迅速关断S2，使

谐振停止。此时，电路以常规PWM方式运行。同样，我们可以利用谐振再次关断

S1，

C使得主开关管可以实现零关断。S1、S2的配合控制，实现软开关下的PWM

调节。该电路实现了主开关管的零压导通，且保持恒频率运行。在较宽的输入电压和

负载电流范围内，可以满足ZVS条件二极管零电流关断。其缺点是辅助开关管不在

软件开关条件下运行，但和主开关管相比，它只处理少量的谐振能量。

③有源钳位的零电压开关PWM变换器

下图为有源钳位的ZVS开关PWM变换器，这是个隔离型降压变换器。其中，

为变压器的漏电感，

L是变压器的激磁电感。

C为S1、S2的结电容。这个电路巧

妙地利用电路的寄生

L、

C产生谐振而达到ZVS条件。同时，CR有电压钳位作用，

防止S1在关断时过压。这里的辅助开关S2同样是通过控制谐振时刻，来配合S1进

行软开关。

图3-23有源钳位ZVS-PWM正激变换器

(2)PFM变换器

PFM是指通过调节脉冲频率（开关管的工作频率）来实现稳压输出的。它控制

电路相对简单，但由于它工作频率不稳定，因此一般用于负载及输入电压相对稳定的

场合。①Buck零电流开关变换器

Uos

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图3-24Buck型ZCS准谐振变换器

该电路就是前面动态过程分析讲的典型ZCS降压型拓扑结构。我们可利用谐振

电流过零来实现S1通断，脉宽事实上受谐振电路参数控制，但我们可以控制S1开通

时刻（即频率）来实现PFM。

②Buck零电压开关变换器

图3-25Buck型ZVS准谐振变换器

（a）线性阶段（S导通）：S导通时，输入电压Uin将对

C充电，并提供输出

恒流

I。开始时，由于续流过程没有结束，VD将维持一段时间向

L提供电流。

（b）谐振阶段1（S导通-关断）：随着C

电压的上升，VD逐步承受反压关断。

L、

C开始谐振，输入电源既要提供负载恒定电流，又要提供谐振电流。由于电源

钳位作用，VD无法恢复续流。谐振中，可以选择某一时刻关断S，关断时两端电压为

0。

（c）谐振阶段2（S关断）：此后，

L、

C、

C共同谐振。当

C电压谐振到

过零时，VD重新导通续流。

（d）谐振阶段3（S关断-导通）：续流期间，

L、

C继续谐振。当

C电压过

零时，可以重新开通S。

Uos

Uin

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(3)PS软开关变换器

脉冲移相软开关变换器用于桥式变换器。桥式变换器必须是在对角开关管同时导

通时，才输出功率。我们可以通过调整对角开关管的重合角度，来达到调节电压的目

的。在中、大功率电源中，经常使用这种变换器。

①移相全桥零电压零电流变换器

下图是移相式PS-FB-ZVZCS-PWM（移相-全桥-零电压零电流-脉宽调制）变

换器电路拓扑结构图。

C、

C是开关管结电容或并联电容，

L为变压器的漏电感，

L为串联的饱和电感，

C为阻断电容。

VDVD

用做续流二极管。原理简述：这是

一个全波桥软开关变换器，我们可以让S3、S4在移相时滞后，则我们把S1、S2称

为超前桥臂，S3、S4称为滞后桥臂。S1、S2可以在

L、

C、

C、副边耦合

电感等的谐振作用下，实现零电压开关。在电流过零时，由于阻断电容、饱和电感作

用，使得零电流有一定保持时间，在此期间，S3、S4实现零开关。

如果把

L、

C去掉，在S3、S4两端并联两个谐振电容，就构成了移相全桥零电

压变换器。

图3-26移相全桥零电压零电流变换器

②不对称移相全桥零电压零电流变换器

下图中，超前臂外接了旁路电容和反并二极管，而滞后臂则没有。所以称为不对

称移相全桥变换器。这个电路同样是通过谐振在零压时开关S1、S3，而在零电流时

开关S2、S4。

Uos

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这个电路和对称全桥的区别是，对称全桥由于滞后桥臂有续流二极管和电容，因

此在电流过零后，将形成反向流通渠道，因此要有比较大的电感来维持电流过零的时

间，以完成对滞后桥臂的开关。而不对称全桥则因为滞后桥臂没有了通路，因此过零

后能保持在零电流，以便完成滞后臂的开关。同时，由于对称全桥电路原边串联了比

较大的电感，因而电源效率会有一定损失。而不对称电路可以不串较大电感，所以损

耗降低，电源效率得以提高。

该电路的工作过程要点分析如下：

(a)先看对角导通，如S1、S4开通时，原边能量正常向副边传输，C2、Cc充电。

(b)当S1关断时，C1充电，C2放电，原边电流方向不变。由于C1上升是渐进

的，所以S1属于零压关断。

(c)当C2放电过零，VD2开始反向导通时，可以控制S3导通，因此S3为零压

导通。

(d)S3导通上升沿触发一单稳态脉冲，控制辅管Sc导通。此时，Cc电压被瞬

间接到变压器副边。从而在原边产生一瞬间高压，此较高电压将加快原边电流迅速复

位归零。

(e)当电流回零后，辅管关断。此时副边又被钳制在近似短路的低电压，原边电

压也迅速降低。使得C3电压反向加到S4上，促使S4在零电流下关断。

(f)此时，在Lk作用下，同时可以零电流开通S2。电流换向成功，进入下半个

周期。

图3-27不对称移相全桥零电压零电流变换器

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3.4其它软开关技术应用及发展概况

其实，为了提高对输入电压、负载变化的适应能力，降低开关管电压、电流应力，

减少开关损耗等目的，其它改进型的软开关类型还有很多，也有许多问题需要讨论，

远远不是这些篇幅所能探讨的。这里只简单浏览相关典型软开关电路，感兴趣者可查

阅相关专业资料[7]。

(1)半桥不对称PWM变换器

与全桥变换器不同，在合适的控制方案下，半桥电路也可以组成不对称ZVS变

换器，但无法构成ZVZCS电路。它可以实现开关管的零压切换，且在宽负载和输入

电压范围实现恒频PWM调节。

(2)有源与无源软开关

一般的软开关，分为有源和无源两种。传统的软开关要附加有源器件（如开关）

及控制电路，近几年逐步开始开发无源软开关，从而促进了电路的简化和开关电源的

成本降低。

这项技术的关键是用简单的电路结构来实现dv/dt、di/dt的降低，从而有效地完

成ZVS、ZCS控制，以消除电路中的有源部分。

(3)DC/DC变换器

DC/DC变换器实际上就是前面讲到的各类变换器。只是去掉开关电源的输入电

路及部分输出整流器件，形成简单的DC/DC转换模块。这类器件目前取得了较大范

围的应用，使得用户可以简单地构件自己的电源系统。

(4)软开关逆变器

借用软开关的概念，在全桥电路上适当改进，可以构成软开关全桥有源逆变器电

路。所以，软开关技术的应用不仅仅限于开关电源本身，其它类似功率变换电路也可

以借用这个技术，而实现功率器件的软开关，从而降低损耗，提高效率。典型的如变

频器、电机保护器。

(5)三电平电路

在大功率高电压变换电路中，管子的电压应力必须尽量降低。因此，研发了所谓

三电平电路。通过增加“变换电感”和电容器件，达到降低电压应力的目的。这个方

案可以使开关管电压应力降低到输入直流电压的一半。

(6)其它电路及发展方向

变换器电路实际还有很多问题需要讨论，我们在有限的时间内不可能完全涉及。

变换器目前的发展大体有如下两个主要趋势：

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①朝高功率密度、大电流发展。以满足高功率电源需要。

②朝低压发展，以满足低损耗系统的需要。目前在1VDC电源方向展开了一系列

研究。

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4．开关电源设计

4.1开关电源集成控制芯片

目前，集成开关电源控制芯片技术已经十分成熟，为开关电源的制造带来极大便

利，并促进了成本的下降。

这类芯片含有：MOS智能开关、电源管理电路、半桥或全桥逆变器、PWM专用

SPIC、线性集成稳压器、开关集成稳压器等。

此次设计开关电源使用的电源控制芯片是：M51995AFP。下面介绍这种芯片。

4.1.1芯片管脚排列及说明

M51995AFP是M51995AP的扩展，M51995AP的管脚排列见图4-1，各引脚定义

如下：

图4-1M51995AP管脚排列图

COLLECTOR：半桥电路输出集电极

Vout：半桥电路输出

EMITTER：半桥电路输出发射极

VF：VF控制端

ON/OFF：工作使能端

OVP：过压保护端

DET：检测端

F/B：电压反馈端

T－ON：计时电阻ON端

CF：计时电容端

T－OFF：计时电阻OFF端

CT：断续方式工作检测电容端

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GND：芯片地

CLM－：负压过流检测端

CLM＋：正压过流检测端

图4-2M51995APF管脚排列图

4.1.2芯片基本特性

(1)芯片特性：

M51995AFP是MITSUBISHI公司推出的专门为AC/DC变换而设计的离线式开

关电源初级PWM控制芯片。该芯片内置大容量半桥电路，可以直接驱动MOSFET。

它不仅具有高频振荡和快速输出能力，而且具有快速响应的电流限制功能。它的另一

大特点是过流时采用断续方式工作，具备过流及短路保护功能。

芯片的主要特征如下：

500kHz工作频率；输出电流达2A，输出上升时间60μs，下降时间40μs；起动

电流小，典型值为90μA；起动和关闭电压间压差大：起动电压为16V，关闭电压为

10V；改进半桥电路输出方法，穿透电流小；过流保护采用断续方式工作；用逐脉冲

方法快速限制电流；具备欠压、过压锁存电路。

(2)推荐使用条件：

电源：12-36V。

工作频率：小于500KHz。

振荡频率设置电阻：Ron：10-75K，Roff：2-30K。

(3)特性图及简介：

这里，有选择地介绍该器件的主要特性。

①功率/温度特性：

它由功率上限、温度上限、及负温度特性的斜线组成。低温区（25℃以下），主

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要受最大功耗限制，高温区（85℃以上）受最高允许温度限制。25-85℃区域，呈负温

度特性。芯片使用应控制在这个范围内。

②Icc/Vcc特性：

Icc、Vcc指电源电流、电压的关系。该特性具有滞回特性，即开启电压比关闭电

压高。前者为16V，后者为10V。而且，频率越高，芯片电流相对越大。

③振荡频率/温度特性

该芯片内置了一个振荡元件需要外接的振荡电路，该电路频率将随温度变化而呈

现负温度特性。

④占空比/温度特性

占空比随温度变化不大，略成负温度特性。实际上，温度会影响很多器件的特性，

对精密电路，这种影响是必须考虑的。

⑤输出高电平/拉电流特性

这是芯片工作在灌电流/低电平状态的特性。该器件额定电流为2A。

⑥输出低电平/灌电流特性

这是芯片工作在拉电流/高电平状态的特性。

图4-3占空比F/B输入电流曲线

⑦占空比F/B输入电流特性

这个特性反应了电源反馈电流和占空比的关系。在小电流区，占空比基本不受反

馈电流的影响，但在0.5mA以上，二者呈线性关系。反馈信号越强，占空比越低。

利用这个特性，可以有效地实现反馈调节过程。

4.1.3芯片工作原理分析

(1)芯片结构：

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M51995AFP的原理结构：它主要由振荡器、反馈电压检测变换、PWM比较、

PWM锁存、过压锁存、欠压锁存、断续工作电路、断续方式和振荡控制电路、驱动

输出及内部基准电压等部分组成。

(2)芯片应用原理分析：

①振荡器

(a)振荡器原理：

振荡电路的等效电路如图4-4所示。CF电压由于恒流源的充放电而呈三角波。

图4-4振荡器等效电路

：充电电阻，R

off

：放电电阻，C

：计时电容

如图4-4，由内部充放电控制信号来控制对C

进行充放电。充电电流由R

控制，

放电电流由放电电阻R

off

控制。

(b)振荡器相关计算与分析：

在断续方式和振荡器控制电路不工作时，有关数据核算关系为：

占空时间：（4-1）

死区时间：（4-2）

实际振荡周期为二者之和。

其中，

T-ON

V4.5V，

T-OFF

V

3.5V，

OSCH

V

4.4V，

OSCL

V

2.0V。

OSCHOSCLONF

T-ON

()

VVRC





OSCHOSCLF

T-OFFT-ON

OFFON

()

VVC







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图4-5振荡器波形图

芯片输出脉宽为三角波的上升时间，而输出关断时间（死区时间）则为三角波的

下降时间。

当发生过流时，断续方式和振荡控制电路开始工作，此时T－off端电压依赖于

VF控制端电压，振荡器死区时间将延长。

占空时间

OSCHOSCLONFT-ON

()()VVRCVS（4-3）

死区时间

OSCHOSCLFVFVFOOFFFT-ONONF

()[()16]()VVCVVRCVRCS（4-4）

实际振荡周期为二者之和。

其中，

T-ON

V4.5V，

OSCH

V4.4V，

OSCL

V2.0V，

VFO

V0.4V。

当

VFVFO

0VV，取

VFVFO

0VV；当

VFVFOOFF

3.5VVVV,取

VFVFO

3.5VVV；

在0-3.5V范围内，取实际值。所以当

3.5VV时振荡器的工作和没有发生过流时一

样。

此时的振荡波形，除启动时，三角波从零开始以外，稳态时与图4-5类似。

(c)VF端的应用方法：

通常使VF端电压正比于变换器的输出电压，这样当发生过流而使输出电压变低

时，VF也变低，使得C

放电电流减小，死区时间（放电时间）也相应变长，从而进

一步降低占空比。

当然，这个VF端反馈电压也可以通过隔离变压器的相关绕组分压后获得。

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图4-6正激式变换器中VF端的应用

②PWM比较锁存部分

图4-7为PWM比较和锁存部分的电路图：

图4-7PWM比较和锁存

F/B：电压反馈端，E点OSC是振荡电路产生的矩形波，高电平时对应充电，低

电平对应放电。

从图可以看出，A点电位与F/B波动规律相同，A点电位与振荡三角波比较后锁

存，并与从振荡器输出的控制信号逻辑组合后输出。故B、C、D、E各点的逻辑关

系为：

D点在三角波高出A点反馈时为高电平，低于A点时为低电平。

B=D*E，可以得到B点波形。

C=B*E，从而得到C点输出波形。

电源输出越低，反馈电压V

F/B

越高（I

F/B

小），C点波形脉冲越宽，该信号经过反

向后，送芯片输出开关管基极。这样电源输出开关管得到的基极激励信号正好与电源

输出构成负反馈关系，实现了对电源输出的调节。

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③输出电路

芯片输出电路应该有优良的灌电流和拉电流能力，以便驱动MOS-FET。半桥电

路恰好满足了这一点，但它的穿透电流比较大。这样将引起IC电流的增大，增加芯

片损耗，并增加噪声电压。该芯片通过改进的半桥电路，穿透电流由常规的1A左右

降低到了100mA。

图4-8输出电路

从逻辑关系看，输出电路是在比较和锁存电路的C点输出高电平期间开通（芯

片输出高电平，电源开关管导通），从而触发电源电路输出的。因此，当电源电压变

低时，F/B反馈电压越高（I

F/B

小），C脉冲越宽，输出时间越长，从而使电源电压回

升；反之亦然。

④电流限制电路

如果A点波形和三角波的上升沿相交之前电流限制端CLM＋或CLM－的电压超

过阈值（＋200mV/－200mV），过流信号将使输出截止并且这个截止状态持续到下一

个周期。实际上该信号控制的状态在接下来的死区时间里被复位，所以电流限制电路

在每个周期都可以起作用，被称为“逐脉冲电流限制”。

实际应用电路为了消除寄生电容引起的噪声电压的影响，需要使用RC组成的低

通滤波器。

建议电阻采用范围10-100，以保证CLM端合适的输入电流。

⑤断续方式和振荡控制电路

当CLM端达到阈值时，电流限制电路将以脉冲形式发出电流限制信号，在V

out

输出高电平期间，电流限制锁存电路输出高电平，用于控制下级电路。同时，断续方

式和振荡控制电路开始工作，即输出高电平。图4-9为时序图。

另一种情况就是VF端反馈电压低于3VDC时，该电路启动工作。

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图4-10给出的是非断续时的时序图。对照两个图形，可以看出该电路的工作方

式。

图4-9断续方式和振荡控制电路时序

图4-10非断续方式下电路各点信号时序

⑥断续方式工作电路

在断续方式和振荡控制电路输出为高电平或VF端电压（间接反映V

out

）下降到

低于约3V的临界值时，断续方式电路开始工作。

图4-11为断续方式电路的原理图。当VF端电压高于

THTIME

（来自断续方式和

振荡控制电路）时，晶体管V导通，CT端电位接近于GND；当VF端电压低于

THTIME

（过载断续情况）时，晶体管V截止，CT将被充放电。SWA闭合而SWB断开时，

CT被120μA的电流充电，SWB闭合而SBA断开时，CT被15μA的电流放电，所以

CT端呈三角波。只有在CT端电压上升期才会产生输出脉冲。CT端的三角波频率要

远远低于开关振荡频率。这样功率电路中包括次级整流二极管在内的元器件可被有效

保护，以防过流引起的过热。

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图4-11断续方式工作电路图

⑦电压检测电路

DET端可被用来控制输出电压。DET端和F/B端之间的电路与并联型可调电压

基准芯片431非常相似，DET端电压高于2.5V时运放具有吸收电流能力，低于2.5V

时输出为高阻。DET和F/B端具有反相特性，它们之间应接以串接的电阻和电容以

利相位补偿。由于两点电位不同，绝不要只接电阻。加电容则不同，因为电容有隔直

能力。DET端不用时，可以接地。

图4-12检测电路等效图

⑧ON/OFF电路部分

ON/OFF端子用来开关芯片工作。由于Q4基极接了恒流源，它具有迟滞特性，

所以，即使外电路信号变化缓慢，也不会出现误动作。在过压保护（OVP）及OFF

状态下，芯片的工作电流均由起动电路提供。ON/OFF端为低电平时芯片才工作，阈

值电压为2.4V。图4-13是建议的外部连接方法。图中的开关可以用晶体管或光耦管

代替。

如果无须控制芯片工作时，ON/OFF端可以直接接地。

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图4-13ON/OFF外部电路

⑨过压保护（OVP）电路

OVP端子用来实现过压保护，并具有迟滞特性。Q2、Q3构成正反馈电路。当

OVP端高于750mV的阈值电压时芯片进入过压保护状态（OVP），芯片被停止。为

了复位，须使OVP端电压低于阈值或使VCC低于OVP复位供电电压（典型值为9V）。

恒流源I2在OVP不操作时，大约为150μA，操作时减少到2μA。但必须输入大

于I2约800μA到8mA的电流，才能触发OVP工作。在OVP作用期间，Icc应该至

少提供20μA电流，这可以靠适当设置R1偏置来实现。

如果需要OVP电位一直保持，则在OVP和地之间不要接电容。

4.2开关电源电路分析

4.2.1开关电源电路原理图

该电路实际上是一个比较简单的普通PWM开关电源电路。脉冲宽度的自动调节

取决于反馈电平与振荡器三角波的比较。

它是一个正激式隔离开关电源电路。隔离变压器包括三个绕组，即原边、副边及

第三绕组。第三绕组为芯片提供启动电路电源。

从整个电路结构看，它使用了最简单的单管结构。开关管使用了MOSFET器件，

开关管型号：2SK1939（2501），富士电机产品，N沟道，电压600V，8A，功率100W。

电路使用线性光电耦合器从输出端引回F/B电压及OVP过压反馈，F/B电压基

准为基准电源器件。同时引入了过流保护电路等。可以看出，它是一个非谐振式的变

换器，即常规的硬开关。

图4-14、图4-15是该开关电源的原理图。电源输出电压为5VDC。各控制环节

的设计和前面对芯片的分析相似，下面章节具体分析各单元电路结构及原理。

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(a)输入电路

(b)输出电路

图4-14开关电源电路原理图（输入、输出部分）

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图4-15开关电源电路原理图（控制电路、变换器部分）

4.2.2开关电源各单元电路具体分析

(1)输入电路

该电路包含滤波、浪涌抑制及全波整流电路。

输入电路各电容C11、C12、C13用于滤波，滤除高频噪声；电抗器L11用于浪

涌抑制；电容C14、C15、C18用于去耦。

输入220VAC电压经过全波整流，产生变换器所需要的直流电压，及提供控制

电路必须的工作电源。

J21为短路线，TH为过流电阻，当发生过流时，器件熔断。

(2)启动电路

启动电路是由输入整流电源提供芯片Vcc电源的电路。一般可以从隔离变压器原

边或者第三边提供。典型值为12-17V，输出电压一般为Vcc-2V。

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图4-16开关电源启动电路

这里的隔离变压器T11的1、3绕组为原边主绕组，4、5为辅助绕组，6、7为副

边输出绕组。2SD1457为NPN硅三极管。电源去耦电容建议为10—47uF，启动电流

不少于300uA。

该电路由第三边（辅助绕组）供电，与常规的芯片启动电路有较大差别。C31及

前面的两个二极管用于获得相对稳定的集电极直流偏压，基极偏置取自输入电路的直

流电压。A、C点用于提供其它辅助控制的上偏电源。

图中发射极下偏置18K电阻实际上是通过0电阻接到芯片7脚，并通过7脚并

联0电阻到5脚（热沉端）接地的。

(3)振荡电路

图4-17芯片振荡器外电路

Ron：充电电阻，Roff：放电电阻，CF：充放电电容。

芯片的上限频率是500KHz，电路原理前面已经详细分析，此处不再赘述。

(4)电源反馈比较和锁存电路

Ron

22k

Roff

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下图是电源反馈部分的比较及锁存电路。

图4-18电源反馈比较及锁存电路

该电路的F/B端为电源实际输出反馈端。输出电压Vo经分压采样，控制基准电

源。基准电源的高低决定了线性光电耦合器的输出电流大小。从F/B端看，IF/B和

VOUT是成线性关系的，这样就实现了电路的反馈调节。

(5)过流、过压保护电路

下面展示了OVP过压保护、VF振荡电路反馈、检测端DET、电压反馈端F/B

等的外部接线方法。

①VF反馈端：

控制芯片输出Vout经过阻容滤波，反馈回VF端，用于过流保护，作用和前面

芯片分析中所分析相同。不同的是，它同时从第三边引出反馈，整流后送VF端，作

用和从Vout端引出是一样的。

②OVP过压保护端：

OVP为过压检测端，它取决于反馈电路中光电流的大小。因为它直接影响光电

输出级的导通程度（Uce），从而直接影响到OVP电位（VOVP=VCC-IRcRC-Uce）。

由后面的输出电路可以看出，这个保护点取决于一个稳压管的稳压值。当输出电压高

于保护值时，OVP点电位高于门槛电平750mV，芯片进入保护状态。

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图4-19过流、过压保护电路

③检测端DET：

该端被直接接地，因此F/B端不受此点控制。

DET被用于检测输出电压。如果DET不接地，则在它超过2.5VDC时，将F/B

电位钳制在0VDC，从而使得占空比为0，电源处于保护状态。当它低于2.5VDC时，

电源正常工作。

(6)电流极限保护电路

图4-20是电流极限保护电路。

由于隔离变压器原边开关管是单向驱动的，所以只做正极限保护即可。变压器第

三边绕组单向脉动信号经过二极管整流及RC滤波，送CLM+端，做为正极限过流保

护。

负电流极限被直接接地，不起作用。

常规情况下，CLM＋或CLM－的电压超过阈值（＋200mV/－200mV）时，过流

信号将使输出截止，并且这个截止状态持续到下一个周期。下个周期将重新恢复，形

成所谓“逐脉冲电流控制”。

(7)通断控制电路及热沉端

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ON/OFF端（7脚）为低电平时芯片才工作，阈值电压为2.4V。本电路被直接接

地，不进行控制。

热沉端也被直接接地，以获取较好的热稳定性。芯片的5、6、15、16脚内部是

短接的，四个热沉端通过5脚接地。

(8)断续检测控制电路

断续电路的相关分析参见前面有关内容。

本电源CT端（14脚）被接地，即断续电路不起作用。

图4-20电流极限保护电路

(9)芯片输出及隔离电路

电源变换器部分是一个简单的单开关降压型隔离变换器。开关管规格：2SK1939

（2501），富士电机产品，MOS，N沟道，电压600V，8A，功率100W。

芯片的半桥电路输出脚2驱动MOSFET管栅极，开关管驱动隔离变压器原边绕

组1-3，主绕组上并联的RC电路用于提供泄放通路。

第三边绕组用于提供启动电源，如前述。

(10)输出电路

整流部分的上面两个二极管用于整流，下面两个则用于提供在开关管关断期间

（变压器没有输出）提供滤波电感的续流通路。电感器及电解电容用于滤波，加上两

个二极管的续流作用，可以获得尽可能连续的电流。

从输出电路看，这是一个Buck（降压）式开关电源。实际输出为5VDC。

电源输出电压由光电1、基准电源器件及电位器部分来控制，调节电位器可以在

一定范围内调整输出电压。

光电2、稳压管部分用于获得反馈OVP信号，稳压管的稳压值决定了OVP保护

动作点。

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图4-21芯片输出及隔离电路

(11)开关电源的等效变换器电路

综合上面分析，可以得到开关电源的变换器等效电路如下：

图4-22开关电源的变换器等效电路

这是一个单管隔离降压变换器，而且是一个传统的硬开关电路。为防止变压器磁

饱和及快速恢复，原边使用了简单的R1、C1释放电路。副边VD1整流，VD2续流，

C2去耦，L、C4滤波，R3、C3、R4为辅助泄放通路。

第三边由于用于芯片启动电路，没有画出。

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结论

本论文通过用电源控制芯片M51995AFP完成了一种由PWM控制开关的占空比

来调整输出电压的开关电源电路设计，主要完成的内容如下：

1．各类拓扑结构电源的分析；

2．开关电源主电路的选择；

3．输入、输出整流滤波电路的设计，并确定了相关器件的参数；

4．基于电源控制芯片M51995AFP对开关电源的控制核心部分的设计；

5．电压反馈电路，以及过流、过压保护电路的设计。

开关电源替代传统的铁芯变压器电源，是时代的进步、科学的发展。要求所有的

电子设备体积小、重量轻、节省电能是众望所求，而开关电源在很多方面都具有优势，

因此，开关电源必将会有更加长远的发展。

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致谢

在论文完成之际，借此机会，我谨向所有关心、帮助、鼓励和支持过我的所有老

师、同学和朋友表示衷心地感谢!

我的这篇论文的完成与导师吴蓉老师的悉心指导和教诲是分不开的。在毕业设计

过程中，自始至终都得到了导师吴蓉老师的悉心指导和关心。导师深厚的学术造诣、

严谨的治学态度、平易近人的为师风范和孜孜不倦的工作精神使我深受启发和感染，

获益良多，这必将使我终生受益。

在短短的毕业设计期间，导师在学习上给了我极大的帮助，使我得以顺利完成学

业。师恩似海，终身不忘。在此，我对尊敬的导师吴蓉老师表示衷心的感谢。

最后我要感谢在此次设计中给与我极大帮助的其他老师及同学，如果没有老师及

同学的帮助、交流与协作，论文也不可能如此顺利的完成，再一次深表敬意及感谢。

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参考文献

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分[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2005

[7]沙占友．新型单片开关电源的设计与应用[M]．北京：电子工业出版社，2001

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