第1章 概述

1.1 开关电源基础知识

1.1.1 开关电源构成与分类

1.开关电源发展历程

电源技术

电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。

电源技术对现代通信、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术，提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键作用。

当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位和波形等基本参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力的支持。因此，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响。

电源技术如今已是非常重要的基础科技，从日常生活到最尖端的科技，都离不开电源技术的参与和支持，电源技术也正是在这种环境中一步步发展起来的。

开关电源是近年来应用非常广泛的一种电源，它具有体积小、重量轻、耗能低、使用方便等优点，在各类电子产品中得到广泛的应用。但由于开关电源的控制电路比较复杂，输出纹波电压较高，所以开关电源的应用也受到一定的限制。

1955年美国罗耶（GH.Roger）发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（Jen Sen）发明了自激式推挽双变压器， 1964年美国开关电源科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源在体积和重量方面的下降提供了一条根本的途径。到了1969年，由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元件改善，研制出25kHz的开关电源。

20世纪60年代，开关电源的问世，使其逐步取代了线性稳压电源和SCR相控电源。自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的开发研究，使功率变换器性能更好、重量

书书书更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。自20世纪90年代末期同步整流技术诞生以来，开关电源技术得到了极大的发展，采用IC控制技术的同步整流方案已被开关电源研发工程师普遍接受，现在的同步整流技术都在努力实现ZVS、ZCS方式的同步整流。

开关电源问世60多年来，开关电源技术有了飞速发展和变化，经历了功率半导体器件、高频化和软开关技术、开关电源系统的集成技术三个发展阶段。

在非对称的开关电源电路拓扑中，特别是对于性能良好的正激电路或正激有源钳位电路，在二次侧的同步整流中，为了实现ZVS方式的同步整流，消除MOSFET体二极管的导通损耗和反向恢复时间带来的损耗，TI公司的专利技术“预检测栅驱动技术”在控制芯片中增加了大量的数字控制技术，正激电路同步整流控制芯片UCC27228的诞生使正激电路的效率达到了前所未有的高效率。再配合好初级侧的有源钳位技术之后，使这种最新的电路模式既做到了初级侧的软开关ZVS方式工作，又解决了磁芯复位及能量回馈，减轻了功率MOSFET的电压应力，还做到了二次侧的ZVS最佳状态的同步整流，综合使用这两项技术的中小功率的DC/DC变换器，其效率都在94%以上，功率密度也都能达到200W/in以上。

发展

近20多年来，开关电源沿着下述两个方向不断发展。

第一个方向是对开关电源的核心单元控制电路实现集成化，1997年国外首先研制成脉宽调制（PWM）控制器集成电路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司（SiliconGeneral）、尤尼特德公司（Unitrode）等相继推出一批PWM芯片，典型产品有MC3520、SG3524、UC3842。20世纪90年代以来，国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM（脉冲频率调制）芯片，典型产品如UC1825、UC1864。

第二个方向则是对中小功率开关电源实现单片集成化。这大致分两个阶段：20世纪80年代初，意-法半导体有限公司（SGS-Thomson）率先推出L4960系列单片开关式稳压器。该公司于20世纪90年代又推出了L4970A系列。其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，使用时需配置上工频变压器与电网隔离，适用于制作低压输出（5.1～40V）、大中功率（400W以下）、大电流（1.5～10A）、高效率（可达到90%以上）的开关电源。

开关电源是使用现代电力电子技术，采用功率半导体器件作为开关，经过控制开关晶体管导通和关断的比率（占空比），调整输出电压，维持输出稳定的一种电源。早在20世纪80年代，计算机电源完成了开关电源化，率先完成计算机电源换代；进入20世纪90年代，开关电源已普遍使用在各种电子、电气设备，程控交流机、通信、电力检测设备电源和控制设备电源之中。开关电源普遍由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，两者的成本都随着输出功率的增加而增长，但两者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也不时地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，从而为开关电源提供广大的展开空间。

目前市场上开关电源中功率开关管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十kHz；采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百kHz。为提高开关频率必须采用高速开关器件，对于兆赫兹以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，原理上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。目前，采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。

2.开关电源的技术性能

（1）高可靠

开关电源比线性电源使用的元件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及散热单元等器件的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低给温，减少器件的电应力，降低运行电流等措施使其DC/DC开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的MTBF高达100万小时以上。

（2）模块化

无论AC/DC还是DC/DC变换器都朝模块化方向发展，其特点是可以用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成N+1冗余电源系统，从而提高可行性；可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故障时能高速更换模块插件；多个模块并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容量。

（3）低噪声

开关电源的一大缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确地控制开关频率，谐振时增大了器件负荷，场效应管的寄生电容易引起短路损耗，元件热应力转向开关管等问题难以解决。日本把变压器设计成初次级分离阻燃密封，自身具备噪声抑制功能（共模无噪声隔离变压器），既节省了噪声滤波器，又减小了噪声。

（4）抗电磁干扰（EMI）

当开关电源在高频下开关时，其噪声通过电源线对其他电子设备产生干扰，世界各国已有抗EMI的规范或标准，如美国的FCC、德国的VDE等，研究开发抗EMI的开关电源日显重要。

（5）电源系统管理和控制

应用微处理器或微机集中控制与管理，可以及时反映开关电源环境的各种变化，电源系统内的处理单元实现智能控制，可自动诊断故障，减少维护工作量，确保正常运行。

（6）计算机辅助设计（CAD）

利用计算机对开关电源系统的稳定性、电路仿真、印制电路板、热传导、EMI以及可靠性等进行CAD设计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济的设计方法。

（7）产品更新加快

目前的开关电源产品要求输入电压通用（适用世界各国电网电压规模），输出电压范围扩大（如计算机和工作站需要增加3.3V这一电压，程控需要增加DC150V这一电压），输入端功率因数进一步提高（最有效的方法是加一级“有源功率因数校正器APFC”），并具有安全、过压保护等功能。

3.开关电源的基本构成

基本结构

开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图1-1所示，其中DC/DC变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路（R1、R2）检测输出电压变化，与基准电压Ur比较，误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。

开关电源的核心部分 DC/DC变换器有多种电路形式，常用的有工作波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器。

相对线性稳压电源而言，开关电源是利用现代化电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源的输入端直接将交流电整流变成直流电，在高频振荡电路的作用下，用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。在电感（高频变压器）的帮助下，输出稳定的低压直流电。

开关电源中的开关管工作在截止区和饱和区。由于变压器的磁芯大小与开关管的工作频率的平方成反比，频率越高，铁芯越小。这样就可以大大减小变压器，使电源减轻重量和体积。而且由于它直接控制直流，使这种电源的效率比线性电源高很多。这样就节省了能源，因此它很受人们的青睐。

但是开关电源也有缺点，就是电路复杂，维修困难，对电路的污染严重，电源噪声大，不适用于某些低噪声电路。

对于串联线性稳压电源，输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特性决定。但对于开关电源，输入的瞬态变化比较多地表现在输出端。提高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应问题也能得到改善。负载变化瞬态响应主要由输出端LC滤波器特性决定，所以可以利用提高开关频率，降低输出滤波器LC体积的方法来改善瞬态响应特性。

4.开关式电源的基本工作原理

开关电源通过电路控制开关管进行高速的导通与截止，将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多，所以开关变压器可以做得很小，而且工作时不是很热，成本很低。简单地说，开关电源的工作原理是：

工作原理

① 交流电源输入经整流滤波成直流。

② 通过高频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管工作，以将直流加到开关变压器初级上。

③ 开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载。

④ 输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的。

交流电源输入时一般要经过滤波器滤掉电网上的干扰，同时也过滤掉开关电源对电网的干扰；在功率相同时，开关频率越高，开关变压器的体积就越小，但对开关管的要求就越高；开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头，以得到需要的输出；一般还应该增加一些保护电路，比如空载、短路等保护，以提高开关电源工作的可靠性。

开关电源按控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数为脉宽调制型。调宽式开关电源的基本原理如图1-2所示。

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ton与一个电子周期所占时间之比，叫接通占空比（D），

D=ton/T。

断开时间tof所占T的比例称为断开占空比（D′），D′=tof/T。开关周期是开关频率的倒数，T=1/f。例如，一个开关电源的工作频率是50kHz，它的周期T=1/（50×103）=20μs（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，开关电源中开关功率管、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。

对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压U0取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压U0可由以下公式计算

式中，Um为矩形脉冲最大电压值；T为矩形脉冲周期；T1为矩形脉冲宽度。

从式（1-1）可以看出，当Um与T不变时，直流平均电压U0将与脉冲宽度T1成正比。这样，只要设法使脉冲宽度随输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。

控制电路

开关式稳压电源的基本电路框图如图1-3所示，交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成分的直流电压，该电压进入高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，具有适用于各种开关电源应用的系列产品。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。

（1）开关电源的优点

① 功耗小，效率高。在开关电源电路中，在激励信号的激励下，开关管交替地工作在导通-截止和截止-导通的开关状态，转换速度很快，工作频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关管的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率一般可以达到85%，质量好的可以达到95%甚至更高，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。从开关电源的原理框图可以清楚地看到没有采用笨重的工频变压器，由于开关管上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，使开关电源实现了体积小，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，敞开式的电源更轻，体积不到铁芯变压器的1/4。

③ 稳压范围宽。改变输出电流、电压比较容易，且稳定、可控。开关电源的输出电压是由激励信号来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关电源。

④ 滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。开关电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500～1/1000。

⑤ 开关电源具有各种保护功能，提高了开关电源工作的可靠性。

⑥ 电路形式灵活多样。开关电源的形式有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等，设计人员可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关电源。

（2）开关电源的缺点

开关电源的缺点是存在较为严重的开关干扰，在开关电源中，功率开关管工作在开关状态，在其开关过程中产生的交流电压和电流通过电路中的其他元件产生尖峰干扰和谐振干扰。这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整个系统的正常工作。此外，由于开关电源振荡器没有工频变压器隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和控制设备受到严重的干扰。

目前，由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距，因而开关电源的造价不能进一步降低，也影响到可靠性的进一步提高。所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中，开关电源还不能得到十分广泛的普及应用。特别是对于无工频变压器开关电源中的高压电解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件，我国还处于研究、开发阶段。在一些技术先进国家，开关电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在一些问题，不能十分令人满意。这暴露出开关电源的又一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。对此，如果设计中和制造中不予以充分重视，则它将直接影响到开关电源的推广应用。当今，开关电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。

（3）开关电源发展中存在的问题

客观上讲，开关电源的发展是非常快的，这是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。目前需要解决的问题有：

存在问题

① 器件问题。开关电源的控制集成度不高，这就影响了开关电源的稳定性和可靠性，同时对开关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件技术性能问题，还有生产工艺上的检测、老化、黏结、环境等方面的因素。

5.开关电源的分类

现在，电子技术和应用迅速发展，对电子仪器和设备的要求是：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越来越高；在体积上要日趋小型化。这使采用具有众多优点的开关电源就显得更加重要了。所以，开关电源在计算机、通信、航天、家电等方面都得到了越来越广泛的应用，发挥了巨大的作用，这大大促进了开关电源的发展，从事这方面研究和生产的人员也在不断地增加，开关电源的品种和类型也越来越多。图1-4给出了各种类型开关电源的原理图。目前开关电源的拓扑结构可分为以下几类。

（1）按激励方式分类

广泛应用

① 他激式开关电源。他激式开关电源完全依赖于外部维持振荡，电路中设有激励信号振荡器，电路形式如图1-4（e）所示。在实际应用中他激式应用比较广泛。根据激励信号结构分类：可分为脉冲调宽和脉冲调幅两种，脉冲调宽是控制信号的宽度，也就是频率；脉冲调幅是控制信号的幅度，两者的作用相同，都是使振荡频率维持在某一范围内，达到稳定电压的效果。变压器的绕组一般可以分成三种类型，一组是参与振荡的初级绕组，一组是维持振荡的反馈绕组，还有一组是负载绕组。负载绕组在提供电能的同时，也肩负起稳定电压的功能，其原理是在电压输出电路接一个电压取样装置，监测输出电压的变化情况，及时反馈给振荡电路调整振荡频率，从而达到稳定电压的目的。为了避免干扰，反馈回振荡电路的电压采用光电耦合器隔离。

② 自激式开关电源。无须外加信号源能自行振荡，自激式完全可以把它看做一个变压器反馈式振荡电路。开关管兼做振荡器中的振荡管，电路形式如图1-4（f）所示。

（2）按调制方式分类

调制方式

① 脉宽调制型开关电源。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 频率调制型开关电源。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 混合调制型开关电源。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的幅度。

（3）按开关管电流的工作方式分类

① 开关型开关电源。用开关管把直流变成高频标准方波，电路形式类似于他激式。

② 谐振型开关电源。开关管与LC谐振回路将直流变成准正弦波，电路形式类似于自激式。

（4）按开关管的类型分类

① 晶体管式开关电源。采用晶体管作为开关管，电路形式如图1-4（d）所示。

② 可控硅式开关电源。采用可控硅作为开关管，这种电路的特点是直接输入交流电，不需要一次整流部分，其电路形式如图1-4（c）所示。

（5）按储能电感与负载的连接方式分类

①串联型开关电源。储能电感串联在输入与输出电压之间，电路形式如图1-4（a）所示。

② 并联型开关电源。储能电感并联在输入与输出电压之间，电路形式如图1-4（b）所示。

（6）按开关管的连接方式分类

① 单端式开关电源。电路中仅使用一个开关管，这种电路的特点是价格低，电路结构简单，但输出功率不高，其电路形式如图1-4（a），（b），（d）所示。

② 推挽式开关电源。电路中使用两个开关管，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具有中心抽头，电路形式如图1-4（j）所示。

③ 半桥式开关电源。电路中使用两个开关管，将其连接成半桥形式。它的特点是适应于输入电压较高的场合。电路形式如图1-4（i）所示。

④ 全桥式开关电源。电路中使用四个开关管，将其连接成全桥形式。它的特点是输出的功率比较大。其电路形式如图1-4（k）所示。

（7）按输入与输出的电压大小分类

① 升压式开关电源。输出电压比输入电压高，实际就是并联型开关电源。

② 降压式开关电源。输出电压比输入电压低，实际就是串联型开关电源。

（8）按工作方式分类

①可控整流型开关电源。所谓可控整流型开关电源，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，也可用变压器变压后供电。（这种供电方式在开关电源刚兴起的初期常常采用，目前基本上不采用。）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，导通的正弦曲线的后一部分称为导通角。依靠调节导通角的大小，可达到调整输出电压和稳定电压的目的。其电路如图1-4（h）所示。

② 斩波型开关电源。斩波型开关电源是指采用直流供电，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向的脉动直流，经过滤波得到与输入电压不同的稳定直流电压，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或开关的工作频率，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提供的取样信号来进行工作的，斩波型电路形式如图1-4（g）所示。

③ 隔离型开关电源。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（也可称为开关变压器），利用磁场的变化实现能量的传递，没有电流间的直接流通。隔离型开关电源采用直流供电，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（升压或降压），然后经整流器整流，最后就可以得到极性和幅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。这种形式的开关电源在实际稳压电源中应用最为广泛。

（9）按电路结构分类

① 散件式开关电源。整个开关电源电路都是采用分立元件组成的，它的电路结构较为复杂，可靠性较差。

② 集成电路式开关电源。整个开关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。有的厚膜集成电路中包括开关管，有的则不包括开关管。这种开关电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。

（10）按工作性质分类

硬开关软开关

按工作性质大体上可分为“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，开关在导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得多，所以，硬开关在很多地方仍然在应用，如脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）器就属于硬开关。目前，很多开关电源都用PWM来控制。

软开关是在零电压下导通，在零电流下关断的。可见，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”，常采用谐振的方法。

从电子理论可知，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，当振荡到零时，电子开关导通，称为零电压导通（Zero Voltage Switching）。同样，流过电子开关的电流振荡到零时，电子开关关断，称为零电流关断（Zero Current Switching）。

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，称为调频开关电源。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。

以上阐述的开关电源的品种都是站在不同的角度，以开关电源不同特点而分类的。尽管各种电路的激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方式、开关管的种类以及串并联结构等各不相同，但是它们最后总可以归结为串联型开关电源和并联型开关电源这两大类。

1.1.2 开关电源常用的变换器电路类型

拓扑结构

开关电源变换器的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。开关电源变换器拓扑结构可分为两种基本类型：非隔离型（在工作期间输入源和输出负载共用一个电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件变压器来实现的，而且从源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电流回路）。变换器拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入/输出负载特性诸因素选定的。

1.非隔离开关变换器

非隔离开关变换器有四种基本拓扑结构用于DC/DC变换器。

（1）降压拓扑结构

降压式开关电源的典型电路如图1-5所示。当开关管VT1导通时，二极管VD1截止，输入的整流电压经VT1和L向C充电，这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时，电感L感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储的能量，维持输出直流电压不变，电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。降压变换器将输入电压变换成较低的稳定输出电压。输出电压（Uo）和输入电压（Ui）的关系为

（2）升压拓扑结构

升压式开关电源的稳压电路如图1-6所示。当开关管VT1导通时，电感L储存能量。当开关管VT1截止时，电感L感应出左负右正的电压，该电压叠加在输入电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输入电压，即将输入电压变换成较高的稳定输出电压。输出电压和输入电压的关系为

（3）逆向拓扑结构

逆向变换器将输入电压变换成较低反相输出电压。输出电压与输入电压的关系为

（4）反转式拓扑结构

反转式开关电源的典型电路如图1-7所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于还是低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。

当开关管VT1导通时，电感L储存能量，二极管VD1截止，负载RL靠电容C上的充电电荷供电。当开关管VT1截止时，电感L中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容C充电。

反转式变换器将输入电压变换成稳定反相较低值或较高值输出电压（电压值取决于占空因数）。输出电压和输入电压的关系为

2.隔离式开关变换器

隔离式开关变换器的拓扑结构有很多种，但其中三种比较通用，它们是逆向变换器、正向变换器、推挽变换器。在这些电路中，从输入电源到负载的能量转换是通过一个变压器磁通耦合或其他磁性元件实现的。

（1）推挽型变换器与半桥型变换器

推挽型变换器与半桥型变换器是典型的逆变整流型变换器，电路结构如图1-8所示。加在变压器一次绕组上的电压幅度为输入电压Ui，宽度为开关导通时间ton的脉冲波形，变压器二次电压经二极管VD1、VD2全波整流为直流。

推挽型开关电源的典型电路如图1-8（a）所示。它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用VT1和VT2两个开关管，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替地导通与截止，在变压器T次级绕组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。

这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100～500W范围内。

图1-8（b）所示为半桥型变换器的电路结构，如只从输出侧滤波器来看，工作原理和降压型变换器完全相同，二次侧滤波电感用于存储能量。电压变换比m与降压型变换器类似，即

式中，n为变压器的匝数比，n=N1/N2，N1为一次绕组的匝数，N2为二次绕组的匝数。

（2）单端激励型变换器

①单端反激式开关电源。单端反激式开关电源的典型电路如图1-9（a）所示。所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器T初级绕组中存储的能量通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。

单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20～100W，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。

单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20～200kHz之间。

② 单端正激式开关电源的典型电路如图1-9（b）所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时，VD2也导通，这时电源向负载传送能量，滤波电感L储存能量；当开关管VT1截止时，电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。它是采用变压器耦合的降压型变换器电路。与推挽型变换器一样，加在变压器一次侧（一半）上的电压振幅为输入电压Ui，宽度为开关导通时间ton的脉冲波形，变压器二次电压经二极管全波整流变为直流。电压变换比为m=Δ/n。

由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50～200W的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。

（3）隔离型Cuk变换器

隔离型Cuk变换器如图1-10所示。开关断开时，电感L1的电流IL1对电容C11充电，同时C12也充电（二极管VD导通），开关VT导通时，二极管VD变为截止状态，C12通过L2向负载放电。

（4）电流变换器

电流变换器如图1-11所示，它是逆变整流型变换器。图1-11（a）所示是能量回馈式，开关VT导通时，电感器L的一次侧电压为Ud-nUo（式中n=N1/N2），电感L励磁并储存能量；VT断开时，储存在电感L中的能量通过二极管VD3反馈到输入侧。对于图1-11（b）所示的变换器，两只开关同时导通时，加在电感L上的电压为Ui，电感L励磁并储存能量。任意一只开关断开时，反向电压（nUo-Ui）加到电感L上，电感L释放能量。其工作原理与升压型变换器类似。

（5）全桥型变换器

全桥型变换器如图1-12所示，VT1、VT3及VT2、VT4是两对开关管，重复交互通断，但两对开关导通有时间差。所以变压器一次侧加的电压UAB为脉冲宽度等于其时间差的方形波电压。变压器二次侧的二极管将此电压整流变为方波，再经滤波器变为平滑直流电供给负载，电压变换比为m=Δ/n。

（6）准谐振型变换器

在开关变换器电路中接入电感和电容构成谐振电路，流经开关的电流以及加在开关两端的电压波形为准正弦波，这种电路称为准谐振型变换器。图1-13所示为电流谐振开关和电压谐振开关的基本电路以及工作波形。

图1-13（a）所示是电流谐振开关，谐振用电感Lr和开关VT串联，流经开关的电流为正弦波的一部分。当开关导通时，电流is从0以正弦波形状上升，上升到电流峰值后，又以正弦波形状减小到零，电流变为零之后，开关断开，波形图如图1-13（a）所示。开关再次导通时，重复以上过程。由此可见，开关在零电流时通断，这样动作的开关叫做零电流开关（Zero-Current Switch），简称为ZCS。在零电流开关中，开关通断时与电压重叠的电流非常小，从而可以降低开关损耗。采用电流谐振开关时，寄生电感可作为谐振电路元件的一部分，这样可以降低开关断开时产生的浪涌电压。

图1-13（b）所示电路为电压谐振开关，谐振电容Cr与开关并联，加在开关两端的电压波形为正弦波的一部分。开关断开时，开关两端电压从0以正弦波形状上升，上升到峰值后又以正弦波形状下降为零。电压变为零之后，开关导通，波形图如图1-13（b）所示。开关再断开时，重复以上过程。可见开关在零电压处通断，这样动作的开关叫做零电压开关（Zero-VoltageSwitch），简称ZVS。在零电压开关中，开关通断时与电流重叠的电压非常小，从而可以降低开关损耗。这种开关中的寄生电感与电容作为谐振元件的一部分，可以消除开关导通时的电流浪涌与断开时的电压浪涌。

电流谐振开关中开关导通时电流脉冲宽度由谐振电路决定，为了进行脉冲控制，需要保持导通时间不变，改变开关的断开时间。对于电压谐振开关，开关断开时的电压脉冲宽度由谐振电路决定，为了进行脉冲控制，需要保持开关的断开时间不变，改变开关的导通时间。在以上两种情况下，改变开关工作周期，则谐振变换器由改变开关工作频率进行控制。

在图1-13所示电路中，开关电压或电流的波形为半波，但也可以为全波，因此谐波开关又可分为半波谐振开关和全波谐振开关两种。

（7）自激式开关电源

自激式开关电源的典型电路如图1-14所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。

当接入电源后，R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流IC在L1中线性增长，在L2中感应出使VT1基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1很快饱和。与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，IC开始减小，在L2中感应出使VT1基极为负，发射极为正的电压，使VT1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输入电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。

自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作用，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输入和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，也适用于小功率电源。