开关电源设计要点与调试 专题培训资料

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图2-4-b 正激式开关电源的开关损耗
2.4 开关时间对损耗的影响
在基极接一电容会降 低开通和关断时间
图2-5-a 增加开通和关断时间将增大开关损耗 纯电阻负载的开关损耗大小与开关管的 4 个开关时间大小成正比，增加开关管的开通 时间和关断时间，会降低开关电路的电压、 电流上升率，对降低开关电源的辐射干扰也 很有利，但会增加开关管的开关损耗。 在感性负载中，正激式和反激式输出开关 电源，两种开关损耗均不相同。 14
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1.2 开关电源输出功率和工作频率
输出功率在120～300瓦之间，如果输入电压比较低，可选用推挽式开关 电源；如果输入电压比较高，则可选用半桥式开关电源；输出功率为300瓦 以上时，最好可选用全桥式开关电源。 输出功率在1000瓦以上的，最好选用IGBT管推挽式或半桥式、全桥式开 关电源，IGBT管开关电源工作频率相对比较低，体积相对比较大。 开关电源的体积很大程度上与输出功率及工作频率有关。输出功率越大， 功率器件的体积相应也会增大；工作频率越高，储能元器件（开关变压器、 滤波电容、滤波电感）的体积相应会减小，但开关电源的损耗也会随着开关 电源的工作频率升高而增加。因为，开关电源变压器的损耗和开关管的损耗 都与工作频率有关，电感、电容器的损耗也与工作频率有关。开关管的损耗 与工作频率成正比，因此，如果不是对开关电源的体积有特别要求，就不要 把开关电源的工作频率取得很高，一般以开关管的损耗不超过总电源损耗的 10%来决定开关电源的工作频率。 5
图2-5-b 开关电路各点波形及损耗
2.5 晶体管耗散功率的图解
一般功率器件的工作温度都会 达到85℃（其中：环境温度为 45℃+机内平均温升20℃+本身 温升20℃）以上；当工作温度 升高时，输出功率会线性下降。 如图2-6，晶体管耗散功率的半 功 率点大约为87.5℃，即在此 温度条件下，晶体管的耗散功率 就会下降到只有最大值的二分之 一。当温度达到115℃时，其耗 散功率只有最大值的四分之一。
图2-2-a 纯电阻负载开关电路 晶体管的开关特性参数： 1、延时时间 延时时间 td：从输入信号Vin变正起，到集电 极电流Ic上升到最大值Icm的10%所需时间。 2、上升时间 上升时间 tr：集电极电流Ic从10%上升到最 大值Icm的90%所需时间。 3、储存时间 储存时间 ts:从输入信号变负起，集电极电 流最大值Icm下降到90%所需时间。 4、下降时间 下降时间 tf：集电极电流Ic从90%Icm下降 到10%Icm所需时间。 11 图2-2-b 纯电阻负载的开关损耗
1.3 电源开关管的选择
在高压大功率场效应管还没有大量在市场上出现之前，开关电源基本上都是采用 晶体管作为电源开关管。晶体管与场效应管的工作原理截然不同，晶体管是一个电流 控制型器件，作为电源开关管，它需要较大的驱动电流，但控制电压却很低；而场效 应管是一个电压控制型器件，作为电源开关管，它需要比较高的控制电压，但驱动电 流却很小。 由于场效应管需要比较高的控制电压，而驱动电流却很小，因此，场效应管驱动 电路的工作电流可以做得非常小，通常只有几个毫安到几十个毫安，只需通过一个降 压电阻与输入电压端连接，就可以给场效应管驱动电路供电。而晶体管的驱动电路需 要较大的工作电流，因此，晶体管驱动电路的供电问题相对难度比较大，这是阻碍晶 体管开关电源一直停滞不前的大问题，直到IGBT管诞生以后，此问题才基本得到解 决。 由于晶体管与场效应管工作原理上的区别，采用晶体管为电源开关管的开关电源 与采用场效应管为电源开关管的开关电源，两者之间区别越来越大。目前大多数晶体 管开关电源都是自激式开关电源，其输出功率一般都很小。
开关电源设计要点与调试
陶显芳
2017.12.5
开关电源设计要点 ♫ 1.0 需要考虑的几个要素
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1.0 开关电源电路设计需要考虑的几个要素
1. 开关电源的输出功率 2. 成本 3. 体积 4. 工作效率 5. 工作频率 6. 输出负载特性 7. 输入电压特性 8. 可靠性 9. 安全与EMC
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1.1 开关电源输出功率
件下的数据，这意味着BJT 、MOSFET要带一个无限大的散热片才能达到此参数。
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开关电源设计要点 ♫ 3.0
开关电源变压器设计要点
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3.1 变压器铁芯的磁化曲线
根据图3-1可以求得双激式和单激 式变压器初级线圈的匝数分别为：
B Bm
V
c
B
Uτ 108 单激式: N1 = （3-1） S ( Bm − Br )
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2.2 开关管的等效电路
晶体管（或 MOS 管）输入端可等效成 一个电容与一电阻并联，其输入电压为：
ub ≈ U P (1 − e
−
t RC
) t =on + (U p e
−
t RC
) t =off
Hale Waihona Puke 图2-1-a 晶体管开关电路晶体管（或MOS管）导通时输出端可等 效成一个电感与电阻串联；关断时可等效成 一个电容与一电阻串联；其输出电压为：
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2.6 场效应管耗散功率的图解
图2-7是场效应管雪崩击穿 与温度的关系。场效应管被雪 崩击穿的半能量点对应的结温 度只有65℃ ，当场效应管的
工作温度达到87.5℃ 时， 其被雪崩击穿能量只有常温 （25 ℃ ）时的四分之一
（比晶体管小一倍） 。
场效应管的高温性能要比 晶体管差很多，因此，在一 些高温设备中，最好不要选 用场效应管。
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1.4 开关电源的工作频率和工作效率
现代开关电源一般对工作效率要求都很高，如果要求开关电源的工作效率大于80%，则 电源开关管的损耗最好不要超过10%，剩余的10%应留给开关变压器及整流器件的损耗。 电源开关管的开关损耗主要是开通损耗和关断损耗。开关管的开关损耗与负载特性有 关，在一般情况下，感性负载的开关损耗要比纯电阻负载的开关损耗大；正激式开关电源 的开关损耗要比反击式开关电源的损耗大；双激式开关电源的开关损耗要比单激式开关电 源的开关损耗大。 开关管的开通和关断时间增大一倍，其损耗将会增大约2～3倍，电源开关管的开通和关 断时间过大，不但增大开关管损耗，降低开关电源的工作效率，同时还会使开关管的温升 提高，从而使开关管以及其它元器件，因温度过高而损坏。因此，在进行开关电源电路设 计时，一定要把开关管的开关损耗放在第一位。当电源开关管的开通和关断时间，及负载 一定时，开关管的损耗与开关电源的工作频率成正比；因此，在开关管的损耗被确定之 后，开关电源的工作频率也基本被确定了。 开关变压器的涡流损耗、以及变压器线圈的铜阻损耗，与工作频率的平方成正比；磁滞 损耗与工作频率成正比，因此，开关电源变压器的工作频率也不是随意选定的。
uc ≈ Vcc (e
R − t L
) t =on + Vcc (1 − e
−
t RC
) t =off
集电极电流为：
− t Vcc Vcc − RC L ic ≈ (1 − e ) t =on + (e ) t =off R R R t
图2-1-b 晶体管开关等效电路
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2.3 开关管的导通与关断过程开关管的导通与关断过程-纯电阻负载纯电阻负载-1
2.3 开关管的导通与关断过程开关管的导通与关断过程-感性负载感性负载-2
Vin
Vcc
0
N1 N2
t
ib
VT Rb
0
t
V
Vce
Vce Ic Vc
Vin
i
图2-3-a 反激式开关电源 在反激式开关电源中，流过开关管的的电 流是个锯齿波，开关管刚接通瞬间，流过变 压器初级线圈的电流非常小，而在开关管关 断前的瞬间，流过变压器初级线圈的电流却 很大；因此，开关管开始导通期间（td、tr) 的损耗非常小，而关断期间（ts、tf) 的损耗 却非常大，两者相差数十倍。 12
Vcc
Ic
0
t
Pc
Psf Pdr 0
图2-3-b 反激式开关电源的开关损耗
t
2.3 开关管的导通与关断过程开关管的导通与关断过程-感性负载感性负载-3
图2-4-a 正激式开关电源
在正激式开关电源中，流过开关管的电流是个 梯形波，开关管刚接通时，流过变压器初级线圈 的电流相对比较大；在开关管关断前，流过变压 器初级线圈的电流比开关管刚接通时更大；因 此，开关管开始导通期间（td、tr)的损耗和关断期 间（ts、tf) 的损耗都要比反激式开关电源大。 降低开关损耗的方法一个是尽量减小开关管的 开通时间和关断时间，特别是要尽量减小关断时 间，另一个是降低工作频率。
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2.7 集电极耗散功率曲线的使用
开关电源输出功率与晶体管或场效应管的工作温度（结温）有关，并且还与其它功 率器件（如开关变压器）的温升有关。当晶体管的管壳温度升高到87.5℃时，其耗散 功率将会下降到其最大耗散功率的二分之一；而对于场效应管，当管壳的温度升高到 60℃时，其雪崩击穿的能量将会下降到其最大值的二分之一；当管壳温度升高到 125℃时，开关电源的输出功率将会下降到0（结温比壳温约高25℃）。 晶体管的耗散功率与场效应管的雪崩击穿能量不是等同概念。假设一个100W的开 晶体管的耗散功率与场效应管的雪崩击穿能量不是等同概念 关电源，25℃时，其工作效率为80%，其中晶体管的损耗为10%（晶体管的损耗为 10W）；当晶体管的工作温度升高到87.5℃时，此时允许晶体管的损耗只有5W，在 同样工作效率的条件下，开关电源的输出功率只能达到40W，但此时，晶体管不一定 立刻就损坏。而对于场效应管，只要其损耗的能量超过其雪崩击穿的能量，场效应管 即刻就会损坏。因此，场效应管使用的条件要比晶体管苛刻很多。 凡是涉及到开关电源输出功率的问题，一定要注意开关电源使用温度的条件，只有 在同等工作条件下，两种器件进行参数对比才有意义。一般规格书给出的都是25℃条
d 0.5 B
2 P b 1 B
H
Uτ ×10 双激式: N1 = 2SBm
上面两式中的Uτ
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（3-2）
Br
a
B单位：高斯，S单位：平方厘米
B
值，我们
0
0.5H H
把它定义为伏秒容量VT。 VT表示： 一个开关变压器能 够承受多高的输入电压和多长时 间的冲击；在开关变压器伏秒容 a
电源输出功率的大小，决定开关电源选择什么样的工作方式或电路，从性价比 方面来考虑，一般输出功率低于5瓦的开关电源，最好选用反激式单IC开关电 源，如FSD200、ICE2A0565等。这些单IC开关电源把驱动电路和电源开关管 同封装在一个壳体中，其电路很简单，并且工作频率很高，因此，滤波电容以及 开关变压器的体积都可以做得很小，开关电源的体积做得非常小。 单从成本方面考虑，20瓦以下的开关电源，也可以选用晶体管自激式开关电源。 这种开关电源电路相对比较很简单，但由于晶体管的导通和关断时间相对比场效 应管大很多，因此，这种开关电源一般工作频率不能选得很高，所以体积相应要 大一些。随着输出功率增大，自激式开关电源的工作频率也要相应降低，其在成 本方面就不再具有优势。 输出功率在15～100瓦之间，如果对输出电压负载特性要求不是很高，最好选 用带驱动IC的场效应管反激式开关电源；如果对输出电压负载特性要求比较高， 可选用场效应管正激式开关电源，但正激式开关电源体积比较大，成本也较高。
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开关电源设计要点 ♫ 2.0
开关电源的损耗与效率
要点： 要点：开关电源的损耗， 开关电源的损耗，主要是开关管的损 耗和变压器的损耗及整流二极管的损耗。 耗和变压器的损耗及整流二极管的损耗。
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2.1 开关电源损耗
开关电源损耗主要有三个部分： 1、开关管的损耗；2、开关电压器的损耗；3、整流二极管的损耗。 开关管的损耗主要有：开通损耗和关断损耗两个部分。 开关变压器的损耗主要有：磁滞损耗和涡流损耗两个部分。 整流二极管的损耗主要有：正向导通损耗和反向恢复损耗两个部分。 开关管的损耗主要与开关管的开通和关断时间有关，还与工作频率和负载特性有关。 开关管的开通和关断时间增大一倍，其损耗会增大约2～3倍；开关管的损耗与开关 电源的工作频率成正比。 开关变压器的涡流损耗、以及变压器线圈的铜阻损耗，与工作频率的平方成正比；而 磁滞损耗除了与工作频率成正比外，还与磁通密度的1.6次方成正比。 整流二极管的正向损耗与整流二极管的正向压降有关，反向恢复损耗则与二极管的反 向恢复时间有关。 上面3项损耗大约占开关电源总损耗的20%以上，如何降低开关管的损耗，提高工作 效率，这是每个设计师必须考虑的问题。