自激式开关电源设计

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自激式开关电源设计

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。

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）设计输出电路，并确定相关器件参数； （4）设计电压反馈电路；

（5）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，电力电子技术，整流，自激式振荡

I

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Self-excited Switching Power

ABSTRACT

With the development of the electronic technology and the emerging of new power components, switching power supply has been widely used in computer, communications, electricity, home appliances and aerospace fields, achieving remarkable results.

The main content of the papers are:

(1)Choose switching power supply circuit based on the requirement;

(2)Design input rectifier filter circuit and identify the relevant device parameters; (3)Design rectifier output and establish the relevant device parameters; (4)Design voltage feedback circuit;

(5)Validate data of the designing by adoption of experimental and computations. In the thesis , the switching power supply filtering, rectifier and the feedback circuit are studied in details. The main technology of designing switching power supply is obtained by experiments and calculations. The design process is specified also.

KEY WORDS: Switching Power Supply, Electronic technology ,Bridge Rectifier, Self-excitation

II

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目 录

前 言 ................................................................................................ 1 第1章 开关电源基础技术 ............................................................... 2

1.1 开关电源概述 ....................................................................... 2

1.1.1 开关电源的工作原理 ................................................. 2 1.1.2 开关电源的组成 ......................................................... 3 1.1.3 开关电源的特点 ......................................................... 4 1.1.4 开关电源的主要技术指标 .......................................... 4 1.2 开关电源的分类 ................................................................... 5 1.3 开关电源设计中存在的问题与未来发展 .......................... 11

1.3.1 开关电源设计中存在的问题 .................................... 11 1.3.2 开关电源的发展趋势 ............................................... 12

第2章 自激式开关电源元器件的选用 .......................................... 13

2.1 开关晶体管 ......................................................................... 14

2.1.1 电力场效应管MOSFET ........................................... 14 2.1.2 绝缘栅双极晶体管IGBT ......................................... 16 2.2 二极管 ................................................................................ 17

2.2.1 开关二极管 ............................................................... 17 2.2.2 稳压二极管 ............................................................... 17 2.2.3快速恢复二极管及超快速恢复二极管 ..................... 18 2.3 光电耦合器 ......................................................................... 19 2.4 器件TL431 ......................................................................... 22 2.5 自动恢复开关 ..................................................................... 23 2.6 热敏电阻 ............................................................................. 24 第3章 自激式开关电源的设计 ..................................................... 26

3.1 总体设计 ............................................................................. 26 3.2 电路模块设计 ..................................................................... 27

3.2.1 启动与滤波电路 ....................................................... 27 3.2.2 DC/AC变换电路 ....................................................... 28

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3.2.3 反馈与保护电路 ....................................................... 29 3.2.4 输出转换电路 ........................................................... 30 3.3 开关电源设计相关参数计算 .............................................. 31 结 论 .............................................................................................. 32 谢 辞 ................................................................................................ 33 参考文献 .......................................................................................... 34 附录 .................................................................................................. 35 外文资料翻译 .................................................................................. 36

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前 言

电源[power supply; power source] 向电子设备提供功率的装置。把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能.发电机.电池本身并不带电,它的两极分别有正负电荷,由正负电荷产生电压(电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的),电荷导体里本来就有,要产生电流只需要加上电压即可,当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去,当电荷散尽时,也就荷尽流(压)消了.干电池等叫做电源。通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。能提供信号的电子设备叫做信号源。晶体三极管能把前面送来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去。晶体三极管对后面的电路来说，也可以看做是信号源。整流电源、信号源有时也叫做电源。

开关电源技术是一门运用半导体功率器件实现电能的高频率变换，将粗电变换成精电，以满足供电质量要求的技术。由于在开关电源中半导体功率器件工作在高频开关方式，因此它具有高效率，高功率密度，高可靠性。由于开关电源的突出优点，开关电源更替线性电源是发展的必然趋势。近年来，由于微型计算机的普及，通信行业的迅猛发展，推动了开关电源技术的进步和产业的迅速发展。

开关电源具有功耗小、功率高、稳压范围宽、体积小(重量轻)等突出优点，在通讯设备、数控设备、仪器仪表、影音设备、家用电器等电子电路中得到广泛应用。由于价格低廉，电路简单，目前仍有较多的电子设备采用自激式开关电源完成多种电压输出，包括升/降电压、改变极性等功能。自激式开关电源触发开关管的信号由自激振荡产生，在一定程度上简化了电路。基本的自激式开关电源是不隔离式的，输入电压经开关管控制后构成输出电压，输入与输出共有负极为公共端。采用不隔离的开关电源的用电设备当由市电整流输出时，用电设备可能接有交流高压的输入，因此其应用条件和范围有所限制。

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第1章 开关电源基础技术

1.1 开关电源概述

1.1.1 开关电源的工作原理

开关电源的工作原理可以用图1-1进行说明。图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压Uo。

SUiVU0UiTONU0(a)0t0(b)t0 (a) 电路图；(b) 波形图 图1-1开关电源的工作原理

为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下： D=

TONT (1-1)

式中，T表示开关S的开关重复周期；TON表示开关S在一个开关周期中的导通时间。

开关电源直流输出电压Uo与输入电压Ui之间有如下关系：

Uo=UiD (1-2) 由式(1-1)和式（1-2）可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间TON，即可改变脉冲占空比D，从而达到调节输出电压的目的。T

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不变，只改变TON来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调制（PWM）。由于PWM式的开关频率固定的，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此PWM式开关电源用得比较多。若保持TON不变，利用改变开关频率?=1/T实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压Uo稳压的方法，称做脉冲频率调节（PFM）。由于该方式的开关频率不固定，因此输出滤波电路的设计不易实现最优化。即改变TON,又改变T，实现脉冲占空比调节的稳压方式叫做脉冲调频调宽方式。在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节的稳压方式均有应用。

1.1.2 开关电源的组成

开关电源的组成如图1-2所示。其中DC/DC变换器用以进行功率交换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由他激或自激电路产生，可以是PWM信号、PFM信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。

图1-2 开关电源的基本组成

DC/DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普通。

开关电源与线性电源相比，其输入的瞬态变换比较多的表现在输出端，在提高开关频率的同时，由于比较放大器的频率特性得到改善，开关电源

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的瞬态响应指标也能得到改善。开关电源的负载变换瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定，所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器LC的方法来改善瞬态响应特性。

1.1.3 开关电源的特点

开关电源具有如下特点：

（1）效率高。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在80%～90%,高的可达90%以上。

（2）重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，从而使重量只有同容量线性电源的1/5,体积也大大缩小了。

（3）稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在90～270V内变化时，输出电压的变化在±2%以下。合理设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。

（4）安全可靠。在开关电源中，由于可以方便的设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠。

（5）功耗小。由于开关电源的工作频率高，一般在20kHz以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。

1.1.4 开关电源的主要技术指标

开关电源有以下主要技术指标。

（1）输入电压变化范围：当稳压电源的输入电压发生变化时，使输出电压保持不变的输入电压的变化范围。这个范围越宽，表示电源适应外界电压变化的能力越强，电源使用范围越宽。它和电源的误差放大、反馈调节电路的增益以及占空比调节范围有关。目前开关电源的输入电压变化范围已达到90～270V，可以省去许多电器中的110V/220V转换开关。

（2）输出内阻Ro:输出电压的变化量ΔUo与输出电流的变化量ΔIo的

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比值。这个比值越小，表示电源输出电压随负载电流的变化越小，稳定性越好。

（3）效率η：电源输出功率Po与输入功率Pi的比值。这个比值越高，开关电源的体积越小，同时可靠性也越高。目前开关电源的效率可达到90%以上。

（4）输出纹波电压：由于开关电源的稳压过程是一个不断反馈调节的过程，因此在输出的直流电压Uo上会出现一个叠加的波动的纹波电压，即输出纹波电压。这个电压值越小，表示电源的输出性能越好。这个参数的表示有两种方法：一是输出纹波电压有效值；二是输出纹波电压的峰峰值Upp。

（5）输出电压调节范围：由于电源的输出电压只和基准电压与输出取样电路的元器件参数有关，因此，输出电压调节范围反应在线性电源上时稳压调整管集电极电流的变化范围。

（6）输出电压稳定性：输出电压随负载变化而变化的特性，这个变化量越小越好。它主要和反馈调节回路的增益及频响特性有关。反馈调节回路增益越高，基准电压UE越稳定，输出电压Uo的稳定性越好。

（7）输出功率Po：电源能输出给负载的最大功率，它和负载功率有关。为了保证电源安全，要求输出功率有20%～50%的裕量。

1.2 开关电源的分类

现在，电子技术和应用迅速的发展，对电子仪器和设备的要求是：在性能上，更加安全可靠；在功能上，不断地增加；在使用上，自动化程度要越来越高；在体积上，要日趋小型化。这使采用具有更多优点的开关稳压电源就显的更加重要了。所以，开关稳压电源在计算机、通信、航天、彩色电视机等方面都得到了越来越广泛的应用，发挥了巨大的作用，这大大促进了开关稳压电源的发展，从事这方面的研究和生产人员也越来越多。图1-3给出了各种类型的开关稳压电源的原理图。

常见的开关稳压电源分类方法有已下几种： 1．按激励方式划分 （1）它激式

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它激式开关电源必须有一个振荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。

电路中专设激励信号产生的振荡器，电路形式如图1-3（c）所示。 （2）自激式

自激式开关电源利用电源电路中的开关晶体管和高频脉冲变压器构成正反馈电路，来完成自激振荡，使开关电源输出直流电压。在显示设备的PWM式开关电源中，自激振荡频率同步于行频脉冲，即使在行扫描电路发生故障时，电源电路仍能维持自激振荡而有直流输出电压。

开关管兼作振荡器中的振荡管，电路形式如图1-3（d）所示 2．按调制方式划分 （1）脉冲调制型

振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，有时通过取样电路，耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。

（2）频率调整型

频率调整型占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。

（3）混合型

通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。

3．按开关管电流的工作方式划分 （1）开关型

用开关晶体管把直流变成高频标准方式，电路形式类似于他激式。 （2）谐振型

开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准的正弦波，电路形式类似于自激式。

4．按开关晶体管的类型划分 （1）晶体管型

采用晶体管作为开关管，电路形式如图1-3（b）所示。 （2）可控硅型

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采用可控硅作为开关管，这种电路的特点是直接输交流电，不需要一次整流部分，其电路形式如图1-3（g）所示。

5．按储能电感与负载的连接方式划分 （1）串联型

储能电感串联在输入与输出电压之间，电路形式如图1-3（a）所示。 （2）并联型

储能电感并联在输入与输出电压之间，电路形式如图1-3（b）所示。 6．按晶体管的连接方式划分 （1）单端式

仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，这种电路的特点是价格低，电路结构简单，但输出功率不能提高，其电路形式如图1-3（a）（b）（c）。

（2）推挽式

使用两个开关晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式，这种电路的特点是开关变压器必须是有中心抽头，电路形式如图1-3（I）所示

（3）半桥式

使用两个开关晶体管，将其连接成半桥的形式，它的特点是适应于输入电压较高的场合，其电路形式如图1-3（m）所示。

（4）全桥式

使用四个开关晶体管，将其连接成全桥的形式，它的特点是输出功率较大，其电路形式如图1-3（h）所示。

7．按输入与输出电压大小划分 （1）升压式

输出电压比输入电压高，实际就是并联型开关稳压电源。 （2）降压式

输出电压比输入电压低，实际就是串联型开关稳压电源。 8．按工作方式划分 （1）可控整流型

所谓可控整流型开关稳压电源，是指采用可控硅整流元件作为调整开关管，可由交流市电电网直接供电，在可工作的半波内，截去正弦曲线的前一部分，这一部分所占角度称为截止角，导通的正弦曲线后一部分称为

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导通角，依靠调节导通角的大小，可达到调整输出电压和稳定输出电压的目的，其电路形式如图1-3（f）所示。

（2）斩波型

斩波型开关稳压电源是指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电路的输出端得到单相的脉动直流，经过滤波得到与输入电压不同的稳定的直流输出电压。电路还从输出电压取样，经过比较、放大，控制脉冲发生电路产生的脉冲信号，用以控制调整开关的导通时间和截止时间的长短和开关的工作频率，最后达到稳定输出电压的目的，电路的过压保护电路也是依据这一部分所提供的取样信号来进行工作的，斩波型电路形式如图1-3（e）所示。

（3）隔离型

这种形式的开关电源是在输入回路与逆变电路之间，经过高频变压器，利用磁场的变化实现能量传递，没有电流间的之间流通，隔离型开关稳压电源采用直流供电，经过开关电路将直流电变成频率很高的交流电，再经变压器隔离、变压，然后经整流器整流，最后就可以得到新的、极性和数值各不相同的多组直流输出电压。电路从输出端取样，经放大后反馈至开关控制端，控制驱动电路的工作，最后达到稳定输出电压的目的，这种形式的开关稳压电源在实际中应用的最为广泛。

9．按电路结构划分 （1）散件式

整个开关稳压电源电路都是采用分立式元器件组成的，它的电路形式较为复杂，可靠性较差。

（2）集成电路式

整个开关稳压电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的，这种集成电路通常为厚膜电路。有的厚膜集成电路包括开关晶体管，有的则不包括开关晶体管。这种电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。彩色电视机中常采用这种开关电源。

10．按电路的输出取样样式分类 （1）直接输出取样开关电源

直接输出取样开关电源在光电耦合器尚未应用时，主要在串联开关电

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源上使用；在光电耦合器应用后，开始在变压器耦合并联开关电源上使用。

（2）间接输出取样开关电源

间接输出取样方式输出电压的变化须经开关变压器磁耦合才能反映到取样绕组两端，所以稳压速度低，并且这种开关电源不能空载检修，检修时须在输出端接替代负载。

以上五花八门的开关稳压电源都是站在不同的角度，已开关稳压电源不同的特点命名的。图1-3示出开关稳压电源的原理框图。尽管电路的激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方式、开关管的器件种类以及串并联结构各不相同，但是它们最后总可以归结为串联型开关稳压电源和并联型开关稳压电源这两大类。

VDUUV0(a)串联型开关元件滤波电路CRL(b)并联型CRU0驱动器振荡器误差放大器取样电路Ui基准电压（c）他激式图1-3 各种开关电源原理图（a）-(c)

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图1-3 各种开关电源原理图（d）-(n)

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1.3 开关电源设计中存在的问题与未来发展

1.3.1 开关电源设计中存在的问题

随着半导体技术和微电技术的高速发展，集成度高、功率强的大规模的集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断的缩小，重量在不断的减轻，所以从事这方面的研究和生产的人们对开关稳压电源中开关变压器还感到不是十分的理想，他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途径来取代开关变压器，使之能过满足电子仪器和设备微小型化的需要。这是从事开关稳压电源研制的科技人员目前正在克服的第一困难。

开关稳压电源的效率与开关管的变换速度成正比的，并且开关稳压电源中采用了开关变压器以后，才能使之一组输入得到极性、大小各不相同的多组输出，要进一步提高开关稳压电源的效率，就必须提高电源的工作频率。但是，当频率提高以后，对整个电路中的元器件又有了新的要求，高频电容、开关管、开关变压器、储能电感等都会出现新的问题，近一步研制适应高频率工作的有关电路元器件，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第二困难。

工作在线性状态的线性稳压电源，具有稳压和滤波的双重作用，因而串联线性稳压电源不产生开关干扰，且纹波电压输出较小。但是，开关稳压电源的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰就会污染市电电网，影响临近的电子仪器及设备的正常工作。随着开关稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进，开关稳压电源的这一缺点得到进一步克服，可以达到不妨碍一般的电子仪器、设备和家用电器正常工作的程度。但是，在一些精密电子仪器中，由于开关稳压电源的这一缺点，却使它不能得到使用。所以，克服稳压电源的这一缺点，进一步提高它的使用范围，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第三个问题。

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

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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。

1.3.2 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。

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第2章 自激式开关电源元器件的选用

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。

开关器件的特征：

同处理信息的电子器件相比，开关电源的电子器件具有以下特征： (1) 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处理信息的电子器件。

(2) 开关器件一般都工作在开关状态，导通时(通态)阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。

(3) 开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际开关。

(4) 电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。

(5) 为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。导通时，器件上有一定的通态压降；形成通态损耗阻断时，开关器件上有微小的断态漏电流流过；形成断态损耗时，在开关器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。

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2.1 开关晶体管

2.1.1 电力场效应管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。

(a) N沟道内部结构断面示意图； (b) 电气图形符号

图2-1 电力MOSFET的结构和电气图形符号

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。

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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（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2-2和图2-3所示。

DRVTGTDW1DW2S

图2-2 加速TR关断驱动电路

在图2-2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。

图2-3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。

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DR1 100IDVDVT1MTD5N25EGTNS25TR21KVT2BC557S

图2-3 功率驱动电路

2.1.2 绝缘栅双极晶体管IGBT

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，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。

C(D)集电极(漏极）G栅极E 发射极E(S)发射极(源极)C 集电极G栅极

图2-4 IGBT的图形符号

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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IGBT的图形符号见图2-4。

2.2 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、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。

2.2.1 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：

(1) 最高反向工作电压VRM和反向击穿电压VBR：这两个参数越大越好。

(2) 最大管压降VFM：小于0.8V。 (3) 最大工作电流Id：大于150mA。 (4) 反向恢复时间trr：小于10ns。

2.2.2 稳压二极管

稳压二极管又叫齐纳二极管（Zener Diod），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。

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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VZ。设计人员根据需要选用。 ② 稳定电流IE。

③ 温度系数?t。温度越高，稳压误差越大。

2.2.3快速恢复二极管及超快速恢复二极管

快速恢复二极管（Fast Recovery Diod）和超快速恢复二极管（Superfast Recovery 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trr：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Id：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。

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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Id为最大输出电流IOM的3倍以上，即Id>3IOM；最高反向工作电压VRM为最大反向峰值电压V(BR)S的2倍以上，即VRM>2V(BR)S。

2.3 光电耦合器

光电耦合器（Optical Coupler，OC）也叫光电隔离器（Optical Isolationg，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。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。

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。

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图2-5 光电耦合器及其典型用法

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

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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VF、正向电流IF、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V(BR)CEO、集电极-发射极饱和压降VCE(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。当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比。其公式为：

CTR?(IO/IF)100% （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CTR?IF特性曲线呈非线性，在IF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CTR?IF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(?CTR??IC/?IF)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

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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 器件TL431

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。

TL431特点：

（1）最大输出电压为36V；

（2）电压参考误差：±0.4％ ，典型值@25℃（TL431B）； （3）低动态输出阻抗，典型0.22Ω ； （4）负载电流能力1.0mA to 100mA； （5）等效全范围温度系数50 ppm/℃典型； （6）温度补偿操作全额定工作温度范围； （7）低输出噪声电压。

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RKA

图2-6 TL431的外观和管脚

2.5 自动恢复开关

自动恢复开关（Resettable Swithing，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

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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IH。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) RT0：零功率电阻值，表示室温为25℃时的电阻值。

(2) ?T：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

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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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第3章 自激式开关电源的设计

3.1 总体设计

双频显示器可以支持两种不同模式的显示卡。DATAS-1C7423T彩显可兼容CGA、EGA、VGA模式，因此其行扫描频率应适应35.7kHz和3 1.5kHz两种频率。在行扫描电路中，行振荡电路受控于模式识别系统而改变其振荡频率。由于行频的差别较大，转换显示模式的同时，行输出级的供电电压必须改变。当行频升高时，行偏转线圈的感抗XL=2??L相应增大，行偏转电流随之减小。此时为了使行扫描满幅，只有提高行扫描供电电压，使行偏转电流增大。当行频降低时，行偏转线圈的感抗减小，行电流增大。如果不改变开关电源的输出电压，不仅仅是行幅增大，还要损坏显示管，但此时降低的只是行输出级的供电，而其他各组供电必须保持不变。这就是双频显示器或多频显示器开关电源的最大特点。

开关电源工作在高频状态，为了达到设计目的，本设计中采用自己振荡电路产生高频振荡信号。

总电路可分为启动与滤波电路、DC/AC变换电路、反馈与保护电路、输出转换电路等四个环节，其结构图如图3-1所示。

图3-1 总电路结构图

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3.2 电路模块设计

3.2.1 启动与滤波电路

图3-2 启动与滤波电路

如图3-2所示，市电输入首先经C901和L901组成的共模滤波器，对开关电源和市电网络进行双向隔离，以避免开关脉冲通过电网辐射干扰电脑主机和其他电器。L901为同一磁心上分段绕制的两组电感，其干扰脉冲磁场方向相反，使对称双线干扰相互抵消。L901的电感量达45mH，加上分段绕制，使其分布电容极小，因此有较宽的共模抑制频谱。C901和C904与L901的两绕组构成LC式滤波器，两电容接地点为显示器的信号地，以使 信号地为干扰脉冲的零电位点。为了避免连续使用温升过高，在显示器中常用负温度系数热敏电阻NTC作为滤波电容充电的限流电阻。NTC在通电瞬间温度上升，其阻值减小，功耗也减小。为了适应各种不同的输入电压，显示器电源电路设置有110/220V转换开关。当S开路时电路为普通的桥式全波整流器，适用于输入电压为220V的情况；当S闭合时电路变为全波倍压整流电路，其整流滤波直流电压为输入市电电压最大值的两倍，适用于输入电压为110V的情况。

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3.2.2 DC/AC变换电路

图3-3 DC/AC变换电路

如图3-3所示，开关电源的初级部分由Q92和T901构成自激振荡型DC/AC变换电路，电阻R901、R902作为Q92的启动偏置电路。电阻R901与C913将T901绕组③-④的脉冲以正反馈关系引入Q92的基极，使Q92随着间歇振荡过程不断导通、截止。在Q92截止期，T901向次级负载电路提供电压。VT91在电路中有双重作用，其一是与4N35光电耦合器和TL431可调稳压管构成稳压系统。

电源的行供电45V电压输出后，经R957、R963、RP91分压得到2.25～2.5V的取样电压，送到TL431的控制极。当输出电压升高时，TL431电流增大，使光电耦合器4N35的发光二极管亮度增强。其次级光耦器内部三极管C-E间的内阻降低，D905的整流电压在三极管C-E的压降减小，Q91的偏置电流增大，导通程度增强，开关管Q92正反馈电路分流增入，Q92提前截止，迫使输出电压降低。当输出电压降低时，电路动作与上述相反，Q92的震荡脉冲宽大，输出电压升高，以维持输出电压的稳定。

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3.2.3 反馈与保护电路

图3-4反馈与保护电路

如图3-4所示，Q91的另一作用是开关管Q92过流限制。Q92导通电流，在电阻R906产生与此成正比的电压降，该电压降经R903、C909加到Q91的基极。当Q92电流增大到600mA时，R906电压降达到0.6V，Q91瞬间导通对正反馈电流分流，迫使Q92集电极电流减小。如因故障Q92导通电流持续增大，Q91导通将使Q92停振。R903和C909构成Q91的延迟导通电路，如果Q92电流只瞬间增大，R906上压降对C909充电，因电流峰值过后，C909尚未充满电，所以Q91不会导通。此举是为了避免开机瞬间Q92的冲击电流使VT91误动作。

该电源设有行逆程同步电路。图中1-2端的L是用绝缘导线在行输出变压器旁柱上穿绕一圈，以产生感应行逆程脉冲。行逆程期间，其极性为①端正，②端负。正脉冲通过C910使D902导通，开关管Q92触发导通，以使自激振荡与行频同步。同时，行逆程脉冲还构成开关管激励脉冲的一部分。当行输出级出现故障时，开关管会产生轻度激励不足，使其带负载能力下降。如果输出级故障使行电流增大，则开关电源输出电压达不到额定值，以实现过电流状态的降电压保护，避免过电流危害行输出级和开关电源。

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3.2.4 输出转换电路

图3-5输出转换电路

在图3-5所示的开关电源的次级电路中，行供电设有两组电压：一组是由D952整流的65V电压；一组是由D954整流、C955滤波输出的45V电压。当处于低行频显示状态时，行输出级供电为45V，模式识别电路输出低电平，使Q93、Q94、Q95截止。因为Q93截止，C953两端电压是断开的，C955充电电压向行输出级提供45V电压。Q95截止，使取样电路分压电阻R960、RP92断开，取样电路由R957与R963、RP91之比设定。微调RP91可使45V电压准确。

当开关电源处于高行频等模式时，模式识别电路输出高电平，Q93、Q94、Q95都导通。Q93导通，使D952、C952整流的68V电压与输出端接通，向行扫描提供65±5V的供电。与此同时，C955充电到68V，使D954反偏截止，只由D952提供整流电压。为了保证68V输出电压的稳定，D95导通将R960、RP92与R963、RP91并联，取样比增大，使U92维持2.25～2.5V的取样控制电压，以使稳压系统正常工作。微调RP92，可使68V电压在60～

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70V之间变动，以使高行频显示模式下有足够的行幅度。

3.3 开关电源设计相关参数计算

该电路的充电时间常数 τ=R901C913=1.2×104×2.2×10=2.64×10uc=Us(1-е?) （3-1）

?9?5?1式中uc=1.4V，Us=8V，带入方程可解得

t=5.08μs 因而可以得到该信号的频率?=19.69kHz。

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3-2）

（

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结 论

通过这次毕业设计，我认真地学习了开关电源的有关知识，特别是自激式开关电源的有关知识，了解到开关电源具有功耗小、功率高、文雅范围宽、体积小(重量轻)等突出优点，在通讯设备、数控设备、仪器仪表、影音设备、家用电器等电子电路中得到广泛应用。设计的简单的双频显示器的开关电源属于自激并联型开关电源，设计的重点首先在于元器件选择，然后是滤波整流输入、DC/AC变换电路、反馈与保护电路、输出转换等四个环节的设计，还有相关参数的计算，最后是电路的调试，这些都是同学和指导老师的帮助下完成。

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谢 辞

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辛伊波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辛伊波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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附录

总电路图

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外文资料翻译

The development of modern control theory

1. The Intelligent Control (Intelligent Control)

Intelligent control is the artificial intelligence and automatic control combined, is a kind of people without intervention can be independently drive intelligent machine, realize the goal of automatic control. Intelligent control attention is not on the expression of mathematical formula, calculation and processing, and on to the task and the description of the model, symbols and environment of the recognition and the knowledge base and reasoning machine design and development. Intelligent control in production process, let the computer system imitation experts or skilled operator experience, establish knowledge based generalized model, a symbol information processing, heuristic program design, knowledge representation and the learning, reasoning and decision making intelligent technology, the external environment and system process, judgment, understanding forecast and plan, make the controlled object according to certain requirements to achieve the intended purpose.

Intelligent control is based on the theory of artificial intelligence, cybernetics, operations research and systematics of subjects such as cross, its main features are:

(1) And has knowledge of mathematical model of generalized said and mathematical model of the said in hybrid control process;

(2) The core of intelligent control in high-rise control, namely the organization level, its main task is to the actual environment or processes organizations;

(3) System getting information is not only the mathematical information, more important is to text symbols, images, graphics, sounds, etc, all kinds of information.

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现代控制理论的发展

1.智能控制(Intelligent Control)

智能控制是人工智能和自动控制的结合物,是一类无需人的干预就能够独立地驱动智能机器,实现其目标的自动控制。智能控制的注意力并不放在对数学公式的表达、计算和处理上,而放在对任务和模型的描述,符号和环境的识别以及知识库和推理机的设计开发上。智能控制用于生产过程,让计算机系统模仿专家或熟练操作人员的经验,建立起以知识为基础的广义模型,采用符号信息处理、启发式程序设计、知识表示和自学习、推理与决策等智能化技术,对外界环境和系统过程进行理解、判断、预测和规划,使被控对象按一定要求达到预定的目的。

智能控制的理论基础是人工智能,控制论,运筹学和系统学等学科的交叉,它的主要特点是:

(1)同时具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程;

(2)智能控制的核心在高层控制,即组织级,它的主要任务在于对实际环境或过程进行组织;

(3)系统获取的信息不仅是数学信息,更重要的是文字符号、图像、图形、声音等各种信息。

智能控制正处于发展过程中,还存在许多有待研究的问题: (1)探讨新的智能控制理论; (2)采用语音控制;

(3)提高系统的学习能力和自主能力;

(4)利用现有的非线性技术分析闭环系统的特性; (5)智能控制的实现问题。 2.非线性控制(Nonlinear Control)

非线性控制是复杂控制理论中一个重要的基本问题,也是一个难点课题,它的发展几乎与线性系统平行。非线性系统的发展,数学工具是一个相当困难的问题,泰勒级数展开对有些情况是不能适用的。古典理论中的“相平面”法只适用于二阶系统,适用于含有一个非线性元件的高阶系统的“描

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述函数”法也是一种近似方法。由于非线性系统的研究缺乏系统的、一般性的理论及方法,于是综合方法得到较大的发展,主要有:

(1)李雅普诺夫方法:它是迄今为止最完善、最一般的非线性方法,但是由于它的一般性,在用来分析稳定性或用来镇定综合时都欠缺构造性。

(2)变结构控制:由于其滑动模态具有对干扰与摄动的不变性,到80年代受到重视,是一种实用的非线性控制的综合方法。

(3)微分几何法:在过去的的20年中,微分几何法一直是非线性控制系统研究的主流,它对非线性系统的结构分析、分解以及与结构有关的控制设计带来极大方便.用微分几何法研究非线性系统是现代数学发展的必然产物,正如意大利教授Isidori指出:“用微分几何法研究非线性系统所取得的成绩,就象50年代用拉氏变换及复变函数理论对单输入单输出系统的研究,或用线性代数对多变量系统的研究。”但这种方法也有它的缺点,体现在它的复杂性、无层次性、准线性控制以及空间测度被破坏等。因此最近又有学者提出引入新的、更深刻的数学工具去开拓新的方向,例如:微分动力学、微分拓扑与代数拓扑、代数几何等。

3.自适应控制(Adaptive Control)

自适应控制系统通过不断地测量系统的输入、状态、输出或性能参数,逐渐了解和掌握对象,然后根据所得的信息按一定的设计方法,作出决策去更新控制器的结构和参数以适应环境的变化,达到所要求的控制性能指标。

自适应控制系统应具有三个基本功能:

(1)辨识对象的结构和参数,以便精确地建立被控对象的数学模型; (2)给出一种控制律以使被控系统达到期望的性能指标;

(3)自动修正控制器的参数。因此自适应控制系统主要用于过程模型未知或过程模型结构已知但参数未知且随机的系统。

自适应控制系统的类型主要有自校正控制系统,模型参考自适应控制系统,自寻最优控制系统,学习控制系统等。最近,非线性系统的自适应控制,基于神经网络的自适应控制又得到重视,提出一些新的方法。

4.鲁棒控制(Robust Control)

过程控制中面临的一个重要问题就是模型不确定性,鲁棒控制主要解决模型的不确定性问题,但在处理方法上与自适应控制有所不同。自适应控

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制的基本思想是进行模型参数的辩识,进而设计控制器。控制器参数的调整依赖于模型参数的更新,不能预先把可能出现的不确定性考虑进去。而鲁棒控制在设计控制器时尽量利用不确定性信息来设计一个控制器,使得不确定参数出现时仍能满足性能指标要求。

鲁棒控制认为系统的不确定性可用模型集来描述,系统的模型并不唯一,可以是模型集里的任一元素,但在所设计的控制器下,都能使模型集里的元素满足要求。鲁棒控制的一个主要问题就是鲁棒稳定性,目前常用的有三种方法:

(1)当被研究的系统用状态矩阵或特征多项式描述时一般采用代数方法,其中心问题是讨论多项式或矩阵组的稳定性问题;

(2)李雅普诺夫方法,对不确定性以状态空间模式出现时是一种有利工具;

(3)频域法从传递函数出发研究问题,有代表性的是Hoo控制,它用作鲁棒性分析的有效性体现在外部扰动不再假设为固定的,而只要求能量有界即可。这种方法已被用于工程设计中,如Hoo最优灵敏度控制器设计。

5.模糊控制(Fuzzy Control)

模糊控制借助模糊数学模拟人的思维方法,将工艺操作人员的经验加以总结,运用语言变量和模糊逻辑理论进行推理和决策,对复杂对象进行控制。模糊控制既不是指被控过程是模糊的,也不意味控制器是不确定的,它是表示知识和概念上的模糊性,它完成的工作是完全确定的。

1974年英国工程师E.H.Mamdam首次把Fuzzy集合理论用于锅炉和蒸气机的控制以来,开辟了Fuzzy控制的新领域,特别是对于大时滞、非线性等难以建立精确数学模型的复杂系统,通过计算机实现模糊控制往往能取得很好的结果。

模糊控制的类型有:

(1)基本模糊控制器,一旦模糊控制表确定之后,控制规则就固定不变了;

(2)自适应模糊控制器,在运行中自动修改、完善和调整规则,使被控过程的控制效果不断提高,达到预期的效果;

(3)智能模糊控制器,它把人、人工智能和神经网络三者联系起来,实现

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综合信息处理,使系统既具有灵活的推理机制、启发性知识与产生式规则表示,又具有多种层次、多种类型的控制规律选择。

模糊控制的特点是不需要精确的数学模型,鲁棒性强,控制效果好,容易克服非线性因素的影响,控制方法易于掌握。最近有人提出神经——模糊Inter3融合控制模型,即把融合结构、融合算法及控制合为一体进行设计。又有人提出利用同伦BP网络记忆模糊规则,以“联想方式”使用这些经验。

模糊控制有待进一步研究的问题:模糊控制系统的功能、稳定性、最优化问题的评价;非线性复杂系统的模糊建模,模糊规则的建立和模糊推理算法的研究;找出可遵循的一般设计原则。

6.神经网络控制(Neural Network Control)

神经网络是由所谓神经元的简单单元按并行结构经过可调的连接权构成的网络。神经网络的种类很多,控制中常用的有多层前向BP网络,RBF网络,Hopfield网络以及自适应共振理论模型(ART)等。

神经网络控制就是利用神经网络这种工具从机理上对人脑进行简单结构模拟的新型控制和辨识方法。神经网络在控制系统中可充当对象的模型,还可充当控制器。常见的神经网络控制结构有:

(1)参数估计自适应控制系统; (2)内模控制系统; (3)预测控制系统; (4)模型参考自适应系统; (5)变结构控制系统。

神经网络控制的主要特点是:可以描述任意非线性系统;用于非线性系统的辨识和估计;对于复杂不确定性问题具有自适应能力;快速优化计算能力;具有分布式储存能力,可实现在线、离线学习。

最近有人提出以Hopfield网络实现一种多分辨率体视协同算法,该算法以逐级融合的方式自动完成由粗到细,直至全分辨率的匹配和建立。又有人提出一种网络自组织控制器,采用变斜率的最速梯度下降学习算法,应用在非线性跟踪控制中。今后需进一步探讨的问题是提高网络的学习速度,提出新的网络结构,创造出更适用于控制的专用神经网络。

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