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DZ062开关电源的应用——液晶显示器电源的设计,毕业设计

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I 开关电源的应用 液晶显示器的设计 专业： 通信工程 学号 ： 1002566 姓名： 赖宏德 指导教师： 叶宇煌 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， TL431 ntsII The application of 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. 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 nts目录 第一章 绪 论 1 1.1 国内外开关电源的发展与趋势 1 1.2 两种电源的基本原理 2 1.2.1线性稳压电源 2 1.2.2开关稳压电源 3 1.2.2.1开关电源的基本组成 3 1.2.2.2开关电源稳压原理 4 1.2.2.3开关电源的优点 5 1.3 本章小结 5 1.4 本文 所做工作 6 第二章 开关电源控制理论介绍 7 2.1 开关电源控制方式 7 2.2 脉宽调制式开关电源的基本原理 7 2.3 集成 PWM控制器原理 8 2.4 脉宽调制下 开关电源控制方式的选择 9 2.4.1电压型控制 9 2.4.2电流型控制 10 2.5 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 12 3.1 TL431集成电路 12 3.1.1 TL431的简介 12 3.1.2 恒压电路应用 13 3.2 UC3842集成电路 14 3.2.1UC3842工作原理 14 3.2.2UC3842内部振荡器的工作原理 16 3.2光电耦合器 17 第四章 开关电源电路的设计 19 4.1开关电源电路设计要求 19 4.2电路工作原理 19 4.2.1 频率的设定 19 4.2.2 启动过程 21 4.2.3稳压过程 21 4.2.4过流保护原理 22 4.2.5过压保护原理 22 4.2.6开关管保护电路 22 4.2.7反馈绕组的设计 22 第五章开关电源的 EMC设计考虑 23 5.1开关电源电磁干扰的产生机理 23 5.2 EMI滤波器工作原理及安装 23 5.3设计开关电源电路板 时应注意的问题 25 5.3.1 开关电源 PCB的布局原则 25 5.3.2 开关电源 PCB的布线原则 25 5.4本章小结 26 nts第六章整机性能测试 27 6.1测试的实 验数据 27 6.2测试实验波形 30 6.3实验小结 31 结论 32 谢辞 33 参考文献 34 附 录 35 nts开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 1 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 85 88%。据悉，美国 WICOR 开关电源公司设计制造了多种 ECZ 较开关DC DC 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、17w cm3，效率为 80 90%；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 200 300kHz，功率密度 27W cm3，用同步整流器（ 即用 MOS FER 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 DC DC 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。 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 2 模块化。无论是 AC DC或是 DC DC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 1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。 nts开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 3 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 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 4 (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= UiTTonNN 12, 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)。 nts开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 5 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 150 250V 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。 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 6 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。 nts开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 7 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。 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 8 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=Tston=offonontt t=VstVcontrol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nts开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 9 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nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 10 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nts开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 11 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。 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 12 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 0.22 1.0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，nts开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 13 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。 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 14 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。 nts开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 15 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=dc tt1 公式（ 3-1） 当 Rt大于 5k时， fo为： fo=ttCR72.1 公式（ 3-2） (4)过流限制 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 16 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。 nts开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 17 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。 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 18 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 10 s左右，适于对响应速度要求很高的场合。 nts开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 19 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，附录 1为这种变换器原理图 。该变换器控制部分采用的 UC3842是由 Unitrode在近年来推出的新型 PWM控制芯片，其电压调整率可达到 0.01%/V，开关频率可高达 500KHz,而起动电流小于 1mA,芯片内部提供了欠压锁定和过压保护功能 (UVLO)，控制器输出固定频率 (即振荡器频率 )的脉冲，其最大占空比可达 100%.利用 UC3842作为控制芯片的设计的电流控制模式单端反激式变换器能满足小功率应用的要求。 (1)电路的工作频率为 70kHz左右； (2)实现高交流电压低输入，低直流电压输出工作：其输入交流电压可变100-240VAC/50-60Hz，而输出固定直流： 12V3.33A/40W； (3)波纹及噪声：小于 150mV； (4)高效率：在交流 220V输入时效率要高于 80%； (5)具有短路保护及过压保护。 4.2 电路工作原理 4.2.1 频率的设定 图 4-1 定时电阻与振荡器频率关系曲线 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 20 图 4-2 输出静区时间与振荡器频率关系曲线 图 4-3 振荡器放电电流与温度关系曲线 图 4-4 最大占空比与定时电阻关系曲线 R11、 C7 设定变换器的工作频率。从图 4-2 可看出当频率一定时，电容越大则输出静区时间越大。选择大的 CT可减小占空比，适合 UC3842 工作，所以选 C7=10nF。当 C7 选好后，根据图 4-1，若频率为 70kHz，则电阻 R11应为 2.5kHz，由于电阻不好配，则选 R11=2kHz，这样可以减小最大占空比。而此时的频率就不是 70kHz了。解决的方法是在 R10旁并联个nts开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 21 电容 C6。仿真时调节电容大小，当 C6=0.33nF 时，频率符合设计。 4.2.2 启动过程 输入电压 220V交流经过 R1（热敏电阻，防止浪涌电流损坏电路）和保险丝，然后经过L1、 C1、 L2进行输入滤波，再经过整流桥 D1整流后 C2滤波得到 300V直流电压 。半波整流端通过启动电阻 R3提供电流给电容 C11充电，当 C11电压达到 UC3842的启动电压门槛值 16V时， UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由 6端输出通过 基极限流电阻 R13推动开关管工作，输出信号为高低电压脉冲。高电压脉冲期间，场效应管导通，电流通过变压器原边，同时把能量存储在变压器中。根据同名端标识情况，此时变压器副边没有能量输出。当 6脚输出的高电平脉冲结束时，场效应管截止，根据楞次定律，变压器原边维持电流不变，产生下正上负的感生电动势，此时副边通过 D7快速导通，向外提供能量。同时反馈线圈上的高频电压 经过 快速恢复管 D3，整流 C8,滤波后 向 UC3842提供正常工作电压。 在开启之前， UC3842消耗的电流在 1mA以内。电源电压接通之后，当 7端电压升至 16V时 UC3842开始工作，启动正常工作后，它的消耗电流约为 15mA。因为 UC3842的启动电流在1mA以内，设计时参照这些参数选取 R1，所以在 R1上的功耗很小。当然，若 VCC端电压较小时，在 R3上的压降很小，全部供电工作都可由 R3降压后来完成。但是，通常情况下， VCC端电压都比较大，这样完全通过 R3来提供正常工作电压就会使 R3自身功耗太大，对整个电源来说效 率太低。一般来说，随着 UC3842的启动， R1的工作也就基本结束，余下的任务交给反馈绕组，由反馈绕组产生电压来为 UC3842供电。故 R3的功率不必选得很大， 1W、 2W就足够了。电阻 R3的选择还得看开启时间长短。本设计的开启时间设计为不超过 3S，如果接在300V端则取电阻 R3约为 94k，若像附录电路图那样接在半波整流端则取 47k就可以了。 电容 C11储存的能量要能满足电 源开始正常 工作的需要，使得 UC3842第 7脚有稳定、充足的输入供给。即电容 C8的放电时间要大于 UC3842输出脉冲的高电平持续时间。否则， 电源将出现打嗝现象。因此，电容 C8的容量和质量的选取非常重要。在实际设计过程中， C8曾用 100F 以下铝电解电容，经常发现电源打嗝，说明反馈端电压幅度不够。原因在于 C8容量不够，不能提供足够的能量来使 UC3842充分工作。本人换 100F 的电容就不会出现打嗝了。 4.2.3 稳压过程 输出电压由 R24、 R25分压取样后，经 U4（ TL4341）、 U2（光电耦合器）组成比较误差放大器构成闭环控制回路，使输出电压保持稳定。 R24和 R25两者对 Vout的分压通过 TL431的 REF端来控制该器件从阴极到阳极的分流。这 个分流又是直接驱动光电偶合器 U2的发光部分。那么当输出电压有变大趋势时， Vref随之增大导致流过 TL431的电流增大，于是光电偶合器发光加强，感光端得到的反馈电流也就越大。显然输出补偿端 1脚的电流也就变大，从而使 UC3842内置的脉宽调制器相应地减小 PWM输出脉冲波形的占空比，使开关管导nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 22 通的时间变短；反之，当输出电压减小时，则脉宽调制器会相应地增大 PWM输出脉冲波形的占空比，使开关管的导通时间变长。事实上，上面讲述的过程在极短的时间内就会达到平衡，平衡时 Vref=2.5V，又有 R24=3.48k， R25=2.00k，所以输出为稳定的 12V。值得注意的是，不能简单地改变取样电阻 R24、 R25的值改变输出电压，因为在开关电源中每个元件的参数对整个工作状态的影响都会很大。电路中 C19、 C20、 R27的作用是给 TL431提供补偿，使其更稳定地工作。 4.2.4 过流保护原理 电路中 R4为电流检测电阻， R9是 MOS管过流检测电阻。 当负载电流超过额定值或短路时，场效应管电流增加， R10上的电压反馈至 3脚 (电压大于 1V)，通过内部电流放大器使导通宽度变窄，输出电压下降，直至使 UC3842停止工作，没有触发脉冲输出， 使场效应管截止，达到保护功率管的目的。短路现象消失后，电源自动恢复正常工作。 4.2.5 过压保护原理 该电路具有过压保护功能，当出现短路或过载时，电源灯不亮或闪烁；撤消后电源可自动恢复正常工作；当稳定闭环控制回路出现故障或其他原因造成电源过压时，由稳压管D6（ 18V）检测一次侧辅助电源电压，由稳压管 D9（ 13V） U3将二次侧输出回路的电压信号耦合给可控硅结构电路（由 Q2、 Q3组成），使其自锁，电源关闭输出；故障排除后，应重新上电方可恢复正常工作。 C21、 R30是起抗干扰作用，防止自锁电路在没过压情况下产生 波动而直接自锁。 4.2.6 开关管保护电路 变压器初级绕组接的 D2、 R5、 C3组成的回路称为吸收回路 .晶体管导通期间在变压器漏感中积蓄能量 .这时 ,与次级绕组之间没有耦合 ,因此 ,导通期间能量不能传到次级绕组 .晶体管截止瞬间发生 的作为初级绕组的电压加到晶体管的