寸液晶電視開關電源的設計

1、南赫通織業(yè)技粕院畢業(yè)論文論文題目： 平板電視開關電源技術展望系部：信息工程系專業(yè)名稱：應用電子班級：08442學號：48姓名：陸園學指導教師：管宇完成時間：2011年5月1日平板電視開關電源技術展望摘要：電源在一個典型系統(tǒng)中擔當著非常重要地角色電源給系統(tǒng)地電路提供持續(xù)、穩(wěn)定地能量,使系統(tǒng)免受外部地侵擾，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，不應造成系統(tǒng)地故障本文基于這個思想，設計和制作一個符合指標要求地電 源開關電源具有高頻率、高功率密度、高效率等優(yōu)點，被稱作高效節(jié)能電源因此，本 設計在20寸液晶電視外置式電源地設計中采用了開關電源技術.本文以開關電源地發(fā)展歷史、發(fā)展現(xiàn)狀

2、以及發(fā)展趨勢為線索，介紹了開關電源地一些 新技術,并利用這些技術設計符合要求地平板電視外置式開關電源電源設計地主要指標是：電源工作頻率為100kHz,輸出直流電壓24V,最大偏差小于0.4V,紋波小于220mV最大 輸出功率108W應用功率因數(shù)校正技術提高功率因數(shù)，使功率因數(shù)達到0.9以上；電源整 機效率達到80% ;此外,本文設計了電源保護電路和安全功能,包括過壓保護（OVP、過 流保護（OCP ,安全接地；實現(xiàn)了電源地高效率化，環(huán)保化，以及安全化.最后,在完成基本指標地情況下，本文提出了電路改進地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

3、加優(yōu)越，電 源整機效率更高 關鍵詞：線性電源；開關電源；開關管;脈寬調(diào)制；開關變壓器Flat TV switching power supply technical outlookAbstract: the power in a typical system with very important role as. Power system circuits provide susta in ed, stable en ergy, make the system from exter nal disturba nee, and preve nt the system from external

4、 power cause pollution. Conversely, if the power internal failure, should not cause system's fault. Based on this idea, design and production of a line with the index requireme nts power supply.Switchi ng power supply has the high freque ncy and high power den sity, high efficie ncy etc, known a

5、s high efficie ncy and en ergy sav ing power. Therefore, this desig n in 20-i nch LCD TV exter nal type power desig n adopted switch power tech no logy.In this paper the developme nt history of switch power developme nt, the prese nt situati on and developme nt tendency for clues, in troduces some n

6、ew tech no logy of switch power supply and use these tech ni cal desig n to meet the requireme nts of flat TV exter nal type switch power supply. Power desig n of the main in dex is: power work ing freque ncy for 100 KHZ, output voltage 24V, maximum deviati on smaller tha n 0.4 V, ripple less tha n

7、220mV; Maximum output power 108W; Applicatio n of power factor correct ion tech no logy improve the power factor, make the power factor reaches more tha n 0.9; Power mach ine efficie ncy achieved 80%; In addition, this paper introduces the design of power protection circuit and security features, in

8、 cludi ng over-voltage protecti on (OVP), over-curre nt protectio n (OCP) compositi on among, safety grounding; Realize the power efficie nt optimizati on, en vir onmen tal protecti on, and secure.Fin ally, i n complete basic in dexes, this paper puts forward several schemes electric circuit improve

9、me nt. I nclud ing passive power factor correct ion circuit, passive absorpti on circuit, active embed a circuit, so as to make more perfect, power supply circuit, the power fun cti on more superior machine efficiency is higher.Keywords: li near power supply; Switch power source; Switch tube; Pulse

10、width modulatio n; Switch tran sformer英文縮略詞EMI: Electro Magnetic Interferenee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OCP： Over Current Protection過流保護目錄1引言12開關電源地概述2

11、2.1開關電源地基本原理 22.2開關電源地發(fā)展22.3開關電源地技術動向 32.3.1 單片式控制芯片地新技術 3功率校正技術33開關電源在LCD中地應用43.1 LCD電視功能模塊 43.2 LCD電視地供電方式44設計指標及要求45方案地比較與確定 55.1單片式電源控制芯片 65.2 PWM控制芯片 65.3 帶 PFC地 PWMI制芯片75.4芯片地選擇75.5原理框圖及電路設計 96電路原理分析及設計96.1電路原理地概述96.2開關電源地EMI設計 96.2.1 EMI地結構與原理 106.2.2 EMI濾波器選用與安裝116.2.3 外殼對EMI地影響及其設計 126.3開關電

12、源保護電路地設計 126.3.1 熱敏電阻防沖擊電流電路 126.3.2 壓敏電阻防浪涌電壓電路 136.4開關管地選擇136.5 變壓器地設計 136.6整流管地選擇146.7 反饋電路地設計 156.8輸出濾波器157電路板地制作與調(diào)試167.1 PCB布局、布線設計 16總體布局、布線設計地原則 167.1.2 布線步驟及注意問題 167.2電路測試及測試結果177.2.1 測試工具17測試方法18測試結果188電路地優(yōu)缺點及改進方案 218.1開關電源對電網(wǎng)產(chǎn)生地諧波干擾與抑制 218.1.1 產(chǎn)生諧波地原因 22采用無源功率因數(shù)校正電路 228.2改善開關電源效率地技術 228.2.

13、1 開關電源內(nèi)部地主要損耗 22降低主要損耗地各種技術 239結束語25！未定義書簽！未定義書簽致謝 錯誤參考文獻26英文摘要 錯誤畢業(yè)設計成績評定表引言線性電源地工作過程為：將220V/50Hz地工頻電網(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)壓,最后輸出一組（或多組）波紋電壓和穩(wěn)定度均符圖1線性電源原理圖合要求地直流電源電壓（李成 章,1992）.線性電源地原理圖如 圖1所示開關電源,全稱為開關式穩(wěn)壓 電源,是上世紀70年代發(fā)展起來 地,用來替代傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源 地一種新型電源（李成章,1992）.開關電源一般是由全橋整流器、開關功率管 Q激勵信號、續(xù)流二極管

14、VD儲能電感L和濾波電容C組成.開關電源地核心部分是一個直流變換器（DC/DC ,即通過開關功率管QE直流電壓變?yōu)槊}沖方 波,經(jīng)濾波成為直流電 壓地過程.開關電源原 理圖如圖2所示.開關電源工作地 頻率越咼，就越有利于 提高電源地效率，減小變壓器地體積開關電源出現(xiàn)地時候，功率開關管地工作頻率為20kHz.因此，開關電源稱20kHz革命.由于功率場效應管性能改進，現(xiàn)在地開關管工作頻率已遠高于20kHz,達到100kHz以上.由于開關電源重量輕、體積小、價格低、變換效率高， 今天，幾乎在所有地使用直流電源地場合取代了工頻變壓器穩(wěn)壓電源.RevisionTitleSizeNumberATitleDa

15、te:4-Apr-2004Sheet ofFile:電路庫電路分析圖電路分析圖ddbDrawn By3SizeNumberRevisionADate:4-Apr-2004Sheet ofFile:電路庫電路分析圖電路分析圖ddbDrawn By:第一章開關電源地概述開關電源地種類較多，可根據(jù)不同標準進行分類開關電源根據(jù)開關變壓器與負載地 連接方式可分為：串聯(lián)型開關電源和并聯(lián)開關電源；按照控制開關地導通方式可分為調(diào) 寬型和調(diào)頻型；按照電源啟動方式地不同可分為自激型和它激型兩種（張新德 ，2003）.1.1 開關電源地基本原理目前設計地開關電源大多采用脈寬調(diào)制（PWM,Pulse Width Mo

16、dulation）方式,少數(shù)采 用脈沖頻率調(diào)制 （PFM,Pulse Freque ncy Modulatio n）方式或混合調(diào)制方式（何希才等,2004）.nmiPWM方式和PFM方式地調(diào)制波形分別如圖3（a）、（b）, tp表示脈沖寬度（即功率開關管地導通時間tP）,T代表周期.從中很容易看出二者地區(qū)別但他們也有共同之處：Am Am. 71>| ,圖3 PWM和PFM波形（1）均采用時間比率控制（TRC,Time RateControl ）地穩(wěn)壓原理，無論是改變tP還是T,最終調(diào)節(jié)地都是脈沖占空比（2）當負載由輕變重，或者輸入電壓從高變 低時,分別通過增加脈寬、升高頻率地方法，使輸

17、出電壓保持穩(wěn)定.1.2 開關電源地發(fā)展開關電源已有幾十年地發(fā)展歷史.早期產(chǎn)品地開關頻率很低，成本昂貴,僅用于衛(wèi)星 電源等少數(shù)領域（周志敏等，2003）.20世紀60年代出現(xiàn)了晶閘管（可控硅）相位控制式 開關電源,70年代由分立元件制成地各種開關電源，均因效率不夠高、開關頻率低、電路 復雜、調(diào)試困難而難以推廣，使之應用受到限制.70年代后期以來，隨著集成電路設計與制 造技術地進步，各種開關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90年代以來,開關電源地發(fā)展更是日新月異.許多新地領域和新地要求也對 開關電源提出了更新地挑戰(zhàn).從開關電源地輸入和輸出條件來看，電源輸入地要求變得

18、更 嚴了 ,不符合IEC1000-3-2標準地產(chǎn)品將陸續(xù)被淘汰；輸出則派生出了許多特殊地應用領 域，研制和開發(fā)地難度變得更大了 .正是由于外界地要求，推動了兩個開關電源地分支技 術（有源功率因數(shù)校正技術和低壓大電流高功率DC/D（變換技術）地發(fā)展，并一直成為當 今電力電子地研究課題（周志敏等，2003）.1.3 開關電源地技術動向開關電源控制芯片具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等特點，現(xiàn)已成為開發(fā)中、小功率電源、精密開關電源及開關電源模塊地優(yōu)選集成電路（沙占友 等,2003）.總地來說,無論是PW控制芯片開關電源還是單片開關電源,都正朝著短、小、 輕、薄、節(jié)能、安全地方向發(fā)展

19、（劉軍，2002）.1.3.1 單片式控制芯片地新技術（1） “綠色節(jié)能”型開關電源.對于IC廠家來說,主要目標是設計各種電源開關管、 整流器,使之達到高速低功耗.而對于電源產(chǎn)品廠家，則注重選用合適地電源芯片，使之工 作在最佳地狀態(tài)，達到節(jié)省電能地目地.（2） 頻率抖動技術.采用了 “頻率抖動” （Frequency Jittering） 技術，以降低由開 關頻率高次諧波所造成地電磁干擾.將開關頻率限制在很窄地波段內(nèi)抖動.例如：當開關 頻率在132kHZ附近不斷變化時，這個頻率與132kHZ固定頻率地高次諧波之間沒有相關性， 因此利用頻率抖動技術能夠降低傳導噪聲.其開關頻率地抖動范圍是128k

20、Hz136kHz,抖 動量為土 4kHz.（3） 跳過周期.采用跳過周期地工作方式進一步降低輸出功率，來提高輕載時電壓地 穩(wěn)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 時地輸出值.根據(jù)負載變化情況，開關電源能在正常工作方式和跳過周期方式二者之間自 動轉換,而無須其他控制.1.3.2 功率校正技術傳統(tǒng)地開關電源存在一個致命地弱點：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.高次諧波地危害在很多電器設備中會造成致命地影響（周志敏 等,2003）.區(qū)別于傳統(tǒng)地開關電源，新型地開關電源都加上了功率因數(shù)校正（PFC,Power Fa

21、ctorCorrection）電路，以提高電路地效率，減小諧波地影響.常規(guī)開關電源地功率因數(shù)低地根源是整流電路后地濾波電容使輸出電壓平滑，使輸出電流變?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)校正電路地基本 思想是將整流器與濾波電容隔開，使整流電路由電容性負載變?yōu)殡娮栊载撦d.在功率因數(shù) 校正電路中，其隔離型電路如圖5.圖5基本隔離型PFC電路第二章開關電源在LCD中地應用在當今地顯示領域中丄CD越來越占據(jù)著重要地地位 丄CD電視將逐步取代傳統(tǒng)地 CRT 電視.對LCD與 CRT在電源方面進行比較

22、丄CD要求地功率大大降低,但是LCD對電源地質C 量、指標要求卻更為苛刻.2.1 LCD電視功能模塊模擬LCD俞入地是模擬信號,模擬信號經(jīng)過放大、ADC轉換變?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轉換 器.有一數(shù)字信號接受器，接收器把接受到地數(shù)字信號進行相關地處理才能顯示 .控制LCD工作地是微處理器x,微處理器接受外面地信號,并發(fā)出相應地控制命令,使LCD實現(xiàn)不同地功能；此外，微處理器與一個存儲器相連，實時記憶不同地操作設置，實現(xiàn)歌曲等內(nèi)容,以擴展LCD地娛樂功能.斷電記憶地功能v大地存儲器還能存儲游戲、+NS2.2 LCD電

23、視地供電方式100mV LCD電視地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)先將220V市電轉化為24V直流穩(wěn)壓電源，再將24V地直流電分別變換成5V、8V、12V等, 然后還可以將變換后地5V再次轉變?yōu)?.3V和2.5V地直流電壓，為不同地器件提供合適地電壓值.分散式供電方式則將 220V地市電通過變壓器分成不同地電壓值輸出，不用經(jīng)過多次 變換,直接供給相關器件.這種方式地優(yōu)點是器件比較少，無須經(jīng)過多次變換，電路較簡單.但缺點是變壓器會增大，而且對變壓器地準確度要求高，不易實現(xiàn)多路精準輸出.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.Titl

24、ea在整個LCD電視系統(tǒng)中，本設計地主要任務是設計外置地220V交流電到24V穩(wěn)壓直流電源地設計，并要求24VW壓符合相關要求.RevisionADate:10-May-2第三章設計指標及要求eet ofFile:電路庫電路分析圖電路分析圖ddbDrawn By :20寸液晶電視外置式開關電源地具體設計指標及要求如下所列：(1) 該設計是AC到DC電源產(chǎn)品地設計,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1.5

25、A.(5) 瞬間峰值電流：輸入電壓 230VAC輸出滿載,冷啟動25oC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 Q ；(9) 輸出電壓與輸出電流(見表 1):表1 輸出電源與輸出電流VoutRangelout(mi n)lout(max)Peak(4s)24V23.6 24.4V0A4.5A一(10) 紋波及噪聲：低頻率紋波(<100k

26、HZ < 110Vpp,紋波及噪聲和小于220mVpp.(11) 保護電路：a：過壓保護；b:過流保護.(12) 溫度系數(shù)：小于0.2 %/oC.(13) 工作溫度：a：長時間040oC; b:短時間-4070oC.(14) 空氣濕度：a：長時間2080%; b:短時間1090%.第四章 方案地比較與確定分析設計要求，初步確定使用PW帰制芯片，實現(xiàn)開關電源地基本功能；為了提高開 關電源地功率因數(shù),使用單級PFC技術.根據(jù)設計要求，電源方案地確定首要地問題是選擇合適地控制芯片 (開關電源集成控 制器).開關電源集成控制器是按輸入輸出條件控制主回路地工作狀態(tài)地器件 ，大多為脈 寬調(diào)制型(PW

27、M.PWM控制器中又有帶PFC和不帶PFC地 PWI控制器.帶PFC地控制器有兩路PWM區(qū)動輸出,一路用來驅動PFC開關管（即PFC技術），一路驅動PWM率開關管.有關開關電源地控制芯片有很多現(xiàn)在介紹幾種常用地，并從中選擇滿足設計需要地 控制芯片1 24.1 單片式電源控制芯片開關電源自開始應用以來，涌現(xiàn)出許多功能完備地集成控制電路，使開關電源電路日益簡化,工作頻率不斷提高，效率大大提高，為電源小型化提供了廣闊地前景單片開關電源就是其中地例子.單片式電源控制芯片中,三端離線式脈寬調(diào)制單片開關集成芯片 TOPSwitch系列為典型地控制芯片之一.如圖6所示,是TOPSwitch系列控制芯片通用地

28、應用電路.TOPSwitch系列控制器關集成芯片設計開關電源與功率開關管合二為一封裝在一起,采用TOPSwitch開可以使電路大為簡化，體積常用地單片式開關電源進一步縮小，成本也明顯降控制器還包括TEA系列,NCP系列,MC系列.4.2 PWM控制芯片PWM控制芯片地工作原理是：電源在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負載變化地情況下 圖7所示,是NCP1377地典型應用電路.控制電路通過被控制信號與基準信號地差值進行閉環(huán)反饋,調(diào)節(jié)PWM控制芯片地導通脈沖寬度，使它對輸出電壓進行調(diào)整，使電源輸出電壓穩(wěn)PWM控制芯片也有很多,NCP系列地 NCP1207NCP1377就是典型地代表.如圖7 NCP1377

29、典型應用電路NCP1377空制芯片地PWM輸出頻率范圍為從100kHz到150kHz,芯片自身具有過壓保 護、過流保護其中管腳1為過壓探測端，內(nèi)部基準電壓為7.2V,即當該點電壓超過7.2V 時，芯片就進入過壓保護狀態(tài)；管腳 2為反饋輸入端,芯片根據(jù)反饋信號進行PWM脈寬調(diào) 整,使輸出電壓穩(wěn)定；同理,管腳3為過流探測端；管腳5為PWM輸出,驅動開關管.4.3 帶PFC地PWM控制芯片由于設計中還要使用 PFC( Power Factor Correction )技術.因此，用一片PWM控制 芯片不能滿足要求,須使用帶PFC地 PWM控制芯片這種芯片提供兩路PWME動開關管,一 路稱為PWME動

30、,另一路稱為PFC驅動.使用帶PFC地PWM控制芯片，降低了電源整體成本,且具有多種保護功能,使用方便, 效率更高.帶PFC地 PWM控制芯片由于使用了 PFC技術,使電源地功率因數(shù)大大提高.如圖8所示,分別是TDA16888與ML4824芯片地管腳圖.從圖中可以看到，TDA16888 地管腳8與管腳10分別是PFC控制端和PWM控制端；ML4824地管腳11與管腳12分別是 PFCS制端和PW控制端.這是兩片典型地帶PFC地PWM控制芯片.1 I12021931&417516&157TDA168)39121011PFC IAC 匚PFC CC PFCCS Q GNDSPFC

31、CL 匚GND PFCOUT 匸 他匸 PWMQLTT 匚AUXVS J PFCVS PFC VC h PFC FB 7| R0SC PWM RWP 葩- li I- h PWM SS h SYMC PWM CSIEAO116VEAO'ac215VFB'sense 314好呻IvRMs419VCCss512ML482| PFC OUTVDC611PVJM OUTRAMP 1 7101 GNDFiAMP2S9DC 1 limit圖8 TDA16888與ML4824管腳圖4.4 芯片地選擇比較ML4824與TDA16888芯片內(nèi)部結構都分為PFC控制器和PW控制器,外部管腳及 功能

32、都基本相同,而ML4824地特點是：(1) 集成PFC和PW在一片芯片中；(2) 低諧波分量；（3）能降低PFC和PWM間儲能電容地紋波電流；（4）能高效率地工作在PWMfe壓和電流模式；（5）PFC過壓比較,并限流輸出；（6）過壓保護，軟啟動ML4824滿足IEC1000-3-2關于AC輸入電流地諧波限量地要求根據(jù)頻率地不同,ML4824可分為兩種,一種是PFC頻率與PW頻率相同；另一種則是 PW頻率為PFC頻 率地兩倍.其頻率最大值可達250kHz.由于ML4824芯片地性能優(yōu)越，各種保護功能完善，外圍電路簡單而得到廣泛地應用 因此，本設計將采用這種芯片，它地功能可以滿足設計地需要下面詳細

33、介紹ML4824地管腳功能，并設計出電路方案.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)路補償；管腳5：（ SS） PWM軟啟動；管腳6：（VDC PWNfe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）PWNfe流限制輸入；管腳10：（ GND地；管腳11：（ PWM OUTPWMg動器輸出；管腳12：（ PFC OUT PFCW

34、動器輸出；管腳13：（VCC電源電壓；管腳14：（ VREF 7.5V基準電壓；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.芯片地管腳5（ SS為PWM軟啟動,外接啟動電容；管腳6（ VDC為PWNfe壓反饋 輸入，當VDC為高電平時,PWM占空比變大,反之則變?。还苣_7（ RAMP）1為振蕩器頻率 建立端，外接電容和電阻，并由電容和電阻地乘積決定芯片工作頻率；管腳9（ DCILIMIT）為過流保護，當流入管腳地電流大于額定值，芯片將進入保護狀態(tài)；管腳 10（GND為接地；管腳13（VCC電壓為14V;管腳14（VREF內(nèi)部基準電壓7.5V.4.5

35、原理框圖及電路設計根據(jù)選擇地芯片及電源設計要求，可以畫出本電源地設計原理總框圖，如圖9所示.220VAC電壓經(jīng)過EMI濾波器,整流器；整流后進行PFC變換,使輸出電壓頻率增高； ML4824為PFC開關管和PW開關管提供驅動；變壓器和 PWMF關管組成開關電源地主要 部分,實現(xiàn)DC/DC變換；反饋電路用光電耦合，隔離冷熱(通常把變壓器原邊之前地地線 稱為熱地,輸出地直流地線稱為冷地)不同地接地.根據(jù)設計設計框圖及芯片地具體功能，該電路可以設計出來.如圖10所示,即為本設 計地電源總電路圖.圖9開關電源設計電路的結構框圖第五章電路原理分析及設計5.1 電路原理地概述如圖10為本設計地電路.220

36、V 交流電通過 EMI(Electro Magnetic Interferenee)濾波器,減小電源對電網(wǎng)地電磁干擾；直接經(jīng)整流橋進行整流，整流后進行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計濾波器，對高頻地整流波進行濾波； 濾波器輸出地是310V地高壓直流電壓，通過開關變壓器、PWMff關管和輸出濾波器進行 DC/DC變換，即利用開關管地開關作用把直流電壓變換成一定頻率地PWMfe形，通過開關變壓器把能量傳遞到輸出端，這樣再經(jīng)過輸出端地整流器和濾波器，就可以得到直流電壓輸出，輸出地電壓值大小要由反饋部分來確定.使用精準調(diào)整器TL431和光電 耦合器PC817C設計反饋電路

37、,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PWMI制信號,就可以輸出精確地電壓值.5.2 開關電源地EMI設計在開關電源設計中，要充分考慮并滿足抗干擾地要求.抗干擾設計地目地是：抑制干擾源,切斷干擾傳播途徑，提高敏感器件地抗干擾性能.開關電源地EMI設計就是考慮濾波器、 高頻變壓器、軟開關技術、共模干擾地有源抑制及印制線路地抗干擾設計.R12210kC115卄100nC112R117178kC113卄100u-jr-D105-8A/6C203C206C205D202BMlIL20133uHI201A 1BR2545CT0.47u°0電d0202 3 L3*1.1Q2D

38、107R118-II178kIRF840221R115IRF830R123.D108Jt50V220：1203C127Q3R1272N3004ZD103.1VR1264'121104.3U/0.5AR11139kR109499kR105357kD101-104ZD10115VC108-330uR110499kR106R574R'2Q3R1015.2.1 EMI *地結構與原理0.47u-C103102,1nC126220pZD104*1A/20VZD105*1A/20VC12001 1C12482nII114C12311_4C125100nC122C11180220pR112R

39、11311441.2k6.2k!7kVmV-1 I1116 10uC105T F-1470nR107100kL103C109"C1，1nR10813206 卄470nC121IF10n2 pmaRDNG n mwPIDmaRcd VT FR1251=12.37U1ML4824C119圖路電總源電關開的計設48jm用9圖FUSE100mL102100mC101EPf丁0亦C117-470pC1161uC118IH10nO1ACCdLc LLbLL1-OLdi圖11中Ld、Cd用于抑制差模噪聲，一般取LdLdD圖11電源濾波器CcCc濾波是一種抑制傳導干擾地方法在電源輸入端接上濾波器，可

40、以抑制來自電網(wǎng)地噪 聲對電源地侵害，也可以抑制由開關電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋地干擾 ，同時對傳輸線上地輻 射發(fā)射也具有顯著地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 夠改善電路地濾波特性進行適當?shù)卦O計和選擇合適地濾波器，并正確安裝濾波器在交 流輸入端加裝地電源濾波器如圖11所示1為100700mH,Cd取1D10Lc、Cc用于抑制共模噪聲，需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整所有濾波器都要接地，因為濾波器地共模旁路電容只有在接地地時候才起作用 一般是除了將濾波器和金屬外殼相接之外，還要用較 粗地導線將濾波器外殼與設備地接地點相連接地阻抗越低，濾波效果越好.濾波器盡量安裝在靠近電源入口處 .

41、濾波器 地輸入端要盡量遠離輸出血,避免干擾信號從輸 入端直接耦合到輸出端圖12是設計地共模電感及其磁通地方向，它 在同一個鐵芯上有兩個匝數(shù)相等地繞組，電源線 地往返電流在鐵芯上有兩個匝數(shù)相等地繞組電源線地往返電流在鐵芯中產(chǎn)生地磁場方向相反，相互抵消，因而不起電感作用；而對于共模噪聲,相當于一個大地電感量，呈現(xiàn)高阻抗，因此對共模噪聲有良好地抑制作用5.2.2 EMI濾波器選用與安裝EMI濾波器具有互易性，即把負載接在B電源端或負載端均可在設計中，為達到有效抑B制EMI信號地目地，根據(jù)與濾波器兩端相連接地 EMI信號源阻抗和負載阻抗來選擇該濾波器地網(wǎng)絡參數(shù).這里Lc、Cc分別取20H口 1nF,如

42、圖13所示.電磁兼容地設計目 地是在網(wǎng)絡結構符合最 大失配地原則下，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 地輸入導線與輸出導線ajL101100mHL102100mHJULL10320uHC101 二丁 1UF嚴牛圖13實際設計參數(shù)-c1C103 GNDn地間隔距離，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地抑制噪聲地效果.5.2.3 外殼對EMI地影響及其設計電源地外殼應該擔當起內(nèi)部電路輻射噪聲電磁屏蔽地作用.因此，外殼應該使用金屬質地地磁性材料.EMI地屏蔽原理是促進渦流在表面流過，從而耗散電磁噪

43、聲能量.同樣,電源地外殼擔 當起了高斯外殼地作用，即整個外殼都是良導體.所以可移動地蓋子和外殼部分在其接口 部分要有非常好地電連接.設計中采用通用地鐵材料外殼，電路板與外殼地連接處加涂焊 錫,使活動連接處地電阻足夠小，以保證EMI屏蔽地有效性.5.3 開關電源保護電路地設計5.3.1 熱敏電阻防沖擊電流電路在大功率開關電源中，接通電源地瞬間，由于濾波電容地初始值為零，電容急劇充電,B產(chǎn)生很大地瞬間充電電流，稱之為沖擊電流（周志敏等，2003）.File:3電流處于正常工乍狀態(tài)2A532壓敏電阻防浪涌電壓電路如圖15所示.壓敏電阻RV地作用是吸收從電網(wǎng)竄入地浪涌電壓.電網(wǎng)中地電壓由于受到其它用電

44、設備或自然雷電地干 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，它會使電源中地保險 絲和其它元器件燒壞因此，在輸 入電壓地兩端加上壓敏電阻，起到3A/250V-r-l RVFUSE AC INPUT85V-260V0L101 p100mHLLULb1 _L103C101L102J匚EYXYX 20uH100mH圖15防浪涌電壓電路分壓地作用，吸收浪涌電壓，保護了后面地電路.5.4 開關管地選擇采用功率MOSFE具有開關速度快、損耗低、驅動電流小、無二次擊穿現(xiàn)象、過載能 力強、抗干擾能力強等優(yōu)點MOSFE開關管是電壓控制電流源為了驅動MOSFE進入飽和區(qū),需要在柵源

45、極間加上足夠地電壓，以使漏極能流過預期地最大地電流.功率MOSFE通常分為兩類：一類是標準 地MOSFE這種MOSFE地g 為812V,以保證額定地漏極電流.另一類是邏輯電平MOSFE這類MOSFE地%只需45V,其漏源電壓額定值較低（60"（沙占友,2003）本設計選用MOSFE管IRF840,驅動電壓為12V.IRF840地Vds耐壓達500V, Id電流為8A,導通時Rds僅為0.75 Q ;此外,IRF840只靠 多子導電,不存在少子儲存效應，因而關斷過程非常迅速它地開關時間在10100ns之間, 工作頻率達到100kHz以上,能夠滿足設計要求.5.5 變壓器地設計變壓器是D

46、C/DC變換地重要器件,主要技術參數(shù)是初次級匝數(shù)比（n澆）和初次 級地電感量（Lp、Ls ）.變壓器地初級匝數(shù)和次級匝數(shù)由下式得到:TitleNPNsU i maxDmax2BmAeUo UU i min Dmax(1)式中：Uimax 最大輸入電壓,V ；Uimin最小輸入電壓,V ；Dmax最大占空比；Bm 磁通密度,T ；a 磁芯截面積,m ；Uf輸出整流管正向壓降,V； U o 輸出電壓,V.高頻變壓器采用EE28型鐵氧體磁芯 其有效磁通面積Sj = 0.76 cm,留出地磁 芯氣隙寬度：=0.38 mm骨架有效寬度為、177T,d=0.3mm.-35''9T,d=0.

47、3mm314131212 -2!.：4T,d=0.5mm9 二圖16變壓器繞法26mm.根據(jù)所選地磁芯和氣隙寬度，得磁通密度為Bm = 1.32 X 104T, Ae =2Sj = 0.76cm , Uimax = 310V,Dmax = 50% （即 PWM占 空比）.將以上數(shù)據(jù)代入（1）式，得 Np=77.又因為，當開關管導通時，Vds = Uimin = 0.12V, Uo = 24V, UF = 0.4V，代入（2）式得Ns = 5.因此，初級線圈77匝,5V輸出端為4匝，即U01 =5V, Ns=4 ； 24V地匝數(shù)可取相同地“每伏匝數(shù)”，每伏匝數(shù)Nv =七，單位是匝/ 伏.將U01

48、=5V，Ns=4代入上式得 到，Nv =0.74 匝/ 伏.對于24V輸出，已知U°1 =24V,Uf2 =0.4V（肖特基整流管壓降）代入上式得Ns =18.因此，初級繞組采用0.3mnX 2漆包線77匝；反饋繞組用0.3mnX 2漆包線9匝;初、 次級電感量約為500卩H, 24V輸出端采用0.5mnX 5漆包線18匝；5V輸出端采J|ze0.5mm Number X 2漆包線4匝.A開關電源變壓器地物理繞制方法是很重要地，它會使電源性能差別很大.好地繞制方 妙；材料-電路圖M 法可以使電源性能變得很好，反之也可以使電源噪聲很大，性能變差.本繞組采用分離式 繞法,這樣做地目地時減

49、少漏磁，提高變壓器地轉換效率.具體地繞法如圖16所示.5.6 整流管地選擇開關電源經(jīng)過開關變壓器后，要對輸出地開關電壓（脈沖電壓）進行整流和濾波.選擇合適地整流管是重要地步驟.在選取輸出整流管地參數(shù)時，應遵循以下原則：管子地額定工作電流至少為該路最大輸出電流地 3倍；管子地最高反向工作電壓必須高于最低耐 壓值此外,應考慮使用肖特基二極管，因為肖特基二極管是以多數(shù)載流子工作地整流器件 具有很好地開關特性它地正向壓降小，且隨著溫度地升高而降低，可降低整流管導通損 耗,有利于提高輸出電壓不高時地電路效率.本電路輸出電壓為24V、5V,輸出電流分別為 4.5A和1A.因此，可以采用肖特基MBR2545

50、C和MBR745它們地指標參數(shù)見表2：表2 MBR系列參數(shù)型號最咼反向電壓額定電流MBR2545CT45V30AMBR74545V7.5A由表2可見,所選整流管地技術指標均留有一定地裕量，可以滿足設計地要求5.7 反饋電路地設計在開關電源中，為避免冷熱地地干擾，通常采用地光耦合器（如圖17中U2,芯片型號為PC817C進行反饋.光耦合器地工作原理是：當輸 入端（管腳1）加載電信號時，發(fā)光器發(fā)出光線，受 光器接受光線之后產(chǎn)生光電流，從輸出端（管腳3） 流出,從而實現(xiàn)了“電一光一電”轉換（沙占友 等,2001 ）.在光耦合反饋電路中，輸出電壓地變化 使光耦合器件發(fā)生開關動作，并傳遞到控制電路端 使

51、控制電路根據(jù)反饋信息進行相應地調(diào)整，使輸出 電壓維持24V穩(wěn)定.反饋電路地設計如圖17所示.TL431為精密穩(wěn) 壓器，它地作用是使光耦合器PC817（地管腳2穩(wěn)定 在2.5V地電壓.當輸出24V電壓升高，管腳2地電 壓不變,而管腳1地電壓升高，使發(fā)光器導通發(fā)光，R2021.2kU2817C24VR20417kR205220!C2074.7u 廠R2071.5kR20710kR20810kU31n/1kVR12R129470L C12 GND4.7m7LTL431A.C208100 n41R2092.26kV受光器接受光線也導通,管腳4地電壓變低；反之圖17反饋電路,芯片調(diào)整PW地占空比，使輸出

52、電壓當輸出24V電壓降低，受光器截止，官腳4地電壓為高.PC817C把管腳4地電壓高低狀態(tài)反饋到控制芯片穩(wěn)定.5.8 輸出濾波器輸出濾波器把經(jīng)過整流以后地交流方波變換成直流如圖18所示,整流后地波形直接接到濾波器地輸入端，先是大電容濾波，即圖中地C201,它將方波濾波成為較平滑地直流波形.另外L201與C202組成了后置濾波器.后置濾波器地作用是使波形變得平穩(wěn),減小紋波圖18濾波器其中L201稱為濾波扼流圈，它在電氣上地作用是濾波 但是,當開關斷開時，它又為負載存儲能量濾波電感地設 計比較簡單.首先要選好磁芯，通常這種場合用鉬鎳鐵合 金磁環(huán),這是因為這種材料本身內(nèi)部有氣隙TitleSizeAD

53、ate:File:3此外,圖中C203為一個小電容,用來吸收高頻電流分 量.第六章電路板地制作與調(diào)試在任何開關電源設計中，PCB板地物理設計都是一個重要地環(huán)節(jié)，如果設計方法不當,PCB可能會輻射過多地電磁干擾,造成電源工作不穩(wěn)定.本節(jié)將就如何進行PCB布線, 1如何進行電路調(diào)試,以及測試結果等問題進行論述.6.1 PCB布局、布線設計6.1.1 總體布局、布線設計地原則本設計為適用于各種標準電源機箱,采用通用統(tǒng)一地尺寸,即長度145mm寬度110mm.在確定PCB尺寸后,再確定散熱片，變壓器等特殊元件地位置.根據(jù)電路單元功能，對 電路地全部元器件進行布局，同時把相互有關地器件(如芯片與外圍電路

54、)盡量放得靠近 些,這樣可以獲得較好地抗噪聲效果.布局完畢之后是布線.在開關電源設計中，通常都采用手工布線，而不用自動布線，因 為開關電源地PCB布線有非常嚴格地規(guī)則.進行全局布線地時候，必須遵循以下原則：(1) 從焊接面看，元件地排列方位盡可能保持與原理圖一致，布線方向與電路圖走線 方向相一致；(2) 設計布線圖時走線盡量少拐彎,印刷弧線上地線寬不能突變,導線拐角90° .(3) 印刷電路中不允許有交叉電路，對于可能交叉地線條，可以用“鉆”、“繞”兩 種辦法解決.(5) 交流線間地距離至少有100mm且線寬度要足夠大；不夠大地地方要加上焊錫.(6) 冷熱地之間地距離至少要留出150mn不能布線,且光耦合器下面要開槽.6.1.2 布線步驟及注意問題以下針對各個步驟中所需注意地事項進行分析：（1）從原理圖到PCB地設計流程為：建立元件