一
、 开关电源的定义、背景及发展趋势
顾名思义 ，开关 电源的核心为 电力 电子 开关 电路 ，根据负载对 电源
提出的输 出稳压或稳 流特性 的要 求 ，利用反馈 控制 电路 ，采 用 占空 比控
制方法，对开关电路进行控制 。
40 多年来，开关电源经历了三个重要发展阶段：第一个阶段是功率
半导体器件从双极型器件(BPT 、SCR 、GT0)发展为 M OS 型器件 (功率
M OS —FET、IGBT 、IGCT 等)，使电力电子系统有可能实现高频化，并大
幅度降低导通损耗，电路也更为简单。第二个阶段自20 世纪8O 年代开
始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更
轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去 20 年国际电力电子界研究
的热点之一。第三个阶段从20 世纪9O 年代中期开始，集成电力电子系
统和集成电力电子模块(IPEM )技术开始发展，它是当今国际电力电子
界亟待解决的新问题之一 。
开关电源的特点 ：一是效率 高。采用 占空 比控 制的开关 电源 ，在理
想情况下，只进行能量的变换而没有损耗。实际上电路中开关器件存在
通态压降、断态漏电流、开关损耗等非理想因素，电感和电容元件也有等
效串联电阻和漏电流等非理想因素，所以存在损耗。但电路的总效率仍
能达到 85％ ～98％ ，远远高于靠动态电阻调节的线性 电源 ，通常 比相控
电源的效率也要高些。二是体积小、重量轻。开关电源采用较高的开关
频率，一般高于 20kHz这一人耳的听觉极限。因此电路中的电感、电容
等滤波元件和变压器都大大减少。而线性电源和相控电源通常都需要
采用很大的滤波元件和笨重庞大的工频变压器。所以在同等功率的条
件下，开关电源的体积和重量仅为线性电源和相控电源时的 1／10。另
外 ，开关电源 的效率较高 ，需要的散热器也较小 ，这在很大程 度上减小 了
体积和重量。同时，还节省了很多硅钢片、铜、铝等原材料。因为具有这
些优点，开关电源的应用越来越广泛 ，大有取代线性电源和相控电源的
趋势。值得注意的是，开关电源的输出噪声和纹波一般比线性 电源大，
所 以在需要非常低 的噪声与纹波 (如纹波峰峰值要小 于 5 ～10m V )的情
况下，仍需要线性电源，由于大功率全功率非常大(1M W 以上)时，仍需
采用相控 电源。但 随着控制技术和元器件技术 的不断发展 ，开关 电源的
各方面的性能都在不断提高，容量也在不断扩大。
开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益
是使开关电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域 ，特
别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。
另外开关电源的发展与应用在节约资 源及保护环境 方面都具有 深远的
意义。开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面：小型
化、薄型化、轻量化、高频化；高可靠性；低噪声；采用计算机辅助设计和
控制——采用 CAA 和CDD 技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关
电源具有最简结构和最佳工况。
二、小功率通用开关电源的工作原理
电路主要包括输入整流滤波、TOP249Y 脉宽调制、高频变压器、电压
反馈整流滤波、输出整流滤波等几部分。该电源共使用 3 片集成电路：
TOP249Y 型6 端单片开关电源(IC1) ；线性光耦合器 PC817A (IC2) ；可
调式精密并联稳压器 TIA 31(IC3)。电阻 R9 和R 10 用来从外部设定功
率开关管的漏极极限电流，使之略高于满载或输入欠压时的漏极峰值电
流 ID(PK )。这就允许在 电源起动过程 中或输 出负载不稳定但 未出现饱
和的情况下，采用较小尺寸的高频变压器。当输入直流电压过压时。I{9
和 R10 还能 自动 降低最大 占空比 Dmax ，对最大负载功率加以限制 。R 11
为欠压或过压检测电阻，并能给线路提供电压前馈，以减少开关频率的
波动。取 R11 =2M n 时 ，仅当直流输入 uI 电压达 到 100V 时 ，电源才 能
起动。TOPSwitch—GX 的欠压 电流 IUV = 50p~A ，过压 电流 IOV = 225 A 。
有公式 ‘
UUV = IUV ·R1l 公式 (3．1)
UOV ：IOV ·R11 公式 (3．2)
将 Rl1 =2M f 1 分别代人式(1)和式(2)中得到，U UV = 100V (Dc )，
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UOV =450V (DC)。过压时最 大占空 比 Dm ax 随流 入 x 端 的电流 Ⅸ 的
增大而减小 ，当 Ix 从 90wA 增加 到 190~A 时 ，最大 占空 比 Dmax 就从
78％(对应于 UUV = lOOV )线性地降低到47％(对应于375V )。在掉电
后，欠压检测能在 cl 放电时减少输出干扰，只要出现输出调节失效或者
输入电压低于40V 的情况，都会使 TOPSwitch —GX 关闭。当开关电源受
到450V 以上的冲击电压时，Rll 同样可使 TOP249 关断，避免元器件受
到损坏。
由 VDZ1 和 VD1 构成的漏极 钳位电路 ，能吸收在 M OSFET 关 断时 由
高频变压器初级漏感产生的尖峰电压，保护 M OSFET 不受损坏。VD Z1
采用钳位 电压 为 200V 的 P6KE200 型瞬态 电压抑 制器，VD 1 选用
U F4006 型超快恢复二极管，其反向耐压为800V 。将电容 c ll 和 VDZ1
并联后，能减少钳位损耗。选择全频工作方式时，开关频率设定为
132kHz。为了减小次级绕组和输出整流管的损耗，现将次级绕组分成两
路 ，每路单独使用一只 M BR20100 型 20A／100V 的共阴极肖特基对管
(V IY2、VD3) ，然后并联工作 。输出滤波电路 由 C2、C3、Ll、C4 和 C14 构
成。空载时，TO P249Y 能自动降低开关频率，使得在交流 230V 输入时
电源损耗仅为520mW 。TOP249Y 具有频率抖动特性，这对降低电磁干
扰很有帮助。只要合理地选择安全电容 c7 和 EM I滤波器(【2、L3 、c6)
的元件值 ，就 能使 开关 电 源产 生 的 电磁 辐 射 符合 CISPR22 (E CB )／
EN55022B 国际标准。将 c7 的一端接 uI的正极，能把 TOP249Y 的共模
干扰减至最小。需要指出，c7 和 c6 都称作安全电容，区别只是 C7 接在
高压与地之间，能滤除初、次级耦合电容产生的共模干扰，在 IEC950 国
际标准中称之为“Y 电容”。c6 则接在交流电源进线端，专门滤除电网
线之 间的差模干扰 ，被称作 “x 电容”。
精密光耦反馈电路由IC2、IC3 等组成。输出电压 UO 通过电阻分压
器 R4 ～R6 获得取样电压，与 TL431 中的2．50V 基准电压进行比较后产
生误差电压，再经过光耦去改变 TO P249Y 的控制端电流 lC，使占空比发
生变化，进而调节 UO 保持不变。反馈绕组的输出电压经VIM．、C15 整流
滤波后 ，给光耦 中的接收管提供偏压 。C5 还与 R8 一起构成 尖蜂电压滤
波器，使偏置电压在负载较重时能保持恒定。R7、C9、CIO 和 R3 、C5、c8
均为控制环路的补偿元件。
本论文主要阐述额定输出功率为70W 的通用的小功率开关电源的
工作原理，该电源主要采用 TO P249Y 、PC817A 、TL431 等专用芯片以及
其他的电路元件相配合，使开关电源具有自动稳压功能。该开关电源的
基本技术指标为：固定交流输入电压 UACI；220V (85V 一265V )；电网频
率 ：50H z；输出直流电压 Uo：19V ；输出额定电流 Io：3．6A ；额定输出功率
Po：70W ；负载调整率 SI：4％；电源效率 H ：高于 84％；空载功率损耗：低
于0．52W (U =230V 时)；输出纹波电压：不高于120mY (蜂 一峰值)。
三、结论
该开关 电源 的交流输入电压范围是 85V 一265V ，这属于全世界通用
的电压范围，该电源能同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极
限电流、降低最大占空比等功能；同时由于开关电源具有高集成度、高性
价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，所以其应用非常广泛。