電氣工程及其自動(dòng)化-單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)摘要電力電子技術(shù)已發(fā)展成為一門完整的、自成體系的高科技技術(shù)，電力電子技術(shù)的發(fā) 展帶動(dòng)了電源技術(shù)的發(fā)展，而電源技術(shù)的發(fā)展有效地促進(jìn)了電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。電源技術(shù)主要是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)的，信息技術(shù)的發(fā)展乂對電源技術(shù)提出了更高的要求，從而促進(jìn)了電源技術(shù)的發(fā)展，兩者相輔相成才有了現(xiàn)今蓬勃發(fā)展的信息產(chǎn)業(yè)和電源產(chǎn)業(yè)。從日常生活到最尖端的科學(xué)都離不開電源技術(shù)的參與和支持，而電源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)對提高一個(gè)國家勞動(dòng)生產(chǎn)率的水平，即提高一個(gè)國家單位能耗的產(chǎn)出水平，具有舉足輕重的作用。在這方面我國與世界先進(jìn)國家的差距很大，作為一個(gè)電源工作者，不僅要設(shè)計(jì)出國際或國內(nèi)先進(jìn)的電源，還要考慮到電源的適應(yīng)性以及電源的成本

2、。只有具有先進(jìn)性能的電源,加上合理的制作成本，才能使我國的電源產(chǎn)業(yè)趕超發(fā)達(dá)國家。 這里著重介紹了基于 T0P252Y的單片開關(guān)電源，通過運(yùn)用先進(jìn)的電 力電子技術(shù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了將普通市電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定地電壓電流輸出。首先介紹開關(guān)電源的含義，開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技 術(shù)，控制開關(guān)品體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定 輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源 一般山脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨 著各種各樣電器的出現(xiàn)以及升級，它們都需要一個(gè)穩(wěn)定的電源，本文系統(tǒng)介紹了一種較為實(shí)惠乂很先進(jìn)的穩(wěn)壓穩(wěn)流輸出單 片開關(guān)電源。關(guān)鍵詞：單片開關(guān)電源；反激式；脈寬調(diào)制。目錄 TOC o 1-5 h z 第

3、1旗緒論 1概述 1開關(guān)電源的發(fā)展簡況 1開關(guān)電源的發(fā)展趨勢 2 HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 第2卓方案論證 41概述 4系統(tǒng)總體框圖 4工作原理 4 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 第3卓單片開關(guān)電源的設(shè)計(jì) 91概述 9單片開關(guān)電源電路參數(shù)的設(shè)定 9單片開關(guān)電源中電子元器件的選擇 12單片開關(guān)電源保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 15 HYPERLINK l bookmark9 o Current Document 第4旗結(jié)語 21參考文獻(xiàn) 22概述電源歷來是各種電子設(shè)備中不可缺少的組成部分，其性能優(yōu)劣宜接

4、關(guān)系到電 子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作。開關(guān)電源（Sw讓ching Power Supply ）自問世以來，就以其穩(wěn)定、高效、節(jié)能等優(yōu)良性能而成為穩(wěn)壓電源的主要產(chǎn)品。而高度集成化的單片開關(guān)電源，更是因其高性價(jià)比、簡單的外圉電路、小體積與重M和無工頻變壓器隔離方式等優(yōu)勢而成為穩(wěn)壓電源中的佼佼者，是設(shè)計(jì)開發(fā)各種高效率中、小功率開關(guān)電源的優(yōu)勢器件。隨著生產(chǎn)、生活中自動(dòng)化程度的不斷提高，開關(guān)電源也朝著智能化方向發(fā)展，由微控制器控制的開關(guān)電源將單片開關(guān)電源與單片機(jī)控制相結(jié)合，更加體現(xiàn)了開關(guān)電源的可黑性和靈活性。在21世紀(jì)，隨著各種不同的單片開關(guān)電源芯片及其電路拓?fù)涞膽?yīng)用 和推廣，單片開關(guān)電源越

5、來越體現(xiàn)出巨大的實(shí)用價(jià)值和美好前景。開關(guān)電源的發(fā)展簡況開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。近20多年來，集成開關(guān)電源沿著下述兩個(gè)方向不斷發(fā)展。第一個(gè)方向是對開關(guān)電源的核心單元一一控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。1997年國外首先研 制成脈寬調(diào)制（PWH）控制器集成電路，美國摩托羅拉公司、硅通用公司（S訂icon General）.尤尼特德公司（Unitrode）等相繼推出一批 PWM芯片？，典型產(chǎn)品有 MC3520、SG3324、UC3842。90年代以來，國外乂研制出開關(guān)頻率達(dá)1MHz的高速PWM、PFM （脈沖頻率調(diào)制）芯片，典型產(chǎn)品如 UC1825、U

6、C1864o第二個(gè)方向則是對中，小功率開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)單片集成化。這大致分兩個(gè)階段：80年代初意一法半導(dǎo)體有限公司（SGS Thomson）率先推出L4960系列單片開關(guān)式穩(wěn)壓器。該公司于 90年代乂推出了 L4970A系列。其特點(diǎn)是將 脈寬調(diào)制器、功率輸出級、保護(hù)電路等集成在一個(gè)芯片中，使用時(shí)需配工頻變壓器與電網(wǎng)隔離，適于制作低壓輸出（5.1? 40V）、大中功率（400W以下）、大電流（1.5A? 10A）、 高效率（可超過90%）的開關(guān)電源。但從本質(zhì)上講，它仍屬 DC/DC電源變換器”】。1994年，美國PI公司在世界上首先研制成功三端隔離式脈寬調(diào)制型單片開關(guān)電源，被人們譽(yù)為“頂級開關(guān)電源”

7、。其第一代產(chǎn)品為TOPSwitch系列，第二代產(chǎn)品則是1997年問世的TOPSwitch-II系列。該公司于1998年乂推出了高效、小功 率、 低價(jià)格的四端單片開關(guān)電源 TinySwitch系列。在這之后，Motorola公司于1999年乂推出 MC33370系列五端單片開關(guān)電源，亦稱高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器(High Voltage PowerSwitching Regulator) o U前，單片開關(guān)電源已形成四大系列、近70種型號的產(chǎn)品。開關(guān)電源的發(fā)展趨勢19亦年美國羅耶(GH -Roger)發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變莊器宜流變換器，是實(shí)現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換控制電路的開端，1957年美國查賽(JenS

8、en發(fā)明了自激式 推挽雙變壓器， 1964年美國科學(xué)家們提出取消，頻變壓器的吊聯(lián)開關(guān)電源的設(shè)想,這對電源向體積和重i的下降獲得了一條根本的途徑。到了1969年由于大功率硅 晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件改善，終于做成了25千赫的開關(guān)電源。目前，開關(guān)電源以小型、輕M和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等兒乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。LI前市場上出售的開關(guān)電源中采用雙極性晶體管制成的100kHz、用MOS-FET制成的500kHz電源，雖已實(shí)用化，但其頻率有待進(jìn)一步提高。要提高開關(guān)頻率，就要減少開關(guān)損耗，而

9、要減少開關(guān)損耗，就需要有高速開關(guān)元器件。然而，開關(guān)速度提高后，會受電路中分布電感和電容或二極管中存儲電荷的影響而產(chǎn)生浪涌或噪聲。這樣，不僅會影響周圍電子設(shè)備，還會大大降低電源本身的可靠性。其中，為防止隨開關(guān)啟-閉所發(fā)生的電壓浪涌，可采用 R-C或L-C緩沖器，而 對III 二極管存儲電荷所致的電流浪涌可采用非品態(tài)等磁芯制成的磁緩沖器。不過，對1MHz以上的高頻，要采用諧振電路，以使開關(guān)上的電壓或通過開關(guān)的電流呈正弦波，這樣既可減少開關(guān)損耗，同時(shí)也可控制浪涌的發(fā)生。這種開關(guān)方式稱為諧振式開關(guān)。U前對這種開關(guān)電源的研究很活躍，因?yàn)椴捎眠@種方式不需要大幅度提高開關(guān)速度就可以在理論上把開關(guān)損耗降到零，

10、而且噪聲也小，可望成為開關(guān)電源高頻化的一種主要方式。當(dāng)前，世界上許多國家都在致力于數(shù)兆 Hz的變換器的實(shí)用 化研究。我們這次畢業(yè)設(shè)訃主要是研究 TOPSwitch-IIff關(guān)電源以及相關(guān)的PCB設(shè)計(jì)制 作，力 圖使電路簡單且易于調(diào)試，盡最大可能的方便用片的使用。在本次設(shè)計(jì)中，我們要掌握電路設(shè)計(jì)的基本方法和步驟，學(xué)會用計(jì)算機(jī)專用軟件(Protel99)繪 制電路原理圖和設(shè)計(jì)制作印制線路板圖，掌握標(biāo)準(zhǔn)化制圖的基本規(guī)則，將理論和實(shí)踐相結(jié)合，提高獨(dú)立分析能力和解決問題的能力，為我們畢業(yè)后走上工作崗位打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。第2章方案論證2.1概述整個(gè)系統(tǒng)以TOPSwitch-II芯片為核心，順序流程連接各

11、個(gè)功能模塊，完成了 將普通市電轉(zhuǎn)化成所需要的穩(wěn)定電流和電壓。2.2系統(tǒng)總體框圖圖2.1圖2.1系統(tǒng)總體框圖取樣比較電路圖2.1是本開關(guān)電源結(jié)構(gòu)框圖，圖中顯示了主要電路模塊，具中開關(guān)占空比 控制電路 是基于TOPSwitch-II型芯片的控制電路。3工作原理1 TOPSwitch-II的結(jié)構(gòu)及工作原理TOPSwitch-II器件為三端隔離反激式脈寬調(diào)制單片開關(guān)電源集成電路，但與其笫一代產(chǎn)品相比，它不僅在性能上有進(jìn)一步改進(jìn)，而且輸出功率有顯著提高,現(xiàn)已成為國際上開發(fā)中、小功率開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。TOPSwitch-II的管教排列圖如圖2. 2所示，它有三種封裝形式。其中 TO-220

12、封裝自帶小散 熱片，屬典型的三端器件本文主要采用此種封裝形式的芯片。此外還有DIP-8封裝和SMD-8封裝，它們都有8個(gè)管腳，但均可簡化成 3個(gè)，兩者區(qū)別 是 DIP-8可配8腳IC插座，SMD-8則為表面貼片，后者不許打孔焊接。(b)圖2.2 TOPSwitch-1 I 的管教排列圖TOPSwitch-II的三個(gè)管腳分別為控制信號輸入端C (CONTROL).主電源輸入端DS1sT sTclZ(DRAIN) 電源公共端S (SOURCE),其中S端也是控制電路的基準(zhǔn)點(diǎn)。它將脈寬調(diào)制S1sT sTclZ S (HV RTN) ZS(HVRTN) T S (HVRTN) So控制系統(tǒng)的全部功能集

13、成到了三端芯片中，TOPSwitch-II的內(nèi) 部框圖如圖2. 3所示。主要包括10部分：控制電壓源；帶隙基準(zhǔn)電壓源；振蕩器；并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器；脈寬調(diào)制器： 門驅(qū)動(dòng)級和輸出級：過電流保護(hù)電路：過熱保護(hù)及上電復(fù)位電路；高壓電流源。圖中 Zc為控制端的動(dòng)態(tài)阻抗，RE是誤差 電壓檢測電阻RA與CA構(gòu)成截止頻率為7kHZ的低通濾波 器。TOPSWitch-II的基本工作原理是利用反饋電流 Ic來調(diào)節(jié)占空比D,達(dá)到穩(wěn)壓LI的。舉例 說明，當(dāng)輸出電壓U。上升時(shí)，經(jīng)過光耦反饋電路使得 Ic上升，從而使 得D下降，U。也隨 之下降，最終使U。不變。TOPSwitch-II器件開關(guān)頻率高，典型值為 100

14、kHz，允許范圍為90-llOkHz,開關(guān)管占空比 山C腳電流以線性比例控制。電路啟動(dòng)時(shí)，山漏極經(jīng)內(nèi)部高壓電流源為C腳提供工作電壓Vc。（實(shí)際電路中C腳外部應(yīng)接入電容，以電容的充電過程控制Vc逐步升高，以完成電路的軟啟動(dòng)過程），其PWM反饋控制回路由Rc、比較 器A1和F1等元件組成，控制極電壓Vc 為控制電路提供電源，同時(shí)也是 PWM反饋控 制回路的偏置電壓，比較器 A2的基準(zhǔn)電壓設(shè) 置為5. 7V,當(dāng)Vc高于5.7V時(shí)，A2輸出 高電平，與此同時(shí)PWM控制電流經(jīng)電阻R與振蕩器 輸出的鋸齒波電流分別輸入 PWM比較器A4的+/-輸入端，這時(shí)因反饋電流較小從A3反向端輸入的鋸齒波信號經(jīng)門電路G

15、3和G4送至RS觸發(fā)器B2的復(fù)位端+在鋸齒波信號和時(shí)鐘信號的共同作用下RS觸發(fā)器的輸出端Q被置為高電平，門極驅(qū)動(dòng)信號 （PWM信號）經(jīng)G6, G7兩次反相，送到開關(guān)管 F2的柵極，開關(guān)管處于開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)電路啟動(dòng)結(jié)束時(shí)Vc升至門限電壓4. 7V, A2輸出高電平驅(qū)動(dòng)電子開關(guān)動(dòng)作，控制電路的供電切換至內(nèi)部電源；正常工作時(shí)TOPSwitch器件通過外圍 電路形成電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)開關(guān)管的占 空比實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。關(guān)臉白動(dòng)求8分劌禍?I1KW門琳動(dòng)椅主控門YI-圖2.3 TOPSwitch-l I的內(nèi)部框圖關(guān)臉白動(dòng)求8分劌禍?I1KW門琳動(dòng)椅主控門YI-圖2.3 TOPSwitch-l I的內(nèi)

16、部框圖MOSIEITOPSwitch器件具有關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路功能，即當(dāng)調(diào)節(jié)失控時(shí)立即使芯片在低占空比下工作，倘若故障已排除就自動(dòng)重啟動(dòng)恢復(fù)正常工作。在自啟動(dòng)階段 （控制極電壓Vc低 于門限電壓5. 7V時(shí)），控制電路處于低功耗的待命狀態(tài)，此時(shí)山于比較器A2的滯回特性，電子開關(guān)頻繁地在高壓電流源和內(nèi)部電源之間進(jìn)行切換，使得Vc值保持在4. 7-5. 7V之間。自啟動(dòng)電路山一個(gè)8分頻訃數(shù)器完成延時(shí)功能，阻止輸出級 M0SFET管F2連續(xù)導(dǎo)通，宜到8個(gè)充/放電周期完全結(jié)束后才能再次導(dǎo)通。TOPSwitch器件通過預(yù)置 Vim值來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。TOPSwitch器件內(nèi)部還設(shè)有過熱保護(hù)電路，當(dāng)芯片結(jié)

17、溫大于135度時(shí)關(guān)斷輸出級（MOSFET），從而實(shí)現(xiàn)過 熱保護(hù)口的。2.3.2單片開關(guān)電源電路基本原理TOPSWitch-II單片開關(guān)電源典型電路如圖 2. 4所示。高頻變壓器在電路中具備能M存儲、隔離輸出和電壓變換著三種功能。山圖可見，高頻變莊器觸及繞組Np的極性（同名端用黑圓點(diǎn)表示），恰好與次級繞組Ns、反饋繞組心的極性相反。這表明在TOPSWitch-II導(dǎo) 通時(shí)，電能就以磁場能M形式儲存在初級繞組中，此時(shí) VD2截【上。當(dāng)TOPSWitch-II截止 時(shí)VD2導(dǎo)通，能M傳輸給次級，刺激反擊是開關(guān)電 源的特點(diǎn)。圖中，BR為整流橋， 為輸入端濾波電容。交流電壓 u經(jīng)過整流濾波 后得到宜流高

18、壓UI,經(jīng)初級繞組加至TOPSWitch-II 的漏極上。鑒于在 TOPSWitch-II關(guān)斷時(shí)刻，III高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓會疊加在宜流高壓UI和感應(yīng)電壓Uor上，可是功率開關(guān)管漏籍電壓超過700V而損壞芯片；為此在初級繞組兩端增加漏極鉗位保護(hù)電路。 鉗位電路山瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管 (VD： i).阻塞二極管(VD1)組成，VD1應(yīng)采用超快二極管(SRD) o VD2為次級整流管，Colt是輸出端濾波電容。口前國際上流行采用配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。反饋繞組電壓經(jīng)過VD3、CF整流濾波后獲得反饋電壓Ufb,經(jīng)光耦合器重的光敬三極管給 TOPSWitch-II的控 制端提供偏壓，Ct是

19、 控制端C的旁路電容。設(shè)穩(wěn)壓管 VDZ2的穩(wěn)定電壓為出2,限流電 阻R1兩端的壓降為UR,光耦 合器中LED發(fā)光一？極管的正向壓降為 UF,輸出電壓UO由下式設(shè)定：Uo=Uz2+Uf+Ur(2. 1)則其穩(wěn)壓原理簡述如下：當(dāng)由于莫種原因致使 U。升高時(shí)，因出2不變，故6隨之升 高，使LED的工作電流If增大，再通過光耦合器使 TOPSWitch-II控制端電 流Ic增大。但 因TOPSWitch-II的輸出占空比D與Ic成反比，故D減小，這就迫使Uo圖2.4單片開關(guān)電源典型電路第3章單片開關(guān)電源的設(shè)計(jì)3.1概述開關(guān)電源因具有重M輕、體積小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在電視電聲、 計(jì) 算機(jī)等許多

20、電子設(shè)備中得到了廣泛的使用。為了進(jìn)一步追求開關(guān)電源的小型化和低成本，人們不斷研制成功一些復(fù)合型單片開關(guān)電源集成電路芯片。如美國電源集成公司(Power Integrations Inc,簡稱PI公司或Power公司)推出的 TOPSwitch-II器件就是其 中的代表。TOPSwitch-II器件集PWM信號控制電路及功 率開關(guān)場效應(yīng)管 (MOSFET)于一體，只要配以少M(fèi)的外圍元器件，就可構(gòu)成一個(gè) 電路結(jié)構(gòu)簡潔、成 本低、性能穩(wěn)定、制作及調(diào)試方便的單端反激式單片開關(guān)電源。3.2單片開關(guān)電源電路參數(shù)的設(shè)定下面將比較詳細(xì)的敘述這些參數(shù)求得過程并完成電子表格。確定開關(guān)電源的基本參數(shù) 交流輸入電壓最

21、小值Uain=85V(2)交流輸入電壓最大值二 265V(3) 電網(wǎng)頻率fL=50Hz開關(guān)頻率f二100kHz輸出電壓Uo二24V輸出功率Po=50W電源效率Q =85% 損耗分配系數(shù)Z： Z代表次級損耗和總損耗的比值。在極端情況下，Z二0表示全部損耗發(fā)生在初級，Z二1則表示全部損耗發(fā)生在次級。在此，我們選取Z二0.口 反饋電路類型及反饋電壓嗚的確定我們可參照表1中的數(shù)據(jù)確定參數(shù)，因?yàn)槲覀儾捎门銽L431的光耦反饋電路，所以UFB的值便一口了然。(3)輸入濾波電容 CIN、宜流輸電壓最小fiUImin的確定由表2可知在通用8外263V輸入時(shí)，C真、Uimin的值都可大概確定，其中，我 們 確定

22、Uhnin的值為90V,而輸入濾波電容的準(zhǔn)確值不能從此表中得出。8輸入濾波電容的容M輸入濾波電容的容M是開關(guān)電源的一個(gè)重要參數(shù)。ClJ宜選的過低，會使UAn的值大大降低，而輸入脈動(dòng)電壓 UR卻升高。但CiH宜取得過高。會增加電容器成本,而且對于提高值和降低脈動(dòng)電壓的效果并不明顯。下面介紹Cl ?準(zhǔn)確值的方法。表1反饋電路的類型及 UFB的參數(shù)值反饋電路類型Un/VUo的準(zhǔn)確度/(%)Sv/(%)Sz/(%)基本反饋電路5.7101.55改進(jìn)型基本反饋電路27.751.52.5配穩(wěn)壓管的光耦反饋電1250.51配TL431的光耦反饋電路1210.20.2表2確定 CIN、 Ulmin值u/VPo

23、/W比例系數(shù)/(u F/W)Czx/uFiwv固定輸入：100/115已知23(23) ?Po值290通用輸入：85265已知23(23) ?Po值290固建輸入：230 35已知1Po值M240我們用以下式子獲得準(zhǔn)確的Ci、？值2Po-在寬范圍電壓輸入時(shí),u.in=85V,取 Ui.in=90V, f L=50Hz, tc=3ms, Po=50W, 0 =85%, 并帶入式(3.1)求出Cix=129. 69 uF,比例系數(shù)CiX/Po=129. 69 n F/50W=2. 6 u F/W,這恰好在(2? 3) u F/W 允許的范圍之內(nèi)。(4)確定、幾的值表3確定UOR UB值10u/V初

24、級感應(yīng)電壓Ik/V鉗位二極管反向擊穿電壓G/V固定輸入：100/1156090通用輸入：85265135200固定輸入：230土 35135200當(dāng)TOPSwitch-II關(guān)斷且次級電路處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，次級電壓會感應(yīng)到初級上。感應(yīng)電壓Uor就與5相疊加后，加至內(nèi)部功率開關(guān)管(MOSFET)的漏極上。與此同 時(shí)，初級漏感也釋放能并在漏極上產(chǎn)生尖峰電壓ULo III于上述不利情況同時(shí) 出現(xiàn)，極易損壞芯片，因此需給初級增加鉗位保護(hù)電路。利用TVS器件來吸收尖 峰電壓的瞬間能使上述三種電壓之和(Ui+Uor+Ul)低于MOSFET的漏-源擊穿 電壓U(BR)DS 值。(5)根據(jù)5和%來確定最大占空比。

25、D遠(yuǎn)的計(jì)算公式為100%nlax jj -u 0R 十 u Im/l u DS (ON)(3.2)已知 Uor二 135V, U 遍 n二 90V,將 Uds? 設(shè)為 10V,一并代入式(3.2)，求得 Dmax=62.79%,這與典型值67%已經(jīng)很接近了。 Dmax隨u的升高而減小。(6)確定初級紋波電流B與初級峰值電流Ip的比值心定義比例系數(shù)Krp = I k/I p(3.3)表4根據(jù)u來確定 KRPu/VKxp最小值(連續(xù)模式)最大值(不連續(xù)模式)固定輸入:100/1150.41.0通用輸入：85、2650.41.0固定輸入：230 350.61.0山表4可確定KRP-O. 4(7)確定

26、初級波形參數(shù)輸入電流的平均值IAVG11p.(3.4)已知 Po=50W, n=85%, U 葩二 90V,求得 Iavgp.(3.4)已知 Po=50W, n=85%, U 葩二 90V,求得 Iavg=0. 65A初級峰值電流IpAVG(1-0.5如化(3. 5)把 Iavg =0. 65A, Krp=0. 4, D 遲二 62 ? 79% 代入式(3.5)得，Ip=1. 29A初級脈動(dòng)電流IR由式(3.3)可得Ir= Krp? Ir=0.4Xl. 29A 二 0. 52A初級有效值電流IRMS(3.6)將 |p=1. 29A, D 運(yùn)二 62.79 除 krp二 0. 4 代入式(3.6

27、)的得,|rms=0. 83A3.3單片開關(guān)電源中電子元器件的選擇3. 3. 1選擇鉗位二極管和阻塞二極管(1)瞬態(tài)電壓抑制器的工作原理瞬態(tài)電壓抑制器亦稱瞬變電莊抑制二極管，其英文縮寫為TVS ( Transient voltageSuppressor)是一種新型過壓保護(hù)器件。山于它的響應(yīng)速度極快、鉗 位電壓穩(wěn)定、體積 小、價(jià)格低，因此可作為各種儀器儀表、自控裝置和家用電器 中的過壓保護(hù)器。還可用來保護(hù)單片開關(guān)電源集成電路、M0S功率器件以及其他 對電壓敬感的半導(dǎo)體器件瞬態(tài)電壓抑制器在承受瞬態(tài)高電壓 (例如浪涌電壓、雷電干擾、尖峰電壓 )時(shí)，能 迅速反向擊穿，山高阻態(tài)變成低阻態(tài)，并把干擾脈沖鉗

28、位于規(guī)定值， 從 而保證電子設(shè)備 或元器件不受損壞。鉗位時(shí)間定義為從零伏達(dá)到反向擊穿電壓最小值所需要的時(shí)間。TVS的鉗位時(shí)間極短，僅Ins,所能承受的瞬態(tài)脈沖峰值電流卻高達(dá)兒十至兒百 Ao具性能要優(yōu)于壓敏電阻器(VSR),且參數(shù)的一致性好。(2)阻塞二極管反向恢復(fù)時(shí)間你反向恢復(fù)時(shí)間t前勺定義是電流通過零點(diǎn)山正向轉(zhuǎn)向反向，再山反向轉(zhuǎn)換到規(guī) 定 低值的時(shí)間間隔。它是衡M高頻整流及續(xù)流器件性能的重要技術(shù)指標(biāo)。反向電 流的波 形如圖3, 2所示。圖3. 2中，IF為正向電流,IRM為最大反向恢復(fù)電流，怯 為反向恢復(fù) 電流，通常規(guī)定Irr=O. lIRMo當(dāng)tWtO時(shí)，iF=IFo當(dāng)ttO時(shí)，由于 整流

29、管上的正向電壓 突然變成反向電壓，因此正向電流迅速減小，在 t二tl時(shí)刻，iF二0。然后整流管上流 過反向電流iR,并且iR逐漸增大；在t二t2時(shí)刻達(dá)到最大 反向電流IRM。此后反向電 流逐漸減小，并且在t二t3時(shí)刻達(dá)到規(guī)定值Ire從t2到t3的反向恢復(fù)過程與電容器放電 過程有相似之處。由tl到t3的時(shí)間間隔即為反向恢復(fù)時(shí)間trLI圖3. 2反向恢復(fù)電流的波形快恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通二極管不同，它是在 P型、N型硅材料中 增 加了基區(qū)I,構(gòu)成PI N硅片。由于基區(qū)很薄，反向恢復(fù)電荷很小，不僅大大 減小了 trr值，還降低了瞬態(tài)正向電壓，使管子能承受很高的反向工作電壓。

30、快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間一般為兒百 ns,正向壓降為0.6? 0. 7V,正向電流是 兒A至兒kA,反向峰值 電壓可達(dá)兒百V至兒昨。超快恢復(fù)二極管則是在快恢復(fù)二極管基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，具反向恢復(fù)電荷進(jìn)一步減小，trr值可低至兒十ns。20A以下的快恢復(fù)二極管及超快恢復(fù)二 極管大多采用T0-220封裝。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，可 分成單管、對管兩種。對管內(nèi)部包含兩 只快恢復(fù)或超快恢復(fù)二極管，根據(jù)兩只二13 極管接法的不同，乂有共陰對管、共陽對管之分。兒十 A的快恢復(fù)、超快恢復(fù)二 極管 一般采用TO-3P金屬殼封裝，更大容M （兒白A至兒kA）的管子則采用螺栓型 或平板 型封裝：役輸出整流管的選取開關(guān)電源的

31、輸出整流管宜采用肖特基二極管，這有利于提高電源效率。典型 產(chǎn)品 有Motorola公司生產(chǎn)的MBR系列肖特基二極管。所選肖特基管必須滿足條件URX2U 183, 3V, Id=8A 6, 24A, Tk二30ns 10ns,電源效率會稍微下降。輸出濾波電容的選取輸出濾波電容C2上的紋波電流很大，在前面已求出 W=2.84A,進(jìn)而求出C2上的功 率損耗P =幾心(3.31)式(3.31)中“為濾波電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)o它表示在電容器的等 效電路中， 與之相串聯(lián)的代表電容器損耗的等效電阻，簡稱串聯(lián)損耗電阻，在此我們將其值取為2. 4 Q ,則可計(jì)算出功率損耗P二19. 36肌輸出紋波電壓由

32、式(3.32)決定幾】二G?冼(3. 32)計(jì)算出U滬17. 14Vo在固定負(fù)載的情況下，通過 C2的交流電流標(biāo)稱值必須滿足下列條件： Z值=(1.52 和(3. 33)即二(1.52) Im= (1. 52) X2. 84AG (4. 26八5. 28)。通過查手冊我們確定選取 Covr二1000 n F/35Vo3.4單片開關(guān)電源保護(hù)電路的設(shè)計(jì)輸出過電壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)這里是用兩只PNP和NPN型晶體管VT1、VT2,來構(gòu)成分立式品閘管(SCR),其三 個(gè)電極分別為陽極 A、陰極K、門極(乂稱控制極)Go反饋電壓UFB經(jīng)穩(wěn)壓管VDZ2 和電阻R1分壓后提供門極電壓 UGo正常情況下UG較低，

33、SCR關(guān)斷。當(dāng)次級出 現(xiàn)過 電壓時(shí)，Uo t -UFB t -UG t ,就觸發(fā)SCR并使之導(dǎo)通，進(jìn)而使控制端電壓 Uc變成低電 平， 將TOPSw讓ch-II關(guān)斷，起到保護(hù)作用。穩(wěn)壓管 VDZ2的穩(wěn)定電壓與VT2的發(fā)射 結(jié)電壓 之和等于(UZ2+UBE2),當(dāng)UFB UZ2+UBE2時(shí)，就進(jìn)行過電壓保護(hù)。15J圖J圖3.7輸出過電壓保護(hù)電路輸入欠電壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)適配光耦合器的輸入欠電壓保護(hù)電路如圖3? 8所示。圖3.8輸入欠電壓保護(hù)電路當(dāng)宜流輸入電壓6低于下限值時(shí)，經(jīng) Rl、R2分壓后使VT的基極對地電壓UBW4V,于是VT和VD4均導(dǎo)通,迫使Uc 5. 7V,立即將TOPSWitch-I

34、I關(guān)斷。設(shè) VT的 發(fā)射結(jié)電壓Ube=O. 65V, VD4導(dǎo)通壓降Ufi二0. 65V,芯片正常工作時(shí) Uc的下限電壓為7Vo 顯然，當(dāng) VT 和 VD4 導(dǎo)通時(shí)，基極電壓 Ub=Uc-Ube-Uff5. 7V-0. 65V-0. 63V 二 4.4V,因此可將Ub二4. 4V作為VT的欠電壓閥值。有公式16(3. 36)欠電壓值 U1二100V,故取R1二lg,再與UB=4.4V一并帶入上式計(jì)算出 R2 =46.0KQO若交流電壓u突然發(fā)生掉電，U1就隨C1的放電而衰減，使 Uo降低， 一 旦U0降到自動(dòng)穩(wěn)壓范圍之外， C4開始放電，同樣可將 TOPSWitch-II關(guān)斷。r尸(3. 37

35、)3.5電磁干擾濾波器的設(shè)計(jì)開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾，按噪聲干擾源種類來分，可分為尖峰干擾和諧波干擾兩 種；若按耦合通路來分，可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種?，F(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明：(1)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間引起的干擾高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時(shí)，山于 PN結(jié)中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時(shí)間里，電流會反向流動(dòng)，致使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化(di/dt)。(2)開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾功率開關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換 器的 輸入電流波形

36、在陽性負(fù)載時(shí)近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分當(dāng)采用零 電流、零電壓開關(guān)時(shí)，這種諧波干擾將會很小。另外，功率開關(guān)管在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會產(chǎn)生尖峰干擾。(3)交流輸入回路產(chǎn)生的干擾無工頻變莊器的開關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復(fù)期間會引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。開關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能通過開關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導(dǎo)干擾；而諧波和寄生振蕩的能通過輸入輸出線傳 播時(shí)， 都會在空間產(chǎn)生電場和磁場。這種通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。(4)其他原因元器件的寄生參數(shù)，開關(guān)電源的原理圖設(shè)計(jì)不夠完美，印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布置，具有

37、很大的隨意性，PCB的近場干擾大，并且印刷板上 器件的安裝、 放置，以及方位的不合理都會造成EMI干擾。開關(guān)電源EMI的特點(diǎn)作為工作于開關(guān)狀態(tài)的能M轉(zhuǎn)換裝置，開關(guān)電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大；干擾源主要集中在功率開關(guān)期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚；開關(guān)頻率不高(從兒十千 赫和數(shù)兆赫茲),主要的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場干擾 ；而印刷線路板(PCB)走線通常采用手 工布線，具有更大的隨意性，這增加了PCB分布參數(shù)的提取和近 場干擾估計(jì)的難度.EMI測試技術(shù)II詢診斷差模共模干擾的三種方法：射頻電流探頭、差模抑制網(wǎng)絡(luò)、噪聲分 離網(wǎng) 絡(luò)。用射

38、頻電流探頭是測M差模共模干擾最簡單的方法，但測M結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)限值比較要經(jīng)過較復(fù)雜的換算。差模抑制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，測M結(jié)果可宜接與標(biāo)準(zhǔn)限值比較，但只能測M共模干擾。噪聲分離網(wǎng)絡(luò)是最理想的方法，但其關(guān)鍵部件變壓器的制造要求很高5. 4抑制干擾的措施抑制開關(guān)電源的噪聲可采取三方面的技術(shù)：一是濾波；二是變莊？器的繞制；三是屏蔽。(1)濾波針對開關(guān)電源主要通過電源線向外傳輸噪聲的特點(diǎn)，采用濾波技術(shù)抑制干擾,可分為：交流側(cè)濾波、宜流側(cè)濾波及其他一些輔助措施。交流側(cè)濾波：開關(guān)電源的交流電源線輸入端插入共模和差模濾波器，防 止 開關(guān)電源的共模和差模噪聲傳遞到電源線中，影響電網(wǎng)中其它用電設(shè)備，同時(shí) 也抑 制來自電網(wǎng)

39、的噪聲。交流側(cè)濾波器如圖3.12中A、B、C、D所示，其中L為 共模扼流圈，圖A、B中的電容器C能濾除串模干擾。圖 C、D抑制電磁干擾的效 果更 佳，圖C中的L、C1和C2用來濾除共模干擾，C3和C4用來濾除串模干擾，R為泄放電阻，可將C3上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性；斷電后18還能使電源的進(jìn)線端L、N不帶電，保證用尸的安全。19但效果要稍差一些。估）忙但效果要稍差一些。估）忙宜流側(cè)濾波：在開關(guān)電源的宜流輸出側(cè)插入如圖 E所示的電源濾波器， 它 由共模扼流圈、扼流圈 L2和電容C1、C2組成。為了防止磁芯在較大的磁場 強(qiáng)度 下飽和而使扼流圈失去作用，扼流圈的磁芯必須采用高頻

40、特性好且飽和磁場強(qiáng)度大的恒p磁芯。其他：C3為安全電容，能濾除初、次級繞組耦合電容引起的干擾。C8和R7并聯(lián)在D7兩端，能防止D7在高頻開關(guān)狀態(tài)下產(chǎn)生自激振蕩（振鈴現(xiàn)象）；止匕外，在二次側(cè)整流濾波器上串聯(lián)磁珠也有一定效果。TOPSwitch-II ill導(dǎo)通變成截止時(shí)，在開關(guān)電源的一次繞組上就會產(chǎn)生尖峰電壓，這是山于脈沖變壓器漏感造成的，通常用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS） D6和超快恢復(fù)二極管（SRD） D5組成的電 路進(jìn)行 鉗位， 也有用 R、C圖3. 12濾波器 電路的,（2）減小脈沖變壓器的漏感及分布電容對于一個(gè)符合絕緣及安全性標(biāo)準(zhǔn)的脈沖變壓器，具漏感M應(yīng)為次級開路時(shí)初場電感M的1 %? 3

41、%。在磁芯結(jié)構(gòu)尺寸、繞線匝數(shù)一定的情況下，線圈的繞組排列是減小漏感的重要因素，如圖 4所示，繞組應(yīng)按同心方式排列，全部用漆包線繞制，留有安全邊距，且在次級繞組與反饋繞組之間加上強(qiáng)化絕緣層。對于多 路輸出的開關(guān)電源，輸出功率最大的那個(gè)次級繞組應(yīng)幕近初級，以增加耦合，減小磁場泄漏。當(dāng)次級匝數(shù)以增加覆蓋面積。在條件允許的情況下，用箔繞 法。很少時(shí)，為了增加與初級的耦合，宜采用多股線平行并 繞方式均勻分布在整個(gè)骨架上， 組作為次級也是增加耦合的一種好辦以增加覆蓋面積。在條件允許的情況下，用箔繞 法。20在開關(guān)電源的，作過程中，繞組的分布電容反復(fù)被充、放電，不僅使電源效 率降 低，它還與繞組的分布電感構(gòu)

42、成 LC振蕩器，會產(chǎn)生振鈴噪聲。初級繞組分 布電容的 影響尤為顯著。為減小分布電容，應(yīng)盡M減小每匝導(dǎo)線的長度，并將初 級繞組的始端 接漏極，利用一部分初級繞組起到屏蔽作用，減小相鄰繞組的分布參數(shù)耦合程度。抑制輻射噪聲的有效方法是屏蔽。 用導(dǎo)電良好的材料對電場屏蔽， 用導(dǎo)磁率 高的 材料對磁場屏蔽。將電路置于屏蔽殼中，屏蔽殼可靠接地或中性線，接縫處 最好焊接， 以保證電磁的連續(xù)性。對于脈沖變壓器內(nèi)部而言的屏蔽， 即在一次側(cè)和二次側(cè)間加屏蔽層， 簡單的 辦法, 用漆包線均勻繞滿骨架一層， 繞組的一端接高壓+V端，另一端浮空。如 圖3.13所示， 減少了一、二次側(cè)的電場的耦合干擾。止匕外，將原邊繞在骨架最里 邊，原邊起始端與 TOPSwitch-II的D端連接也是抑制干擾的有效方法。為防止脈沖變壓器的泄漏磁場對相鄰電路造成干擾， 可把一銅片環(huán)繞在變壓 器外 部，構(gòu)成如圖3.13所示的屏蔽帶。該屏蔽帶相當(dāng)于短路環(huán)，能對泄漏磁場起 到抑制作 用，屏蔽帶應(yīng)與地接通。OPOOCO 匚心 H jOHR000300 occwecAooooooo coooocpooooo ocooooc66: W: c ocOOAX 二 npooooo ocooooc圖3. 13屏蔽安裝意圖21第4章結(jié)語通過本次論文設(shè)訃，我掌握了以 TOPSwitch-II為核心件的單片開關(guān)