毕业设计（论文）-开关电源的应用——液晶显示器电源的设计.doc

开关电源的应用液晶显示器电源的设计中文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。进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，如程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等。单片开关电源管理集成电路具有高集成度、高性价比、简单外围电路、优越性能指标等优点，目前已成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源、专用开关电源以及开关电源模块的优选集成电路，使得开关电源正朝着短、小、轻、薄的方向发展，所以得到了广泛应用。本文设计了一种应用于液晶显示器终端的电流模式开关电源控制电路.该电路具有短路保护、过压保护、过流保护等功能。论文首先对国内外的发展与趋势和两种电源的基本原理做了介绍。 论文的第二章介绍了开关电源控制方式。开关电源有三种控制方式：脉冲宽度调制(PW M)、脉冲频率调制(PFM)、脉冲宽度频率调制(PWM-PFM)。介绍了脉宽调制式开关电源的基本原理。着重介绍了脉宽调制方式下开关电源控制方式的选择。阐述了与传统的电压控制模式相比，电流控制模式具有许多优越性，同时也存在一些必须克服的问题。文章的第三章是对本次设计所需的主要电子元件进行介绍。主要介绍了TL431集成电路、UC3842集成电路、光电偶合器的原理及其应用。文章的第四章是介绍电路总体结构设计。阐述开关电源电路工作原理以及总体设计。文章的第五章主要介绍开关电源的EMC问题。首先分析开关电源电磁干扰的产生机理，然后介绍EMI滤波器的工作原理及安装注意要点，最后论述设计电路板的几个原则。文章的第六章是对实际设计制作电源测试及其实验总结。【关键词】 开关电源， PWM工作方式，电流控制模式，UC3842，TL431The application of Switching Power Supply ABSTRACTWith the development of electric and electronic technology, the electric and Electronic equipments have been used broadly in our work and life. Every electronic equipment can not work without reliable power. In 1990s the switching power had been used in all kinds of fields, such as exchanger, communication and control equipments. Single-chips witching power supply management Integrated Circuit (IC) has many virtues such as high integration level, most cost effective, lowest component count switcher solution, and high performance. The switching power IC is selected firstly in the design of high power switching power supply, precision switching power supply, application specific switching power supply and so on in the world, which has been making switching power supply short, small, light and thin。So it has been used broadly.A current-model controller witch is applied in liquid crystal display terminal is designed in this thesis. The whole circuit includes Short circuit protection，Over Voltage Protection and over current protection circuit .The development and tendency of domestic and foreign and the basic principle of two kind powers are presented in the front part of this paper.In chapter II, the control method of Switching power supply is introduced. Switching Power Supply has three kinds of control circuits: Pulse Width Modulation (PWM) Pulse Frequency Modulation (PFM) Pulse Width and Frequency Modulation (PWM-PFM). The switching power supply basic principle of Pulse Width Modulation is introduced in the thesis. Under pulse-duration modulation way switching power supply control mode choice is introduced in detail. Compares with the traditional voltage control model, the current control model has many superiority. But simultaneously it also has some problems that must be over came. In chapter III，the main electronic component needs which to this design are presented. Mainly introduced the principle and application of the rectification diode, power MOSFET, the TL431 integrated circuit, the UC3842 integrated circuit. In chapter IV, the current model control PWM converter is discussed in detail. The circuit overall structural design and the switching power supply circuit principle of work as well as the system design is introduced in chapter IV. Switching power supply EMC question is introduced mainly in chapter VI. Firstly, analyzing the production mechanism of the switching power supply electronmagetic interference, then introducing the work principle of the EMI filter and the important points that should be paying attention to when Installing, finally elaborating several principles of designing circuit board. Finally, some experimental results are presented.Keyword：switching power supply,PWM,the current control model,UC3842 ,TL431目录第一章 绪 论11.1 国内外开关电源的发展与趋势11.2 两种电源的基本原理21.2.1线性稳压电源21.2.2开关稳压电源31.2.2.1开关电源的基本组成31.2.2.2开关电源稳压原理41.2.2.3开关电源的优点51.3 本章小结51.4 本文所做工作6第二章 开关电源控制理论介绍72.1 开关电源控制方式72.2 脉宽调制式开关电源的基本原理72.3 集成PWM控制器原理82.4 脉宽调制下开关电源控制方式的选择92.4.1电压型控制92.4.2电流型控制102.5 电流型控制斜坡补偿分析11第三章 开关电源设计中涉及的重要器件123.1 TL431集成电路123.1.1 TL431的简介123.1.2 恒压电路应用133.2 UC3842集成电路143.2.1UC3842工作原理143.2.2UC3842内部振荡器的工作原理163.2光电耦合器17第四章 开关电源电路的设计194.1开关电源电路设计要求194.2电路工作原理194.2.1 频率的设定194.2.2 启动过程214.2.3稳压过程214.2.4过流保护原理224.2.5过压保护原理224.2.6开关管保护电路224.2.7反馈绕组的设计22第五章开关电源的EMC设计考虑235.1开关电源电磁干扰的产生机理235.2 EMI滤波器工作原理及安装235.3设计开关电源电路板时应注意的问题255.3.1 开关电源PCB的布局原则255.3.2 开关电源PCB的布线原则255.4本章小结26第六章整机性能测试276.1测试的实验数据276.2测试实验波形306.3实验小结31结论32谢辞33参考文献34附录35第一章 绪 论1.1 国内外开关电源的发展与趋势 电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自电源，因此，电源越来越受人们的重视。现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整工作在线性放大区。这种稳压电源的主要缺点是变换效率低，一般只有35%-60%；开关稳压电源的调整工作在开关状态，主要的优越性就是变换效率高，可达70%-95%。因此目前空间技术、计算机、通信、雷达、电视及家用电器中的稳压电源逐步被开关电源所取代1。目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有300多家，形成规模的有十多家。国产开关电源已占据了相当市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口。他们已经逐步做到功能齐全，质量稳定，并能实行全智能，无人值守，基本上接近国际先进水平的产品。但由于我国配套工业落后，有些元器件还得依赖进口。目前国外电信电源中实际应用最多的开关整流器是采用PWM技术的MOSFET开关整流器，开关整流器的发展趋势是向高频大功率智能化发展，现在澳大利亚，加拿大，日本等国家可生产200A的MOSFET开关整流器（模块）。此外采用谐振变换技术的48V/200A开关整流器也是目前典型的新一代大功率开关整流器产品2。开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化。国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，并同时采用SMT技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。高效率。为了使开关电源较、小、薄，高频化是必然发展趋势。而高频化又必然使传统的PWM开关功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、本电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。采用软开关技术可使效率达到8588%。据悉，美国WICOR开关电源公司设计制造了多种ECZ较开关DCDC变换器，其最大输出功率有800W、600W、300W等，相应的功率密度为6.2、10、17wcm3，效率为8090%；日本NemicLambda公司刚推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列（日本人称这种技术为“部分谐振”），开关频率200300kHz，功率密度27Wcm3，用同步整流器（即用MOSFER代替肖特基二级管）使整个电路效率提高到90%。高可靠。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低给温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DCDC开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的MTBF高达100万小时以上。模块化。无论是ACDC或是DCDC或是变换器都是朝模块化方向发展。其特点是：可以用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成N1冗余电源系统，从而提高可行性；可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故障时能高速更换模块插件；多台模并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容量。低噪声。开关电源的又一缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。日本把变压器设计成初次级分离阻燃密封，自身具备对体噪声功能的共模无噪声隔离变压器，既节省了噪声滤波器，又减少了噪声。抗电磁干扰（EMI）。当开关电源在高频下开关时，其噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界各国已有抗EMI的规范或标准，如美国的FCC、德国的VDE等，研究开发抗EMI的开关电源日益显行生要。计算机辅助计（CAD）。利用计算机对开关电源系统、稳定性分析、电路仿真、印刷电路板、热传导分析、EMI分析以及可靠性等进行CAD设计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济的设计方法。产品更新加快。目前的开关电源产品要求输入电压通用（适用世界各国电网电压规模）、输出电压范围扩大（如计算机和工作站需要增加3.3V这一档电压、程控需要增加DC150V这一电压）、输人端功率因数进一步提高（最有效的方法是加一级“有源功率因数校正器APFC”），并具有安全、过压保护等功能1。1.2 两种电源的基本原理1.2.1 线性稳压电源线性稳压电源原理如图1-1所示，调整管(晶体管)工作在线性放大区，通过调节调整管的集-射极间电压，使射极电压相对于变化的集电极电压保持稳定，因此，称为线性稳压电源。交流电压经工频变压器、整流滤波后，得到不稳定的直流电压Ui，Ui的最小值大于输出电压Uo。调整管串联在整流滤波输出和电源输出之间。其c、e极电压Uce=Ui-Uo，即Uo=Ui一Uce。输出电压采样后和基准电压比较，经过误差放大器放大后，驱动调整管的基极，构成闭环反馈控制。当输出电压升高时，取样电压也升高，经比较、误差放大后控制调整管的Uce也增大，从而使输出电压降低，达到稳压的目的。同样，当输出电压降低时，调整管的Uce也降低，使输出电压升高。由于线性稳压电源增加了闭环调节，使精度和稳定性大大提高。图1-1晶体管串联线性稳压电源原理图线性稳压电源的主要缺点:(1)效率低。调整管串联在输入和输出之间，它的电流即为输出负载的电流。若负载电流为Io，则调整管的功率损耗为Pc=(Ui-Uo) Io。由于调整管工作在线性区，(Ui-Uo)一般比较大，造成调整管的功率损耗很大，整个电源的效率很低，一般为20%-60%。(2)体积和重量大。电源中的工频变压器、滤波电容和滤波电感的体积和重量都很大;另外，由于其效率比较低，电源本身消耗的功率比较大，所以采用了较大的散热器3。1.2.2 开关稳压电源开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过控制开关管导通时间和截止时间的比例来调节输出电压，这种技术称为脉宽调制。1.2.2.1 开关电源的基本组成开关电源的基本构成如图1-2所示，其中DC/DC变换器用来进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路，输出采样电路检测输出电压变化，与基准电压比较，产生的误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。图1-2开关电源的基本组成(1)主电路从交流电压输入到直流电压输出的全过程，包括:输入滤波器:其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。整流与滤波:将电网交流电直接整流为较平滑的直流电。逆变:将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。输出整流与滤波:根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。(2)控制电路一方面从输出端取样，与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定:另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供给控制电路对整机进行各种保护。(3)检测电路除了提供保护电路需要的各种参数外，还提供各种显示仪表数据。(4)辅助电源提供各电路需要的直流电源3。1.2.2.2 开关电源稳压原理开关电源的工作原理如图1-3所示。晶体管V3作为开关器件，以一定的时间间隔重复的接通和断开，在开关接通时，输入电源通过开关和滤波电路提供给负载，在整个开关接通期间，电源Ui向负载提供能量:当开关断开时，输入电源便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部分能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。图中，由电感L、电容C和二极管Vz组成的电路，就具有这种功能。电感L用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L中的能量通过二极管V2释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量，因二极管V2使负载电流连续不断，所以称为续流二极管。输出电压可用下式表示Uo=, 公式（1-1）式中Ton为开关每次导通的时间，T为开关通断的工作周期(即开关接通时间Ton和关断时间Toff之和)。由上式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，输出电压也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化，自动调整T、和T的比例便能使输出电压U。维持不变。改变导通时间T、和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制” (Time Ratio Control)。图1-3开关电源的原理电路1.2.2.3开关电源的优点开关稳压电源的优越性主要表现在：1.变换效率高。开关电源的调整管工作在开关状态，主要的优越性是变换效率高，可达70-95%，而线性稳压电源一般只能达到35-60%。2.功耗小由于开关管功率损耗小，因而不需要采用大散热器。功耗小使得电子设备内温升也低，周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏，这有利于提高整个电子设备的可靠性和稳定性。3.稳压范围宽当开关稳压电源输入的交流电压在150250V范围内变化时，都能达到很好的稳压效果，输出电压的变化在2以下。而且在输入电压发生变化时，始终能保持稳压电路的高效率，因此，开关稳压电源能适用于电网电压波动比较大的地区。4.体积小、重量轻开关稳压电源可将电网输入的交流电压直接整流，再通过高频变压器获得各种不同交流电压，这样就可免去笨重的工频变压器，从而节省了大量的漆包线和硅钢片，使电源体积缩小、重量减轻。5.安全可靠开关稳压电路一般都具有自动保护电路。当稳压电路、高压电路、负载等出现故障或短路时，能自动切断电源，其保护功能灵敏、可靠3。1.3 本章小结电源是实现电能变换和功率传递的主要设备，现代电子设备离不开可靠的直流电源，并且对其要求也越来越高。开关电源是一种新型、高效的直流电源，因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代了传统的线性稳压电源。开关电源技术是一门综合技术，它涉及电力电子、控制理论、材料科学等多门学科。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外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。开关电源的主要问题是电路比较复杂，输出的纹波电压较高，瞬态响应差等。因此，使开关电源的应用也受到一定限制。1.4 本文所做工作本文设计了一种应用于液晶显示器终端的电流模式开关电源控制电路.该电路具有短路保护、过压保护、过流保护等功能。论文首先对国内外的发展与趋势和两种电源的基本原理做了介绍。论文的第二章介绍了开关电源控制方式。开关电源有三种控制方式：脉冲宽度调制(PW M)、脉冲频率调制(PFM)、脉冲宽度频率调制(PWM-PFM)。介绍了脉宽调制式开关电源的基本原理。着重介绍了脉宽调制方式下开关电源控制方式的选择。阐述了与传统的电压控制模式相比，电流控制模式具有许多优越性，同时也存在一些必须克服的问题。文章的第三章是对本次设计所需的主要电子元件进行介绍。主要介绍了TL431集成电路、UC3842集成电路、光电偶合器的原理及其应用。文章的第四章是对电路总体结构设计。阐述开关电源电路工作原理以及总体设计。文章的第五章主要介绍开关电源的EMC问题。首先分析开关电源电磁干扰的产生机理，然后介绍EMI滤波器的工作原理及安装注意要点，最后论述设计电路板的几个原则。文章的第六章是对实际设计制作电源测试及其实验总结。第二章 开关电源控制理论介绍2.1开关电源控制方式开关电源的控制方式，大致有以下三种: (1)脉宽调制方式，简称脉宽调制 (Pulse Width Modulation，缩写PWM)式。其特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。因开周期也是固定的，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。(2)脉冲频率调制方式，简称脉频调制(Pulse Frequency Modulatio缩写为 PFM)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，V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。(3)混合调制方式，使指脉冲宽度与脉冲频率均不固定，彼此都能变的方式，它属于PWM和PFM的混合方式。由于tP和T均可调节，因此占比调节范围最宽，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。2.2脉宽调制式开关电源的基本原理PWM控制的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况时，控制电路通过被控制信号(主要是输出电压)与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关管的导通时间(脉冲的周期保持不变)，即导通脉冲宽度，来达到稳定输出电压的目的。PWM反馈控制模式主要有五种:电压模式控制PWM;峰值电流模式控制PWM;平均电流模式控制PWM;滞环电流模式控制PWM;相加模式控制PWM.PWM 是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式，它的特点是噪音低(因为以固定频率工作)、满负载时效率高且能工作在连续导电模式。其缺点是受功率开关管最小导通时间的限制，对输出电压不能做宽泛围调节;另外输出端一般要接假负载 (亦称预负载)，以防空载时输出电压升高。现在市场上有多款性能好、价格低的PWM集成芯片，如UC1842/2842/3842,TDA16846, TL494, SG1525/2525/3525等。图2-1脉宽调制式开关电源的基本原理图DC-DC变换电路是通过控制开关器件的导通和关断时间，将一个输入的不稳定直流电压转换成另一个输出稳定的直流电压。PWM工作方式的简化原理图如图2-1所示，可以看出控制信号是由反馈的实际电压和期望值通过差分放大得到，然后和锯齿波信号比较，当Vcontrol高于锯齿波时，开关器件导通，当Vcontrol低于锯齿波信号时，开关器件关断，由此得到开关器件实际工作的驱动信号。如果定义开关器件开通时间占整个周期的比值为D，则D= 公式（2-1）公式中，ton为器件导通时间，toff为器件关断时间，Ts为周期，Vcontrol为反馈的实际电平经过放大后的电平，它反应了输出信号高于或低于期望值的信息。一般锯齿波信号工作频率为几十到几百KHz，甚至某些双极型电路工作频率可以达到I MHz.但Vcontrol变化频率很低，一般为几KHz4。2.3集成PWM控制器原理近年来已经开发出许多高频开关电源控制集成电路，这些电路包含了建立PWM开关电源所需要的所有功能，使开关电源用一片集成电路和若干附加元件即可制成。图2-3描述了一个简单的PWM控制器的基本构成框图和它相关部位的波形。这个电路的工作过程如下:误差放大器将从电源输出端引入的反馈信号与其反相输入端的固定参考电压V进行比较，误差信号被放大并送到比较器的反相输入端，而比较器的同相输入端输入的是由一个固定频率振荡器产生的具有线性斜率的锯齿波，振荡器的输出同时送到一个翻转触发器(F/ F)，产生方波输出Q和Q非。比较器的输出方波和触发器的方波输出，都用于驱动与门，使得当两个输入信号均为“l 时输出，这样，在A路和B路最终得到的是可变脉冲占空比的脉冲串，图2-2b用虚线说明了当误差信号幅度变化时，输出脉冲的宽度是如何被调制的。通常PWM控制器在其外部经缓冲后去驱动主电源开关晶体管。这一类型的电路可被用来驱动两支晶体管或是驱动单晶体管，在后一种情况下，输出可在片外进行“与”处理(直接相与)，或者只允许有一路用来作为驱动4。 图2-2集成PWM控制电路和电路的相关波形2.4脉宽调制下开关电源控制方式的选择控制方法极其重要，如果选择不正确，会使电源工作不稳定而浪费宝贵的时间。设计者要知道各种控制方法之间细微的差别，总体上说，正激式拓扑用电压型控制器，升压式拓扑通常用电流型控制。但这不是一成不变的规则，因为每一种控制方法都可以用到各种拓扑中去，只是得到的结果不一样而已。2.4.1电压型控制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。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。最后一种是“电压滞环”的电压控制，这种控制方法是非常基本的。在这种控制方法中，固定频率的振荡器只是在输出电压低于有电压反馈环给定的指令值时才转成“通”的状态。由于有时候功率开关管突然导通后又进入常态关的状态，所以有时把这种方法叫做“打隔型”(hiccup-model)。只有少数控制IC和集成开关电源IC用这种控制方法，这种方法会在输出电压上产生大小固定的纹波，纹波的频率与负载电流成比例。2.4.2电流型控制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。电流比较器的阐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。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Boost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。电流控制模式与电压控制模式相比具有很多优越性。其工作原理图见图2-3(b)。其控制部分主要由电压采样电阻和电流采样电阻、误差比较器和PWM比较器以及锁存器组成。当变换器工作时振荡器产生固定时钟使寄存器置位，从而使开关管开通。同时输出电压的采样信号与给定信号在误差放大器中比较后，产生电压信号Ue。Ue在PWM 比较器与锯齿波相比较，产生锁存器的复位信号，使开关管关断。PWM 比较器锯齿波的产生是由于变换器中输出电感的作用，使电阻Rs上的电流逐渐增大，电压线性升高，产生PWM 所需锯齿波电压。当锯齿波线性上升到Ue时，即当Us=Ue时，开关管驱动信号撤除，晶体管关断。从以上分析可知，这种控制模式构成电压电流双环系统，从而消除了由于输出滤波电感带来的双极点不稳定的问题。另外，由于控制电路逐周检测，因而变换器具有良好的线性调整率和快速的动态反映.同时这种控制模式很容易实现过流保护。并能自动均衡推挽和全桥变换器中的磁通。电流模式控制主要的缺点是当占空比大于50%时，由于电流上升率不够，控制环变得不稳定，抗干扰性能差5。图2-3a电压型控制模式原理图图2-3b电流型模式控制原理图2.5电流型控制斜坡补偿分析在电感电流连续的情况下，电流型控制了电感电流的峰值，而在BUCK型电路中由于负载电流即为电感电流的平均值，但电感电流的峰值与平均电流之间存在一定的偏差，这种误差在输出电压最大时达到最大，这样Us的变化能全面的反映负载电流的变化，并且当占空比大于0.5时，因电感电流的上升率小于下降率，因而平坦的上升曲线上出现一个小小的干扰都将被放大，导致电路不稳定。也就是说当电流控制模式仅仅控制一次侧峰值电流大小，那么当占空比随输入电压变化时及输出负载变化时，输出电压闭环反馈控制因为不具有一一对应关系而发生次谐波振荡。解决问题的方法是对斜坡进行补偿和调整负载电感，从而使电感线圈的电流平均值不再随输入电压和占空比的变化而改变，因而电路在任何占空比下也变得稳定。当我们设计补偿的斜坡等于电感电流下降斜率的一半，就可以得到满意的效果6。第三章 开关电源设计中涉及的重要器件3.1 TL431集成电路3.1.1 TL431的简介TL431集成电路是三端可编程并联稳压二极管。其集成电路电压基准如同低温度系数齐纳管一样运行，通过2个外部电阻可从Vref编程至36V。其器件显示出宽工作电流范围，在典型动态阻抗0.22时为1.0毫安至100毫安。其基准的特性使其能在数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等许多应用中代替齐纳二极管。2.5V参考使从5.0V逻辑电源可方便地获得稳定参考电压。由于TL431工作方式为并联稳压器，所以可以用作正压或负压参考。可编程输出电压，达36V低动态输出阻抗，典型为0.221.0毫安至100毫安的灌电流能力典型值为50ppm/的等效全范围温度系数在整个额定工作温度范围内可进行工作温度补偿低输出噪声电压图3-1 TL431的符号及功能模块示意图如图3-1所示，左图是该器件的符号。3个引脚分别为：阴极（K）、阳极（A）和参考端（R）。右图是该器件的具体功能模块示意图。由图可以看到，一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近基准源时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管的电流将从1到100毫安变化。当然，该图绝不是该器件的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用该器件电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的。3.1.2 恒压电路应用 图3-2大电流分路稳压器前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。如图3-2所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vout的分压引入反馈，若Vout增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vout下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vout=（1+R1/R2）Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vout=5V。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1毫安。当然，这个电路并不太实用，但它很清晰地展示了该器件的工作原理在应用中的方法。将这个电路稍加改动，就可以得到在很多实用的电源电路，如图3-3，3-4所示。阻值取值：R0取1.5K，R1、R2分别取10K，按结果，应得到5V的输出电压。Vin使用12V，实测电压为5V。Vin使用24V，实测电压5V，因此，此种器件的精度很高。接入负载，在C、A端并接负载电阻，Vin用12V。当负载电阻大于2K时，输出电压几乎看不出任何变化。当电阻小于2K时，输出电压开始减小，此时应当是前面所说的阴极电流的条件不符合了。图3-3 大电流的分流稳压电路图3-4 精密5V稳压器3.2 UC3842集成电路3.2.1 UC3842工作原理UC3842内部结构框图如3-5所示。UC3842是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。具有可微调的震荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器。电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。其他的保护特性包括输入和参考欠压锁定，各有滞后、逐周电流限制、可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存。UC3842芯片的内部结构图如图所示。它主要包括以下几种功能：工作电源、基准电源、震荡器、过流限制、差放补偿、输出级。图3-5 UC3842内部结构框图(1) 工作电源UC3842的工作电源为第7端脚Vcc，它提供给内部逻辑电路用，同时也为输出级供电。工作电源应外接有相应的高频滤波电容。当工作电压Vcc大于36伏时稳压管稳压，使内部电路小于36伏下可靠地工作。Vcc设有欠压锁定输出功能（UVLO），其开启阀值为16伏，关闭阀值为10伏。当Vcc小于16伏时，整个电路损耗1mA。由于开启和关断阀值有6伏的回差，可有效地防止电路在阀值电压附近工作时的跳动。一般设置自供电的感应绕组，当开关电源正常工作后，转有自供电给UC3842，电流升至15mA。在此之前可设置储能电容，推动建立电压。储能电容就不用选得太大了。(2) 基准电源UC3842在8脚提供了一个5V的精密基准电源Vref，它可为外部电路提供大约50mA的电流。(3) 震荡器芯片内有一个高速震荡器，震荡器频率由Rt和Ct设定。在4脚和8脚（5V基准电源）之间接Rt，在4脚和5脚（地）之间接Ct，于是基准电源通过Rt向Ct充电。充、放电时间分别为tc和td，则震荡器频率fo为：fo= 公式（3-1）当Rt大于5k时，fo为：fo= 公式（3-2）(4) 过流限制从Rs检测到的电流峰值信号快速参与工作周波的的占空比控制，因此是当前周波的电流限制。事实上只要Rs的电平达到1V。电流测定比较器立即动作，输出端6立即使导通管关断。由于它能精密、灵敏地限制输出的最大电流，高频变压器和开关晶体管的功率损耗都可以减少。因此，对整个开关电源的成本、重量和体积都将有良好的影响。(5) 差放补偿误差放大器实际是一个运算放大器，它的同相端内接2.5V的电压源，反相端为UC3842的2脚，可外接电源的输出电压采样信号。同时反相端和UC3842的1脚（补偿端）之间接一个补偿网络，以补偿电源的增益。由于电感电流是连续的，所以电流采样电阻Rs上所检测到的电流峰值代表了平均电流，整个电路可当作一个误差电压控制的电流源。变压器的幅频特性由双极点变成单极点，因此误差放大器的补偿电路得到简化，增益带宽乘积提高，稳定裕度大，频率响应特性得到了改善。(6) 输出级UC3842的输出为6脚，输出级为图腾柱式电路，输出晶体管的平均电流为200mA，最大峰值电流为1A。由于峰值电流自限，它可以直接驱动功率管或者通过隔离变压器来驱动功率管。使芯片输出端关闭的方法有两个：A 将3脚的电压升高到1V以上；B 将1脚的电压降低到1V以下。以上两种情况都是使电流测定比较器输出高电平，PWM锁存器复位，关闭了输出端，直至下一个时钟脉冲将PWM锁存器置位为止。3.2.2UC3842内部振荡器的工作原理正如上一节所说的，UC3842内部有一个振荡器，为UC3842提供了时钟信号。振荡器的结构图如图3-6所示。由图可见内部有三个比较器，它们的输出直接影响到了时钟信号的产生。振荡器的输入端需外接一个振荡电阻RT和一个振荡电容CT，当电容CT的电压值上升到达2.7V时，RS触发器被置位，产生的时钟信号出现高电平，并开通了晶体管Q1，使电流源I通过Q1为振荡电容CT放电，电容电压减小，当电容电压值降为1V时，RS触发器复位，时钟信号变为低电平，晶体管Q1关断，电容开始由基准电压源VREF经电阻RT对它充电，电容电压升高，开始了新的一个周期。由图可见。当时钟信号为高电平时，即振荡电容CT被放电的期间，UC3842的输出是会被锁定在低电平的，这就是UC3842芯片的死区时间。这个时间与振荡电容CT有关，它们的关系曲线如图3-7所示。图3-6 振荡器结构图图3-7振荡电容与死区时间关系图3.3 光电耦合器在实际的电子电路系统中，不可避免地存在各种各样的干扰信号，若电路的抗干扰能力差将导致测量、控制准确性的降低，产生误动作，从而带来破坏性的后果。因此，若硬件上采用一些设计技术，破坏干扰信号进入测控系统的途径，可有效地提高系统的抗干扰能力。事实证明，采用隔离技术是一种简便且行之有效的方法。隔离技术是破坏地干扰途径的抗干扰方法，硬件上常用光电耦合器件实现电光电的隔离，他能有效地破坏干扰源的进入，可靠地实现信号的隔离，并易构成各种功能状态。图3-8所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。图3-8三极管型光电偶合器原理图光电耦合器的主要结构是把发光器件(如发光二极管)和光接收器件(如光敏三极管)组装在一个密闭的管壳内，然后利用发光器件的管脚作输入端，而把光接收器的管脚作为输出端。当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管截止。当在输入端加电信号时，发光器件发光。这样，光接收器件由于光敏效应而在光照后产生光电流并由输出端输出。从而实现了以“光”为媒介的电信号传输，而器件的输入和输出两端在电气上是绝缘的。这样就构成了一种中间通过光传输信号的新型半导体电子器件。若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，使通道上的信号噪声比大为提高，主要有以下几方面的原因： (1)光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105106。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的噪声电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。(2)光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。(3)光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。(4)光电耦合器的响应速度极快，其响应延迟时间只有10s左右，适于对响应速度要求很高的场合。第四章 开关电源电路的设计4.1 开关电源电路设计要求本人利用电流型控制芯片UC3842设计了一个反激式变换器