一.输入整流管的选择

    对于非隔离式开关电源，可采用输入整流管进行半波整流。隔离式开关电源一股采 用由整流管构成的整流桥，亦可直接选用成品整流桥，完成桥式整流。

    近年来，以大管芯、小封装为特点的各种塑料封装(以下简称塑封)硅整流管大量 上市。它们的体积很小、性能优良、价格低廉，可取代原国产2CZ系列整流管。塑封 整流管的典型产品有1N4001—1N4007(1A)、1N5391—1N5399(1.5A)、1N5400一 1N5408(3A)，主要技术指标见表3-3-1，外形如图3-3-1所示，靠近色环(通常为 白颜色)的引线为负极。注意，1N4007也有封装成球形的

图3-3-1  塑封硅整流管的外形

表3-3-1  常见塑封硅整流管的技术指标

二.输入整流桥的选择

    全波桥式整流器简称硅整流桥，它是将四只硅整流管接成桥路形式，再用塑料封装 而成的半导体器件。它具有体积小、使用方便、各整流管的参数一致性好等优点，可广 泛用于开关电源的整流电路。硅整流桥有4个引出端，其中交流输入端、直流输出端各 两个。图3-3-2示出几种硅整流桥的外形。硅整流桥的最大整流电流平均值分0.5、1、 1.5、2、3、4、6、8、10、15、25、35、40A等规格，最高反向工作电压有50、100、 200、400、800、1000V等规格。小功率硅整流桥可直接焊在印刷板上，大、中功率硅 整流桥则要用螺钉固定，并且需安装合适的散热器。

图3-3-2  几种硅整流桥的外形

1．整流桥的导通时间与选通特性

    50Hz交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压u₁，再通过输入滤波电容得到直 流高压U_I。在理想情况下，整流桥的导通角本应为180°(导通范围是从0°~180°)，但 由于滤波电容器C的作用，仅在接近交流峰值电压处的很短时间内，才有输入电流经 过整流桥对C充电。50Hz交流电的半周期为10ms，整流桥的导通时间t_C3ms，其导 通角仅为54°(导通范围是36°~90°)。因此，整流桥实际通过的是窄脉冲电流。桥式整 流滤波电路的原理如图3-3-3(a)所示，整流滤波电压及整流电流的波形分别如图 (b)、图(c)所示。

图3-3-3  整流滤波电压及整流电流的波形

    最后总结几点：

    (1)整流桥的上述特性可等效成对应于输入电压频率的占空比大约为30％。

    (2)整流二极管的一次导通过程，可视为一个“选通脉冲”，其脉冲重复频率就等 于交流电网的频率(50Hz)。

    (3)为降低开关电源中500kHz以下的传导噪声，有时用两只普通硅整流管(例如 1N4007)与两只快恢复二极管(如FRl06)组成整流桥，FR106的反向恢复时间trr ≈ 250ns。

2．整流桥的参数选择

    整流桥的主要参数有反向峰值电压U_RM(V)，正向压降U_F(V)，平均整流电流 I_F(AV)(A)，正向峰值浪涌电流I_FSM(A)，最大反向漏电流I_R(uA)。整流桥的典型产 品有美国威世(VISHAY)半导体公司生产的3KBP005M~3KBP08M，其主要技术指 标见表3-3-2。整流桥的反向击穿电压断应满足下式要求

URM ≥ 1.25x1.414xUmax    (3-3-1)

表3-3-2  3KBP005M~3KBP08M型整流桥主要技术指标

     举例说明，当交流输入电压范围是85~132V时，U_max＝132V，由式(3-3-1)计 算出U_RM＝233.3V，可选最高反向耐压400V的成品整流桥。对于宽范围输入交流电 压，U_max＝265V，同理求得U_RM＝468．4V，应选最高反向耐压600V的成品整流桥。需

    要指出，假如用4只硅整流管来构成整流桥，整流管的耐压值还应进一步提高。辟如可 选1N4007(1A／1000V)、1N5408(3A／1000V)型塑封整流管。这是因为此类管子的 价格低廉，且按照耐压值“宁高勿低”的原则，能提高整流桥的安全性与可靠性。

    设输入有效值电流为I_RMS，整流桥额定的有效值电流为I_BR，应当伎I_BR ≥ 2I_RMS。计 算I_RMS的公式如下

IRMS = PO/(ηumincosφ)    (3-3-2)

    式中：P_O为开关电源的输出功率；η为电源效率；u_min为交流输入电压的最小值；cosφ 为开关电源的功率因数，允许cosφ＝0.5~0.7。由于整流桥实际通过的不是正弦波电 流，而是窄脉冲电流(参见图3-3-3)，因此整流桥的平均整流电流I_d＜I_RM，一般可按 I_d=(0.6~0.7)I_RM来计算I_AVG值。

    例如，设计一个7.5V/2A(15W)开关电源，交流输 入电压范围是85—265V，要求η＝80％。将P_O＝15W、η ＝80％、u_min＝85V、>cosφ＝0.7一并代入式(3-3-2)得 到，I_RMS＝0.32A，进而求出I_d＝0.65×I_RMS＝0.21(A)。 实际选用1A/600V的整流桥，以留出一定余量。

    整流桥亦可由4只整流管构成，例如可选1N4007 型1A/1000V硅整流管。需要指出，图3-3-4中采用 两只FRl06型1A/800V快恢复二极管(VD₁、VD₂)、 两只1N4007型普通硅整流管(VD₃、VD₄)，目的是降 低开关电源中500kHz以下的传导噪声。FR106的反向 恢复时间t_rr≈250ns。

图3-3-4  由硅整流管和快恢复二极管组成整流桥

三.输入滤波电容器的选择

1．输入滤波电容器容量的选择

    为降低整流滤波器的输出纹波，输入滤波电容器的容量C_I必须选得合适。令每单 位输出功率(W)所需输入滤波电容器容量(uF)的比例系数为k，当交流电压u＝ 85~265V时，应取k＝2~3uF/W；当交流电压u＝230V(1±15％)时，应取k＝1uF/W。 输入滤波电容器容量的选择方法详见表3-3-3，P_O为开关电源的输出功率。

表3-3-3  输入滤波电容器容量的选择方法

2．准确计算输入滤波电容器容量的方法

    输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。C_I值选得过低，会使U_Imin值大 大降低，而输入脉动电压U_R却升高。但C_I值取得过高，会增加电容器成本，而且对于 提高U_Imin值和降低脉动电压的效果并不明显。下面介绍计算C_I准确值的方法。

    设交流电压“的最小值为u_min。u经过桥式整流和C_I滤波，在u＝u_min情况下的输出 电压波形如图3-3-5所示。该图是在P_O＝P_OM，f＝50Hz、整流桥的导通时间t_C＝ 3ms,η＝80％的情况下绘出的。由图可见，在直流高压的最小值U_Imin上还叠加一个幅 度为U_R的一次侧脉动电压，这是C_I在充放电过程中形成的。欲获得C_I的准确值，可 按下式进行计算

CI = 2PO(1/f - tC)/η/(2Umin2 - UImin2)   (3-3-3)

图3-3-5  交流电压为最小值时的输出电压波形

    [例]在宽范围电压输入时，u_min＝85V。取U_Imin＝90V，f＝50Hz，t_C＝3ms，假定 P_O＝30W，η＝80％，一并代入式(3-3-3)中求出C_I＝84.2uF，比例系数C_I/P_O＝ 84.2uF/30W＝2.8uF/W，这恰好在2~3uF/W允许的范围之内。

四.倍压整流及交流输入电压转换电路的设计

1．倍压整流电路的设计

    某些小功率的工业控制电源，要求能在工业现场提供的安全电压下工作。所谓安全 电压，是指为防止发生触电事故而由特定电源供电所采用的电压系列。按照国家标淮 GB/T 380 5—2008《特低电压(ELV)限值》的规定，我国安全电压额定值的等级为 42、36、24、12V和6V。具体数值应根据作业场所、操作员条件、使用方式、供电方 式、线路状况等因素加以确定。

    例如要求低压输入式工业控制辅助电源的交流电压输入范围为u＝18—30V。而TinySwitch-III 系列单片开关电源能够正常启动和工作的最低漏极直流电压为50v。当开 关电源的输入直流电压U_I<50V时，芯片就无法提供足够的偏压以维持正常工作，这 就大大限制了TinySwitch-III系列产品在低压情况下的应用。为解决上述难题，使TinySwitch-III 在超低交流输入电压下也能正常工作，可采用倍压整流电路。典型的倍压 整流电路如图3-3-6所示。

图3-3-6  典型的倍压整流电路

    由VD₁、VD₂、C₁和C₂组成倍压整流电路，VD₁、VD₂可采用1A／ 100V的硅整流管1N4002。R₁和R₂为均压电阻，用于平衡C₁、C₂的压 降，使二者相等。C₁、C₂应采用较大容量的100uF/100v电解电容器， 以确保整流后的直流电压不低于+50V。该电路实际由两个半波整流 电路构成。在交流电的正半周，VD₁进行半波整流，C₁起到滤波作用。 整流后的直流电压为U_C1(C₁的负极接零线)；在交流电的负半周，VD₂ 进行半波整流，C₂起到滤波作用。 整流后的直流电压为U_C2(C₂的正极接零线)，C₂两端的电压极性为上端为正，下端为 负。U_C1与U_C2叠加后，获得U_I'＝U_C1+U_C2＝2U_I，从而实现了倍压输出。由于小功率开关 电源的负载很轻，而C₁、C₂的容量较大，因此U_I'≈2√2u。不难算出，当u＝18v时， U_I'≈2√2u=2x1.414x18=50.9V>50V,可满足TinySwitch-III对直流输入电压的需要。

2．110v/220v交流输入电压转换电路的设计

    能实现110V/220V交流输入电压转换的两种电路分别如图3-3-7(a)、(b)所示。 二者适配桥式整流滤波器；它们的区别是图(a)采用单刀单掷开关，图(b)采用单刀 双掷开关，并且开关在电路中的接法也不同。下面以图(a)为例，分析其工作原理。 VD₁~VD₄为整流桥中的4只整流管。S为电源选择开关。将S闭合时选择110V交流 电，进行倍压整流，R₁和R₂为均压电阻，可以平衡滤波电容C₁、C₂上的电压，避免 某一电容因压降过高而被击穿。此外，在断电后这两只电阻还给滤波电容提供泄放回 路。将S断开时选择220v交流电。

图3-3-7  110V/220V交流输入电压转换电路

    图3-3-7(a)所示110V倍压整流电路的工作原理如图3-3-8所示。假定在交流 电的正半周，a点呈正电位，b点为负电位，此时整流桥中的二极管VD₂和VD₃导通， VD₁与VD₄截止，参见图3-3-8(a)。110V交流电就沿下述途径对C₂充电： u→a→c→C₂→VD₃→b，将U_C2充到约√2×110v＝155v，极性为上端正、下端负。在负半周时 b点呈正电位，a点变成负电位，等效电路见图3-3-8(b)。此时VD₁、VD₄导通， VD₂和VD₃截止，电流沿着u→b→VD₁→C₁→c→a的路径对C₁充电，使认U_C1=155v， 极性仍为上端正、下端负。显然，整流滤波器的实际输出电压U_I'＝U_C1+U_C2≈2×155v ＝310v，从而实现了倍压整流。即使在低压输入时也能获得额定的直流高压。

图3-3-8  110V倍压整流电路的工作原理

    当S断开时就选择220V交流电。此时C₁、C₂相串联，总电容量变成235uF 图3-3-7(b)的工作原理读者可自行分析。