基于MT7930的开关电源的设计毕业论文.doc

第一章：绪论基于MT7930的开关电源的设计毕业论文42目录目录摘要1第一章：绪论41.1 开关电源的发展过程及应用41.2 LED的发展史和性能91.3 本课题的研究内容、研究方法和意义12第二章：开关电源概述142.1 线性电源和开关电源142.1.1线性电源和开关电源的区别142.1.2线性电源和开关电源的比较142.2 开关电源的基本组成、基本原理和分类162.2.1开关电源的基本组成162.2.2开关电源的基本原理162.2.3开关电源的分类17第三章：主要电路的设计193.1 控制、驱动和保护电路的设计193.1.1控制电路193.1.2驱动电路203.1.3保护电路223.2 电力MOSFET的设计253.2 .1功率MOSFET的特性253.2.2功率MOSFET的主要参数273.2.3 功率MOSFET的驱动和保护电路28第四章：基于MT7930的开关电源的设计314.1 集成控制器设计314.1.1 集成控制芯片MT7930的介绍314.1.2 MT7930与其他控制器比较的优缺点分析354.2输入部分的设计354.2.1 EMC部分的设计354.2.2整流滤波电路的设计374.3 起动电阻和电容的设计384.4 高频变压器的设计384.5 PCB板的设计40参考文献43 第一章：绪论第一章：绪论1.1 开关电源的发展过程及应用20kHz开关电源从70年代在国外开始出现，到现在开关电源已在计算机、通信、家用电器等领域广泛应用。随着集成电路、功率开关器件的发展，开关电源经历了从分离元件到集成化、从较低频率到较高频率、从小容量到大容量的过程。开关电源技术也从简单发展到复杂并趋向成熟。早在20世纪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。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，开关电源技术也不断的创新。 电子技术的飞速发展，作为电子系统心脏的电源也获得了空前进展。电力电子技术是重要的支撑科技，据美国总统科学和技术顾问委员会提出，国家关键性的科技领域有七个方面：能源、环保、资讯与通信、生命科学、材料和交通。每一领域无一不和电力电子有关，都在起着重要作用，而开关电源是其中的一个重要方面，有着深远的美好前景。开关电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程，由于开关电源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，从而取代了相控电源，成为通信电源的主体，并向着高频小型化、高效率、高可靠性的方向发展。计算机控制、计算机通信和计算机网络技术的快速发展，为通信电源监控系统的发展和完善提供了外部条件，使其发展逐步实现少人值守，直至无人值守。开关电源和线性电源是现代电子电源发展的两个主要方面，开关电源以功耗小、效率高、体积小、重量轻的优势几乎席卷了整个电子界。开关电源技术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。随着微处理器尺寸不断减小，需要发展小型轻型电源；电源的小型化、轻量化，对便携式通信设备(如移动电话等)更为重要。为达到高功率密度，必须提高开关电源工作频率。下一代微处理机还要求更低输出电压(1V)的开关电源。对通信开关电源的要求是：高功率密度、外形尺寸小、高效率、高性能、高可靠性、高功率因数(AC输入端)，以及智能化、低成本、EMI小、可制造性(Manufacturability)、分布电源结构(Distributed Power Architecture)等。高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及智能化电源系统，仍然是今后通信开关电源的发展方向。20世纪推动开关电源性能和质量不断提高的主要技术是：新型高频功率半导体器件；软开关技术；控制技术；有源功率因数校正技术；Magamp后置调节器技术；饱和电感技术；分布电源技术、并联均流技术；电源智能化技术和系统的集成化技术 开关电源技术的发展趋势:开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各在开关电源制造商都致力同步开发新型高智能化的元器件。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对提高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋势，可以用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术仍需在这一领域开展大量的工作，使得多项技术得以实用化。电力电子技术的不断创新，开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。半导体和电路器件是开关电源发展的重要支撑。可以预计，下面几个问题是开关电源发展的永恒方向：(1)开关电源频率要高，这样动态响应才能快，配合高速微处理器工作是必须的；也是减小体积的重要途径。(2)体积要减小，变压器电感、电容都要减小体积。(3)效率要高，产生的热能会减少，散热会容易，容易达到高功率密度。开关电源向集成化方向发展也将是未来的主要趋势,功率密度将越来越大,对工艺的要求也会越来越高.在半导体器件和磁性材料没有新的突破之前,重大的技术进展可能很难实现,技术创新的重点将集中在如何提高效率和减小重量.因此,工艺水平将会在电源制造中占的地位越来越高.另外,数字控制集成电路的应用也是将来开关电源发展的一个方向.这信赖于DSP运行速度和抗干扰技术的不断提高.随着数字控制的普及,也许会有一些新的控制理论运用到开关电源中来。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。小型、薄型、轻运化。1）高效率。为了使开关电源较、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。理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感器和电容器的体积和重量与供电频率的平方根成反比。所以，当我们把频率从工频50Hz提高400倍到20kHz时,则电气设备的体积和重量大体下降至工频设计的5l0。无论是逆变式整流焊机,还是通信电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统整流行业的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,可节约主要材料90或更多,还可节电30或更多。由于功率器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,可节能、节水、节约材料，由此带来相当可观的经济效益,更可体现技术含量的价值。2）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。3）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。4）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。5）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。6）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。7）绿色化电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次是这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种校正功率因数的方法，为2l世纪批量生产各种绿色开关电源奠定了基础。 现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的拓扑电路的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大地发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的不利影响减至最小,新的电源拓扑电路和新型控制技术,可使功率开关在零电压或零电流状态下工作,从而可大大提高工作频率,提高开关电源的工作效率,设计出性能优良的开关电源。 电力电子及开关电源技术随应用需求而不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着IC技术的发展,以开关电源技术为核心的电子设备用开关电源,仅国内就有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源已是大势所趋,因此,同样具有几十亿市场需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来，另外，还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。新型的高功率开关电源(平均功率200kW)具有体积小、重量轻、效率高、稳压范围宽等优势，而且具有先进的自动控制技术。主要作为高功率脉冲电源的初级电源和大型军用设备的电源系统，也可以应用于大电流快速充放电系统和电子、通信、航天、医疗等各个领域，其中，几十几百千瓦的大、高功率开关电源主要应用于现代化工业、国防事业和大型科研项目中，具有非常广泛的应用前景。国外的高功率开关电源研制技术较为成熟，并主要应用于工业和军事上。在粒子加速器、电磁发射、电磁推进、微波武器等脉冲功率技术应用的领域中，电源设备的平均功率通常在几百kW甚至几MW以上，体积和重量只有国内的几十分之一，而且自动化程度非常高。近年来，国内的小功率开关电源技术已日趋成熟，基本能够满足工业生产和军事发展的需要。此次，电工所研制成功的高压稳压电源对于我国的工业发展将起到深远的影响，但只能在工频频率下工作。目前，在高功率高频开关电源研制技术上，我国还是一片空白，远远落后于发达国家。最近研制成功的“50kW / 40kHz 高压稳压电源”代表着国内高频大功率开关电源的先进技术水平。“200kW开关电源”的研究，标志着我国的高功率脉冲电源技术翻开了历史性的一页。开关电源最大的应用领域是在通信行业。1994年我国原邮电部作出重大决策，要求通信领域推广使用开关电源以取代相控电源。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。进入21世纪，我国工业界、学术界、电力电子、电子电源、通信、材料等行业，还应协同和通信开关电源相关的产品和技术。高频开关电源技术既可应用于光导通讯电源、程控交换机电源、移动通信电源，也可应用于航运、铁路、电力等部门的稳压、充电、逆变电源、操作电源、超高压电源、直流无极变速电源、激光光电子设备电源、高频焊机电源，以及一切以24V、36V、48V、72V、110V、220V、320V输出为基础的大功率工作电源，应用面非常广阔。由于电源在通信系统中处于心脏的地位，因此通信系统对高频开关电源的各项指标要求都非常严格，尤其对功率因数、稳压精度、杂音电压及效率的要求很高。所以可以说通信系统中使用的高频开关电源代表了开关电源整体行业的水平，也代表了开关电源的最新技术。1.2 LED的发展史和性能1907年Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用；更难处在于碳化硅与电致发光不能很好的适应，研究被摒弃了。二十年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wid 在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光，再一次因发光暗淡而停止。 1936年,George Destiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电流的应用和广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。二十世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED,并于60年代面世。据说在早期的试验中，LED需要放置在液化氮里，更需要进一步的操作与突破以便能高效率的在室温下工作。第一个商用LED仅仅只能发出不可视的红外光，但迅速应用于感应与光电领域。 60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。到70年代中期，磷化镓被使用作为发光光源，随后就发出灰白绿光。LED采用双层磷化镓蕊片（一个红色另一个是绿色）能够发出黄色光。就在此时，俄国科学家利用金刚砂制造出发出黄光的LED。尽管它不如欧洲的LED高效。但在70年代末，它能发出纯绿色的光。到80年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的LED的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。到20世纪90年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。第一个有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期，再一次利用金钢砂早期的半导体光源的障碍物。依当今的技术标准去衡量，它与俄国以前的黄光LED一样光源暗淡。到90年代中期，出现了超亮度的氮化镓LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓LED。超亮度蓝光蕊片是白光LED的核心，在这个发光蕊片上抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自蕊片上的蓝色光源再转化为白光。就是利用这种技术制造出任何可见颜色的光。今天在LED市场上就能看到生产出来的新奇颜色，如浅绿色和粉红色。有科学思想的读者到现在可能会意识到LED的发展经历了一个漫长而曲折的历史过程。事实上，最近开发的LED不仅能发射出纯紫外光而且能发射出真实的“黑色”紫外光。那么LED发展史到低能走多远，不得而知。也许某天就能开发出能发X射线LED。早期的LED只能应用于指示灯、早期的计算器显示屏和数码手表。而现在开始出现在超亮度的领域。将会在接下的一段时间继续下去。LED 光源与白炽灯的对比优点:(1) LED 光源发光效率高。一般白炽灯、卤钨灯光效为 12-24 流明/瓦、荧光灯 50-70 流明/瓦、钠灯 90-140 流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗。而LED 光效：可发到 50-200 流明/瓦，而且发光的单色性好，光谱窄，无需过滤，可直接发出有色可见光。（2) LED 光源耗电量少。LED 单管功率 0.03-0.06 瓦，采用直流驱动，单管驱动电压 1.5-3.5 伏。电流15-18 毫安反映速度快，可在高频操作，用在同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯的万分之一，荧光管的二分之一，如采用光效比荧光灯还要高 2 倍的 LED灯来替代一半的白炽灯和荧光灯、每年可节约相当于 60 亿升原油，同样效果的一支日光灯 40 多瓦，而采用 LED 每支的功率只有 8 瓦。（3) LED 光源使用寿命长。白炽灯、荧光灯、卤钨灯是采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧，热沉积、光衰减等特点，而采用 LED 灯体积小，重量轻，环氧树脂封装，可承受高强机械冲击和震动，不易破碎，平均寿命达 10 万小时，LED 灯具使用寿命可达 5-10 年，可以大大降低灯具的维护费用避免经常换灯之苦。（4) LED 光源安全可靠性强、发热量低、无热辐射性、冷光源、可以安全抵摸，能精确控制光型及发光角度、光色和、无眩光、不含汞，钠元素等可能危害健康的物质。（5) LED 光源有利环保。LED 为全固体发光体、耐冲击不易破碎、废弃物可回收、没有污染减少大量二氧化硫及氮化物等有害气体以及二氧化碳等温室气体的产生改善人们生活居住环境，可称“绿色照明光源。”当然，节能是我们考虑使用 LED 光源的最主要原因，也许 LED 光源要比传统光源昂贵，但是用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得 4-9 年中每年几倍的节能净收益期。LED 电源和驱动电路主要技术概况：作为一种新的光源，近年来对 LED 电源和驱动电路的研究方兴未艾。与荧光灯的电子镇流器不同，LED 驱动电路的主要功能是将交流电压转换为直流电压，并同时完成与 LED 的电压和电流的匹配。随着硅集成电路电源电压的直线下降，LED 工作电压越来越多地处于电源输出电压的最佳区间，大多数为低电压 IC供电的技术也都适用于为 LED，特别是大功率 LED 供电。再则，LED 电源还应能利用低电压 IC 电源产量逐渐上升带来的规模经济。LED 驱动电路的主要技术及指标有：（1）电压变换技术电源是影响 LED 光源可靠性和适应性的一个重要组成部分必须作重点考虑。目前我国的市电是 220V 的交流电，而 LED 光源属半导体光源，通常是用直流低电压供电，这就要求在这些灯具中或外部设置 AC-DC 转换电路，以适应 LED 电流驱动的特征。目前电源选择的途径有开关电源、高频电源、电容降压后整流电源等多种，根据电流稳定性，瞬态过冲以及安全性、可靠性的不同要求作不同选择。（2）电源与驱动电路的寿命与成本LED 寿命方面，虽然单颗 LED 本身的寿命长达 10 万小时，但其应用时必须搭配电源转换电路，故 LED 照明器具整体寿命必须从光电整合应用加以考虑。但对照明用 LED，为达到匹配要求，电源与驱动电路的寿命必须超过 10 万小时，使其不再成为半导体照明系统的瓶颈因素。在考虑长寿命的同时又不能增加太多的成本，电源与驱动电路的寿命与成本的通常不宜超过照明系统总成本的三分之一，在半导体照明灯具产品发展的初期，必须平衡好电源与驱动电路的寿命与成本的关系。1.3 本课题的研究内容、研究方法和意义 电源在一个典型系统中担当着非常重要的角色，从某种程度上，可以看成是系统的心脏，电源给系统的电源提供持续的稳定的能量，使系统免受外部的侵扰并防止系统对其自身作出伤害，如果电源内部发生故障，不应造成系统故障，然而，电源如此重要的作用并没有得到应有的重视，在设计一个系统时，电源系统总是首先被搁置一边，直到设计最后才考虑电源的问题，出现这种原因只要有2个，第一，没有人愿意接触这个东西，因为所有的人都想设计更能令人振奋的电路，并且拥有电源方面专门只是的工程师，第二，在系统调试阶段，一般由通用电源提供系统所需的电能。电源有如人体的心脏，是所有电设备的动力。标志电源特性的参数有功率、电压、频率、噪声及带负载时参数的变化等等；在同一参数要求下，又有体积、重量、形态、效率、可靠性等指标，电源的形式很多。广泛地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一种形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称开关电源。开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的导通与截止，将直流电转化为高频率的变流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多。所以开关变压器可以做得很小，而且工作时不是很热，成本很低。如果不将50Hz变为高频那开关电源就没有意义。开关变压器也不是神秘，就是一个普通的变压器，它的主要组成部分是DC/DC变换器，因为它是转换的核心，涉及频率变换。电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域，其中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小和重量轻等突出优点，获得了广泛地应用。开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型，前者是一个单闭环电压控制系统，系统响应慢，很难达到较高的线形调整率精度；后者是一个电压、电流双闭环控制系统，电流控制型较电压控制型有不可比拟的优点。一般脉宽调制器是按反馈电压来调节脉宽的。所谓电流控制型脉宽调制器是按反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型的控制器。近年来，开关电源在通信、工业自动化、航空、仪表仪器等领域的应用越来越广泛。新颖的电流型PWM克服了传统的电压型PWM的缺点，使开关电源具有快速的瞬态响应、高度的稳定性、更好的电压调整率，特别是其内在的限流能力，使过载及短路保护简单可靠。电流型PWM集成控制器已经产品化，本设计使用的是MT7930，其特别适合于小功率型开关电源。本章小结：本章主要介绍开关电源的发展过程及其应用，从其发展过程了解开关电源的重要性，以及其应用的领域的广泛。同时，本章也介绍了LED灯的发展史和性能，从中我们也看到了这种绿色、环保、节能灯的广阔前境，从它和现在的白炽灯的比较中我们可以看出它将取代白炽灯成为是新一代灯。第二章：开关电源概述第二章：开关电源概述2.1 线性电源和开关电源2.1.1线性电源和开关电源的区别 线性电源的调整管工作在放大状态，因而发热量大，效率低（35%左右），需要加体积庞大的散热片，而且还需要同样也是大体积的工频变压器，当要制作多组电压输出时变压器会更庞大。而开关电源的调整管工作在饱和和截至状态，因而发热量小，效率高（75以上）而且省掉了大体积的变压器。但开关电源输出的直流上面会叠加较大的纹波，在输出端并接稳压二极管可以改善，另外由于开关管工作是会产生很大的尖峰脉冲干扰，也需要在电路中串连磁珠加以改善。相对而言线性电源就没有以上缺陷，它的纹波可以做的很小。对于电源效率和安装体积有要求的地方用开关电源为佳，对于电磁干扰和电源纯净性有要求的地方（例如电容漏电检测）多选用线性电源。另外当电路中需要作隔离的时候现在多数用DCDC来做对隔离部分供电。还有，开关电源中用到的高频变压器可能绕制起来比较麻烦。 开关电源和线性电源在内部结构上是完全不一样的，开关电源顾名思义有开关动作，它利用变占空比或变频的方法实现不同的电压，实现较为复杂，最大的优点是高效率，一般在90以上，缺点是文波和开关噪声较大，适用于对文波和噪声要求不高的场合；而线性电源没有开关动作，属于连续模拟控制，内部结构相对简单，芯片面积也较小，成本较低，优点是成本低，文波噪声小，最大的缺点是效率低。它们各有有缺点在应用上互补共存！2.1.2线性电源和开关电源的比较1、 线性电源采用线性稳压电源的稳压电源电路中的调整功率管工作在线性放大区。线性稳压电源的工作过程可简述为：将220V/50HZ的工频电网电压经过线性变压器降压以后，再经过整流、滤波和线性稳压，最后输出一个纹波电压和稳定性均能符合要求的直流电压。其原理框图如下图2-1所示。图2-1 线性电源原理图线性电源的优点有：（1）电源稳定度较高。（2）输出纹波电压较小。（3）瞬态响应速度较快。（4）线路结构简单，便于理解和维修。（5）无高频开关噪声。（6）成本低。（7）工作可靠性较高。线性电源的缺点有：（1）内部功耗大，转换效率低，其转换效率一般只有45%左右。（2）体积大，重量重，不便于微小型化。（3）滤波效率低，必须具有较大的输入和输出滤波电容。（4）输入电压动态范围小，线性调整率低。（5）输出电压不能高于输入电压。2、 开关电源开关电源由全波整流器、功率开关管V、脉宽调制（PWM）控制与驱动器、续流二极管VD、储能电感L、输出滤波电容C和取样反馈电路等组成。开关电源的原理框图和等效原理图如下：开关电源的优点：（1）内部功率损耗小，转换效率高。（2）体积小，重量轻。（3）调整范围宽，线性调整率高。（4）滤波效率大为提高，滤波电容的容量和体积大为减小（5）电路形式灵活多样，选择余地大。开关电源的缺点：（1）开关电源存在着较为严重的开关噪声和干拢。（2）电路结构复杂，不便于维修。（3）成本高，可靠性低。2.2 开关电源的基本组成、基本原理和分类2.2.1开关电源的基本组成开关电源的组成由以下几个部分组成（1）主电路 包括输入滤波器、整流与滤波、逆变、输出整流与滤波;(2)控制与保护电路；(3)检测与显示电路 除了提供保护电路所需的各种参数外，还提供各种显示数据；2.2.2开关电源的基本原理 开关稳压电源电路如图所示。图中的开关K以一定的时间间隔重复的接通和断开，在K接通时，输入电源通过K滤波电路供电给负载RL，当K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份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。上图中，由储能电感L、滤波电容C2和续流二极管D组成的电路，就具有这种功能。在AB间的电压平均值VAB可用公式表示，式中：为K导通时间；T为K工作周期；D为占空比，D=/T。图24 开关稳压电源电路图由式（1）可知，改变D，即可改变。因此，随着负载及输入电源电压的变化调整D便能使输出电压Vo维持不变。这种控制方法称为时间比率控制（Time Ratio Control , 缩写为TRC）。按TRC原理，它有3种方式：（1）脉冲宽度调制（PWM），其开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式； （2）脉冲频率调制（PFM），导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式；（3）混合调制，导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上两种方式的混合。本课题主要研究脉冲宽度调制（PWM）技术。2.2.3开关电源的分类 常见的开关稳压电源分类方法有下列几种：1、按激励方式划分有：（1）反激式。电路中专设激励信号产生的震荡器。（2）自激式。开关管兼作震荡器中的震荡管。2、按调制方式划分有：（1）脉宽调制型。震荡频率保持不变，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。（2）频率调整型。占空比保持不变，通过改变震荡器的震荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。（3）混合型，。通过调节到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有：（1）开关型。用开关晶体管把直流变成高频标准方波，电路形式似于他激式。（2）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、按储能电感与负载的连接方式划分有：（1）串联型。储能电感串联在输入与输出电压之间。（2）并联型。储能电感并联在输入与输出电压之间。5、按晶体管的连接方式划分有：（1）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。（2）推挽式。使用两个开关晶体管，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。（3）半桥式。使用两个开关晶体管，将其连接成半桥的形式。它的特点是适应输入电压较高的场合。（4）全桥式。使用四个开关晶体管，将其连接成全桥的形式。它的特点是输出功率较大。6、按工作方式划分有：（1）可控整流型。所谓可控整流型开关稳压电源，是指采用可控硅整流元件作为调整开关管，可由交流市电电网直接供电，也可用电压器变压后供电。（这种供电方式在开关稳压电源刚兴起的初期常常采用，目前基本上不太采用。（2）斩波型。斩波型开关稳压电源是指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电路的输出端得到单向的脉动直流，经过滤波得到与输入电压不同的稳定的输出电压。电路还从输出电压取样，经过比较、放大，控制脉冲发生电路产生的脉冲信号，用以控制调整开关的导通时间和截止时间的长短或开关的工作频率，最后达到稳定输出电压的目的。电路的过压保护电路也是依据这一部分所提供的取样信号来进行工作的。（3）隔离型。这种形式的开关电源是在输入回路与逆变电路之间、经过高频变压器（也可称为开关变压器），利用磁场的变化实现能量传递，没有电流间的直流流通。隔离型开关稳压电源采用直流供电，经过开关电路，将直流电变成频率很高的交流电，再经过变压器、变压（升压或降压），然后经整流器整流，最后就可以得到新的、极性和数值各不相同的多组直流输出电压。电路从输出端取样，经放大后反馈至开关控制端，控制驱动电路的工作，最后达到稳定输出电压的目的。这种形式的开关稳压电源在实际应用得最为广泛。7、按控制信号的隔离方式分有：（1）采用光电耦合的隔离方式。（2）采用变压器的隔离方式。（3）电压/频率变换、频率/电压变换、用变压器隔离控制信号的方式。（4）采用磁放大器的隔离方式。以上开关稳压电源的品种都是站在不同的角度，以开关稳压电源不同的特点命名的。尽管各种电路的激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方式、开关管器件种类以及串并联结构等各不相同，但是它们最后总可以归结为串联型开关稳压电源和并联型稳压电源这两大类。本章小结：开关电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程，而开关电源具有功率效率高等特点。本章主要通过线性电源和开关电源的比较和区别，分析了它们的优缺点，从中特出了开关电源的重要作用。同时，本章也介绍了开关电源的基本组成、工作原理和分类方法。第三章：主要电路的设计第三章：主要电路的设计3.1 控制、驱动和保护电路的设计3.1.1控制电路 不论是降压型开关电源、升压型开关电源，还是极性反转型开关电源电路，要能够保证其正常工作，都需要相应的、要求非常严格的控制信号来控制和调节驱动器所产生的驱动信号，从而使电路中的功率开关管能够安全、可靠地按照我们对输出电压的要求所对应的脉冲宽度或脉冲频率来导通或者截止。产生这种控制信号的电路即为开关电源电路中的控制电路。常用的控制电路包括取样、比较、基准源、振荡器、脉宽调制器（PWM）或脉频调制器（PFM）等电路。目前，新型的较为先进的开关稳压电源电路中还包括有误差检测和误差放大电路部分。它们均是把输出端的不稳定因素（其中包括过流、过压、欠压、过热等现象）检测出来并放大后输送给调制电路，最后使调制电路通过调节驱动信号的脉冲宽度或者频率来消除这些不稳定因素的，整个电路形成一个具有自适应能力的自动控制反馈闭合环路，其等效原理图如下图3-1所示： 图3-1 开关电源等效原理图 对于自激式开关电源电路来说，控制电路起着从主电路中取出驱动信号的任务；对于他激式开关电源电路来说，控制电路则起着要产生控制信号的任务；对于双端式开关电源电路来说，则要求控制电路能够产生两个相位差为180度、具有一定死区间隔、脉冲宽度可以调节的控制脉冲信号。因此，不同类型的开关电源电路对控制电路的在求是各不相同的。下图所示的开关电源电路就是一个采用分立器件组成的脉冲宽度固定、脉冲频率可调的控制电路。图中的二极管VD4 在电路中起增大功率开关管V1反压的作用。图 所示的开关电源电路却是一个采用分立元器件组成的脉冲频率固定、脉冲宽度可调的控制电路。3.1.2驱动电路开关电源中驱动电路的作用是将控制电路的驱动脉冲放大到足以激励开关晶体管，它是决定PWM型开关电源优劣的要素之一。开关电源电路中的功率开关管要求在关断时能够迅速地关断，并能维持关断期间的漏电流近似等于零件；在导通时要能够迅速地导通，并能维持导通期间的管压降近似等于零。功率开关管趋于关断时的下降时间和趋于导通时的上升时间的长短是降低功率开关管损耗功率、提高开关稳压电源转换效率的主要因素。要缩短这两个时间，除选择高反压、高速度、大电流功率开关管以处，主要还取决于加在功率开关管基板的驱动信号。下面是常用的几种驱动电路的设计方法。1、单端式脉冲变压器驱动电路单端式脉冲变压器驱动电路实际上是一个单端正激式逆变器电路，其原理电路如图3-2所示。这种电路的优点是电路结构简单，所用元器件少，电路中的脉冲驱动变压器可以与功率开关变压器合用一个；缺点是它所提供的反向偏压幅度和持续时间的长短与正向驱动电流的大小和持续时间有关，仅依靠反向激励能量有时不易得到满意的效果。因此，这种电路仅适宜在较小功率的条件下使用。图3-2 单端式驱动电路原理图 图3-3 抗饱和驱动电路原理图2、抗饱和驱动电路抗饱和的目的是防止功率开关管在导通期间进入饱和区太深，以致造成当功率开关管退出导通状态而进入截止状态时的下降时间太长，从而造成功率开关管的功耗增大。为了实现这一目的，从图3-3所示的抗饱和驱动原理电路中可以看出，基极始终比集电极多一个二极管的正向管压降0.75V，因此就可以防止功率开关管进入深饱和区状态。这种电路的特点是减小了关断存储时间即关断功耗，提高了功率开关管的工作频率；缺点是略微增加了功率开关管的导通功耗。3、比例驱动电路这种比例驱动电路一般都使用于要求电源输出功率较大的场合，电路的优点是它所提供的驱动信号可以随功率开关管基极所要求的驱动频率和驱动电流而变化，使用较为灵活，并且可以实现初、次级的隔离等；缺点是电路结构较为复杂，若不采用光耦合器进行耦合或隔离，就得采用变压器进行耦合或隔离。4、固定反偏压驱动电路图3-4所示的电路就是一个固定反偏压驱动电路的原理电路图。从图中可以看出，基极驱动电路中加进了一个固定反偏压-E，这就要求正向驱动脉冲信号的幅度和能量足够大，功率开关管正向导通时，除了要有一部分电压和能量来抵消掉反偏压-E以外，还要能够维持功率开关管处于饱和导通状态。当正向驱动脉冲信号结束后，反偏压-E通过一个阻值较小的电阻R立即加到功率开关管的基极，使功率开关管能够以很快的速度、在很短的时间内达到了降低功率开关管功耗的目的。这种电路的优点是提高了电路的抗干扰能力，避免了功率开关管的误导通现象；缺点是增加了一组负电源，使电路结构变得较为复杂。图3-4 固定反偏压驱动电路原理图 图3-5 互补驱动电路原理图 5、互补驱动电路互补驱动电路实际上是一个互补推挽式射极跟随器电路，其最基本的电路原理如图3-5所示。它由两个极性相反的晶体管V1和V2构成推挽式射极跟随电路。这种电路特别适应容性负载的场合，能使电源电路中功率开关管的上升沿和下降沿的特性变好，能降低功率开关管的功率损耗；缺点是构成电路的这两个极性相反的晶体管要求较为严格，必须配对。6、发射极开路式驱动电路发射极开路式驱动电路的原理电路如图1-25所示。这种驱动电路主要是为了消除固定反偏压驱动电路所存在的反偏压二次击穿的潜在危险而设计的。其缺点是对元器件选择和要求较为苛刻，也就是要求电路中的晶体管V1放大倍数。 图3-6 发射极开路式驱动电路原理图 3.1.3保护电路 开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，防过压、过热、过流等保护电路。对于开关电源的保护电路的要求一般要做到如下几点：（1）软启动自动保护电路的延迟时间一定要大于开关电源电路中一次整流和滤波电路的恢复时间，主要是指一次整流后的滤波电容的充电时间。（2）过流、过压和过热保护电路中的取样处理、反馈控制和关断功率开关管等过程所用的时间总和要小于功率转换周期时间，也就是这些保护电路的控制关断功率速度一定要快。只有这样才能够做到即保护了负载系统，又保护了稳压电源电路本身免遭破坏。（3）对于过流保护电路来说，当导致产生过流现象的故障被排除后，或过流现象恢复后，电源电路要能够自动恢复正常工作。另外对于一些较为先进的电子设备和机电产品中的电源系统，不但要求具有各种保护电路，而且还要求肯有各种状态显示以及自诊断功能。一款好的LED开关电源除了需要稳定、高效、可靠外，电路的各种保护措施也必须精心设计，以避免在复杂环境条件下能够迅速的对电源电路和负载进行有效保护，现在介绍LED开关电源的几种常见保护电路。 1、过电流保护电路 在直流LED开关电源电路中，为了保护调整管在电路短路、电流增大时不被烧毁。其基本方法是，当输出电流超过某一值时，调整管处于反向偏置状态，从而截止，自动切断电路电流。如图1所示，过电流保护电路由三极管BG2 和分压电阻R4、R5组成。电路正常工作时，通过R4与R5的压作用，使得BG2 的基极电位比发射极电位高，发射结承受反向电压。于是BG2 处于截止状态（相当于开路），对稳压电路没有影响。当电路短路时，输出电压为零，BG2 的发射极相当于接地，则BG2 处于饱和导通状态（相当于短路），从而使调整管BG1 基极和发射极近于短路，而处于截止状态，切断电路电流，从而达到保护目的。 图3-7 LED开关电源输入过电流保护电路2、过电压保护电路 直流LED开关电源中开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。如果开关稳压器所使用的未稳压直流电源（诸如蓄电池和整流器）的电压如果过高,将导致开关稳压器不能正常工作,甚至损坏内部器件,因此LED开关电源中有必要使用输入过电压保护电路。图3为用晶体管和继电器所组成的保护电路，在该电路中，当输入直流电源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时，稳压管击穿，有电流流过电阻R，使晶体管T导通，继电器动作，常闭接点断开，切断输入。输入电源的极性保护电路可以跟输入过电压保护结合在一起,构成极性保护鉴别与过电压保护电路。 图3-8 LED开关电源输入过电压保护电路3、软启动保护电路 开关稳压电源的电路比较复杂，开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的输入滤波器。在开机瞬间,滤波电容器会流过很大的浪涌电流,这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化,并使输入保险丝熔断。另外，浪涌电流也会损害电容器,使之寿命缩短,过早损坏。为此,开机时应该接入一个限流电阻,通过这个限流电阻来对电容器充电。为了不使该限流电阻消耗过多的功率，以致影响开关稳压器的正常工作,而在开机暂态过程结束后，用一个继电器自动短接它,使直流电源直接对开关稳压器供电，这种电路称之谓直流LED开关电源的“软启动”电路 。 4、过热保护电路 直流LED开关电源中开关稳压器的高集成化和轻量小体积，使其单位体积内的功率密度大大提高，因此如果电源装置内部的元器件对其工作环境温度的要求没有相应提高，必然会使电路性能变坏，元器件过早失效。因此在大功率直流LED开关电源中应该设过热保护电路。 本文采用温度继电器来检测电源装置内部的温度，当电源装置内部产生过热时，温度继电器就动作，使整机告警电路处于告警状态，实现对电源的过热保护。如图3-9所示，在保护电路中将P型控制栅热晶闸管放置在功率开关三极管附近，根据TT102的特性（由Rr值确定该器件的导通温度，Rr越大，导通温度越低），当功率管的管壳温度或者装置内部的温度超过允许值时，热晶闸管就导通，使发光二极管发亮告警。倘若配合光电耦合器，就可使整机告警电路动作，保护LED开关电源。该电路还可以设计成如图5(b)所示，用作功率晶体管的过热保护，晶体开关管的基极电流被N型控制栅热晶闸管TT201旁路，开关管截止，切断集电极电流,防止过热。 图3-9 LED开关电源过热保护电路在开关电源中，电力电子器件是最为关键的元器件。为降低器件的功率损耗、提高效率，电力电子器件通常工作于开关状态，因此又常称为开关器件。电力电子器件的种类很多，按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为：不可控器件，即二极管；半控型器件，主要包括晶闸管及其派生器件；全控型器件，主要包括绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、电力晶体管（GTR）、电力场效应管（电力MOSFET）、GTO晶闸管等。半控型及全控型器件按照驱动方式又可以分为电压驱动型、电流驱动型两类。在开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。3.2 电力MOSFET的设计 3.2 .1功率MOSFET的特性 功率场效应晶体管（Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor） 简称功率MOSFET，它是一种单极型电压控制器件。它具有自关断能力，且输入阻抗高、驱动功率小，开关速度快，工作频率可达1MHz，不存在二次击穿问题，安全工作区宽。但其电压和电流容量小，故在高频中小功率的电力电子装置中得到广泛应用。目前，IR公司推出一种低电荷的功率MOSFET，称为HEXFET，由于其门极电荷减小40%，因而它在开关速度、效率及门极驱动等方面更显优势。功率MOSFET的特性可分为静态特性和动态特性，输出特性和转移特性属静态，而开关特性则属动态特性。1. 输出特性输出特性也称漏极伏安特性，它是以栅极电压为参变量，反映漏极电流与漏源极电压间关系的曲线族。输出特性分为三个区：可调电阻区、饱和区、雪崩区。功率MOSFET无反向阻断能力，因为当漏源电压0时，漏区PN结为正偏，漏源间