开关电源及其软开关技术自整理提纲

《开关电源及其软开关技术》复习资料 2013.6
综合成绩=平时成绩（30%）+期末考试（70%） 考试题型：1．单项选择题：20%，共10小题
2．简述题：约40%，共7小题 3．问答题：约40%，共3小题
第一章
1. 高频开关电源由哪几部分组成？其作用分别是什么？（画出原理方框图加以说明）P3
① 输入滤波电器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂音反馈公共电网。

② 整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。

③ 逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关的核心部分。

④ 输出整流滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

第二章
1. 串联型线性调整型稳压电源的工作原理、开关型稳压电源的工作原理（包括原理图、电压方程等），以及
两种电源的特点（优缺点）比较。

P5、P8~ P10
串联型线性调整型稳压电源：
电压公式：0L W V E I R =－
原理：当E 或L R 变化时，可以调整W R 的阻值，使输出电压0V
维持不变，这便是串联线性调整型稳压电源的基本工作原 理，可变电阻W R 用晶体管取代，因为晶体管工作在输出特
性的线性区，所以称为串联线性调整稳压电源。

优点：①稳定性好，输出纹波电压小，使用可靠
②输入电源能向负载连续地提供能量
缺点：①当E 和0V 差值越大，流过晶体管电流越大，功率晶体管 上的功耗越大，稳压电源效率越低
②工频变压器和滤波器体积大且笨重 ③功耗大，效率低，需要大功率调整管 ④需要体积很大的散热器
开关型稳压电源： 电压公式：on
AB t E E T
=
原理：开关K 以一定时间间隔重复通/断，当开
关K 接通时，输入电源E 向负载L R 提供
能量；当开关K 便中断能量供应。

故电源E 向负载提供能量是断续的。

优点：①功耗小，效率可达70%~95% ②可靠性、稳定性高
③重量轻，体积小：散热器体积小；不需要电源变压器；工作频率高，滤波电容电感数值小 ④对电网输入的适应能力提高
缺点：①较之串联线性调整型稳压电源，其提供的能量是断续的
②为了使其能得到连续的能量供给，必须加装储能装置，开关接通时储存能量，断开时向负载
释放能量
2．TRC 控制的方式和特点 P6 TRC 控制原理分为三种： ①脉冲宽度调制（PWM ）：指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。

优点：周期恒定，有很小的on T 时间连续可调，滤波电路容易设计
缺点：连续可调的导通时间很小，会导致电压不稳定，要接一定数量的假负载
②脉冲频率调制（PFM ）：指导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。

优点：因为
on
t T
可以在很宽范围内变化，输出电压可调范围较PWM 大；只需要极小假负载 缺点：滤波电路要适应较宽的频段，因而体积较大
③混合调制：指导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此能改变的方式。

优点：可以得到非常大的可调范围输出电压
3．PWM 和PFM 型开关电源的基本稳压原理，两种控制方式在控制回路中的区别。

P8
PWM 原理：由于某些原因（负载电流减少或电网电压上升）使高频变压器副边输出电压平均值增大，电
源输出电压随之升高，反馈检测电路将输出电压与基准电压进行比较，放大，然后将这一电压变化量由电压——脉宽转换电路转换成脉冲宽度的变化，使脉冲宽度变窄，占空比减小，高频变压器输出电压平均值下降，从而使输出电压达到稳定；反之，由于某些原因导致电源输出电压下降时，控制回路输出脉宽将增大，高频变压器输出电压平均值增加，使电源输出电压返回原值。

逻辑顺序【输出电压增大→反馈电路检测该值→与基准电压比较、放大→脉宽-转换电路转换成脉
冲宽度的变化（使脉冲变窄，即占空比变小）→输出电压值下降→输出电压稳定 或 输出电压减小→控制回路输出脉宽增大→输出电压增大→输出电压稳定】
PFM 原理：电源输出电压上升时，控制回路输出脉冲的工作周期变长（即频率下降）；电源输出电压下降
时，控制回路输出脉冲的工作周期缩短。

二者区别：PFM 控制方式与PWM 控制方式差别在于以恒脉宽发生电路代替PWM 的时钟振荡器，用电压
—频率转换电路（用V/F 电路表示）取代电压—脉宽转换电路。

4．PWM 型稳压电源的优缺点。

P8~ P10 （只需答标题）
优点：①体积小、重量轻；②效率高；③适应性强；④可防止过电压危害；⑤输入交流突然停供时，输出
电压保持时间长；⑥输出电压越低，输出电流越大。

缺点：①电路复杂，元器件数量多；②输出纹波大；③动态响应稍差。

第三章
1. 推挽、全桥、半桥功率转换电路的结构，工作过程，各自的特点（比较三种功率转换电路的主要优缺点）。

P11~P14 (考选择)
A ．推挽式功率转换电路原理（工作过程）： 由驱动电路控制基极的开关BG1和BG2 交替导通，输入直流电压变换成高频方波 交流电压；上绕组N1和下绕组N1两端分 别形成相位相反的交流电压；BG1导通时， 下面绕组N1两端电压为E ，BG2两端电 压2E ；BG2 导通时，上面绕组N1两端电
压为－E ，BG1两端电压2E ；当两个开关都关断时，V CE1和V CE2 均为E 。

优点：①管子数目少；②基极驱动电路无需彼此隔离。

驱动电路和过流保护电路简化、选择余地增大 缺点：①开关导通时，产生尖峰冲击电流；②关断瞬间，产生尖峰电压使开关管承受两倍以上输入电压，
使开关器件选择困难；③原边绕组只有一半工作时间，高频变压器利用率太低
B ． 全桥式功率转换电路原理（工作过程）： 互为对角的两个开关同时导通，同一侧桥臂 上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成 幅值为E 的高频方波交流电压；当BG1与 BG2开通，截止晶体管(BG3、BG4）上的电 压为输入电压E ；当4个开关都关断时，同 桥臂上的每个开关承受电压为E /2；由于高频 变压器漏感引起尖峰电压，当超过输入电压 时，管子集电极电压被管子反向并联续流二极 管箝位，管子集电极电压为E 。

优点：①晶体管的选择比较方便；②有利于提高效率；③高压开管耐压要求低，易于获得大功率输出 缺点：需要使用四个开关管，需要彼此绝缘的基极驱动电路，电路复杂，元器件多
C. 半桥式功率转换电路原理（工作过程）：
当两个开关管BG1和BG2都截止时，电容 C01，C02中点A 的电压为E /2；当BG1导 通时，C02充电，C01放电，中点A 电位在 BG1导通终了，将下降2E E ∆－；当BG2 导通，C01充电，C02放电，中点A 电位 在BG2导通终了增至2+E E ∆；中点A 点 位在开关过程中，将在的E /2电位上以E ∆ 的幅度做指数变化。

优点：①暂态过程高压开管上承受的最高电压不超过电源电压；②晶体管数量只有全桥式电路的一半；③由
于电容的隔直作用，半桥式电路具有抗不平衡能力
缺点：①高频变压器上的电压只有输入电源电压的一半，欲要获得全桥、推挽电路相同的输出功率，开关管
需要流过两倍的电流；②必须要有两个输入电容且过限电路工作频率相同的充放电电流；③电压脉冲顶部有倾斜；④只能获得中等容量输出。

综合对比：
2．单端反激变换器的电路结构，工作过程，电路波形。

P14~P16
工作过程：
第一阶段(t0 , t1 )：开关管导通，变压器T的初级线圈N P电
流i P线性增加，在N P上产生上正下负的感应电动势，在
N S上产生上负下正的感应电动势，二极管D反向截止，
变压器初级线圈电感储存能量。

第二阶段(t1 , t2 )：开关管Q由导通变截止，i P减小，N P磁通
量变小，N S上产生上正下负的感应电动势，二极管D导
通，给输出电容充电和负载供电。

3．单端正激变换器的电路结构，工作过程，电路波形。

P16~P17
工作过程：
第一阶段(t0 , t1 )：开关管Q导通后，N P线圈流过电流i P，在
N P线圈中产生上正下负的感应电动势，次级线圈N S感应
电动势也是上正下负，二极管D2导通，D3截止，输入端
能量供给电感L、电容C和负载。

第二阶段(t1 , t2 )：开关Q截止，i P 趋于零，感应电动势反向；
二极管D2截止，D3导通，电感L通过D3续流；去磁
线圈N t感应电动势上负下正D1导通续流，使N t上储存的
能量通过D1回送到直流输入回路。

起到去磁作用。

4．合闸浪涌电流的起因，危害，限制合闸浪涌电流的方法。

P28
电容输入式整流滤波电路在接入交流电压时，合闸瞬间由于电容充电往往会引起较大的浪涌电流，特别是高频开关电源，由于希望获得纹波较小的滤波电压，一般输入滤波电容较大，且由于从电网获取交流进行整流电压较高，因此，合闸浪涌电流比一般传统整流式电源要高得多，电流持续时间会比较长。

危害：①引起电源开关接点的熔接，或使输入熔断器熔断；②浪涌电流产生的干扰会为相邻用电设备带来妨碍；③多次、反复经受大电流冲击，会使电容器和整流器性能劣化；④合闸浪涌电流会引起一系列可靠性问题，必须加以抑制。

预防措施：在输入整流回路内串入限流电阻R
1．输入滤波电路的作用，三种电容输入滤波电路的工作原理，画出能够抑制常态干扰和共模干扰的电容组合型输入滤波电路。

P36
凡是接在交流电网与开关电源输入之间的滤波设备都叫输入滤波设备，其主要作用是抑制开关电源本身对交流电网的反干扰、抑制交流电源中的高频干扰串入开关电源。

工作原理：将滤波电容C接在两根电源线之间，只要电容值选择适当（一般在0.01~0.10μF），就可对高频干扰起抑制作用，因该电容对高频干扰阻抗甚低，故可将两线之间存在的干扰通过电容C自成短路消除；
由二电容组成的输入滤波设备，它们分别接在两电源线和地线之间，这样每根线上相同的干扰可通过电容入地，以滤除共模干扰，其中C1和C2滤除共模纵向干扰，C3滤除常态干扰。

2．共模扼流线圈的工作原理，画出能够抑制常态干扰和共模干扰的电感电容组合型输入滤波电路。

P37
工作原理：电感线圈L1、L2主要吸收共态噪声，当输入电网中有共态噪声时，两线圈产生的顺向串联磁通相加，电感呈现高阻抗，阻止共态噪声进入开关电源；对于工频电源，则为一进一出，L1、L2产生的反向串联磁通相减，感抗为零，故毫无影响。

3. 噪声干扰的种类，产生的原理。

P39
噪声干扰可分为静电干扰和磁的或电磁干扰。

静电干扰：来自开关电源中的高压切换，导致开关管，散热器与机壳及机内引线之间的分布电容产生瞬变电压。

这种电压变化最高可达600V/ms。

磁的或电磁噪声：来自大的脉冲电流、电源内部元件，如开关管的存储时间，大电流开关二极管的反向恢复时间，将会造成回路瞬时短路，产生很大短路电流，该电流比正常工作电流大很多。

短路回路中的导线，变压器，电感都是产生噪声干扰源。

4. 各种防止辐射干扰的方法、措施。

P40~42
○1适当控制开关管驱动信号的上升时间和下降时间（控制开关时间）；
○2在开关管两端并联一RCD网络，减缓开关管集射极之间电压上升速率（控制开关时间）；
○3控制输入开关管的驱动功率，限制管子过饱和，减少存储电荷，缩短其存储时间（防止共态导通）；
○4设置死区时间限制驱动脉冲的控制脉宽，防止出现共态导通（防止共态导通）；
○5在开关管输入端并接小容量电容，延迟管子导通时间（防止共态导通）；
○6采用反向恢复时间短的二极管，减小反向恢复时间（防止共态导通）；
○7在输出端加多级滤波器，使二极管中电流减少，以减少恢复时间（减少恢复时间）；
○8在每个开关二极管两端并接RC网络以改善二极管恢复特性，消除二极管寄生电容和线路电感构成的振荡；○9在二极管回路中串联电感以抑制二极管反向恢复电流尖峰；
○10在开关管与散热器间插入静电隔离层/绝缘导热层/屏蔽层；
○11加入RC网络限制变压器电压变化率，减少电压过冲，抑制噪声；
○12对开关高频变压器采用低漏磁磁芯
1．控制电路的主要功能。

P43
控制回路的作用是向驱动电路提供一对前沿陡峭、相位差180°、对称和宽度可变的矩形脉冲列，通过这一对脉冲电压的有与无、脉冲的宽与窄，脉冲宽度的变化量和输出电压变化量的关系，以及从一个脉冲变换到另一脉冲的速度等关系来实现设计目标。

具体有： ○
1要有足够的电路增益； ○
2获得规定的输出电压值和调节范围； ○
3实现输出电压软启动； ○
4实现输入电压软启动； ○
5负载过流或短路时，应对负载和稳压电源提供可靠的保护； ○
6当稳压电源输出过压时，应对负载提供保护； ○
7实现输入和反馈输入之间的绝缘； ○
8远距离操作功能； ○
9程序供电功能； ○10并联运行功能
2．脉宽调制集成芯片的基本功能电路以及各功能电路的原理：PWM 信号产生的原理以及波形。

P45~ P47 放大器的输入同相端被控制信号o V 经检测所得反馈电压f o V KV .给定的参考电压g V 加到放大器反相输入端，放大后输出直流误差电压e V 加到比较器的反相输入端，由一固定频率振荡器产生锯齿波sa V 加到比较器同相输入端，然后比较器输出一方波信号，此方波信号占空比随误差电压e V 变化，从而实现脉宽调制。

分相电路由触发器及两个与门组成，触发器时钟信号对应锯齿波下降沿，A 和B 端输出二组PWM 信号。

3． SG1525/ SG1527集成PWM 控制器的主要构成。

P47~ P49
主要由：①基准电压源、②振荡器、③误差放大器、④PWM 比较器及锁存器、⑤分相器、⑥欠压锁定、⑦
输出级、⑧软启动、⑨关断电路
4．电压控制型和电流控制型PWM 芯片的区别。

P50(选择)
①电压源和电流源最大的区别就是一个是按反馈电压调节脉宽，一个是按反馈电流调节脉宽。

电流型PWM 控制是一阶系统，电压型PWM 控制是二阶系统.②以AC-DC-AC 为例，电压型直流侧并大电容，电压脉动小，可近似恒压源，电压无法反向。

电流型直流侧串大电感，电流脉动小，可近似恒流源，电流无法反向。

③逆变电路来看，由于电流型电流不可反向，而电压可反向，因此无需电压型所用的反并联无功反馈二极管。

而电机驱动时，电流型更容易实现再生制动。

④逆变负载来看，电压型适合对谐波电流表现出高阻抗的负载，如电感；而电流型则适合谐波阻抗低的负载，如电容；因此在控制电机时，电流型需并联电容；类似电压型接电容负载时，需串联电感。

⑤电流型可能因负载多为感性，直流侧电感往往体大笨重，应用较少，
5．由UC3842构成的反激电源各部分的原理。

P52~ P55
①使用内部E /A 误差放大器构成电压闭环；②利用电流测定比较器构成电流闭环；③R S 作用为参与当前工作周波占空比控制；④R2，C2//C3构成启动电路。

电源电压超过15V 时，电路启动，然后由N2，VD1，C3构成自馈电路供电；R6，C6构成决定振荡器工作频率
6．软启动电路的分类。

P59
分为输出电压软启动和输入电网电压分段启动两类；
输出电压软启动：一般PWM低电压大电流稳压电源的输出滤波电容较大，输出电压突然建立形成很大的电容充电电流。

输入电网电压分段启动：在合闸时，先接入限流电阻R，将合闸浪涌电流限制在设定范围，待输入电容充满后，将该电阻短接。

7．过流保护电路的形式、工作原理，特点。

P61
A．切断式保护：
工作原理：检测电流信号经电流-电压转换电路转换成电压信号，再经过比较电路进行比较，当负载电流达到额定值，信号电压大于或等于比较电压，比较电路产生输出。

优点：属于一次性动作，对保护电路中电流检测和电压比较电路的要求较低，容易实现
缺点：一旦切断，电源不能自行恢复，必须改变保持原件或电路状态才能恢复正常输出
B．限流式保护：
工作原理：当负载电流达到设定值时，保护电路工作，使V/W电路输出脉宽变窄，稳压源输出电压下降以维持输出电流在某设定范围以内，直至负载短接，V/W电路输出最小脉宽，输出电流为某值。

特点：较之前者，电流比较电路的输出取代误差放大器控制的V/W电路的输出脉冲宽度；电压比较器的输出不是使整个控制电路失效。

C. 限流—切断式保护：
工作原理：实施分段保护，当负载达到某个设定值，保护电路动作，输出电压下降。

负载电流被限制。

如果负载继续增大至第二个设定值或输出电压下降到某个设定值，保护电路进一步动作，将电源切断。

特点：这是切断式保护和限流式保护相结合的产物，兼二者之长。

8．过压保护电路的工作原理。

P62~P63
A. 当输出电压升高至稳压管击穿电压与触发电压之和时，晶体管触发导通，造成输出过流，从而使过流保
护动作，切断电源输出。

此类方法只能在小电流输出时应用。

B. 当出现过电压，晶体管导通，阳极将输出低电平，从而使V/W电路停振或整个控制电路停止工作，使高
压开关管截止。

此法可以单独进行保护并作过压指示，也可和过电流保护电路合用晶闸管和指示灯。

第六章
1．驱动电路的主要作用。

P66
驱动电路的主要作用是将控制电路的驱动脉冲放大到足以激励高压开关管，由于它所提供的脉冲幅度以及波形关系到晶体管的饱和压降、存储时间、开通和关断瞬间集电极电压电流上升下降速率等运行特性，从而直接影响其损耗和发热，故驱动电路被认为是决定PWM型开关电源优劣的要素之一。

2．恒流驱动电路的缺点以及该缺点在比例电流驱动电路如何改善。

P67
缺点：恒流驱动的基极驱动电流保持恒值，其最大值只在管子开通瞬间和变换器转换最大功率时才需要，在空载或轻载情况下不仅显得多余还增加存储时间。

改善方案：使晶体管工作在临导饱和状态，使基极驱动电流按集电极电流的大小进行调整，维持一定的比例关系。

3．反向驱动电路的工作原理，电容储能式驱动电路特点。

(只需描述工作过程) P71
I，同时向电容C1充电，
正向驱动时电阻R1限制正向基极电流
B
1
晶体管BG2被二极管D1的正向压降置于反向偏置而截止。

当脉冲变压器副边电压降低为零时，BG2被正向驱动到饱和，储
存在电容C1上的能量通过高压开关管发射结和BG2释放，BG1
基极剩余载流子被迅速抽出而关断。

用一个脉冲变压器获得反偏
是其特点，其不足是电容C的充放电依赖于脉冲宽度。

4. 电压型驱动电路的分类以及各自的工作原理或特点。

P75~ P77
V A. 不隔离电压型驱动电路原理：当控制信号为高电平时，BG1导通，BG2关断，功率MOSFET的门极被
CC
V时导通；当控制信号为低电平时，BG2导通，功率MOSFET门极上存储的电电源通过R9充电至
CC
荷由BG2释放到零，MOSFET随之关断。

特点：电路结构比较简单
V通过R9对功率MOSFET门B．推挽式结构驱动电路原理：当控制信号为高电平时候，BG1导通，电源
CC
极充电，VD1随之导通；反之，当信号低电平时候，BG2导通，门极上的电荷被释放，功率MOSFET 关断。

特点：电路结构比较简单
V电压加到脉冲变压器原边，C. 直接式磁隔离电压型驱动电路原理：当控制信号为高电平时，BG1导通，
CC
副边获得一感应电压，通过R9给场控器件门极充电，使之导通；反之，当信号低电平时候，变压器原边电压下降或为零，此时场控器件门极存储的电荷通过R9和变压器副边释放，从而被关断。

图中Z2、Z3和R2作用是保护场控器件的门极。

特点：由开关管推动高频脉冲变压器原边，而副边产生的电压脉冲直接去驱动电压型场控器件；同一电路中，若有几个不共地元件，驱动电路必须相互隔离。

D．间接式磁隔离驱动电路原理：当控制信号为高电平时，BG1导通，
CC
V电压加到脉冲变压器原边，副边获得一感应电压，放大电路将初级微弱信号放大到足以驱动场控元件；低电平时，变压器原边电压下降或为零，此时场控器件门极存储的电荷通过功放电路和变压器副边释放，从而被关断。

特点：同一电路中，若有几个不共地元件，驱动电路必须相互隔离。

E. 光隔离电压型驱动电路原理：当控制信号为高电平时，BG1导通，光耦的原边流过电流使副边饱和导通，
经功放回路去驱动场控器件；当信号低电平时候，BG1关断，光耦原边无电流，副边随之关断而使功率MOSFET的门极存储电荷由BG3释放而关断。

特点：采用光耦来实现控制信号和驱动信号之间的电隔离，由于光耦传输能量弱，故光耦输出不能推动开光器件，因此该类电路没有直接驱动型。

软开关部分 (最后两点考电流走向及工作过程)
1．硬开关的工作原理，存在的问题；软开关的优点。

P261
工作原理：在硬开关开通时电压不能立即下降到零，电流不能立即上升到负载电流；关断时电压不能立即从零上升到电源电压，电流不能立即从负载电流下降至零。

在开通和关断过程当中电流和电压之间形成交叠区，分别产生开通损耗和关断损耗，二者合称为开关损耗。

存在问题：①开关损耗限制变换器开关频率的提高，不利于变换器小型化和轻型化；
②会产生较高的di
dt 和du
dt
，从而产生较大的电磁干扰
软开关优点：①减小开关损耗、变换器的体积和重量；②提高开关频率、电源效率和变换器变换效率；
③简化电路，提高动态性能和可靠性。

2．软开关的种类以及各自的原理。

P262
①零电流开通：在开关管开通时，使其电流保持为零，或限制电流上升率，减小电流和电压交叠区。

②零电压开通：管子开通前，使电压下降到零，使其损耗减少到零。

③零电流关断：在开关管关断之前，使其电流减小到零，从而使损耗降低。

④零电压关断：管子关断时，使电压保持为零，或限制电压上升率，从而减小电流与电压的交叠区。

3. 零电流谐振开关的工作原理。

P270~P271
基本原理：在1S 开通之前，r L 的电流为零；当1S 开通时，
r L 限制1S 中电流的上升率，从而实现1S 的零电流
开通；当1S 关断时，r L 和r C 的谐振工作使r L 的电 流回到零，从而实现1S 的零电流关断。

根据功率开关1S 的单向导通和双向导通，可把零电流谐振开关分为半波模式和全波模式。

4. 零电流开关准谐振变换器（半波模式、全波模式）的工作过程，每个阶段的特点、等效电路。

P272~P276 ①开关模态1 [0t ，1t ]――电感充电阶段：在0t 时刻前，开关管1Q 处于关断状态，输出滤波电感o I 通过续流二极管D1，谐振电感电流Lr i 与谐振电容电压Cr v 均为零，在0t 时刻，1Q 开通，加在r L 上的电压为in V ，其电流从零线性上升，此时1Q 零电流开通。

在1t 时刻，Lr i 上升到o I ，D1自动关断。

②开关模态2 [1t ，2t ]――谐振阶段：从1t 时刻开始，r L 和r C 开始谐振工作。

若为半波模式，在2t 时刻Lr
i 减小为零，此时关闭开关管1Q ，则1Q 是零电流关断；若为全波模式，在1b t 时刻，Lr i 减小为零，此时1Q 的反并二极管1Q D 导通，Lr i 继续反向流动。

在2t 时刻，Lr i 再次减小为零，[1b t ，2t ]时段，1Q D 导通，1Q 的电流为零，则1Q 是零电流关断。

③开关模态3 [2t ，3t ]――电容放电阶段：此模态中，由于Lr i 为零，输出滤波电感电流o I 全部流过谐振电
容，谐振电容放电，在3t 时刻，Cr v 减小为零，续流二极管D1导通。

④开关模态4 [3t ，4t ]――自然续流阶段：此模态中，输出滤波电感电流o I 经续流二极管D1续流，在4t 时刻，零电流开通1Q ，开始下一个开关周期。