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从零学起开关电源设计入门_第三章_开关电源的主要元器件

PWM控制器

开关电源的很多元件需要通过较大的电流，而且承受很高的电压，这些元件被称为功率器件。

开关电源常用的控制方式有脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和混合调制三种。其中，PWM方式具有固定开关频率，为设计滤波电路提供了方便，所以应用最为普遍。

脉冲宽度调制也称PWM控制器，可分为电压控制模式和电流控制模式两种，简称电压型和电流型。

PWM芯片8个引脚和16个引脚的芯片最为常见，例如UC3824、UC3843、TEA1532、KA7500、UC3846、TL494、SG3525等。

引脚较少的PWM控制器芯片，例如UC3842、UC3843和TEA1532只有一个输出驱动端，适合控制单端反激和正激型拓扑结构的开关电源，这种拓扑结构只有一个功率开关管。

引脚较多的PWM控制器芯片，例如KA7500、UC3846和TL494有两个互补输出驱动端，适合控制推挽式、半桥式和全桥式拓扑结构的开关电源，这类拓扑结构使用两个功率开关管交替工作。

有些PWM控制芯片，例如KA7500和TL494有两种输出模式，可以选择不同的输出模式，这些芯片可以用于几乎所有拓扑结构的开关电源。

还有将PWM控制器和功率开关管集成到一个芯片中，例如TEA1521、VIPer22A、FSL106HR、TNY284和TOP242等。

功率开关管

所谓开关电源，就是指电源中调节输出电压/电流的晶体管处于高速开/关工作状态。这些晶体管需要承受很高的电压和很大的电流，因此被称为功率开关管。

功率开关管主要有双极型晶体管、场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管三种类型。在中小功率开关电源中，功率开关管通常以场效应晶体管为主。但是，中小功率的双极型晶体管作为主要元件，依然广泛用于开关电源的控制电路和驱动电路之中。绝缘栅双极型晶体管具有更高的击穿电压和更大的输出电流，主要用于大功率的开关电源中。

TO-92和SOT-23的封装，体积很小，工作电流较小，主要用于开关电源的控制电路；TO-126、TO-220和TO-263体积较大，他们的工作电流较大，普遍用于驱动电路和中等功率的开关电源；TO-3、TO-247和TO-3P体积更大，他们具有更大的工作电流，通常用在大功率的开关电源中。

双极型晶体管（BJT）

全称双极结型晶体管，英文Bipolar Junction Transistor，缩写BJT。

通过一定的半导体工艺，将两个PN结结合在一起形成的元件，有PNP和NPN两种极性结构。双极型晶体管有3个引脚，经常称之为半导体三极管或晶体三极管，简称三极管。超大功率双极型晶体管，又称电力晶体管，英文为Giant Transistor，直译为巨型晶体管，简称GTR，也称PowerBJT，即功率晶体管。GTR主要用在早期功率很大的开关电源及UPS（不间断电源）中，由于其驱动电路复杂，工作频率较低，现今已经被IGBT取代。

通常所说的三极管就是指双极型晶体管。

工作原理

3个引脚，分别为集电极C、基极B和发射极E。

双极型晶体管属于电流控制型半导体元件。当基极流入较小电流时，在发射极和集电极之间会形成较大的电流，这就是双极型晶体管的放大效应。

双极管工作时，需施加正极性的UBE和UCE，此时发射结正向偏置，集电结反向偏置。基极流入较小的电流IB，在集电极会产生较大的电流IC。IC和IB的比值称为直流放大倍数，常用HFE表示。HFE的数值通常在20至200之间。IE=IC+IB，由于IC比IB大很多，通常可按IE=IC计算电路参数。

当双极型晶体管工作在放大状态（UCE≥2V），输入特性曲线见3-2-3（b）。UBE从0.5V-0.7V变化时，IB从0变化到1mA。或者说，IB从0-1mA变化时，UBE从0.5V变化到0.7V。可见，晶体管工作在放大状态时，UBE的变化很小，通常可按0.7V来计算电路参数。

输出特性曲线见3-2-3（C），当基极电流IB=0时，晶体管处于截止区，此时集电极电流很小，并且随UCE的大小变化不大，此电流被称为穿透电流，通常用ICEO来表示。开关电源的功率开关管关断时就处于截止区。在电路分析计算时，可以认为穿透电流为零。

当晶体管处于放大区的时候，集电极电流IC与基极电流IB为固定比例关系，IC=HFE x IB。IC随UCE大小变化不大，晶体管处于恒流输出状态。

集电极电流IC的变化量△IC与基极电流IB的变化量△IB的比值，称为交流放大倍数，常用β来表示。在频率较低时，直流放大倍数HFE和交流放大倍数β差别不大，可以认为两者相等。

UCE很小时，晶体管将进入饱和区。在饱和区，IC大小不再是IBxHFE，而是比这个乘积要小。此时集电极对发射极电压被称为饱和压降，用UCES或UCE(sat)来表示。中小功率晶体管的饱和压降UCES一般在1V以下，大功率的则为2-3V。

如3-2-3（a）所示，在饱和区域，IC为UCC与RC比值（忽略饱和压降UCES），与IB无关。当IBxHFE的乘积稍大于IC时是浅度饱和，远大于IC则是深度饱和。开关电源的功率开关管导通时，就处于饱和区域。在开关电源中，功率开关管深度饱和会影响开关速度，增加开关损耗。因此并不是饱和深度越大越好。

主要参数

集电极-基极击穿电压：UCBO/U(BR)CBO/BUCBO，发射极开路时，集电极与基极之间的最大允许电压。超过该电压，晶体管将会击穿损坏。

集电极-发射极击穿电压：UCEO/U(BR)CBO/BUCBO，基极开路时，集电极与发射极之间的最大允许电压。超过该电压，晶体管将会击穿损坏。

集电极电流：IC，集电极允许的连续工作电流，即DC电流。

集电极最大允许电流：ICM，为集电极允许的峰值工作电流，即脉冲电流。通常指晶体管的放大倍数下降到标称值的一半或者2/3对应的IC值。超过该电流，晶体管可能会过电流损坏。

集电极最大允许功耗：PCM，为集电极允许的最大功率损耗，通常是在管壳温度为25℃时测量的。当管壳温度为75℃时，最大允许功耗通常会下降到PCM值的一半左右。

集电极-发射极饱和压降：UCES/UCE(sat)，为晶体管饱和导通时，集电极与发射极之间的导通电压。该电压越小，晶体管的导通损耗就越低。

直流放大倍数：HFE/β，为晶体管工作在线性放大区域时，IC与IB的比值。HFE越大，产生相同IC所需要的IB就越小，这有利于降低驱动电路的功率损耗。

开通时间：tON，为晶体管从截止状态进入饱和导通状态所需要的时间。tON为开通延时（td）与上升时间（tr）的总和，其数值通常为1us左右。

关断时间：tOFF，为晶体管从饱和导通状态进入截止状态所需要的时间。tOFF为存储时间（ts）与下降时间（tf）的总和，其中ts所占比例较大。tOFF的数值通常在2-5us之间。

双极型晶体管可分为低频放大、低频开关、高频放大、高频开关等多种类型。开关电源使用的功率开关管应为高频开关型大功率晶体管。这类晶体管具有较小的开通（tON）和关断（tOFF）时间，以便降低开关损耗。

使用注意事项

在开关电源中，选双极型功率开关管时，首先要考虑晶体管的击穿电压。晶体管的击穿电压应为功率开关管所承受最大电压的1.3-1.5倍以上。通常按UCEO≥(1.3-1.5)UCEmax来选择。鉴于开关电源的功率开关管关断时，通常在基极施加一定的负电压，开关管实际承受集电极-基极的电压。因此也可按UCBO≥(1.5-2)UCEmax来选择晶体管的击穿电压。

功率开关管的最大集电极电流IC通常留出1-2倍的电流余量，即集电极电流IC应为开关管最大工作电流的2-3倍。如果按集电极最大允许电流ICM来选择，安全系数应该更大一些，可按ICM≥(3-4)ICmax来选择晶体管集电极电流。

为提高开关速度，开关型大功率晶体管的电流放大倍数HFE值较低，其最小值一般仅为5-10倍。这就要求驱动电路必须能够提供更大的基极电流，另外，当集电极电流IC较大的时候，HFE的数值还会随IC的增加而迅速减小。

图3-2-4给出MJE3005的放大倍数和集电极电流关系曲线。当IC小于1A时，HFE数值在30倍以上；当IC达到4A时，HFE下降到10倍以下。该型号晶体管的集电极电流标称值为4A，可见想要达到较高的放大倍数，还需要限制晶体管的工作电流才行。

双极型晶体管在高电压时会出现二次击穿现象，此时所能承受功率消耗远小于其集电极最大允许功耗PCM。为了防止晶体管二次击穿损坏，严禁开关型晶体管工作在高电压线性放大区域。这也就要求晶体管驱动电路具备高速转换能力，以便使晶体管快速的导通与关断。

晶体管的外壳温度对允许功率损耗PC影响也很大。图3-2-5中，该型号晶体管的集电极最大功耗PCM标称值为75W。仅在外壳温度小于25℃，晶体管功耗允许达到75W。当外壳温度达到100℃时，允许功耗最大值只有30W。这说明晶体管在高温环境下工作时，允许的功率损耗会大大降低。此时要解决的问题重点并不是选择PCM更大的晶体管，而是要给晶体管施加更大的散热器，或者采用风扇强制冷却，以便使其温度下降到较低的水平。这也是大功率开关电源需要配备冷却风扇的根本原因。

鉴于双极型晶体管在开关电源中使用时受到许多限制，在当今的开关电源，已不推荐使用。在中、小功率开关电源中，场效应晶体管是功率开关管的最佳选择。

场效应晶体管（MOSFET）

整流二极管

电阻器

电容器

高频变压器

功率电感器

EMI滤波器

光耦合器与基准电压源

运算放大器与电压比较器

瞬态电压抑制器（TVS）与自恢复保险丝