大學(xué)畢業(yè)設(shè)計20寸液晶電視開關(guān)電源的設(shè)計

1、20寸液晶電視開關(guān)電源的設(shè)計摘 要電源在一個典型系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)著非常重要的角色。電源給系統(tǒng)的電路提供持續(xù)、穩(wěn)定的能量，使系統(tǒng)免受外部的侵?jǐn)_，并防止系統(tǒng)對外部電源造成污染。相反地，如果電源內(nèi)部發(fā)生故障，不應(yīng)造成系統(tǒng)的故障。本文基于這個思想，設(shè)計和制作一個符合指標(biāo)要求的電源。開關(guān)電源具有高頻率、高功率密度、高效率等優(yōu)點(diǎn), 被稱作高效節(jié)能電源。因此，本設(shè)計在20寸液晶電視外置式電源的設(shè)計中采用了開關(guān)電源技術(shù)。本文以開關(guān)電源的發(fā)展歷史、發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢為線索，介紹了開關(guān)電源的一些新技術(shù)，并利用這些技術(shù)設(shè)計符合要求的20寸液晶電視外置式開關(guān)電源。電源設(shè)計的主要指標(biāo)是：電源工作頻率為100kHz，輸出直流

2、電壓24V，最大偏差小于0.4V，紋波小于220mV；最大輸出功率108W；應(yīng)用功率因數(shù)校正技術(shù)提高功率因數(shù)，使功率因數(shù)達(dá)到0.9以上；電源整機(jī)效率達(dá)到80；此外，本文設(shè)計了電源保護(hù)電路和安全功能，包括過壓保護(hù)（OVP）、過流保護(hù)（OCP），安全接地；實(shí)現(xiàn)了電源的高效率化，環(huán)?；?，以及安全化。最后，在完成基本指標(biāo)的情況下，本文提出了電路改進(jìn)的幾條方案。包括無源功率因數(shù)校正電路，無源吸收電路，有源嵌位電路，以期使電路更加完善，電源性能更加優(yōu)越，電源整機(jī)效率更高。關(guān)鍵詞：線性電源 開關(guān)電源 開關(guān)管 脈寬調(diào)制 開關(guān)變壓器英 文 縮 略 詞EMI：Electro Magnetic Interferen

3、ce，電磁干擾PWM：Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制方式PFM：Pulse Frequency Modulation，脈沖頻率調(diào)制方式PFC：Power Factor Correction，功率因數(shù)校正TRC：Time Rate Control，時間比率控制OVP：Over Voltage Protection，過壓保護(hù)OCP：Over Current Protection，過流保護(hù)目錄1 引言12 開關(guān)電源的概述12.1 開關(guān)電源的基本原理12.2 開關(guān)電源的發(fā)展22.3 開關(guān)電源的技術(shù)動向2 單片式控制芯片的新技術(shù)3 功率校正技術(shù)33 開關(guān)電源在LCD中的應(yīng)用4

4、3.1LCD電視功能模塊43.2LCD電視的供電方式44 設(shè)計指標(biāo)及要求45 方案的比較與確定55.1 單片式電源控制芯片55.2PWM控制芯片65.3 帶PFC的PWM控制芯片75.4 芯片的選擇75.5 原理框圖及電路設(shè)計86 電路原理分析及設(shè)計96.1 電路原理的概述96.2 開關(guān)電源的EMI設(shè)計9的結(jié)構(gòu)與原理11濾波器選用與安裝11 外殼對EMI的影響及其設(shè)計126.3 開關(guān)電源保護(hù)電路的設(shè)計12 熱敏電阻防沖擊電流電路12 壓敏電阻防浪涌電壓電路136.4 開關(guān)管的選擇136.5 變壓器的設(shè)計136.6 整流管的選擇156.7 反饋電路的設(shè)計156.8 輸出濾波器167 電路板的制作

5、與調(diào)試167.1PCB布局、布線設(shè)計16 總體布局、布線設(shè)計的原則16 布線步驟及注意問題177.2 電路測試及測試結(jié)果17 測試工具17 測試方法18 測試結(jié)果198 電路的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)方案228.1 開關(guān)電源對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波干擾與抑制22 產(chǎn)生諧波的原因22 采用無源功率因數(shù)校正電路228.2 改善開關(guān)電源效率的技術(shù)23 開關(guān)電源內(nèi)部的主要損耗23 降低主要損耗的各種技術(shù)239 結(jié)束語25致謝26參考文獻(xiàn)27英文摘要28畢業(yè)設(shè)計成績評定表1 引言圖1 線性電源原理圖線性電源的工作過程為: 將220V/50Hz的工頻電網(wǎng)電壓經(jīng)過線性變壓器T降壓以后, 再經(jīng)過整流D、濾波器FILTER和線性穩(wěn)

6、壓，最后輸出一組(或多組) 波紋電壓和穩(wěn)定度均符合要求的直流電源電壓（李成章，1992）。線性電源的原理圖如圖1所示。圖2 開關(guān)電源原理圖開關(guān)電源，全稱為開關(guān)式穩(wěn)壓電源，是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的，用來替代傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源的一種新型電源（李成章，1992）。開關(guān)電源一般是由全橋整流器、開關(guān)功率管Q、激勵信號、續(xù)流二極管VD、儲能電感L和濾波電容C組成。開關(guān)電源的核心部分是一個直流變換器（DC/DC），即通過開關(guān)功率管Q把直流電壓變?yōu)槊}沖方波，經(jīng)濾波成為直流電壓的過程。開關(guān)電源原理圖如圖2所示。開關(guān)電源工作的頻率越高，就越有利于提高電源的效率，減小變壓器的體積。開關(guān)電源出現(xiàn)的時候，功率開關(guān)管的工

7、作頻率為20kHz。因此，開關(guān)電源稱20kHz革命。由于功率場效應(yīng)管性能改進(jìn), 現(xiàn)在的開關(guān)管工作頻率已遠(yuǎn)高于20kHz，達(dá)到100kHz以上。由于開關(guān)電源重量輕、體積小、價格低、變換效率高，今天, 幾乎在所有的使用直流電源的場合取代了工頻變壓器穩(wěn)壓電源。2 開關(guān)電源的概述開關(guān)電源的種類較多，可根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。開關(guān)電源根據(jù)開關(guān)變壓器與負(fù)載的連接方式可分為：串聯(lián)型開關(guān)電源和并聯(lián)開關(guān)電源；按照控制開關(guān)的導(dǎo)通方式可分為調(diào)寬型和調(diào)頻型；按照電源啟動方式的不同可分為自激型和它激型兩種（張新德，2003）。2.1 開關(guān)電源的基本原理目前設(shè)計的開關(guān)電源大多采用脈寬調(diào)制(PWM，Pulse Width M

8、odulation)方式，少數(shù)采用脈沖頻率調(diào)制(PFM，Pulse Frequency Modulation)方式或混合調(diào)制方式（何希才等，2004）。圖3 PWM和PFM波形PWM方式和PFM方式的調(diào)制波形分別如圖3(a)、(b)，表示脈沖寬度（即功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間），T代表周期。從中很容易看出二者的區(qū)別。但他們也有共同之處：（1）均采用時間比率控制（TRC，Time Rate Control）的穩(wěn)壓原理，無論是改變還是T，最終調(diào)節(jié)的都是脈沖占空比。（2）當(dāng)負(fù)載由輕變重，或者輸入電壓從高變低時，分別通過增加脈寬、升高頻率的方法，使輸出電壓保持穩(wěn)定。2.2 開關(guān)電源的發(fā)展開關(guān)電源已有幾十年的

9、發(fā)展歷史。早期產(chǎn)品的開關(guān)頻率很低，成本昂貴，僅用于衛(wèi)星電源等少數(shù)領(lǐng)域（周志敏等，2003）。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了晶閘管（可控硅）相位控制式開關(guān)電源，70年代由分立元件制成的各種開關(guān)電源，均因效率不夠高、開關(guān)頻率低、電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy而難以推廣，使之應(yīng)用受到限制。70年代后期以來，隨著集成電路設(shè)計與制造技術(shù)的進(jìn)步，各種開關(guān)電源專用芯片大量問世，這種新型節(jié)能電源才重新獲得發(fā)展。自20世紀(jì)90年代以來，開關(guān)電源的發(fā)展更是日新月異。許多新的領(lǐng)域和新的要求也對開關(guān)電源提出了更新的挑戰(zhàn)。從開關(guān)電源的輸入和輸出條件來看，電源輸入的要求變得更嚴(yán)了，不符合IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品將陸續(xù)被淘汰；輸出則派

10、生出了許多特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，研制和開發(fā)的難度變得更大了。正是由于外界的要求，推動了兩個開關(guān)電源的分支技術(shù)（有源功率因數(shù)校正技術(shù)和低壓大電流高功率DC/DC變換技術(shù)）的發(fā)展，并一直成為當(dāng)今電力電子的研究課題（周志敏等，2003）。2.3 開關(guān)電源的技術(shù)動向開關(guān)電源控制芯片具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為開發(fā)中、小功率電源、精密開關(guān)電源及開關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路（沙占友等，2003）?？偟膩碚f，無論是PWM控制芯片開關(guān)電源還是單片開關(guān)電源，都正朝著短、小、輕、薄、節(jié)能、安全的方向發(fā)展（劉軍，2002）。 單片式控制芯片的新技術(shù)（1）“綠色節(jié)能”型開關(guān)電源。對于IC

11、廠家來說，主要目標(biāo)是設(shè)計各種電源開關(guān)管、整流器，使之達(dá)到高速低功耗。而對于電源產(chǎn)品廠家，則注重選用合適的電源芯片，使之工作在最佳的狀態(tài)，達(dá)到節(jié)省電能的目的。（2）頻率抖動技術(shù)。采用了“頻率抖動”(FrequencyJittering)技術(shù)，以降低由開關(guān)頻率高次諧波所造成的電磁干擾。將開關(guān)頻率限制在很窄的波段內(nèi)抖動。例如：當(dāng)開關(guān)頻率在132kHz附近不斷變化時，這個頻率與132kHz固定頻率的高次諧波之間沒有相關(guān)性，因此利用頻率抖動技術(shù)能夠降低傳導(dǎo)噪聲。其開關(guān)頻率的抖動范圍是128kHz136kHz，抖動量為4kHz。（3）跳過周期。采用跳過周期的工作方式進(jìn)一步降低輸出功率，來提高輕載時電壓的穩(wěn)

12、定性。此方式可等效為先將占空比固定在1.5%(或更低值)上，然后用PFM方式調(diào)節(jié)輕載時的輸出值。根據(jù)負(fù)載變化情況，開關(guān)電源能在正常工作方式和跳過周期方式二者之間自動轉(zhuǎn)換，而無須其他控制。 功率校正技術(shù)傳統(tǒng)的開關(guān)電源存在一個致命的弱點(diǎn)：功率因數(shù)低，一般只有0.450.75，而且其無功分量基本上為高次諧波。高次諧波的危害在很多電器設(shè)備中會造成致命的影響（周志敏等，2003）。區(qū)別于傳統(tǒng)的開關(guān)電源，新型的開關(guān)電源都加上了功率因數(shù)校正(PFC，Power Factor Correction)電路，以提高電路的效率，減小諧波的影響。常規(guī)開關(guān)電源的功率因數(shù)低的根源是整流電路后的濾波電容使輸出電壓平滑，使輸

13、出電流變?yōu)榧饷}沖（如圖4）。如果整流電路后面不加濾波電路，僅為電阻性負(fù)載時，輸入電流即為正弦波，并且與電源電壓同相位，功率因數(shù)則為1。于是功率因數(shù)校正電路的基本思想是將整流器與濾波電容隔開，使整流電路由電容性負(fù)載變?yōu)殡娮栊载?fù)載。在功率因數(shù)校正電路中，其隔離型電路如圖5。圖4 常規(guī)開關(guān)電源波形圖5 基本隔離型PFC電路3 開關(guān)電源在LCD中的應(yīng)用在當(dāng)今的顯示領(lǐng)域中，LCD越來越占據(jù)著重要的地位，LCD電視將逐步取代傳統(tǒng)的CRT電視。對LCD與CRT在電源方面進(jìn)行比較，LCD要求的功率大大降低，但是LCD對電源的質(zhì)量、指標(biāo)要求卻更為苛刻。3.1 LCD電視功能模塊模擬LCD輸入的是模擬信號，模擬信

14、號經(jīng)過放大、ADC轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，再通過象素控制器把數(shù)字信號在LCD屏板上顯示出來。數(shù)字LCD則直接輸入數(shù)字信號，沒有ADC轉(zhuǎn)換器。有一數(shù)字信號接受器，接收器把接受到的數(shù)字信號進(jìn)行相關(guān)的處理才能顯示?？刂芁CD工作的是微處理器，微處理器接受外面的信號，并發(fā)出相應(yīng)的控制命令，使LCD實(shí)現(xiàn)不同的功能；此外，微處理器與一個存儲器相連，實(shí)時記憶不同的操作設(shè)置，實(shí)現(xiàn)斷電記憶的功能。大的存儲器還能存儲游戲、歌曲等內(nèi)容，以擴(kuò)展LCD的娛樂功能。3.2 LCD電視的供電方式LCD電視的供電方式分為集中式供電和分散式供電兩種。在集中式供電方式中，統(tǒng)一先將220V市電轉(zhuǎn)化為24V直流穩(wěn)壓電源，再將24V的直流電

15、分別變換成5V、8V、12V等，然后還可以將變換后的5V再次轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V和2.5V的直流電壓，為不同的器件提供合適的電壓值。分散式供電方式則將220V的市電通過變壓器分成不同的電壓值輸出，不用經(jīng)過多次變換，直接供給相關(guān)器件。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是器件比較少，無須經(jīng)過多次變換，電路較簡單。但缺點(diǎn)是變壓器會增大，而且對變壓器的準(zhǔn)確度要求高，不易實(shí)現(xiàn)多路精準(zhǔn)輸出。如果電源發(fā)生故障，有可能損壞LCD內(nèi)部器件，因此一般采用集中式供電方式。在整個LCD電視系統(tǒng)中，本設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計外置的220V交流電到24V穩(wěn)壓直流電源的設(shè)計，并要求24V電壓符合相關(guān)要求。4 設(shè)計指標(biāo)及要求20寸液晶電視外置式開關(guān)電源的

16、具體設(shè)計指標(biāo)及要求如下所列：（1） 該設(shè)計是AC到DC電源產(chǎn)品的設(shè)計，為20寸LCD液晶電視提供電源。電源輸出功率為108W。（2） 輸入電壓：a：常規(guī)要求100240VAC；極限要求：90265VAC。（3） 輸入頻率：4763Hz。（4） 輸入電流：輸入電壓90VAC，輸出滿載時，最大輸入電流為1.5A。（5） 瞬間峰值電流：輸入電壓230VAC，輸出滿載，冷啟動25C時，最大峰值電流為10A。（6） 峰值維持時間：輸入電壓115VAC，輸出滿載時，最少維持10ms。（7） 輸入功率：空載時，少于0.75W。（8） 安全要求：a：輸入254VAC時，泄漏電流小于0.25mA；b：絕緣性：主

17、副電路間電阻大于4m；c：地安全：安全地與輸出地電阻小于0.1；（9） 輸出電壓與輸出電流（見表1）：表1 輸出電源與輸出電流VoutRangeIout(min)Iout(max)Peak(4s)24V23.624.4V0A4.5A（10） 紋波及噪聲：低頻率紋波（100kHz）110Vpp，紋波及噪聲和小于220mVpp。（11） 保護(hù)電路：a：過壓保護(hù)；b：過流保護(hù)。（12） 溫度系數(shù)：小于0.2/C。（13） 工作溫度：a：長時間040C；b：短時間-4070C。（14） 空氣濕度：a：長時間2080；b：短時間1090。5 方案的比較與確定分析設(shè)計要求，初步確定使用PWM控制芯片，實(shí)現(xiàn)

18、開關(guān)電源的基本功能；為了提高開關(guān)電源的功率因數(shù)，使用單級PFC技術(shù)。根據(jù)設(shè)計要求，電源方案的確定首要的問題是選擇合適的控制芯片（開關(guān)電源集成控制器）。開關(guān)電源集成控制器是按輸入輸出條件控制主回路的工作狀態(tài)的器件，大多為脈寬調(diào)制型（PWM）。PWM型控制器中又有帶PFC和不帶PFC的PWM控制器。帶PFC的控制器有兩路PWM驅(qū)動輸出，一路用來驅(qū)動PFC開關(guān)管（即PFC技術(shù)），一路驅(qū)動PWM功率開關(guān)管。有關(guān)開關(guān)電源的控制芯片有很多?，F(xiàn)在介紹幾種常用的，并從中選擇滿足設(shè)計需要的控制芯片。5.1 單片式電源控制芯片開關(guān)電源自開始應(yīng)用以來，涌現(xiàn)出許多功能完備的集成控制電路，使開關(guān)電源電路日益簡化，工作頻

19、率不斷提高，效率大大提高，為電源小型化提供了廣闊的前景。單片開關(guān)電源就是其中的例子。單片式電源控制芯片中，三端離線式脈寬調(diào)制單片開關(guān)集成芯片TOPSwitch系列為典型的控制芯片之一。如圖6所示，是TOPSwitch系列控制芯片通用的應(yīng)用電路。圖6 TOPSwitch系列控制芯片應(yīng)用電路TOPSwitch系列控制器與功率開關(guān)管合二為一封裝在一起，采用TOPSwitch開關(guān)集成芯片設(shè)計開關(guān)電源，可以使電路大為簡化，體積進(jìn)一步縮小，成本也明顯降低。常用的單片式開關(guān)電源控制器還包括TEA系列,NCP系列，MC系列。5.2 PWM控制芯片圖7 NCP1377典型應(yīng)用電路PWM控制芯片的工作原理是：電源

20、在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準(zhǔn)信號的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)PWM控制芯片的導(dǎo)通脈沖寬度，使它對輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，使電源輸出電壓穩(wěn)定。PWM控制芯片也有很多，NCP系列的NCP1207、NCP1377就是典型的代表。如圖7所示，是NCP1377的典型應(yīng)用電路。NCP1377控制芯片的PWM輸出頻率范圍為從100kHz到150kHz，芯片自身具有過壓保護(hù)、過流保護(hù)。其中管腳1為過壓探測端，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為7.2V，即當(dāng)該點(diǎn)電壓超過7.2V時，芯片就進(jìn)入過壓保護(hù)狀態(tài)；管腳2為反饋輸入端，芯片根據(jù)反饋信號進(jìn)行PWM脈寬調(diào)整，使輸出電壓穩(wěn)定；同理，管腳3為過流探測

21、端；管腳5為PWM輸出，驅(qū)動開關(guān)管。5.3 帶PFC的PWM控制芯片由于設(shè)計中還要使用PFC（Power Factor Correction）技術(shù)。因此，用一片PWM控制芯片不能滿足要求，須使用帶PFC的PWM控制芯片。這種芯片提供兩路PWM驅(qū)動開關(guān)管，一路稱為PWM驅(qū)動，另一路稱為PFC驅(qū)動。使用帶PFC的PWM控制芯片，降低了電源整體成本，且具有多種保護(hù)功能，使用方便，效率更高。帶PFC的PWM控制芯片由于使用了PFC技術(shù)，使電源的功率因數(shù)大大提高。 如圖8所示，分別是TDA16888與ML4824芯片的管腳圖。從圖中可以看到，TDA16888的管腳8與管腳10分別是PFC控制端和PWM控

22、制端；ML4824的管腳11與管腳12分別是PFC控制端和PWM控制端。這是兩片典型的帶PFC的PWM控制芯片。圖8 TDA16888與ML4824管腳圖TDA16888ML48245.4 芯片的選擇比較ML4824與TDA16888，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)都分為PFC控制器和PWM控制器，外部管腳及功能都基本相同，而ML4824的特點(diǎn)是：（1） 集成PFC和PWM在一片芯片中；（2） 低諧波分量；（3） 能降低PFC和PWM間儲能電容的紋波電流；（4） 能高效率地工作在PWM電壓和電流模式；（5） PFC過壓比較，并限流輸出；（6） 過壓保護(hù)，軟啟動。ML4824滿足IEC1000-3-2關(guān)于AC輸入

23、電流的諧波限量的要求。根據(jù)頻率的不同，ML4824可分為兩種，一種是PFC頻率與PWM頻率相同；另一種則是PWM頻率為PFC頻率的兩倍。其頻率最大值可達(dá)250kHz。由于ML4824芯片的性能優(yōu)越，各種保護(hù)功能完善，外圍電路簡單而得到廣泛的應(yīng)用。因此，本設(shè)計將采用這種芯片，它的功能可以滿足設(shè)計的需要。下面詳細(xì)介紹ML4824的管腳功能，并設(shè)計出電路方案。ML4824為16管腳DIP形式封裝，各管腳功能為：管腳1：（IEAO）PFC輸出電流傳感器輸入；管腳2：（IAC）AC線路電壓傳感器輸入；管腳3：（ISENSE）PFC電流限制傳感輸入；管腳4：（VRMS）PFC電壓環(huán)路補(bǔ)償；管腳5：（SS）

24、PWM軟啟動；管腳6：（VDC）PWM電壓反饋輸入；管腳7：（RAMP1）振蕩器頻率建立；管腳8：（RAMP2）電流或電壓工作方式；管腳9：（DC ILIMIT）PWM電流限制輸入；管腳10：（GND）地；管腳11：（PWM OUT）PWM驅(qū)動器輸出；管腳12：（PFC OUT）PFC驅(qū)動器輸出；管腳13：（VCC）電源電壓；管腳14：（VREF）7.5V基準(zhǔn)電壓；管腳15：（VFB）PFC電壓環(huán)路反饋；管腳16：（VEAO）PFC輸出電壓傳感器輸入。芯片的管腳5（SS）為PWM軟啟動，外接啟動電容；管腳6（VDC）為PWM電壓反饋輸入，當(dāng)VDC為高電平時，PWM占空比變大，反之則變??；管腳7

25、（RAMP1）為振蕩器頻率建立端，外接電容和電阻，并由電容和電阻的乘積決定芯片工作頻率；管腳9（DC ILIMIT）為過流保護(hù)，當(dāng)流入管腳的電流大于額定值，芯片將進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；管腳10（GND）為接地；管腳13（VCC）電壓為14V；管腳14（VREF）內(nèi)部基準(zhǔn)電壓7.5V。5.5 原理框圖及電路設(shè)計根據(jù)選擇的芯片及電源設(shè)計要求，可以畫出本電源的設(shè)計原理總框圖，如圖9所示。220VAC電壓經(jīng)過EMI濾波器，整流器；整流后進(jìn)行PFC變換，使輸出電壓頻率增高；ML4824為PFC開關(guān)管和PWM開關(guān)管提供驅(qū)動；變壓器和PWM開關(guān)管組成開關(guān)電源的主要部分，實(shí)現(xiàn)DC/DC變換；反饋電路用光電耦合，隔離冷

26、熱（通常把變壓器原邊之前的地線稱為熱地，輸出的直流地線稱為冷地）不同的接地。根據(jù)設(shè)計設(shè)計框圖及芯片的具體功能，該電路可以設(shè)計出來。如圖10所示，即為本設(shè)計的電源總電路圖。開關(guān)管ACEMI及整流變壓器開關(guān)管ML4824整流濾波反饋圖9 開關(guān)電源設(shè)計電路的結(jié)構(gòu)框圖6 電路原理分析及設(shè)計6.1 電路原理的概述如圖10為本設(shè)計的電路。 220V交流電通過EMI(Electro Magnetic Interference)濾波器，減小電源對電網(wǎng)的電磁干擾；直接經(jīng)整流橋進(jìn)行整流，整流后進(jìn)行PFC功率因數(shù)校正，以提高電路功率因數(shù)；然后采用高壓大電容設(shè)計濾波器，對高頻的整流波進(jìn)行濾波；濾波器輸出的是310V的

27、高壓直流電壓，通過開關(guān)變壓器、PWM開關(guān)管和輸出濾波器進(jìn)行DC/DC變換，即利用開關(guān)管的開關(guān)作用把直流電壓變換成一定頻率的PWM波形，通過開關(guān)變壓器把能量傳遞到輸出端，這樣再經(jīng)過輸出端的整流器和濾波器，就可以得到直流電壓輸出，輸出的電壓值大小要由反饋部分來確定。使用精準(zhǔn)調(diào)整器TL431和光電耦合器PC817C設(shè)計反饋電路，反饋電路根據(jù)輸出電壓反饋到控制芯片，從而使控制芯片輸出PWM控制信號，就可以輸出精確的電壓值。6.2 開關(guān)電源的EMI設(shè)計在開關(guān)電源設(shè)計中，要充分考慮并滿足抗干擾的要求?？垢蓴_設(shè)計的目的是：抑制干擾源，切斷干擾傳播途徑，提高敏感器件的抗干擾性能。開關(guān)電源的EMI設(shè)計就是考慮濾

28、波器、高頻變壓器、軟開關(guān)技術(shù)、共模干擾的有源抑制及印制線路的抗干擾設(shè)計。圖10 用ML4824設(shè)計的開關(guān)電源總電路圖 EMI的結(jié)構(gòu)與原理圖11 電源濾波器濾波是一種抑制傳導(dǎo)干擾的方法。在電源輸入端接上濾波器，可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源的侵害，也可以抑制由開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，同時對傳輸線上的輻射發(fā)射也具有顯著的抑制效果。在濾波電路中，選用穿心電容、三端電容、鐵氧體磁環(huán)，能夠改善電路的濾波特性。進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計和選擇合適的濾波器，并正確安裝濾波器。在交流輸入端加裝的電源濾波器如圖11所示。圖11中、用于抑制差模噪聲，一般取為100700mH，取110F。、用于抑制共模噪聲，需要根據(jù)實(shí)際

29、情況進(jìn)行調(diào)整。圖12 共模電感及磁通方向所有濾波器都要接地，因?yàn)闉V波器的共模旁路電容只有在接地的時候才起作用。一般是除了將濾波器和金屬外殼相接之外，還要用較粗的導(dǎo)線將濾波器外殼與設(shè)備的接地點(diǎn)相連。接地阻抗越低，濾波效果越好。濾波器盡量安裝在靠近電源入口處。濾波器的輸入端要盡量遠(yuǎn)離輸出端，避免干擾信號從輸入端直接耦合到輸出端。圖12是設(shè)計的共模電感及其磁通的方向，它在同一個鐵芯上有兩個匝數(shù)相等的繞組，電源線的往返電流在鐵芯上有兩個匝數(shù)相等的繞組。電源線的往返電流在鐵芯中產(chǎn)生的磁場方向相反，相互抵消，因而不起電感作用；而對于共模噪聲，相當(dāng)于一個大的電感量，呈現(xiàn)高阻抗，因此對共模噪聲有良好的抑制作用

30、。 EMI濾波器選用與安裝EMI濾波器具有互易性，即把負(fù)載接在電源端或負(fù)載端均可。在設(shè)計中，為達(dá)到有效抑制EMI信號的目的，根據(jù)與濾波器兩端相連接的EMI信號源阻抗和負(fù)載阻抗來選擇該濾波器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。這里、分別取20H和1nF，如圖13所示。圖13 實(shí)際設(shè)計參數(shù)電磁兼容的設(shè)計目的是在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)符合最大失配的原則下，盡可能合理選擇元件參數(shù)，使EMI信號衰減最大。在安裝濾波器時，保持濾波器的輸入導(dǎo)線與輸出導(dǎo)線的間隔距離，不能把它們捆在一起走線。否則，EMI信號很容易從輸入線上耦合到輸出線上，這將會大大降低濾波器的抑制噪聲的效果。 外殼對EMI的影響及其設(shè)計電源的外殼應(yīng)該擔(dān)當(dāng)起內(nèi)部電路輻射噪聲電磁屏蔽

31、的作用。因此，外殼應(yīng)該使用金屬質(zhì)地的磁性材料。EMI的屏蔽原理是促進(jìn)渦流在表面流過，從而耗散電磁噪聲能量。同樣，電源的外殼擔(dān)當(dāng)起了高斯外殼的作用，即整個外殼都是良導(dǎo)體。所以可移動的蓋子和外殼部分在其接口部分要有非常好的電連接。設(shè)計中采用通用的鐵材料外殼，電路板與外殼的連接處加涂焊錫，使活動連接處的電阻足夠小，以保證EMI屏蔽的有效性。6.3 開關(guān)電源保護(hù)電路的設(shè)計 熱敏電阻防沖擊電流電路在大功率開關(guān)電源中，接通電源的瞬間，由于濾波電容的初始值為零，電容急劇充電，產(chǎn)生很大的瞬間充電電流，稱之為沖擊電流（周志敏等，2003）。圖14 防沖擊電流電路沖擊電流會造成輸入熔斷器燒斷，有時甚至將合閘開關(guān)的

32、觸點(diǎn)燒壞，輕者也會使空氣開關(guān)合不上閘，使電源無法正常工作。因此，必須在輸入端加上防護(hù)電路，即串接一個熱敏電阻RT（如圖14所示）。利用熱敏電阻的負(fù)溫度系數(shù)特性，在電源接通瞬間，熱敏電阻的阻值較大，大到限制沖擊電流的作用。當(dāng)熱敏電阻流過較大電流時，電阻發(fā)熱而使其阻值變小，電流處于正常工作狀態(tài)。 壓敏電阻防浪涌電壓電路圖15 防浪涌電壓電路如圖15所示。壓敏電阻RV的作用是吸收從電網(wǎng)竄入的浪涌電壓。電網(wǎng)中的電壓由于受到其它用電設(shè)備或自然雷電的干擾，容易引起浪涌電壓。浪涌電壓往往都是在瞬間發(fā)生，并且電壓值會升得很高，它會使電源中的保險絲和其它元器件燒壞。因此，在輸入電壓的兩端加上壓敏電阻，起到分壓的

33、作用，吸收浪涌電壓，保護(hù)了后面的電路。6.4 開關(guān)管的選擇采用功率MOSFET，具有開關(guān)速度快、損耗低、驅(qū)動電流小、無二次擊穿現(xiàn)象、過載能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。MOSFET開關(guān)管是電壓控制電流源。為了驅(qū)動MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)，需要在柵源極間加上足夠的電壓，以使漏極能流過預(yù)期的最大的電流。功率MOSFET通常分為兩類：一類是標(biāo)準(zhǔn)的MOSFET。這種MOSFET 的為812V，以保證額定的漏極電流。另一類是邏輯電平MOSFET。這類MOSFET的只需45V，其漏源電壓額定值較低（輸入原理網(wǎng)表-設(shè)計參數(shù)設(shè)置-手工布局-手工布線-驗(yàn)證設(shè)計-復(fù)查-光繪文件的輸出。（2）參數(shù)設(shè)置相鄰導(dǎo)線間距必須能滿

34、足電氣安全要求。在布線密度較低時，信號線的間距可適當(dāng)?shù)丶哟?，對高、低電平相差懸殊的信號線應(yīng)該短且加大間距，現(xiàn)將走線間距設(shè)為8mil，可以滿足布線的密度要求。（3）開關(guān)電源中包含有高頻信號，PCB上任何印制線都可以起到天線的作用，印制線的長度和寬度會影響其阻抗和感抗，從而影響頻率響應(yīng)。因此，將所有通過交流電流的印制線設(shè)計得盡可能短而寬。（4）印制線的長度與其表現(xiàn)出的電感量和阻抗成正比，而寬度則與印制線的電感量和阻抗成反比。根據(jù)印制線路板電流的大小，加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。 同時、使電源線、地線的走向和電流的方向一致，因?yàn)檫@樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。（5）接地是開關(guān)電源四個電流回路的底層支路，

35、作為電路的公共參考點(diǎn)，起著很重要的作用，它是控制干擾的重要方法。因此，在布局中仔細(xì)考慮了接地線的放置，不能將各種接地混合連接。（6）檢查：布線設(shè)計完成后，再檢查布線，確定符合預(yù)先所制定的規(guī)則，同時還確認(rèn)制定的規(guī)則符合印制板生產(chǎn)工藝的需求。此外，還要檢查線與線、線與元件焊盤、線與貫通孔、元件焊盤與貫通孔、貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理；電源線和地線的寬度是否合適，在PCB中是否還有使地線加寬的地方。（7）輸出光繪文件時的注意事項(xiàng)：需要輸出的層有布線層（底層）、絲印層（包括頂層絲印、底層絲?。?、阻焊層（底層阻焊）、鉆孔層（底層）。7.2 電路測試及測試結(jié)果 測試工具測試電源的各項(xiàng)性能指標(biāo)，需要不

36、同的儀器設(shè)備。根據(jù)電源指標(biāo)的具體要求，也要使用精度要求不同的儀器。本設(shè)計要求精度校高，需要一些高精度的儀器，以減小測試不準(zhǔn)所帶來的誤差。設(shè)計用到的測試工具和測試內(nèi)容見表3。表3 測試工具編號測試工具工具型號測試內(nèi)容備注1AC交流電源提供交流電壓2示波器Tektronix TDS2012Tektronix TDS5034檢測電壓波形3數(shù)字萬用表ABM DM3559測量電壓、電流值4負(fù)載UNICORN UP-500測試輸出功率5功率計UNICORN 2018測試輸入功率 測試方法在電路的調(diào)試和修改過程中，采用循序漸進(jìn)的方法和分部分調(diào)試的方法。本設(shè)計在完成制作后進(jìn)行如下的檢查和測試：（1）電路組裝、

37、焊接和檢查。做好的PCB板做好之后，先對照電路原理圖檢查一遍，直至無誤后方可焊接。（2）搜集元器件、焊接電路。電路中所用到的元器件比較多，且種類復(fù)雜，故應(yīng)提前準(zhǔn)備好一些不常用的元件，包括控制芯片和專門設(shè)計的變壓器。焊接的時候要對號入座，不要焊錯位置，不要有虛焊，避免電路的電氣故障。（3）焊接好電路之后，再檢查一遍，核對元器件的參數(shù)和位置，檢查有無短路現(xiàn)象。保證準(zhǔn)確無誤之后，可以通電試機(jī)。（4）出現(xiàn)的問題。初次通電，一般都會存在這樣或那樣的問題。首先是要使芯片能正常工作，保證芯片正常工作的基本條件是VCC電壓正常（14V）。但是，開機(jī)的瞬間，芯片的電壓并不是由變壓器的反饋端提供的，而是由芯片的啟

38、動電容和啟動電阻共同完成的，即本電路中的C108和R111，因此這兩個元件的參數(shù)值尤為重要。本設(shè)計使用C108的電容值是幾十F。但是，經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，這個電容值不夠大。因此，加大到330F。電阻R111為39k，可以保證足夠大的電流通過。此外，C116也是配合芯片內(nèi)部的軟啟動電容，電容值為1F，過大或過小都不行。除了電阻電容值符合要求之外，開關(guān)變壓器也是一個非常重要的元件，只有參數(shù)設(shè)計合適的變壓器，電路才能正常工作。芯片啟動以后，電路就能正常工作。電路一旦工作，再逐步完善各項(xiàng)功能指標(biāo)。 測試結(jié)果（1）控制芯片輸出的PWM波形。芯片正常啟動后，電路輸出端將輸出PWM波形。芯片根據(jù)反饋電路的信號調(diào)整

39、方波的占空比，以此來控制輸出的電壓值。如圖19所示是芯片正常工作時輸出的PWM波形，它的平均值為12V，以驅(qū)動開關(guān)管工作。從圖中可以看到，芯片輸出的并非是標(biāo)準(zhǔn)的方波信號，這是因?yàn)殚_關(guān)管在高頻導(dǎo)通和截止時的抖動現(xiàn)象，屬于正常情況。圖19 芯片輸出的PWM波形圖20 芯片輸出的PFC波形芯片工作的條件較為苛刻，例如當(dāng)變壓器的反饋端輸出電壓不穩(wěn)定，導(dǎo)致供給芯片工作的VCC電壓不穩(wěn)定，就會導(dǎo)致芯片不能正常工作，芯片不能正常工作，將輸出畸形的PWM脈沖，進(jìn)一步使輸出畸形程度加深，造成惡性循環(huán)。該芯片正常工作時VCC電壓值為14V；又如，當(dāng)PCB布線時將芯片電路與交流電路靠得太近，也會干擾芯片的工作，輸出

40、不正常的PWM波形，得不到穩(wěn)定的電壓。且容易使開關(guān)管處于半導(dǎo)通狀態(tài)，消耗能量，嚴(yán)重時還會燒壞開關(guān)管，造成電路不能正常工作。（2）控制芯片輸出的PFC波形。 芯片PFC輸出波形如圖20所示。PFC開關(guān)管通過開關(guān)作用，把整流后的電壓“劈”成一片一片的“碎絲”，從而便于高壓濾波和提高功率因數(shù)。芯片的PFC輸出幅值與PWM相等，因?yàn)樗?qū)動相同的MOSFET功率開關(guān)管。理論上，PFC脈沖波的頻率越高，就越有利于提高功率因數(shù)。但是，在實(shí)際當(dāng)中，芯片不可能無限度提高輸出頻率，因?yàn)楦哳l率容易對周圍電路造成干擾。因此，通常情況下，芯片PFC的輸出脈沖頻率與PWM的輸出脈沖頻率相等。（3）輸出波形。圖22 空載時

41、PWM波形與變壓器副邊波形圖21 輸出電壓波形圖開關(guān)電源輸出電壓穩(wěn)定的特點(diǎn)是動態(tài)穩(wěn)定，即要求芯片隨時調(diào)整控制脈沖的寬度，實(shí)時調(diào)整輸出電壓值。因此，輸出電壓處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。電路空載時，輸出損耗的電流很小，PWM脈沖的占空比很?。粠ж?fù)載時，輸出電流變大，PWM脈沖的占空比就變大，這樣使得開關(guān)管在每個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間變長，保證輸出電壓的穩(wěn)定。經(jīng)過空載和負(fù)載測試實(shí)驗(yàn)，輸出波形如圖21所示。（4）空載時PWM波形與變壓器副邊波形比較。在正激式開關(guān)電源中，理論上，變壓器副邊輸出波形與原邊波形相位和形狀是一致的。但是，由于空載時輸出電流為零，當(dāng)開關(guān)管截止時，變壓器副邊電能不能及時釋放，會形成振蕩的波形

42、。實(shí)測波形如圖22所示。為了防止電壓振蕩對LCD的影響，通常在24V輸出端接上一個幾百歐姆的電阻作為電源空載時的假負(fù)載，使電源輸出端真正空載的情況不會出現(xiàn)。（5）負(fù)載時PWM波形與變壓器副邊波形比較。圖23 負(fù)載時PWM波形與變壓器副邊波形 輸出負(fù)載時，由于有輸出電流，變壓器副邊波形就與原邊波形相同，即與PWM波形相同，圖23即為負(fù)載時PWM波形與變壓器副邊波形的比較。根據(jù)脈寬調(diào)制的原理，輸出負(fù)載越重，脈沖占空比就越大，這樣才能輸出足夠大的功率。但是，并不是占空比越高越好，這是因?yàn)檎伎毡仍龃罅耍_關(guān)管在周期內(nèi)的導(dǎo)通時間就變長了。當(dāng)這個導(dǎo)通時間超過周期時間的一半時，開關(guān)管就會燒毀。因此，設(shè)計電源

43、時要充分考慮這個問題，以確定電源的額定功率。通常情況下，開關(guān)管的占空比不能大于50。（6）數(shù)據(jù)測試。測試電路輸入輸出的性能指標(biāo)：這部分將利用功率計測試功率，用數(shù)字萬用表測電壓和電阻，用示波器測紋波，測試電路在90VAC、100VAC、240VAC和264VAC不同輸入電壓時的性能，以判斷是否符合設(shè)計要求。所測數(shù)據(jù)見表4。表4 數(shù)據(jù)記錄測試項(xiàng)目90VAC1# 2#100VAC1# 2#240VAC1# 2#264VAC1# 2#空載損耗（W）0.350.380.390.390.740.750.780.77空載電壓（V）23.9423.8923.9923.9024.0424.3024.2324.3

44、3負(fù)載電壓（V）23.7024.0123.8023.9224.0623.9524.0523.87負(fù)載電流（mA）39504001396639864010399140083978輸出功率（W）93.696.094.395.296.595.596.294.7輸入功率（W）107.5112.9107.1114.7116.2115.0114.5110.1效率（）8785888383838486紋波（mV）402419451442400450420415注：負(fù)載電流為在負(fù)載等于6測試時根據(jù)負(fù)載電壓計算出來的；電源效率是根據(jù)輸入功率和輸出功率計算出來的。在室內(nèi)常溫（25C）及濕度環(huán)境下，經(jīng)滿載測試，輸出電

45、壓值能保持24V穩(wěn)定。但要對電源附加風(fēng)扇散熱，否則容易燒壞開關(guān)管；絕緣性（即主副電路之間的電阻值為4.7m）正常；安全地輸出電阻也小于0.1，可以滿足安全要求。8 電路的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)方案8.1 開關(guān)電源對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波干擾與抑制實(shí)踐證明，開關(guān)電源產(chǎn)生的高次諧波會沿電網(wǎng)輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，從而對供電系統(tǒng)產(chǎn)生污染并影響其它用電設(shè)備正常運(yùn)行。因此，無論從保護(hù)電網(wǎng)的安全運(yùn)行，還是從用電設(shè)備正常工作來看，防止和減少諧波對電網(wǎng)的污染，抑制電磁干擾都尤為重要。 產(chǎn)生諧波的原因開關(guān)電源產(chǎn)生諧波的原因主要有兩個方面：（1）當(dāng)交流電源的輸入電壓小于濾波電容C的端電壓時，整流管都處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)電路達(dá)到

46、穩(wěn)態(tài)后，在交流輸入電壓的一個周期內(nèi)二極管的導(dǎo)通時間是很短的,輸入電流波形畸變?yōu)榉群艽蟮恼}沖電流。這種畸變的電流含有大量的諧波成分，這些諧波，特別是高次諧波會沿輸入導(dǎo)線產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。圖24 PPFC電路（2）在開關(guān)電源中，開關(guān)管及開關(guān)變壓器工作于15kHz以上的高頻開關(guān)狀態(tài)，在開關(guān)管關(guān)斷期間,開關(guān)變壓器中儲存的能量將與分布電容產(chǎn)生衰減振蕩，形成幅度很大的尖峰脈沖電壓。其頻率范圍寬且諧波豐富，將會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染。 采用無源功率因數(shù)校正電路EMI 濾波電路雖然能有效地抑制傳導(dǎo)干擾，但仍無法解決輸入電流波形畸變的問題。因此，要降低電流諧波含量，必須改善橋式整流電容濾波電路的輸入

47、特性。這也是提高電路功率因數(shù)的有效措施。圖24是一種由電容、二極管組成的無源功率因數(shù)校正(PPFC) 電路。當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,整流二極管的導(dǎo)通時間增大，輸入電流波形得到較大的改善。若在開關(guān)電源的輸入端接入該復(fù)合 PPFC 電路，可將輸入電流總諧波含量降低到30以下，功率因數(shù)可提高到0.90左右。8.2 改善開關(guān)電源效率的技術(shù)在前面的論述中，利用了PFC技術(shù)提高開關(guān)電源的功率因數(shù)，這是改善電源效率的一種方法。但是，從具體的元器件上減小損耗，也是提高電源效率的另一有效辦法。 開關(guān)電源內(nèi)部的主要損耗開關(guān)電源內(nèi)部的損耗大致可以分為四個方面：開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗、附加損耗和電阻損耗。這些損耗會在有損器件中

48、同時出現(xiàn)。功率開關(guān)是典型的開關(guān)電源內(nèi)部最主要的兩個損耗源之一。損耗基本上可以分為兩部分：導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗是當(dāng)功率器件已被開通，且驅(qū)動和開關(guān)波形已經(jīng)穩(wěn)定以后，功率開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時的損耗；開關(guān)損耗是出現(xiàn)在功率開關(guān)被驅(qū)動，進(jìn)入一個新的工作狀態(tài)，驅(qū)動和開關(guān)波形處于過渡過程時的損耗。附加損耗與所有運(yùn)行功率電路所需的功能器件有關(guān)，這些器件包括與控制IC相關(guān)的電路以及反饋電路。與電源的其它損耗相比，這些損耗一般較小。電阻損耗是變壓器或電感內(nèi)部繞組的電阻產(chǎn)生的損耗。有兩種形式的電阻損耗：直流電阻損耗和集膚效應(yīng)電阻損耗。直流電阻損耗由繞組導(dǎo)線的電阻與流過的電流有效值二次方的乘積所決定；集膚效應(yīng)是由于在