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【学习目标】：
完成本课题的学习后，能够：
1．掌握开关电源主要器件（大功率晶体管GTR、功率场效应晶体管MOSFET）的工作原理和特性。
2．掌握DC/DC变换电路的基本概念和工作原理。
3．熟悉PC主机开关电源典型故障现象及检修方法
【课题描述】：开关电源是一种高效率、高可靠性、小型化、轻型化的稳压电源，是电子设备的主流电源。广泛应用于生活、生产、军事等各个领域。各种计算机设备、彩色电视机等家用电器等都大量采用了开关电源。图4-1是常见的PC主机开关电源。
图4-1& PC主机开关电源
PC主机开关电源的基本作用就是将交流电网的电能转换为适合各个配件使用的低压直流电供给整机使用。一般有四路输出，分别是+5V、-5V、+12V、-12V。
图4－2为PC主机开关电源电路原理图。
电路的原理框图如图4-3所示，输入电压为AC220v，50Hz的交流电，经过滤波，再由整流桥整流后变为300V左右的高压直流电，然后通过功率开关管的导通与截止将直流电压变成连续的脉冲，再经变压器隔离降压及输出滤波后变为低压的直流电。开关管的导通与截止由PWM（脉冲宽度调制）控制电路发出的驱动信号控制。
PWM驱动电路在提供开关管驱动信号的同时，还要实现输出电压稳定的调节、对电源负载提供保护。为此设有检测放大电路、过电流保护及过电压保护等环节。通过自动调节开关管导通时间的比例（占空比）来实现。
由高压直流到低压多路直流的电路称DC/DC变换，是开关电源的核心技术。
图4-3 开关电源的原理框图
本课题通过对开关管、DC/DC变换电路的分析使学生能够理解开关电源的工作原理，进而掌握开关器件和DC/DC变换电路的原理及其在其它方面的应用。
稳压电路&　
【相关知识点】：
一、开关器件
开关器件有许多，经常使用的是场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT，在小功率开关电源上也使用大功率晶体管GTR，本实例中使用的是GTR。本课题中介绍GTR和MOSFET两种开关器件，IGBT在课题六中介绍。
1．大功率晶体管GTR
(1)大功率晶体管的结构和工作原理
1）基本结构
通常把集电极最大允许耗散功率在1W以上，或最大集电极电流在1A以上的三极管称为大功率晶体管，其结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。由三层半导体、两个PN结组成，有PNP和NPN两种结构，其电流由两种载流子（电子和空穴）的运动形成，所以称为双极型晶体管。
图4-4（a）是NPN型功率晶体管的内部结构，电气图形符号如图（b）所示。大多数GTR是用三重扩散法制成的，或者是在集电极高掺杂的N+硅衬底上用外延生长法生长一层N漂移层，然后在上面扩散P基区，接着扩散掺杂的N+发射区。
图4-4 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子流动
(a)GTR的结构& (b）电气图形符号& (c）内部载流子的流动
大功率晶体管通常采用共发射极接法，图4-4（c)给出了共发射极接法时的功率晶体管内部主要载流子流动示意图。图中，1为从基极注入的越过正向偏置发射结的空穴，2为与电子复合的空穴，3为因热骚动产生的载流子构成的集电结漏电流，4为越过集电极电流的电子，5为发射极电子流在基极中因复合而失去的电子。
一些常见大功率晶体三极管的外形如图4-5所示。从图可见，大功率晶体三极管的外形除体积比较大外，其外壳上都有安装孔或安装螺钉，便于将三极管安装在外加的散热器上。因为对大功率三极管来讲，单靠外壳散热是远远不够的。例如，50W的硅低频大功率晶体三极管，如果不加散热器工作，其最大允许耗散功率仅为2—3W。
图4-5& 常见大功率三极管外形
2）工作原理
在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。晶体管通常连接称共发射极电路，NPN型GTR通常工作在正偏（Ib&0）时大电流导通；反偏（Ib&0）时处于截止高电压状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关工作状态。
(2)GTR的特性与主要参数
1）GTR的基本特性
①静态特性
共发射极接法时，GTR的典型输出特性如图4-6，可分为3个工作区：
截止区。在截止区内，Ib≤0，Ube≤0，Ubc＜0，集电极只有漏电流流过。
放大区。Ib＞0，Ube＞0，Ubc＜0，Ic =βIb。
饱和区。 ，Ube＞0，Ubc＞0。Ics是集电极饱和电流，其值由外电路决定。两个PN结都为正向偏置是饱和的特征。饱和时集电极、发射极间的管压降Uces很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临界饱和，如Ib继续增加，则为过饱和。用作开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低Uces和减小导通时的损耗。
图4-6& GTR共发射极接法的输出特性
②动态特性
动态特性描述GTR开关过程的瞬态性能，又称开关特性。GTR在实际应用中，通常工作在频繁开关状态。为正确、有效地使用GTR，应了解其开关特性。图4-7表明了GTR开关特性的基极、集电极电流波形。
整个工作过程分为开通过程、导通状态、关断过程、阻断状态4个不同的阶段。图中开通时间ton对应着GTR由截止到饱和的开通过程，关断时间toff对应着GTR饱和到截止的关断过程。
GTR的开通过程是从t0时刻起注入基极驱动电流，这时并不能立刻产生集电极电流，过一小段时间后，集电极电流开始上升，逐渐增至饱和电流值Ics。把ic达到10%Ics的时刻定为t1，达到90%Ics的时刻定为t2，则把t0到t1这段时间称为延迟时间，以td表示，把t1到t2这段时间称为上升时间，以tr表示。
要关断GTR，通常给基极加一个负的电流脉冲。但集电极电流并不能立即减小，而要经过一段时间才能开始减小，再逐渐降为零。把ib降为稳态值Ib1的90%的时刻定为t3，ic下降到90% Ics的时刻定为t4，下降到10%Ics的时刻定为t5，则把t3到t4这段时间称为储存时间，以ts表示，把t4到t5这段时间称为下降时间，以tf表示。
延迟时间td和上升时间tr之和是GTR从关断到导通所需要的时间，称为开通时间，以ton表示，则ton= td+ tr&
储存时间ts和下降时间tf之和是GTR从导通到关断所需要的时间，称为关断时间，以toff表示，则toff= ts+ tf
GTR在关断时漏电流很小，导通时饱和压降很小。因此，GTR在导通和关断状态下损耗都很小，但在关断和导通的转换过程中，电流和电压都较大，随意开关过程中损耗也较大。当开关频率较高时，开关损耗是总损耗的主要部分。因此，缩短开通和关断时间对降低损耗，提高效率和运行可靠性很有意义。
图4-7& 开关过程中ib和ic的波形
2）GTR的参数
这里主要讲述GTR的极限参数，即最高工作电压、最大工作电流、最大耗散功率和最高工作结温等。
①最高工作电压
GTR上所施加的电压超过规定值时，就会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。
BUcbo：发射极开路时，集电极和基极间的反向击穿电压。
BUceo：基极开路时，集电极和发射极之间的击穿电压。
BUcer：实际电路中，GTR的发射极和基极之间常接有电阻R，这时用BUcer表示集电极和发射极之间的击穿电压。
BUces：当R为0，即发射极和基极短路，用BUces表示其击穿电压。
BUcex：发射结反向偏置时，集电极和发射极之间的击穿电压。
其中BUcbo&BUcex&BUces&BUcer&BUceo，实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。
②集电极最大允许电流IcM
GTR流过的电流过大，会使GTR参数劣化，性能将变得不稳定，尤其是发射极的集边效应可能导致GTR损坏。因此，必须规定集电极最大允许电流值。通常规定共发射极电流放大系数下降到规定值的1/2～1/3时，所对应的电流Ic为集电极最大允许电流，以IcM表示。实际使用时还要留有较大的安全余量，一般只能用到IcM值的一半或稍多些。
③集电极最大耗散功率PcM
集电极最大耗散功率是在最高工作温度下允许的耗散功率，用PcM表示。它是GTR容量的重要标志。晶体管功耗的大小主要由集电极工作电压和工作电流的乘积来决定，它将转化为热能使晶体管升温，晶体管会因温度过高而损坏。实际使用时，集电极允许耗散功率和散热条件与工作环境温度有关。所以在使用中应特别注意值IC不能过大，散热条件要好。
④最高工作结温TJM
GTR正常工作允许的最高结温，以TJM表示。GTR结温过高时，会导致热击穿而烧坏。
(3)GTR的二次击穿和安全工作区
1）二次击穿问题
实践表明，GTR即使工作在最大耗散功率范围内，仍有可能突然损坏，其原因一般是由二次击穿引起的，二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一各重要因素。
二次击穿是由于集电极电压升高到一定值（未达到极限值）时，发生雪崩效应造成的。照理，只要功耗不超过极限，管子是可以承受的，但是在实际使用中，出现负阻效应，Ie进一步剧增。由于管子结面的缺陷、结构参数的不均匀，使局部电流密度剧增，形成恶性循环，使管子损坏。
二次击穿的持续时间在纳秒到微秒之间完成，由于管子的材料、工艺等因素的分散性，二次击穿难以计算和预测。防止二次击穿的办法是：①应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。②必须有电压电流缓冲保护措施。
2）安全工作区
以直流极限参数IcM、PcM、UceM构成的工作区为一次击穿工作区，如图4－8所示。以USB（二次击穿电压）与ISB（二次击穿电流）组成的PSB（二次击穿功率）如图中虚线所示，它是一个不等功率曲线。以3DD8E晶体管测试数据为例，其PcM=100W，BUceo≥200V，但由于受到击穿的限制，当Uce=100V时，PSB为60W，Uce=200V时PSB仅为28W！所以，为了防止二次击穿，要选用足够大功率的管子，实际使用的最高电压通常比管子的极限电压低很多。
安全工作区是在一定的温度条件下得出的，例如环境温度25℃或壳温75℃等，使用时若超过上述指定温度值，允许功耗和二次击穿耐量都必须降额。
4-8& GTR安全工作区
(4) GTR的驱动与保护
1）GTR基极驱动电路
①对基极驱动电路的要求
由于GTR主电路电压较高，控制电路电压较低，所以应实现主电路与控制电路间的电隔离。
在使GTR导通时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定幅度的强制电流，以加速开通过程，减小开通损耗，如图4-9所示。
4-9 &GTR基极驱动电流波形
GTR导通期间，在任何负载下，基极电流都应使GTR处在临界饱和状态，这样既可降低导通饱和压降，又可缩短关断时间。
在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流（如图4-9波形所示），以加快关断速度，减小关段损耗。
应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。
②基极驱动电路
图4-10是一个简单实用的GTR驱动电路。该电路采用正、负双电源供电。当输入信号为高电平时，三极管V1、V2和V3导通，而V4截止，这时V5就导通。二极管VD3可以保证GTR导通时工作在临界饱和状态。流过二极管VD3的电流随GTR的临界饱和程度而改变，自动调节基极电流。当输入低电平时，V1、V2、V3截止，而V4导通，这就给GTR的基极一个负电流，使GTR截止。在V4导通期间，GTR的基极-发射极一直处于负偏置状态，这就避免了反向电流的通过，从而防止同一桥臂另一个GTR导通产生过电流。
4-10& 实用的GTR驱动电路
③集成化驱动
集成化驱动电路克服了一般电路元件多、电路复杂、稳定性差和使用不便的缺点，还增加了保护功能。如法国THOMSON公司为GTR专门设计的基极驱动芯片UAA4002。采用此芯片可以简化基极驱动电路，提高基极驱动电路的集成度、可靠性、快速性。它把对GTR的完整保护和最优驱动结合起来，使GTR运行于自身可保护的准饱和最佳状态。
2）GTR的保护电路
为了使GTR在厂家规定的安全工作区内可靠的工作，必须对其采用必要的保护措施。而对GTR的保护相对来说比较复杂，因为它的开关频率较高，采用快熔保护是无效的。一般采用缓冲电路。主要有RC缓冲电路、充放电型R-C-VD缓冲电路和阻止放电型R-C-VD缓冲电路三种形式，如图4-11所示。
（a）&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （b）&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （c）
4-11& GTR的缓冲电路
（a）RC缓冲电路 （b）充放电型R-C-VD缓冲电路 （c）阻止放电型R-C-VD缓冲电路
RC缓冲电路简单，对关断时集电极—发射极间电压上升有抑制作用。这种电路只适用于小容量的GTR（电流10A以下）。
充放电型R-C-VD缓冲电路增加了缓冲二极管VD2，可以用于大容量的GTR。但它的损耗（在缓冲电路的电阻上产生的）较大，不适合用于高频开关电路。
阻止放电型R-C-VD缓冲电路，较常用于大容量GTR和高频开关电路的缓冲器。其最大优点是缓冲产生的损耗小。
为了使GTR正常可靠地工作，除采用缓冲电路之外，还应设计最佳驱动电路，并使GTR工作于准饱和状态。另外，采用电流检测环节，在故障时封锁GTR的控制脉冲，使其及时关断，保证GTR电控装置安全可靠地工作；在GTR电控系统中设置过压、欠压和过热保护单元，以保证安全可靠地工作。
2．功率场效应晶体管MOSFET
功率场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）简称MOSFET。与GTR相比，功率MOSFET具有开关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击穿现象等优点。它的缺点是电压还不能太高、电流容量也不能太大。所以目前只适用于小功率电力电子变流装置。
（1）功率MOSFET的结构及工作原理
功率场效应晶体管是压控型器件，其门极控制信号是电压。它的三个极分别是：栅极G、源极S、漏极D。功率场效应晶体管有N沟道和P沟道两种。N沟道中载流子是电子，P沟道中载流子是空穴，都是多数载流子。其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种。耗尽型就是当栅源间电压UGS=0时存在导电沟道，漏极电流ID≠0；增强型就是当UGS=0时没有导电沟道，ID=0，只有当UGS&0（N沟道）或UGS&0（P沟道）时才开始有ID。功率MOSFET绝大多数是N沟道增强型。这是因为电子作用比空穴大得多。N沟道和P沟道MOSFET的电气图形符号如图4-12所示。
图4-12& 功率MOSFET的结构和电气图形符号
（a）功率MOSFET的结构& （b）电气图形符号
功率场效应晶体管与小功率场效应晶体管原理基本相同，但是为了提高电流容量和耐压能力，在芯片结构上却有很大不同：电力场效应晶体管采用小单元集成结构来提高电流容量和耐压能力，并且采用垂直导电排列来提高耐压能力。
几种功率场效应晶体管的外形如图4-13。&
图4-13&& 几种功率场效应晶体管的外形
2）工作原理
当D、S加正电压（漏极为正，源极为负），UGS=0时，P体区和N漏区的PN结反偏，D、S之间无电流通过；如果在G、S之间加一正电压UGS，由于栅极是绝缘的，所以不会有电流流过，但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于某一电压UT时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。电压UT称开启电压或阀值电压，UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流越大。
（2）功率MOSFET的特性与参数
1）功率MOSFET的特性
①转移特性
ID和UGS的关系曲线反映了输入电压和输出电流的关系，称为MOSFET的转移特性。如图4－14（a）所示。从图中可知，ID较时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导，即：
&&&&&& MOSFET是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。
（a）&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （b）　
图4－14& 电力MOSFET的转移特性和输出特性
（a) 转移特性& （b) 输出特性
②输出特性
图4－14(b）是MOSFET的漏极伏安特性，即输出特性。从图中可以看出，MOSFET有三个工作区：
&&&&&& 截止区。UGS≤UT，ID=0，这和电力晶体管的截止区相对应。
饱和区。UGS＞UT，UDS≥UGS-UT，当UGS不变时，ID几乎不随UDS的增加而增加，近似为一常数，故称饱和区。这里的饱和区并不和电力晶体管的饱和区对应，而对应于后者的放大区。当用做线性放大时，MOSFET工作在该区。
非饱和区。UGS＞UT，UDS＜UGS-UT，漏源电压UDS和漏极电流ID之比近似为常数。该区对应于电力晶体管的饱和区。当MOSFET作开关应用而导通时即工作在该区。
在制造功率MOSFET时，为提高跨导并减少导通电阻，在保证所需耐压的条件下，应尽量减小沟道长度。因此，每个MOSFET元都要做得很小，每个元能通过的电流也很小。为了能使器件通过较大的电流，每个器件由许多个MOSFET元组成。
③开关特性
图4－15是用来测试MOSFET开关特性的电路。图中up为矩形脉冲电压信号源，
波形见图4－15(b），Rs为信号源内阻，RG为栅极电阻，RL为漏极负载电阻，RF用于检测漏极电流。因为MOSFET存在输入电容Cin，所以当脉冲电压up的前沿到来时，Cin有充电过程，栅极电压UGS呈指数曲线上升，如图4-15所示。当UGS上升到开启电压UT时开始出现漏极电流iD。从up的前沿时刻到uGS=UT的时刻，这段时间称为开通延迟时间td(on)。此后，iD随UGS的上升而上升。uGS从开启电压上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGPS这段时间称为上升时间tr，这时相当于电力晶体管的临界饱和，漏极电流iD也达到稳态值。iD的稳态值由漏极电压和漏极负载电阻所决定，UGPS的大小和iD的稳态值有关。uGS的值达UGPS后，在脉冲信号源up的作用下继续升高直至到达稳态值，但iD已不再变化，相当于电力晶体管处于饱和。MOSFET的开通时间ton为开通延迟时间td(on)与上升时间tr之和，即：
ton= td(on)+ tr&&&&
&&&&&& 当脉冲电压up下降到零时，栅极输入电容Cin通过信号源内阻Rs和栅极电阻RG（≥Rs）开始放电，栅极电压uGS按指数曲线下降，当下降到UGPS时，漏极电流iD才开始减小，这段时间称为关断延迟时间td(off)。此后，Cin继续放电，uGS从UGPS继续下降，iD减小，到uGS小于UT时沟道消失，iD下降到零。这段时间称为下降时间tf。关断延迟时间td(off)和之和下降时间tf为关断时间toff，即：
toff= td(off)+ tf&& &&&&
&&&&&& 从上面的分析可以看出，MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系。使用者虽然无法降低其Cin值，但可以降低栅极驱动回路信号源内阻Rs的值，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。MOSFET的工作频率可达100kHz以上。
&&&&&& MOSFET是场控型器件，在静态时几乎不需要输入电流。但是在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。
图4－15& 功率MOSFET的开关过程
（a）MOSFET开关特性的测试电路&&&& （b）波形
2）功率MOSFET的主要参数
①漏极电压UDS
它就是MOSFET的额定电压，选用时必须留有较大安全余量。
②漏极最大允许电流IDM
它就是MOSFET的额定电流，其大小主要受管子的温升限制。
③栅源电压UGS
栅极与源极之间的绝缘层很薄，承受电压很低，一般不得超过20V，否则绝缘层可能被击穿而损坏，使用中应加以注意。
&&&&&& 总之，为了安全可靠，在选用MOSFET时，对电压、电流的额定等级都应留有较大余量。
（3）功率MOSFET的驱动
1）功率MOSFET的驱动
①对栅极驱动电路的要求
能向栅极提供需要的栅压，以保证可靠开通和关断MOSFET。
减小驱动电路的输出电阻，以提高栅极充放电速度，从而提高MOSFET的开关速度。
& 主电路与控制电路需要电的隔离。
&&&&&& 应具有较强的抗干扰能力，这是由于MOSFET通常工作频率高、输入电阻大、易被干扰的缘故。
理想的栅极控制电压波形，如图4-16所示。提高正栅压上升率可缩短开通时间，但也不宜过高，以免MOSFET开通瞬间承受过高的电流冲击。正负栅压幅值应要小于所规定的允许值。
图4-16& 理想的栅极控制电压波形
2）栅极驱动电路举例
&&&&&& 图4-17是功率MOSFET的一种驱动电路，它由隔离电路与放大电路两部分组成。隔离电路的作用是将控制电路和功率电路隔离开来；放大电路是将控制信号进行功率放大后驱动功率MOSFET，推挽输出级的目的是进行功率放大和降低驱动源内阻，以减小功率MOSFET的开关时间和降低其开关损耗。
&&&&&& 驱动电路的工作原理是：当无控制信号输入时（ui=“0”），放大器A输出低电平，V3导通，输出负驱动电压，MOSFET关断；当有控制信号输入时（ui=“1”），放大器A输出高电平，V2导通，输出正驱动电压，MOSFET导通。
&&&&&& 实际应用中，功率MOSFET多采用集成驱动电路，如日本三菱公司专为MOSFET设计的专用集成驱动电路M57918L，其输入电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压为+15V和-10V。
图4-17& 功率MOSFET的一种驱动电路
（4）MOSFET的保护电路
&&&&&& 功率MOSFET的薄弱之处是栅极绝缘层易被击穿损坏。一般认为绝缘栅场效应管易受各种静电感应而击穿栅极绝缘层，实际上这种损坏的可能性还与器件的大小有关，管芯尺寸大，栅极输入电容也大，受静电电荷充电而使栅源间电压超过±20V而击穿的可能性相对小些。此外，栅极输入电容可能经受多次静电电荷充电，电荷积累使栅极电压超过±20V而击穿的可能性也是实际存在的。
&&&&&& 为此，在使用时必须注意若干保护措施。
&&&&&& 1）防止静电击穿
&&&&&& 功率MOSFET的最大优点是具有极高的输入阻抗，因此在静电较强的场合难于泄放电荷，容易引起静电击穿。防止静电击穿应注意：
&&&&&& ①在测试和接入电路之前器件应存放在静电包装袋，导电材料或金属容器中，不能放在塑料盒或塑料袋中。取用时应拿管壳部分而不是引线部分。工作人员需通过腕带良好接地。
&&&&&& ②将器件接入电路时，工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时烙铁应断电。
&&&&&& ③在测试器件时，测量仪器和工作台都必须良好接地。器件的三个电极未全部接入测试仪器或电路前不要施加电压。改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零。
&&&&&& ④注意栅极电压不要过限。
&&&&&& 2)防止偶然性振荡损坏器件
&&&&&& 功率MOSFET与测试仪器、接插盒等的输入电容、输入电阻匹配不当时可能出现偶然性振荡，造成器件损坏。因此在用图示仪等仪器测试时，在器件的栅极端子处外接10kΩ串联电阻，也可在栅极源极之间外接大约0.5μF的电容器。
&&&&&& 3)防止过电压
&&&&&& 首先是栅源间的过电压保护。如果栅源间的阻抗过高，则漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到栅极而产生相当高的UGS电压，这一电压会引起栅极氧化层永久性损坏，如果是正方向的UGS瞬态电压还会导致器件的误导通。为此要适当降低栅极驱动电压的阻抗，在栅源之间并接阻尼电阻或并接约20V的稳压管。特别要防止栅极开路工作。
&&&&&& 其次是漏源间的过电压保护。如果电路中有电感性负载，则当器件关断时，漏极电流的突变会产生比电源电压还高得多的漏极电压，导致器件的损坏。应采取稳压管箝位、二极管-RC箝位或RC抑制电路等保护措施。
&&&&&& 4)防止过电流
&&&&&& 若干负载的接入或切除都可能产生很高的冲击电流，以致超过电流极限值，此时必须用控制电路使器件回路迅速断开。
&&&&&& 5)消除寄生晶体管和二极管的影响
由于功率MOSFET内部构成寄生晶体管和二极管，通常若短接该寄生晶体管的基极和发射极就会造成二次击穿。另外寄生二极管的恢复时间为150ns，而当耐压为450V时恢复时间为500~1000ns。因此，在桥式开关电路中功率MOSFET应外接快速恢复的并联二极管，以免发生桥臂直通短路故障。
二、DC/DC变换电路
开关电源的核心技术就是DC/DC变换电路。DC/DC变换电路就是将直流电压变换成固定的或可调的直流电压。DC/DC变换电路广泛应用于开关电源、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机车车辆的无级变速以及20世纪80年代兴起的电动汽车的调速及控制。
常见的DC/DC变换电路有非隔离型电路、隔离型电路和软开关电路。
1．非隔离型电路
非隔离型电路即各种直流斩波电路，根据电路形式的不同可以分为降压型电路、升压型电路、升降压电路、库克式斩波电路和全桥式斩波电路。其中降压式和升压式斩波电路是基本形式，升降压式和库克式是它们的组合，而全桥式则属于降压式类型。下面重点介绍斩波电路的工作原理、升压及降压斩波电路。
（1）直流斩波器的工作原理
最基本的直流斩波电路如图4-18（a）所示，负载为纯电阻R。当开关S闭合时，负载电压uo=E，并持续时间TON；当开关S断开时，负载上电压uo=0V，并持续时间TOFF。则T=TON+TOFF为斩波电路的工作周期，斩波器的输出电压波形如图4-18（b）所示。若定义斩波器的占空比 ，则由波形图上可得输出电压得平均值为
只要调节k，即可调节负载的平均电压。
图4-18& 基本斩波电路及其波形
（a）电路& （b）波形（R负载）
（2）降压斩波电路
1）电路的结构
降压斩波电路是一种输出电压的平均值低于输入直流电压的电路。它主要用于直流稳压电源和直流电机的调速。降压斩波电路的原理图及工作波形如图4-19所示。图中，U为固定电压的直流电源，V为晶体管开关（可以是大功率晶体管，也可以是功率场效应晶体管）。L、R、电动机为负载，为在V关断时给负载中的电感电流提供通道，还设置了续流二极管VD。
2）电路的工作原理
t=0时刻，驱动V导通，电源U向负载供电，忽略V的导通压降，负载电压Uo=U，负载电流按指数规律上升。
t=t1时刻，撤去V的驱动使其关断，因感性负载电流不能突变，负载电流通过续流二极管VD续流，忽略VD导通压降，负载电压Uo=0V，负载电流按指数规律下降。为使负载电流连续且脉动小，一般需串联较大的电感L，L也称为平波电感。
t=t2时刻，再次驱动V导通，重复上述工作过程。当电路进入稳定工作状态时，负载电流在一个周期内的起始值和终了值。
图4-19 降压斩波电路的原理图及工作波形
（a）电路图& （b）电流连续时的波形& （c）电流断续时的波形
&&&&&& 由前面的分析知，这个电路的输出电压平均值为 ，由于k&1，所以Uo&U，即斩波器输出电压平均值小于输入电压，故称为降压斩波电路。而负载平均电流为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
当平波电感L较小时，在V关断后，未到t2时刻，负载电流已下降到零，负载电流发生断续。负载电流断续时，其波形如图4-19(c）所示。由图可见，负载电流断续期间，负载电压uo=EM。因此，负载电流断续时，负载平均电压Uo升高，带直流电动机负载时，特性变软，是我们所不希望的。所以在选择平波电感L时，要确保电流断续点不在电动机的正常工作区域。
（3）升压斩波电路
&&&&&& 1）电路的结构
升压斩波电路的输出电压总是高于输入电压。升压式斩波电路与降压式斩波电路最大的不同点是，斩波控制开关V与负载呈并联形式连接，出能电感与负载呈串联形式连接，升压斩波电路的原理图及工作波形如图4-20所示。
（a）电路图 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（b）波形
图4-20 升压斩波电路及其工作波形
2）电路的工作原理
当V导通时（TON），能量储存在L中。由于VD截止，所以TON期间负载电流由C供给。在TOFF期间，V截止，储存在L中的能量通过VD传送到负载和C，其电压的极性与U相同，且与U相串联，提供一种升压作用。
如果忽略损耗和开关器件上的电压降，则有
上式中的T/TOFF≥1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。　
&&& 式中T/TOFF表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压Uo的大小。
（4）升降压斩波电路
1）电路的结构
升降压斩波电路可以得到高于或低于输入电压的输出电压。电路原理图如图4－21所示，该电路的结构特征是储能电感与负载并联，续流二极管VD反向串联接在储能电感与负载之间。电路分析前可先假设电路中电感L很大，使电感电流iL和电容电压及负载电压uo基本稳定。
2）电路的工作原理
图4-21 升降压斩波电路及其工作波形
电路的基本工作原理是：V通时，电源U经V向L供电使其贮能，此时二极管VD反偏，流过V的电流为i1。由于VD反偏截止，电容C向负载R提供能量并维持输出电压基本稳定，负载R及电容C上的电压极性为上负下正，与电源极性相反。
V断时，电感L极性变反，VD正偏导通，L中储存的能量通过VD向负载释放，电流为i2，同时电容C被充电储能。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路
&&&&&& 稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&& 当V处于通态期间，uL =U；而当V处于断态期间，uL = - uo。于是有
UTON=UOTOFF
所以输出电压为：
上式中，若改变占空比k，则输出电压既可高于电源电压，也可能低于电源电压。
由此可知，当0&k&1/2时，斩波器输出电压低于直流电源输入，此时为降压斩波器；
&&&&&&&&& 当1/2&k&1时，斩波器输出电压高于直流电源输入，此时为升压斩波器。
2．隔离型电路
（1）正激电路
正激电路包含多种不同结构，典型的单开关正激电路及其工作波形如图4－22所示。
图4－22& 正激电路原理图及理想化波形
（a）电路原理图&&&& (b)理想化波形
电路的简单工作过程：开关S开通后，变压器绕组W1两端的电压为上正下负，与其耦合的绕组W2两端的电压也是上正下负。因此VDl处于通态，VD2为断态，电感上的电流逐渐增长；S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断，L的电流逐渐下降。S关断后变压器的励磁电流经绕组W3和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为
式中& N1——变压器绕组W1的匝数；
&&& N3——变压器绕组W3的匝数。
变压器中各物理量的变化过程如图4-23所示。
图4－23& 磁心复位过程
开关S开通后，变压器的励磁电流im由零开始，随着时间的增加而线性地增长，直到S关断。S关断后到下一次再开通的一段时间内，必须设法使励磁电流降回零，否则下一个开关周期中，励磁电流将在本周期结束时的剩余值基础上继续增加，并在以后的开关周期中依次累积起来，变得越来越大，从而导致变压器的励磁电感饱和。励磁电感饱和后，励磁电流会更加迅速地增长，最终损坏电路中的开关器件。因此在S关断后使励磁电流降回零是非常重要的，这一过程称为变压器的磁心复位。&&&
在正激电路中，变压器的绕组W3和二极管VD3组成复位电路。下面简单分析其工作原理。
开关S关断后，变压器励磁电流通过W3绕组和VD3流回电源，并逐渐线性的下降为零。从S关断到W3绕组的电流下降到零所需的时间 。S处于断态的时间必须大于Trst，以保证S下次开通前励磁电流能够降为零，使变压器磁心可靠复位。
在输出滤波电感电流连续的情况下，即S开通时电感L的电流不为零，输出电压与输入电压的比为
如果输出电感电路电流不连续，输出电压 将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下， 。
（2）反激电路
反激电路及其工作波形如图4－24所示。
同正激电路不同，反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。
S开通后，VD处于断态，绕组W1的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，绕组W1的电流被切断，变压器中的磁场能量通过绕组W2和VD向输出端释放。S关断后承受的电压的电压为
反激电路可以工作在电流断续和电流连续两种模式：
1)如果当S开通时，绕组W2中的电流尚未下降到零，则称电路工作于电流连续模式。
2)如果S开通前，绕组W2中的电流已经下降到零，则称电路工作于电流断续模式。
当工作于电流连续模式时， &
当电路工作在断续模式时，输出电压高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下，Uo→∞，这将损坏电路中的器件，因此反激电路不应工作于负载开路状态。
图4－24& 反激电路原理图及理想化工作波形
（a）电路原理图&&&& (b)理想化波形
（3）半桥电路
半桥电路的原理及工作波形如图4－25所示。
在半桥电路中，变压器一次绕组两端分别连接在-电容C1、C2的中点和开关S1、S2的中点。电容C1、C2的中点电压为Ui／2。S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui／2的交流电压。改变开关的占空比，就可改变二次整流电压Ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。
Sl导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组Wl中的电流为零，根据变压器的磁动势平衡方程，绕组W2和W3中的电流大小相等、方向相反，所以VDl和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1或S2导通时电感上的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感上的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。
由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。
为了避免上下两开关在换流的过程中发生短暂的同时导通现象而造成短路损坏开关器件，每个开关各自的占空比不能超过50％，并应留有裕量。
当滤波电感L的电流连续时，有
如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式中的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下， 。
图4－25&& 半桥电路原理图及理想化工作波形
（a）电路原理图&&& (b)理想化波形
（4）全桥电路
全桥电路的原理图和工作波形如图4－26所示。
全桥电路中互为对角的两个开关同时导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压成幅值为Ui的交流电压，加在变压器一次侧。改变开关的占空比，就可以改变Ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。
当S1与S4开通后，二极管VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升；S2与S3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降。S1和S4断态时承受的峰值电压均为Ui。
若Sl、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次电流中产生很大的直流分量，并可能造成磁路饱和，因此全桥应注意避免电压直流分量的产生，也可以在一次回路电路中串联一个电容，以阻断直流电流。
为了避免同一侧半桥中上下两开关在换流的过程中发生短暂的同时导通现象而损坏开关，每个开关各自的占空比不能超过50％，并应留有裕量。
当滤波电感L的电流连续时，有
如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式中的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下， 。
图4－26& 全桥电路原理图及理想化工作波形
（a）电路原理图&&& (b)理想化波形
（5）推挽电路
推挽电路的原理及工作波形如图4－27所示。
推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组W1和W2两端分别形成相位相反的交流电压。S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。Sl和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。
&& 如果Sl和S2同时导通，就相当于变压器一次绕组短路，因此应避免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能超过50％，还要留有死区。
当滤波电感L的电流连续时，有
如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式中的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下， 。
图4－27& 推挽电路原理图及理想化工作波形
（a）电路原理图&&& (b)理想化波形
三、开关状态控制电路
1．开关状态控制方式的种类
开关电源中，开关器件开关状态的控制方式主要有占空比控制和幅度控制两大类。
（1）占空比控制方式 &占空比控制又包括脉冲宽度控制和脉冲频率控制两大类。
&1)脉冲宽度控制& 脉冲宽度控制是指开关工作频率(即开关周期T)固定的情况下直接通过改变导通时间(TON)来控制输出电压Uo大小的一种方式。因为改变开关导通时间TON就是改变开关控制电压UC的脉冲宽度，因此又称脉冲宽度调制(PWM)控制。
PWM控制方式的优点是，因为采用了固定的开关频率，因此，设计滤波电路时就简单方便；其缺点是，受功率开关管最小导通时间的限制，对输出电压不能作宽范围的调节，此外，为防止空载时输出电压升高，输出端一般要接假负载(预负载)。
& 目前，集成开关电源大多采用PWM控制方式。
&&2)脉冲频率控制 &脉冲频率控制是指开关控制电压UC的脉冲宽度(即TON)不变的情况下，通过改变开关工作频率(改变单位时间的脉冲数，即改变T)而达到控制输出电压Uo大小的一种方式，又称脉冲频率调制(PFM)控制。
（2）幅度控制方式 &即通过改变开关的输入电压Us的幅值而控制输出电压Uo大小的控制方式，但要配以滑动调节器。
2．PWM控制电路的基本构成和原理
图4－28是PWM控制电路的基本组成和工作波形。
可见，PWM控制电路由以下几部分组成：①基准电压稳压器，提供一个供输出电压进行比较的稳定电压和一个内部IC电路的电源；②振荡器，为PWM比较器提供一各锯齿波和与该锯齿波同步的驱动脉冲控制电路的输出；③误差放大器，使电源输出电压与基准电压进行比较；④以正确的时序使输出开关管导通的脉冲倒相电路。
图4－28& PWM控制电路
其基本工作过程如下：输出开关管在锯齿波的起始点被导通。由于锯齿波电压比误差放大器的输出电压低，所以PWM比较器的输出较高，因为同步信号已在斜坡电压的起始点使倒相电路工作，所以脉冲倒相电路将这个高电位输出使V1导通，当斜坡电压比误差放大器的输出高时，PWM比较器的输出电压下降，通过脉冲倒相电路使V1截止，下一个斜坡周期则重复这个过程。
3． PWM控制器集成芯片介绍
（1）SG24 系列PWM控制器
图4－29 &SG1524结构框图
SGl524是双列直插式集成芯片，其结构框图如图4－29所示。它包括基准电源、锯齿波振荡器、电压比较器、逻辑输出、误差放大以及检测和保护等部分。SG2524和SG3524也属这个系列，内部结构及功能相同，仅工作电压及工作温度有差异。
基准电源由15端输入8～30V的不稳定直流电压，经稳压输出+5V基准电压，供片内所有电路使用，并由16端输出+5V的参考电压供外部电路使用，其最大电流可达100mA。
振荡器通过7端和6端分别对地接上一个电容CT和电阻RT后，在CT上输出频率为入 的锯齿波。比较器反向输入端输入直流控制电压Ue；同相输入端输入锯齿波电压Usa。当改变直流控制电压大小时，比较器输出端电压UA即为宽度可变的脉冲电压，送至两个或非门组成的逻辑电路。
每个或非门有3个输入端，其中：一个输入为宽度可变的脉冲电压UA；一个输入分别来自触发器输出的Q和 端(它们是锯齿波电压分频后的方波)；再一个输入(B点)为锯齿波同频的窄脉冲。在不考虑第3个输入窄脉冲时，两个或非门输出(C、D点)分别经三极管V1、V2放大后的波形T1、T2如图4－30所示。它们的脉冲宽度由Ue控制，周期比Usa大一倍，且两个波形的相位差为180°。这样的波形适用于可逆PWM电路。或非门第3个输入端的窄脉冲使这期间两个三极管同时截止，以保证两个三极管的导通有一短时间隔，可作为上、下两管的死区。当用于不可逆PWM时，可将两个三极管的e、e极并联使用。
误差放大器在构成闭环控制时，可作为运算放大器接成调节器使用。如将l端和9端短接，该放大器作为一个电压跟随器使用，由2端输入给定电压来控制SG1524输出脉冲宽度的变化。
当保护输入端10的输入达一定值时，三极管V3导通，使比较器的反相端为零，A端一直为高电平，V1、V2均截止，以达到保护的目的。检测放大器的输入可检测出较小的信号，当4、5端输入信号达到一定值时，同样可使比较器的反相输入端为零，亦起保护作用。使用中可利用上述功能来检测需要限制的信号（如电流）对主电路实现保护。
图4－30& SG1524工作波形
表4－1是SG3524的引脚连接。
表4－1& SG3524的引脚连接
IN－－误差放大器反向输入
COMP—频率补偿
IN＋－误差放大器同向输入
SD—关断控制
OSC—振荡器输出
V1C—输出晶体管A的集电极
CL＋—限流比较器的同相输入
V1E—输出晶体管A的发射极
CL＋—限流比较器的同相输入
V2C—输出晶体管B的集电极
RT—定时电阻
V2E—输出晶体管B的发射极
CT—定时电容器
Ui—输入电压
UR—基准电压
（2）SG3525A& PWM控制器
SG3525A是SG3524的改进型，凡是利用SG1524/SG2524/SG3524的开关电源电路都可以用SG3525A来代替。应用时应注意两者的引脚连接的不同。
图4－31是SG3525A系列产品的内部原理图。
图4－31& SG3525A的内部原理图
图4-31的右下角是SG3527A的输出级。除输出级以外，SG3527A与SG3525A完全相同。SG3525A的输出是正脉冲，而SG3527A的输出是负脉冲。
表4－2是SG3525A的引脚连接。
表4－2& SG3525A的引脚连接
IN－－误差放大器反向输入
COMP—频率补偿
IN＋－误差放大器同向输入
SD—关断控制
SYNC—同步
OUTA—输出A
OUTosc—振荡器输出
CT—定时电容器
VC—集电极电压
RT—定时电阻
OUTB—输出B
Ui—输入电压
SS——软启动
UREF—基准电压
&&&&&& 与SG1524/SG2524/SG3524相比较，SG3525A的改进之处为：
1）& 芯片内部增加了欠压锁定器和软启动电路；
2）&&& SG1524/SG2524/SG3524没有限流电路，而是采用关断控制电路对逐个脉冲电流和直流输出电流进行限流控制。
3）&&& SG3525A内设有高精度基准电压源。精度为5.1V±1%，优于SG1524/SG2524/SG3524的基准电源。
4）&&& 误差放大器的供电由输入电压Ui来提供，从而扩大了误差放大器的共模电压输入范围。
5）&&& 脉宽调制比较器增加了一个反相输入端，误差放大器和关断电路送到比较器的信号具有不同的输入端，这就避免了关断电路对误差放大器的影响。
6）&&& PWM锁存器由关断置位，由振荡器来的时钟脉冲复位。这可保证在每个周期内只有比较器送来的单脉冲。当关断信号使输出关断，即使关断信号消失，也只有下一个周期的时钟脉冲使锁存器复位，才能恢复输出。这就保证了关断电路能有效地控制输出关断。
7）&&& SG3525A的最大改进是输出级的结构。它是双路吸收/流出输出驱动器。它具有较高的关断速率，适合于驱动功率MOS器件。
（3）SG3525A的典型应用电路
1）SG3525A驱动MOSFET管的推挽式驱动电路如图4－32所示。其输出幅度和拉灌电流能力都适合于驱动功率MOSFET管。SG3525A的两个输出端交替输出驱动脉冲，控制两个MOSFET管交替导通。
图4－32 &SG3525A驱动MOSFET管的推挽式驱动电路
2）SG3525A驱动MOS管的半桥式驱动电路如图4－33所示。SG3525A的两个输出端接脉冲变压器T1的一次绕组，串入一个小电阻（10Ω）是为防止振荡。T1的两个二次绕组因同名端相反，以相位相反的两个信号驱动半桥上、下臂的两个MOSFET。脉冲变压器T2的副边接后续的整流滤波电路，便可得到平滑的直流输出。
图4-33& SG3525A驱动MOS管的半桥驱动电路
四、其他电路
1．过电压保护电路
过电压保护是一种对输出端子间过大电压进行负载保护的功能。一般方式是采用稳压管，图4-34是过电压保护电路的典型实例。
图4－34& 过电压保护电路
当输出电压超过设定的最大值时，稳压管击穿导通，使晶闸管导通，电源停止工作，起到过电压保护作用。
2．过电流保护电路
过电流保护是一种电源负载保护功能，以避免发生包括输出端子上的短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。图4-35是典型的过电流保护电路。电路中，电阻R1和R2对U进行分压，电阻R2上分得的电压 ，负载电流IO在检测电阻RD上的电压=RDIO，电压URD和UR2进行比较，如果URD& UR2，A输出控制信号，这控制信号使脉宽变窄，输出电压下降，从而使输出电流减小。
图4－35& 过电流保护电路
3．软启动电路
开关电源的输入电路一般采用整流和电容滤波电路。输入电源未接通时，滤波电容器上的初始电压为零。在输入电源接通的瞬间，滤波电容器快速充电，产生一个和大的冲击电流。在大功率开关电源中，输入滤波电容器的容量很大，冲击电流可达100A以上，如此大的冲击电流会造成电网电闸的条扎或者击穿整流二极管。为防止这种情况的发生，在开关电源的输入电路中增加软启动电路，防止冲击电流的产生，保证电源正常地进入工作状态。
五、IBM PC/XT系列主机开关电源介绍
图4-2是IBM PC/XT系列PC机主机的开关电源电路，它是自激式开关稳压电源，主要由交流输入与整流滤波、自激开关振荡、稳压调控及自动保护电路等部分组成。
IBM& PC／XT系列PC机主机开关电源电路的工作原理：
当接通电源时，110V或220V交流电压经电源熔丝管FU、热敏电阻RT后，送至由C1、L1、C2组成交流抗干扰电路，将交流供电网中的高频杂波滤除后，再进入桥堆进行倍压整流或桥式整流(根据输入电压是110V还是220V，由电源盒后面的开关S人工控制)，并经C5、C6滤波后得到约300V的峰值直流电压。
由整流滤波输送来的300V峰值电压分两路给开关电路：一路经R1及开关变压器T2的1F~1S绕组加开关管Vl的C极；另一路经R2、R3降压提供Vl的B极的导通电压，使Vl导通，因此Vl的C极有电流通过，T2的1F~1S绕组有电流通过即产生感应电压耦合给二次侧。二次测1P~2F绕组又把感应电压经R6、C9控制变压器T1的③～⑥绕组，R9、L4正反馈到开关管Vl的B极，使Vl的B极电流保持不变，开关变压器T2上各绕组感应电压消失，正反馈停止，Vl退出饱和进入放大，此时Vl的C极电流瞬间大大的减少，开关变压器T2的1F～1S绕组中的电流不能突变产生很强的反向感应电压耦合给二次侧，二次侧正反馈绕组的反向感应电压使Vl反偏截止。同时C9通过Vl获得充电，Vl截止后，T2的1F一1S绕组无电流通过，感应电压消失。C9通过控制变压器T1的③～⑥绕组，L4，Vl的E极，R7，R8，T2的1P~2F绕组，R6形成回路放电，使Vl获得放电电流重新导通，并重复以上过程。如此循环便形成了自激开关过程。T2的二次侧便得到了所需的脉冲电压，经整流滤波、稳压后送给负载。其中开关变压器T2的7S~7E绕组中的脉冲经VDl8整流、C18滤波，再由三端稳压器7812稳压后输出—5V电压；T2的5S～5E绕组中的脉冲经VDl4和VDl5整流、C22滤波后输出+12V电压；T2的3S~3E绕组中的脉冲经VDl6和VDl7整流、C24滤波后输出+5V电压。
& 稳压控制电路由R22、R23、RPl、ICl(TL430)、V3、控制变压器T1等部分组成。
& 当某种原因使输出电压升高时，+5V电压升高，经取样电路R23、RPl、R22提供的取样电压升高，加到IClR端的电压升高，ICl的K，A端的电流增大，V3导通，控制变压器T1的②~①绕组的电流增大，④～⑤绕组的感应电压增大，V2导通。因T1的④~⑤绕组为50匝，②~①绕组也为50匝，而③~⑥绕组为4匝，所以③~⑥绕组的感应电压很小，对开关管Vl基本不产生影响，而V2导通使VTl提前截止，导通时间缩短，输出电压下降直至稳压输出。
&开关管的限流保护电路由R8，V2为核心组成。当Vl的射极脉冲电流增大时，R8上的感应电压升高，V2导通程度增大，对Vl的基极分流增大，使Vl的C极电流减少，达到限电流保护目的。
&+5V的过电压保护电路由稳压管VDZl、晶闸管VTl组成。当+5V电压超过设定的最大值时，稳压管VDZl击穿导通，晶闸管VTl导通，使十12V对地短路，电源停止工作，起到过电压保护作用。
六、典型故障现象及检修方法
1．通电后无任何反应
(1)故障现象& PC机系统通电后，主机指示灯不亮，显示器屏幕无光栅，整个系统无任何反应。
(2)检修方法& 通电后无任何反应，是PC机主机电源最常见的故障，对此首先应采用直观法察看电源盒有无烧坏元器件，接着采用万用表电阻档检测法逐个单元地进行静态电阻检测，看有无明显短路。若无明显元件烧坏，也没有明显过电流，则可通电采用动态电压对电源中各关键点的电压进行检修。
2．一通电就熔断交流熔丝管
(1)故障现象& 接通电源开关后，电源盒内发出“叭”的一声，交流熔丝管随即熔断。
& &&& (2)检修方法& 一通电就熔断交流熔丝管，说明电源盒内有严重过电流元件，除短路之外，故障部位一般在高频开关变压器一次绕组之前，通常有以下三种情况：
1)输入桥式整流二极管中的某个二极管被击穿。由于PC机电源的高压滤波电容一般都是220μF左右的大容量电解电容，瞬间工作充电电源达20A以上，所以瞬间大容量的浪涌电流将会造成桥堆中某个质量较差的整流管过电流工作，尽管有限流电阻限流，但也会发生一些整流管被击穿的现象，造成烧毁熔丝。
2)高压滤波电解电容C5、C6被击穿，甚至发生爆裂现象。由于大容量的电解电容工作电压一般均接近200V，而实际工作电压均已接近额定值。因此当输入电压产生波动时，或某些电解电容质量较差时，就极容易发生电容被击穿现象。更换电容最好选择耐压高些的，如300μF／450V的电解电容。
3)开关管Vl、V2损坏。由于高压整流后的输出电压一般达300V左右，逆变功率开关管的负载又是感性负载，漏感所形成的电压尖峰将有可能使功率开关管的VCEO的值接近于600V，而Vl、V2的2SC3039所标VCEO只有400V左右。因此当输入电压偏高时，某些质量较差的开关管将会发生E—C之间击穿现象，从而烧毁熔丝。在选择逆变功率开关管时，对单管自激式电路中的Vl，要求VCEO必须大于800V，最好1000V以上，而且截止频率越高越好。另外，要注意的是，由于某些开关功率管是与激励推挽管直接耦合的，故往往是变压器一次侧电路中的大、小晶体管同时击穿。因此，在检修这种电源时应将前级的激励管一同进行检测。
&3．熔丝管完好，但各路直流电压均零
&(1)故障现象& 故障现象接通电源开关后，主机不启动，用万用表测±5V，±12V均没有输出。
&(2)检修方法& 主机电源直流输出的四组电压：+5V，—5V，+12V，—12V，其中+5V电源输出功率最大(满载时达20A)，故障率最高，一旦+5V电路有故障时，整个电源电路往往自动保护，其他几路也无输出，因此，十5V形成及输出电路应重点检查。
&当电源在有负载情况下测量不出各输出端的直流电压时即认为电源无输出。这时应先打开电源检查熔丝，如果熔丝完好，应检查电源中是否有开路、短路现象，过电压、过电流保护电路是否发生误动作等。这类故障常见的有以下三种情况：
&&&&& 1)限流电阻R1、R2开路。开关电源采用电容输入式滤波电路，当接通交流电压时，会有较大的合闸浪涌电源(电容充电电流)，而且由于输出保持能力等的需要，输入滤波电容也较大，因而合闸浪涌电流比一般稳压电源要高得多，电流的持续时间也长。这样大的浪涌电流不仅会使限流电阻或输入熔丝熔断，还会因为虚焊或焊点不饱满、有空隙而引起长时间的放电电流，导致焊点脱落，使电源无法输出，一般扼流圈引脚因清漆不净，常会发生该类故障，这种故障重焊即可。
2)+12V整流半桥块击穿。+12V整流二极管采用快速恢复二极管FRD，而+5V整流二极管采用肖基特二极管SBD。由于FRD的正向压降要比SBD来得大，当输出电流增大时，正向压降引起的功耗也大，所以十12V整流二极管的故障率较高，选择整流二极管时，应尽可能选用正向压降低的整流器件。
3)晶闸管坏。在检查中发现开关振荡电路丝毫没有振荡现象。从电路上分析能够影响振荡电路的只有+5V和+12V，它是通过发光二极管来控制振荡电路的，如果发光二极管不工作，那么光耦合器将处于截止，开关晶体管因无触发信号始终处于截止状态，影响发光二极管不能工作的最常见元件就是晶闸管VSl损坏。
4．启动电源时发出“滴嗒”声
(1)故障现象& 开启主机电源开关后，主机不启动，电源盒内发出“滴嗒”的怪声响。
(2)检修方法& 这种故障一般是输入的电压过高或某处的短路造成的大电流使+5V处输出电压过高，这样引起过电压保护动作，晶闸管也随之截止，短路消失，使电源重新启动供电。如此周而复始地循环，将会使电源发生“滴嗒滴嗒”的开关声，此时就关闭电源进行仔细检查，找出短路故障处，从而修复整个电源。
另有一种原因是控制集成电路的定时元件发生了变化或内部不良。用示波器测量集成控制器TL494输出的⑧脚和⑩脚，其工作频率只有8kHz左右，而正常工作时近20kHz左右。经检查发现定时元件电容器的容量变大，导致集成控制器定时振荡频率变低，使电源产生重复性“滴嗒’’声，整个电源不能正常工作，只要更换定时电容后恢复正常。
5．某一路无直流输出
(1)故障现象& 开机后，主机不启动，用万用表检测±5V，±12V，其中一路无输出。
(2)检修方法 &在主机电源中，i5V和±12V四组直流电源，若有一路或一路以上因故障无电压输出时，整个电源将因缺相而进入保护状态。这时，可用万用表测量各输出端，开启电源，观察在启动瞬间哪一路电源无输出，则故障就出在这一路电压形成或输出电路上。
6．电源负载能力差
(1)故障现象& 主机电源如果仅向主机板和软驱供电显示正常，但当电源增接上硬盘或扩满内存情况下，使屏幕变白或根本不工作。
(2)检修方法& 在不配硬盘或末扩满内存等轻负载情况下能工作，说明主机电源无本质性故障，主要是工作点未选择好。当振荡放大环节中增益偏低，检测放大电路处于非线性工作状态时，均会产生此故障。解决此故障的办法可适当调换振荡电路中的各晶体管，使其增益提高，或调整各放大晶体管的工作特点，使它们都工作于线性区，从而或提高电源的负载能力。
极端的情况是，即使不接硬盘，电源也不能正常地工作下去。这类故障常见的有以下三种情况：
1)电源开机正常，工作一段时间后电源保护。这种现象大都发生在+5V输出端有晶闸管VS作过电压保护的电路。其中原因是晶闸管或稳压二极管漏电太大，工作一段时间后，晶闸管或稳压管发热。漏电急剧增加而导通造成。需要更换晶闸管或二极管。
2)带负载后各档电压稍下降，开关变压器发出轻微的“吱吱”声。这种现象大都是滤波电容器(300μF／200V)坏了一个。原因是漏电流大，导致了这种现象的发生。更换滤波器电容时应注意两只电容容量和耐压值必须一致。
3)电源开机正常，当主机读软盘后电源保护。这种现象大都是十12V整流二极管FRD性能变劣，调换同样型号的二极管即可恢复正常。
7．直流电压偏离正常值
(1)故障现象& 开机后，四组电压均有输出，或高、或低的偏离±5V，±12V很多。
(2)检修方法& 直流输出电压偏离正常值，一般可通过调节检测电路中的基准电压调节电位器RPl都能使+5V等各档电压调至标准值。如果调节失灵或调不到标准值，则是检测晶体管VT4和基准电压可调稳压管IC2损坏，换上相同或适当的器件，一般均能正常工作。
如果只有一档电压偏高太大，而其他各档电压均正常，则是该档电压的集成稳压器或整流二极管损坏。检查方法是用电压表接表—5V或—12V的输出端进行监测。开启电源时，哪路输出电压无反应，则哪路集成稳压器可能损坏，若集成稳压器是好的，则整流二极管损坏的可能性最大，其原因是输出负载可能太重，另外负载电流也较大，故在PC机电源电路中+5V档采用带肖特基特性的高频整流二极管SBD，其余各档也采用快恢复特性的高频整流二极管FRD。所在更换时要尽可能找到相类型的整流二极管，以免再次损坏。
8．直流输出不稳定
(1)故障现象& 刚开机时，整个系统工作正常，但工作一段时间后，输出电压下降，甚至无输出，或时好时坏。
(2)检修方法& 主机电源四组输出均时好时坏，这一般是电源电路中由于元器件虚焊，接插件接触不良，或大功率元件热稳定性差，电容漏电等原因而造成的。
9．风扇转动异常
(1)故障现象 &风扇不转动，或虽能旋转，但发出尖叫声。
(2)检修方法& PC机主机电源风扇的连接及供电有两种情况：一种是直接使用市电供电交流电风扇；另一种是接在12V直流输出端直流风扇。如果发现电源输入输出一切正常，而风扇不转，就要立即停机检查。这类故障大都由风扇电动机线圈烧断而引起的，这时必须更换新的风扇。如果发出响声，其原因之一是由于机器长期的运转或传输过程中的激烈振动而引起风扇的四只固定螺钉松动。这时只要紧固其螺钉就行。如果是由于风扇内部灰尘太多或含油轴承缺油而引起的，只要清理或经常用高级润滑油补充，故障就可排除。
【扩展内容】：软开关技术
1．问题的提出
软开关的提出是基于电力电子装置的发展趋势，新型的电力电子设备要求小型、轻量、高效和良好的电磁兼容性，而决定设备体积、质量、效率的因素通常又取决于滤波电感、电容和变压器设备的体积和质量。解决这一问题的主要途径就是提高电路的工作频率，这样可以减少滤波电感、变压器的匝数和铁心尺寸，同时较小的电容容量也可以使得电容的体积减小。但是，提高电路工作频率会引起开关损耗和电磁干扰的增加，开关的转换效率也会下降。因此，不能仅仅简单地提高开关工作频率。软开关技术就是针对以上问题而提出的是以谐振辅助换流手段，解决电路中的开关损耗和开关噪声问题，使电路的开关工作频以提高。
2．软开关的基本概念
（1）硬开关与软开关
硬开关在开关转换过程中，由于电压、电流均不为零，出现了电压、电流的重叠，导致开关转换损耗的产生；同时由于电压和电流的变化过快，也会使波形出现明显的过冲产生开关噪声。具有这样的开关过程的开关被称为硬开关。开关转换损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降，最终阻碍开率的进一步提高。
如果在原有硬开关电路的基础上增加一个很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助网络，在开关过程前后引入谐振过程，使开关开通前电压先降为零，这样就可以消除开程中电压、电流重叠的现象，降低、甚至消除开关损耗和开关噪声，这种电路称为软开关电路。具有这样开关过程的开关称为软开关。
（2）零电压开关与零电流开关
根据上述原理可以采用两种方法，即在开关关断前使其电流为零，则开关关断时就不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断；或在开关开通前使其电压为零，则开关开通时也不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通。在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电流开关(ZeroCurrentSwitch，为ZCS)和零电压开关(ZeroVoltageSwitch，缩写为ZVS)。零电流关断或零电压开通要靠电路中的辅助谐振电路来实现，所以也称为谐振软开关。，
3．软开关电路简介
软开关技术问世以来，经历了不断的发展和完善，前后出现了许多种软开关电路，直到目前为止，新型的软开关拓扑仍不断的出现。由于存在众多的软开关电路，而且各自有不同的特点和应用场合，因此对这些电路进行分类是很必要的。
根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成零电压电路和零电流电路两大类。通常，一种软开关电路要么属于零电压电路，要么属于零电流电路。
根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。
由于每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，因此可以用图4－36基本开关单元来表示，不必画出各种具体电路。实际使用时，可以从基本开关单元导出具体电路，开关和二极管的方向应根据电流的方向做相应调整。
图4－36& 基本开关单元
(a)基本开关单元&& (b)降压斩波器中的基本开关单元
(c)升压斩波器中的基本开关单元&& (d)升降压斩波器中的基本斩波单元
（1）准谐振电路
这是最早出现的软开关电路，其中有些电路现在还在大量使用。准谐振电路可以分为：
1）& 零电压开关准谐振电路（ZVSQRC）
2）& 零电流开关准谐振电路（ZCSQRC）
3）& 零电压开关多谐振电路（ZVSMRC）
4）& 用于逆变器的谐振直流环节电路（Resonant DC Link）
图4－37给出了前三种软开关电路的基本开关单元，谐振直流环节的电路如图4－38所示。
图4－37& 准谐振电路的基本开关单元
(a)零电压开关谐振&&& (b)零电流开关谐振&&& (c)零电压开关多谐振
图4－38& 谐振直流环节电路
准谐振电路中电压或电流的波形为正弦波，因此称之为准谐振。谐振的引入使得电路的开关损耗和开关噪声都大大下降，但也带来一些负面问题：谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流的有效值很大，电路中存在大量的无功功率的交换，造成电路导通损耗加大；谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只能采用脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation——PFM)方式来控制，变频的开关频率给电路设计带来困难。
（2）零开关PWM电路
这类电路中引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过零前后。零开关PWM电路可以分为：
1）零电压开关PWM电路(ZVSPWM)；
2）)零电流开关PWM电路(ZCSPWM)。
这两种电路的基本开关单元如图4－39所示。
同准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。
图4－39& 零开关PWM电路的基本开关单元
（3）零转换PWM电路
这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，电路在很宽的输入电压范围内并从零负载到满载都能工作在软开关状态。而且电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。零转换PWM电路可以分为：
图4－40& 零转换PWM电路的基本开关单元
1)零电压转换PWM电路(ZVTPWM)；
2)零电流转换PWM电路(ZCTPWM)。
这两种电路的基本开关单元如图4－40所示。
对于上述各类电路详细分析，感兴趣的读者可参阅有关资料及专著。
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