开关电源-手机充电器用电源变换器毕业设计论文

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成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文手机充电器用电源变换器设计摘要：随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，他们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效速为发展方向，深受广大厂家和商家以及人们的青睐。

开关电源是近年来应用非常广泛的一种新式电源，它具有体积小、重量轻、耗能低、使用方便等优点，在邮电通信、航空航天、仪器仪表、医疗器械、家用电器等领域应用效果显著。目前随着技术发展，新型多功能开关电源集成控制芯片不断推向市场，大量的超小型、多功能、模块化开关电源不断涌现。2008年中国开关电源市场总体销售额达到123.8亿元，销售额同比增长了14.8%。开关电源市场与我国各个行业的发展有着密切的关系，而重点行业在我国宏观经济的拉动下，呈现出平稳较快的发展态势。因此，开关电源市场近年来也出现了平稳增长的状态。在开关电源市场中，除了少数几家厂商拥有核心技术外，其他整机生产厂家大多不具有核心技术，只是依靠组装生产，经营区域性市场，这大大抑制了开关电源产品性能的发展。开关电源产品由于其行业的特殊型，用户对产品安全性、稳定性有很高的要求，而对于价格的敏感性却比较低，因此厂商对价格有一定的议价能力。中国开关电源主力厂商大部分拥有较为完备的产品线，集成能力强，各具行业优势。如今，高新科技在不断更新，国内外新型手机也层出不穷，手机的更新必然引起充电器的更新，诸如iphone4等，这些都是高端科技的体现。

现实告诉我们，科技在进步，社会在发展。随着人们生活水平的日益提高和科技的发展，手机使人们的通讯更加的方便和快捷，全球用手机的人数与日剧增。于是，手机充电器就不言而喻成为了手机的主要配角，一部手机必须配备一部充电器。根据自己所学专业和对电子产品的好奇，结合自身条件，自做一手机充电器，一来可以提高自己动手能力，二来可以自己用，三还可以满足自己的好奇心，可谓一举三得。

[关键词]电子技术；开关电源；充电器

I成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文第一章

1.1

目录绪论................................................................错误！未定义书签。开关电源的概念和分类......................................................................................41.1.1开关电源的概念.......................................................................................41.1.2开关电源的分类.......................................................................................21.2开关电源设计中存在的问题与未来发展..........................................................3

1.2.1开关电源中存在的问题...........................................................................31.2.2开关电源的发展趋势...............................................................................4

第二章手机充电器设计方案

2.1内容摘要2.2设计要求2.3制作目的2.4进度安排

2.5总体方案的选择与论证

第二章元器件的选用.....................................................................................52.1开关晶体管..........................................................................................................5

2.1.1功率开关MOSFET......................................................................................52.1.2绝缘栅双极型晶体管..............................................................................62.2软磁铁氧体磁芯..................................................................................................7

2.2.1磁性材料的基本特性...............................................................................72.2.2磁芯的结构与选用...................................................................................82.3二极管..................................................................................................................8

2.3.1开关二极管...............................................................................................82.3.2稳压二极管...............................................................................................92.4电容器.........................................................9第三章开关电源设计基础............................................................................113.1开关电源的控制方式..........................................................................................7

3.1.1脉宽调制的基本原理...............................................................................73.1.2脉冲频率调制的基本原理.....................................................................123.2各类拓扑结构电源分析....................................................................................133.3谐振式电源与软开关技术................................................................................17

3.3.1谐振式电源的基本原理.........................................................................173.3.2谐振开关的动态过程分析.....................................................................183.3.3软开关技术及常见软开关拓扑简介.....................................................20

第四章充电器设计......................................................................................2.1手机充电器简介................................................26

4.1.1充电器概念与分类........................................2.1.2充电方式................................................2.1.3性能特点................................................274.2充电器电路设计及原理分析............................................................................27

4.2.1充电要求及技术指标......................................274.2.2电路原理图设计.....................................................................................274.2.3原理分析.................................................................................................284.2.4材料清单................................................30

II成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文结语....................................................31致谢....................................................32参考文献.................................................33III成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文第一章绪论1.1手机充电器简介1.1.1充电器的概念与分类

所有手机充电器其实都是由一个稳定电源（主要是稳压电源、提供稳定工作电压和足够的电流）加上必要的恒流、限压、限时等控制电路构成。

原装充电器（指线充）上所标注的输出参数：比如输出4。4V/1A、输出5.9V/400mA……就是指内部稳压电源的相关参数。明白了这个道理，你很会知道一个（品质好的）手机充电器很容易改成一个质量优良的稳压电源！比如输出4.4V可以给4.5V的设备用，5.9V的可以给6V的设备用……

手机常用锂离子（lion）电池的充电器采用的是恒流限压充电制，充电电流一般采用C2左右----即采用两小时充电率，比如500mah电池采用250ma充电大约两小时达到4。2V后再恒压充电。

lion电池并不适合采用NIMH电池高级快速充电器所用的-DV/DT检测快速充电方式，因为lion电池对充电电流有严格的.锂离子（Li+）非常活泼，大电流充电很容易产生危险。

有机会接触国内最著名的lion离子电芯厂家的技术人员，根据他们提供的破坏性实验报告情况：一般情况下lion电池（电芯）在放电情况（包括短路）一般都不会发生爆炸，但有可能出现过热和燃烧，但在比较严重的过流充电情况，就非常容易发生爆炸！

类型一的使用

先说一下外观,两个金属针,三个指示灯,从左到右依次是\"测试\\

而不同的手机有不一样的金属片，正和负。对好正负极之后,插上电源,就会有绿灯在闪,表示充电开始了,如果不闪绿灯就表示正负极没对好,或是没有按下转换键.电充满后绿灯就不闪了,就可以拿下来用了。

目前市场上出现标称可以适合250mah---2500mah电池充电的“万能手机充电器”，其实是非常危险的，它缺乏对电池容量的检测，采用固定的输出电流，对不同的电池而言，不是导致充电时间过长就是导致过流充电，建议大家不用为妙！

现在的USB手机充电器，只不利用了电脑USB口所具备的比较稳定的来自电脑电源的5。0v电压作为充电电压源，再同样辅以相关的电路而构成USB手机充电器，其输出品质除受制于USB口最大输出电流外，关键就是取决于充电电路本身的设计和材料的优劣了。所以，大家要买设计比较合理、信誉好的名牌大厂的产品。1.1.2国内外现状分析

1成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文除了少数几家厂商拥有核心技术外，其他整机生产厂家大多不具有核心技术，只是依靠组装生产，经营区域性市场，这大大抑制了开关电源产品性能的发展。开关电源产品由于其行业的特殊型，用户对产品安全性、稳定性有很高的要求，而对于价格的敏感性却比较低，因此厂商对价格有一定的议价能力。中国开关电源主力厂商大部分拥有较为完备的产品线，集成能力强，各具行业优势。如今，高新科技在不断更新，国内外新型手机也层出不穷，手机的更新必然引起充电器的更新，诸如iphone4等，这些都是高端科技的体现。现实告诉我们，科技在进步，社会在发展。

1.2手机充电器研究意义及内容1.2.1研究意义

随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，他们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效速为发展方向。随着人们生活水平的日益提高和科技的发展，手机使人们的通讯更加的方便和快捷，全球用手机的人数与日剧增。于是，手机充电器就不言而喻成为了手机的主要配角，一部手机必须配备一部充电器。根据自己所学专业和对电子产品的好奇，结合自身条件，自做一手机充电器，一来可以提高自己动手能力，二来可以自己用，三还可以满足自己的好奇心，可谓一举三得。1.2.2研究目标与内容

中小功率开关电源以其诸多优良的性能，在测控仪器仪表、通信设备、学习与娱乐等诸多电子产品中得到广泛的应用。随着环境和能源问题日益突出，人们对电子产品的环保要求不断提高，对电子产品的能源效率更加关注。设计无污染、低功耗、高效率的绿色模式电源已成为开关电源技术研究的热点，手机充电器就是其中一种。充电器是采用电力电子半导体器件，将电压和频率固定不变的交流电变换为直流电的一种静止变流装置。在以蓄电池为工作电源或备用电源的用电场合，充电器具有广泛的应用前景。它不但设计巧妙，还功能强大深受人们的喜爱。本次设计主要是将220V的交流电转换为6.00V、500ma的适合手机电池的电压，其中要用到半波整流电路，将交流电中的直流成分加大，再用电容器将交流成分虑掉，经过变压和一系列变换，最终转换成适合手机电池的电压，综合起来就是由一个稳定电源（主要是稳压电源、提供稳定工作电压和足够的电流）加上必要的恒流、限压、限时等控制电路构成。

2成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文第二章手机充电器设计方案2.1内容摘要

（1）了解手机充电器的简单工作原理以及各原件的特性与作用；（2）通过动脑与动手行动来完成充电器的设计与制作；（3）接通电源检测与调试电路。2.2设计要求

输入电压为220V交流电，输出为6V、500mA直流电。拓展要求：输出5V、500mA直流电。2.3制作目的

加强自己的动手、动脑，以及收集资料的能力，掌握线性电源充电器的工作原理，同时也对开关电源作一定的了解。2.4进度安排

第一周：参考资料（初定题目查找相关资料背景等）第二周：设计方案（定设计方案找指导老师参考修改）

第三周：基本原理设计（原理图组成、元件功能、工作原理的描述）第四周：绘制原理图（仿真与调试）

第五周：购买元件（购买所需相关元件检测元件好坏）第六周：实物制作（绘制安装图将元件组装）

第七周：数据测试（测试所需数据进行校对检查）第八周：整体检查（实物的美观与否相关资料整理）第九周：论文整理（按要求整理论文的排版、布局等）第十周：收尾（答辩准备）2.5总体方案的选择与论证

本次的设计我做的是手机充电器，之所以选择这个题目是因为其制作原理相对简单之余也需要懂得相关的知识才能完成，适合我自己。这次的手机充电器题目中我也有两个小的项目可供选择：

（1）线性电源：相对于开关电源，线性电源的制作比较简单、原理明了，适合我们

制作，但它有体积大、消耗高、效率低等缺点。（2）开关电源：对于市面上大多充电器的设计都为开关电源的，选择它主要原因是

应为其需要的技术含量相对较高，原理相对复杂，但是它具有高效率、低耗能、体积小且相对稳定的特性。

3成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文第三章开关电源的设计基础开关电源是近年来应用非常广泛的一种新式电源，它具有体积小、重量轻、耗能低、使用方便等优点，在邮电通信、航空航天、仪器仪表、工业设备、医疗器械、家用电器等领域应用效果显著。

3.1开关电源的概念和分类电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。3.1.1开关电源的概念

电是工业的动力，是人类生活的源泉。电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。我们用的电，一般都需要经过转换才能适合使用的需求，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换为小功率等。

按照电子理论，所谓AC/DC就是交流转换为直流；AC/AC称为交流转换为交流，即为改变频率；DC/AC称为逆变；DC/DC为直流变交流后再变直流。为了达到转换的目的，电源变换的方法是多样的。自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（SwitchingPowerSupply）。

开关电源在转换过程中，用高频变压器隔离称之为离线式开关变换器（Off-lineSwitchingCpnwerter），常用的AC/DC变换器就是离线式变换器。

开关电源通常由六大部分组成，如图3-1所示。

图3-1开关电源工作原理框图第一部分是输入电路，它包含有低通滤波和一次整流环节。220V交流电直接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压Vi，此电压送到第二部分进行功率因数校正，其目的是提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电压同相。功率因数校正的方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。所谓有源功率因数校正（ActivePowerFactorCorrection，APFC），是指电源在校正过程中常采用三极管和集成电路。开关电源电路常采用有源功率因数校正。第三部分是功率转换，它是由电子开关和高频变压器来完成的，是把高功率因素的直流电压变换成受到控制的、符

4成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文合设计要求的高频方波脉冲电压。第四部分是输出电路，用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。第五部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后于电路的基准电压进行比较、放大。第六部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。有了高频振荡才有电源变换，所以说开关电源的实质是电源变换。

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=on。

toffT断开时间toff所占T的比例称为断开占空比（D'），D'。开关周期是开关频率的

11T20sT。倒数，例如：一个开关电源的工作频率是50kHz，它的周期T

50103f（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，开关电源中断开关功率管、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。

开关电源与铁芯变压器电源以及其他形式的电源比较起来具有较多的优点：(1)节能。绿色电源是开关电源中用途最为广泛的电源，它的效率一般可以达到85%，质量好的可以达到95%甚至更高，而铁芯变压器的效率只有70%或者更低。最近欧盟和美国消费者协会统计，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。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，而且敞开式的电源更轻，体积不到铁芯变压器的1/4。

(3)开关电源具有各种保护功能，不易损坏。而其他的电源由于本身原因或使用不当，发生短路或断路的事故较多。

(4)改变输出电流、电压比较容易，且稳定、可控。

(5)根据人们的要求，可设计出各种具有特殊功能的电源，以满足人们的需要。3.1.2开关电源的分类

目前开关电源的种类很多，从工作性质来分，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，开关在接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的多，所以，硬开关在很多地方仍然在应用，如脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）器就属于硬开关。目前，很多开关电源都用PWM来控制。另一类叫做软开关，电子开关在零电压下导通，在零电流下关断。可见，电子开关是在“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”，我们常采用谐振的方法。

从电子理论可知道，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，当振荡倒零时，电子开关导通，称之为零电压导通（ZeroVoltageSwitching）。同样，流过电子开关的电流振荡到零时，电子开关关断，称之

5成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文为零电流关断（ZeroCurrentSwitching）。

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，我们称之为调频开关电源。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。

DC/DC变换类型是开关电源变换的基本类型，它通过控制开关通、断时间的比例，用电抗器与电容器上蓄积的能量对开关波形进行微分平滑处理，从而更有效地调整脉冲的宽度及频率。从输入、输出有无变压器隔离来说，DC/DC变换分为有变压器隔离和没有变压器隔离两类。每一类有6种拓扑，即降压式（Buck）、升压式（Boost）、升压—降压式（Buck-Boost）、串联式（Cuk）、并联式（Sepic）以及赛达式（Zata）。按激励方式分，有自激式和他激式两种。自激式包括单管式和推挽式，他激式包括调频式（PWF）、调宽式（PWM）、调幅式（PAM）和谐振式（RSM）4种，我们用得最多的是调宽式变换器。调宽式变换器有以下几种：正激式（ForwardConverter）、反激式（FeedbackConverterMode）、半桥式（HalfBridgeConverter）、全桥式（OverallBridgeMode）、推挽式（PushDrawMode）和阻塞式（RingingChokeConverter，RCC）等6种。

按谐振方式分，有串联谐振式、并联谐振式和串并联谐振式；按能量传递方式分，有连续模式和不连续模式两种。凡是以脉冲宽度来调制的电子开关变换器都叫PWM变换器。

3.2开关电源设计中存在的问题与未来发展3.2.1开关电源中存在的问题

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。

6成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文3.2.2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/cm，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。

3.3开关电源的控制方式目前生产的开关电源多数采用脉宽调制方式，少数采用脉冲频率调制方式，很少见到混合调制方式。脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation，PFM）是将脉冲宽度固定，通过调节工作频率来调节输出电压。在电路设计上要用固定频率发生器来代替脉宽调制器的锯齿波发生器，并利用电压、频率转换器（例如压控振荡器VCO）改变频率。稳压原理是：当输出电压升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变，而工作周期变长，使占空比减小，输出电压降低。调频式开关电源的输出电压的调节范围很宽，调节方便，输出可以不接假负载，详见图3-2所示的波形图。混合调制方式是指脉冲宽度与频率都不固定，都可以改变。目前这种调节方式应用得不是很多，产品类型也不多，只是在个别实验室中使用，其原因是两种调制方式共存，相互影响较大，稳定性差。再者，这种开关电源电路比较复杂，集成控制电路也不是很多。但是它的占空比调节范围很宽，输出电压能做到很低。

(a)PWM控制方式(b)PFM控制方式图3-2PWM、PFM控制方式和波形图3.3.1脉宽调制的基本原理

开关电源采用脉宽调制方式的占很大比例，所以有必要对脉宽调制的基本原理加以了解。220V交流输入电压经过整流（BR）滤波后变为脉动直流电压，供给功率开关管作为动力电源。开关管的基极或场效应管的栅极有脉宽调制器的脉冲驱动。脉宽

7成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文调制器由基准电压源、误差放大器、PWM比较器和锯齿波发生器组成，如图3-3所示。开关电源的输出电压和基准电压进行比较、放大，然后将其差值送到脉宽调制器。脉宽调制的频率是不变的，当输出电压V0下降时，与基准电压比较的差值增加，经发达后输入到PWM比较器，加宽了脉冲宽度。宽脉冲经开关晶体管功率放大后，驱动高频变压器，使变压器初级电压升高，然后耦合到次级，经过二极管VD整流和电容C2滤波后，输出电压上升，反之亦然。

图3-3脉宽调制的原理图3.3.2脉冲频率调制的基本原理

脉冲频率调制的过程是这样的：如图3-4所示，从输出电压中取出一信号电压并由误差放大器放大，放大后的电压与5V基准电压进行比较，输出误差电压Vr，并以此电压作为控制电压来调制VCO的震荡频率f。再经过瞬间定时器、控制逻辑和输出级，输出一方波信号，驱动MOS开关管，最后经高频变压器TR和整流滤波获得稳定的输出电压V0。假设由于某种原因而使V0上升或负载阻抗下降，控制电路立即进行下述闭环调整：V0↑→Vr↑→f↓→V0↓。该循环的结果是输出电压V0趋于稳定，反之亦然。这就是PFM的工作原理。假设电源效率为η，脉冲宽度为m，脉冲频率为f，则有V0=mfV1。当mV1确定后，通过调制VCO的震荡频率就可以调节输出电压V0，并实现稳定输出。需要指出的是：a、b、c是压控振荡器外围元件连接端，它们将决定振荡的工作频率和频率调制灵敏度。D端为锯齿波电压输入端，由它改变定时器的定时时间。

8成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文图3-4脉冲频率调制的基本原理

3.4各类拓扑结构电源分析(1)非隔离型开关变换器①降压变换器

Buck电路：降压斩波器，入出极性相同。由于稳态时，电感充放电伏秒积相等，因此：

(UiUo)tonUotoff,UitonUotonUotoff,UitonUo(tontoff),Uo/Uiton/(tontoff)

即，输入输出电压关系为：

Uo/Ui(占空比)

(3-1)

(3-2)

图3-5Buck电路拓扑结构在开关管S通时，输入电源通过L平波和C滤波后向负载端提供电流；当S关断后，L通过二极管续流，保持负载电流连续。输出电压因为占空比作用，不会超过输入电源电压。

②升压变换器

Boost电路：升压斩波器，入出极性相同。利用同样的方法，根据稳态时电感L的充放电伏秒积相等的原理，可以推导出电压关系：

(3-3)Uo/Ui1/(1)

9成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文LVDUiS

图3-6Boost电路拓扑结构这个电路的开关管和负载构成并联。在S通时，电流通过L平波，电源对L充电。当S断时，L向负载及电源放电，输出电压将是输入电压UiUL，因而有升压作用。

③逆向变换器

Buck-Boost电路：升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。电压关系：

Uo/Ui/(1)(3-4)

IDL

图3-7Buck-Boost电路拓扑结构S通时，输入电源仅对电感充电，当S断时，再通过电感对负载放电来实现电源传输。所以，这里的L是用于传输能量的器件。

④丘克变换器

Cuk电路：升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。

Uo/Ui/(1)电压关系：(3-5)

L2Ui

L1C2S

RUo

图3-8Cuk变换器电路拓扑结构当开关S闭合时，Ui对L1充电。当S断开时，Ui+EL1通过VD对C1进行充电。

再当S闭合时，VD关断，C1通过L2、C2滤波对负载放电，L1继续充电。

这里的C1用于传递能量，而且输出极性和输入相反。(2)隔离型开关变换器

10成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文①推挽型变换器

下面是推挽型变换器的电路。

N1TUi

N1S1

图3-9推挽型变换电路LN2N2

CRUo

S1和S2轮流导通，将在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。

由于电感L在开关之后，所以当变比为1时，它实际上类似于降压变换器。②半桥型变换器

图3-10给出了半桥型变换器的电路图。当S1和S2轮流导通时，一次侧将通过电源-S1-T-C2-电源及电源-C1-T-S2-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。

同样地，这个电路也相当于降压式拓扑结构。

C12Ui

图3-10半桥式变换电路TN2N2

CRUo

③全桥型变换器

LS1UiS4S2

N1S3TN2N2

CRUo

图3-11全桥式变换电路当S1、S3和S2、S4两两轮流导通时，一次侧将通过电源-S2-T-S4-电源及电源-S1-T-S3-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。

这个电路也相当于降压式拓扑结构。

11成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文④正激型变换器下图为正激式变换器

VD3

TN3

UiS

N1N2

CVD2

图3-12正激型变换器电路当S导通时，原边经过输入电源-N1-S-输入电源，产生电流。当S断开时，N1能量转移到N3，经N3-电源-VD3向输入端释放能量，避免变压器过饱和。VD1用于整流，VD2用于S断开期间续流。

⑤隔离型Cuk变换器

隔离型Cuk变换器电路如下所示：

L1C12L2C11T

VDC2R

图3-13隔离型Cuk变换器当S导通时，Ui对L1充电。当S断开时，Ui+EL1对C11及变压器原边放电，同

时给C11充电，电流方向从上向下。附边感应出脉动直流信号，通过VD对C12反向充电。在S导通期间，C12的反压将使VD关断，并通过L2、C2滤波后，对负载放电。

这里的C12明显是用于传递能量的，所以Cuk电路是电容传输变换电路。⑥电流变换器

能量回馈型电流变换器电路如下图所示。

VD3

UiN3N4S1

VD2

图3-14能量回馈型电流变换器电路12VD1

N1T

N2N1

CRUo

成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文该电路与推挽电路类似。不同的是，在主通路上串联了一个电感。其作用是在S1、S2断开期间，使得变压器能量转移到N3绕组，通过VD3回馈到输入端。

下面是升压型变换器的电路图：

N1T

UiLS1

VD2

图3-15升压型电流变换器电路VD1

N2N1N2

CRUo

该电路也与推挽电路类似，并在主通路上串联了一个电感。在开关导通期间，L积蓄能量。当一侧开关断开时，电感电动势和Ui叠加在一起，对另一侧放电。因此，L有升压作用。

(3)准谐振型变换器

在脉冲调制电路中，加入R、L谐振电路，使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。这种开关电源称为谐振式开关电源。

利用一定的控制技术，可以实现开关管在电流或电压波形过零时切换，这样对缩小电源体积，增大电源控制能力，提高开关速度，改善纹波都有极大好处。所以谐振开关电源是当前开关电源发展的主流技术。又分为：

①ZCS——零电流开关。开关管在零电流时关断。②ZVS——零电压开关。开关管在零电压时关断。

3.5谐振式电源与软开关技术3.5.1谐振式电源的基本原理

谐振式电源是新型开关电源的发展方向。它利用谐振电路产生正弦波，在正弦波过零时切换开关管，从而大大提高了开关管的控制能力，并减小了电源体积。同时，也使得电源谐波成分大为降低。另外，电源频率得到大幅度提高。PWM一般只能达到几百K，但谐振开关电源可以达到1M以上。

普通传统的开关电源功率因数在0.4-0.7，谐振式电源结合功率因数校正技术，功率因数可以达到0.95以上，甚至接近于1。从而大大抑制了对电网的污染。

这种开关电源又分为：

①ZCS——零电流开关。开关管在零电流时关断。②ZVS——零电压开关。开关管在零电压时关断。

在脉冲调制电路中，加入L、C谐振电路，使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。下面是这两种开关的简单原理图。

13成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文S

VDUi

IcUi

CrLr

VDIc

onSIs

TonTsoff

SUs

ToffTs图3-16电流谐振式开关电路和电压谐振式开关电路ZCS电流谐振开关中，Lr、Cr构成的谐振电路通过Lr的谐振电流通过S，我们可以控制开关在电流过零时进行切换。这个谐振电路的电流是正弦波，而Us为矩形波电压。

ZVS电压谐振开关中，Lr、Cr构成的谐振电路的Cr端谐振电压并联到S，我们可以控制开关在电压过零时进行切换。这个谐振电路的电压是正弦波，而Is接近矩形波。以上两种电路，由于开关切换时，电流、电压重叠区很小，所以切换功率也很小。以上开关电源是半波的，当然也可以设计成全波的。所以又有半波谐振开关和全波谐振开关的区分。

3.5.2谐振开关的动态过程分析

实际上，谐振开关中的所谓“谐振”并不是真正理论上的谐振，而是L、C电路在送电瞬间产生的一个阻尼振荡过程。下面，我们对这个过程做一些分析，以了解谐振开关的工作原理。

(1)零电流开关

实际的零电流开关谐振部分拓补又分L型和M型。如下面两组图形所示：

VD1

L1L1SVD1L1S

图3-17L型零电流谐振开关（中半波，右全波）14成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文VD1S

VD1

C1C1C1

图3-18M型零电流谐振开关（中半波，右全波）这里的L1用于di/dt，C1用于传输能量，在开关导通时，构成串联谐振。用零电流开关替代PWM电路的半导体开关，可以组成谐振式变换器电路。按照Buck电路的拓扑结果，可以得到如下电路：

VD1i1

L1SVi

VD2L2

C2V0RL

图3-19Buck型准谐振ZCS变换器（L型）VD1

L1SVi

C1VD2

C2V0RL

图3-20Buck型准谐振ZCS变换器（M型）这里，我们分析一下L型电路的工作过程。

假定这是一个理想器件组成的电源。L2远大于L1，从L2左侧看，可以认为流过L2、C2、RL的输出电流是一个恒流源，电流I0。谐振角频率：

01/LrCr(3-9)

特性阻抗：

(3-10)Z0Lr/Cr动态过程如下：

①线性阶段（t0t1）：

15成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文在S导通前，VD2处于续流阶段。此时VVD2VC10。S导通时，L1电流由0开始上升，由于续流没有结束，此时初始VL1Vi。

由VL1ViL1di/dt，且L1初始电流为0，有：

(3-11)i1Vi(tt0)/L1

到t1时刻，达到负载电流I0，因此：此阶段持续时间：

(3-12)T1t1t0L1I0/Vi

可以看出，此阶段i1是时间的线性函数。②谐振阶段（t1t2）：

在电流i1上升期间，当i1I0时，由于i1无法供应恒流I0，续流过程将维持。当i1I0时，将以i1I0对C1充电，VD2开始承受正压，VD2电流下降并截止。L1、C1开始串联谐振，i1因谐振继续上升。

(3-13)ic1C1dVc1/dti1I0

VL1L1di1/dtViVC1(3-14)

因而：

(3-15)i1I0ic1I0V1/Z0*sin0*(tt1)

其中，ic1为谐振电流。

(3-16)Vc1V1VL1V1V1cos0(tt1)V1[1cos0(tt1)]

谐振到ta时刻，谐振电流归零。如为半波开关，则开关自行关断；如果是全波开关，开关关断后，将通过VD1进行阻尼振荡，将电容能量馈送回电源，到时刻tb电流第二次为0。本阶段结束，这时的时刻为t2。

VC1在i1谐振半个周期，i1I0时，达最大值。i1第一次过零（ta）时，S断开。如为半波开关，则谐振阶段结束。如为全波开关，C1经半个周期的阻尼振荡到电流为0（tb）时，将放电到一个较小值。

可以看出谐振阶段ta前，i1、VC1是时间的正弦函数；如为全波开关，还有一段时间的阻尼振荡波。

③恢复阶段（t2t3）：

由于VC1滞后1/4个谐振周期，因而在t2后，因L2的作用还将继续向负载放电，直至VC1=0。这阶段，如考虑电流方向性：

(3-17)I0C1dVC1/dt

故：(3-18)VC1VC1(t2)I0(tt2)/C1

因此，这个阶段的VC1是时间的线性函数，电压从VC1(t2)逐步下降到零。如为半波开关，则开关分压也将线性上升到输入电源值。

④续流阶段（t3t4）：

当电容放电到零后，VD2因反压消失而导通，对L2及负载进行续流，以保持电流I0连续。此时，我们根据电路的要求，选择在适当时间再次开通S，重新开始线性阶段。根据以上导出的各公式，可以得到如下的波形图：

16成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文SiL

VSVC1

tttt

SiLVSVC1

t0t1

t2t3t4

t0t1t2t3t4

图3-21半波ZCS开关波形与全波ZCS开关波形从以上分析可以看出，ZCS谐振开关变换器的开关管总是在电流为0时进行切换。实际情况与理想分析有所不同，VC1将有所超前。

M型电路分析方法类似，不再赘述。(2)零电压开关

ZCS在S导通时谐振，而ZVS则在S截止时谐振，二者形成对偶关系。分析过程大体类似，此处从略。

综合以上分析过程，我们可以看出，该拓扑谐振结构只能实现PFM调节，而无法实现PWM。原因是脉冲宽度仅受谐振参数控制。要实现PWM，还需要增加辅助开关管。3.5.3软开关技术及常见软开关拓扑简介

软开关技术实际上是利用电容与电感的谐振，使开关器件中的电流或电压按正弦或准正弦规律变化。当电流过零时，使器件关断，当电压过零时，使器件开通，实现开关的近似零损耗。同时，有助于提高频率，提高开关的容量，减小噪声。

相对于软开关，普通开关电源的转换器也叫硬开关。

按控制方式，软开关可以分为：脉冲宽度脉冲频率调制式（PFM）、脉冲频率调制式（PWM）、脉冲移相式（PS）三种。

(1)PWM变换器

PWM控制方式是指在开关管工作频率恒定的前期下，通过调节脉冲宽度的方法来实现稳定输出。这是应用最多的方式，适用于中小功率的开关电源。

①零电流开关PWM变换器

图3-22Buck型ZCS-PWM变换器17成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文上图是增加辅助开关控制的Buck型零电流开关变换器。其工作过程与前面过程略有差异：

（a）线性阶段（S1、S2导通）：开始时，在LR作用下，S1零电流导通。随后，因Uin作用，ILR线性上升，并到达ILRI0。

（b）正向谐振阶段（S1、S2导通-关断）：当ILRI0时，因CR开始产生电压，VD在零电流下自然关断。之后，LR与CR开始谐振，经过半个谐振周期，ILR再次谐振到I0，UCR上升到最大值，而ICR为零，S2关断，UCR和ILR将被保持，无法继续谐振。

（c）保持阶段（S1导通、S2关断）：此状态保持时间由PWM电路要求而定，保持期间，Uin正常向负载以I0供电。

（d）反向谐振阶段（S1导通-关断、S2导通）：当需要关断S1时，可以控制重新打开S2，此时在LR作用下，S2电流为0。谐振再次开始，当ILR反向谐振到0时，S1可在零电流零电压下完成关断。

（e）恢复阶段（S1关断、S2导通）：此后，UCR在I0作用下，衰减到0。

（f）续流阶段（S1关断、S2导通-关断）：UCR衰减到0后，VD自然导通开始续流。由于VD短路作用，S2可在此后至下一周期到来前以零电压零电流方式完成关断。可见，S1在前四个阶段（线性、谐振、保持）均导通，恢复及续流时关断。S2的作用主要是隔断谐振产生保持阶段。S1、S2的有效控制产生了PWM的效果，并利用谐振实现了自身的软开关。

该电路的开关管及二极管均在零电压或零电流条件下通断，主开关电压应力低，但电流应力大（谐振作用）。续流二极管电压应力大，而且谐振电感在主通路上，因而负载、输入等将影响ZCS工作状态。

②零电压开关PWM变换器

图3-23Boost型ZVS-PWM变换器上面是Boost型零电压谐振变换器。在每次S1导通前，首先辅助开关管S2导通，使谐振电路起振。S1两端电压谐振为0后，开通S1。S1导通后，迅速关断S2，使谐振停止。此时，电路以常规PWM方式运行。同样，我们可以利用谐振再次关断S1，CS使得主开关管可以实现零关断。S1、S2的配合控制，实现软开关下的PWM调节。该电路实现了主开关管的零压导通，且保持恒频率运行。在较宽的输入电压和负载电流范围内，可以满足ZVS条件二极管零电流关断。其缺点是辅助开关管不在软件开关条件下运行，但和主开关管相比，它只处理少量的谐振能量。

③有源钳位的零电压开关PWM变换器

18成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文下图为有源钳位的ZVS开关PWM变换器，这是个隔离型降压变换器。其中，LR为变压器的漏电感，LM是变压器的激磁电感。CR为S1、S2的结电容。这个电路巧妙地利用电路的寄生LR、CR产生谐振而达到ZVS条件。同时，CR有电压钳位作用，防止S1在关断时过压。这里的辅助开关S2同样是通过控制谐振时刻，来配合S1进行软开关。

LRCC

Uos

图3-24有源钳位ZVS-PWM正激变换器LM

(2)PFM变换器

PFM是指通过调节脉冲频率（开关管的工作频率）来实现稳压输出的。它控制电路相对简单，但由于它工作频率不稳定，因此一般用于负载及输入电压相对稳定的场合。①Buck零电流开关变换器

VDS

LRS1

Uos

VDL1

C1R0

图3-25Buck型ZCS准谐振变换器该电路就是前面动态过程分析讲的典型ZCS降压型拓扑结构。我们可利用谐振电流过零来实现S1通断，脉宽事实上受谐振电路参数控制，但我们可以控制S1开通时刻（即频率）来实现PFM。VDS

②Buck零电压开关变换器

UinCS

CRR0

图3-26Buck型ZVS准谐振变换器19成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文（a）线性阶段（S导通）：S导通时，输入电压Uin将对CR充电，并提供输出恒流I0。开始时，由于续流过程没有结束，VD将维持一段时间向LR提供电流。

（b）谐振阶段1（S导通-关断）：随着CR电压的上升，VD逐步承受反压关断。LR、CR开始谐振，输入电源既要提供负载恒定电流，又要提供谐振电流。由于电源钳位作用，VD无法恢复续流。谐振中，可以选择某一时刻关断S，关断时两端电压为0。

（c）谐振阶段2（S关断）：此后，LR、CR、CS共同谐振。当CR电压谐振到过零时，VD重新导通续流。

（d）谐振阶段3（S关断-导通）：续流期间，LR、CS继续谐振。当CS电压过零时，可以重新开通S。

(3)PS软开关变换器

脉冲移相软开关变换器用于桥式变换器。桥式变换器必须是在对角开关管同时导通时，才输出功率。我们可以通过调整对角开关管的重合角度，来达到调节电压的目的。在中、大功率电源中，经常使用这种变换器。

①移相全桥零电压零电流变换器

下图是移相式PS-FB-ZVZCS-PWM（移相-全桥-零电压零电流-脉宽调制）变换器电路拓扑结构图。C1C、C2C是开关管结电容或并联电容，LR为变压器的漏电感，LS为串联的饱和电感，Cb为阻断电容。VD1VD4用做续流二极管。原理简述：这是一个全波桥软开关变换器，我们可以让S3、S4在移相时滞后，则我们把S1、S2称为超前桥臂，S3、S4称为滞后桥臂。S1、S2可以在LR、LS、C1C、C2C、副边耦合电感等的谐振作用下，实现零电压开关。在电流过零时，由于阻断电容、饱和电感作用，使得零电流有一定保持时间，在此期间，S3、S4实现零开关。

如果把Ls、Cb去掉，在S3、S4两端并联两个谐振电容，就构成了移相全桥零电压变换器。

Uos

C1C

VD1CbLSS3S4

VD3

C2C

VD2

VD4

LrCr

图3-27移相全桥零电压零电流变换器②不对称移相全桥零电压零电流变换器

下图中，超前臂外接了旁路电容和反并二极管，而滞后臂则没有。所以称为不对称移相全桥变换器。这个电路同样是通过谐振在零压时开关S1、S3，而在零电流时开关S2、S4。

20成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文这个电路和对称全桥的区别是，对称全桥由于滞后桥臂有续流二极管和电容，因此在电流过零后，将形成反向流通渠道，因此要有比较大的电感来维持电流过零的时间，以完成对滞后桥臂的开关。而不对称全桥则因为滞后桥臂没有了通路，因此过零后能保持在零电流，以便完成滞后臂的开关。同时，由于对称全桥电路原边串联了比较大的电感，因而电源效率会有一定损失。而不对称电路可以不串较大电感，所以损耗降低，电源效率得以提高。

该电路的工作过程要点分析如下：

(a)先看对角导通，如S1、S4开通时，原边能量正常向副边传输，C2、Cc充电。(b)当S1关断时，C1充电，C2放电，原边电流方向不变。由于C1上升是渐进的，所以S1属于零压关断。

(c)当C2放电过零，VD2开始反向导通时，可以控制S3导通，因此S3为零压导通。

(d)S3导通上升沿触发一单稳态脉冲，控制辅管Sc导通。此时，Cc电压被瞬间接到变压器副边。从而在原边产生一瞬间高压，此较高电压将加快原边电流迅速复位归零。

(e)当电流回零后，辅管关断。此时副边又被钳制在近似短路的低电压，原边电压也迅速降低。使得C3电压反向加到S4上，促使S4在零电流下关断。

(f)此时，在Lk作用下，同时可以零电流开通S2。电流换向成功，进入下半个周期。

VD1VD2

图3-28不对称移相全桥零电压零电流变换21成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文第四章元器件的选用4.1开关晶体管无论那一种变换器，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。4.1.1功率开关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。

(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。

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4-1和图4-2所示。

22成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文图4-1加速TR关断驱动电路在图4-1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4-2功率驱动电路图4-2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。4.1.2绝缘栅双极型晶体管

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。

23成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文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。

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MOSFET和IGBT的图形符号见图4-3和图4-4。

图4-3MOSFET的图形符号图4-4IGBT的图形符号4.2软磁铁氧体磁芯软磁铁氧体材料常用在高频变压器、电感整流器、脉冲变压器以及PFC中的升压电感等电路中，在开关电源中时一种非常重要的元件。但是，我们不能十分有把握地掌握磁性材料的特性，以及这种特性与温度、频率、气隙等的依赖性和不易测量性。在选择铁氧体时，它不像电子元件那样可以测量，它的具体的参数、特性曲线在显示测量仪器上也不时一目了然。由于高频变压器、电感器所涉及的参数太多，例如电压、电流、温度、频率、电感量、变比、漏感、磁性材料参数、铜损、铁损、交流磁场强度、交流磁感应强度、真空导磁率等十几种参量。设计开发人员对高频变压器的设计制作，时开关电源设计制作的头等重要任务。铁氧体受到的影响因素多、元器件选用以及电路板上元器件的布置和走线的方式等对此都有影响。对于一个产品，我们不看它的电路布置如何漂亮，而是要看各元器件布局是否合理，铁氧体磁芯的颜色、线圈的屏蔽是否合适，散热处理是否得当等等。4.2.1磁性材料的基本特性

(1)磁场强度（H）与磁感应强度（B）。磁场强度时表示磁场强弱与方向的一个物理量，用安/米（A/m）表示。磁感应强度是指磁场作用于磁性物质上的作用力的大小，用（Gs）表示。温度越高，磁感应强度越低。

(2)居里温度TC。磁芯的磁状态由铁磁性转变成顺磁性时，在μ—T曲线上，

24成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文80%μmax与20%μmax的连线跟导磁率等于1的直线的交点相对应的温度称为居里温度。温度越高，出事导磁率也越高，当超过130℃时，初始导磁率为零。

(3)初始导磁率μi。磁性材料的磁化曲线始端磁导率的极限值称为初始导磁率。(4)剩余磁感应强度Br。磁芯从饱和状态除去磁场后剩余的磁感应强度称为剩余磁感应强度。

(5)矫顽力HC。磁芯从饱和状态除去磁场后继续反向磁化，直到磁感应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力（保磁力）。

选用磁性材料时，要选用可饱和的磁性材料。这种材料具有良好的开关特性，可产生优良的振荡波形，并要求磁芯具有祭祀举行的磁滞回线。这样的磁性材料的磁滞回线可使线圈中的电流波形前后沿陡峭，能很好地传递各种波形电信号。如果磁芯的S矩形曲线在B方向上被压扁，将会严重影响变压器的振荡波形，导致开关晶体管温升加剧。

4.2.2磁芯的结构与选用

磁芯的使用一定要在一定的居里温度以内，这时选择磁芯材料首先要考虑的问题。其次还要注意磁芯的结构、脆度、硬度、稳定性、导磁率及磁感应强度。在设计时，工作频率和噪声干扰应十分注意。在强磁场力作用下，磁性材料会收缩或膨胀，很可能出现磁共振，所以把磁芯变压器装在印制电路板上时要注意切实粘结牢固，防止出现机械噪声和电磁噪声。一下是一些主要磁芯结构的说明。

(1)POT是罐形磁芯，铜线绕在磁芯内面，此贴包围线圈。它的优点是导磁感应好，传递电能佳，可大量减少EMI；它的缺点是散热效果极差，温升很高，只能用在小功率开关电源上。

(2)PM时R形磁芯，结构紧凑，体积小，但电能耦合不是很好，散热性能也不是很好。

(3)RM、X形磁芯的磁耦合能力和散热效果都很好，适合用在100W以上的大中功率电源上。其缺点是所占空间大，放置困难。

(4)EC磁芯是在开关电源上常用的一种磁芯，磁芯截面积大，散热效果好，常用在100～150W的开关电源上。其缺点是窗口面积比较小，对变压器的匝数要有。

(5)EE磁芯是一种常用磁芯，对于中小功率的变压器来说很适合。磁芯面积的大小将决定开关电源的功率。一般来说，磁芯面积越大，输出功率也越大。

4.3二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。4.3.1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。

25成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文(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。4.3.2稳压二极管

稳压二极管又叫齐纳二极管（ZenerDiod），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。

(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。

4.4电容器开关电源的寿命百分之六十是由电容器的质量决定的，所以开关电源使用的电容应寿命长，体积小，频率高，耐高温。主要有如下几种类型：

（1）陶瓷电容器：绝缘性能强，绝缘电阻很高，耐热性能好，温度系数宽，损耗角正切值tgδ与频率的关系小，电容量小等特点。

（2）薄膜电容器：分两种类型-有极性有机薄膜和非极性有机薄膜。

有极性有机薄膜电容具有电容量与体积的比值大、耐高温、耐压强度高等优点。非极性有机薄膜具有损耗角正切值tgδ小、绝缘电阻大、介质吸收系数小、负温度系数等优点。

（3）铝电解电容：在电子开关电源所用的电容器中，比较关键的是滤波用的铝电解电容器和LC、RC谐振电路中的振荡电容器，其次是EMI滤波用的电容器。它是开关电源中的重要元件，其主要性能要求如下：a.额定工作电压：直流工作电压必须高于最高交流峰值电压。对于220V的交流输入电压，电解电容的耐压值不低于400V。

b.标称静电容量及其允许偏差：滤波用电容器的容量应大一些，有利于减小直流电压的纹波。在耐压一定时，电容器的标称容量越大，价格就会越高。其静电容量的最大偏差可以为±10％左右，最好为±5％。

c.使用温度范围：开关电源的温升一般为60℃，使用温度每升高10℃，铝电解电

26成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文d.e.f.g.

容的寿命降低30%，一般我们选用使用温度范围为-25~+105℃的高温型铝电解电容。

漏电流：电解电容的漏电流偏大，会发生早期失效。耐高频脉冲电流能力：要求能承受400V以上高电压以及25-200HZ的脉冲电流。损耗角正切值tgδ：在25℃、100HZ下，tgδ≤20%（U=300~400V）。高温负荷特性：在105℃环境中，施加额定工作电压和最大允许纹波电流1000h后，铝电解电容的特性能在25℃下应符合以下要求：额定电流不大于初期规定值，tgδ不大于初期规定值的200%，静电容量的变化率在初始值的±5％以内。高温储存特性：在105℃环境中，无负荷放置500h后，在25℃温度下电容器的性能应符合高温特性。

27成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文第五章充电器设计5.1充电器相关技术指标及特点5.1.1充电要求与指标

充电器性能的好坏，主要看其指标，其寿命也随使用的合理性而定，良好的使用习惯用助于提高充电器的寿命。手机电池和手机充电器上有一些参数，许多使用者不是非常明白。简要介绍如下：手机电池：BL-5CA使用的是技术成熟的廉价电芯，电容量较小，目前一般电容量在700MAH左右；BL-5C采用技术较稳定的新型高容量电芯，电容量较大，目前一般电容量在1000MAH左右。3.7V700mAh中前者是手机电池的标称电压，即当电池放电低于该值是，手机会提示“电量不足，请充电”；后者是手机电池储存电的容量。以下为本次设计充电器的充电要求及技术指标：

供电方式：~220V50Hz充电方式：限流恒压式充电

充电器连续工作时间：不小于16小时最大输出（充电）电流：500mA空载输出电压：6V

电池充电饱和度：按上述时间充电时，电池充电饱和度应≥90%。饱和绿色灯亮时电池端电压：≥5.00V

工作状态显示：极性红色灯亮:表示电池极性与触片极性不正确，充电绿色灯闪闪发亮:表示充电器对电池充电，饱和绿色灯亮:表示电池充电容量达90%左右,同进转入涓流充电。

充电器外壳温度：不大于65℃

安全性能：符合GB4943-2001《信息技术设备的安全》标准，其抗电强度、绝缘电阻技术指标如下：充电器输入和输出之间应能承受试验电压交流3000V（有效值），判定电流1mA，经1min无击穿、飞弧现象，试验后，充电器输入和输出间的绝缘电阻在直流500V时应≥4MΩ。5.1.2充电方式

充电的方式最为关键，对锂电池充电需要专门支持锂电池充电模式的充电器，一般在充电器的包装上有标注。很多充电器兼容两种充电模式，选购时要注意是自动识别还是手动靠开关设定，如果是人工设定，则必须根据所充电池的类型正确设定。对于镍镉/镍氢电池，优秀的充电器采用带下拉负脉充的充电方式，可以在充电过程中减小极化效应。而普通廉价充电器则使用恒流充电。电池充电波形要靠示波器才能准确观察。5.1.3性能特点

在使用过程中我们也可以检验充电器的性能。在充电的后期电池有略微的温升是正常现象，但如果电池明显发烫，则说明充电器未能及时检测到电池充电已饱和，造成过充，这对电池的寿命不利。

很多充电器虽然没有过充现象，但存在充电不足的问题，直接表现为电池放电时间短，即手机待机通话时间短。在使用原装随机新电池的用户，可以比较说明书上提供的大致参照时间，加以对比，如果参考数值与实际使用明显存在差距，则有理由怀疑充电器的问题，当然也不排除电池质量、手机使用环境

28成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文等其他因素。

5.25.2.1电路原理图设计

充电器电路设计与原理分析设计一个电路，往往要先分析起电路特点、用途、了解其详细参数特性以及各个元器件作用等等开始，再根据设计要求通过相关软件对其进行设计。包括电路原理图绘制，印制电路板设计以及电路仿真等。本次设计电路原理图如图5-1所示：

图5-1手机充电器用电源变换器电路图5.2.3原理分析

分析一个电源，往往从输入开始着手。220V交流输入，一端经过一个4007半波整流，另一端经过一个10欧的电阻后，由10uF电容滤波。这个10欧的电阻用来做保护的，如果后面出现故障等导致过流，那么这个电阻将被烧断，从而避免引起更大的故障。右边的4007、4700pF电容、82KΩ电阻，构成一个高压吸收电路，当开关管13003关断时，负责吸收线圈上的感应电压，从而防止高压加到开关管13003上而导致击穿。13003为开关管(完整的名应该是MJE13003)，耐压400V，集电极最大电流1.5A，最大集电极功耗为14W，用来控制原边绕组与电源之间的通、断。当原边绕组不停的通断时，就会在开关变压器中形成变化的磁场，从而在次级绕组中产生感应电压。

29成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文从电路的结构来看，可以推测出来，这个电源应该是反激式的。左端的510KΩ为启动电阻，给开关管提供启动用的基极电流。13003下方的10Ω电阻为电流取样电阻，电流经取样后变成电压(其值为10*I)，这电压经二极管4148后，加至三极管C945的基极上。当取样电压大约大于1.4V，即开关管电流大于0.14A时，三极管C945导通，从而将开关管13003的基极电压拉低，从而集电极电流减小，这样就了开关的电流，防止电流过大而烧毁(其实这是一个恒流结构，将开关管的最大电流在140mA左右)。变压器左下方的绕组(取样绕组)的感应电压经整流二极管4148整流，22uF电容滤波后形成取样电压。为了分析方便，我们取三极管C945发射极一端为地。那么这取样电压就是负的(-4V左右)，并且输出电压越高时，采样电压越负。取样电压经过6.2V稳压二极管后，加至开关管13003的基极。前面说了，当输出电压越高时，那么取样电压就越负，当负到一定程度后，6.2V稳压二极管被击穿，从而将开关13003的基极电位拉低，这将导致开关管断开或者推迟开关的导通，从而控制了能量输入到变压器中，也就控制了输出电压的升高，实现了稳压输出的功能。而下方的1KΩ电阻跟串联的2700pF电容，则是正反馈支路，从取样绕组中取出感应电压，加到开关管的基极上，以维持振荡。右边的次级绕组就没有太多好说的,RF93整流，220uF电容滤波后输出6V的电压。没找到二极管RF93的资料，估计是一个快速回复管，例如肖特基二极管等，因为开关电源的工作频率较高，所以需要工作频率的二极管。这里可以用常见的1N5816、1N5817等肖特基二极管代替。同样因为频率高的原因，变压器也必须使用高频开关变压器，铁心一般为高频铁氧体磁芯，具有高的电阻率，以减小涡流。

30成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文5.2.4材料清单

材料清单如表4-2所示：

表4-2手机充电器用电源变换器元件清单手机充电器用电源变换器元件清单

序号123456710111213141516

电容高频变压器极性电容电阻稳压二极管三极管开关管二极管名称

型号1N40071N41481N58171N4735(6.2V)2SC945MJE1300310Ω1K82K510K10uf22uf220uf4700pf2700pfE6

数量2211112111111111

31成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文结语本论文通过对手机充电器用电源变换器的开关电源电路设计，主要完成的内容如下：

1.开关电源的概念、分类、未来发展趋势等的分析；

2.开关电源元器件的选用（二极管、开关管、电容器、磁芯材料等）；3．开关电源设计基础（包括开关电源的控制方式、各类拓扑结构的分析等）；4．开关电源主电路的设计（电路原理图设计、原理分析）。

电能变换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。随着科学的发展，电能变换技术又与现代理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关，其综合性相当强烈。开关电源替代传统的铁芯变压器电源，是时代的进步、科学的发展。要求所有的电子设备体积小、重量轻、节省电能是众望所求，而开关电源在很多方面都具有优势，因此，开关电源必将会有更加长远的发展。

通过本次毕业设计，对开关电源这一技术有了更深刻的了解，能基本完成小型开关电源的设计，并实现其功能。更者，是对大学三年的学习综合能力的体现。科技的进步速度不断提高，作为21世纪的新青年，我们不仅要为自己的将来奋斗，更要跟上时代的步伐，争取能在日新月异的新时代留下我们新一代铿锵有力的脚印。无限期待……

32成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业设计论文致谢在论文完成之际，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张霆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张霆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，我对尊敬的导师张霆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。

33参考文献[1]赵同贺.开关电源设计技术与应用实例.北京：人民邮电出版社，2007.3[2]周志敏，周纪海等.开关电源实用技术—设计与应用.北京：人民邮电出版社，2003.8

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[4]杨素行.模拟电子技术基础简明教程.北京：高等教育出版社，2006.5[5]汪明添.电子元器件.北京：北京航空航天大学出版社，2008.7

[6]朱定华，黄松，蔡苗等.Protel99SE原理图和印制板设计.北京：清华大学出版社，2007.4

[7]杨旭，裴云庆等.开关电源技术.北京：机械工业出版社，2004.1

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