多路输出式dcdc变换器的制作和功能--学位论文.doc

摘要 1
摘要
随着集成电路和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。很显然，体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时，取而代之的是小型化、重量轻、效率高的新型开关电源。
本文中，主要以美国国家半导体公司（National Semiconductor）出品的单片式降压稳压器LM2673为例介绍了多路输出式DC/DC变换器的制作和一些功能，并使用了CAD软件Protel99进行了基于LM2673的降压式电源变换器模块电路的简单设计和PCB制作。
关键词：LM2673 多路输出式DC/DC变换器 降压式开关稳压器 PROTEL

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Abstract
With high-speed developments of the Integrated Circuit and Grand Scale Integrated Circuit,especially the developments and applications of MPU and semiconductor memory,we devise many new products in electronics system.To all appearances, the linear-regulated power supply which use big and heavy operating frequency transformer has been out-of-date.It already have been replaced by the new power supply which has miniaturization,light weight and high efficiency.
In this article,we introduced the simple switcher step-down voltage regulator LM2673（National Semiconductor） for example.So we can know somethings about multiple-output DC/DC mapper.we also used the CAD software Protel99 to design the simple plan and PCB of simplemodule circuit on the basis of LM2673.
Key Words：LM2673 Multiple-Output DC/DC Mapper Step-Down Voltage Regulator PROTEL

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目录
摘要 1
Abstract 3
目录 5
引言 7
第一章 多路输出式单片电源开关的原理与应用 9
1.1 降压式DC/DC电源变换器的原理与应用 9
1.1.1 降压式DC/DC变换器的基本原理 9
1.1.2 LM2673降压式模块的应用 10
1.2开关电源的输入电路 12
1.2.1 输入整流器 12
1.2.2 输入滤波电容 13
1.3开关电源的输出电路 15
1.3.1整流输出和滤波电路 15
1.3.2功率整流器的特点 16
1.3.3功率输出电感的特性 21
1.4开关电源的控制电路 23
1.4.1 开关稳压系统的隔离技术 23
1.4.2 PWM系统 23
1.5 开关电源的辅助电路 26
1.5.1 光电耦合器 26
1.5.2 开关电源主振回路所使用的自举式辅助电源 27
1.5.3 开关电源中的软启动电路 28
1.5.4 限流电路 30
1.6 作为开关使用的功率MOSFET管 32
1.6.1基本的MOSFET管定义 32
1.7 开关电源所用的术语 33
第二章 单片式降压稳压开关电源的设计 35
2.1电路设计程序的准备 35
2.1.1 电路设计程序的一般方法 35
2.1.2 LM2673固定输出电压设计方案 36
2.2电路原理图的绘制 38
2.2.1 电路原理图的绘制 38
2.2.2原理图的电器检查 39
2.2.3报表的建立 39
2.3印制电路板PCB的设计 41
2.3.1自动布局布线 41
2.3.2手工布线 41
2.3.3 设计规则检查（DRC） 42
第三章 Protel99简介 45
3.1 Protel99的技术特点 45
3.2 Protel99的新功能和特性 46
结论 49
致谢 51
参考文献 53

引言 5
引言
随着集成电路和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。很显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时，取而代之的是小型化、重量轻、效率高的新型开关电源。
早在70年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适用各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断地完善，集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开关的设计、生产和调整工作日益简化，成本也迅速下降，目前已形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。
和传统的线性电源相比，开关电源省掉了工频变压器，因此有重量轻、体积小、效率高、待机功耗低，适应电压范围宽等优点。另外，中国正在对越来越多的家电产品的待机功耗实施严格限制，因此，使用开关电源替代传统的线性电源已经成为一种趋势。
许多家电产品（如电视机、机顶盒解码器、录像机）都需要由多路稳压电源来供电。在电子仪器、自控装置中也要给各种模拟和数字电路提供多路电源。利用单片开关电源可以实现多路电压输出，单片模块外接上少数设备即可实现所需的设计功能。
第一章 多路输出式单片电源开关的原理与应用 6
第一章 多路输出式单片电源开关的原理与应用
许多家电产品（如电视机、机顶盒解码器、录像机）都需要由多路稳压电源来供电。在电子仪器、自控装置中也要给各种模拟和数字电路提供多路电源。利用单片开关电源可以实现多路电压输出。
1.1 降压式DC/DC电源变换器的原理与应用
降压式DC/DC电源变换器或模块，均可起到降低电压的作用，使输出电压低于输入电压，典型产品有MAX639、MAX1738，后者属于变换器模块，由于它把全部元器件都封装在模块内部，因此用户可以“即插即用”使用非常方便，本文所介绍的LM2673即属于变换器模块。下面来介绍其原理和应用。

1.1.1 降压式DC/DC变换器的基本原理
利用图1.1可以分析降压式DC/DC变换器的工作原理。变换器用开关S来等效。当S闭合时除向负载供电之外，还有一部分电能存储于电感L和电容C中。L上的电压极性是左端正、右端负，此时续流二极管VD截止。当S断开时，L上产生极性为左端负、右端正的反向电动势，使得VD导通，L中的电能就传送给负载维持输出电压不变，并且V0<V1。
1.1.2 LM2673降压式模块的应用
众所周知，采用集成工艺是无法将大量的电容器、电位器磁芯电感器、高频变压器、整流器等集中在芯片中的。因此，自行研制开关电源时不仅要选择芯片，还必须考虑到芯片之间、芯片与外围电路之间的接线并设计好印刷电路，最后完成安装调试工作。这就给用户带来了诸多不便。若采用开关电源模块，上述问题则可迎刃而解。
LM2673是美国国家半导体公司生产的一种微型降压式DC/DC变换器模块，通过各家生产制造厂商的预先设定，实现了使外部元件最小化的完整设计方案。其输入电压范围为8V~40V，最大电源电压45V。输出电压为3V、5V、12V（固定输出电压型号）和1.2V~37V（输出电压可调型号），输出电流为100mA~3A。功耗由内部限定，转换效率在94%以上。它采用脉宽调制式（PWM），具有限流保护、软启动、欠压锁定等多种保护功能。正常输出时的静态工作电流为4.2mA，在关断模式下减至3.7μA，输出电压亦降至零伏。在全程及负载条件，可调输出 电压在±2%范围浮动，运行温度范围为−40~+125℃。
LM2673采用标准的TO-220封装，见图1.2。其拥有1输出开关（Switch Output）、2输入（Input）、3增压（C Boost）、4接地（Ground）、5整流（Current Adjust）、6反馈（Feedback）、7软启动（Softstart）共7个管脚。下面分别简单介绍其功能。
表1 LM2673的一些工作参数
名称
范围
单位
最大电源电压
45
V
软启动管脚电压
-0.1~6
V
开关接地电压
-1~VIN
V
升压管脚电压
VSW+8
V
反馈管脚电压
-0.3~14
V
功耗
由内部限定
—
静电释放
2000
V
储存温度范围
-60~150
℃

焊接时的管脚温度
波峰焊（4秒）
260
℃
红外线焊接（10秒)
240
℃
气流焊（75秒）
219
℃

工作条件
电源电压
8~40
V
接点温度范围
-40~125
℃
热阻（QJR）
30
℃/W
热阻（QJC）
2
℃/W

第一章 多路输出式单片电源开关的原理与应用 11
管脚1：输出开关（Switch Output）
功率金属氧化物（半导体）场效应晶体管开关的输出端直接与输入电压相连。此开关为一个电感器、一个输出电容以及一个脉冲宽度调制器（PWM）控制下的负载电路提供能量。这个脉冲宽度调制器使用一个固定频率为260kHz的振荡器完成内部计时。在标准降压应用中，开关电源的工作周期（Time ON/Time OFF）与电源输出电压和输入电压之间的比值成正比例关系。管脚1的电压通过外置肖特基二极管的压降（Switch OFF）在输入电压Vin（Switch ON）与接地之间变换。

管脚2：输入(Input）
电源的输入电压与管脚2相连。除了给负载提供能量之外，输入电压也为LM2673的内部电路提供偏置电压。为了实现所有额定性能，输入电压的浮动范围必须在8V到40V之间。为实现电源的最佳性能，输入管脚应当总是与一个设置在管脚2附近位置的输入电容相旁通。
管脚3：C增压（C Boost）
在管脚3与管脚1（输出开关）之间必须连接一个电容，这个电容增压门驱动到半导体场效应晶体管，当电压在输入电压之上时则完全导通，在开关电源上实现最小传导损耗以维持高能效。其中C Boost的推荐值为0.01μF。
管脚4：接地（Ground）
是电源中所有元件的接地参考连接。在快速开关中，例如使用LM2673的大电流应用时，建议使用大面积接地层来减小分布在电路上的信号耦合。
管脚5：整流（Current Adjust)
LM2673的一个关键性特性是用来调节开关峰值电流上限使之达到符合特殊应用要求的水平，它可以降低使用外置元件时必须完全符合额定电流水平的要求（例如在短路条件下），使得这个电流水平可以比正常电路的操作电流的要求出高很多。
一个电阻器将管脚5与接地连接起来，它可以得到一个确定的电流（I(pin 5) = 1.2V / RADJ），该电流可产生一个通过电源开关的峰值电流，最大开关电流固定在37,125 / RADJ的水平上。
管脚6：反馈（Feedback）
电源的实际输出相接以获得一个直流输出电压。由于具有稳定的电压输出驱动（3.3V、3.5V和12V输出），LM2673芯片内部在被要求提供内部增益设定电阻的同时也提供与输出相接的直流线路。在可调节输出版本中，两个外置电阻被要求提供直流输出电压。通过电源的稳定操作来阻止流向反馈输入端的一些电感耦 合是十分重要的。
管脚7：软启动（Softstart）
一个连接着管脚7与接地的电容器提供了一个缓慢增加的开关调节器，该电容用来提供一个时间延迟，以逐渐增加内部开关电源的工作周期，这样做可以显著地减少输入电源在输入电压的突变中所产生的浪涌电流量。如果不要求软启动的话，该管脚应该被断开。
1.2开关电源的输入电路
1.2.1 输入整流器
在选择组合元件和分立元件时，设计者必须要查对下面一些重要的技术参数。
（1）最大正向整流电流。这个参数主要根据开关设计的输出功率决定。所选择的整流二极管的稳态电流容量至少应是计算值的2倍。
（2）峰值反向截止电压（PIV）。由于整流器工作在高电压的环境，所以它们必须具有较高的PIV值。一般应在600V以上。
（3）要有承受高的浪涌电流的能力。浪涌电流是由开关导通时的峰值电流所产生的。

第一章 多路输出式单片电源开关的原理与应用 15
1.2.2 输入滤波电容
正确地选择和计算整流滤波电容是十分重要的，因为它将影响到下列的一些性能指标：电源输出端的低频交流波纹电压和输出电压保持时间。一般情况下，高质量的电解电容器所具有的滤除交流波纹电压的能力越强，它的ESR值就越低。其工作电压的额定值至少应达到200V。
计算滤波电容的公式如下：
（1-1）
公式中，C：电容量，F；
I：负载电流，A；
t：电容提供电流的时间，s。
ΔV：所允许的峰-峰值纹波电压，V。
1.3开关电源的输出电路
一般情况下，开关电源的一路或多路输出电压通常都是直流低电压，具有一定的输出功率，用来驱动其他电子电路。大多数输出电压为5V、12V、15V、24V等等，输出功率一般为几瓦到几千瓦。
开关电源的大多数输出电路，都是对高频变压器次级的高频方波电压进行整流滤波。为了获得高质量的直流输出电压，所以需要一些特殊的元器件，如肖特基势垒整流二极管、超快恢复整流二极管，低ESR值的电解电容以及存储能量的电感，以便产生低噪音的输出电压，从而满足电路的需求
1.3.1整流输出和滤波电路
开关电源的输出整流和滤波电路取决于设计者所选择的电路类型。一般在反激式变换器中所使用的输出电路，在反激式变换器电路中，因为变压器T1还起存储能量的电感作用，所以二极管VD1和电容器C1是产生直流输出电压的整流滤波元件。在实际应用电路中，还经常插入一个附加的LC滤波网络。其作用是使输出电压更加平滑。在实际设计中，L和C的取值及物理尺寸一般均很小。
在任何开关电源的输出电路设计中，都应严格选择整流二极管和续流二极管的反向截止电压，使之反向耐压能够达到设计要求的最小值。对于反激式变换器电路，整流二极管VD1的反向截止电压值至少应等于1.2Vin*（NS/NP）。
正激式变换器的输出电路与反激式的相比较，其明显区别是在电路中增加了一个二极管VD2，我们称之为续流二极管。在平滑滤波电容C1前面，还增加了电感L1。
在驱动晶体管截止期间，由二极管VD2给输出端提供电流，因此，把二极管VD1和VD2结合起来使用，就可以在整个变化周期都能为输出端提供全波电流输出。而它们的反向截止电压是相同的（即至少应等于1.2Vin*NS/NP)。
推挽式、半桥式、全桥式变换器的输出电路中，由于二极管VD1和VD2都给输出端提供半周期的电流，所以它们分担这相等的负载电流。有意思的是，它不需要续流二极管，因为当一个二极管截止时，另一个二极管就起到续流的作用。 但是，对于二极管的反向截止电压参数的要求就提高了，它的最小值应为：2.4VOUT*Vin.max/Vin.min。
1.3.2功率整流器的特点
在开关电源中，所需的整流二极管必须具有正向压降低、快速恢复的特点，还应具有足够的输出功率。普通的PN结二极管不适于作为开关使用。这主要是因为它们恢复速度慢，并且效率也低。在开关电源中，可以使用以下三种类型的整流二极管：
（1）高效快速恢复二极管；
（2）高效超快恢复二极管；
（3）肖特基势垒整流二极管。
图1.3.2表示的是这三种整流二极管的正向特性。
肖特基势垒整流二极管（见图1.3.2中曲线a）展示的正向压降VF为最小，因此
第一章 多路输出式单片电源开关的原理与应用 17
它的效率也最高。下面我们具体讨论这三种类型整流管的差异及使用价值。
1.快速恢复和超快恢复二极管。
快速恢复（见图1.4曲线c）和超快恢复二极管（见图1.4曲线b）具有适中和较高的正向压降。其范围是从0.8V~1.2V。这两种整流管还具有较高的截止电压参数。因此，它们特别适合于在输出小功率，电压在12V左右的辅助电源电路中的使用。
由于现代的开关电源频率都在20kHZ以上，比起一般的整流二极管，快速恢复二极管和超快恢复整流二极管的反向恢复时间减小到了ns级。因此，大大提高了电源的效率。
经验告诉我们，在选择快速恢复整流二极管时，其反向恢复时间参数trr至少应该比开关晶体管的上升之间低三倍。
这两种整流二极管还减小了开关电压尖峰。而这种尖峰直接影响输出直流电压的波纹。虽然某些“软”恢复型整流二极管的噪音较小，但是它们的反向恢复时间trr较长，反向电流IRM也较大。因此使得开关损耗增大。

图1.5说明的是快速恢复型与“软”恢复型二极管的特性。
波形（a）描述的是整流二极管在特定斜率di/dt条件下，从正向导通到反向截止时期的波形，图中的圆圈部分是反向恢复部分；
波形（b）描述的是快速恢复型整流二极管的反向恢复部分；
波形（c）描述的是“软”恢复型二极管的反向恢复部分。
从图1.5可见两种不同类型的整流管的trr和IRM数值有着明显的区别。
快速恢复整流二极管和超快恢复整流二极管在开关电源中作为整流器使用时，是否需要散热器，要根据电路的最大输出功率来决定。一般情况下，这些二极管在制造时允许的结温在175℃左右。生产厂家对其产品都有技术说明，提供给设计者去计算最大的输出工作电流、电压、及外壳温度等。

2.肖特基势垒整流二极管
图1.4揭示了肖特基势垒整流二极管即使在大的正向电流作用下，其正向压降也很低，仅有0.4V左右。由于它具有这一优点，使得肖特基势垒整流二极管特别适用于5V左右的低电压输出电路中。因为在一般情况下，低电压输出所驱动的负载电流都较大。而且随着结温的增加，其正向压降更低。
肖特基势垒整流二极管的反向恢复时间是可以忽略不计的，因此该器件是多数载流子半导体器件，在器件的开关过程中，没有清除少数载流子存在电荷的问题。
肖特基势垒整流二极管存在着两个主要缺点。
第一是其反向截止电压的承受能力较低，目前的产品大约为100V。
第二是它们具有较大的反向漏电流，使得该器件比其它类型的整流器件更容易受热击穿。当然，这些问题也可以通过增加瞬时过压保护电路及适当控制结温来克服。

第一章 多路输出式单片电源开关的原理与应用 19
3.瞬时过压抑制电路
图1.6是一个半桥式脉宽调制(PWM）变换器开关电源的输出电路，它利用肖特基势垒整流二极管VD1和VD2作为全波整流器件。变压器次级一半的电压VS最小是2VOUT。因此，每支二极管所能承受的截止电压必须是2VS或者说是4VOUT。

高频变压器的漏电感和肖特基势垒整流二极管的结电容在管子截止时，形成了一个谐振回路，它会引起瞬时过压振荡。振荡脉冲的振幅足以超过肖特基势垒整流二极管的截止电压，在管子截止期间，会使管子损坏，为此，需增加RC吸收回路进行抑制。
增加了RC吸收电路之后，会使振荡波形的振幅下降到安全范围内。对于大电流输出的电路，把吸收回路跨接在每个整流器的两端。对于那些小电流输出的电路，把一个RC吸收回路加在变压器次级的两端即可。第三种吸收回路用齐纳二极管将过高的振荡脉冲电压降至允许的范围内。
RC吸收回路的电阻RS值可以由下边的公式求出。
(1-3)

第一章 多路输出式单片电源开关的原理与应用 12

公式中 LT：变压器的漏电感，H；
CJ：肖特基势垒管的结电容，F；
n：变压器初级对次级的匝数比，NP/NS。
吸收回路中的电容器CS的值可以在0.01μF到0.1μF之间任意选择，电阻上的功率损耗PR可以由下式求出：
（1-4）
其中f是变换器的工作频率。
1.3.3功率输出电感的特性
在设计隔离式高频开关电源时，大多数人都使用电感作为输出滤波电路的一部分。电感的存在，有两方面的作用。第一个作用是它可以存储能量，以便在开关功率管截止或“死区”时间内，能够给负载提供连续不断的电流；第二个作用就是使输出的直流电压更加平滑，使输出电压波纹能够达到允许的标准。
目前，市场上有多种材料制成的磁芯可供设计者在设计电感时选择。常用的磁芯有铁氧体磁芯，铁粉磁芯和坡莫合金（MPP）磁芯。这些磁芯对于设计电感都是很好用的。基本的设计原则是要与成本、重量和实用性等因素综合起来考虑。
铁粉磁芯与MPP磁芯一般是圆环形状，由于具有如下特点，所以最适合于作扼流圈。
（1）饱和磁通密度高，可达T以上。
（2）能量存储能力强。
（3）由于有固有的气隙口，因此无须对磁芯再开气隙口。
（4）供选择的尺寸宽。
对于铁氧体磁芯来说，由于其饱和磁通密度Bsat低，所以必须要开气隙口，它们对温度比较敏感，其体积也较大。铁氧体扼流圈的特点是容易绕制。它更适于使用粗导线绕制电感线圈。如果用罐形磁芯作输出电感，由于其固有的屏蔽特性，电感所辐射的射频干扰会减小。
1.4开关电源的控制电路
当今的开关电源大部分采用脉冲宽度调制技术(PWM)，这一技术主要是在主变换器工作周期不变的情况下，通过改变开关晶体管的导通时间和截止时间，以控制输出电压稳定在预先确定的电压值上。PWM提供了优越的性能，如良好的线性、负载调整率高以及在温度变化过程中具有较高的稳定性等。
1.4.1 开关稳压系统的隔离技术
隔离式高稳定开关电源的任务主要有两个方面，首先，它必须提供高度稳定的若干组低输出，为电子设备或机电电路提供充足的供电电源；另一方面，它必须在输出和输出之间提供很高的隔离特性，以保护电器免受因高压及冲击电流引起的电气短路的危害。
1.4.2 PWM系统
尽管许多开关技术可用于开关电源的设计中，但直到目前为止，使用最多的开关技术还是固定频率的PWM技术。在一个PWM系统中，通常是产生一组方波脉冲来对开关晶体管的开关进行控制，用改变脉冲宽度的方法，来改变晶体管相应的导通和截止时间，因而能够使输出电压稳定在预定的值上。
PWM控制电路可以是单端的，即能够驱动一个单晶体管变换器（如反激式和正激式变换器电路）。如果有两个或更多 的晶体管需要驱动（采用半桥式或全桥式变换器电路），则需要采用一个双路的PWM电路。
1.由分立元件构成的单端PWM控制电路
一个简单的闭环回路PWM控制电路，可用很少几个分立元件构成的半导体电路来实现。一个时钟脉冲生成电路IC1产生一串固定频率的不对称方波脉冲，固定频率为20kHZ，IC1可选用555时基电路或其他等效电路进行设计
2.一种集成的PWM控制器
近年来已开发出许多高频开关电源控制集成电路，这些电路包含了建立PWM开关电源所需的所有功能，使开关电源用一片集成电路和若干附加元件即可制成。图1.7描述了一个简单的PWM控制器的基本构成框图和它相关部位的波形。这个电路电路的工作过程如下：误差放大器将从电源输出端引入的反馈信号与其反相输出端的固定参考电压Vref进行比较，误差信号被放大并送到比较器的反相输入端，而比较器的同相输入端输入的是由一个固定频率振荡器产生的具有线性斜率的锯齿波，振荡器的输出同时送到一个翻转触发器（F/F),产生方波输出Q和 。

比较器的输出方波和触发器的方波输出，都用于驱动与门，使得两个输入信号均为“1”时输出，这样，在A路和B路最终得到的是可变脉冲占空比的脉冲串。图1.7b用虚线说明了，当误差信号幅度变化时，输出脉冲的宽度是如何被调制的。通常PWM控制器在其外部经缓冲后去驱动主电源开关晶体管。这一类的电路可被用来驱动两支晶体管或是驱动单晶体管，在后一种情况下，输出可在片外进行“与”处理（直接相与），或者只允许有一路作为驱动。
这种PWM控制器的优点是很突出的，包括可编程的固定频率振荡器，线性PWM可从0%~100%地调整占空比，防止输出晶体管同时导致的死区时间调整，并具有电路简捷、可靠性高和价格便宜的优点。
3.单片PWM控制器及其应用
早期出现的单片PWM集成控制电路是摩托罗拉公司生产的MC3420开关方式的稳压控制器和SG公司生产的SG3524PWM控制器，这两种集成电路已经成为工业标准器件。
这些PWM控制芯片在很长一个时期内成为了开关电源设计的中心部分，它们既可以单端应用，也可以双端应用，效果很好。而后许多生产厂家又相继推出了多款PWM控制芯片，其中德州仪器公司推出的TL494芯片就是对SG3524的改进，提供了可调整的死区时间控制功能，输出晶体管也具有较高的拉、灌电流能力，改进了限流控制，输出方向控制等功能。
由于功率MOSFET管的引入，又首次出现了SG1525A和SG1526系列芯片，它们采取图腾柱式输出方式，具有直接驱动功率MOSFET和双极性晶体管的功能。这些电路还具有低压时锁定输出，可编程式软启动，数字式电流限制，并可在高达400kHZ的频率下工作。
1.5 开关电源的辅助电路
为了增强开关电源的稳定性和可靠性，还需要许多外围电路和辅助电路。
在开关电源的主振回路中，广泛的应用了像光电耦合器一类的元器件，这些元器件在反激式变换器和正激式变换器电路中，除了提供必要的输入-输出隔离功能外，它们还能提供良好的信号传递功能。
此外，主振回路还包括其它一些电路类型：如软启动电路、过流保护电路、过压保护电路等，这些电路可以有效防止电源由于意外原因造成失效损坏。
1.5.1 光电耦合器
光电耦合器又叫做光电隔离器，在开关电源的主振回路中，它在输入回路和输出回路之间起隔离作用。同时，它还为电源的稳压控制电路提供信号传递通路。图1.5.1表示的是一个典型的光电耦合器结构图。
光电耦合器主要由两个元件组成：一个是光源。实际上它是一个发光二极管（LED），另一个是光敏器件，它可以是光电池、光敏三极管、光敏单向可控硅等器件。最通用的光电耦合器是把一个砷化镓发光二极管（LED）和一个硅光敏三极管封装在一个完全与外界光线隔绝的外壳中。
光电耦合器的基本工作过程如下：当有电流经过LED时，便产生一个光源，光的强度取决于激励电流的强度，此光源照射到封装在一起的 光敏三极管上后，控制光敏三极管产生一个与LED正向电流成比例的集电极电流。

1.5.2 开关电源主振回路所使用的自举式辅助电源
在高频开关电源中，用驱动变压器推动开关管的基极可以实现必要的输入-输出时间隔离，但通常是用在半桥式和全桥式变换器电路中。在大多数正激式和反激式变换电路中，都是利用光电耦合器作隔离器件。

第一章 多路输出式单片电源开关的原理与应用 27

利用光电隔离器可以大大简化电路的设计，因为它不需要驱动变压器和辅助电源变压器。在这种情况下，总的控制电路是以变压器的初级侧为基准的。启动电路和自举式辅助电源技术可以直接应用于直流高压线和高频变压器之间，并为控制电路提供电源。
自举式辅助电源电路的功能如下：当输入交流电压加上后，PWM控制和驱动电路得到了启动电压VC,此电压是由直接与直流高压相连的R1、VDW1和VT1线性稳压电路形成的启动电压。在电源启动后，主变压器的辅助线圈提供了电压VD，其电压值高于VC，从而是二极管D5处于反向偏置。因此，把线性稳压器也关闭了。在这一条件下，电源提供了自举的辅助电源电压VD以保持它本身的工作，而启动稳压器即无功率消耗了。
在设计以上电路时，必须选用符合条件的晶体管。要求此晶体管在截止时，要能承受基极-集电极的高压。这种电路形式只要稍加变化，便可在许多的实际电路中被采用。
1.5.3 开关电源中的软启动电路
在大多数开关电源设计中，都要有一个延时启动电路，目的是为了避免在电源开关接通的瞬间产生过流现象和使变压器产生饱和现象。完成这一功能的电路称为“软启动电路”。一般的软启动电路都由RC网络组成，它使得PWM控制电路输出从零电压上升到其工作电压的过程是缓慢进行的。
在PWM控制电路中软启动电路的组成如图1.5.3所示。
在图1.9中电路可以使PWM控制信号从零到其工作电压逐渐地上升，具体工作过程分析如下：在时间t=0时，电源开关 刚接通，电容器开始处于未被充电状态，而误差放大器的输出端通过二极管VD1保持在零电平。这样，它就禁止了比较放大器的输出。

第一章 多路输出式单片电源开关的原理与应用 31

在时间t=时，电容器通过电阻R开始充电，充电时间常数由下式决定：
（1-7）
充电电压为Vref。当电容器充满电荷时，二极管VD1则处于反向偏置。因此，误差放大器的输出就和软启动网络隔离开来。电容器C缓慢地充电导致比较放大器输入端的PWM波形逐渐地上升。这样，开关元件的软启动功能就完成了。
二极管VD2用于旁路电阻R，为了确保在系统关闭的情况下，使电容器C有足够的速度放电，这样，即使在很短的中断时间，也可以启动另一个新的软启动周期。在一些第二代的PWM集成控制电路中，电阻R已被集成在电路芯片上的电源生成器所代替，因此，只需要一个外围器件电容器C便可以完成软启动功能。
很显然，软启动电路使得输出电压的上升时间产生一定的时间延时，因此，必须要合理的选择电阻R和电容器C的值，以保证这个延时时间在允许的范围内。
1.6 作为开关使用的功率MOSFET管
1.6.1基本的MOSFET管定义
尽管场效应管（FET）在各种电路中已经应用多年，但是金属-氧化物的半导体场效应管（MOSFET）是在最近十几年内才发展起来的，并广泛应用于电源设计中。MOSFET管的性能远远超过开关电源对于器件的要求，它的工作频率超过20kHZ，可以达到100kHZ到200kHZ，完全超过了双极性晶体管工作频率的限制。
它有几个适用于设计电源变换器的优点，如其工作频率可达100kHZ以上更重要的是它减小了体积和重量，功率MOSFET管向电源设计者提供了一种高速、大功率、高耐压的器件，它还具有高增益，几乎不存在存储时间，不会有热击穿等优点。

图1.10是N沟道MOSFET管与NPN型双极性晶体管相比较的原理图符号。还有一种P沟道的MOSFET，它的电流流动方向与N沟道的MOSFET相反。在图1.6.1中，双极性晶体管分为集电极、基极和发射极，MOSFET与之相对应的极分别是漏极、栅极和源极，分别用字母D、G和S表示。
虽然这两种器件都叫做“晶体管”，但是它们在构造上和工作原理上有严格的区别最重要的区别是MOSFET管是多数载流子运动的半导体器件，而双极性晶体管是少数载流子运动的半导体器件。
第一章 多路输出式单片电源开关的原理与应用 33
1.7 开关电源所用的术语
效率：电源的输出功率与输入功率的百分比。其测量条件是满负载，输入交流电压为标准值。
ESR：等效串联电阻。它表示电解电容呈现的电阻值的总合。一般情况下，ESR值越低的电容，其性能就越好。
输出电压保持时间：在开关电源的输入电压撤销后，依然保持其额定输出电压的时间。
启动浪涌电流限制电路：它属于保护电路。它对电源启动时产生的尖峰电流起限制作用。为了防止不必要的功率损耗，在设计这一电路时，一定要保证滤波电容充满电之前，就起到限流作用。
隔离电压：电源电路中的任何一部分与电源基板地之间的最大电压。或者能够加在开关电源的输入端与输出端之间的最大直流电压。
线性调整率：输出电压随输入线性电压在指定范围内变化的百分率。条件是负载和周围温度保持恒定。
负载调整率：输出电压随负载在指定范围内变化的百分率。条件是线电压和环境温度保持不变。
噪音和波纹：附加在直流输出信号上的交流电压和高频尖峰信号的峰值。通常是以mV为量度。
隔离式开关电源：一般指高频开关电源。它从输入的交流电源直接进行整流和滤波，不使用低频隔离变压器。
输出瞬态响应时间：从输出负载电流产生变化开始，经过整个电路的调节作用，到输出电压恢复额定值所需要的时间。
过载或过流保护：防止因负载过重，使电流超过原设计的额定值而造成电源损坏的电路。
软启动：在系统启动时，一种延长开关波形的工作周期的方法。工作周期是从零到它的正常工作点所用的时间。

第二章 单片式降压稳压开关电源的设计 35
第二章 单片式降压稳压开关电源的设计
2.1电路设计程序的准备
2.1.1 电路设计程序的一般方法
我们可以通过一些简单的步骤设计完成一个完整的降压稳压器。
步骤1：定义电源的运行条件：所需的输