开关稳压电源电路设计毕业设计及文献综述.doc

开关稳压电源电路设计_毕业设计_毕业论文及文献综述 摘 要 现代社会，随着技术的发展，越来越多的电子产品进入人们的生活。方便了人们的生活，改变了人们的生活。电子产品的动力来源是电源。电源对于电子产品就像心脏对于我们人来说一样的重要。随着电子产品的广泛的应用，电源的作用也日益重要。如何设计处高效，实用，环保，节能，智能的电源就成为人们面临的一个重要的课题。本文所介绍的是一种高效的开关电源，它具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、高效率等优点，并且以单片机为控制核心。把开关电源的高效率特性与单片机系统自动检测和控制技术相结合，采用先进的传感器进行数据采样，运用适当的电压调整和电路保护。具有很高的实用价值。关键词： 稳压电源； 单片机； 触发器ABSTRACT In modern society, as technology development, a growing number of electronic products into peoples lives. To facilitate the peoples lives have changed peoples lives. Electronic products is the driving force for power. Power for electronics products like the heart of our people, as important. With the wide range of electronics applications, the power of the increasingly important role. How to design the highly efficient, practical, environmental protection, energy saving, power has become smart people facing an important issue. This article is introduced by a highly efficient switching power supply, it has a high level of integration, cost-effective, the most simple external circuit, the best performance, high-efficiency advantages, and for the control of the microcontroller core. To switch power and the high efficiency of SCM system automatically detect and control technology, the use of advanced sensors for data sampling, use of appropriate adjustment and voltage circuit protection. Is of high practical value.Key words: power supply; SCM; flip-flop目 录绪论1第一章 电源的发展概况31.1 开关稳压电源的发展31.2 开关稳压电源电路结构41.3 开关稳压电源的特点41.4 开关稳压电源的种类51.5 开关电源的发展趋势6第二章 整机电源的设计92.1 设计要求92.2 开关电源电路总体设计92.2.1 硬件框图92.2.2 整流滤波电路图102.2.3 主控电路图102.2.4 设计说明122.2.4.1 电路的工作原理122.2.4.2 工作控制方式122.2.5 元件介绍122.2.5.1 F9530N介绍122.3 稳压电路172.3.1 +5V稳压电路172.3.2 -5V稳压电压电路182.3.3 +5V供数字电源电压192.3.4 +10V液晶显示屏背光电源202.4 电源输噪声222.4.1 噪声的来源222.4.2 抗干扰设计的基本原则222.4.3 电源噪声的减小方法232.5 电路保护252.5.1 极性保护252.5.2 防浪涌软启动电路252.5.3 短路保护262.5.4 过压、欠压及过热保护26第三章 存在的不足与改进27结论29致 谢31参考文献33附录35绪论开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。它于90年代中、后期相继问世后，便显示出强大的生命力，目前它成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选集成电路。由它构成的开关电源，在成本上与同等功率的线性稳压电源相当，而电源效率显著提高，体积和重量则大为减小。这就为新型开关电源的推广与普及，创造了良好条件。开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种用电要求。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引起社会各方面的重视而得到迅速推广。1 传统采用工频变换技术的相控电源相比，开关电源采用大功率开关管的高频整流电源，在技术上是一次飞跃，它不但可以方便地得到不同的电压等级，更重要的是甩掉了体大笨重的工频变压器及滤波电感电容。由于采用高频功率变换，使电源装置显著减小了体积和重量，而有可能和设备的主机体积相协调，并且使电性能得到进一步提高。正因为如此，我国作出重大决策，要求通信领域推广使用开关电源以取代相控电源。现在从实践中已经证明，这一决策是完全正确的。开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。由于变换效率提高，能耗减少，降低了电源周围环境的室温，改善了工作人员的环境。我国邮电通信部门广泛采用开关电源极大地推动了它在其它领域的广泛应用。值得指出的是，近两年来出现的电力系统直流操作电源，是针对国家投资4000亿元用于城网、农网的供电工程改造、提高输配电供电质量而推出的，它已开始采用开关电源以取代传统的相控电源。国内一些通信公司如中兴通讯等均已相继推出系列产品。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。能源在社会现代化方面起着关键作用。电力电子技术以其灵活的功率变换方式，高性能、高功率密度、高效率，在21世纪必将得到大力发展，而开关电源是电力电子技术中占有很大比重的一个重要方面。随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断地缩小，重量在不断地减轻，所以从事这方面研究和生产的人们对开关稳压电源中的开关变压器还感到不是十分理想，他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途经取代开关变压器，使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要，这是从事开关稳压电源研制的科技人员目前正在克服的一个困难。第一章 电源的发展概况我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源研制工作开始于60年代初期，到60年代中期进入实用阶段，70年代初期开始研制无工频降压变压器开关稳压电源。1974年研制成功了工作频率为10kHz、输出电压为5V的无工频降压变压器开关稳压电源。近10多年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校已研制出多种型号的工作频率在20kHz左右，输出功率在1000W以下的无工频降压变压器开关稳压电源，并应用于电子计算机、通信、电视等方面，取得了较好的效果。工作频率为100kHz200kHz的高频开关稳压电源于80年代初期就已开始试制， 90年代初期就已试制成功。目前正在走向实用阶段和再进一步提高工作频率。许多年来，虽然我国在无工频降压开关稳压电源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我国的开关稳压电源技术与一些先进的国家相比仍有较大的差距。此外，这些年来，我国虽然把无工频变压器开关稳压电源的工作频率从数十kHz提高到了数百kHz，把输出功率由数十瓦提高到了数百瓦甚至数千瓦，但是，由于我国半导体技术与工艺跟不上时代的发展，导致我们自己研制和生产出的无工频变压器开关电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管。所以我国的开关稳压电源事业要发展，要赶超世界先进水平，最根本的是要提高我国的半导体技术和工艺。由全波整流器，开关管V，激励信号，续流二极管Vp，储能电感和滤波电容C组成。实际上，开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。直流变换器，它是把直流转换成交流，然后又把交流转换成直流的装置。这种装置被广泛地应用在开关稳压电源中。采用直流变换器可以把一种直流供电电压变换成极性、数值各不同的多种直流供电电压。随着电子技术的发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，对电源的要求更加灵活多样。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源技术比较成熟。并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点。但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器和隔离之用，滤波器的体积和重量也很大。而调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右，另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，于是它很难满足电子设备发展的要求。从而促成了高效率、体积小、重量轻的开关电源的迅速发展。开关型稳压电源就是采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零，在开关管截止时，其集电极电流为零，所以其功耗小，效率可高达70%95%。而功耗小，散热器也随之减小，同时开关型稳压电源直接对电网电压进行整流滤波调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器；此外，开关工作频率在几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻，体积小等特点。另外，由于功耗小，机内温升低，从而提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V+10%，而开关型稳压电源在电网电压从110V260V范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。1.4 开关稳压电源的种类开关型稳压电源的发展以来于半导体器件和磁性材料的发展。随着电子工业的发展，高频率，高耐用，打功率开关管的问世。70年代以来，无工频电源变压器的开关型稳压电源在世界各工业化国家中已普遍成为商品，电路可直接从电网整流供电，更显示了突出的优越性。因此，以其自身功耗小，体积小，重量轻，得到越来越广泛的使用，尤其适应于打功率其负载固定，输出电压调节范围不打的场合。80年代开关电源技术不断有新的突破，出现了许多不同种类的开关稳压电源。 （1）按激励方式划分 他激式：电路中转设激励信号的振荡器 自激式：开关管兼作振荡器中的振荡管。 （2）按调制方式划分 脉宽调制型：振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，有时通过取样电路、耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。 频率调制型：占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。 混合调制型：通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。 （3）按开关管电流的工作方式划分 开关型:用开关晶体管把直流变成高频标准方波，电路形式类似于他激式。 谐振型:开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准正弦波，电路形式类似于自激式。 （4）按开关晶体管的类型划分 晶体管型:采用晶体管作为开关管。 可控硅型:采用可控硅作为开关管，这种电路的特点是直接输入交流电，不需要一次整流部分。 （5）按储能电感与负载的连接方式划分 串联型：储能电感串联在输入与输出电压之间。 并联型：储能电感并联在输入与输出电压之间。 （6）按晶体管的连接的连接方式划分 单端式：仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，这种电路的特点是价格低，电路结构简单，但输出功率不能提高 推挽式： 使用两个晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式。这种电路的特点是开关变压器必须具有中心抽头 半桥式：使用两个晶体管，将其连接成半桥形式。它的特点是适应于输入电压较高的场合。 全桥式： 使用四个开关晶体管，将其连接成全桥形式。它的特点是输出的功率比较大。1.5 开关电源的发展趋势 随着电子产品轻、薄、小的发展趋势，要求电子元件体积更小，耗能更低。开关电源作为电子设备中不可或缺的组成部分也在不断的改进。高效率、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化，成了开关电源的发展方向。4 （1）高效率。为了使开关电源轻、小、薄，高频化（开关频率达兆赫级）是必然发展趋势。而高频化又必然使传统的PWM开关（属硬开关）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%。 （2）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00万小时以上。 （3）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N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。 （4）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。 （5）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。 （6）高频化，开关电源发展的方向开关电源成为现代电子设备中不可缺少的部分，要实现高效率、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化的发展，高频化是关键技术。第二章 整机电源的设计图 2-3 整流滤波电路交流电压经变压器降压后，经过桥式整流电路，变换成方向不变，大小随时间变化的脉动电压。流出整流电路的脉动电压再流经电容滤波电路，将含较大谐波成分的脉动电流的交流分量滤去，得到平滑的直流电压。2.2.3 主控电路图该电源可接12V稳压电源，也可接12V充电电池。开机和关机通过芯片14093组成RS触发器电路控制VMOS器件F9530N的导通和截止来实现。控制上可通过操作按键实现开机，关机，也由单片机T1脚输出关机控制.以降低电池的空耗。F9530N输出的+12V电压再经整理，滤波输出+5V,-5V，+10V电压。图 2-4 主控电路图2.2.4 设计说明2.2.4.1 电路的工作原理：双稳态RS触发电路由U24A和U24B构成，U24的3脚作为RS触发器的Q端，当Q端输出高电平时，驱动管Q1导通，驱动VMOS开关管F9530也导通，整机获得供电，开始工作。2.2.4.2 工作控制方式： （1）接入电源后，由于C2充电比C1慢，可以认为C2上电压为0，U24B管脚6为低电平，4脚输出高电平，1脚也为高电平，使得3脚为低电平，Q1截止。当线路地电压由于供电正常引起比电池地电平高到一定电位的时候，Q2导通，C2快速放电为低电平，使Q1截止，从而保护电路。 （2）开关START按下，则U24A管脚2输入低电平脉冲，则使RS触发器翻转，Q端输出高电平使Q1导通，整机供电，另外管脚1由于反馈为低电平，维持3脚输出高电平，Q1持续导通；同时START键释放，C2充电为高电平。 （3）开关STOP键按下，3脚直接为低电平输入，Q1截止，工作停止；触发器U24B管脚4输出高电平，和管脚1同时输入高电平使U24A输出低电平维持Q1截止。 （4）当仪器较长时间无人工操作时，单片机定时计数器T1脚输出低电平控制信号时，Q3截止，U24C管脚8、9输入高电平，10脚输出低电平，触发器输出置0，Q1截止，实现关机，减少电耗。2.2.5 元件介绍2.2.5.1 F9530N介绍 由于VMOS管具有输入阻抗高、驱动电流小、开关速度快，通频带宽等优点，且偏置电阻可以取得很大，因此控制回路消耗功率极小，故选取VMOS大功率管F9530N为开关管。外接电源由+12V整流电压或电池 +12V电压通过切换开关COAX接入，送入F9530N源极，只要开关管F9530N饱和导通，则输出端漏极电位近似为+12V。F9530N所示：图2-5 P沟道增强型F9530N主要参数2.2.5.2 触发器 触发器由双稳态的触发器构成。 如图 2-6图2-6 由RS触发器构成的双稳态开关控制电路原理图这部分电路除了要考虑可控制性，还应考虑的它的待机耗电量，由于这部分电路是控制电源开关，无论在仪器工作还是不工作都一直要耗电，故功耗是主要要求考虑的问题。5CMOS门电路构成的触发器具有功耗低、抗干扰能力强、电源适应范围大等优点，故采用CMOS与非门MC14093B U24 作为RS触发器主芯片。MC14093B U24 门电路具有很好的抗干扰能力。 MC14093B U24 主要的电路参数和管脚资料，如图所示。 最大额定值（Vss 为基准电压）表2-1电路参数管脚符号说明数值单位 VDD直流电源-0.518.0VVIN，VOUT输入输出电压-5.0+5.0VIin，Iout输入输出电流10mAPD提供功率500mWTstg存储温度-65+150TL焊接温度260 图 2-7 MC14093B U24 主要的电路参数和管脚资料2.2.5.3 8051单片机介绍 主要引脚1. 主电源引脚Vcc（40脚）：接+5V电源正端。Vss（20脚）：接+5V电源地端。2. 外接晶体引脚XTAL1（19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2（18脚）：接外部石英晶体的另一端。在单片机内部，它是片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端；对于CHMOS单片机，该引脚悬空不接。3. 输入/输出引脚 （1） P0口（3932脚）：P0.0P0.7统称为P0口。在不接片外存储器与不扩展IO口时，可作为准双向输入输出口。在接有片外存储器或扩展IO口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。 （2） P1口（18脚）：P1.0P1.7统称为P1口，可作为准双向IO口使用。对于52子系列，P1.0与P1.1还有第二功能：P1.0可用作定时器计数器2的计数脉冲输入端T2，P1.1可用作定时器计数器2的外部控制端。 （3） P2口（2128脚）：P2.0P2.7统称为P2口，一般可作为准双向IO口使用；在接有片外存储器或扩展IO口且寻址范围超过256字节时，P2口用作高8位地址总线。 （4） P3口（1017脚）：P3.0P3.7统称为P3口。除作为准双向IO口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3口的每一条引脚均可以独立定义为第一功能的输入输出或第三功能。 （5） P3口第二功能P3.0 RXD 串行口输入P3.1 TXD 串行口输出端P3.2 INT0 外部中断0请求输入端，低电平有效P3.3 INT1 外部中断1请求输入端，低电平有效P3.4 T0 定时器计数器0计数脉冲输入端P3.5 T1 定时器计数器1计数脉冲输入端P3.6 WR 外部数据存储器写选通信号输入端，低电平有效P3.7 RD 外部数据存储器读选通信号输入端，低电平有效4. 控制线 （1） ALE/PROG（30脚）：地址锁存有效信号输入端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出的低8位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。但要注意，在访问片外数据存储器期间，ALE脉冲会跳空一个，此时作为时钟输出就不妥了。对于片内含有EPROM的机型，在编程期间，该引脚用作编程脉冲PROG的输入端。 （2） PSEN（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不再出现。 （3） RST/VPD引脚（9脚）：RST即为RESET，VPD为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。 当Vcc发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD +5V 为内部RAM供电,以保证RAM中的数据不丢失。 （4）EA/Vpp（31脚）：EA为片外程序存储器选用端。该引脚有效（低电平）时，只选用片外程序存储器，否则单片机上电或复位后选用片内程序存储器。对于片内含有EPROM的机型，在编程期间，此引脚用作21V编程电源Vpp的输入端。 综上所述，MCS-51系列单片机的引脚可归纳为以下两点： （1）单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚都有第二功能。 （2）单片机对外呈现3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用为数据总线；由ALE、PSEN、RST、EA与P3口中的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10个引脚组成控制总线。由于是16位地址线，因此，可使片外存储器的寻址范围达到64KB。7 MCS-51系列单片机芯片均为40条引脚，HMOSwiki工艺wikiwiki制造wiki的芯片用双列直插（DIP）方式封装，其引脚示意及功能分类如图2-8图2-8 8051芯片2.3 稳压电路2.3.1 +5V稳压电路这部分主要用于模拟+5V供电，提供给AD-AD转换电路，还在一些电路作基准电压用，因此要求精确，选取稳压集成块TL497ACN为主进行稳压，TL497ACN芯片的管脚示意图及典型应用电路如图2-9，2-10所示：图2-9 TL497ACN管脚示意图图2-10 TL497A应用电路具体参数计算： I pk 2IO 500 mA L uH VIVO I pk ton us 取L 300uH，ton21.4usCT 12 ton257pFR1 VO1.2 51.2 3.8K 取R1 3.9KRcl 0.5I pk 1.0Co uF ton us VIVO I PK VO + IOVripple pk 21.4 125 500VO + 250200 102uF 取Co120 uF2.3.2 -5V稳压电压电路这部分主要用于模拟-5V供电，提供给AD-AD转换电路，并且在一些电路作基准电压用，故要求精确，选取稳压集成块TL497ACN为主进行稳压。图2-11是它产生负电压的典型电路： 图2-11 TL497A应用电路主要参数计算方法如下：具体参数计算： I pk 2IO 1+512 500 mA L uH ViI pk ton us 取L 300uH，ton12.5usCt 12 ton150pF R1 Vo1.2 51.2 380 取R1 3.9KRcl 0.5I pk 1.0 Co uF ton us VII PK VO + IO V pk 30 125005 + 250 200 218uF 取Co230 uF2.3.3 +5V供数字电源电压 此路电压主要用作外部设备串行通信数字转换电路供电，这部分对电压稳定性的要求没有上面几种要求高。电路采用常用的LM7805CV稳压集成块稳压，典型应用电路如图2-12所示。图中，输入INPUT为+12V，经稳压集成块稳压成+5V输出，电容in 和Co都为典型应用所选电容。图2-12 +5V供数字电源电路2.3.4 +10V液晶显示屏背光电源LCD屏，用于背景照明和LCD偏置，以及10V的偏置电压这些电源利用LCD控制器内部的电源控制器实现。如图所示，由L1、V1构成升压型DCDC转换器，L1为高频功率电感，V1为高频小功率开关晶体管。C4和R1构成的微分电路可以提高V1的导通和关闭速度，有利于提高电源效率，V1由脉冲宽度调制信号控制，在导通期间使用L1存储能量，在关闭时电感向负载释放能量，这样V1的集电极上生成高压脉冲信号，这个信号经过D1、C3和C6整流滤波后得到用于LED供电正电压，同样经过C2隔直流后再整流滤波得到用于LCD偏置的负电压，注意，电容C7是正端接地的。LED电流限制使用图所示的电路，V3和V4为LED驱动管，V2为电流采样管，V2、V3、V4是3个型号相同的晶体管。这3个晶体管的基级相连，因而基极电压相等。因为型号相同，所以基极到发射极电压近似相等，于是，R3、R6、R7上的压降近似相等，这样R3、R4上的电流被转换为R2上的反馈电压。控制器根据反馈电压自动调整图2中的PWM控制信号的占空比，从而改变输出LED供电电压，使反馈电压稳定在0.6V，通过LED的电流稳定在22mA，LCD偏置电压大约稳定在10V。 图2-13 背光驱动电源产生器图2-14 液晶显示器背光电流限制2.4 电源输噪声随着现代科学技术的飞速发展，电子，电力电子，电气设备应用越来越广泛，它们在运行中产生的高密度，宽频谱的电磁信号充满整个空间，形成复杂的电磁环境。复杂的电磁环境要求电子设备及电源具有更高的电磁兼容性，于是抑制电磁干扰的技术也越来越受重视。接地、屏蔽和滤波是抑制电磁干扰的三大措施，下面主要介绍在电源中使用的EMI滤波器及其基本原理和正确地应用方法。2.4.2 抗干扰设计的基本原则电子设备的供电电源，如220V50Hz交流电网或115V400Hz的交流发电机，都存在各式各样的EMI噪声，其中人为的EMI干扰源，如雷达、导航、通信等设备的无线电发射信号，会在电源线上和电子设备的连接电缆上感应出电磁干扰信号，电动旋转机械和点火系统，会在感性负载电路内产生瞬态过程和辐射噪声干扰，还有自然干扰源，比如雷电放电现象和宇宙中天电干扰噪声，前者的持续时间短但能量很大，后者的频率范围很宽。另外电子电路元器件本身工作时也会产生热噪声等。这些电磁干扰噪声，通过辐射和传导耦合的方式，会影响在此环境中运行的各种电子设备的正常工作。另一方面，电子设备在工作时也会产生各种各样的电磁干扰噪声。比如数字电路是采用脉冲信号（方波）来表示逻辑关系的，对其脉冲波形进行付里叶级数分析可知，其谐波频谱范围很宽。另外在数字电路中还有多种复杂频率的脉冲串，这些脉冲串包含的谐波更丰富，频谱更宽，产生的电磁干扰噪声也更复杂。各类稳压电源本身也是一种电磁干扰源，在线性稳压电路中，因整流而形成的单向脉冲电流也会引起电磁干扰，开关电源具有体积小，效率高的优点，在现代电子设备中应用越来越广泛，但因为它在功率变换时处于开关状态，本身就是很强的EMI噪声源，其产生的EMI噪声既有很宽的频率范围，又有很高的强度。这些电磁干扰也同样通过辐射和传导的方式污染电磁环境，从而影响其它电子设备的正常工作。对电子设备来说，当EMI噪声影响到模拟电路时，会使信号传输的信噪比变坏，严重时会使要传输的信号被EMI噪声所淹没，而无法进行处理。当EMI噪声影响到数字电路时，会引起逻辑关系出错，导致错误的结果。对电源设备来说，其内部除了功率变换电路以外，还有驱动电路、控制电路、保护电路 输入输出电平检测电路等，电路相当复杂。这些电路主要由通用或专用集成电路构成，当受电磁干扰而发生误动作时，会使电源停止工作，导致电子设备无法正常工作。采用电网噪声滤波器可有效防止电源因外来电磁噪声干扰而产生误动作。从电源输入端进入的EMI噪声，其一部分可出现在电源的输出端，它在电源的负载电路中会产生感应电压，成为电路产生误动作或干扰电路中传输信号的原因。这些问题同样也可用噪声滤波器来加以防止。在电源设备中采用噪声滤波器的作用如下：防止外来电磁噪声干扰电源设备本身控制电路的工作。防止外来电磁噪声干扰电源的负载的工作。抑制电源设备本身产生的EMI。抑制由其她设备产生而经过电源传输的EMI开关电源本身在工作时以及电子设备处于开关工作状态时，都会在电源设备的输入端出现终端噪声，产生辐射及传导干扰，也会进入交流电网干扰其它的电子设备，所以必须采取有效措施加以抑制。在抑制EMI噪声的辐射干扰方面，电磁屏蔽是最好的方式。而抑制EMI噪声的传导干扰方面，采用EMI滤波器是很有效的手段，当然应配合良好的接地措施。在国际上各个国家都实行了严格的电磁噪声限制规则，如美国有FCC，德国有FTZ，VDE等标准。如电子设备不满足噪声限制规则，则产品不能出售和使用。由于以上种种原因，在电源设备中必须要设计使用满足要求的电网噪声滤波器在电源设备输入引线上存在二种EMI噪声，共模噪声和差模噪声，把在交流输入引线与地之间存在的EMI噪声叫作共模噪声，它可看作为交流输入线上传输的电位相等，相位相同的干扰信号，而把交流输入引线之间存在的EMI噪声叫作差模噪声，它可看作在交流输入线传输的相位差180度的干扰信号，共模噪声从交流输入线流入大地的干扰电流，差模噪声是在交流输入线之间流动的干扰电流。对任何电源输入线上的传导EMI噪声，都可以用共模噪声和差模噪声来表示，并且可把二种EMI噪声看作独立的EMI源来分别抑制。在对电磁干扰噪声采取抑制措施时，主要应考虑抑制共模噪声，因为共模噪声在全频域特别在高频域占主要成分，而低频域差模噪声占比例较大，所以应根据EMI噪声的这个特点来选择适当的EMI滤波器共模电感线圈使用的磁芯有环形，E形和U形等，材料一般采用铁氧体，环形磁芯适用于大电流小电感量，它的磁路比E形和U形长，没有间隙，用较少的圈数可获得较大的电感量，由于这些特点它具有较佳的频率特性。而E形磁芯的线圈泄漏磁通小，故当电感漏磁有可能影响其它电路或其它电路与共模电感有磁耦合，而不能获得所需要的噪声衰减效果时，应考虑采用E形磁芯作共模电感。差模电感线圈一般采用金属粉压磁芯，由于粉压磁芯适用频率范围较低，在几十kHz几MHz，其直流重叠特性好，在大电流应用时电感量也不会大幅度下降，最适合作差模电感。电源噪声滤波器使用二种电容器，CX、CY1、CY2，它们在滤波器中的作用是不同的，还有不同的安全等级要求，因此其特性参数直接影响与滤波器的安全性能有关。差模电容CX接在交流进线两端，它上面除加有额定交流电压外，还会叠加交流进线之间存在的各种EMI峰值电压。所以该电容的耐压及耐瞬态峰值电压的性能要求较高，同时要求该电容失效后，不能危及后面电路及人身安全。CX电容器的安全等级又分为X1和X2两类，X1类适用于一般场合，X2类适用于会出现高的噪声峰值电压的应用场合。共模电容CY接在交流电进线与机壳地之间，要求它们在电气和机械性能上，应有足够大的安全余量，万一它们发生击穿短路，将使设备机壳带上危险的交流电，如设备的绝缘或接地保护失效，可能操作人员遭受电击，甚至危及人身安全。因此CY电容器的容量要进行限制，使其在额定频率的电压下漏电流小于安全规范值。另外还要求有足够的耐压及耐瞬态高峰值电压的余量，并且万一发生电压击穿它应处于开路状态，而不会使设备机壳带电。综上所述，在设计和选择电网噪声滤波器时，因为它们工作在高电压、大电流、恶劣的电磁干扰环境中，首先必须考虑所用电感器和电容器的安全性能，对于电感线圈、其磁芯、绕线的材料，绝缘材料和绝缘距离，线圈温升等都应予以重视。对于电容，其电容种类、耐压、安全等级、容量、漏电等都应优先考虑，特别要求选择经过国际安全机构安全认证的产直流开关稳压器中所使用的大功率开关器件价格较贵,其控制电路亦比较复杂,另外,开关稳压器的负载一般都是用大量的集成化程度很高的器件安装的电子系统。晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差。因而开关稳压器的保护应该兼顾稳压器本身和负载的安全通常选用几种保护方式加以组合构成完善的保护系统2.5.1 极性保护直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。由于操作失误或者意外情况会将其极性接错,将损坏开关稳压电源。极性保护的目的,就是使开关稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。由于二极管D要流过开关稳压器的输入总电流,因此这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。在较大功率的场合,则把性保护电路作为程序保护中的一个环节,可以省去极性保护所需的大功率二极管,功耗也将减小 开关电源的输入电路大都采用电容滤波型整流电路，在进线电源合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零，电容器充电瞬间会形成很大的浪涌电流，特别是大功率开关电源，采用容量较大的滤波电容器，使浪涌电流达100A以上。在电源接通瞬间如此大的浪涌电流，重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏，整流桥过流损坏。上述现象均会造成开关电源无法正常工作，为此开关电源设置了防止流涌电流的软启动电路，以保证电源正常而可靠运行。防浪涌软启动电路通常有晶闸管保护法和继电器保护法两大类。2.5.3 短路保护 开关电源同其它电子装置一样，短路是最严重的故障，短路保护是否可靠，是影响开关电源可靠性的重要因素。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）兼有场效应晶体管输入阻抗高、驱动功率小和双极型晶体管电压、电流容量大及管压降低的特点，是目前中、大功率开关电源最普遍使用的电力电子开关器件。IGBT能够承受的短路时间取决于它的饱和压降和短路电流的大小，一般仅为几s至几十s。短路电流过大不仅使短路承受时间缩短，而且使关断时电流下降率 过大，由于漏感及引线电感的存在，导致IGBT集电极过电压，该过电压可使IGBT锁定失效，同时高的过电压会使IGBT击穿。因此，当出现短路过流时，必须采取有效的保护措施。为了实现IGBT的短路保护，则必须进行过流检测。适用IGBT过流检测的方法，通常是采用电流传感器直接检测IGBT的电流Ic，然后与设定的阈值比较，用比较器的输出去控制驱动信号的关断；或者采用间接电压法，检测过流时IGBT的电压降Vce，因为管压降含有短路电流信息，过流时Vce增大，且基本上为线性关系，检测过流时的Vce并与设定的阈值进行比较，比较器的输出控制驱动电路的关断。在短路电流出现时，为了避免关断电流的 过大形成过电压，导致IGBT锁定无效和损坏，以及为了降低电磁干扰，通常采用软降栅压和软关断综合保护技术。在设计降栅压保护电路时，要正确选择降栅压幅度和速度，如果降栅压幅度大（比如7.5V），降栅压速度不要太快，一般可采用2s下降时间的软降栅压，由于降栅压幅度大，集电极电流已经较小，在故障状态封锁栅极可快些，不必采用软关断；如果降栅压幅度较小（比如5V以下），降栅速度可快些，而封锁栅压的速度必须慢，即采用软关断，以避免过电压发生。为了使电源在短路故障状态不中断工作，又能避免在原工作频率下连续进行短路保护产生热积累而造成IGBT损坏，采用降栅压保护即可不必在一次短路保护立即封锁电路，而使工作频率降低（比如1Hz左右），形成间歇“打嗝”的保护方法，故障消除后即恢复正常工作。 2.5.4 过压、欠压及过热保护 进线电源过压及欠压对开关电源造成的危害，主要表现在器件因承受的电压及电流能力超出正常使用的范围而损坏，同时因电气性能指标被破坏而不能满足要求。因此对输入电源的上限和下限要有所限制，为此采用过压、欠压保护以提高电源的可靠性和安全性。 温度是影响电源设备可靠性的最重要因素。根据有关资料分析表明，电子元器件温度每升高2，可靠性下降10%，温升50时的工作寿命只有温升25时的1/6，为了避免功率器件过热造成损坏，在开关电源中亦需要设置过热保护电路。第三章 存在的不足与改进 本设计中存在的最大不足，就是单片机的应用过少。单片机控制开关电源有很多方法，如单片机扩展AD,不断检测电源的输出电压,根据电源输出电压与设定值之差,输出PWM波,直接控制电源的工作。这种方式单片机介入电源工作最多。但是这样对单片机的要求很高，并且整个电路设计复杂，外围电路繁多，成本高昂。所以为了控制成本，简化电路，提高可靠性。只能放弃单片机的很多高级功能，只采用了单片机的计数功能。在设计中，通过对电路的稳定性，扩展性进行改进，选用由RS触发器构成的双稳态开关作为开关电源的控制电路，以及单片机辅助控制。增强对开关电源的控制，最终完成符合要求的设计。结论毕业论文是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次毕业设计锻炼了我的动手能力。将四年学习的专业知识连贯起来，加深了对理论知识的了解。在理论与实践相结合中，自己的能力得到了巨大的提高。本文设计的是整机电源，具有多端口输出，可以为模拟电路，数字电路，LCD电路提供直流电压。可由控制面板和单片机来控制整机电源的工作。电源是电子产品的动力来源，如同人的心脏一样重要。所以对于电源的设计，要从高效，节能，安全，稳定，这四个方面考虑。把市电220V的交流电压转化为+5V,+10V等等的直流电压，要做到转化迅速，准确，工作效率要高。选用开关电源就能很好的做到这一点。节能的要求，对现代工业化时代具有很重要的意义。故在本文的设计中采用单片机控制的方式，在无信号时转化电源的工作状态到待机状态，保持低电量的损耗。采用选取VMOS大功率管F9530N为开关管也是利用VMOS功率管的低耗特点来减低整机电源的功耗。对于电源的控制部分是整个电源电路的核心部分。有它控制电源的工作开关，工作状态等等。CMOS门电路构成的触发器具有功耗低、抗干扰能力强、电源适应范围大等优点，故采用CMOS与非门MC14093B U24 作为RS触发器主芯片。MC14093B U24 门电路具有很好的抗干扰能力。通过RS触发器来构成电源的控制核心。在设计中保护电路，以及电源的稳定性也得到了最大的关注。本文设计的电源就是以高效的控制能力，以及低耗能为设计重点。具有简单的电路结构，稳定的工作状态的特点。具有丰富的外围电路扩展，使得外围电路可以设计的更加简单，灵活。 致 谢在这次毕业设计的过程中，老师和同学们给了我很多很多的帮助和支持，如果没有他们的帮助和支持，我的毕业设计不会如此顺利的完成。在所有要感谢的人中，我要特别感谢我的指导老师黄振老师。黄振老师不断对我的设计进行总结，并提出新的问题，使得我的毕业设计课题能够深入地进行下去，也使我接触到了许多理论和实际上的新问题，使我做了许多有益的思考。在此表示诚挚的感谢和由衷的敬意。参考文献1 周邦雄.实用电源技术手册.吉林电子出版社，20002 王志强.开关电源设计.华南理工大学出版社，20023 丁建华.实用开关电源设计百科全书.中国知识出版社，19994 孙启林.新型开关电源优化设计与实例详解全书.北京工业大学出版社，20035 张毅刚.MCS51单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社，19906 丁元杰.单片微机原理及应用.机械工业出版社，20067 陈国呈.PWM变频调速技术机械工业出版社，19988 黄振.电子技术在生物医学工程的应用.人民教育出版社.19919 张燕宾.PWM变频调速应用技术 第2版 .机械工业出版社，200210 童诗白.模拟电子技术基础.高等教育出版社，200011 阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社，199712 Abraham.Switchin