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1开关电源概述
1.1开关电源的特点
近年来开关电源已逐渐在各电子领域得到应用，实践证明它比性线电源有更多的优越性。
（1）节约能源国开关电源的调整晶体管工作在开关状态，因此开关晶体管的功率损耗很小，效率可以大大提高。其效率通常在70%~95%之间。
（2）节省原材料国开关电源常采用电网交流电直接整流，淘汰了体积较大的工频变压器，因而节省了大量的钢材和铜材。同时也减小了体积和重量。
（3）稳压范围宽国开关电源根据应用要求，可以做到在输入85~265V范围内输出电压稳定，且始终保持电路的高效率。
（4）可靠安全国在开关电源电路中，根据要求可以加入各种保护电路，如过流、过压、短路等保护，使电路运行特别可靠。
（5）滤波电容容量小国由于开关源的频率高，滤波电容的容量可以大大减小。
然而，任何事物都是一分为二的，开关电源亦有下列不足之处，必须采取相应措施加以克服。
（1）由于电路工作于开关脉冲状态，其频率又比较高，因而给供电线路及使用负载都会带来高频干扰，如传导干扰和幅射干扰。必须针对这些干扰，在电路中采取有效措施，抑制干扰，达到规定要求。
（2）开关电源比线性电源所用的元器件增加很多，因而可靠性设计尤为重要。必须从电路设计、元器件选用、元器件选购、元器件老化、筛选，整体电源老化等诸方面加以保证，才能充分保证开关电源的可靠性寿命。
1.2开关电源的分类
开关电源按不同方式分类如下。
（1）按储能电感在电路中所处的位置分为串联型、并联型、脉冲变压器耦合并联型。
（2）按开关电路形式分为国单端式、推挽式、半桥式、全桥式。
（3）按开关器件的启动方式分为国他激式、自激式。
（4）按开关变压器的激励方式分为国正激式、反激式。
（5）按稳压控制形式分为国脉宽调制式、频率调制式、调频调宽混合式。
（6）按用作开关的器件类型分为国晶体管型、场效应管型、晶闸管型、集成电路型。
（7）按输出输入之间的联系方式分为国隔离式、非隔离式。
上述诸形式的开关电源，并联、单端、反激、隔离式开关电源应用得最广泛。
1.3开关电源的主要技术要求
开关电源的使用对象很多，因而对其亦有诸多不同要求，下面列出开关电源的主要技术要求。
1.3.1输入方面
（1）额定输入电压、频率及输入电压变化范围国对于220V/50Hz电源，一般考虑输入电压变化范围为175~265V。对于兼容交流110V和220V两种电压的电源，输入电压的变化范围可考虑为交流85~265V。其它输入形式，如直流电源或非电网交流电源由用户给定。
（2）对干扰输入电网的要求国执行国家及国际有关电磁兼容标准。一般来说，开关功率越大干扰也越大，越需要加强抑制干扰，减小对电网的污染，直至符合有关标准。
（3）效率国开关电源额定负载时输出功率与输入功率比之百分数，一般在75%~95豫。因开关管及开关变压器的损耗很小，因而功率越大，效率越高，这是开关电源自身特点所决定的。对于小功率开关电源，此项指标可不作要求。
1.3.2输出方面
（1）额定输出电压及输出电压精度国输出电压精度可用绝对值范围或用额定电压的依%数表
示。输出电压精度指输入电压在规定范围内变化，负载在规定范围内变化，其输出电压均应在精度范围内。
（2）额定输出电流、最大输出电流、最小输出电流国额定输出电流系指长期负荷电流，此项指标确定各元器件功耗；最大输出电流一般为瞬时作用，此项指标确定各元器件的耐冲击能力；最小输出电流应根据实际负载运行情况确定，可分为空载、额定负载的30%、50豫、70豫等不同情况。
（3）输出波纹国一般在额定负载状态下测试，因为负载越重波纹越大，用波纹有效值或峰峰值表示。表达方式为波纹的绝对值或额定输出电压的百分数两种。对波纹的要求应视负载的实际需要而定，波纹要求越高，电路成本就越大，而且增加稳压调整电路的功率损耗。
1.3.3绝缘要求
隔离式开关电源应执行国家标准GB8898《电网电源供电的家用和类似一般用途的电子及有关设备的安全要求》，从结构设计、印刷板编排、隔离元器件选择、开关变压器的设计等诸方面进行保证。
1.3.4其他要求
（1）各种保护功能；
（2）环境要求；
（3）结构要求；
（4）使用对象的各种特殊要求。
2开关电源主电路的计算
2.1串联降压式开关电源
串联降压式开关电源是非隔离式电源，如果需要与输入电网隔离，则必须在输入端加隔离变压器，即工频变压器。串联降压式开关电源虽然不能甩掉工频变压器，但比线性稳压电源损耗小，节省能源，特别是在输入电压波动范围较大的情况下很适用。
串联降压式开关电源应用于50W以下的各种单端稳压电源。串联降压式开关电源主电路如图1所示。
图中：V1开关管的输入电压；
Q为开关三极管；
D为续流二极管；
L为储能、滤波电感；
C为滤波电容器；
Vo为输出稳定电压；
Io为负载电流。
设三极管Q的开关频率为f，周期为T，导通时间为Ton，截止时间为Toff，脉冲占空比为D，则有
T=1/f，T=Ton+Toff,D=Ton/T
2.1.1输出电压与输入电压的关系
Vo=V1(Ton/T)=V1D（2）
（1）输出电压小于输入电压；
（2）输出电压仅与占空比有关而与频率无关；
（3）当V1最大时，D最小；当V1最小时，D最大。
2.1.2开关三极管参数的确定
ICEM>Io+(V1-Vo/2L)Ton（3）
式中：V1、Ton均为V1最大时的值。
VCEM>1.5V1max
2.1.3续流二极管的确定
续流二极管应选用恢复特性好的高频二极管。最大正面电流与ICEM相同，最大反面电压与VCEM相同。
2.1.4电感L参数的确定
电感量L≥（V1-V0）Ton/2(ILmax-I0)（4）
式中：（ILmax-Io）有两种设定方法，即
（1）令（ILmax-Io）=Iomin；
（2）令（ILmax-Io）=（5～15）%Io。
Ton、V1均为V1最大时的值。电感通过的电流有效值以平均值Io近似计算。
2.1.5输出纹波峰-峰值△Vo与C的计算
△Vo=VoTToff/VOT2/8L△Vo(1-D)
C=V0TToff/8L△Vo=VOT2/8L△Vo(1-D) （5）
式中：Toff、D均为V1最小时的值。
输出纹波的因素较多，除理论概算外，主要靠实验确定，即通过选择C的品质及容量，保证电路实测纹波符合技术要求。
2.2单端正激式开关电源
单端正激式开关电源亦称为单端正向变换器，原边-副边能量的传递是在开关管导通时间进行。其特点是输出电压不受负载变化的影响，而且纹波很小。单端正激式开关电源原边电感需要设计得很大，匝数较多，因此不适用副边输出电压较高的场合。单端正激式开关电源适用于50~200W的功率输出。单端正激式开关电源的主电路如图2所示。
图中：V1为输入直流电压； V2为副边正激电压；
Vo为输出稳定电压；
N1为原边线圈匝数；
N2为副边线圈匝数；
N3为复位或嵌位线圈匝数；
Q为开关三极管；
D1为输出整流二极管；
D2为续流二极管；
D3为箝位二极管；
C为滤波电容器；
L为储能滤波电感。
电路的计算原则：V1→V2正向变换，V2→Vo按串联降压式开关电源式的计算方式。
（1）开关管工作频率一般选择在100～200kHz；
（2）开关脉冲的占空比D必须小于0.5，一般选择在0.4～0.45；
（3）输入电压与输出电压的关系为
Vo+△Vo=V2D，V2=V1（N2/N1）（6）
式中：△Vo包括D1压降（约0.5V）及L直流电阻压降（约0.2V），当Vo较大时，可忽略不计。
当N2/N1确定时，V1变化，可以通过改变D，保持Vo不变。
（4）原边与副边线圈匝比的计算步骤，因为N2/N1=Vo+△Vo/V1D，而且V1D为常数，所以取V1最小，、Dmax或V1最大、Dmin均可。
（5）初级线圈匝数N1，初级峰值电流I1p，初级电感L1的计算，可按下列步骤进行。首先I1p与L1的关系有
I1p=P2/V1Dη+V1Ton/L1
（7）式中：P2/V1Dη为传输给副边的功率P2所需，P2、V1、D、η均为确定值，η为变压器效率。
V1Ton/L1为激励L储能所需，V1Ton为确定值。为了尽量减少这种不必要的储能，L1应尽量设计得大些。再由于N1与I1p、L1的关系有
N1≥I1PL1/SBm
（8）这是为了保证磁芯工作不饱和所需，其中S为磁芯截面积（m2），Bm为磁芯的饱和磁通密度（T），1T=104GS，该参数由手册可查得，由式（8）可知，当I1pL1增大，相应N1亦增大，而N1的增大受到磁芯骨架线包空间的限制。
采用假设、试算的方法求取N1，L1，I1p，即设V1Ton/L1=30%I1p，求得I1p和L1再求N1。
计算出N2、N3、I1r、I2r、I3r，核算磁芯骨架空间能否容纳。
如果磁芯骨架仍然相当空，则再设V1Ton/L1=10%I1p，直到试算合适为止。
如果已经容纳不下，则增加V1Ton/L1对I1p的百分比，直到合适为止。最后求出L1和N1，计算AL=L1/N12值。
如果AL大于磁芯无间隙时的AL值，则必须减小L1，保持N1不变，使L1=ALN12（式中AL为磁芯无间隙时的值）。
如果AL小于磁芯无间隙时AL值，则必须磨气隙来保证L1值，亦可通过磁芯的“气隙与AL曲线”求得气隙的理论值。计算完成后进行实际绕制，验证设计的N1、L1值，以及N1、N2、N3的可容性。计算原边有效值电流I1r，即 
V1及Ton取V1最小时的值。再确定开关三极管Q的参数，即ICEM>1.5I1p；VCEM>2V1max。
确定箝位二极管D3的参数，即IM>I3p（即V1TonL1）；
V反>2V1max确定整流二极管D1的参数，即IM>I2p（即1.1Io）；V反>1.5V1maxN2N1L、C、△Vo的计算方法与串联降压式开关电源相同。
2.3自激单端反激式开关电源
由于自激单端反激式开关电源的开关管兼作自激振荡管用，所以电路简单，在50W以下的交流输入隔离式开关电源中得到广泛应用。该形式开关电源亦称为振铃扼流变换器，简称RCC电路、调频调宽混合电路。开关频率随输入电压的增高而变高，开关频率与负载大小成反比。脉冲占空比随输入电压的增高变小，但不受负载变化的影响。
RCC的主电路如图3所示。
图中：V1为直流输入电压；
V2为原边反激电压；
V3为直流正反馈电压；
T为开关变压器；
N1为原边线圈匝数；
N2为副边线圈匝数；
N3为正反馈线圈匝数；
R1为起动电阻；
R2为限流电阻；
D为整流二极管；
C为滤波电容器；
Q为开关三极管。
RCC电路在实际应用中要复杂得多，需要增加整流滤波电路、消噪电路、反馈调控电路、保护电路、抗干扰电路等。开关电源的设计，主要是确定电路程式，选择电路中各元器件的规格型号，设计开关变压器，编排印刷电路板等。 下列提供的一系列计算方案与公式均是理论与实践相结合的产物，是RCC电路设计计算的基础。
2.3.1确定最低输入电压时的脉冲最低频率及最大占空比RCC电路在输入电压最低时，脉冲频率最低，脉冲占空比最大。一般情况，最低频率选择在25~30kHz，最大占空比选择在0.4~0.5。设频率为f，周期为T，开关管导通时间为Ton，关闭时间为Toff，占空比为D，则有T=1/f，T=Ton+Toff ,D=Ton/T
2.3.2计算原边峰值电流I1p
式中：P2开关变压器副边消耗的总功率（W），包括额定输出整流管调整管损耗、线损等；
η开关变压器的效率，一般在85~95%，变压器输出功率越小，η越低；
V1输入整流滤波后的直流电压（V）；
T开关周期（秒）；
Ton开管管导通时间（秒）。
当V1最小时，I1p最大，因此有
 （15）
2.3.3计算初级线圈N1的电感量L1
式中：L1为初级电感量（H）；
I1p（A）、V1（V）、Ton（秒）均为V1最小时的参数；
S磁芯的截面积（m2）；
Bm磁芯的饱和磁通密度（T）。
2.3.5计算副边线圈匝数N2 
其中V2=Vo+△V，驻V包括线阻压降、整流管及调整管压降等，V1、Ton、Toff、D均为V1最小时的参数。当匝数比N1/N2已确定时，可计算出D。
2.3.6计算反馈线圈匝数N3
N3的计算原则是保证最小的V≥5.5V，最大的V3≤20V。
按5.5V计算得N3=N1（5.5/V1min）。
核算V3max=V1max（N3/N1）是否在20V以内。
2.3.7核算开关脉冲的占空比与频率
反过来，在开关变压器参数L1、N1、N2已确定的情况下，用式（18）和式（20）来核算D、f是否与设计值基本相符，改变N1、N2只影响D，改变L1影响f。得到确定的D、f值后可以计算I1p等的实际值。
2.3.8计算通过线圈的电流有效值
（1）初级线圈N1的有效电流值I1r，因为： 
（3）反馈线圈N3的有效电流值I3r因为N3上电压在V1最大时最大，所以N3的最大电流I3p为
其中D为V1最大时的占空比，需要计算出。
2.3.9确定R1V1最小时，R1能提供约1mA的启动电流，即 R1耐压≥1.2V1max，耐压不够，可多只串联使用。
2.3.10确定R2
式中：I1p为原边峰值电流（A），V1最小时；ρ为开关管Q的电流放大倍数。R2的功耗逸I3r2R2。
2.3.11开关管Q的选择
（1）最大电流为I1p的2倍以上（V1最小时）；
（2）最大电压为V1max的2倍以上。
除以上条件外还必须选择开关速度快，饱和压降小，二次击穿耐量大的功率开关管。
2.3.12整流二极管D的选择
除以上条件外，还需选择高频特性好、快恢复，低损耗的二极管。
2.3.13滤电容器C的选择
根据输出纹波要求进行理论概算，并进行电路试验，调整参数，保证输出纹波符合技术要求。在开关电源中，作为输出滤波的电解电容器，其上的锯齿波电压频率很高，其阻抗很小，所以电容器的容量并不是主要指标，而电容器的阻抗等效电阻，等效电感等则是衡量其质量优劣的主要参数。特别是为了确保在高频大电流条件下可靠工作，电容器必须有低的等效阻抗和良好的阻抗-频率特性。因此开关电源的滤波电容器最好选用高频电介电容器。〔未完待续〕
作者简介
张铜庆（1940-），男，1967 年7 月毕业于清华大学无线电电子学系，无线电技术专业，学制6 年。1988 年12 月经江苏省电子工程高级职务评审委员会评审确认为高级工程师。1967~1993 年主要从事电子整机技术，有4 篇论文在“电声技术”杂志上发表过，1993年参加电子工业部电声研究所主办的全国音响制作大奖赛获社会组亚军，得到美国国家半导体公司的奖励。1994至目前，在无锡市凯达电讯电器有限公司从事开关电源及变压器技术工作十多年。
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