【精品】剖析切換式電源供應(yīng)器的原理及常用元件規(guī)格

1、剖析切換式電源供應(yīng)器的原理及常用元件規(guī)格宋自恒（品佳股份有限公司）、林慶仁（屮央研究院地球科學(xué)研究所）轉(zhuǎn)換效率高、可直流輸入的切換式電源供應(yīng)器山于大部分電了器材（如電視機、音響、電腦等）其內(nèi)部元件所使用的電源均為直流電，故必須有電源供應(yīng)器（或整流器）來把交流市電轉(zhuǎn) 換成各種不同的直流電丿禾以使電器發(fā)揮功能。依其電路結(jié)構(gòu)的不同，電源供應(yīng)器可分為線性式和切換式電源供應(yīng)器兩種，簡單的線性式電源供 應(yīng)器是山變壓器、二極體整流器和電容濾波器所組成（如圖一），其優(yōu)點是電路簡單、穩(wěn)定度高、暫態(tài)響應(yīng)快、可靠度高、漣波小、電磁干擾 小，然而因其使用大電流變壓器，體積大且重量重，大多無法直接安裝在電路基板上，轉(zhuǎn)換

2、效率低（約3050%）、不可做直流輸入都是其 缺點。為克服線性式電源供應(yīng)器的種種缺點所發(fā)展出的切換式電源供應(yīng)器（方塊圖如圖二所示），其優(yōu)點是轉(zhuǎn)換效率高、空載時耗電小、重量 輕、可做直流輸入。雖然在電路結(jié)構(gòu)上比線性式電源供應(yīng)器來得復(fù)雜，漣波比較大、電磁干擾也比較大，但整體而言，切換式電源供應(yīng)器仍 優(yōu)于線性式電源供應(yīng)器，故目前電源供應(yīng)器的市場乃以切換式電源供應(yīng)器為主流。圖一線性式電源供應(yīng)器電路簡圖input stage9 |i1pfc stage :;=»=emi 濾波器isv：il d r>b 1 | |1功率因數(shù) 調(diào)整逝路 t 1i 1a功率開關(guān)隔離高頻 變壓器整流 二極簡&g

3、t;柿出讖波器odc輸出pwm與 驅(qū)動也路1*<41 1111光隔離器誤差 放大器圖二切換式電源供應(yīng)器方塊圖一個優(yōu)質(zhì)的切換式電源供應(yīng)器至少應(yīng)具冇下列特點：*輸入電壓范圍為90264伏特z間。*輸入頻率范圍4763hzo i轉(zhuǎn)換效率80%以上。*停電后輸出維持時間(hold up time)最少10毫秒以上。* 產(chǎn)生之電磁干擾(electromagnetic interfrence, emi)雜訊(power line noise)須符合f c c和c e標準。(注 1.)*輸出入端具隔離效果。*輸入電壓超出額定值時輸出電壓的改變量(line regulation)須小j-± 1

4、 %以下。*輸出漣波和雜訊在1 %以下。*具過電壓、過電流保護功能。*具冇防靜電和防雷擊功能。*機殼的漏電流在0.75ma以下。典熨的切換式電源供應(yīng)器是山9個部分所組成 分別是輸入級(input stage)包s emi濾波器和橋式整流電路 功率因數(shù)調(diào)整級(power factor correction, pfcstage)包含功率因數(shù)調(diào)整電路;功率級(power stage)包含功率開關(guān)、脈波寬度調(diào)變(pulse width modulation, pwm) 與驅(qū)動電路、隔離高頻變壓器、整流二極體及輸出濾波器；回授級(feedback stage)包含謀差放大器及光隔離器。emi濾波器的主要

5、h的是防止連接在同一電力系統(tǒng)的電氣裝汽所產(chǎn)牛的傳導(dǎo)性電磁雜訊經(jīng)由電源導(dǎo)線而彼此互相干擾。橋式整流電路把輸入交 流電源轉(zhuǎn)換為直流電vi。功率因數(shù)調(diào)整(pfc)電路的忖的是調(diào)整電源供應(yīng)器的功率因數(shù)，使符合環(huán)保標準。pwm與騾動電路用來控制功率 開關(guān)的導(dǎo)通與否，當(dāng)功率開關(guān)導(dǎo)通時，輸入電壓vi會供應(yīng)到隔離高頻變壓器的初級繞組上，此時初級繞組上的電流逐漸增加并將能雖儲存于 其中，同吋把能量感應(yīng)在變壓器的次級繞組上，整流二極體把變壓器次級繞組上的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，?jīng)輸出濾波器濾除漣波成分后輸出直流 電壓，當(dāng)功率開關(guān)截止時，儲存在隔離島頻變壓器初級繞組上的能量轉(zhuǎn)移到次級繞組上，持續(xù)提供輸出電流。誤差放人器截

6、取一部分輸出電壓 與想得到的電壓做比較，誤差值經(jīng)光隔離器耦合到pwm控制電路上，藉由改變脈波寬度來控制功率開關(guān)的導(dǎo)通時間，以粘確得到想要的直流 輸出電壓。為因應(yīng)各種不同的輸出功率，切換式電源供應(yīng)器發(fā)展出下列幾種常用的電路拓仆(topology),分別是返馳式(flyback)、順向式(forward)> 全橋式(full bridge).半橋式(half bridge)和推挽式(push-pull)等，木文將針對此五種電路拓仆，分析其原理及設(shè)計方法，并提供 一些冃前市售元件的產(chǎn)品規(guī)格給讀者參考。注仁fcc為美國聯(lián)邦通訊委員會的縮寫，ce為歐盟共同標準。電路簡單、成本低廉的返馳式電路拓仆圖

7、三為h前故普遍被使用的返馳式電路拓仆之電路簡圖，在100w以下的應(yīng)用上，山于它的變壓器又兼作輸出儲能電感使用，且次級端僅需一 個二極體，故電路簡單成木低廉，以成木的角度來說，它幾乎是沒有別的電路所能取代的。由l1、pfcic、q1、d1和c1組成pfcstage, 用來調(diào)整電源供應(yīng)器的功率因數(shù),使符合壞保標準。l1的典型值約數(shù)hph數(shù)mhzi'hj, 一般采用鐵粉芯(iron power core)材質(zhì)，q1 電晶體的規(guī)格要求為耐電壓600v,耐電流7 a以上，表一為業(yè)界簾用的規(guī)格。pfc ic控制q1的導(dǎo)通與截止，一般依流過電感的電流波形 分為連續(xù)式(continuous)和不連續(xù)式

8、(discontinuous)兩種，業(yè)界一般采用的型號有ti的uc3852. uc3854. st的6561及infineon 的tda4863等。d1為功因調(diào)整用超快速冋復(fù)二級體(pfc hyperfast recovery diode), 一般規(guī)格為耐電壓600v、耐電流5a以上、 反向冋復(fù)時間(reverse recovery time, trr)為20ns以下，表二為業(yè)界一般采用的規(guī)格型號。c1則依其輸出漣波規(guī)格大小來決定其值， 典型值通常在loopf以上，耐壓在450500v之間，一般釆用電解電容材質(zhì)。表一業(yè)界常用的pfc級600v耐壓電晶體規(guī)格型號表1(a)rds on (ohm)

9、type no.brandpackage71.2phx7nq60ephilipsto220f7.30.6spp07n60c2infineonto220100.75phx10nq60ephilipsto220f表二業(yè)界常用的pfc二極體規(guī)格型號表io(av)/ if(a巧(a)vrrmw(ns)packagesurface mountleadedd2-pack (so t-404)to-220ac(so d59)560019byc05b-600byc05-600860019byc08b-600byc08-6001060019byc10b-600byc10-600圖三、返馳式電路拓僕之電路簡圖由p

10、wmic、q2、t1、d2、c2組成power stage.藉由pwm ic控制q2電子開關(guān)的導(dǎo)通與否，配合次級側(cè)的二極體和電容，即可得到 dc電壓的輸出，而變壓器t1因為有氣隙z故，其初級圈具有隔離、變壓和電感的三重功能，藉由q2電子開關(guān)作用將儲存于在變壓器的能 量傳遞給次級側(cè)，再藉由電容c2的充電保持功能來得到直流電壓vo,此外改變變壓器初、次級的圈數(shù)，就可以得到想要的dc電源。早期的 pwm ic人多采用uc384x系列（如uc3842、uc3843）,然而近年來由于環(huán)保意識抬頭，國內(nèi)的廠商如崇貿(mào)等更改良了以往pwm ic 的工作模式而設(shè)計t 384xg及6840等具有g(shù)reen fun

11、ction的ic （注2）,此外歐系的infineon coolset ice2axxx及ice2bxxx系 列不僅具有g(shù)reen function,并且把以往外加的q2電晶體包裝在8dip的ic內(nèi)，以節(jié)省空間和制造流程?，F(xiàn)今業(yè)界一般采用的型號仍以 384x系列的傳統(tǒng)ic屈多，但由于新產(chǎn)品越來越積體化及環(huán)保和安規(guī)要求越來越嚴苛的趨勢下，相信不久z后，市場會有革命性的變化。q2 為耐電壓600v的mosfet,業(yè)界一般采用的型號如表三所示。t1的一般規(guī)格為el core或eecore,業(yè)界一般采用的型號為el28ei40。 d2為肖特基二級體（schokky diode）,作為整流z用，業(yè)界一般

12、采用的型號如表四所示。c2是濾波電容，英電容值視輸出漣波要求而定， 一般在400|jf以上，而耐壓則選擇輸出電壓的1.2-1.5倍z間，-般采用電解電容材質(zhì)。表三 業(yè)界常用的600v mosfet規(guī)格型號表1(a)rds on (ohm)type no.brandpackage1112sk3491sanyoi pack1.83spu02n60s5infineoni pack32.62sk2624sanyoto220f42.5phx4nq60ephilipsto220f61.22sk2628sanyoto220f71.2phx7nq60ephilipsto220f7.30.6spp07n60c2

13、infineonto220100.75phxlonqrsoephilipsto220f110.38spp11n60c2infineonto220110.38spw11n60c2infineonto247200.19spp20n60c2infineonto220200.19spw20n60c2infineonto247470.07spw47n60c2infineonto247| lo（a由r1、r2、r3、ph1、d3組成feedback stage, r2. r3組成分壓電路擷取一部分輸出電壓，經(jīng)ph1光耦合器回授到pwmic,藉調(diào)整 pwm ic的輸出脈波寬度以穩(wěn)定輸出電壓值，r1、r2&g

14、t; r3 般采用1/4w碳膜電阻，ph1的型號為infineon的sfh615、sfh617, d3 為三端穩(wěn)壓元件主要產(chǎn)生2.5v的穩(wěn)定參考電壓，tl431為業(yè)界常用的烈號。注2： green function為環(huán)保功能的意:思，亦有ic特性乎冊稱之為blue angel,其要求是在滿載70w以下的電源產(chǎn)品，當(dāng)負載沒有輸出 功率的情況下，輸入電源仍照常供應(yīng)時，電路消耗功率必需小于1w以下。輸出功率高于1 50w的順向式電路拓仆圖四為順向式電路拓仆z電路簡圖，與返馳式電路拓仆的主要差別在于power stage的次級側(cè)部分，順向式多用了一個肖特基二級體d4和 電感l(wèi)2,當(dāng)q2截止時，隔離變壓

15、器t1 z繞組上的電壓極性會反轉(zhuǎn)，使得d2z1極體變成逆向偏壓而不導(dǎo)通，而d4二級體則處于導(dǎo)通狀態(tài)， 此時負載端z能量，則由l2和c2所儲存的能暈經(jīng)由d4來供給。因此在順向式電路拓仆中，l2和c2除了做為低通濾波器z外，亦為一儲 能元件。在元件的采用上和flyback電路人同小異，然而由于在電晶體q2關(guān)閉（off）時來ht1初級側(cè)的反向電壓會和c1上的輸出電壓 相累積而成為兩倍的pfc stage輸出電壓，故q2的耐壓必需高達800v以上，實務(wù)上通常都采用耐壓800v的mosfet來扌h任此任務(wù)，業(yè) 界一般采用的型號如表五所示。表四業(yè)界常用的肖特基二極體規(guī)榕型號表lo(av)vrrmvfifs

16、inglepackageif(av)(v)(mv)(a)/dualsurface mountlead(a)sot 223d-packd2-packto220acto220absod 113sot 186 ato247(sot 428)(sot 404)(sod 59)(sot 78)(sot 186 a)(sot 429)2404501dualpbyr240ct2254501dualpbyr245ct3405701.5dualpbyr340ctd3455701.5dualpbyr345ctd6406003dualpbyr640ctd6456003dualpbyr645ctd7.5405707.

17、5singlepbyr740dpbyr740bpbyr740pbyr740x7.5455707.5singlepbyr745dpbyr745bpbyr745pbyr745x104057010singlepbyr1040dpbyr1040bpbyr1040104059010singlepbyr1040x10406005dualpbyr1040ctd104557010singlepbyr1045dpbyr1045bpbyr1045104559010singlepbyr1045x10456005dualpbyr1045ctd106070010singlepbyr1060bpbyr1060101007

18、0010singlepbyr10100bpbyr1010015405707.5dualpbyr1540ctbpbyr1540ctpbyr1540ctx15455707.7dualpbyr1545ctbpbyr1545ctpbyr1545ctx164057016singlepbyr1640bpbyr1640164060016singlepbyr1640x164557016singlepbyr1645bpbyr1645164560016singlepbyr1645x204057010dualpbyr2040ctbpbyr2040ctpbyr2040ctx204065020dualpbyr2540c

19、tx204557010dualpbyr2045ctbpbyr2045ctpbyr2045ctx204565020dualpbyr2545ctx206070010dualpbyr2060ctbpbyr2060ct2010070010dualpbyr20100ctbpbyr20100ct304060020dualpbyr3040wt304062020dualpbyr2540ctbpbyr254(k?t304560020dualpbyr3o45wt304562020dualpbyr2545ctbpbyr2545ct306070015dualpbyr3060xvt3010070015dualpbyr3

20、()i()()wt404060020dualpbyr4040wt404560020dualpbyr3045wt604060030dualpbyr6040wt604560030dualpbyr6045wt表五 業(yè)界常用的800v mosfet規(guī)格型號表1(a)rds on (ohm)type no.brandpackage3.41.3spa04n80c3infineonto220f60.95spp06n80c3infineonto2204.90.65spa08n80c3infineonto220f5.90.45spa11n80c3infineonto220f170.29spp17n80c3inf

21、ineonto220170.29spw17n80c3infineonto247forward電路拓仆的特點為(1 )輸出功率可高于150w。(2)流經(jīng)變壓器初級側(cè)及次級側(cè)的電流較小(因為變壓器不作電感作用，無需加 氣隙，故感量高電流小)，因此變壓器的銅損(copper less)小，所以溫升低,可用小一點的變壓器。(3)成本增加,因為power stage 的輸出端多用了一個二極體d4和電感l(wèi)2 z故。需使用2顆40 0 v開關(guān)晶體的半橋式電路拓圖五為半橋式電路拓仆之電路簡圖，q1和q2電晶體為互補工作模式，即當(dāng)q1導(dǎo)通時，q2截止。而其pwm ic所產(chǎn)生的控制信號及變壓 器初級側(cè)的電壓vc如

22、圖六所示。本電路的動作方式可分為四個狀態(tài)(state)來討論，其中第1個狀態(tài)是當(dāng)q1為on、q2為off時，電流 方向如圖五中虛線所示，此時若pfc stage的輸出為vd = 400v,則變壓器之初級側(cè)電壓vc約為vd/2=200v,而q2所需的耐壓約為 vd = 400vo初級側(cè)電壓vc經(jīng)由變壓器耦合到次級，次級側(cè)的電流經(jīng)d1把能量儲存在電感l(wèi)中，并供應(yīng)到輸岀vo端。當(dāng)q2耍由off 轉(zhuǎn)到on的狀態(tài)時，為防止q1和q2同時on,造成輸入端短路致使電路燒毀的嚴重后果，必需先進到第2個狀態(tài)，u|j q1和q2皆為off 的情形，這段時間稱為截止時間(deadtime),此時變壓器的初級側(cè)完全沒

23、有能量耦合到次級側(cè)，而落在q1q2的壓降約各為200v,次級 側(cè)則將上一個狀態(tài)儲存在電感l(wèi)能量釋放到負載。接下來進入第3個狀態(tài)，即q1為off而q2為on,電流方向如圖五中的雙虛線所示此時 若pfc的輸出為vd = 400v,則變壓器之初級側(cè)電壓vc約為-vd/2 = 200v,而q1所需的耐壓約為vd = 400v,與狀態(tài)1極為類似， 初級側(cè)電壓vc經(jīng)由變壓器耦合至次級，使次級側(cè)電流經(jīng)由d2將能量儲存在電感l(wèi)中，同時供應(yīng)到輸出vo端。同樣地，當(dāng)q1要由off轉(zhuǎn) 到on的狀態(tài)時，也必需先使q1和q2皆為off,以避免輸入端短路致使電路燒毀，此為第4個狀態(tài)。接下來再進到第1個狀態(tài)，如此周而 復(fù)始

24、不段地循環(huán)下去。圖丘半檎式電路祐僕之電路簡圖半橋式電路之控制侶烝時序圖由上述地原理可知，半橋式電路需使用2顆400v的開關(guān)晶體，通常基于成本考囲 業(yè)界通常使用耐電壓400v的電晶體來擔(dān)任此任務(wù)，其常 用的規(guī)格如表六所示。而pwm ic則常選用以tl494 ic。表六 業(yè)界常用的400v功率晶體規(guī)格型號表1(a)type no.brand4phe13005philips72sc5763sanyo72sc4106sanyo8phe13007philips12phe13009philips12tt2144sanyo122sc4108sanyo162sc4109sanyo252sc4110sanyo輸

25、出功率比半橋式大1倍的全橋式電路拓仆圖七為全橋式電路拓仆之電路簡圖，其pwmic所產(chǎn)生的控制信號如圖八所示，其中q1、q4為同步運作，而q2、q3為同步。類似半橋式 電路，全橋式電路的動作方式也可分為四個狀態(tài)來討論，其中第1個狀態(tài)是當(dāng)q1、q4為on、q2、q3為off時，電流方向如圖七中虛線 所示，此時若pfc stage的輸岀為400v,則變壓器之初級側(cè)電壓vc亦為400v, q1、q4導(dǎo)通而q2、q3所需的耐壓約為400v° vc經(jīng) 由變壓器耦合到次級，次級側(cè)的電流經(jīng)d2把能量儲存在電感l(wèi)中并供應(yīng)到輸出v0端。第2個狀態(tài)是當(dāng)q1、q4、q2. q3為off,稱為 截止時間（de

26、adtime）,此時變壓器的初級側(cè)完全沒有能量耦合到次級側(cè)，而落在q1、q4、q2、q3的壓降約各為200v,次級側(cè)則將 上一個狀態(tài)儲存在電感l(wèi)能量釋放到負載。第3個狀態(tài)是即q1、q4 1為off而q2. q3為on,電流方向如圖七中的雙虛線所示，此時若 pfc的輸出為400v, vc約為-400v, q2. q3導(dǎo)通而q1、q4所需的耐壓約為400v, vc經(jīng)由變圧器耦合至次級，使次級側(cè)電流經(jīng)由 d1將能量儲存在電感l(wèi)中，并供應(yīng)到輸出v0端。第4個狀態(tài)和第2狀態(tài)同樣是q1、q4、q2、q3為均為截止，接下來再進到第1個狀 態(tài)，如此周而復(fù)始不段地循環(huán)下去。im putz>pkmicfee

27、dback stage圖七、全橋式電路拓僕之電路簡圖全橋式也路之控制信號時序圖山上述地原理可知，全橋式電路需使用4顆400v的開關(guān),基于成本考量,業(yè)界通常以耐電壓400v的電晶體來制作。比較全橋式和半橋式電 路，在相同的輸出功率下，山于全橋式電路的變壓器輸入電壓vc為半橋式的兩倍，因此流經(jīng)全橋式電路晶體開關(guān)的電流僅有半橋式電路的一 半，所以若使用相同耐電壓、耐電流的電晶體，金橋式電路輸出的功率可比半橋式大一倍，其常用的規(guī)格和半橋式相同，如表六所示。而pwm ic則簾以tl494 ic加上一些邏輯閘來制作。提供大功率需求的推挽式電路拓仆圖九為推挽式電路拓仆z電路簡圖，而pwm ic所產(chǎn)工的控制信

28、號和各fet品體的vds波形如圖i所示。電路的動作方式亦分為四個狀態(tài)來 討論，其中第1個狀態(tài)是當(dāng)q1為on、q2為0ff時，電流方向如圖九中的虛線所示，此時若pfc stage的輸出為vd約400v,貝u變壓器 z初級側(cè)電壓vc1為-400v,肓接傳遞能量到次級vs1,此時d1導(dǎo)通使電流流過電感l(wèi)并把能量儲存其屮，11供應(yīng)到輸出v0端，而此時 q2fet的耐壓為2vd= 800v.這是本電路和半橋式電路的最人不同點 而業(yè)界常用的mosfet規(guī)格與順向式電路所用的mosfet規(guī)格相同， 如衣五所示。此外亦冇業(yè)者為節(jié)省成本而使用高耐壓bjt電品體來取代，但耐壓800v的bjt較不多見。第2個狀態(tài)是

29、當(dāng)q1和q2皆為截 止?fàn)顟B(tài)，此時變壓器沒冇能量耦合到輸出端，而落在q1和q23的壓降約為vd=400v,次級側(cè)則將上一個狀態(tài)儲存在電感l(wèi)上的能量釋放到 負載。第3個狀態(tài)是即q1為off而q2轉(zhuǎn)為on,電流方向如圖十中的雙虛線所示，此時若pfc stage的輸出為400v,則變壓器初級繞 組上的電壓vc2約為+400v,直接傳遞能杲到次級vs2,則d2導(dǎo)通并流過電流到電感l(wèi)將能量儲存于其屮并供應(yīng)到輸出vo端 « q2fet 的耐壓為2vd=800vo第4個狀態(tài)和笫2狀態(tài)同樣是q1、q4、q2、q3為通通截止，接下來再進到第1個狀態(tài)，如此周而復(fù)始不段地循 環(huán)下去。推挽式電路和半橋式電路同

30、樣使用兩個開關(guān)元件，只是電路的接法不同，然而為何較大功率需求的產(chǎn)品如ups、通信設(shè)備或儀器川電源大多仍 使川此種架構(gòu)呢？其實是由于在第1個狀態(tài)時半橋式電路的變壓器初級側(cè)電壓值vc約為vd/2,而推挽式電路的丨vc丨約為vd,當(dāng)變壓器 要傳遞相同能量時，半橋式電路的變壓器初級側(cè)電流要比推挽式電路高上一倍，使得變壓器木身的磁滯損失和渦流損失增加而捉高溫升，而使 用較人的變壓器不僅增加成本，在某些應(yīng)用上由丁變壓器體枳變?nèi)硕@得較為麻煩。在元件的采用上開關(guān)元件使用如衣5的800v耐壓fet,而pwm ic常以tl494來制作。推挽式電路雖然仍冇其市場，但其缺點是開關(guān)元件 需使用耐壓高達800v以上的mosfet,故以價格導(dǎo)向且數(shù)量龐人如個