tl494开关电源毕业设计(12v5a)毕业设计

开关电源设计摘要随着电力电子技术的发展和新型功率元器件的不断出现，开关电源技术得到了飞速的发展，在计算机、通讯、电力、家用电器、航空航天等领域得到广泛应用，取得了显。开关电源是利用现代电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制和场效应管构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。开关电源比普通的线性电源效率高，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。目前世界各国都有广泛的应用，特别是对大容量高频开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域，并派生了很多新的研究方向。本文详细分析了高性能、大功率直流开关电源的工作原理，并提出了主电路和控制电路的详细设计方案。在此基础上，完成了整个系统的硬件电路设计和软件程序的编制，并对电源装置的硬件和软件进行了调试和修改。在分析原理的基础上，本文从三相桥式不控整流、全桥变换器、高频变压器、滤波电路等环节对该系统的主电路进行了阐述，同时探讨了该电源系统实现大功率的解决方案，即采用多个电源模块并联运行。在电压调节环节上，详细分析了基于TL494电源管理芯片。本文研制的直流开关电源具有输出电压可调、输出电流大、纹波小等特点。关键词开关电源，TL494,高频变压器，PWM控制SWITCHINGPOWERSUPPLYDESIGNABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFPOWERELECTRONICTECHNOLOGYANDNEWTYPEPOWERCOMPONENTSAPPEARCONTINUOUSLY,SWITCHINGPOWERSUPPLYTECHNOLOGYOBTAINEDTHERAPIDDEVELOPMENT,THECOMPUTER,COMMUNICATIONS,POWER,HOUSEHOLDAPPLIANCES,AEROSPACEANDOTHERFIELDSAREWIDELYUSED,ANDACHIEVEDSIGNIFICANTRESULTSSWITCHINGPOWERSUPPLYWITHHIGHEFFICIENCY,SMALLVOLUME,LIGHTWEIGHTANDOTHERSIGNIFICANTCHARACTERISTICSSWITCHINGPOWERSUPPLYISTHEUSEOFMODERNELECTRONICTECHNOLOGY,THECONTROLSWITCHTRANSISTORTURNONANDTURNOFFTIMERATIO,TOMAINTAINTHESTABILITYOFTHEOUTPUTVOLTAGEOFAPOWERSUPPLY,SWITCHINGPOWERSUPPLYISUSUALLYCONSISTSOFPULSEWIDTHMODULATIONANDAFIELDEFFECTTUBESWITCHPOWERSUPPLYANDLINEARPOWERSUPPLY,THETWOSCOSTASTHEOUTPUTPOWERINCREASES,BUTTHETWOGROWTHRATEOFDIFFERENTSWITCHINGPOWERSUPPLYTHANORDINARYLINEARPOWERSUPPLYEFFICIENCYISHIGH,THEPOWERSWITCHINTHEDEVELOPMENTANDAPPLICATIONINSAVINGENERGY,SAVINGRESOURCEANDPROTECTENVIRONMENTHASIMPORTANTSIGNIFICANCEATPRESENT,ALLTHECOUNTRIESINTHEWORLDHAVEAWIDERANGEOFAPPLICATIONS,PARTICULARLYFORLARGECAPACITYHIGHFREQUENCYSWITCHINGPOWERSUPPLYRESEARCHANDDEVELOPMENTHAVEBECOMETHEMAINRESEARCHFIELDOFPOWERELECTRONICS,ANDDERIVEALOTOFNEWRESEARCHDIRECTIONTHISPAPERPRESENTSADETAILEDANALYSISOFAHIGHPERFORMANCE,HIGHPOWERDCPOWERSUPPLYANDWORKINGPRINCIPLE,ANDHASPROPOSEDTHEMAINCIRCUITANDCONTROLCIRCUITOFTHEDETAILEDDESIGNSCHEMEONTHISBASIS,THESYSTEMHARDWARECIRCUITDESIGNANDSOFTWAREPROGRAM,ANDTHEPOWERSUPPLYDEVICEHARDWAREANDSOFTWAREDEBUGGINGANDMODIFICATIONBASEDONTHEANALYSISOFTHEPRINCIPLE,THISARTICLEFROMTHETHREEPHASEBRIDGEUNCONTROLLEDRECTIFIER,AFULLBRIDGECONVERTER,AHIGHFREQUENCYTRANSFORMER,FILTERCIRCUITOFTHEMAINCIRCUITOFTHESYSTEMAREDESCRIBED,ANDDISCUSSEDTHEPOWERSUPPLYSYSTEMOFHIGHPOWERSOLUTIONS,THEUSEOFMULTIPLEPOWERSUPPLYMODULESOPERATINGINPARALLELINTHEVOLTAGEREGULATINGLINK,ADETAILEDANALYSISOFTHEPOWERMANAGEMENTCHIPBASEDONTL494THISPAPERDESIGNEDDCSWITCHINGPOWERSUPPLYWITHADJUSTABLEOUTPUTVOLTAGE,OUTPUTCURRENT,RIPPLEISSMALLWAITFORACHARACTERISTICKEYWORDSSWITCHINGPOWERSUPPLY,TL494,HIGHFREQUENCYTRANSFORMER,PWMCONTROL目录开关电源设计I摘要I前言3第一章开关电源基础技术411开关电源概述4111开关电源的工作原理4112开关电源的组成5113开关电源的特点512开关电源的分类613电源电路组成614开关电源典型结构7141串联开关电源结构8142并联开关电源结构815电力场效应晶体管MOSFET916开关电源的技术指标1117开关电源中存在的问题1318开关电源的发展趋势13第二章开关电源元器件的选用1421开关晶体管14211功率开关MOSFET14212绝缘栅双极型晶体管1622软磁铁氧体磁芯17221磁性材料的基本特性17222磁芯的结构与选用1823光电耦合器1824二极管21241开关二极管21242稳压二极管22243快速恢复及超快速恢复二极管2225自动恢复开关2326热敏电阻24主要单元的电路设计26321主要电路部分电路设计26322控制回路单元的设计3231滤波电路3432反馈电路35321电流反馈电路35322电压反馈电路3633电压保护电路3631推挽开关变换电路38311推挽开关变换基本电路38312自激推挽式变换器3932半桥变换电路4233正激变换电路4334DC/DC升压模块设计44第四章双端驱动集成电路TL4944641TL494简介4642TL494的工作原理4743TL494内部电路48431TL494管脚功能及参数4944TL494构成的PWM控制器电路51致谢52参考文献54附录一元器件清单55前言电源是实现电能变换和功率传递的主要设备、在信息时代，农业、能源、交通运输、信息、国防教育等领域的迅猛发展，对电源产业提出了更多、更高的要求，如节能、节电、节材、缩体、减重、环保、可靠、安全等。这就迫使电源工作者在电源研发过程中不断探索，寻求各种相关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。开关电源是一种新型电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高，耗能低，使用方便，并取得了较好的经济效益。电力电子技术的发展,特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展,将开关电源的工作频率提高到相当高的水平,使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务，信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求,从而促进了开关电源技术的发展。随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而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。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。第一章开关电源基础技术11开关电源概述111开关电源的概念及工作原理开关电源的工作原理可以用图11进行说明。图中输入的直流不稳定电压UI经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管。使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压UI变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波就可得到稳定的直流输出电压U0。UISUI0TONU0T0T0BVAU0图11开关电源的工作原理A为原理性电路图，B为波形图为方便分析开关电路，定义脉冲占空比如下11TDON式中T表示开关S的开关重复周期；TON表示开关S在一个开关周期中的导通时间1。开关电源直流输出电压U0与输入电压UI之间有如下关系12DIO由12式可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间TON，即可改变脉冲占空比D，达到调节输出电压的目的。T不变，只改变TON来实现占空比调节的方式叫做脉冲宽度调制PWM。由于PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，所以PWM式开关电源用得较多。若保持TON不变，利用改变开关频率F1/T实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压U0稳压的方法，称做脉冲频率调制PFM方式开关电源。由于开关频率不固定，所以输出滤波电路的设计不易实现最优化。既改变TON，又改变T，实现脉冲占空比的调节的稳压方式称做脉冲调频调宽方式。在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节方式均有应用。112开关电源的特点1效率高开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在8090，高的可达90以上。2重量轻由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，电源的重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小。3稳压范围宽开关电源的交流输入电压在90270V范围变化时，输出电压的变化在2以下。合理设计电路，还可使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。4可靠安全在开关电源中，由于可以方便的设置各种形式的保护电路，所以当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保护功能可靠。5功耗小由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，所以采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性3。12开关电源的分类1按电路的输出稳压控制方式，开关电源可分为脉冲宽度调制PWM式、脉冲频率调制PFM式和脉冲调频调宽式三种。2按开关电源的触发方式分类自激式开关电源，自激式开关电源利用电源电路中的开关晶体管和高频脉冲变压器构成正反馈环路，来完成自激振荡，使开关电源输出直流电压。在显示设备的PWM式开关电源中，自激振荡频率同步于行频脉冲，即使在行扫描电路发生故障时，电源电路仍能维持自激振荡而有直流输出电压。它激式开关电源，它激式开关电源必须有一个振荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。3按其他方式分类按电路的输出取样方式分类，可分为直接输出取样开关电源，间接输出取样开关电源；开关电源按功率开关管的连接方式，可分为单端正激开关电源、单端反激开关电源、半桥开关电源和全桥开关电源；按功率开关管与电源供电、储能电感、稳压电压的输出方式，可分为串联开关电源和并联开关电源。13开关电源典型结构131串联开关电源结构串联开关电源工作原理的方框图如图13所示。功率开关晶体管VT串联在输入与输出之间。正常工作时，功率开关晶体管VT在开关驱动控制脉冲的作用下周期性地在导通、截止之间交替转换，使输入与输出之间周期性的闭合与断开。输入不稳定的直流电压通过功率开关晶体管VT后输出为周期性脉冲电压，再经滤波后，就可得到平滑直流输出电压U0。U0和功率开关晶体管VT的脉冲占空比D有关，见式12。图13串联开关电源原理图输入交流电压或负载电流的变化，会引起输出直流电压的变化，通过输出取样电路将取样电压与基准电压相比较，误差电压通过误差放大器放大，控制脉冲调宽电路的脉冲占空比D，达到稳定直流输出电压U0的目的。132并联开关电源结构并联开关电源工作原理方框图如图14所示，功率开关晶体管VT与输入电压、输出负载并联，输出电压为13DUI10图14为一种输出升压型开关电源，电路中有一个储能电感，适当利用这个储能电感，可将并联开关电源转变为广泛使用的变压器耦合并联开关电源。图14并联开关电源原理图变压器耦合并联开关电源工作框图如图15所示。功率开关晶体管VT与开关变压器初级线圈相串联接在电源供电输入端，功率开关晶体管VT在开关脉冲信号的控制下，周期性地导通与截止，集电极输出的脉冲电压通过变压器耦合在次级得到脉冲电压，这个脉冲电压经整流滤波后得到直流输出电压U0。同样经过取样电路将取样电压与基准电压UE进行比较被误差放大器放大，由误差放大器输出至功率开关晶体管VT，通过控制功率开关晶体管VT的导通、截止达到控制脉冲占空比的目的，从而稳定直流输出电压。由于采用变压器耦合，所以变压器的初、次级侧可以相互隔离，从而使初级侧电路地与次级侧电路地分开，做到次级侧电路地不带电，使用安全。同时由于变压器耦合，可以使用多组次级线圈，在次级得到多组直流输出电压。图15变压器耦合并联开关电源原理图14开关电源的技术指标1输出电压调整率当设计制作开关电源时，第一个测试步骤为将输出电压调整至规格范围内。此步骤完成后才能确保后续的规格能够符合要求。通常当调整输出电压时，将输入交流电压设定为正常值，并且将输出电流设定为正常值或满载电流，然后以数字电压表测量电源供应器的输出电压值并调整其电位器直到电压读值位于要求的范围内。2电源调整率电源调整率的定义为电源供应器于输入电压变化时提供其稳定输出电压的能力。此项测试系用来验证电源供应器在最恶劣之电源电压环境下，如高温条件下，当用电需求量最大时，其电源电压最低；又如低温条件下，用电需求量最小，其电源电压最高。在前述之两个极端下验证电源供应器之输出电源的稳定度是否合乎需求的规格。3测量电压调整率能提供可变电压能力的电源，至少能提供待测电源供应器的最低到最高之输入电压范围。均方根值交流电压表来测量输入电源电压，众多的数字功率计能精确计量V、A、W、PF。测试步骤如下将待测电源设备以正常输入电压及负载状况下热机稳定后，分别在低输入电压VOMIN，正常输入电压VONORMAL，及高输入电压VOMAX下测量并记录其输出电压值。电源调整率通常以一额定负载下，由输入电压变化所造成其输出电压偏差率的百分比，如下列公式所示14ONORMALVIX电压调整率也可用表示为，在输入电压变化下，其输出电压偏差量须在规定之上下限范围内，即输出电压上下限绝对值以内。4负载调整率负载调整率的定义为开关电源的输出负载电流变化时，提供其稳定输出电压的能力。此项测试系用来验证电源在最恶劣负载环境下，如在负载断开，用电需求量最小，其负载电流最低的条件下，以及在负载最多，用电需求量最大，其负载电流最高的两个极端下验证电源的输出电源稳定度是否合乎需求的规格。所需的设备和连接与电源调整率相似，唯一不同的是需要精密的电流表与待测电源供应器的输出串联。测试步骤如下将待测电源供应器以正常输入电压及负载状况下热机稳定后，测量正常负载下之输出电压值，再分别在轻载、重载负载下，测量并记录其输出电压值，负载调整率通常以正常之固定输入电压下，由负载电流变化所造成其输出电压偏差率的百分比表示。当输出负载电流变化时，其输出电压之偏差量须在规定之上下限电压范围内，即输出电压之上下限绝对值以内。5综合调整率综合调整率的定义为电源供应器在输入电压与输出负载电流变化时，提供其稳定输出电压的能力。这是电源调整率与负载调整率的综合，此项测试是上述电源调整率与负载调整率的综合，可提供对电源供应器於改变输入电压与负载状况下更正确的性能验证。综合调整率用下列方式表示当输入电压与输出负载电流变化时，其输出电压的偏差量须在规定之上下限电压范围内即输出电压之上下限绝对值以内或某一百分比界限内。6输出噪声输出噪声PARD是指在输入电压与输出负载电流均不变的情况下，其平均直流输出电压上的周期性与随机性偏差量的电压值。输出噪声是表示在经过稳压及滤波后的直流输出电压含有不需要的交流和噪声部份，包含低频50/60HZ电源倍频信号、高于20KHZ高频切换信号及其谐波，再与其他随机性信号所组成等，通常以MVPP峰对峰值电压为单位来表示。一般的开关电源的指标以输出直流电压的1以内为输出噪声规格，其频宽为20HZ到20MHZ，或其它更高的频率如100MHZ等。开关电源实际工作时最恶劣的状况如输出负载电流最大、输入电源电压最低等，要求电源设备在恶劣环境状况下，其输出直流电压加上干扰信号后的输出瞬时电压，仍能够维持稳定的输出电压不超过输出高低电压界限。否则将可能会导致电源电压超过或低于逻辑电路如TTL电路所承受电源电压而误动作，进一步造成死机现象。例如5V输出电源，其输出噪声要求为50MV以内。此时包含电源调整率、负载调整率、动态负载等其他所有变动，其输出瞬时电压应介于475V至525V之间，才不致引起TTL逻辑电路之误动作。在测量输出噪声时，电子负载的PARD必须比待测的电源供应器的PARD值为低，才不会影响输出噪声测量。同时测量电路必须有良好的隔离处理及阻抗匹配，为避免导线上产生不必要的干扰、振铃和驻波，一般都采用在双同轴电缆的端点并以50电阻，并使用差动式量测方法以避免地回路噪声电流，以获得准确的测量结果。15开关电源中存在的问题客观上讲，开关电源的发展是非常快的，这时因为它具有其他电源所无法比拟的优势。材料之新、用途之广，是它快速发展的主要动力。但是，它离人们的要求、应用的价值还差得很远，体积、重量、效率、抗干扰能力、电磁兼容性以及使用的安全性都不能说是十分完美。目前要解决的问题有1器件问题。电源控制集成度不高，这就影响了电源的稳定性和可靠性，同时对电源的体积和效率来说也是一个大问题。2材料问题。开关电源使用的磁芯、电解电容及整流二极管灯都很笨重，也是耗能的主要根源。3能源变换问题。按照习惯，变换有这样几种形式AC/DC变换、DC/AC变换以及DC/DC变换等。实现这些变换都是以频率为基础，以改变电压为目的，工艺复杂，控制难度大，始终难以形成大规模生产。4软件问题。开关电源的软件开发目前只是刚刚起步，例如软开关，虽然它的损耗低，但难以实现高频化和小型化。要做到“软开关”并实行程序化，更是有一定的困难。要真正做到功率转换、功率因数改善、全程自动检测控制实现软件操作，目前还存在很大的差距。5生产工艺问题。往往在试验室中能达到相关的技术标准，但在生产上会出现各种问题。这些问题大多是焊接问题和元器件技术性能问题，还有生产工艺上的检测、老化、粘结、环境等方面的因素。16开关电源的发展趋势未来的开关电源像一只茶杯的盖子它的工作频高达210MHZ，效率达到95，功率密度为36W/CM2，功率因数高达099，长期使用完好，寿命在80000H以上。这就是开关电源的发展趋势。所谓高标准就是对未来开关电源的挑战第一，能不能全面通容电磁兼容性的各项技术标准；第二，在企业里能不能大规模地、稳定地生产，或快捷地进行单项生产；第三，按照人们的需要，能不能组装或拼装大容量、高效率的电源；第四，能否使新的开关电源具有比运行中的电气额定值更高的功率因数、更低的输出电压（13V）、更大的输出电流（数百安）；第五，能不能实现更小的电源模块。第二章开关电源元器件的选用21开关晶体管无论那一种变换器，用的是那一种结构形式的开关电源，所使用的元器件都是开关晶体管、电阻、电容、电感及磁性材料等。选用好元器件，是决定开关电源质量的关键。往往设计的开关电源在试验室中式成功的，一到生产线上进行规模生产时，就会出现各种问题。当然，有设计方面的，有工艺方面的，还有焊接方面的，但多数是元器件选用问题。元器件本身质量的差异是影响开关电源质量的一个重要原因。211功率开关MOSFETMOSFET分P沟道耗尽型、P沟道增强型、N沟道耗尽型和N沟道增强型4种类型。增强型MOSFET具有应用方便的“常闭”特性（即驱动信号为零时，输出电流等于零）。在开关电源中，用作开关功率管的MOSFET几乎全部都是N沟道增强型器件。这时因为MOSFET是一种依靠多数载流子工作的单极型器件，不存在二次击穿和少数载流子的储存时间问题，所以具有较大的安全工作区、良好的散热稳定性和非常快的开关速度。MOSFET在大功率开关电源中用作开关，比双极型功率晶体管具有明显的优势。所有类型的有源功率因数校正器都是为驱动功率MOSFET而设计的，所以说，用作开关的MOSFET是任何双极型功率晶体管所不能替代的4。1MOSFET的主要特点MOSFET是一种依靠多数载流子工作的典型场控制器件。由于它没有少数载流子的存储效应，所以它适用于100200MHZ的高频场合，从而可以采用小型化和超小型化的磁性元件和电容器。MOSFET具有负的电流温度系数，可以避免热不稳定性和二次击穿，适合在大功率和大电流条件下应用。MOSFET从驱动模式上来分，属于电压控制器件，驱动电路设计比较简单，驱动功率甚微，在启动或稳定工作条件下的峰值电流要比采用双极型功率晶体管小得多。MOSFET中大多数集成有阻尼二极管，而双极型功率晶体管中大多没有内装阻尼二极管。MOSFET对系数的可靠性与安全性的影响并不像双极型晶体管那样重要。MOSFET的主要缺点是导通电阻（RDSON）较大，而且具有正温度系数，用在大电流开关状态时，导通损耗较大，开启门限电压VGSTH较高（一般为24V），要求驱动变压器绕组的匝数比采用双极型晶体管多1倍以上。2MOSFET的驱动电路MOSFET的驱动电路如图21和图22所示。TRDW1DW2VTGDS图21加速TR关断驱动电路在图21中，NS为脉冲变压器次级驱动绕组，R是MOSFET的栅极限流电阻。齐纳二极管DW1，DW2反向串接在一起，用于对VT的栅漏极进行钳位，放置驱动电压VGS过高而使VT几串。R的阻值一般为60200。尽管MOSFET的输入阻抗很高，但仍会产生充电电流。R值小，则开关速度高，只要栅极的驱动电压一撤销，就会立刻截止。TR1100VT1GDSMTD5N25E25TNSR21KIDVDVT2BC557图22功率驱动电路图22所示是加速漏极电流跌落时间、有利于零功率控制的电路。当MOSFET的栅极驱动电压突然降到门限电压时，MOSFET由导通突变为截止，三极管BC557加速了ID的跌落，为MOSFET起到加速作用。212绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种大电流密度、高电压激励的场控制器件，是高压、高速新型大功率器件。它的耐压能力为6001800V，电流容量为100400A，关断时间低至02S，在开关电源中作功率开关用，具有MOSFET与之不可比拟的优点。IGBT的主要特点是电流密度大，是MOSFET的10倍以上。输入阻抗高，栅极驱动功率小，驱动电路简单。低导通电阻。IGBT的导通电阻只有MOSFET的10。击穿电压高，安全工作区大，在受到较大瞬态功率冲击时不会损坏。开关速度快，关断时间短。耐压为1KV的IGBT的关断时间为12S，600V的产品的关断时间仅为02S。上述这些特征克服了MOSFET的一些缺陷，即在大功率、高电压、大电流条件下工作时导通电阻大、器件发热严重、输出功率下降、电源效率低下的弊病。有关MOSFET和IGBT的图形符号见图23和图24。G门极D漏极S源极图23MOSFET的图形符号C集电极G栅极E发射极G栅极CD集电极漏极）ES发射极源极图24IGBT的图形符号22软磁铁氧体磁芯软磁铁氧体材料常用在高频变压器、电感整流器、脉冲变压器以及PFC中的升压电感等电路中，在开关电源中时一种非常重要的元件。但是，我们不能十分有把握地掌握磁性材料的特性，以及这种特性与温度、频率、气隙等的依赖性和不易测量性。在选择铁氧体时，它不像电子元件那样可以测量，它的具体的参数、特性曲线在显示测量仪器上也不时一目了然。由于高频变压器、电感器所涉及的参数太多，例如电压、电流、温度、频率、电感量、变比、漏感、磁性材料参数、铜损、铁损、交流磁场强度、交流磁感应强度、真空导磁率等十几种参量。设计开发人员对高频变压器的设计制作，时开关电源设计制作的头等重要任务。铁氧体受到的影响因素多、元器件选用以及电路板上元器件的布置和走线的方式等对此都有影响。对于一个产品，我们不看它的电路布置如何漂亮，而是要看各元器件布局是否合理，铁氧体磁芯的颜色、线圈的屏蔽是否合适，散热处理是否得当等等。221磁性材料的基本特性1磁场强度（H）与磁感应强度（B）。磁场强度时表示磁场强弱与方向的一个物理量，用安/米（A/M）表示。磁感应强度是指磁场作用于磁性物质上的作用力的大小，用（GS）表示。温度越高，磁感应强度越低。2居里温度TC。磁芯的磁状态由铁磁性转变成顺磁性时，在T曲线上，80MAX与20MAX的连线跟导磁率等于1的直线的交点相对应的温度称为居里温度。温度越高，出事导磁率也越高，当超过130时，初始导磁率为零。3初始导磁率I。磁性材料的磁化曲线始端磁导率的极限值称为初始导磁率。4剩余磁感应强度BR。磁芯从饱和状态除去磁场后剩余的磁感应强度称为剩余磁感应强度。5矫顽力HC。磁芯从饱和状态除去磁场后继续反向磁化，直到磁感应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力（保磁力）。选用磁性材料时，要选用可饱和的磁性材料。这种材料具有良好的开关特性，可产生优良的振荡波形，并要求磁芯具有祭祀举行的磁滞回线。这样的磁性材料的磁滞回线可使线圈中的电流波形前后沿陡峭，能很好地传递各种波形电信号。如果磁芯的S矩形曲线在B方向上被压扁，将会严重影响变压器的振荡波形，导致开关晶体管温升加剧。222磁芯的结构与选用磁芯的使用一定要在一定的居里温度以内，这时选择磁芯材料首先要考虑的问题。其次还要注意磁芯的结构、脆度、硬度、稳定性、导磁率及磁感应强度。在设计时，工作频率和噪声干扰应十分注意。在强磁场力作用下，磁性材料会收缩或膨胀，很可能出现磁共振，所以把磁芯变压器装在印制电路板上时要注意切实粘结牢固，防止出现机械噪声和电磁噪声。一下是一些主要磁芯结构的说明。1POT是罐形磁芯，铜线绕在磁芯内面，此贴包围线圈。它的优点是导磁感应好，传递电能佳，可大量减少EMI；它的缺点是散热效果极差，温升很高，只能用在小功率开关电源上。2PM时R形磁芯，结构紧凑，体积小，但电能耦合不是很好，散热性能也不是很好。3RM、X形磁芯的磁耦合能力和散热效果都很好，适合用在100W以上的大中功率电源上。其缺点是所占空间大，放置困难。4EC磁芯是在开关电源上常用的一种磁芯，磁芯截面积大，散热效果好，常用在100150W的开关电源上。其缺点是窗口面积比较小，对变压器的匝数要有限制。5EE磁芯是一种常用磁芯，对于中小功率的变压器来说很适合。磁芯面积的大小将决定开关电源的功率。一般来说，磁芯面积越大，输出功率也越大。23光电耦合器光电耦合器（OPTICALCOUPLER，OC）也叫光电隔离器（OPTICALISOLATIONG，OI），简称光耦。它时一种以红外光进行信号传递的器件，由两部分组成一是发光体，实际上时一只发光二极管，受输入电流的控制，发出不同强度的红外光；另一部分时受光器，受光器接受光照以后，产生光电流并从输出端输出。它的光电反应也是随着光的强弱改变而变化的。这就实现了“电光电”功能转换，也就是隔离信号传递。光电耦合器的主要优点是单向信号传输，输入端和输出端完全实现了隔离，不受其他任何电气干扰和电磁干扰，具有很强的抗干扰能力。因为它时一种发光体，而且用低电平的电源供电，所以它的使用寿命长，传输效率高，而且体积小，可广泛用于级间耦合、信号传输、电气隔离、电路开关以及电平转换等5。在仪器仪表、通信设备及各种电路接口中都应用到了光电耦合器。在开关电源电路中利用光电耦合器构成反馈电路，通过光电耦合器来调整、控制输出电压，达到稳定输出电压的目的；通过光电耦合器进行脉冲转换。图26光电耦合器及其典型用法实际上，光电耦合器有晶体管、达林顿、可控硅、磁效应管等多种输出形式。通常的光电耦合器由于它的非线性，因此在模拟电路中的应用只限于对较高频率的小信号的隔离传送。普通光耦合器只能传输数字（开关）信号，不适合传输模拟信号。近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓宽。1光耦合器的性能特点及其抗干扰作用光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器SSR、仪器仪表、通信设备及微机接口中。由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光。光电耦合器的外壳是密封的，它不受外部光的影响。光电耦合器的隔离电阻很大、隔离电容很小（约几个PF），所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。线性方式工作的光电耦合器是在光电耦合器的输入端加控制电压，在输出端会成比例地产生一个用于进一步控制下一级的电路的电压。它由发光二极管和光敏三极管组成，当发光二极管接通而发光，光敏三级管导通。光电耦合器是电流驱动型，需要一定的电流才能使发光二极管导通，如果输入信号太小，发光二极管不会导通，其输出信号将失真。在开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。在开关电源中我们是采用电压环进行闭环调节实现输出电压的稳定输出的，光电耦合器作为输入采样、反馈信号、输出驱动的隔离器件。一方面光电耦合器可以起到隔离两个系统地线的作用，使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响。另一方面，光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路的传送形式，电流环路是低阻抗电路，对噪音的敏感度低，提高了系统的抗干扰能力，起到了电磁兼容和隔离抗干扰的作用，不会因为电路中的高频电流的电磁干扰对控制电路产生干扰。2光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降、正向电流、电流传输比CTR、输入级与输FVFI出级之间的绝缘电阻、集电极发射极反向击穿电压、集电极发射极饱和BRCEOV压降。此外，在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间CESATV等参数。电流传输比CTR是光耦合器的重要参数，通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流与直流输入电流IF的百分比。其CI公式为OF/10TRI（21）采用一只光敏三极管的光耦合器，CTR的范围大多为20300（如4N35），而PC817则为80160，达林顿型光耦合器（如4N30）可达1005000。这表明欲获得同样的输出电流，后者只需较小的输入电流。因此，CTR参数与晶体管的HFE有某种相似之处。普通光耦合器的特性曲线呈非线性，在较小时的非线性失真尤为FCTRIFI严重，因此它不适合传输模拟信号。线性光耦合器的特性曲线具有良好CTR的线性度，特别是在传输小信号时，其交流电流传输比很接/IF近于直流电流传输比CTR值。因此，它适合传输模拟电压或电流信号，能使输出与输入之间呈线性关系。这是其重要特性。3线性光耦合器的产品及选取原则使用光电耦合器主要是为了提供输入电路和输出电路间的隔离，在设计电路时，必须遵循下列原则所选用的光电耦合器件必须符合国内和国际的有关隔离击穿电压的标准；由英国埃索柯姆ISOCOM公司、美国摩托罗拉公司生产的4N系列如4N25、4N26、4N35光耦合器，目前在国内应用地十分普遍。鉴于此类光耦合器呈现开关特性，其线性度差，适宜传输数字信号高、低电平，可以用于单片机的输出隔离；所选用的光耦器件必须具有较高的耦合系数。开关电源则应该选择线性光电耦合器，上表给出了常见的线性光电耦合器及主要数据。其次，必须正确选择线性光耦合器的型号及参数。再次，除了必须遵循普通光耦的选取原则外，还必须考虑合理选择CTR值。光耦合器的电流传输比CTR的允许范围是50200。这是因为当CTR50时，光耦中的LED就需要较大的工作电流IF50MA，才能正常控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗。若CTR200，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出。24二极管二极管在电子电路中用得较多，功能各异。从结构上来分，有点接触型和面接触型二极管。面接触型二极管的工作电流比较大，发热比较厉害，它的最高工作温度不允许超过100。按照功能来分，有快速恢复及超快速恢复二极管，有整流二极管、稳压二极管及开关二极管等。以下介绍几种二极管的特点及检测方法。241开关二极管开关管用在高速运行的电子电路中，起信号传输作用，在模拟电路中起作钳位抑制作用。高速开关硅二极管是高频开关电源中的一个主要器件，这种二极管具有良好的高频开关特性。它的反向恢复时间TRR只有几纳秒，而且体积小，价格低。在开关电源的过压保护、反馈控制系统中常用到硅二极管，如1N4148、1N4448。硅二极管的主要技术指标是1最高反向工作电压VRM和反向击穿电压VBR这两个参数越大越好。2最大管压降VFM小于08V。3最大工作电流ID大于150MA。4反向恢复时间TRR小于10NS。242稳压二极管稳压二极管又叫齐纳二极管（ZENERDIOD），具有单向导电性，它工作在电压反向击穿状态。当反向电压达到并超过稳定电压时，反向电流突然增大，而二极管两端的电压恒定，这就叫做稳压。它在电子电路中用作过压保护、电平转换，也可用来提供基准电压。1稳压二极管的分类稳压二极管分低压和高压两种。稳压值低于40V的叫做低压稳压二极管；高于200V的叫做高压稳压二极管。现在市面上从24V到200V，各种型号规格齐全。稳压管的直径一般只有2MM，长度为4MM。它的稳压性能好，体积小，价格便宜。稳压二极管从材料上分为N型和P型两种。选用稳压二极管的原则是第一，注意稳定电压的标称值；第二，注意电压的温度系数。2稳压二极管的用途稳压二极管具有以下几个作用第一，对漏极和源极经行钳位保护；第二，起到加速开关管导通的作用；第三，在开关电源中常用高压稳压二极管代替瞬态电压抑制器TVS对初级回路产生的尖峰电压进行钳位；第四，在晶体管反馈回路中，常常在晶体管的发射极串联一只稳压管作电压负反馈，提高放大电路的稳定性。3稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数如下稳定电压VZ。设计人员根据需要选用。稳定电流IE。温度系数。温度越高，稳压误差越大。T243快速恢复及超快速恢复二极管快速恢复二极管（FASTRECOVERYDIOD）和超快速恢复二极管（SUPERFASTRECOVERYDIOD，SRD）时很多电子设备中常用的器件，在开关电源中也经常用到。这两种二极管具有开关特性好、耐压高、正向电流大、体积小等优点，在电子镇流器、不间断电源、变频电源、高频微波炉等设备中常用在整流、续流、限流等电路中。1超快速恢复二极管的性能特点反向恢复时间TRR通过二极管的电流由零点正向转反向后，再由反向转换到规定值的时间。平均整流电流ID这时选用二极管的又一个主要指标。一般来说，选用管子的整流电流时设计输出电流的3倍以上。恢复和快速恢复二极管有3种结构，即单管、共阴对管和共阳对管。所谓共阴、共阳是指两只二极管接法不同。2检测方法及选用原则检测方法利用万用表的电阻档或数字万用表的二极管检测档，能够检查二极管的单向导电性，并测出正向导通压降；用兆欧表能测出反向击穿电压。一般正向电阻为6，反向电阻为无穷大，可从读出的负载电压计算出正向导通压降。选用原则超快速恢复二极管在开关电源中可作为阻塞二极管和次级输出电压的整流管。超快速恢复二极管的反向恢复时间在2050NS之间；整流电流ID为最大输出电流IOM的3倍以上，即ID3IOM；最高反向工作电压VRM为最大反向峰值电压VBRS的2倍以上，即VRM2VBRS。25自动恢复开关自动恢复开关（RESETTABLESWITHING，RS）又叫自动恢复保险丝，它是一种过流保护器件。当电路发生短路或用电电流超过极限值时，它起保护作用。它具有开关特性好、使用安全、不需维护、自动恢复、可反复使用等特点。251工作原理自动恢复开关是由高分子晶状聚合物和导电链构成的，它将聚合物紧密束缚在导电链上，在常态下它的电阻值非常低，只有02，工作电流通过开关时功耗也很小，它所产生的热量很少，不改变聚合物内部的晶状结构。当电路电流超过最大设计值或发生短路故障时，电流增加，导电链产生的热量时聚合物从晶状体状态变为非晶状体状态，立即将电路电流切断，对电路起到保护作用。当故障排除以后，它又能很快恢复到低电阻状态。这种可持续性的转换器件能反复使用而不损坏。自动恢复开关可在家用电器、计算机通信设备以及开关电源上用作过流保护。通常，将自动恢复开关串接在低压直流输出端，此时交流输入端的保险管可省去。这里应特别注意自动恢复开关只能进行低压过流保护，而不能接在220V或110V交流电压上，否则将使开关烧坏。日光灯短路或漏气时，镇流器的工作电流是正常工作电流的3倍以上，这时只要在镇流器的输出端与灯之间的电路上串接一只自动恢复开关，就能非常有效地进行过流保护，提高电子镇流器的可靠性。2检测方法电阻检查用数字万用表的电阻档直接测量它的直流电阻，电阻值越小，自动恢复开关的容量越大。过流后自动恢复能力的检查在直流稳压电源输出端，将自动恢复开关与电流表串联，要求稳压电源的输出电流必须大于自动恢复开关的电流容量IH。稳压电源的输出电压从零开始逐渐升高，这时注意电流表的电流读数也在不断增加。当稳压电源的输出电流接近或超过自动恢复开关的电流容量时，电流表上的电流读数突然减小，此时自动恢复开关已进入高阻状态。关断电源后，稳压电源的输出电压又从零点几伏开始上升。观察电流表，如果一段时间后电流表上的电流读数升到一定值，这段时间就是自动恢复开关的自动恢复时间。26热敏电阻热敏电阻时有锰钴镍的氧化物烧结成的半导体陶瓷制成的，具有负温度系数，随着温度的升高，其电阻值降低。热敏电阻的主要参数有1RT0零功率电阻值，表示室温为25时的电阻值。2零功率电阻系数，表示零功率下温度每变化1所引起电阻值的相T对变化率（/）。3耗散系数，指热敏电阻的温度每变化1所消耗功率的相对变化量（MW/）。热敏电阻在开关电源中起过温度保护和软启动的作用。过温保护时将热敏电阻并接在输入电路中。刚启动时，温度低，电阻值高，相当于开路。如果电路输入电压超高，热敏电阻就会发热，其电阻值降低，对输入电流分流。当发热越过极限值时，整流后的输出电压降低，开关电源高频振荡停振，或是由于热敏电阻阻值降低后，将电路保险丝烧断，电路与供电电源断开，起到热保护作用。所谓软启动是指电源刚通电时，因滤波电容C的电压不能突变，容抗趋于零，瞬时对电容充电的电流很大，容易损坏电解电容。为了解决这一问题，一般是在电路中串接几欧姆的电阻，在启动瞬间对电流加以限制。但是，由于电阻功耗上升，电源效率下降。如果将电阻换为热敏电阻，就可解决这一问题。电路刚通电时，热敏电阻的温度低，阻值很大，瞬时能对充电电流加以限制。随着电流通过发出热量，热敏电阻的阻值迅速减小，启动成功，功耗降低。这就是热敏电阻对软启动的作用。第三章主要开关变换电路主要单元的电路设计321主要电路部分电路设计（1）EMI滤波器及桥式整流电路饿的设计交流电压由C1、L1、C2以及C3、C4进行低通滤波。C1、C2组成抗干扰电路，用以仰制正态噪声；C3、C4、L1组成抗共模干扰电路，用于仰制共态噪声干扰。它们的组合应用对电磁干扰有很强的衰减旁路作用。滤波后的交流电压经VD1至VD4桥式整流以及电解电容C5滤波后变成310V的脉动直流电压。图31滤波及整流电路（2）高频变压器的设计正激式变换器的占空比不得大于05，工作频率应低于100KHZ，这对高频变压器的和开关功率管来说比较有利。输入85V265V，AC,50HZ。输出12V/10A，DC。工作频率的确定工作频率的确定，输出电压高，响应速度快，调整范围大，但是场效应管、整流二极管以及变压器等发热多。损耗大，噪声大。现选用100KHZ，电源效率取80。工作周期为）（）（US10S10FO53T最大导通时间TON（MAX）的确定正激式变压器的占空比D（MAX）应该低于05，现选用D（MAX）045，D（MIN）02，得）（US5401ONMAXDT变压器次级输出电压（VS）的计算29450612MAXVVVLFOS这公式中VO为肖特基二极管的正向压降，取值06V，VL为滤波电感器的压降，取值为04V。变压器匝数比（N）的计算变压器初级的最低直流电压为，一般设。MINPVV10MIN1420MINIP1429INPSV输入功率的计算15082WOI表1输出功率与磁芯尺寸的关系输出功率PO（W）尺寸磁芯型号A/H（MAX）B/H（MAX）C（MAX）D（MAX）有效截面积（MM2）50KHZ100KHZ150KHZ200KHZ窗口面积BE（MM2）EE1616/812/64451881216189EE1919/714/6452015203040125EE2222/1119/8663620305080195EE2525/1719/13764240559013018EE2828/1720/875102785090140200319EE3038/2121/171110511595130210260529EE3535/2028/181110110120170300440425EE4040/2