低待机功耗ACDC开关电源.doc

Q260046902 专业做论文 I 低待机功耗 AC/DC 开关电源设计 摘要：随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活关系日益 密切，而任何电子设备都离不开可靠的电源。开关电源中核心的部分是控制 IC，由于其具有高集成度、高性价比、最简单外围电路、高效率等优点，所以 得到了广泛应用。本文主要设计了一台新型低待机功耗 AC/DC 开关电源。使 用单端反激变换器电路，用 PWM 信号控制开关管 MOSFET。该电源输入电压 为交流 220V22V，工作频率为 65KHz，输出直流功率为 90W，输出直流电压 为 18V，同时在轻载下提供跳周期模式，具有很低的待机功耗。整个电路具有 过压保护、过流保护等功能。 关键词：开关电源；低待机功耗；PWM Q260046902 专业做论文 II Design of Low Standby Power AC/DC Switching Power Supply Abstract: With the development of electric and electronic technology, the electric and electronic equipments have been used broadly in our work and life. The core of switching power is controlling integrated circuits. Because it has the characteristics of high integration, most cost effective, simple periphery circuit and high efficiency, it is used widely. In this thesis, a new type low-standby AC/DC switching power controller is designed. Single flyback converter circuit, as well as the PWM signal, is used to control the MOSFET. The input voltage of the designed power is AC 220V22V, the operating frequency is 65 KHz, the DC power output is 90W, and the DC voltage output is 18V. Simultaneously, if the power is light loading, jumping cycle pattern will be provided, and the standby power consumption will be very low. In addition, the switching power has function of over-voltage and over-current protection. Key words: Switching power, low power dissipation, PWM Q260046902 专业做论文 III 目 录 第 1 章 绪 论 1 1.1 课题背景、目的及意义1 1.1.1 课题的背景1 1.1.2 课题的目的及意义 2 1.2 论文的主要内容2 第 2 章 电源技术介绍 3 2.1 开关电源3 2.2 线性电源4 2.3 电源控制 IC4 2.4 DC-DC 变换器5 2.5 带变压隔离器6 2.5.1 隔离型单端正激变换器 6 2.5.2 隔离型半桥变换器 7 2.5.3 隔离型全桥变换器 8 2.5.4 隔离型反激变换电路 9 2.7 开关电源控制方式10 2.7.1 电压型控制 11 2.7.2 电流型控制 12 2.8 低待机技术介绍12 2.8.1 降频模式 12 2.8.2 间歇模式 13 第 3 章 电源的设计方案 14 3.1 控制芯片选择14 3.2 芯片引脚介绍14 3.3 整体电路分析15 3.4 电源器件选择及计算16 3.4.1 变压器介绍 16 Q260046902 专业做论文 IV 3.4.2 设计输出能力的确定 16 3.4.3 变压器磁芯选择及计算 17 3.4.4 输出滤波 20 3.4.5 输出整流二极管、开关管 21 3.4.6 缓冲器 21 3.4.7 电流检测电阻选择 22 3.5 过压保护22 3.6 过流保护23 3.7 输出控制24 3.8 输出电压调整25 第 4 章 电源的制作与调试 27 4.1 PCB 图制作27 4.2 实物图以及调试27 结论 29 致谢 30 参考文献 31 附录 33 西南科技大学本科生毕业论文 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景、目的及意义 1.1.1 课题的背景 随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密 切，而任何电子设备都离不开可靠的电源，进入 80 年代计算机电源全面实现了 开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入 90 年代开关电源相继进入各种 电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等 都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展1。在目前世界 能源供应日趋紧张,要求节能的呼声日益高涨。随着经济的发展和科学技术的进步， 节约能源、保护环境已被社会各界所重视。电源是节约能源的重要环节，经过电 力电子和电源技术处理之后的电力供应，节能效果明显。如家用电器的待机损耗， 人们往往不重视，耗电相当惊人。持续降低家用电器的待机功耗是家用电器电源 技术不断追求的目标。家用电器在装备了手感良好的轻触式控制开关、各种摇控 开关和具互联网接入功能后，这些家用电器只要一插上电源插头，即使它们不工 作，也会消耗能量2。现代家用电器这种插上电源插头而不工作的状态，就是所 谓的待机状态，家用电器在待机状态消耗的能量称为待机功耗。 家用电器的待机功耗虽然相对较小，但待机状态是持续的，日积月累，其数 量是不可忽视的。据飞兆半导体公司统计，一台普通电视机每年的待机功耗为 32.94kW，以 2004 年全球销售的电视机统计，如果 2004 年全球销售的每台电视 机都能节省 25.64kW，那么每年大约可节省 4.28TW，足以满足数百万个家庭的 电能需求。为了节约能源，世界各国制定了约束电器待机功耗的法规，全球范围 内倡议待机功耗低于 1W；欧盟提议充电器的待机功耗低于 0.1W，现遵从 IEA0.3W 建议；中国 3C 规范针对绿色电源规定待机功耗应低于 3W。 近年来，电器设备在待机或空载时的功耗问题越来越受到重视。各个国家环 保组织正推动着这方面的发展，他们致力于减少电器设备的损耗和能源浪费。这 包括给电器设备制定标准的计划和预案，例如美国的“能源之星”(Energystar)计划 和德国的“蓝色天使”(Blue Angel)计划，这些计划在世界各地正被采用。一旦符合 标准，生产商可以在其设备上贴上诸如“Blue Angel”和“Energystar”的 标志，表示 西南科技大学本科生毕业论文 2 它们是环保验证的3。目前，我国产品的待机功耗普遍较高，随着我国国际贸易 的进一步加强，待机功耗作为一项非贸易性壁垒，对我国的家用电器等行业的产 品出口将产生压力。 1.1.2 课题的目的及意义 绿色电源是当今电源领域的热点之一。待机功耗小于 1W 是电源设计师追求 的目标4。TV 电源等一些家庭办公装置中的电源采用合适的芯片可实现待机功耗 小于 1W 的目标，并可简化电路、降低成本，提高可靠性，减少开发周期。通过 设计，使工程设计开发能力得到提高，有利于理论和实践相结合，动手能力得到 进一步加强，敢于接受新任务的挑战，勇于创新。 1.2 论文的主要内容 本文的主要工作是设计一台低待机功耗电流模式开关电源，主要技术参数为： （1）输入电压：交流 220V22V；（2）输出直流功率：不低于 50W；（3）输 出路数：1 路；（4）主输出电压偏差：不大于2%；（5）空载输入功率：不高 于 2W。 输入电压通过整流滤波后得到 240V 到 340V 的直流干线，再通过变压器变 压后得到合适的电压。它的待机功耗低，如果开关电源在正常负载条件下具有良 好的效率，当输出功率减小时，其效率开始下降，采用跳过一些不需要的开关周 期的方法，可以大大减小在轻负载时的功率消耗5。通过监视反馈线的情况，控 制电路能检测到出现短路的情况，并立即将输出功率减小，对整个电路进行保护， 一旦短路消失，控制器即恢复正常工作。该电源可以广泛应用于低功耗电子设备 中，可以简化其适配器和辅助电源的设计。 开关电源控制的主要目的就是要保持输出电压一定，而负载电流可以有很大 的变化范围，这就要通过负反馈来达到这个目的。所有的电源，无论线性电源还 是开关电源，都要检测输出电压。 西南科技大学本科生毕业论文 3 第 2 章 电源技术介绍 电源系统有如电子设备血液，源源不断地向电子系统提供能量。正如人体系 统不同部分对营养成分的需求不同，电子系统对电源的要求也不尽相同6。一般 情况下，电源（如市电）要经过转换才能合乎电子系统使用的需要，如 AC/DC 转换器。 2.1 开关电源 由于体积和重量上的问题，在便携式电器日益增多的今天，线性电源的应用 越来越受到限制。一般来说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转 换成另一种电源形式的主电路都叫做开关变换电路。转换时采用自动控制的闭环 电路来稳定输出并有各种保护环节的称为开关电源（Switch Power Supply） 。 开关电源中主要的组成部分有：控制器、功率开关管、变压器和反馈电路。 它的输入部分由桥堆和电容组成，产生的未经调整的直流电压进入到变压器的原 边，然后耦合到变压器的副边，通过在副边的反馈电路，把输出电压（或电流） 的变化反馈到 PWM 控制器上，而 PWM 控制电路根据反馈回来电压（或电流） 值的大小来决定功率 MOSFET 开、关时间的长短，从而将输出电压（或电流） 维持在一个稳定的值上。也就是说，通过快速的开、关功率管，由 MOSFET 开、 关时间的长短即占空比来调整存在变压器原边的能量，提供一个持续的稳定的输 出电压。根据反馈电路的不同，输出精度也不同，一般可达1.5%左右。 虽说开关电源开始对线性电源构成了威胁，但是早期的开关电源除了 PWM 控制器和功率开关管外，还包括大概 40 到 80 个分立元件构成一些辅助电路7。 这不但增加了成本和体积，而且还使可靠性受到了影响，所以从提高开关电源的 竞争力来说，提高控制电路、保护电路的可集成性，使电源系统的设计简单化成 为一个关键的问题。 多年来，由于技术上的障碍（高压、大功率） ，开关电源集成电路在集成化 上一直得不到很大的进步，但是最近几年，大规模和超大规模集成电路技术的迅 猛发展，能将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了 一批全新的全控型功率器件，首先是功率 MOSFET 的问世，导致了中小型功率 电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管（IGBT）的出现，又为大中型功率 西南科技大学本科生毕业论文 4 电源向高频发展带来机遇。因此目前可以通过集成复杂的功能电路来进一步提高 开关电源的性能和安全性。 2.2 线性电源 多年来在 AC/DC 转换器中线性电源被广泛使用，其中的一个原因是由于它 的电路简单，用到的元件少，价格便宜。电路通常由变压器、桥堆和电容组成。 变压器把 220V 的交流电压降到合适的电压，经过四个二极管组成的桥堆得到初 步的直流电源，再经过电容滤波，就是一个简单的线性电源了。但是，这时输出 的电压还没有经过调整，如要获得较好的直流电压，在桥堆后还要加调整电路， 这当然要增加费用8。线性电源的主要问题在于：输出精度低、效率低、散热问 题大以及很难在一个通用的输入电压范围内工作。但最主要的缺陷还是在体积和 重量上。线性电源要达到 50%的效率就不容易了，而这些消耗掉的无用功还带来 散热问题。如果使线性电源在一个通用输入电压范围内（85265Vac）工作，会 导致线性电源的效率更低。而单一输入电压值的线性电源会给生产厂家带来不少 麻烦，因为他们不得不准备很多规格的电源。 通过上面的分析我们可以看到，与线性电源相比，开关电源输出精度高、转 换效率高，性能可靠。除此之外，开关电源最大的优势还在于能够大幅度缩小变 压器的体积和重量，这是因为开关电源的变压器工作于 50kHz 到 1MHz 的高频 条件下，而不是像线性电源中的那样工作于 50Hz 的低频状态，因此缩小了变压 器的体积和重量，而这也就缩小了整个电子系统的体积和重量。理论分析和实践 经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积和重量与供电频率的平方根成 反比。如果把工作频率从工频 50Hz 提高到 20kHz，提高 400 倍，用电设备的体 积和重量可以下降至工频设计的 5%10%，其主要材料可节约 90%或更高，可 节电 30%或更多9。一般说来，开关电源的重量是线性电源 1/4，相应的体积大概 是线性电源的 1/3。因此，开关电源代替线性电源是大势所趋。 2.3 电源控制 IC 在晶体管发明以后，微电子技术对电子系统的发展起到了巨大的推动作用， 尤其是在计算机和信号处理方面的成果更是有目共睹。目前，绝大部分电子系统 中都大量使用了集成电路来减小体积，减轻重量，提高可靠性。同样微电子技术 对电力电子的影响也非常明显，这一点可以从各种功率电子器件和功率集成电路 西南科技大学本科生毕业论文 5 的广泛应用看出，并且这一趋势将一直继续下去。 IC 产品在功率电子中的应用可以简单分为两类。第一类为分立器件，包括 晶闸管、大功率双极型晶体管、DMOS 和现在更常用的 LDMOS、IGBT、MCT 等。这些器件具有功率容量大、能量损耗低、开关速度快等特点，适用于电力电 子装置，得到了大量应用。关于性能更优的分立器件一直是研究的对象，也将进 一步提高整机系统的性能。但这种器件需要采用与集成电路不同的纵向工艺和较 厚的外延层来达到耐压要求。另一类得到广泛应用的产品是功率集成电路 （Power Integrated Circuit，PIC） 。它一般包含低压逻辑部分和高压功率部分，还 设计有必要的各种过热过流等保护电路10。八十年代，新型功率 MOS 器件和以 其为基础的智能功率集成电路（Smart Power IC, SPIC）随着微电子技术的进步而 迅速发展起来。它们融功率半导体、信息电子学、超大规模集成电路、电机学和 计算机辅助设计为一体，成为未来工业自动化、汽车制造业、航空航天技术和其 它高新技术工业的基础产业。特别是 SPIC 在目前微电子走向系统集成的情况下 起着越来越重要的作用，有专家甚至称 SPIC 的发展将会引发第二次电子革命。 2.4 DC-DC 变换器 DC-DC 变换器包括高频功率开关和高频变压器。主要有正激、反激、推挽、 半桥、全桥等拓扑结构。开关变换电路中的功率开关器件在 PWM 信号的控制下 开通关断，将直流电压变换成为高频脉冲电压。功率开关器件包括晶体管、晶闸 管、MOSFET（场效应晶体管） 、IGBT（绝缘栅双极功率晶体管）等11。在中小 功率的开关电源中，开关器件主要采用 MOSFET。 高频变压器将高频脉冲电压变为另一等级的电压，这样，系统的电压调节就 不完全依靠调节开关元件的 PWM 驱动信号，从而可以更方便的得到各种电压等 级的电压，而且，通过变压器可以将输出与输入进行隔离，通过增加副方绕组， 可以很方便的实现多路输出。 高频变压器中的磁芯所采用的软磁性材料，具有较高的磁导率、较低的矫顽 力和较高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就可以 有较高的磁感应强度，因此线圈可以承受较高的外加电压，在输出一定功率要求 下，可以减小磁芯体积；矫顽力低，则磁滞回环面积小，铁耗也小；电阻率高， 则涡流小，铁耗小。 DC-DC 变换器是开关电源的核心，是电能转换的核心。把直流电压变换成另 西南科技大学本科生毕业论文 6 一种直流电压最简单的办法是串联分压，这样不会涉及到变频问题，但是效率非 常低。用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器的负载与直流电压一会相 连，一会断开，则负载上得到另外一个直流电压，这就是 DC-DC 变换的原理。 它主要分为两类，即不带变压隔离器的和带变压隔离器的。不带变压隔离器只完 成变压，带变压隔离器的除了变压以外，还可以输入输出隔离和多路输出等功能。 2.5 带变压隔离器 变压隔离器的作用是提供输入输出之间的隔离、实现输入输出电压比或电流 比及多路电压、电流输出等。带变压隔离器的变换器是从基本变换器派生、组合、 演变而来的。它们从哪种基本变换器演化而来，就带有哪个基本变换器的本质特 征(如电压增益)。所谓派生，是指变压隔离器插入到各基本变换器各不同的点上 而形成的电路12。将变压隔离器与各基本变换器组合可形成很多有特点的电路。 这里仅分析单端正激变换、半桥变换、全桥变换和单端反激变换。 2.5.1 隔离型单端正激变换器 图 2-1 所示为单端正激型变换器的主电路，T 为高频变压器。当开关晶体管 Tr导通时，整流二极管 D1也同时导通，输入电能通过高频变压器 T 和整流二极 管 D1传递递给负载，同时将部分能量储存在输出回路中的储能电感 L 中。当开 关晶体管 Tr截止时，高频变压器原边电压 Up、副边电压 Us均反相，整流二极管 D1因电压反偏而截止。储能电感中的自感电势使续流二极管 D2正偏而导通，继 续给负载供电，此时变压器无能量传递，因而称此电路为正激型变换电路13。单 端正激型变换器中的高频变压器 T 的主要作用是电压变换、功率传递和实现输入 输出之间的隔离，其功能与普通电力变压器的功能相仿。 单端正激型变换器和 Buck 变换器一样，具有电压调整率好、带负载能力强、 输出电压中的纹波小等优点外，还具有以下优点:可方便地实现交流电网和直流输 出端之间的隔离;能方便地实现多路输出。主要缺点是高频变压器仅工作在 B-H 曲线的一侧，因而利用率和效率较低。 西南科技大学本科生毕业论文 7 图图 2-1 单端正激型变换电路单端正激型变换电路 2.5.2 隔离型半桥变换器 半桥变换器的电路如图 2-2 所示，两只容量、耐压都相同的电容器 C1, C2和 两只特性相同的开关晶体管 Tr1, , Tr2组成一个电桥，输入电源电压 Us 于电桥一对 角线的两端点上，而高频变压器的原边绕组则接在电桥另一对角线的两端点上。 由于电容 C1, C2容量和耐压值都相同，所以电容 C1, C2电容器上的电压相等，都 等于输入电源电压的一半，即 Us/2。当开关管 Tr1被驱动导通时，电容 C1两端电 压通过开关管 Tr1;加到高频变压器原边绕组 N1两端。此时，变压器原边绕组 N1 两端和电容 C1、两端电压相等，都等于输入电源电压的一半，其极性为上负下正。 当开关管 Tr1截止、Tr2被驱动导通时，电容 C2两端的电压通过开关管 Tr2加到变 压器原边绕组 N1的两端，使绕组 N1两端电压极性反向，即上正下负，其值也等 于输入电源电压的一半。因此当功率开关管 Tr1,. Tr2轮流导通、截止时，高频变 压器原边绕组 N1两端便产生一幅值为 Us/2 的正负方波脉冲电压，此脉冲电压通 过高频变压器传递到副边，经整流二极管整流、储能电感 L 及电容 C 滤波后向负 载供电。 图图 2-2 隔离半桥型变换电路隔离半桥型变换电路 在图 2-2 中，和开关管 Tr1, Tr2并联的两只二极管 D1, D2称为换向二极管，它 有两个作用： 西南科技大学本科生毕业论文 8 (1)变换器在运行过程中，如果负载突然断开，则变压器漏感和分 布参数形式的自激振荡有可能在开关管的两端产生瞬间过压，使开关管反向击穿 损坏。加入换向二极管后，两电极之间的电压(开关管的反向电压)最大为 0. 7V 左 右(换向二极管的正向导通电压)，这样就防止了开关管因反向导通而损坏。 (2)当开关管刚截止时，换向二极管能将开关管导通时变压器漏感 所储存的能量回送到输入电源，同时还能消除漏感形成的尖峰电压。 图 2-2 所示的隔离型半桥变换电路中，当开关管 Tr1,(或 Tr2)导通时，加于变 压器原边绕组上的电压是电容器 C1(或 C2)两端的电压。在电路中，由于开关管 Tr1和 Tr2的特性不一致，从而引起开关管 Tr1的导通时间比开关管 Tr2的长，则电 容 C1两端的平均电压就会比电容 C2两端的低。故 Tr1导通时，加于变压器原边绕 组两端的电压幅值，就会比 Tr2导通时的要低，从而就能够使加到变压器原边绕 组两端正负方波的伏秒积分始终维持相等。因而此电路具有比较强的抗不平衡 能力。 在实际应用的电路中，通常在高频变压器的原边电路中串入一只大容量的电 容 C3，用来进一步增强电路的抗不平衡能力，防止由于开关管的特性差异而造成 变压器磁芯饱和。 隔离型半桥变换器的主要优点是高频变压器利用率高，在整个周期内都工作， 开关管截止时承受的电压低，仅为一倍的输入电源电压，抗不平衡能力强。 隔离型半桥变换器的主要缺点是输出功率小，变压器原边绕组上施加的方波 幅值只是输入电源电压的一半。 2.5.3 隔离型全桥变换器 将隔离半桥型中的电容 C1，C2也换成开关管，从而把加到高频变压器原边绕 组的方波电压幅值提高到等于输入电源电压 Us，这样改变后的电路称为全桥型变 换器，如图 2-3 所示。 西南科技大学本科生毕业论文 9 图图 2-3 隔离型全桥变换电路隔离型全桥变换电路 在此电路中，桥路相对边上的一对开关管 Tr1、Tr4或 Tr2, Tr3是同时导通和同 时截止的。此电路既保持有隔离半桥型变换器中开关管截止时极间所承受的电压 较推挽型电路低的特点，又具有推挽型电路所具有的输出电压高、输出功率大的 优点14。该电路的缺点是需要用四只开关管，还需要四组彼此隔离的基极驱动电 路，驱动电路比较复杂。 2.5.4 隔离型反激变换电路 Buck-Boost 变换器电路经过演变、组合可得到单端反激变换器电路，如图 2- 4 所示。和单端正激变换器、半桥变换器以及全桥变换器相比，反激变换电路更 适用于本设计。因为它电路简单，只要一个磁元件(既作储能电感 L，又是变压器)、 一个开关管、一个二极管就可以完成输出隔离、降、升压的功能。而且经过实验 证明，采用反激式变换技术的高压直流电源具有良好的自限流特性和自限压特性， 对于过载和短路等异常，能有效保护功率电子器件。所以选择使用单端反激变换 器电路。下面对反激变换电路作详细的分析说明。 图图 2-4 单端反激型变换电路单端反激型变换电路 工作过程分析:Tr导通时，流过电感为 Lp、匝数为 Np的原边烧组的电流为： Ip=Vs*t/Lp, 导通终了时，Ip幅值为:Ipm=Vs*ton/Lp, 由于 Tr关断期间，流过副边绕组 的电流 Is=Ipm=Vo*t/Ls,而 IpmNp=IsmNs,故 Ism=Np*Ipm/Ns式中 Ipm/Ism分别为原副边电 西南科技大学本科生毕业论文 10 流幅值，当 Lp/Ls为常数时，电流 Ip、Is按线性规律上升或下降，由式 Is=Ism- Vo*t/Ls可知，单端反激变换器有三种工作状态。 （1） t=toff=Ls*Ism/Vo时，代入 Is=Ism -t/Ls可得 Is=0, 说明在 T 关断期末了 Is = 0， 在下一个周期，Ip从零开始按 Vs*t/Lp规律上升，这种状态称为临界状态; （2） t=toffLs*Ism/Vo，同理可得 Is0, 说明 T 截止期末 Ip并未衰减到零，这样 T 重新导通时，Ip不是从 0 开始，而将从对应于 Ismin的 Ismin值按 Vs*t/Lp上 升，此状态称为电流连续状态。这种状态容易出现周期结束时，磁通没有 回到周期开始出发点的状态，有可能使磁芯内磁通随周期的重复而逐次增 加，导致磁芯饱和而损坏高压开关管。因此，为了使磁芯不易饱和，一般 使用有较高磁导率的软磁材料的磁芯，或增加磁芯气隙来增大磁芯允许的 磁场强度值，当原边电流达到最大值时磁芯不进入饱和状态。另外可考虑 在开关管截止期间增加“去磁”环节，使 Ipmin不会增加。如考虑变压器原、 副边绕组存在漏感，在开关管关断瞬间，原边漏感乘上电流变化率即为开 关管两端承受的电压尖峰，加之，开关管重新导通时，Is不为零，因此， D 反向恢复电流将引起原边开关管电压尖峰。为了削去这些尖峰，必须加 上钳位电路。 因此，使用于反激变换器中的开关管(功率三极管或 MOS 场效应管)必须按照 关断时的最高集射极间电压(漏源极间电压)和导通时的最大尖峰电流来选择15。 一般在关断时，开关管必须承受的最高电压为： Vmax= （2-1） max 1D Vs 式中 Dmax为最大占空比；Vs为输入至变压器的直流电压。 2.7 开关电源控制方式 开关电源的控制方式，大致有以下三种：脉宽调制方式（Pulse Width Modulation,缩写为 PWM）式、脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,缩写 为 PFM）式、混合调制（PWM 与 PFM）方式。 西南科技大学本科生毕业论文 11 脉宽调制方式：其特点式固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。 因开关周期也是固定的，这就为设计滤波电路提供了方便。其特点是受功率开关 最小导通时间的限制，对输出电源不能做宽范围的调节；另外输出端一般要接假 负载，以防止空载时输出高电压。目前，集成开关电源大多采用 PWM 方式。当 输出外部电压较高时，反馈信号也升高，由于它接入运算放大器的反相输入端， 所以 Vcontrol 电平下降，通过和锯齿波比较后得到开关器件的导通时间 Ton减小， 即 D 减小，输出电流减少，使输出电压降低；同理，当输出电压低于期望值时， 该电路能使开关器件导通时间增加，来使输出电压升高。 脉冲频率调制方式：它是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比 的。在电路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并 利用电压频率转换器（例如压控振荡器 VCO）改变频率。其稳压原理是：当输出 电压 Vo升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小， Vo降低。PFM 式开关电源的输出电压调节范围很宽，输出端可不接假负载。 混合调制方式，使指脉冲宽度与脉冲频率均不固定，彼此都能改变的方式， 它属于 PWM 和 PFM 的混合方式16。由于 Tp和 f 均可调节，因此占空比调节范 围最宽，适合供实验室使用的输出电压可以宽度范围调节的开关电源。 通过对比这几种方式，以及根据实践经验，这里选择用 PWM 调制方式。 2.7.1 电压型控制 电压控制模式是上世纪六十年代后期开关稳压电源刚刚开始发展而采用的一 种控制模式。电压型控制的最显著特点就是误差电压信号被输入到 PWM 比较器， 与振荡器产生的三角波进行比较。电压误差信号升高或降低使输出信号的脉宽增 大或减小。要识别是不是电压控制型 IC，可以先找到 RC 振荡器，然后看产生的 三角波是不是输入到比较器，并与误差电压信号进行比较。 电压型控制 IC 的过电流保护有两种形式，早期的方法是用平均电流反馈。 在这种方法中，输出电流是通过负载上串联一个电阻来检测的，电流信号可以放 大输入到补偿用电流误差放大器中。当电流放大器检测到输出电流接近原先设定 的限制值时，就阻碍电压误差放大器的作用，从而把电流加以限制，以免电流继 续增大。平均电流反馈作为电流保护有一个固有的缺点，就是响应速度很慢。当 输出突然短路，会来不及保护功率开关，而且在磁性元件进入饱和状态时也无法 检测。这些会导致在几个微秒内电流成指数上升而损坏功率开关。 西南科技大学本科生毕业论文 12 第二种过电流保护方法是逐周过电流保护。这种方法可以保证功率开关工作 在最大安全电流范围内。在功率开关管上串联一个电流检测器（电阻或电流互感 器） ，这样就可以检测流过功率开关管的瞬时电流。当这个电流超过原先设定的 瞬时电流限制值时，就关断功率开关管。保护电路要求响应很快，以实现包括磁 心饱和在内引起的各种瞬时过电流情况下对功率开关管进行保护。由于这种电流 保护电路的保护限制值是固定的，而且也不会因其他参数改变而变化，所以不是 一种电流型控制。 电压控制方法的动态响应较慢，引入输入电压前馈控制，可以提高系统的动 态响应速度，取得更好的控制效果。 2.7.2 电流型控制 电流型控制最好用在电流波形的线性坡度很大的拓扑中，如 Boost、Buck- Boost 和反激型电路等拓扑。电流型控制方法是控制流过功率开关管的峰值（有 时是最小）电流的漂移点来实现的，这也等效于磁心的磁通密度的偏移量。从本 质上说，是调节磁心的一些磁参数来实现的。电流型控制最常见的方法是“定时 开通”的方法，有固定频率的振荡器给触发器置位，有快速电流比较器给触发器 复位。触发器状态为“1”时，功率开关管导通。电流比较器的阈值是由电压误 差放大器的输出给定的，如果电压误差放大器显示输出电压太低时，电流门槛值 就增大，使输出到负载的能量增加。反之也一样。电流型控制本身具有过电流保 护功能，快速电流比较器实现对电流的逐周限制17。这种保护也是一种恒功率过 载保护方法。这种保护通过电流和电流反馈来维持供给负载的恒功率，但并不是 在所有产品中用这种方法都是最适合的，特别是在典型的失效会引起失效电流增 大的场合下。此外，电路可以设置其他过载保护方法。 另外一种电流型控制方法叫做电流滞环控制，这种方法对电流峰值和谷值都 进行控制。这种方法用在电流连续模式的变换器中是比较好的。它的结构有点复 杂，但它的响应速度很快。这种方法并不是常用的控制方法，其控制频率也是变 化的。 2.8 低待机技术介绍 低待机模式目前主要有降频模式和间歇模式。 西南科技大学本科生毕业论文 13 2.8.1 降频模式 在正常的负载时，IC 工作在高频，当输出功率下降到某一特定阈值，IC 将 会自动减小开关频率。由于 MOSFET 关断损耗与开关频率成比例，因而频率越 高损耗越高。然而从 SMPS 基本原理可知，在正常工作模式下，需要利用高频来 减小变压器和滤波器等器件的尺寸，根据输出电压变化来改变脉冲宽度，在待机 模式下，负载电流很小，从较高工作频率连续变化到低频。 降频模式的优点是，IC 总是处于激活状态，对整个负载范围输出稳定；若是 负载突然从零增加到满载，或从满载下降到零，IC 能快速反应，输出电压下降或 过冲很小，并且可控；242Vac 输入时，无负载条件下的待机功耗可以到 0.7W（中小功率）。其缺点是，为了避免音频噪声，频率不应低于 20kHz，基于 这个最小开关频率，待机功率不可能更低，也不可能满足 0.3W 的待机功耗需求； 频率降到一定的时候，磁通量变大，变压器可能会饱和。 2.8.2 间歇模式 在间歇模式下，有两个时间区间段。在待机模式下即禁止区间段，MOSFET 不工作，而在正常工作时即此区间段则解除此禁止信号， MOSFET 可以传输功 率。待机模式下，就停止工作，禁止段的时间远大于工作段的时间，因而待机功 耗非常低。优点：用周期突跳的方式，避免了变压器磁饱和，可以把电源的功耗 降到几毫瓦。缺点：由于跳的频率有可能在音频范围内，大功率时有噪音的问题。 西南科技大学本科生毕业论文 14 第 3 章 电源的设计方案 3.1 控制芯片选择 目前各大芯片厂家都推出了大量的低待机绿色节能芯片。如飞利浦半导体推 出最新款节能型 IC-GreenChip2，英飞凌(Infineon)公司推出 TDA16846-2 和 TDA16847-2，通华推出节能芯片 TH101，安森美半导体（ON）推出 NCP1230 和 NCP1231 PWM 控制器系列。 安森美凭借强势的产品系列以及经验丰富的支援和物流系统，已经成为全球 计算机、通信、消费者和工业系统的设计人员的首选电源元件和系统供应商。安 森美半导体会对器件进行一系列可靠性应力测试，测试器件涵盖了所有的产品系 列。采集可靠性数据是安森美半导体可靠性审计项目的一部分, 也是正常产品合 格性试验和重新鉴定程序的一部分。安森美连续 4 年获中国知名电子杂志“2006 年度电源产品奖”，其中就有 NCP 系列的。安森美 NCP1230 电流模式控制器是笔 记本适配器、离线电池充电器和消费电子设备中电源应用的理想选择，满足功率 输入水平高于 75W（中高功率）的电源待机功耗需求。安森美 NCP1230 独立于 辅助绕组的短路保护装置，确保了设计的安全可靠18。该芯片设计出的开关电源 具有成本较低、外围线路简单、体积小、效率及可靠性高，性能优越，而且该芯 片方便购买，故选用 NCP1230。 3.2 芯片引脚介绍 NCP1230 实现标准的电流控制模式体系结构。它的 PFC-Vcc 提供电压给 PFC 控制器或者其他电路。当电源输出是处于正常工作状态，PFC-Vcc 是激活的。 在输出有错误时，PFC-Vcc 关断，PFC 控制器关闭。它增加优越的无负载时内在 的关断 PFC 功能。芯片引脚功能介绍见图 3-1 和表 3-1： 图图 3-1 NCP1230 管脚管脚 西南科技大学本科生毕业论文 15 芯片性能：（1）电流控制模式；（2）无损启动电路；（3）运行于宽电压 输入；（4）直接与 PFC 控制器相连；（5）低待机功耗；（6）过压保护。 表表 3-1 NCP1230 管脚功能管脚功能 引脚 编号 引脚 名称 功能 管脚描述 1GTS给 PFC 控制器提 供偏置电压 GTS 与 PFC-Vcc相连，提供 PFC 的输入电压，控制其工作 状态，在待机模式和有错误情况下，将 PFC-Vcc进行关断 2FB反馈脚 通过将一个光耦合器连到该引脚，可随输出功率的大小反 馈回来一个电压，通过内部比较器来决定是否发生跳周期 3CS电流检测 通过检测 Rs上的电压来检测流过功率管 Q1的电流，若流过 功率管 Q1电流过大，则通过内部比较器及其它控制电路将 Q1关断，起过流保护作用 4GND接地接地 5DRV驱动输出驱动 MOS 管