1、利用計算機設計單片開關電源講座第七講單片開關電源關鍵元器件的選擇沙占友，杜之濤，武衛東(河北科技大學，河北石家莊 050054）摘要：介紹單片開關電源外圍電路中關鍵元器件的性能特點、工作原理、應用領域和選擇方法。關鍵詞：精密并聯穩壓器；光耦合器；線性；EMI 濾波器；電網噪聲在研制開關電源時，不僅要設計好電路，還必須能正確選擇元器件。單片開關電源的外圍元器件大致可分成三大類：1）通用元器件包括電阻、電容、整流橋或整流管、穩壓管、熔斷器、自恢復保險絲。2）特種半導體器件主要有TL431 型可調式精密并聯穩壓器、EMI 濾波器、光耦合器、瞬態電壓抑制器、快恢復及超快恢復二極管、肖特基二極管。3）磁

2、性材料如高頻變壓器磁芯、電磁線（漆包線、三重絕緣線）、磁珠。下面介紹 7 種關鍵元器件的工作原理與選擇方法。1TL431 型可調式精密并聯穩壓器TL431 是由美國德州儀器公司（TI）和摩托羅拉公司生產的 2.5036V 可調式精密并聯穩壓器。其性能優良，價格低廉，可廣泛用于單片精密開關電源或精密線性穩壓電源中。此外，TL431 還能構成電壓比較器、電源電壓監視器、延時電路、精密恒流源等。目前在單片精密開關電源中，普遍用它來構成外部誤差放大器，再與線性光耦合器組成隔離式光耦反饋電路。 TL431 系列產品包括TL431C、TL431AC、TL431I、TL431AI、TL431M、TL431Y

3、，共 6 種型號。它屬于三端可調式器件，利用兩只外部電阻可設定 2.5036V 范圍內的任何基準電壓值。TL431 的電壓溫度系數T=30106（即 30ppm）。其動態阻抗低，典型值為 0.2。陰極工作電壓UKA 的允許范圍是 2.5036V，陰極工作電流IKA=1100mA。TL431 大多采用 DIP 8 或TO 92 封裝形式，管腳排列分別如圖 1（a）及圖 1（b）所示。圖中，A 為陽極，使用時需接地。K 為陰極，需經限流電阻接正電源。UREF 是輸出電壓Uo 的設定端，外接電阻分壓器。NC 為空（a）電路符號（b）基本接線圖 2TL431 的電路符號與基本接線腳。TL431 的等效

4、電路見圖 1（c），主要包括 4 部分：1）誤差放大器A，其同相輸入端接從電阻分壓器上得到的取樣電壓，反相輸入端則接內部 2.50V 基準電壓Uref，并且設計的UREF=Uref，UREF 端常態下應為 2.50V，因此亦稱基準端；2）內部 2.50V（準確值應為 2.495V）基準電壓源Uref；3）NPN 型晶體管VT，它在電路中起到調節負載電流的作用；4）保護二極管 VD，可防止因 K A 間電源極性接反而損壞芯片。TL431 的電路符號和基本接線如圖 2 所示。它相當于一只可調式齊納穩壓管，輸出電壓由外部精密電阻R1 和R2 來設定，有公式Uo=UKA=（1R1R2）（1）R3 是I

5、KA 的限流電阻。TL431 的穩壓原理可分析如下：當由于某種原因致使 Uo時，取樣電壓 UREF 也隨之升高，使 UREFUref，比較器輸出高電平，令VT 導通，Uo。反之，UoUREFUREFTL431 可廣泛用于單片開關電源中，作為外部誤差放大器，構成光耦反饋式電路。其工作原理是當輸出電壓Uo 發生波動時，經電阻分壓后得到的取樣電壓就與TL431 中的 2.5V 帶隙基準電壓進行比較，在陰極上形成誤差電壓，使LED 的工作電流IF 產生相應變化，再通過光耦去改變控制端電流IC的大小，調節TOPSwitch 的輸出占空比，使Uo 不變，達到穩壓目的。2 線性光耦合器光耦合器（Optica

6、lCoupler）簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件。通常是把發光器（紅外線發光二極管LED）與受光器（光敏半導體管）封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時發光器發出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現了“電光電”轉換。普通光耦合器只能傳輸數字（開關）信號，不適合傳輸模擬信號。線性光耦合器是一種新型光電隔離器件，它能夠傳輸連續變化的模擬電壓或模擬電流信號，使其應用領域大為拓寬。 線性光耦與普通光耦的重要區別反映在電流傳輸比（CTR）上。CTR 是光耦的重要參數，通常用直流電流傳輸比來表示。當輸出電壓保持恒定時，它等于直流輸出電流IC 與直流輸入電流IF 的百分比。

7、有公式CTR=100（2）采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR 的范圍大多為 20300（例如 4N35），而PC817 則為 80160。達林頓型光耦（如 4N30）可達 1005000。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。因此CTR 參數與晶體管的 hFE 有某種相似之處。線性光耦與普通光耦典型的CTR IF 特性曲線，分別如圖 3 中的虛線和實線所示。由圖可見，普通光耦的CTR IF 特性曲線呈非線性，在IF 較小時的非線性失真尤為嚴重，因此它不適合傳輸模擬信號。線性光耦的CTR IF特性曲線具有良好的線性度，特別是在傳輸小信號時，其交流電流傳輸比（CTR=ICIF）很接

8、近于直流電流傳輸比CTR 值，因此它適合傳輸模擬電壓或電流信號，能使輸出與輸入之間呈線性關系。這是其重要特性。線性光耦的典型產品及主要參數見表 1，這些光耦均以光敏三極管作為接收管。在設計光耦反饋式開關電源時必須正確選擇線性光耦合器的型號及參數，選取原則如下：圖 3 兩種光耦的CTR IF 特性曲線()技術講座(d)(a)(b)(c)圖 4 單片開關電源常用的四種EMI 濾波器表 1 線性光的產品型號及主要參數產品型號CTR/U（BR）CEO/V 國外生產廠家封裝形式 PC816A8016070SharpDIP 4（基極未引出）PC817A8016035SharpSFH610A 2631257

9、0Siemens NEC2501 H8016040NECCNY17 26312570Motorola,Siemens,ToshibaDIP 6（基極引出） CNY17 310020070Motorola,Siemens,ToshibaSFH600 16312570Siemens,IsocomSFH600 210020070Siemens,Isocom CNY75GA6312590TemicDIP 6（基極未引出） CNY75GB10020090TemicMOC8101508030Motorola,IsocomMOC81027311730Motorola,Isocom1）光耦的電流傳輸比（CTR

10、）的允許范圍是 50200。這是因為當CTR5.0mA），才能正?？刂茊纹_關電源的占空比，這會增大光耦的功耗。若CTR200，在啟動電路或者當負載發生突變時，有可能將單片開關電源誤觸發，影響正常輸出。2）推薦采用線性光耦，其特點是CTR 值能夠在一定范圍內做線性調整。3）由英國埃索柯姆（Isocom）公司、美國摩托羅拉公司生產的 4N系列（例如 4N25、4N26、4N35）光耦合器，目前在國內應用十分普遍。鑒于此類光耦合器呈現開關特性，其線性度差，只適宜傳輸數字信號（高、低電平），因此不推薦用在開關電源中。3 電磁干擾濾波器電磁干擾濾波器亦稱EMI 濾波器，它能有效地抑制電網噪聲，提高電子

11、設備的抗干擾能力及系統的可靠性，可廣泛用于電子測量儀器、計算機機房設備、開關電源、測控系統等領域。電網噪聲是電磁干擾的一種，屬于射頻干擾（RFI），其傳導噪聲的頻譜大致為 10kHz30MHz，最高可達 150MHz。根據傳播方向的不同，電網噪聲可分為兩大類：一類是從電源進線引入的外界干擾，另一類是由電子設備產生并經電源線傳導出去的噪聲。這表明它屬于雙向干擾信號，電子設備既是噪聲干擾的對象，又是一個噪聲源。若從形成特點看，噪聲干擾分串模干擾與共模干擾兩種。串模干擾是兩條電源線之間（簡稱線對線）的噪聲，共模干擾則是兩條電源線對大地（簡稱線對地）的噪聲。因此，電磁干擾濾波器應符合電磁兼容性（EMC

12、）的要求，也必須是雙向射頻濾波器，一方面要濾除從交流電源線上引入的外部電磁干擾，另一方面還能避免設備本身向外部發出噪聲干擾，以免影響同一電磁環境下其它電子設備的正常工作。此外，電磁干擾濾波器應對串模、共模干擾都起到抑制作用。 為減小體積和降低成本，單片開關電源一般采用簡易式單級EMI 濾波器，主要包括共模扼流圈L 和濾波電容。典型電路如圖 4所示。以圖 4（c）為例，L、C1 和C2 用來濾除共模干擾，C3 和C4 濾除串模干擾。當出現共模干擾時，由于L 中兩個線圈的磁通方向相同，經過耦合后總電感量迅速增大，因此對共模信號呈現很大的感抗，使之不易通過，故稱作共模扼流圈。它的兩個線圈分別繞在低損

13、耗、高導磁率的鐵氧體磁環上。R 為泄放電阻，可將C3 上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性；斷電后還能使電源的進線端L、N 不帶電，保證使用的安全性。EMI 濾波器能有效抑制單片開關電源的電磁干擾。圖 5 中曲線a 為不加EMI 濾波器時開關電源上 0.15MHz30MHz 傳導噪聲的波形（即電磁干擾峰值包絡線）。曲線b是插入如圖 3（d）所示EMI 濾波器后的波形，它能將電磁干擾衰減 5070dB。顯然，這種EMI 濾波器的效果更佳。插入損耗（AdB）是EMI 濾波器的重要參數。它是利用計算機設計單片開關電源講座（第七講）圖 5 加EMI 濾波器前、后干擾波形的比較（a）插入前（b）插入后圖 6 測量插入損耗的電路評價電磁干擾濾波器性能優劣的主要指標。設電磁干擾濾波器插入前后傳輸到負載上的噪聲電壓分別為U1、U2，有公式AdB=20lg（3）插入損耗用分貝（dB）表示，分貝值愈大，說明抑制噪聲干擾的能力愈強。測量插入損耗的電路如圖 6 所示。e 是噪聲信號發生器，Zi 是信號源的內部阻抗，ZL 是負載阻抗，一般取 50。噪聲頻率范圍可選 10kHz30MHz。首先要在不同頻率下分別測出插入EMI 濾波器