原创 【博客大赛】说说PWM控制DC-DC开关电源的那些事儿之三_方案论证及系统设计（1）

3.1.2方案论证

1. 方案一

在正激式电路拓扑中，即本方案一中的Buck变换器中。输出电压的纹波峰峰值比升压式变换器低，同时可以输出比较高的功率，正激式变换器可以提供数千瓦的功率。另外Buck变换器的输出电压必须低于输如电压。

2 .方案二

 反激式电路拓扑，由于具有使用原器件少、本身固有效率比较高的特点，在功率低于100～150W的场合非常受欢迎。但是，反激式电路的电流峰值比正激式电路高很多，因此在相当底的输出电压下，也可能超出开关管的SOA。

3. 方案三

在150～500W范围内，半桥电路比较常用。它使用的元器件比较多，但还是可以接受的。半桥电路输入电压只有一半加在变压器一次恻，这导致电流峰值增加。因此半桥电路只在500W或更低输出功率场合下使用。

每种拓扑都有自己的优缺点，有的拓扑可能成本比较底，但输出的功率受到限制；而有的可以输出足够的功率，但成本比较高等。在一种应用场合下，有好几种拓扑可以工作，但只有一种是在要求的成本范围内性能最好的。表3-1是各种各样拓扑及其相应的优点。

第4章  系统设计

在本文中，是设计一个65W通用交流输入多路输出反激式变压器的PWM开关电源。这种开关电源可用于AV85～240V输入的电子产品中。这种特殊的开关电源可以提供25～150W的输出功率，可以用在办公室小型分组交换机（PBX）等产品中。

4.1技术指标

输入电压范围： AC90～240V，50/60Hz。

输出：         DC+5V，额定电流1A，最小电流750mA

                   DC+12V，额定电流1A， 最小电流100mA

                   DC－12V，额定电流1A，最小电流100mA

                   DC+24V，额定电流1A，最小电流0.25A

    输出电压纹波： +5V，+12V：最大100mV（峰峰值）

                   +24V：最大250mV（峰峰值）

    输出精度：     +5V，±12V：最大±5%

                   +24V：最大±10%

    低电压输入限制：该电源产品允许最低输入电压为AC85（1±5%）V

微处理器掉电信号：该电源系统在+5V输出端电压低于4.6（1±5%）V时，提供一个集电极输出开路的信号。

4.2输入整流器/滤波器部分的设计

输入整流器/滤波器电路在开关电源中不被人重视。典型的输入整流器/滤波器电流由三到四个部分组成：EMI滤波器、浪涌抑制器、整流级（离线应用场合）和输入滤波电容。许多交流输入离线式电源要求有功率因数校正（PFC）。其电路图如图4－2。

4.2.1 EMI滤波器

随着电子设计、 计算机与家用电器的大量涌现和广泛普及，电网噪声干扰日益严重并形成一种公害。特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高（几百伏至几千伏）、随机性强，对微机和数字电路易产生严重干扰，常使人防不胜防，这已引起国内外电子界的高度重视。

电磁干扰滤波器（EMI Filter）是近年来被推广应用的一种新型组合器件。它能有效地抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性，可广泛用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统等领域。

输入滤波的前级是EMI滤波器。这个电感流过的是相对较大的直流电流，并且要防止高频开关噪声进入输入电源端。在交流离线应用场合，经常用共模扼流圈，在本设计中，EMI滤波器选用二阶共模滤波器。EMI滤波器的主要作用是滤除开关噪声和由输入线引起的谐波。

1 基本电路及其典型应用

该五端器件有两个输入端、两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。电路中包括共模扼流圈（亦称共模电感）L、滤波电容C1～C4。L对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上，当有电流通过时，两个线圈上的磁场就会互相加强。L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关。需要指出，当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。此外，适当增加电感量， 可改善低频衰减特性。C1和C2采用薄膜电容器，容量范围大致是0.01μF～0.47μF,主要用来滤除串模干扰。C3和C4跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效地抑制共模干扰。C3和C4亦可并联在输入端，仍选用陶瓷电容，容量范围是2200pF～0.1μF。为减小漏电流，电容量不得超过0.1μF，并且电容器中点应与大地接通。C1～C4的耐压值均为630VDC或250VAC。

还有EMI滤波器要尽可能靠近电源里的供电线输入端。如果滤波器前的线太长，从外面引入的传导EMI会干扰开关电源的工作。相反，开关电源里面的长导线也会产生RFI（射频干扰），并向外发射，这样无法通过电源EMI检测。

4.2.2 浪涌抑制部分

浪涌抑制部分要放在EMI滤波电感后，但在整流（离线式）和输入滤波电容（直流输入）前。所有浪涌抑制器都要用EMI滤波电感和串连阻抗来防止超过它们额定的瞬时能量。EMI电感极大地减少了瞬时电压峰值，并在时间上把它延长，这样提高了抑制器的工作寿命。但是，不同的浪涌抑制器技术所串连的内部电阻特性也不一样。

浪涌电压抑制器件基本上可以分为两大类。第一种类为橇棒（Crowbar）器件，另一类为箝位保护器，即保护器件在击穿后，其两端电压维持在击穿电压上不再上升，以箝位的方式起到保护作用。常用的箝位保护器是氧化锌压敏电阻ＭＯＶ，瞬态电压抑制器（ＴＶＳ）等。在本文中，选择的是金属氧化物变阻器（MOV），发生浪涌时，抑制器的电阻会影响到加在它上面的额外电压。 
4.2.3单相桥式整流电路和电容滤波电路

1.单相桥式整流电路

单相桥式式整流电路适用与1KW以下的整流电路中。完成这一电路主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。

(a) 工作原理 

    单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，因为是由四只整流二极管D1～D4接成电桥的形式，所以称为桥式整流电路。如图1（a）所示。

为了更清楚的解释其工作原理，我将桥式整流电路的输出直接接一个负载。在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图1（a）的电路图可知：

2电容滤波电路 

滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。经过滤波电路后，既可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。

 (a) 电容滤波电路结构 

现结合单相桥式整流和电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图2所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。

(b) 滤波原理 

若V2处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压V2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦波。

当v2到达wt=p/2时，开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载ＲL放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过wt=p/2时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过wt=p/2时二极管仍然导通。在超过wt=p/2后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以在t2到t3时刻，二极管导电，Ｃ充电，Vi=Vo按正弦规律变化；t1到t2时刻二极管关断，Vi=Vo按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见图3。 

(c) 外特性 

整流滤波电路中，输出直流电压VO随负载电流IO的变化关系曲线如图4所示。 

(d) 电容滤波电路参数的计算 

负载平均电压VL升高，纹波减少，且RLC越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取：