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开关电源电路设计要点与调试

陶显芳
2012.2.25

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下面是本次技术交流的主要内容
1. 开关电源电路设计需要考虑的几个要素
2. 常用开关电源
3. 开关电源典型电路简介
单IC开关电源
自激式开关电源
场效应管开关电源
4. 开关电源占空比与变压比的计算
5. 开关变压器初次级线圈匝数计算
6. 开关电源调试方法要点
7. 开关电源的安全设计

希望从事开关电源设计的工程师对此感兴趣
2


开关电源电路设计

需要考虑的几个要素

开关电源电路设计需要考虑的几个要素

1. 开关电源的输出功率
2. 成本
3. 体积
4. 工作效率
5. 工作频率
6. 输出负载特性
7. 输入电压特性
8. 安全与EMC
9. 可靠性

以上几个要素互相联系，不能单独考虑
4

开关电源输出功率的大小，决定开关电源选择什么样的工作方式或电路，
从性价比方面来考虑，一般输出功率低于5瓦的开关电源，最好选用反激
式单IC开关电源，如FSD200、ICE2A0565等。这些单IC开关电源把驱
动电路和电源开关管同封装在一个壳体中，其电路很简单，并且工作频率
很高，使滤波电容以及开关变压器的体积都可以做得很小，因此，开关电
源的体积做得非常小。
单从成本方面考虑，20瓦以下的开关电源，也可以选用晶体管反激式自激
开关电源。这种开关电源电路也很简单，但由于晶体管的导通和截至时间
相对比场效应管大很多，因此，这种开关电源一般工作频率不能选得很高，
所以体积相应要大一些，随着输出功率增大，相应工作频率也要降低，在
成本方面就不再具有优势。
输出功率在15～150瓦之间，如果对输出电压负载特性要求不是很高，最
好选用带驱动IC的场效应管反激式开关电源。目前市面上出现的大部分都
是这种开关电源。

5

输出功率在120～200瓦之间，如果对输出电压负载特性要求比较高，最好
选用场效应管正激式开关电源，但正激式开关电源需要一个很大的储能滤波
电感，并且开关管的耐压相对要求也比较高，所以现在市场上很少。
输出功率在180～300瓦之间，如果输入电压比较高，可选用场效应管半桥
式开关电源；如果输入电压比较低，可选用推挽式开关电源。输出功率在
300瓦以上的，最好选用全桥式开关电源，或推挽式开关电源；输出功率在
1000瓦以上的，最好选用IGBT管全桥式开关电源或推挽式开关电源。
开关电源的体积很大程度上与工作频率有关，工作频率越高，储能元器件的
体积（开关变压器、滤波电容、滤波电感）就越小，但开关电源的损耗也会
随着开关电源的工作频率升高而增加。因为，开关电源变压器的损耗和开关
管的损耗都与工作频率有关，电感、电容器的损耗也与工作频率有关。因此，
如果不是对开关电源的体积有特别要求，就不要把开关电源的工作频率取得
很高。一般以开关管的损耗不超过总电源损耗的10%来决定开关电源的工
作频率，开关管的损耗与工作频率成正比，与导通和关断延时时间成正比。
6

在高压大功率场效应管还没有大量在市场上出现之前，开关电源基本上都是
采用晶体管作为电源开关管。晶体管与场效应管的工作原理截然不同，晶体
管是一个电流控制型器件，作为电源开关管，它需要较大的驱动电流，但控
制电压却很低；而场效应管是一个电压控制型器件，作为电源开关管，它需
要比较高的控制电压，但驱动电流却很小。
由于场效应管需要比较高的控制电压，而驱动电流却很小，因此，场效应管
驱动电路的工作电流可以做得非常小，通常只有几个毫安，只需要通过一个
电阻与输入电压端连接就可以给场效应管驱动电路供电。而晶体管的驱动电
路需要工作于大电流状态，因此，晶体管驱动电路的供电问题相对难度比较
大，这是阻碍晶体管开关电源一直停滞不前的大问题，直到IGBT管诞生以
后才基本得到解决。
由于晶体管与场效应管工作原理上的区别，采用晶体管为电源开关管的开关
电源与采用场效应管为电源开关管的开关电源，两者之间区别越来越大。目
前大多数晶体管开关电源都是自激式开关电源，并且输出功率一般都很小。

7

开关电源的负载特性也称输出特性，一般是指开关电源的瞬间负载能力或
者调整能力。由于开关电源对负载的响应速度比线性电源差，当负载变化
速度太快的时候，其输出电压的反应速度是跟不上的，此时开关电源的输
出电压会出现抖动，这说明开关电源的控制特性已经变得很差，甚至变成
了正反馈，这是由于控制信号的延时时间过长，其输出相位与负载变化的
相位在某时刻已经出现反相的缘故。出现这种情况时，应该调整误差放大
器的微分和积分的时间常数，以及误差放大器的平均放大倍数（增益）。
开关电源的输入特性一般是指开关电源对输入电压的调整率和输入电压工
作范围。大多数开关电源只对输出电压进行取样控制，而对输入电压不进
行取样控制，这样的开关电源一般输入电压的调整率都比较差，但由于大
多数交流电网的电压都比较稳定，输入电压的调整率差一些对输出电压影
响并不大。大多数人关心的是开关电源的输入电压的工作范围，现在大多
数开关电源都满足AC110V~AC220V的输入电压范围，但开关电源的输入
电压的工作范围太宽也会降低工作效率，一般只有一些小功率开关电源，
才应该考虑宽电压工作范围。
8


开关电源电路设计

常用开关电源

9

常用开关电源

1. 单IC开关电源
2. 晶体管自激式开关电源
3. 场效应管反激式开关电源
4. 场效应管正激式开关电源
5. 推挽式开关电源
6. 半桥式开关电源
7. 全桥式开关电源
8. 软开关电源

前面3种电源几乎占了目前电源市场的80%以上，由于时间问题，这里我们
只能侧重讨论这3种开关电源的技术要点。后面5种电源主要用于输出功率大
于150W以上，或功率密度要求较高的开关电源，我们只做简单介绍。

10

 上面列出的8种基本开关电源基本上是按输出功率大小来排序的，前面3种
开关电源都是反激式开关电源，其输出功率基本上可以满足2～150瓦的应
用范围，反激式开关电源电路相对比较简单，成本较低，目前在市场上占
有量大约为80%。
 第4种开关电源都是正激式开关电源，正激式开关电源与反激式开关电源的
最大区别是，正激式开关电源在开关管导通期间输出功率，而在开关管截
止期间不输出功率；反激式开关电源正好相反，在开关管导通期间不输出
功率，而在开关管截止期间输出功率。
 反激式开关电源输出电压是反激输出脉冲的半波平均值，因此其储能滤波
非常简单，仅需要一个电解电容即可；正激式开关电源输出电压是正激输
出脉冲相对整个周期（一周波）的平均值，因此其储能滤波相对比较复杂
，它需要一个大电感线圈和一个储能滤波电容才能把整个周期的平均值取
出，正是由于大电感线圈的作用，它弥补了开关管反激时不输出功率的功
能，因此，正激式开关电源的输入、输出特性都非常好。

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uL1 uL2
T Upa Up
M Ua
 0 t
uL1 L1 L2
N1 N2
uL2 R Io Ua-

Ui 
Upa-

K Up-
Ton Toff
T
a 图1-1 b
 图a是输出电压为交流的开关电源工作原理图。为了便于分析，我们假说变
压器初、次级线圈的变压比n为1:1（即N1=N2，L1=L2），当开关K由导通
转断开时，变压器初级、次级线圈产生感应电动势为：
R
RU i  t
u  u L1  u L 2  i2 R  (U i  Ton )e L2
……………(1-1)
L2
RU i
U p  U Pa  nU i ………(1-2) U P  (U i  Ton ) ………(1-3)
L1

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图b中：
 Up-为反激输出脉冲的峰值（（1-3）式），Upa-为反激输出脉冲的半波平均
值（图中阴影部分），反激式开关电源的输出电压为半波平均值Upa-；反激输
出脉冲经整流，再经电容滤波后，其输出电压就是半波平均值Upa- 。
 Up为正激输出脉冲的峰值，Upa为正激输出脉冲的半波平均值，Ua为正激输
出脉冲的一周波平均值，正激输出脉冲的峰值Up与半波平均值Upa完全相等（
（1-2）式），正激式开关电源的输出电压为一周波的平均值Ua ；正激输出脉冲
经整流，再经储能电感（扼流圈）以及电容滤波后，其输出电压就是半波平均值
Upa- 。
 特别提示:
 由于正激式开关电源在反激脉冲输出期间没有功率输出，如果不对反激脉冲采
取措施，反激脉冲与输入电压叠加后再加到电源开关管上，一定会把电源开关管
击穿损坏。因此，必须要在开关变压器初次级之间再加一个反馈线圈，把反激脉
冲经整流后反馈回输入电源。
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T D UO uL1 uL2
Upa Up
uL1 UO

N1 N2 C uc R Io Ua

Ui uL2 0 t

Ua-
Upa- Up-
K Ton Toff
T

a 图1-2 b
T D1 uo L Uo
图a为反激式开关电源
N1 N3 N2
的工作原理图，图b为
D2 C uc R Io 反激式开关电源的输
Ui 出波形。
图c为正激式开关电源
K D3 的工作原理图。

c
14

 第5、6、7 种开关电源属于大功率开关电源，这种开关电源正、反激均有
功率输出，并且是正、反激脉冲同时叠加在一起输出，所以这种开关电源
的输出波形很复杂。大功率开关电源要求控制电路输出控制信号的相位非
常严格，要求相邻两个控制脉冲之间要留有一定的时间间隔（死区），以
防两个开关管同时导通。现在很多大功率电源都用MPU来控制，以便实现
软启动、及过流、过压保护功能。由于大功率器件工作频率比较低，所以
大功率开关电源的工作频率都比较低，大约在10kHz~20kHz之间，频率
太低，开关变压器会发出磁滞伸缩叫声，这也是应该避免的。
 推挽式开关电源主要用于由低压直流（储电池）供电的DC/AC逆变器大功
率开关电源，其电路比较简单，并且工作效率很高。
 半桥式开关电源主要用于由交流供电的AC/DC或AC/AC逆变器大功率开
关电源，半桥式开关电源的工作效率很高。
 全桥式开关电源主要用于由交流供电的AC/DC或AC/AC逆变器大功率开
关电源，全桥式开关电源的输出功率是半桥式开关电源的4倍。

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T
uo
K1 i1
Ui e1 N1
uo
N3 e3 R t
io
i2 N2
K2 e2

图1-3

推挽式开关电源
推挽式变压器开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，它在输入电
压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，所以推挽式变压器开关电源被广泛应用
于DC/AC逆变器，或DC/DC转换器电路中。推挽式变压器开关电源输出电压为：
R
RU i  t
u0  nU i  (nU i  Ton )e L3 ……………(1-4)
nL3

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K1 C1 uo
T
b
uo
Ui e1 N1 N2 e2 R io t
a

K2 C2

图1-4

半桥式开关电源
半桥式开关电源的电压利用率比较低，但开关管的耐压相对要求也低，所以
半桥式开关电源主要用于输入电压比较高的场合。输出电压为：
R
RU i  t
2u0  nU i  (nU i  Ton )e L 2 ……………(1-5)
nL2
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K1 K3 uo
T
a

e1 N1 uo
Ui N2 e2 R io t

b

K2 K4
图1-5

全桥式开关电源
全桥式开关电源的电压利用率比半桥式开关电源高，开关管的耐压与半桥
式开关电源对开关管的耐压要求基本相同，但其输出功率是半桥式开关电源
输出功率的4倍。其输出电压为：
R
RU i  t
u0  nU i  (nU i  Ton )e L 2 ……………(1-6)
nL2
18

 第8种软开关电源，即0电压和0电流关断开关电源，此种开关电源的特点
是电源开关管的损耗相对比较低，这样就可以把开关电源的工作频率提高
，以便减小开关电源的体积，即提高开关电源的单位体积输出功率密度。
 几年前，软开关电源曾被炒得很热门，但一直以来很少有人使用。因为目
前大多数普通开关电源，其开关管的损耗也都被控制在10%以内，要想进
一步把电源开关管的损耗降低到5%以下，而其它器件的损耗又没有降低，
反而要随之提高（开关变压器的磁滞损耗和涡流损耗与频率的平方成正比
，整流器件的损耗与频率成正比），相对来说电源的工作效率并没有提高
。
 这种开关电源比普通开关电源最少要多一个（或两个）0电流或0电压控制
开关，花了那么大的气力，才使工作效率提高一点点，而这种电源的电压
输出特性比较差，可靠性很低，在新的器件性能不断提高的情况下，这种
软开关电源越来越没有使用价值。

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开关电源典型电路简介

单IC开关电源

单IC开关电源通常把驱动电路和MOSFET开关管同封装在一个
壳体内，体积很小，工作频率很高，输出功率一般比较小，大
部份都小于10W，主要用于各种便携式充电器，或LED电源。

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FSD200单IC开关电源

R1 T1
D5
D1-D4 U1 C2 R2

N1
AC220V 1 Vstr 8 N2

C5
GND

R3
D5

RL
C1

2 GND Drain 7

3 GND
FSD200 NC 6
C4
C3

Z1
4 Vfb Vcc 5

4 1

3 2

图2-1
U2

输出功率为4～5W（85～265Vac-50℃）
21

FSD200单IC开关电源简介
 上图是一个采用仙童公司产品FSD200设计的单IC开关电源，FSD200采用
LDMOS (横向扩散金属氧化物半导体)工艺，输出功率为4～5W（85～
265Vac-50℃），其工作频率为130~138KHz来回跳动，其目的是使干扰
信号的频谱不要集中在一点上，频谱越分散对EMC越有利。
 LDMOS (横向扩散金属氧化物半导体) 与VDMOS (竖向扩散金属氧化物半
导体)的主要区别在于：在工艺上，前者是在一块半导体基板上按横向扩散
生成半导体器件，后者是在一块半导体基板上按竖向扩散生成半导体器件。
在性能上，前者内阻相对比较小，但输出功率也很小；后者输出功率比较大
，但内阻也相应大一些。
 图中R3为输出电压取样电阻，Z1为基准电压，U2为光耦误差放大器，R2
、C2、D5为RCD反尖峰吸收网络，R1为限流电阻，同时也兼做保险丝（
保险丝电阻）用。

22

 FSD200单IC开关电源电路非常简单，此开关电源电路设计的难点是开关
电源占空比D的选择和开关变压器参数的计算，这里先直接给出结果，详细
计算方法请参考我的另两篇《开关电源占空比的选择与开关变压器初次级线
圈匝数比的计算》和《开关变压器伏秒容量的计算与测量》文章。
 根据FSD200的技术参数（BVm=650V），F=130kHz，可求得：占空比
Dmax = 0.306；N1=116匝，开关变压器可选用EE1616磁芯，线径为
0.12mm；初次级线圈匝数比：Uo = (nUim＋Uo)Dmax ——Uo为输出电
压，Uim为最高输入电压，Dmax为最高输入电压时对应的占空比。
3mm宽度绝缘胶带绝缘胶带

右图为开关变压器的绕制方
次级
法示意图。安全要求初、次
线圈的爬电距离大于6mm，
初级
耐压大与 AC2000V/50Hz

图2-2
23

ICE2A0565单IC开关电源
R1 4.7
D7
1N5819

R2 100K
R2 82K
D1-D4
C2
U1 1200P
4007
ICE2A0565

C6 1000u

R5 330
N1 N3 DC
D5
C1 10/400

UF4007
5 Drain Drain 4
D6 F4001
R3 0.6

Z1
6 NC Isene 3
N2

R4 2K
7 Vcc FB 2
C3 33

4 1
C4 104
3 2
8 GND Softs 1

图2-3 C5 U2 EL817
2000P

输出功率13W（85～265Vac-25℃）或23W（265Vac-25℃）
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ICE2A0565单IC开关电源简介
上图是一个采用英飞凌公司产品 ICE2A0565 设计的单 IC 开关电源，
ICE2A0565采用COOLMOS (高速二极管）工艺，输出功率为：13W（85
～265Vac-25℃）或 23W（265Vac-25℃），其工作频率为100KHz 。
图中R5为输出电压取样电阻，Z1为基准电压，U2为光耦误差放大器，R2
、C2、D5为RCD反尖峰吸收网络，R1为限流电阻，同时也兼做保险丝（
保险丝电阻）用，R3为限流取样电阻。
此开关电源电路设计的难点是开关电源占空比D的选择和开关变压器参数的
计算，这里先直接给出结果，详细计算方法请参考我的另外两篇文章。
根据FSD200的技术参数（BVm=650V）， F=100kHz，可求得：占空比
Dmax= 0.306；N1=150匝，开关变压器可选用EE1919磁芯，线径为
0.15mm；初次级线圈匝数比：Uo = (nUim＋Uo)Dmax ——Uo为输出电
压，Uim为最高输入电压，Dmax为最高输入电压时对应的占空比。

25

集电极（漏极）耗散功率曲线

INFINITE HEAT SINK
COLLECTOR POWER DISSIPATION

带散热片
Pc (W )

CASE TEMPERATURE TC (℃)
图2-4
26

集电极耗散功率曲线的使用
 这里需要特别注意的是，开关电源输出功率主要与晶体管或MOSFET的工
作温度有关，还和开关变压器的温升有关。当晶体管或MOSFET管壳温度升
高到75℃时，输出功率将会下降到最大输出功率的二分之一；当管壳温度升
高到125℃时，输出功率将会下降到0（结温比壳温约高25℃）。凡是涉及
到开关电源输出功率的问题，一定要注意开关电源使用温度的条件，所以图
2-3开关电源输出功率的数值与图2-1开关电源输出功率，不能简单的进行数
值对比，只有在同等工作条件下对比才有意义。
 特别值得指出的是，晶体管或MOSFET，还有开关变压器等器件的温升，
与工作频率的关系，温升几乎是与频率的平方成正比，如要降低温升，首先
要考虑降低开关电源的工作频率。关于频率的选择问题，以后有时间我们另
外再讨论。
 一般规格书都是给出25℃条件下的数据，这意味着MOSFET要带一个无
限大的散热片才能达到此参数。
27

开关电源参数设计

占空比的计算

28

开关电源占空比的计算
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开关电源的占空比可根据下式求得：
Upm = (Uim＋Upm)Dmax ……………（2-1）

（2-1）式中，Upm为变压器初级线圈产生感应电动势的最大峰值，此值与变压器的
漏感大小有关，Upm大约比无漏感时的初级线圈产生的感应电动势的半波平均值Upa大
5~8%。如果把上式括弧 (Uim＋Upm)中的值换成BVm，则（1）式又可以改写为：

Upm = BVm × Dmax …………（2-2）

（2-2）式中，BVm=（Uim＋Upm），为电源开关管的最高耐压， Dmax 为：当
输入电压为最大值（Uim），且改变占空比使电源开关管两端电压达到最高耐压值时，
此时占空比所能达到的最大值，即极限值。
值得指出的是：占空比是随着输入电压变化而变化的，当输入电压为最大值时，此
时动态变化的D应该为最小值Dmin，但（2-2）式中的极限值Dmax则另有意义，它表
示：当输入电压为最大值，且此时的占空比D也达到极限值Dmax时，电源开关管将会
过压被击穿。因此，实际工作中的最小占空比 Dmin 应该比（2-2）式中的 Dmax 小好
多，一般取Dmin =0.7 Dmax 较为合适。
29

开关电源占空比计算实例
假设前面两个开关电源的IC耐压都是650V，当输入电压最大值为AC260V时，
根据上面（2-2）式，及下面方法，就可以求开关电源的最小占空比Dmin。

 第一步，求极限占空比Dmax ： Upm = BVm × Dmax ——（2-2）

已知：Uim = 260×1.414 = 368（V）； BVm= 650V；

Upm = 650－368 = 284（V）

把上面结果代入（2-2）式：Upm = BVm × Dmax 得：

284 = 650×Dmax ，即：Dmax = 0.437

 第二步，求最小占空比Dmin ：

在实际应用中，为了安全，最小占空比Dmin最少要比极限占空比Dmax多留
30%的余量，由此可求得：

Dmin = Dmax×0.7 = 0.437×0.7 = 0.306 …………（2-3）

30

开关电源设计

开关变压器匝数比计算

31

开关变压器匝数比的计算
在反激式开关电源中，输出电压不但与占空比有关，而且还与开关变压
器初、次级线圈的匝数比有关，而开关变压器初、次级线圈的匝数比是不
可变的，一旦最小占空比Dmin确定之后，开关变压器初、次级线圈的匝数
比也就确定了。开关变压器匝数比可根据下面方法求得：

Uom = (nUim＋Uom) Dmin ………（2-4）

（2-4）式中的n为开关变压器初、次级线圈的变压比（n=U2/U1），
Uom为输出电压的最大值， Uim为最高输入电压（最高工作电压），
Dmin为最高输入电压条件下开关电源的最小占空比。开关变压器的变压比
n与匝数比N两者在数值上稍有区别，两者进行转换时要考虑变压器的工作
效率。这里的工作效率主要是只变压器的电压转换效率和整流输出效率，
以及滤波电路的输出。

32

开关变压器初级线圈匝数计算实例
以图1的FSD200开关电源为例，根据工作频率F=130KHz，可求得周期
T=7.5微秒，再根据占空比Dmin=0.306，求得Ton=2.3微秒。开关变压器的
磁芯拟选用 EE16 型铁淦氧磁芯，取 Bm=5000 高斯， Br=2000 高斯，
S=0.25CM2，设最大直流输入电压为380V，代入N1计算公式求得：

E 10 8 380  2.3 10 2
N1    116（匝）
S ( Bm  Br ) 0.25(5000  2000 )

次级右图为开关变压器的绕制方
法示意图。安全要求初、次
初级线圈的爬电距离大于6mm，
耐压大于 AC2000V/50Hz
图2-5
33

开关电源设计

开关变压器伏秒容量计算

34

开关变压器伏秒容量的计算
E 10 8
1. 计算变压器初级线圈匝数： N1  …………(2-5)
S ( Bm  Br )
2. 求变压器伏秒容量： E   KS ( B - B ) N  VT …………(2-6)
m r 1

l1 2
3. 选取变压器磁芯气隙：  （最小值） ………(2-7)
lc c
4. 对开关变压器初级线圈进行直流迭加测试：
E VTm
最大迭加直流： Im   …………(2-8)
LX LX 0.9
最大伏秒容量： VTm  I m  LX 0.9 …………(2-9)

 最大伏秒容量一定要合格，不合格，需要推倒重来！
 详细内容请参考《开关变压器伏秒容量的计算与测量》一文。
35


自激式开关电源

早期使用的开关电源，大部分都是晶体管自激式开关电源，小
功率晶体管自激式开关电源性能价格比很高，因此，目前在节
能灯、LED灯、便携式充电器等方面还在广泛使用。

36

晶体管自激式开关电源
T1
D5

R1 C2 R4
RF93
N1
R2
D1-D4
D3

N3 C5
AC220V V1
MJE13007

D2
C1 N2
4148
V2
C1815 R3
10

C3
Z1 D4

5.1V 4148

图2-6
R5 510 C3 4700P

37

晶体管自激式开关电源简介
 图2-5是一个干电池充电器晶体管自激式开关电源工作原理图，图中V1
（MJE13007）是电源开关管，V2是过流保护管，R3是过流保护取样电阻，
R2是启动电阻，N2是反馈线圈绕组，其正半周输出用于正反馈，负半周输出
用于输出电压稳定（占空比）控制取样，因此，开关电源变压器的正反馈线圈
绕组与输出电压控制（稳压）取样信号共用一个线圈绕组。
 图中开关电源输出电压大小与C3两端电压的大小有关（即与N2负反馈绕组
的输出电压有关），与稳压二极管的参数也有关。开关电源的工作频率以及占
空比，主要由反馈回路中的电阻R5、电容C3的时间常数决定，但与稳压二极
管的参数以及正反馈线圈的匝数也有关。
 晶体管自激式开关电源除了成本有优势之外，另一个特点是，其工作频率
与占空比时刻在变化，并且其工作频率会随着负载加重而降低，因此，EMI
（电磁干扰）相对来说要比采用固定工作频率的单IC开关电源低很多。

38

MJE1300X晶体管简介
 电源开关管MJE1300X是摩托罗拉公司专门为节能灯开发的一种高速、抗饱和的
高压晶体管（也称H2BIP管），其耐压：BVceo为400~800V，Bvces为700～
1600V。我们最好选用耐压BVceo为600V以上的晶体管。电源开关管的耐压越高
，不但可靠性可以提高，同时占空比也可以取得高一些，电源的工作效率相应也会
提高一些。下图是MJE1300X的等效电路图。目前国内仿制MJE1300X系列的管
子型号非常多，使用时一定要注意耐压和输出功率以及其它参数。

c

b 图2-7

e
电源开关管MJE1300X等效电原理图

39

输出电压可调的晶体管自激式开关电源
D7

4148
R6 C2 N3
2K 1u/16V

R7 C3 N2
10K
T1
4700P
D1 D8

4007 RF-
C4 R8
2200P 100K
D2
Z1 R4 N1 N4 C5
9.1V 1000u
510
E 4007 D8
AC M F4007
C
85~220V 滤
波 D3 R2
V1
330K MJIE13007
4007
C1 D5 D6
20/400V 4148
D4
4148
4007 R3 V2 R5
R1 1K C1815 4.7
4.7
图2-8

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输出电压可调晶体管自激式开关电源简介
 图 2-8 是输出电压可调的晶体管自激式开关电源工作原理图。图中 V1
（MJE13007）是电源开关管，V2是过流保护管，R5是过流保护取样电阻，
R2是启动电阻，Z1稳压二极管为基准电压（比较电压，与C2两端电压进行比
较），开关电源的工作频率主要由反馈回路中的电阻R4、电容C3的时间常数
决定，但与Z1稳压二极管的参数以及正反馈线圈的匝数也有关。R3和D5的作
用是用来缩短电容C3的放电时间，使电源开关管的截至时间缩短，以增大占
空比，提高工作频率。如果没有 R3和D5，开关电源就会变成一个间歇振荡器，
其占空比很难达到0.5，这对低电压工作不利。
 N2是正反馈线圈绕组，N3是输出电压（占空比）控制取样线圈绕组。两个
线圈绕组互相分开的好处是，两个线圈的参数可以独立选择，例如，取样线圈
的匝数可以取得多一些，相应误差信号也就会大一些，这对控制输出电压（稳
压）更有利。
 自激式开关电源设计的难点还是对开关电源占空比D的选择和开关变压器参
数的计算，其中最难的就是对正反馈绕组匝数的计算。

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自激式开关电源正反馈线圈匝数的选择
 晶体管自激式开关电源正反馈线圈匝数的选择应该考虑在任何情况下，
特别是在输入电压的低端，开关电源也能产生自激振荡。显然，对于电
源开关管以及开关变压器来说，输入电压变化范围越宽，工作效率就越
低。对于电源开关管，如果满足了低电压工作的条件，则高电压时一定
会出现过激励，过激励也会使晶体管的工作效率降低；对于开关变压器，
如果满足了高电压工作的条件，则低电压时，流过开关变压器初级线圈
的电流将会翻倍，这也会降低变压器的工作效率。
 上图电路中，当V1导通时，V1的基极电压最大值大约为2.1V，这个
电压是由正反馈线圈输出电压，经过C3和R4来提供的，并且V2也对正
反馈电压起到分压的作用，由于C3上的电压降与R4上的电压降基本上
是互补的（锯齿波），即当一个电压为最大值时，另一个电压为最小值。

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 为了保证输出电压有足够的调整范围，反馈电压在 C3和R4上面的电
压降（平均值）就不能太低，最好能与V1的基极电压相等；由此可以推
定，如两者完全互补（即两者的平均值完全相等），则两者平均值之和
的最小值为2.1V；如两者不是完全互补，则两者平均值之和的最大值为
4.2V，即：正反馈线圈输出电压的范围应该在4.2～6.3V之间选取。以
此为条件，再根据最低输入电压值，就可以计算出正反馈线圈N2与N1的
最小变压比n-min和最大变压比n-max。
 C3和R4的最佳值，就是最好使两者电压降的平均值基本相等。
 设最低输入电压为AC110V，则图2-6和图2-8电路中N2与N1的最小
变压比n-min约等于0.04，最大变压比n-max=0.06。开始做试验时，
可选n=0.05，n的选择只需保证最低输入电压时能稳压即可。
 这里要注意，变压比n并不等于匝数比N，因为变压器线圈之间的耦合
系数与变压器各线圈之间的分布位臵有关。
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场效应管开关电源

场效应管开关电源是近年来技术发展最快的开关电源，特别是在驱动电路方面
，通过嵌入软件控制技术，使开关电源不断实现智能化，在工作效率方面也在
不断提高，因此场效应管开关电源使用越来越广泛。

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UC3842驱动场效应管反激式开关电源

图2-9

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UC3842场效应管开关电源驱动集成电路

图2-10
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UC3842驱动场效应管开关电源设计要点
 UC3842是Unitrode公司的一种高性能、固定频率电流型控制器，它具
有非常好的线性调整率，特别是当输入电压Ui变化的时候，它不需要经过任
何误差放大器，直接就可以把因输入电压改变而在取样电阻上产生的电压变
化量送到电压比较器的输入端，改变PWM的输出脉冲宽度，从而使输入电
压产生的变化得以补偿；UC3842开关电源的过流保护功能效率非常高，速
度非常快，当流过开关变压器初级线圈的电流过大，使取样电阻Rs上产生
的电压降超过1V时，PWM输出就会被关断，从而使开关电源起到过流保护
的作用。 UC3842开关电源是目前最广泛使用的场效应管开关电源。
 在使用中需要注意的是，为了使电源开关管不会因占空比过大，而被变压
器初级线圈产生的反电动势击穿，当电流在取样电阻Rs上产生的电压降达
到1V时（即产生保护时），对应的脉冲宽度，应小于最大占空比Dmax所
允许对应的脉冲宽度TON-max，否则这个过流保护就会失去意义。

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UC3842的PWM控制器还设有一个欠压锁定功能，其启动阀值为16V，
关闭阀值为10V，这样可有效地防止PWM控制器在欠压状态下输出低压
脉冲，使场效应管因欠驱动（不能有效导通）而损坏。有些驱动电路没有
这个功能，使用时必须注意驱动电路启动电压与电源开关管工作电压的相
位，即，启动时，驱动电路一定要先加电工作，关断时，则反过来，开关
管的工作电压一定要先关断，驱动电路电源后关断。
开始对UC3842开关电源进行调试时，最好用一个20V的直流稳压电
源先对驱动电路进行调试，调试时要在UC3842的3脚加一个0.8~0.9V的
电压才能正常工作，并把Ppin4脚的接地电容C10换小，还要在光耦的输
出端并联一个电阻，目的是提高工作频率和降低占空比，不要让占空比超
过0.4。这些都是为了让开关电源开始工作时脉冲宽度不能太宽，避免变
压器饱和，以及反电动势电压过高，而把电源开关管击穿。待驱动电路工
作正常后再用交流电进行调试。
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UC3842的2脚误差信号输入端，输入误差电压越高，PWM控制器输出脉冲的
占空比就越小，反之，输入误差电压越低，PWM控制器输出脉冲的占空比就越大。
开关电源正常工作时，只要输入电压和负载功率是稳定的，则输入误差电压也基本
是稳定的，但当开关电源第一次开机的时候，误差放大器的输出电压不可能正好就
是正常工作时对于的数值，如果输入误差电压很低，PWM控制器输出脉冲的占空比
一定会很大，此时很可能因反电动势过高，而击穿电源开关管。
特别是刚开机的时候，由于误差放大器工作电压上电比较晚，以及取样电路刚
开始时没有工作（无信号可取），此时，误差放大器输出电压几乎等于0，光耦输
出电流等于0。这种情况一定要注意，在图2-9中，开始时应该尽量把UC3842的2
脚的工作点调高一些，把R12减小，或者把R11加大，保证在光耦输出电流为0时，
占空比不能大于0.3，待到误差放大电路和取样电路正常工作之后，占空比会随着
光耦的输出电流增大而增大，此时，开关电源基本能正常工作，最后再次微调调
R12或R11，以满足输出电压的调整范围（一般为+-20%）。

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开关电源调试要点
很多从事开关电源技术的初学者，设计好开关电源之后都不知到怎样着手
进行调试，接通电源，总要连续烧了很多个电源开关管之后，才会开始摸出
一点道道来。最后，即使电源已经能正常工作了，但还不清楚开关电源到底
应该调试到什么地步才算为最好。下面调试要点一定会给初学者带来很大帮
助。开关电源调试要点及步骤：
1、在电源输入端串联一个小保险丝（根据开关电源输出功率大小而定），
或用一个保险丝电阻安装于限流电阻（图2-6、2-8中的R1）的位臵，此电阻
可当保险丝用，调试完后要恢复原参数。
2、开始通电前要先把RCD吸收电路中的R值换小、C的容量尽量换大一些，
以防止占空比过大时会产生过高的反电动势电压，使电源开关管击穿。（如
图2-8中，可把C4换成2200~4700P/1000V瓷片电容，R8换成47K/0.5W
电阻。C4、R8的作用是吸收反电动势能量的，吸收能量大小与C4和R8的数
值有关，C4越大、R8越小，吸收能量越大，但开关电源的工作效率会降低）。
待电源能正常工作后再慢慢调整到最佳值。
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3、开关电源开始工作时，要尽量把占空比减小，和把工作频率提高。
如图2-8的正激式晶体管开关电源中，正反馈耦合电容C3，应由小慢慢换大，
从1000P慢慢换大到4700P进行调试，而正反馈电阻R4则要由大到小逐步换小，
与此同时，开关电源的输出负载电阻也要由大到小，不断进行调试，直到使输出电
压和功率满足要求。
值得注意的是，当C3不断加大和R4不断减小，以及开关电源的输出负载电阻
也要由大变小（即输出功率增大）时，开关电源的工作频率会不断降低，因为，随
着输出功率的增大，调整管V2也会由深度导通逐渐变为截止，使占空比变大；此时
必须保证，开关管的导通时间不能超出开关变压器的最大伏秒容量，否则开关变压
器将饱和，并使开关管过流损坏。
在图2-9的场效应管开关电源中，R11和R12是决定开关电源最小占空比的电
阻，当误差放大电路和取样电路还不能正常工作之前，一定要保证占空比不能超出
Dmax（一般为0.3），待到误差放大电路和取样电路正常工作之后，才能微调R11
或R12 ，使之满足输出电压的调整范围。

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4、对于带驱动电路开关电源，最好用一个20V的直流稳压电源先对驱动电路
进行调试。以UC3842为例，在对UC3842驱动电路进行调试时，要UC3842的3
脚加一个0.8~0.9V的电压才能正常工作，并把Ppin4脚的接地电容C10换小，目的
是提高工作频率，使开关管在导通期间，不超出开关变压器的伏秒容量，与此同时，
在调整PWM误差输入端的直流工作点，要尽量把占空比降低，最好不要让占空比
超过Dmax。
这些都是为了让开关电源开始工作时脉冲宽度不能太宽，避免变压器饱和，以
及因反电动势电压过高，而把电源开关管击穿。待驱动电路工作正常后，再与开关
电源的其它电路一起用交流电进行调试。
5、先把限流取样电阻换大一倍以上（如图2-8、图2-9中的R5），待电源正常
工作后再把限流电阻换成最佳值，以确保开关电源工作的安全。
6、用一个大功率电阻当负载，接于直流电压输出两端。大功率电阻的阻值与
输出电压有关，刚开始接入负载时，输出功率要选小一些，最好为额定输出功率的
20%左右，待到开关电源的所有电路都能正常工作之后，才慢慢把输出功率提高。

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7、把调节输出电压用的可调电阻（如图2-8中的R6、图2-9中的R15），
调到最低端，待开关电源基本能正常工作后，再把可调电阻调到中间位臵，
并调整上分压或下分压电阻，使可调电阻的调整范围满足输出电压值。
8、用一个可调交流电源（自偶变压器）作为开关电源的输入电源，开始
时，输入电压最好调到开关电源的最低工作电压处，即把输入电压调到
90~100V（有效值），并通过控制开关把交流电压输入到开关电源的AC电压
输入端；一手紧握电源开关，一边高度监视开关电源是否工作正常，如发现
异常立即把电源开关断开。
9、用电压表测量开关电源输出电压，只要有电压输出就表示开关电源已
经能正常工作。然后，把输入电压由低到高，慢慢调整，但输入电压最好不
要超过170V，并监视输出电压是否高于额定值，如输出电压过高，先要把故
障排除。如果出现电源爆炸，多为变压器初、次级线圈的同名端被弄反了，
这种情况要特别注意。
53


10、把输入电压调到约等于170V（此处开关电源的占空比大约为0.5，
为最佳工作状态，但开始工作时占空比不要大于0.5），然后开始细调正开
关电源电路中的各项参数。比如把并联于光耦输出端的电阻去掉，调节可变
电位器，观察输出电压的变化，并用示波器观测输出脉冲波形，监视占空比
的变化，开始调整与占空比相关的元件参数（如把图7中的C3、图8中的
C10容量逐渐调大)，让占空比向0.5附近靠拢，此时，输出电压应基本正常，
但还必须保证占空比D不能超过0.5。
11、把输入电压调到260V，用示波器检测电源开关管集电极或漏极的
波形，此脉冲电压（峰值）最好为电源开关管最高耐压（Bvm）的0.7倍，
如Bvm为650V，则此脉冲电压最好不要超过455V。改变RCD峰值电压吸
收电路中的电容C和电阻R的数值就可以改变此脉冲电压峰值的大小，C越
大、R越小，脉冲电压的峰值就越低，但对C和R选择的同时也要考虑开关
电源的工作效率。
54

12、用不同的电阻做负载，开关电源输入电压从100V到250V，每隔
10V为一个步长，分别对输入电压特性进行测试，同时用一个RC负载（R
为50~200欧，C为几千到几万微法，大小根据开关电源输出功率大小而定）
来回对开关电源输出端快速接通，然后又断开，反复进行试验，并用示波器
监视输出电压波纹变化，观察输出电压是否出现长时间抖动，当输出电压抖
动严重时，还可以用耳朵听到开关变压器发出的磁滞伸缩声。
13、如果出现输出电压抖动，可调整误差放大器RC反馈电路电阻和电
容的大小，以及取样电路的时间常数。与此同时，也要细调限流电阻的大小，
只有确保限流保护有效的情况下，即用大电容对开关电源输出端进行瞬间短
路时，已经证明开关电源过流保护电路起作用的情况下，才能用短路线对开
关电源输出端进行长时间短路试验。

54

14、把输入电压调到AC260V，在输出功率满额的条件下，连续按电
源开关（通/断）2万次，对开关电源进行电压冲击试验，如果出现故障，
需要分析原因，并更改电路参数，严重时电源会出现爆炸。
15、出现故障大部分原因是驱动电路的启动电压与电源开关管的工作
电压在相位上有问题，即，驱动电路的工作电压启动慢于电源开关管的工
作电压，而关断时，驱动电路的工作电压又快于电源开关管的工作电压。
解决办法是把启动电阻值换小，在启动电阻两端并个电容，并把驱动电路
工作电压的滤波储能电容加大。
16、在做电压冲击试验时，输入端的整流滤波电解电容也经常容易爆
裂，解决办法是把限流电阻值加大，或把限流电阻换成负温热敏电阻。

56


17、在额定输出功率条件下，让开关电源分别在输入电压
100V和250V，在非通风的条件下，例如，把开关电源至于一
个密封盒子内（选用纸盒要注意防火），连续工作4~8小时，
观察各元器件的温升，如果某器件温升超过40 ℃（正常温升
一般为20℃），其参数需要重新设计或更换器件型号，到此开
关电源调试完毕。
温升——一般表示元器件分元器件的表面温度与其周边
（环境中心）温度的差。温升分表面温和内部温升，表面温升
比较容易测量，内部温升不容易测量，一般可以通过热阻进行
计算。例如半导体的结温就是内部温度，最高容许为150度。

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开关电源的安全设计

开关电源的安全认证

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电子产品为什么要安全认证

 目前，电子产品在出厂之前一般都需要经过安全认证和EMC认证，只有符
合标准的电子产品才能投放市场。安全认证与EMC认证虽然在本质上有所
不全同，但均属于强制性认证性质，均需要第三方做认证，由权威认证机构
发证书和认证号。我国已于2001年12月把安全认证和EMC认证统一称为
3C认证，认证机构是国家监督检验检疫总局和国家认证认可监督管理委员
会。
 安全认证的目的，是为了防止家电产品在使用过程中可能产生的各种危险所
造成的人身伤害和财产损失，包括电击或触电，温度过高引起火灾，机械方
面存在的危险，放射性危险，化学性危险等；EMC认证的目的，是防止电
子产品产生的电磁干扰互相影响，使电子设备不能正常工作。
 早在100年前，国外一些经销商为了减小因不安全电子产品造成人身伤害和
财产损失的索赔风险，在产品销售之前，先请一些技术行家来对其销售产品
进行风险评估，所以从那时起，在国外就流行了要对电子产品进行安全认证
的过程。
59

 中国对安全认证认识比较晚，我国于1981年才加入国际化标准组织，大约于
1986年才开始与欧洲安全认证机构进行技术交流，并从欧洲引进一些与安全相关
技术标准。2001开始正式实施，因此，我国目前很多认证标准还处于不断完善的
过程之中。
 2001年前，中国把安全认证认称为长城认证（CCEE 认证），认证机构是中国
电工产品认证委员会（China Commission for Conformity Certification of
Electrical Equipment ，CCEE 成立于1984年）。中国加入世贸以后，为了与
国际接轨，中国成立了一个国家监督检验检疫总局和国家认证认可监督管理委员
会，并于2001年12月3日一起对外发布了《强制性产品认证管理规定》，对第一
批列入目录的19类132种产品实行“统一目录、统一标准与评定程序、统一标志
和统一收费”的强制性认证管理。将原来的“中国商检CCIB ”认证和“长城
CCEE 认证 ” 统一为 “ 中国强制认证 ” ( 英文名称为 China Compulsory
Certification ) ，其英文缩写为“CCC”，故又简称“3C”认证。
 开关电源输入、输出电压高，功率大，容易产生安全事故，是电子产品中安全认
证的重点，所以在进行开关电源电路设计时要倍加小心。

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几个常见安全认证
 “认证”的官方含义是：由可以充分信任的第三方来证实某一经过鉴定产
品或服务符合特定标准或规范性文件的活动。如果进一步仔细理解就是，
发证的为第三方，而进行产品鉴定的并不一定属于第三方，也可以是第四
方，但第四方必需取得第三方授权。常见的安全认证有下面几个：
 CCC认证， CCC（China Compulsory Certification 2001年）认证是
我国国家监督检验检疫总局和国家认证认可监督管理委员会于2001年12月
3日一起对外发布了《强制性产品认证管理规定》，对涉及安全、EMC、
环保要求的产品实行“统一目录、统一标准与评定程序、统一标志和统一
收费”的强制性认证管理。并将原来的“中国商检CCIB ”认证和“长城
CCEE 认证 ” 统一为 “ 中国强制认证 ” （ China Compulsory
Certification ），故又简称“3C”认证。
 FCC认证，FCC（Federal Communications Commission，美国联邦
通信委员会，1934年）通过控制无线电广播、电视、电信、卫星和电缆来
协调国内和国际的通信。

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 CSA认证，CSA（Canadian Standards Association，加拿大标准协会，1919
年）提供对机械、建材、电器、电脑设备、办公设备、环保、医疗防火安全、运动
及娱乐等方面的所有类型的产品提供安全认证。
 CE认证，CE（CONFORMITE EUROPEENNE，欧洲通用 1985年）认证是目前
世界上内容最全面和规范最多的安全认证，它是由总部位于欧盟成员国的认证机构
来制定法规。CE认证规定，在其区域内销售的商品，必须符合欧盟一系列关于安全、
卫生、环保、消费者保护等指令。
 UL认证，UL（Underwriter Laboratories Inc.）安全试验所是美国最有权威的，
也是世界上从事安全试验和鉴定的较大的民间机构。它是一个独立的、非营利的、
为公共安全做试验的专业机构。采用科学的测试方法来研究确定各种材料、装臵、
产品、设备、建筑等对生命、财产有无危害和危害的程度；确定、编写、发行相应
的标准和有助于减少及防止造成生命财产受到损失的资料，同时开展实情调研业务。
 GS认证，GS（Geprüfte Sicheheit 安全测试）认证是以德国产品安全法为依据，
按照欧盟统一标准EN或德国工业标准DIN进行检测的一种自愿性认证， GS是欧洲
市场公认的德国安全认证标志。

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几个常用安全认证机构
 最早的安全认证诞生于欧洲，19世纪初，欧洲产生了工业革命，但一些黑心
资本家经常生产一些不良产品，特别是一些不安全产品，使消费者的人身和
财产遭受损失，于是就有一些权益维护者自发组织起来，请求一些技术专家
对不良产品进行安全鉴定，并把鉴定结果向外公布，让消费者抵制这些不良
产品在市场上销售，久而久之，这些维权组织的行为就成为了一种标准的商
业行为，即：消费者对不经安全鉴定过的产品不买。
 德国的TÜV（德国技术监督协会Technische über wachüngs vereine ）
以及VDE（德国电气工程师协会 VDE Testing and Certification
Institute ）所属的技术研究所就是这样诞生的。 TÜV诞生于1866年1月6
日，VDE成立于1920年。经TÜV和VDE进行GS（安全测试 Geprüfte
Sicheheit）鉴定过的产品几乎可以在全欧洲通行。
 UL（underwriter laboratories）是美国保险商试验室的英文缩写，UL是
美国最权威、最大的从事产品安全试验和鉴定的机构，始创于1894年，它
是一个独立的、非营利性的为公共做产品安全试验证明的一家民营机构。

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 中国的大部分安全认证机构都是官方的，一般每个城市的技术监督中心的
下面都有一个可从事安全认证的机构或部门。赛宝认证中心是中国最大的
安全认证中心，赛宝认证中心的前身是电子部第五电子研究所。
 从某种意义上来说，安全认证只是给安全产品出具一张证明，在产品上面
粘贴一张安全认证标签，提示消费者购买产品时最好选购经过安全认证的
产品。在法律上并没有要求所有产品都需要进行安全认证，或要求消费者
必须购买经过安全认证的产品。国外最早的安全认证行为基本上都是从打
假和保护消费者利益演变过来的，如德国的TÜV和 VDE以及美国的UL，
一开始都是以打假为己任，他们都是民间组织，打假出名之后，才引起越
来越多的人重视，唯有中国的安全认证机构基本上都是属于官方机构，这
种认证结构在性质上与国外认证机构会有很大区别。
 早些时候，安全认证大多数是自愿行为，比如欧洲早在1862年就已经有人
从事安全认证技术工作或研究，但随着经济发展全球化的速度不断加快，
贸易冲突不断增加，使安全认证逐步变成国与国之间保护市场利益的武器，
安全认证的性质也开始发生了变化，即安全认证逐步由技术领域扩大到政
治领域。
64

 由于各国的经济和技术水平相差较大，以及在文化、法律方面存在较大差异，
所以，各国对家电法规的要求也略有不同，一般发达国家对标准的要求比较严，
而其它国家相对比较宽松。目前，世界各主要地区的家电法规要求均以IEC标准
IEC60335为基础，其中欧洲标准与国际标准最为接近。
 欧洲标准分为两大部分，第一部分EN60335-1是家用电器的综合要求；第二
部分EN60335-2是对各类家用电器的特殊附加要求，这两部分多达几十条标准，
选用什么标准，双方是可以互相协商的，需要根据具体产品来选择标准的等次
和内容，但基本原则是不会改变的，就是保护消费者的利益。
 信息产品的欧洲电气安全标准是EN60950，这也是德国TüV信息产品GS认证
的技术规范。对于电脑显示器，GS认证还包括EN50279标准和ISO9241系列标准。
由于世界各国的信息产品安全标准均以国际电工协会的IEC950标准为基础，所
以，当企业在申请德国TüV的GS认证时，应注意合并申请其他国家的安规认证，
使产品可以在全世界通行。

65

 欧盟协调标准和其他标准的适用是自愿的，产品可以选择适用欧盟协调
标准，也可以适用别的技术规范以满足指令规定的基本要求。
 对于中国的企业，最好要事先与国外从事安全认证的机构，或与已经取
得国外安全认证机构授权的国内安全技术检测中心取得联系，只有让出口产
品通过落地安全认证之后才可销售，否则就会引起贸易纠纷。
 我国强制性认证用的两大电子产品安全标准是GB8898《音频、视频及
类似电子设备安全要求》和GB4943.1《信息技术设备的安全第1部分：通
用要求》。其中 GB8898与IEC60065 等同，GB8898较早前也成为：
《电网电源供电的家用和类似一般用途的电子及有关设备的安全要求》，现
在把标准的使用范围进一步进行了区分和限定。
 一般需要对产品进行安全认证的单位，是不可能完全清楚安规认证内容的，
必须要与得到安全认证授权的检测单位取得联系，并进行服务咨询。如果产
品是出口的，最好由买方提出具体要求，因为中国的法律在国外并不通用，
并不是国外所有国家对产品都需要强制认证。
66

世界各国的安全认证标志

67

开关电源的安全设计

开关电源安全设计要求

68

电子产品安全标准要点

 进行开关电源设计时，最好先参考国标GB8898《电网电源供电的家用和类似一般
用途的电子及有关设备的安全要求》的内容。
 国标 GB8898 适用于直接或间接地连接到电网电源（单相电压不超过250Vrms、
三相电压不超过433Vrms）的、不受水滴、水溅的家用和类似一般室内使用的以
下八类设备：
⑴ 声音或图像无线电接收设备（收音机，电视机）；
⑵ 放大器（功放）；
⑶ 独立负载换能器和源换能器；
⑷ 含上述设备的电动机驱动的设备，或仅能与上述设备组合使用的电动机驱动的
设备（收音-电唱机，磁带录音机）；
⑸ 明显地为上述设备组合使用的其它设备（天线放大器）；
⑹ 代电池；
⑺ 电子乐器；
⑻ 与电子乐器或非电子乐器连用的电子辅助设备（节拍发生器）。
 附注：当一专业设备无适当的安全标准，而它可能由非专业人员使用时，则可在其
适用的范围内使用本标准。GB8898标准和IEC60065标准等效。

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开关电源安全设计要求

 开关电源作为电子设备的一个工作单元，单独对开关电源进行安全设计
以及EMC设计是很合理的，因为，对电子设备进行3C认证，大部分内容
都是针对开关电源。对开关电源进行安全设计，一般需要考虑下列内容：
1、防触电；
2、防爆炸；
3、防辐射；
4、防过高温；
5、防起火：
6、防人身受机械不稳定性和运动部件的伤害。
 除此之外根据3C要求还应该考虑：
a、防浪涌；
b、EMC设计；
c、环保、无毒；
 同时还要考虑可靠性或平均无故障工作时间MBTF。

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安全标准中的几个关键术语

（1）基本绝缘（ basic insulation）：指对防触电进行基本防护而对带电件
所加的绝缘。
（2）附加绝缘（ supplementary insulation）：指对基本绝缘所增添的独
立绝缘，以便在基本绝缘万一失效时仍能防止触电。
（3）双重绝缘（ double insulation）：指包括基本绝缘和附加绝缘的绝缘。
（4）加强绝缘（ reinforced insulation）：指对带电件所加的单独绝缘系
统，其防触电等级在本标准规定的条件下相当于双重绝缘。
（5）Ⅰ类设备（classⅠapparatus）：指其防触电不仅依靠基本绝缘而且
采用附加安全措施的设备。在基本绝缘万一失效时，有措施使可触及的导
电件与设备安装中的固定线路里的保护(接地)导体相连接，从而使可触及的
导电件不会带电（有保护接地线）。依靠基本绝缘+接地提供防触电保护。
（6）Ⅱ类设备（class Ⅱ apparatus）：指其防触电不仅依靠基本绝缘而且
采用诸如双重绝缘或加强绝缘之类的附加安全措施的设备。它不备有保护
接地措施,也不依靠设备安装中的防护条件。
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（7）电网电源（ supply mains ）：指工作电压高于34Vp的设备供电的电
源。
（8）保护接地端子（protective earth terminal ）：指为了安全原因而必
须与接地的元件相连接的端子。
（9）可触及件（accesible part ）：指用标准型试验指能触及的部分。
（10）爬电距离（creepage distance）：指沿两导电元件间绝缘体表面测
得的最短距离。
（11）间隙（clearance）：两导电元件间在空气中测得的最短距离。
（12）正常使用条件：温度 15℃ ~35℃，湿度 45%~75%RH，气压
86kPa~106kPa、通风、额定电源电压的0.9或1.1倍；可触及的手调控制
器件调到任何位臵；任何负载连接或不连接时；接地端子接地或不接地时
等以上所有条件最不利的组合。
（13）故障条件：指除正常使用条件外，顺次地施加每个条件以及与之有关
的从逻辑推理得出的其他条件。如：对开关管的CE、灯丝进行短路、把带
电件安全罩的固定螺丝或类似装臵拧松1/4圈等。
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（14）总要求：在正常使用条件或故障条件下不出现危险，设备的设计和结
构要具备以下措施：防触电、防爆炸、防辐射、防过高温、防起火、防人
身受机械不稳定性和运动部件的伤害。
（15）防起火：防止电视机在正常或故障状态下工作时，由于部件短路或过
热导致某些材料起火，而造成人身与财产损失。
（16）防触电：防止人体触及到超过安全电压的部件时，电流对人体造成的
危害(A、B、C、D)。
A、可触及件不应带电。天线、地线端子、连接各种换能器的任何端子（连
接独立扬声器的端子除外）即使不可触及也不应带电。任何两个可触及件
或接点间、在任何可触及件与试验用电源一极间漏电≤0.7mAp或直流
2mA，天线端子的放电量≤4.5μC则认为不带电。
B、通风孔要求：用φ 4mm×100mm的金属针自由插入，插入的深度不超
过其长度且应使进入机内的悬挂外物（如项链）不能与带电件接触。

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C、连接端子要求：用φ 1mm的标准试验针、φ 1mm×100mm的裸导线
连接各端子应无触电危险。
D、电源插头在电源开关闭合或断开状态拔出电源插座后不应带电（一般电
视机电源开关应处于闭合状态）。
E、机壳要有足够的强度来抵挡外力的作用，最弱处应能承受刚性试验指
50N/10s 向内的作用力，试验钩20N/10s 向外的作用力。
F、结构要求：设备的结构与设计应保证可触及件、用手挪开保护盖后而
暴露的可触及件无触电危险。带电件不得使用吸湿材料做绝缘，如未浸
渍的木材、纸和类似的纤维材料等。
G、Ⅰ类设备要有可靠的安全接地端子，使用基本绝缘将可触及件与带电
件隔离。Ⅱ类设备应采用双重绝缘或加强绝缘将可触及件与带电件隔离。

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开关电源的漏电防护

1、当开关电源的输入、输出电压，交流超过34Vp，直流超过24V时，需要考
虑触电问题。安规规定：任何两个可触及件之间，或任何一个可触及件与电
源的一极，或任何一个可触及件与大地，对于工作在亚热带的机器漏电不要
超过0.7mAp或直流2mA，对于工作在温带的机器不要超过0.35mAp直流
1mA 。
2、输入电压为交流220V的开关电源，冷热地之间的爬电距离必须大于6mm；
两输入引线端口的爬电距离必须大于3mm。
3、开关电源冷、热地之间的耐压要求大于交流2000V，因此，开关电源变压
器初、次级之间的耐压也要求大于交流2000V，并且开关电源变压器作为
安全件需要事先进行安全认证。
5、当开关电源的输出电压高于4000V时，要考虑静电问题。假设带电体对地
的分布电容为1000PF，则带电体存储的电荷量就可能超过4.5微库仑。安
规规定：任何可触及件所带电荷不允许超过4.5微库仑。
6、当电源插头拔离插座时，插头两端电压在1秒钟之内应该低于24V（安全电
压）。
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开关电源的过热防护
1、当开关电源的最大输出功率大于15瓦时，需要对线路做短路试验：
A、输出端短路时，任何器件不能过热起火，或起火时间不能超过3秒钟。
B、相邻线路的爬电距离小于0.2mm，就可以认为是短路，做短路试验
时，任何器件不能发热起火，或起火时间不能超过3秒钟。
C、相邻线路的爬电距离与两线之间电压之比，应大于每毫米/300V ，
小于此值时要做短路试验，做短路试验时，任何器件不应发热起火。
D、所有大功率电解电容都要做短路试验，因为电解电容随着使用时间增
加，容量会变小，内阻会增大，从而使电压文波增大，最后电容器会发热击
穿，使线路短路，做短路试验时，任何器件均不能发热起火，或起火时间不
能超过3秒钟。
 防止短路起火的最好措施是在线路中串接保险丝或接保险丝电阻。

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开关电源的过热防护
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2、两种不同性质的金属导体互相接触时，会产生电腐蚀，禁止选用不同
性质的金属材料作为接插件；禁止选用接点电位差较大的导体作为PCB板
跳线。
3、焊点与元件引脚的接触面积要大于引脚的截面积，否则就被判为虚焊。
根据数据统计，电子产品起火的原因大约有20～30%是属于元器件虚焊引
起，因为大功率器件虚焊会引起焊点发热，把PCB板烤成炭黑，而后很容
易产生打火燃烧。
4、焊点与元件引脚一般都不属于同一种金属材料，当有电流流过时多少
都会产生电腐蚀，因此，焊点与元件引脚接触面积处的电流密度应小于
2.5A/mm2。
5、当流过印制板电路中的电流密度大于8A/mm2时，导体的温升会超过
20 ℃ ，在高温下PCB板会发黄碳化，因此流过印制板电路中的电流密度最
好不要超过8A/mm2。
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开关电源安全设计

影响安全的几个关键器件

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开关变压器

安全要求开关变压器的初、次线圈的爬电距离大于6mm，耐压大于
AC2000V/50Hz，温升小于40 ℃，最高温度小于85 ℃ 。


次级

图2-5
初级

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半导体器件

开关电源的工作环境温度
一般都超过45 ℃，如果机
器的平均温升和半导体器件
的温升均为20℃，则功率器
件的工作温都就会达到升85
℃，甚至更高，此时允许半
导体器件输出功率或电流就
会下降到只有最大值的三分
之一，一旦输出过载，很容
易损坏半导体器件。因此，
半导体器件的温升一般不要
超过20℃。

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集电极(漏极)耗散功率曲线

INFINITE HEAT SINK
COLLECTOR POWER DISSIPATION

带散热片
Pc (W )

CASE TEMPERATURE TC (℃)

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电解电容器
 电解电容是开关电源中最不安全和对开关电源平均无故障工作时间
MBTF影响最大的器件。
 电解电容使用一段时间之后，电容量会减小，纹波电压会增大，纹波
电压增大又会进一步使电解电容温升提高，所以很容易失效。
 大功率电解电容发热失效时，经常会引起爆炸，因此，直径大于
10mm的电解电容，要具有防爆功能。具有防爆功能的电解电容是在电
容器外壳的顶部开十字槽，并在引脚的底部还要留排气孔。
 电容器的使用寿命主要由电容器内部的温度来决定，而电容器的温升
主要与纹波电流与纹波电压大小有关，因此，一般电解电容器给出的最大
纹波电流和纹波电压参数，都是在特定工作温度（85℃或105℃）和特
定使用寿命（2000小时）条件下的纹波电流值，即：在此最大纹波电流
和纹波电压的条件下，电解电容器的寿命只有2000个小时。当要求电容
器的使用寿命大于2000小时以上时，需按下式来设计电容器的使用寿命。

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下面是根据著名的阿列纽斯理论得出的电解电容使用寿命计
算公式：

T T T jo T j
( max a ) (  )
Th  0.25T jo Th  0.25T j —— (1)
L  Lb  2 Th
2
式中：
L：实际使用平均寿命；
Lb：最大工作温度下的基本寿命，一般为2000小时；
Tmax：最大工作温度，一般为85℃或105℃；
Ta：实际环境温度；
Th：寿命折半所需之温度量，一般为10℃或12℃；
ΔTjo：加上最大额定波纹电流后，电容器的内部温升与电容器的
封装结构有关，取值范围：3.5～10℃
ΔTj：加入实际波纹电流后，电容内部的温升。
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其中：
2
I 
T j  T j 0   F  —— (2)
 I0 
式中：  
F：频率系数，频率系数在产品目录或规格书中列出，一
般定义工作频率为120Hz或100kHz时F=1，其它工作频率时
，F大于或小于1；
Io ：最高工作温度时的额定波纹电流；
I：实际波纹电流。
根据上面公式计算结果，电解电容器的温度每升高10℃～
12℃，电解电容寿命就会降低一半。例如，如果要求电解电容
器的使用寿命达到5万小时，则电解电容器的最高工作温度就
不要超过55℃ 。
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X电容和Y电容

 X类安全电容有X1、X2、X3三类之分，三类电容的额定工作电压基本都
一样，均为AC250V，或AC275V，但它们可承受的脉冲电压幅值不一样。
这三类电容对应的安全冲击脉冲电压分别是：4.0kVp、2.5 kVp、1.2 kVp 。
如果不考虑防雷电，一般家用电器大部份都选用X2类安全电容器；如果考虑
防雷电，必须选用X1类电容。
 Y类抗干扰高压瓷介电容器分Y1类和Y2类，两类电容的额定工作电压基本
都一样，均为AC250V，或AC400V，但它们可承受的脉冲电压幅值不一样。
Y1类电容可承受的脉冲电压幅值为8000Vp，而Y2类电容可承受的脉冲电压
幅值为5000Vp。如果不考虑防雷电，一般家用电器大部份都选用Y2类安全
电容器；如果考虑防雷电，必须选用Y1类电容。
为了防引起电子设备漏电或机壳带电，容易危及人身安全及生命，Y电容的
值不能偏大，一般，工作在亚热带的机器，要求对地漏电电流不能超过
0.7mA；工作在温带的机器，要求对地漏电电流不能超过0.35mA。因此，Y
电容的总容量一般都不能超过4700PF。

85

2000Vdc/500 Vac 国内人气最旺的电子工程师互动平台
1000
Vac

Vrms 500

100

50 0.47nF
6.8nF
15nF
0.1uF

10
103 5 10 4 5 105 5 106 Hz 10
7

f

CBB81电容器额定工作电压与频率的关系
86

开关电源安全设计

安全设计举例说明

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