畢業(yè)設(shè)計(jì)---PWM芯片電路設(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)用-畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、PWM芯片電路設(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)用學(xué) 生： 學(xué) 號：06021028441專 業(yè)：電子信息工程班 指導(dǎo)教師： 二O一O年六月摘 要論文在開關(guān)電源技術(shù)開展現(xiàn)狀根底上，提出一種峰值電流型PWM控制芯片的設(shè)計(jì)。首先對芯片的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行了研究和分析，包括開關(guān)電源變換器的整個(gè)控制回路。控制回路包括誤差放大器，基準(zhǔn)電壓源，振蕩器，比擬器和保護(hù)電路等，完成了具體電路的設(shè)計(jì)，給出了所有的電路圖。其次對芯片的在開關(guān)電源中的一些外部應(yīng)用電路進(jìn)行舉例和應(yīng)用分析。關(guān)鍵詞：PWM控制；運(yùn)算放大器；基準(zhǔn)電壓源；振蕩器ABSTRACTBased on the research on modern power

2、supply technology, a peak current mode PWM controller chip were proposed. And its principles and system architecture were studied and analyzed, which includes its main loop and control loop.Finished the system design, the functional blocks included amplifier, reference, oscillator, comparator, fast

3、over current protection, all circuits were given. And the examples about this chip used in power supply technology were also given.Key words: PWM control;Amplifier;Reference;Oscillator目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc265007719 摘 要 PAGEREF _Toc265007719 h I HYPERLINK l _Toc265007720 ABSTRACT PAGER

4、EF _Toc265007720 h II HYPERLINK l _Toc265007721 第1章 引言 PAGEREF _Toc265007721 h 1 HYPERLINK l _Toc265007722 1.1 背景、現(xiàn)狀和開展趨勢 PAGEREF _Toc265007722 h 1 HYPERLINK l _Toc265007723 1.2 PWM控制型開關(guān)電源電路原理 PAGEREF _Toc265007723 h 2 HYPERLINK l _Toc265007724 1.2.1 開關(guān)電源的根本工作原理 PAGEREF _Toc265007724 h 2 HYPERLINK l

5、 _Toc265007725 1.2.2 PWM電路的分類 PAGEREF _Toc265007725 h 3 HYPERLINK l _Toc265007726 1.3 本文的主要工作 PAGEREF _Toc265007726 h 4 HYPERLINK l _Toc265007727 第2章 PWM控制芯片電路的原理 PAGEREF _Toc265007727 h 6 HYPERLINK l _Toc265007728 2.1 PWM控制芯片原理 PAGEREF _Toc265007728 h 6 HYPERLINK l _Toc265007729 2.2 PWM控制芯片電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6、PAGEREF _Toc265007729 h 8 HYPERLINK l _Toc265007730 第3章 PWM芯片電路設(shè)計(jì)及工作過程 PAGEREF _Toc265007730 h 11 HYPERLINK l _Toc265007731 3.1 欠壓鎖定 PAGEREF _Toc265007731 h 11 HYPERLINK l _Toc265007732 3.2 基準(zhǔn)電壓源 PAGEREF _Toc265007732 h 11 HYPERLINK l _Toc265007733 3.2.1 帶隙基準(zhǔn)電壓源 PAGEREF _Toc265007733 h 11 HYPERLINK

7、l _Toc265007734 3.2.2 普通可調(diào)直流基準(zhǔn)源TL431的介紹 PAGEREF _Toc265007734 h 13 HYPERLINK l _Toc265007735 3.3 電壓調(diào)節(jié)器 PAGEREF _Toc265007735 h 15 HYPERLINK l _Toc265007736 3.4 振蕩器 PAGEREF _Toc265007736 h 16 HYPERLINK l _Toc265007737 3.4.1 振蕩器原理 PAGEREF _Toc265007737 h 16 HYPERLINK l _Toc265007738 3.4.2 振蕩器電路 PAGERE

8、F _Toc265007738 h 17 HYPERLINK l _Toc265007739 3.5 電壓誤差放大器 PAGEREF _Toc265007739 h 19 HYPERLINK l _Toc265007740 3.6 電流比擬器 PAGEREF _Toc265007740 h 20 HYPERLINK l _Toc265007741 3.6.1 電流比擬器 PAGEREF _Toc265007741 h 20 HYPERLINK l _Toc265007742 3.6.2 過流保護(hù) PAGEREF _Toc265007742 h 21 HYPERLINK l _Toc265007

9、743 3.7 系統(tǒng)系統(tǒng)芯片電路及工作過程 PAGEREF _Toc265007743 h 24 HYPERLINK l _Toc265007744 第4章 芯片電路在開關(guān)電源中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc265007744 h 28 HYPERLINK l _Toc265007745 4.1 芯片外部應(yīng)用電路 PAGEREF _Toc265007745 h 28 HYPERLINK l _Toc265007746 4.2 芯片在開關(guān)電源保護(hù)電路的中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc265007746 h 29 HYPERLINK l _Toc265007747 4.3 芯片電路在單端反激式

10、開關(guān)電源中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc265007747 h 30 HYPERLINK l _Toc265007748 第5章 結(jié)束語 PAGEREF _Toc265007748 h 33 HYPERLINK l _Toc265007749 致謝 PAGEREF _Toc265007749 h 34 HYPERLINK l _Toc265007750 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc265007750 h 35第1章 引言 背景、現(xiàn)狀和開展趨勢近幾年變頻調(diào)速技術(shù)獲得不斷的進(jìn)步和開展特別是在家用電器行業(yè)方面的應(yīng)用。低廉、節(jié)能、高效、靜音以及高可靠性的變頻產(chǎn)品成為趨勢，各種新型的PWM控制芯

11、片不斷涌現(xiàn)。數(shù)字化的PWM控制芯片相對模擬PWM控制芯片(如TL494,SG3525,UC3844等)，因其抗干擾、抗溫漂等方面的優(yōu)點(diǎn)成為主流產(chǎn)品。典型PWM調(diào)速控制芯片特點(diǎn)隨著微處理器技術(shù)的開展，其與PWM技術(shù)相結(jié)合，形成了各類特色的控制方案，主要可分為以下幾類:(1)采用單一的通用微處理器(單片機(jī))來產(chǎn)生SPWM。該方案只須采用單個(gè)芯片，功能強(qiáng)、靈活、易于保密，但所有的PWM信號的產(chǎn)生均需占用CPU大量的工作時(shí)間，軟件開發(fā)周期長，通用性差，不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。(2)采用專用大規(guī)模集成電路產(chǎn)生SPWM信號。如Mullard公司的HEF4752,無須微處理器配合，屬于純硬件實(shí)現(xiàn)方法，使用簡單

12、，省去編寫軟件的麻煩，開發(fā)周期短，但欠靈活性，難以實(shí)現(xiàn)更多的功能。(3)采用微處理器和專用大規(guī)模集成電路相結(jié)合的方式，可以兼具靈活、簡單、易于開發(fā)、功能勿、一展的特點(diǎn)，如Siemens公司的SEL4520,Mitel公司的SA4828等，但本錢較高。(4)采用專用調(diào)速控制芯片。此類芯片內(nèi)部集成有PWM發(fā)生器、A/D轉(zhuǎn)換器、EPROM/EEPROM或快速可擦寫存儲器FlashMemory等適用于電動(dòng)淚L調(diào)速的外圍硬件設(shè)備，大大減少CPU的十預(yù)時(shí)間，保證CPU可以實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜的控制功能。這類芯片很多，如東芝公司的八位單片機(jī)TMP88CK49/CM49,Motorola公司的八位單片機(jī)MC68HC7

13、08MP16,Intel公司的16位微處理器8XC196MC。特別是高速運(yùn)算能力DSP核的嵌入常見的如TI公司的TM5320F24X系列、AD公司的ADMCF32X系列，使得此類芯片完全可以實(shí)現(xiàn)高性能的控制算法，如磁場定向控制、無速度傳感器矢量控制等。 PWM控制型開關(guān)電源電路原理近年來，脈寬調(diào)制PWM控制技術(shù)得到較快速開展，用PWM控制開關(guān)變換器，即PWM開關(guān)電源。PWM控制方式的開關(guān)電源因?yàn)殡娐泛唵危刂品奖愣@得普遍應(yīng)用。相對傳統(tǒng)的線性電源而言，開關(guān)電源具有體積小，本錢低，效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)。在電源領(lǐng)域內(nèi)開關(guān)電源的應(yīng)用越來越廣泛。 開關(guān)電源的根本工作原理開關(guān)電源以半導(dǎo)體開關(guān)器件的啟閉為根本

14、原理，即通過控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的世界比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。PWM開關(guān)電源的換能電路將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，再將脈沖電壓經(jīng)LC濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓9。開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖如圖1-1所示。開關(guān)電源包括主電路和控制電路兩局部。虛線框內(nèi)是控制電路局部，是本文所要設(shè)計(jì)的芯片。交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動(dòng)成份的直流電源，該電壓通過功率轉(zhuǎn)換電路進(jìn)入高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸７磻?yīng)控制電路為脈沖寬度調(diào)制器PWM，它主要由取樣器、比擬器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這局部電路目前已集成

15、化，制成了各種開關(guān)電源專用集成電路。控制電路用來調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間比例，以到達(dá)穩(wěn)定輸出電壓的目的。開關(guān)電源的功率調(diào)整器件處于開關(guān)工作狀態(tài)。作為開關(guān)而言，導(dǎo)通時(shí)，壓降很小，幾乎不消耗能量，關(guān)斷時(shí)漏電流很小，也幾乎不消耗能量，所以開關(guān)電源的公路轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%以上。開關(guān)電源的濾波電感的體積和重量也因?yàn)楣ぷ黝l率提高而減小，所需的濾波電容也減小。功率轉(zhuǎn)換電路高頻變換器 圖1-1 開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖輸出整流濾波DC取樣器比擬器脈寬調(diào)制振蕩器基準(zhǔn)電壓AC輸入整流濾波 PWM電路的分類PWM控制型的開關(guān)電源可分為兩類型，一種是電壓控制型，它只對輸出電壓采樣，作為反應(yīng)信號進(jìn)行閉環(huán)控制。采樣脈

16、寬調(diào)制PWM技術(shù)，調(diào)節(jié)輸出電壓。從控制的角度看，這是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。另一種是電流控制型，在PWM電壓控制的根底上，增加一個(gè)電流反應(yīng)環(huán)節(jié)，使其成為雙環(huán)控制系統(tǒng)，從而提高了電源性能。圖1-2為電壓控制型開關(guān)電源的原理圖。電源輸出電壓V0的采樣值與參考電壓進(jìn)行比擬放大，得到誤差信號Ve，它與鋸齒波信號比擬后，由脈寬比擬器輸出占空比隨輸出電壓變化的PWM波，從而控制輸出電壓保持穩(wěn)定。這就是控制的原理，它是一個(gè)單環(huán)控制系統(tǒng)14。圖1-2 電壓控制型開關(guān)電源原理圖圖1-3為電流型開關(guān)電源的原理圖。它是一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，有一個(gè)內(nèi)環(huán)，一個(gè)外環(huán)電壓環(huán)。其工作原理是：恒頻時(shí)鐘脈沖、置位鎖存器，輸出高電平信號。驅(qū)

17、動(dòng)開關(guān)管導(dǎo)通。隨著開關(guān)管中的電流脈沖逐步增大，當(dāng)電流在采樣電阻RS上的電壓幅值VS到達(dá)Ve電平時(shí)。脈沖比擬器翻轉(zhuǎn)，鎖存器復(fù)位，驅(qū)動(dòng)信號變低，開關(guān)管關(guān)斷。電路就是這樣逐個(gè)的檢測和調(diào)節(jié)電流脈沖。圖1-3 電流型脈寬調(diào)制器原理框圖 本文的主要工作20多年來，集成開關(guān)電源沿著集成化方向開展，首先是對開關(guān)電源的核心單元控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。1977年國外首先研制成脈寬調(diào)制PWM控制器集成電路，美國摩托羅拉公司、硅通用公司、尤尼德公司等相繼推出一批PWM芯片，典型產(chǎn)品有MC3520,SG3524,芯片。90年代以來，國外又研制出開關(guān)頻率達(dá)1MHZ的高速PWM、PFM90脈沖頻率調(diào)制芯片，典型產(chǎn)品有UC182

18、5、UC1864。本文的主要工作是設(shè)計(jì)開關(guān)電源的芯片電路，該集成電路采用PWM工作方式，需要較少的外部元件即能構(gòu)成完整的開關(guān)電源，工作頻率1MHz，并具有過流保護(hù)功能。第一章介紹開關(guān)電源的背景、現(xiàn)狀和開展趨勢，同時(shí)介紹了開關(guān)電源的原理，并對本文的章節(jié)進(jìn)行安排。第二章介紹開關(guān)電源控制電路的原理和根本結(jié)構(gòu)。第三章介紹控制芯片各個(gè)模塊電路原理，所設(shè)計(jì)的具體電路。第四章介紹控制芯片幾種典型的開關(guān)電源中的應(yīng)用。第五章總結(jié)該電路的設(shè)計(jì)工作。第2章 PWM控制芯片電路的原理 PWM控制芯片原理電流控制的PWM技術(shù)是一種新穎的控制技術(shù)，1967年由美國BOSE公司提出。該技術(shù)由不同路線方案來實(shí)現(xiàn)，其共同特點(diǎn)是

19、：利用電感電流的反應(yīng)直接去控制功率開關(guān)的占空比，以實(shí)現(xiàn)峰值電流對電壓反應(yīng)的跟蹤。電流型控制分為峰值電流控制、平均電流控制和滯環(huán)電流控制。1峰值電流控制峰值電流控制是最常用的電流型控制方式。以Buck變換器為例，峰值電流型控制系統(tǒng)原理如圖2-1。每1個(gè)開關(guān)周期開始，由時(shí)鐘信號CLK經(jīng)過觸發(fā)器，驅(qū)動(dòng)開關(guān)VF導(dǎo)通，當(dāng)電流iVF的檢測信號峰值到達(dá)電流給定值Ve時(shí)，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，開關(guān)VF關(guān)斷。因此只要系統(tǒng)中電流稍有變化，占空比可以較快產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使輸出電壓V0接近給定Vr。峰值電流型PWM控制的優(yōu)點(diǎn)是：消除了輸出濾波電感在系統(tǒng)傳遞函數(shù)中產(chǎn)生的極點(diǎn)，使系統(tǒng)傳遞函數(shù)由二階降為一階，解決了系統(tǒng)有條件的環(huán)路穩(wěn)定

20、問題；具有良好的線性調(diào)整率和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；固有的逐個(gè)開關(guān)周期的峰值電流限制，簡化了過載保護(hù)和短路保護(hù)；多個(gè)電源模塊并聯(lián)式易于實(shí)現(xiàn)均流。缺點(diǎn)是：不能準(zhǔn)確控制電感的平均電流，回路增益對電網(wǎng)電壓變化敏感，開關(guān)噪聲容易造成開關(guān)管誤動(dòng)作等。圖2-1 峰值電流控制系統(tǒng)原理框圖2平均電流型控制圖2-2以Buck變換器為例，給出平均電流控制的電路框圖，電流給定信號Ve式電壓調(diào)節(jié)器的輸出，圖中未畫出電壓環(huán)。平均電流型控制方案需要檢測電感電流iL,電流檢測信號與電流給定Ve比擬后，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器生成控制信號VC，VC再與鋸齒波調(diào)制信號比擬，產(chǎn)生PWM脈沖。電流調(diào)節(jié)器一般采用PI型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可以濾除采樣信號中的高

21、頻分量，與峰值電流控制相比，它直接控制電感電流的平均值，抗擾性好。但是檢測電感電流有時(shí)比擬復(fù)雜，或檢測元件損耗較大。圖2-2 平均電流控制的電路框圖3滯環(huán)電流型控制圖2-3以Buck開關(guān)變換器為例，給出滯環(huán)電流型控制的電路框圖，圖中未畫出電壓環(huán)。滯環(huán)電流型控制也是檢測電感電流，與電流給定值Ve比擬后，輸入給滯環(huán)比擬器或滯環(huán)邏輯元件。為實(shí)現(xiàn)滯環(huán)電流型控制，滯環(huán)比擬器中設(shè)定上限值Vemax和下限值Vemin。當(dāng)電感電流iL的檢測信號下降到下限Vemin時(shí)，比擬器輸出高電平，使功率開關(guān)關(guān)斷，電感電流下降。被檢測的電感電流決定了開關(guān)關(guān)斷、開通時(shí)間。滯環(huán)控制方式下，變換器是變頻工作的，其開關(guān)頻率一般隨輸

22、入電壓、輸出電壓和負(fù)載的變化而變化，因此輸入、輸出濾波器的設(shè)計(jì)比擬復(fù)雜。圖2-3 滯環(huán)電流型控制的電路框圖 PWM控制芯片電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)芯片的主要特點(diǎn)是：1MHz開關(guān)頻率50uA備用電流，100uA最大電流逐周限流時(shí)間快至35ns振蕩器放電電流精確新型的欠壓鎖定模塊所設(shè)計(jì)的PWM控制器，它主要包括欠壓鎖定電路，振蕩器，電流比擬器，電壓調(diào)節(jié)器，誤差放大器，過流保護(hù)和用做基準(zhǔn)的參考電壓局部。內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能框圖如下列圖2-4。Vout28913451076誤差放大器9Vcc欠壓鎖定VREF欠壓鎖定PWM鎖定+5V基準(zhǔn)參考調(diào)節(jié)振蕩器電流比擬器VCC圖2-4 芯片結(jié)構(gòu)框圖振蕩器振蕩器的工作頻率和放電電流都

23、是調(diào)整好的，并且嚴(yán)格設(shè)定了工作頻率和死區(qū)的最小變化率。振蕩頻率由外接電阻RT決定。CT的放電電流由通過RT的電流和控制芯片內(nèi)部的放電電流之差決定。設(shè)計(jì)控制芯片內(nèi)部的放電電流為8.2mA。RT的阻值較大時(shí)，放電時(shí)間由控制芯片內(nèi)部的放電電流和CT的容量決定。RT的阻值較小時(shí)，對放電時(shí)間也有較大的影響。在一個(gè)振蕩周期內(nèi)，電容CT充電時(shí)，輸出脈沖最大占空比受振蕩器的可控死區(qū)限制。電壓誤差放大器設(shè)計(jì)電壓誤差放大器的直流增益為90dB，增益帶寬為1.5MHz。內(nèi)部的5V基準(zhǔn)電壓經(jīng)分壓后產(chǎn)生2.5V電壓，該電壓直接加在電壓誤差放大器的同向端。開關(guān)電源的輸出電壓經(jīng)過電阻分壓后反應(yīng)到放大器的反響輸入端。設(shè)計(jì)放大

24、器輸出端輸出的電流限制在1mA，放大器輸出端吸入電流為10mA。電流比擬器為了能夠?qū)崿F(xiàn)逐周控制，如此設(shè)計(jì)電流比擬器：在每個(gè)振蕩周期開始時(shí)，輸出端開通。當(dāng)外接開關(guān)管的電流到達(dá)正比于放大器輸出電壓的最大門限值時(shí)，輸出端關(guān)斷，直到下一個(gè)振蕩周期開始。此時(shí)開關(guān)電源的峰值開關(guān)電流正比于誤差電壓。欠壓鎖定在電源到達(dá)啟動(dòng)電壓之前，欠壓鎖定電路阻止芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電源電路和輸出極開始工作。電源電壓低于啟動(dòng)電壓時(shí)，設(shè)計(jì)芯片的靜態(tài)電流小于250uA。基準(zhǔn)電壓設(shè)計(jì)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為5V，誤差在1%以內(nèi)?；鶞?zhǔn)電壓源為內(nèi)部邏輯電路和振蕩電路供電。振蕩器外接電容器的充電電流也由基準(zhǔn)電壓源供應(yīng)。電壓誤差放大器的正向端2.5V電壓

25、也由基準(zhǔn)電壓分壓所得?；鶞?zhǔn)電壓源能提供20mA電流。第3章 PWM芯片電路設(shè)計(jì)及工作過程 欠壓鎖定欠壓鎖定電路實(shí)現(xiàn)的功能是：當(dāng)電源電壓大于8.7V時(shí)，芯片正常工作；當(dāng)電源電壓小于7.6V時(shí)，芯片不工作。本文用滯后比擬器來實(shí)現(xiàn)電路得欠壓鎖定，在VDD欠壓鎖定處和Vref欠壓鎖定處用滯后比擬器實(shí)現(xiàn)。欠壓鎖定中的滯后比擬器如圖3-1所示，非倒向端連接供電電源VCC，倒向端的8.7V的電壓是由基準(zhǔn)電壓源提供。輸出端VOUT與電壓調(diào)節(jié)器連接。啟動(dòng)時(shí)的時(shí)序：比擬器輸出電壓的有無，由VDD電壓的上下控制，只有VDD大于+8.7V時(shí)比擬器輸出高電位，基準(zhǔn)電壓+5VR才有輸出，芯片才能正常工作。一旦正常工作后，

26、VDD小于8.7V時(shí)也能正常工作，我們稱8.7V為啟動(dòng)電壓。關(guān)閉時(shí)的順序：隨著VDD電壓的下降，當(dāng)VDD的電壓小于7.6V時(shí)，又會出現(xiàn)欠壓保護(hù)，這時(shí)比擬器輸出低電位，沒有+5VR電壓輸出，這樣導(dǎo)致后面沒有脈沖輸出，電源就不能正常工作。圖3-1 欠壓鎖定置換比擬器 基準(zhǔn)電壓源 帶隙基準(zhǔn)電壓源基準(zhǔn)源電路廣泛的應(yīng)用于各種模擬集成電路，其精度和穩(wěn)定性直接決定整個(gè)系統(tǒng)的精度。內(nèi)部穩(wěn)壓源電路提供穩(wěn)定的偏置電壓或作為基準(zhǔn)電壓。一般要求這些電壓源的直流輸出電平較穩(wěn)定，而且這個(gè)直流電平應(yīng)該對電源電壓和溫度不敏感。由于基準(zhǔn)源的精度與溫度有關(guān)，提高精度必須降低溫度系數(shù)。帶隙基準(zhǔn)可以再070的溫度范圍內(nèi)有10ppm/

27、的pn節(jié)二極管產(chǎn)生電壓。同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)熱電壓。如果電壓乘以常數(shù)K加上電壓，那么輸出電壓為： 3-1雙極性晶體管中的集電極電流密度的關(guān)系： 3-2其中：=集電極電流密度=基區(qū)電子平衡濃度=電子的平均擴(kuò)散常數(shù)平衡濃度： 3-3其中： 3-4D是與溫度無關(guān)的常數(shù)，時(shí)帶隙電1.205V得到下面集電極電流密度的方程式： 3-5在上式中，與溫度不相關(guān)的常數(shù)合并成單一的常數(shù)A。由于Dn依賴于溫度，溫度系數(shù)r稍微偏離3。因此的關(guān)系式為： (3-6)與溫度的關(guān)系為： (3-7)300K時(shí)，。提供負(fù)溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。提供溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。 (3-8) (3-9)為了在T0時(shí)到達(dá)零溫度系數(shù)，和的變量加起來必須為

28、0圖3-2 帶隙基準(zhǔn)電路圖 普通可調(diào)直流基準(zhǔn)源TL431的介紹TL43l是2.5036V可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器。它屬于一種具有電流輸出能力的可調(diào)基準(zhǔn)電壓源。其性能優(yōu)良，價(jià)格低廉，可廣泛用于單片精密開關(guān)電源或精密線性穩(wěn)壓電源中。陰極工作電壓VKA的允許范圍是25036V，極限值為37V。陰極工作電流IKA=l100mATL431主要包括4局部：誤差放大器A，其同相輸入端接取樣電壓VREF，反相輸入端那么接內(nèi)部250V基準(zhǔn)電壓Vref，并且設(shè)計(jì)的VREF=VRRef；內(nèi)部250V(準(zhǔn)確值為2495V)基準(zhǔn)電壓源Vref；NPN型晶體管VT，在電路中起調(diào)節(jié)負(fù)載電流的作用；保護(hù)二極管VD，能防止因KA間

29、電源極性接反而損壞芯片。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。圖3-3 TL431內(nèi)部原理電路TL431的電路圖形符號和根本接線如圖3-4所示。圖3-4 TL431的電路圖形符號和根本接線如圖它相當(dāng)于一只可調(diào)齊納穩(wěn)壓管，輸出電壓由外部精密電阻R1和R2來設(shè)定，有公式： 3-10圖中R3是IKA的限流電阻。選取R3阻值的原那么是，當(dāng)輸入電壓Vi為最小值時(shí)必須保證100mAIKA1mA，以便使TL431能正常工作。TL431的穩(wěn)壓原理可分析如下：當(dāng)由于某種原因致使Vo升高時(shí)，取樣電壓vref也隨之升高，使VREFVref，比擬器輸出高電平，令VT導(dǎo)通，Vo。反之，Vo下降VREF(Vi-Vo)/R31mA

30、其中R是限流電阻。第2腳位誤差放大器的輸出端，誤差放大器的輸出電壓信號，在內(nèi)部經(jīng)過兩個(gè)二極管D1和D2降下壓后，又由電阻R3和R4進(jìn)行分壓，由于R3電阻的阻值是R4阻值的兩倍，最后剩下1/3的電壓家在電流比擬器的反向輸入端，并且還有穩(wěn)壓管ZD2箝位，該輸入端電壓的最高電壓不超過一定值。第3腳位誤差放大器的反向輸入端，取樣電壓由此輸入，在內(nèi)部將+5VR電壓，用兩個(gè)阻值相同的電阻R1和R2，將電壓分成+2.5V，作為基準(zhǔn)電壓加在誤差放大器的正向輸入端。因?yàn)榈?腳加在誤差放大器的負(fù)端，那么誤差放大器就是反向輸出，所以第1腳與第2腳電壓的變化相反。反應(yīng)電壓輸入腳，此腳電壓與內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)進(jìn)行比擬，產(chǎn)

31、生控制電壓，從而控制脈沖寬度。第4腳為電流傳感端，電流比擬器輸出電壓的上下，是由它的兩個(gè)輸入端電壓共同決定的，電流比擬器的輸出電壓的變化，能控制PWMLatch的Q反輸出脈沖寬度的變化。第5腳為振蕩器電壓的輸入，用一個(gè)電阻Rt通過振蕩器電壓給電容充電，用兩個(gè)比擬器把電容上的電壓和兩個(gè)參考電壓相比擬，參考電壓分別設(shè)為2.5V和0.75V。用一個(gè)電流源連在電容上起放電開關(guān)的作用。當(dāng)電容電壓超過2.5V時(shí)，電容通過電流源放電。當(dāng)電容電壓低于0.75V時(shí)，MOS管關(guān)斷，電流源不起作用，電容繼續(xù)被輸入電壓充電。這樣電容上的電壓就是一個(gè)有1.75V峰-峰值的鋸齒波。RS觸發(fā)器的輸出就是時(shí)鐘信號，時(shí)鐘周期約

32、等于充電時(shí)間而電容電壓計(jì)算可得充電時(shí)間約為。第6腳為接地端。第7腳為芯片的輸出端，當(dāng)?shù)?腳所接的滯后比擬器輸出高電平時(shí)，基準(zhǔn)電壓才能輸出，第7腳才有脈沖輸出。第8腳為帶隙基準(zhǔn)電路的KVt輸入，KVt輸入與Vbe相加，再通過內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器，輸出穩(wěn)定精確的+5V的基準(zhǔn)，直接決定芯片電路的穩(wěn)定性。第9腳電源電壓VDD供應(yīng)端,它的工作電壓必須在正常工作范圍內(nèi)芯片才能正常工作，在第9腳內(nèi)部接有一個(gè)穩(wěn)壓管ZD1，其穩(wěn)壓電壓為36V,為內(nèi)部的器件提供平安的電壓環(huán)境，當(dāng)VDD超過了穩(wěn)壓管的電壓時(shí)，將會被箝位。第10腳是基準(zhǔn)電壓+5VR的輸出端，從電路中可以看出，+5VR電壓的欠壓保護(hù)，是受滯后比擬器A2控制

33、的。所以用滯后比擬器，也是為了防止在它們跨越們坎時(shí)，有不確定的狀態(tài)，從而到達(dá)保護(hù)的目的4。圖3-18 內(nèi)部芯片電路總圖PWM_out是PWM控制器芯片的輸出，是一系列的脈沖波形。是開關(guān)電源的輸出。當(dāng)電源電壓從0V上升到8.7V時(shí)，欠壓鎖定模塊開始工作，使基準(zhǔn)電壓源啟動(dòng)，輸出穩(wěn)定的5V電壓。然后振蕩器開始輸出振蕩波形。最后輸出脈沖波形。在開關(guān)電壓輸出到達(dá)預(yù)期設(shè)計(jì)的5V前，PWM控制器芯片輸出占空比接近于1的脈沖，使快速上升。當(dāng)輸出到達(dá)5V后。PWM_out輸出適宜的脈寬調(diào)制波形，使開關(guān)電源輸出穩(wěn)定。第4章 芯片電路在開關(guān)電源中的應(yīng)用 芯片外部應(yīng)用電路芯片的外部引腳連接如圖4-1所示。圖4-1 芯

34、片外部應(yīng)用電路如下圖為芯片的外部局部連接圖，第一腳為內(nèi)部基準(zhǔn)輸入電壓提供端。第二腳輸出補(bǔ)償。第三腳輸入電壓負(fù)反應(yīng)。第四腳既輸入電流負(fù)反應(yīng)，也是過流保護(hù)輸入端。第五腳為振蕩器的外接RC電路的連接端，在第五腳處輸入鋸齒波電壓。第七腳為芯片輸出端，即為驅(qū)動(dòng)脈沖的輸出端，如下圖，它用來驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管。第九腳為電源電壓VDD輸入端。為內(nèi)部電路和反應(yīng)電路提供電源電壓。第十腳為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓輸出端，基準(zhǔn)電壓如下圖為振蕩器的外部RC電路提供5V的基準(zhǔn)電壓。工作過程：電路上電時(shí)，外接的啟動(dòng)電路通過引腳9提供芯片需要的啟動(dòng)電壓。在啟動(dòng)電源的作用下，芯片開始工作，脈沖寬度調(diào)制電路產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)7腳輸出驅(qū)動(dòng)外接的開關(guān)功

35、率管工作。功率管工作產(chǎn)生的信號經(jīng)取樣電路轉(zhuǎn)換為低壓直流信號反應(yīng)到4腳，維護(hù)系統(tǒng)的正常工作。電路正常工作后，取樣電路反應(yīng)的低壓直流信號經(jīng)3腳送到內(nèi)部的誤差比擬放大器，與內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比擬，產(chǎn)生的誤差信號送到脈寬調(diào)制電路，完成脈沖寬度的調(diào)制，從而到達(dá)穩(wěn)定輸出電壓的目的。如果輸出電壓由于某種原因變高，那么3腳的取樣電壓也變高，脈寬調(diào)制電路會使輸出脈沖的寬度變窄，那么開關(guān)功率管的導(dǎo)通時(shí)間變短，輸出電壓變低，從而使輸出電壓穩(wěn)定，反之亦然。鋸齒波振蕩電路產(chǎn)生周期性的鋸齒波，其周期取決于5腳外接的RC網(wǎng)絡(luò)。所產(chǎn)生的鋸齒波送到脈沖寬度調(diào)制器，作為其工作周期，脈寬調(diào)制器輸出的脈沖周期不變，而脈沖寬度那么隨反

36、應(yīng)電壓的大小而變化。PWM控制芯片輸出周期一定、高電平存在時(shí)間可調(diào)的驅(qū)動(dòng)脈沖信號。當(dāng)PWM芯片輸出高電平是，開關(guān)晶體管導(dǎo)通時(shí)，二極管關(guān)斷，輸入端直流電源將功率傳送到負(fù)載，并使電感儲能電感電流上升；當(dāng)PWM芯片輸出低電平時(shí)，開關(guān)晶體管關(guān)斷時(shí)，二極管導(dǎo)通，續(xù)流，電感儲能向負(fù)載釋放電感電流下降使負(fù)載電壓極性不變且比擬平直。濾波電容使輸出的紋波進(jìn)一步減小，晶體管導(dǎo)通的時(shí)間越長，傳遞到負(fù)載的能量越多，輸出電壓就越高。 芯片在開關(guān)電源保護(hù)電路的中的應(yīng)用1通過在芯片的采樣電壓處接入一個(gè)射極跟隨器，從而在控制電壓上增加了一個(gè)與脈寬調(diào)制時(shí)鐘同步的人為斜坡，它可以在后續(xù)的周期內(nèi)將I擾動(dòng)減小到零。因此，即使系統(tǒng)工作

37、在占空比大于50或連續(xù)的電感電流條件下，系統(tǒng)也不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。不過該補(bǔ)償斜坡的斜率必須等于或略大于m22，系統(tǒng)才能具有真正的穩(wěn)定性。2取樣電阻改用無感電阻。無感電阻是一種雙線并繞的繞線電阻，其精度高且容易做到大功率。采用無感電阻后，其阻抗不會隨著頻率的增加而增加。這樣，即使在高頻情況下取樣電阻所消耗的功率也不會超過它的標(biāo)稱功率，因此也就不會出現(xiàn)炸機(jī)現(xiàn)象。3)反應(yīng)電路改用TL43l加光耦來控制。我們都知道放大器用作信號傳輸時(shí)都需要傳輸時(shí)間，并不是輸出與輸入同時(shí)建立。如果把反應(yīng)信號接到芯片的電壓反應(yīng)端，那么反應(yīng)信號需連續(xù)通過兩個(gè)高增益誤差放大器，傳輸時(shí)間增長。由于TL431本身就是一個(gè)高增益

38、的誤差放大器，因此，在圖3中直接采用腳1做反應(yīng)，從芯片的腳8(基準(zhǔn)電壓腳)拉了一個(gè)電阻到腳l，腳2通過R18接地。這樣做的好處是，跳過了芯片的內(nèi)部放大器，從而把反應(yīng)信號的傳輸時(shí)間縮短了一半，使電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變快。另外，直接控制芯片的腳l還可簡化系統(tǒng)的頻率補(bǔ)償以及輸出功率小等問題。圖4-2 芯片在開關(guān)電源保護(hù)電路的中的應(yīng)用圖經(jīng)過實(shí)驗(yàn)電路仿真，其采樣信號的波形緊緊跟隨檢測電阻的電壓波形，沒有出現(xiàn)非常大的尖峰電壓。因此，該電路能有效防止因變壓器漏感等異常干擾引起的電源誤操作的問題，也能有效防止因電源占空比過大而引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。 芯片電路在單端反激式開關(guān)電源中的應(yīng)用這是一款A(yù)C220V輸入，D

39、C24V輸出的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源控制電路是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。變換器的幅頻特性由雙極點(diǎn)變成單極點(diǎn)，因此，增益帶寬乘積得到了提高，穩(wěn)定幅度大，具有良好的頻率響應(yīng)特性。主要的功能模塊包括：啟動(dòng)電路、過流過壓欠壓保護(hù)電路、反應(yīng)電路、整流電路。以下對各個(gè)模塊的原理和功能進(jìn)行分析。電路原理圖如圖4-3所示。圖4-3 芯片在單端反激式開關(guān)電源中的應(yīng)用圖如圖4-3所示交流電由C16、L1、C15以及C14、C13進(jìn)行低通濾波，其中C16、C15組成抗串模干擾電路，用于抑制正態(tài)噪聲；C14、C13、L1組成抗共模干擾電路，用于抑制共態(tài)噪聲干擾。它們的組合應(yīng)用對電磁干擾由很強(qiáng)的衰減旁路作

40、用。濾波后的交流電壓經(jīng)D1D4橋式整流以及電解電容C1、C2濾波后變成3lOV的脈動(dòng)直流電壓，此電壓經(jīng)R1降壓后給C8充電，當(dāng)C8的電壓到達(dá)芯片的啟動(dòng)電壓門檻值時(shí)，芯片開始工作并提供驅(qū)動(dòng)脈沖，由腳6輸出推動(dòng)開關(guān)管工作。隨著芯片的啟動(dòng)R1的工作也就根本結(jié)束，余下的任務(wù)交給反應(yīng)繞組，由反應(yīng)繞組產(chǎn)生電壓給芯片供電。由于輸入電壓超過了芯片的工作，為了防止意外，用D10穩(wěn)壓管限定芯片的輸入電壓，否那么將出現(xiàn)芯片被損壞的情況。由于輸入電壓的不穩(wěn)定，或者一些其他的外在因素，有時(shí)會導(dǎo)致電路出現(xiàn)短路、過壓、欠壓等不利于電路工作的現(xiàn)象發(fā)生，因此，電路必須具有一定的保護(hù)功能。此電路具有短路過流、過壓、欠壓三重保護(hù)。反應(yīng)電路采用精密穩(wěn)壓源TL431和線性光耦PC817。利用TL43l可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進(jìn)行精確的調(diào)整。)采用快速恢復(fù)二極管D6、D7整流。基于低壓、功耗低、大電流的特點(diǎn)，有利于提高電源的效率，其反向恢復(fù)時(shí)間短，有利于減少高頻噪聲，在大功率