在研制开关电源时-不仅要设计好电路-还必须能正确选择元器件-单片开关.doc

在研制开关电源时,不仅要设计好电路,还必须能正确选择元器件. 单片开关电源的外围元器件大致可分成三大类: 1)通用元器件包括电阻、电容、整流桥或整流管、稳压管、熔断器、自恢复保险丝. 2)特种半导体器件主要有TL431型可调式精密并联稳压器、EMI滤波器、光耦合器、瞬态电压抑制器、快恢复及超快恢复二极管、肖特基二极管. 3)磁性材料如高频变压器磁芯、电磁线(漆包线、三重绝缘线)、磁珠. 下面介绍7种关键元器件的工作原理与选择方法. 1. TL431型可调式精密并联稳压器TL431是由美国德州仪器公司(TI)和摩托罗拉公司生产的2.5036V可调式精密并联稳压器.其性能优良,价格低廉,可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中. 此外,TL431还能构成电压比较器、电源电压监视器、延时电路、精密恒流源等.目前在单片精密开关电源中,普遍用它来构成外部误差放大器,再与线性光耦合器组成隔离式光耦反馈电路. TL431系列产品包括TL431C、TL431AC、TL431I、TL431AI、TL431M、TL431Y,共6种型号.它属于三端可调式器件,利用两只外部电阻可设定2.5036V范围内的任何基准电压值.TL431的电压温度系数T=3010-6/(即30ppm/).其动态阻抗低,典型值为0.2.阴极工作电压UKA的允许范围是2.5036V,阴极工作电流IKA=1100mA. TL431大多采用DIP8或TO92封装形式,管脚排列分别如图1(a)及图1(b)所示.图中,A为阳极,使用时需接地.K为阴极,需经限流电阻接正电源.UREF是输出电压Uo的设定端,外接电阻分压器.NC为空(a)电路符号(b)基本接线图2TL431的电路符号与基本接线脚.TL431的等效电路见图1(c),主要包括4部分: 1)误差放大器A,其同相输入端接从电阻分压器上得到的取样电压,反相输入端则接内部2.50V基准电压Uref,并且设计的UREF=Uref,UREF端常态下应为2.50V,因此亦称基准端; 2)内部2.50V(准确值应为2.495V)基准电压源Uref; 3)NPN型晶体管VT,它在电路中起到调节负载电流的作用; 4)保护二极管VD,可防止因K,A间电源极性接反而损坏芯片.TL431的电路符号和基本接线如图2所示.它相当于一只可调式齐纳稳压管,输出电压由外部精密电阻R1和R2来设定,有公式 Uo=UKA=(1+R1/R2)(1) R3是IKA的限流电阻. TL431的稳压原理可分析如下:当由于某种原因致使Uo时,取样电压UREF也随之升高,使UREFUref,比较器输出高电平,令VT导通,Uo.反之,UoUREFUREFTL431可广泛用于单片开关电源中,作为外部误差放大器,构成光耦反馈式电路.其工作原理是当输出电压Uo发生波动时,经电阻分压后得到的取样电压就与TL431中的2.5V带隙基准电压进行比较,在阴极上形成误差电压,使LED的工作电流IF产生相应变化,再通过光耦去改变控制端电流IC的大小,调节TOPSwitch的输出占空比,使Uo不变,达到稳压目的. 2. 线性光耦合器光耦合器(OpticalCoupler)简称光耦.它是以光为媒介来传输电信号的器件.通常是把发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管)封装在同一管壳内.当输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电光电”转换.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.线性光耦合器是一种新型光电隔离器件,它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. 线性光耦与普通光耦的重要区别反映在电流传输比(CTR)上.CTR是光耦的重要参数,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IC与直流输入电流IF的百分比.有公式 CTR=100%(2) 采用一只光敏三极管的光耦合器,CTR的范围大多为20%300%(例如4N35),而PC817则为80%160%.达林顿型光耦(如4N30)可达100%5000%.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.线性光耦与普通光耦典型的CTRIF特性曲线,分别如图3中的虚线和实线所示.由图可见,普通光耦的CTRIF特性曲线呈非线性,在IF较小时的非线性失真尤为严重,因此它不适合传输模拟信号.线性光耦的CTRIF特性曲线具有良好的线性度,特别是在传输小信号时,其交流电流传输比(CTR=IC/IF)很接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.线性光耦的典型产品及主要参数见表1,这些光耦均以光敏三极管作为接收管.在设计光耦反馈式开关电源时必须正确选择线性光耦合器的型号及参数,选取原则如下: 图3两种光耦的CTRIF特性曲线() 技术讲座(d)(a)(b)(c) 图4单片开关电源常用的四种EMI滤波器表1线性光的产品型号及主要参数产品型号CTR/%U(BR)CEO/V国外生产厂家封装形式PC816A8016070SharpDIP4(基极未引出)PC817A8016035SharpSFH610A26312570SiemensNEC2501H8016040NECCNY1726312570Motorola,Siemens,ToshibaDIP6(基极引出)CNotorola,Siemens,ToshibaSFH60016312570Siemens,IsocomSFH600210020070Siemens,IsocomCNY75GA6312590TemicDIP6(基极未引出)CNY75GB10020090TemicMOC8101508030Motorola,IsocomMOC81027311730Motorola,Isocom 1)光耦的电流传输比(CTR)的允许范围是50%200%.这是因为当CTR5.0mA),才能正常控制单片开关电源的占空比,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. 2)推荐采用线性光耦,其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整. 3)由英国埃索柯姆(Isocom)公司、美国摩托罗拉公司生产的4N系列(例如4N25、4N26、4N35)光耦合器,目前在国内应用十分普遍.鉴于此类光耦合器呈现开关特性,其线性度差,只适宜传输数字信号(高、低电平),因此不推荐用在开关电源中. 3. 电磁干扰滤波器电磁干扰滤波器亦称EMI滤波器,它能有效地抑制电网噪声,提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性,可广泛用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统等领域.电网噪声是电磁干扰的一种,属于射频干扰(RFI),其传导噪声的频谱大致为10kHz30MHz,最高可达150MHz.根据传播方向的不同,电网噪声可分为两大类: 一类是从电源进线引入的外界干扰,另一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声.这表明它属于双向干扰信号,电子设备既是噪声干扰的对象,又是一个噪声源.若从形成特点看,噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种.串模干扰是两条电源线之间(简称线对线)的噪声,共模干扰则是两条电源线对大地(简称线对地)的噪声.因此,电磁干扰滤波器应符合电磁兼容性(EMC)的要求,也必须是双向射频滤波器,一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰,另一方面还能避免设备本身向外部发出噪声干扰,以免影响同一电磁环境下其它电子设备的正常工作.此外,电磁干扰滤波器应对串模、共模干扰都起到抑制作用. 为减小体积和降低成本,单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器,主要包括共模扼流圈L和滤波电容.典型电路如图4所示.以图4(c)为例,L、C1和C2用来滤除共模干扰,C3和C4滤除串模干扰.当出现共模干扰时,由于L中两个线圈的磁通方向相同,经过耦合后总电感量迅速增大,因此对共模信号呈现很大的感抗,使之不易通过,故称作共模扼流圈.它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上.R为泄放电阻,可将C3上积累的电荷泄放掉,避免因电荷积累而影响滤波特性;断电后还能使电源的进线端L、N不带电,保证使用的安全性.EMI滤波器能有效抑制单片开关电源的电磁干扰.图5中曲线a为不加EMI滤波器时开关电源上0.15MHz30MHz传导噪声的波形(即电磁干扰峰值包络线).曲线b是插入如图3(d)所示EMI滤波器后的波形,它能将电磁干扰衰减5070dB.显然,这种EMI滤波器的效果更佳.插入损耗(AdB)是EMI滤波器的重要参数.它是利用计算机设计单片开关电源讲座(第七讲) 图5加EMI滤波器前、后干扰波形的比较 (a)插入前 (b)插入后图6测量插入损耗的电路评价电磁干扰滤波器性能优劣的主要指标.设电磁干扰滤波器插入前后传输到负载上的噪声电压分别为U1、U2,有公式AdB=20lg(3)插入损耗用分贝(dB)表示,分贝值愈大,说明抑制噪声干扰的能力愈强.测量插入损耗的电路如图6所示.e是噪声信号发生器,Zi是信号源的内部阻抗,ZL是负载阻抗,一般取50.噪声频率范围可选10kHz30MHz.首先要在不同频率下分别测出插入EMI滤波器前后,负载两端的噪声压降U1、U2,再代入式(3)中计算出每个频率点的AdB值,最后绘出插入损耗曲线.需要指出,上述测试方法比较繁琐,每次都要拆装EMI滤波器.为此可用电子开关对两种测试电路进行快速切换. 4 瞬态电压抑制器 瞬态电压抑制器亦称瞬变电压抑制二极管,其英文缩写为TVS(Transient Voltage Suppressor),是一种新型过压保护器件.由于它的响应速度极快、钳位电压稳定、体积小、价格低,因此可作为各种仪器仪表、自控装置和家用电器中的过压保护器,还可用来保护单片开关电源集成电路、MOS功率器件以及其它对电压敏感的半导体器件.瞬态电压抑制器是一种硅PN结器件,其外型与塑封硅整流二极管相似,见图1(a).常见的封装形式有DO-41、A27K、A37K,它们在75以下的额定脉冲功率分别为2W、5W、15W,在25、s条件下可承受的浪涌电流分别可达50A、80A、200A.外形尺寸有2.04.1、2.75.2、5.09.4(mm)等规格.其钳位电压从0.7V到3kV.TVS的符号与稳压管相同,见图1(b),伏安特性如图1(c)所示.图1(c)中,UB、IT分别为反向击穿电压(即钳位电压)、测试电流.UR为导通前加在器件上的最大额定电压.有关系式UR=0.8UB.IR是最大峰值漏电流.UC是在1ms时间内器件可承受的最大峰值电压.有关系式UCUBUR.IP是瞬时脉冲峰值电流.因IP、IT、IR分别属于A、mA、A这三个数量级,故IPITIR.TVS的峰值脉冲功率PP与干扰脉冲的占空比(D)以及环境温度(TA)有关.当D时PP,反之亦然.而当TA时PP.PP值通常是在脉宽1ms、脉冲上升沿为10s、D=0.01%的条件下测出的,使用时不得超过此值. (a) 外形(b)符号(c)伏安特性 图1瞬态电压抑制器 瞬态电压抑制器在承受瞬态高电压(例如浪涌电压、雷电干扰、尖峰电压)时,能迅速反向击穿,由高阻态变成低阻态,并把干扰脉冲钳位于规定值,从而保证电子设备或元器件不受损坏.钳位时间定义为从零伏达到反向击穿电压最小值所需要的时间.TVS的钳位时间极短,仅1ns,所能承受的瞬态脉冲峰值电流却高达几十至几百A.其性能要优于压敏电阻器(VSR),且参数的一致性好.TVS器件分为单向瞬态电压抑制器、双向瞬态电压抑制器两种类型.国内外产品有TVP、SE、5KP、P6KE、BZY、BZT等系列.单片开关电源中常用的TVS产品型号见表1.需要说明几点 1)表中的P为额定功率,t是钳位时间(典型值); 2)对于P6KE系列,靠近白色环为正极; 3)TVS也可串联或并联使用,以提高峰值脉冲功率,但在并联时各器件的UB值应相等. 双向瞬态电压抑制器的典型产品有P6KE20、P6KE250等.这类器件能同时抑制正向、负向两种极性的干扰信号,适用于交流电路中. 表1单片开关电源常用TVS的型号型号UB/VP/Wt/ns生产厂家 P6KE919151美国Motorola公司 P6KE15015051 P6KE2002005(600*)1 BZY97C1201201.51 BZY97C2002001.51 BZT03C1201203.251 * 括弧内数字为峰值脉冲功率Pp. 5 快恢复及超快恢复二极管 快恢复二极管(FRD)和超快恢复二极管(SRD)是极有发展前途的电力电子半导体器件.它们具有开关特性好、反向恢复时间短、耐压高、正向电流大、体积小、安装简便等优点.可广泛用于脉宽调制器、单片开关电源、不间断电源(UPS)、高频加热装置、交流电机变频调速等领域,作为高频、大电流的整流二极管、续流二极管或阻塞二极管.下面介绍其性能特点和选取原则. 5.1快恢复及超快恢复二极管的性能特点 1)反向恢复时间 反向恢复时间trr的定义是电流通过零点由正向转向反向,再由反向转换到规定低值的时间间隔.它是衡量高频整流及续流器件性能的重要技术指标.反向电流的波形如图2所示.图中,IF为正向电流,IRM为最大反向恢复电流,Irr为反向恢复电流,通常规定Irr=0.1IRM.当tt0时,iF=IF.当tt0时,由于整流管上的正向电压突然变成反向电压,因此正向电流迅速减小,在t=t1时刻,iF=0.然后整流管上流过反向电流iR,并且iR逐渐增大;在t=t2时刻达到最大反向电流IRM.此后反向电流逐渐减小,并且在t=t3时刻达到规定值Irr.从t2到t3的反向恢复过程与电容器放电过程有相似之处.由t1到t3的时间间隔即为反向恢复时间trr. 2)快恢复二极管的结构特点 快恢复二极管的内部结构与普通二极管不同,它是在P型、N型硅材料中增加了基区I,构成P-I-N硅片.由于基区很薄,反向恢复电荷很小,不仅大大减小了trr值,还降低了瞬态正向电压,使管子能承受很高的反向工作电压.快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百ns,正向压降为0.60.7V,正向电流是几A至几kA,反向峰值电压可达几百V至几kV.超快恢复二极管则是在快恢复二极管基础上发展而成的,其反向恢复电荷进一步减小,trr值可低至几十ns.20A以下的快恢复二极管及超快恢复二极管大多采用TO220封装.从内部结构看,可分成单管、对管两种.对管内部包含两只快恢复或超快恢复二极管,根据两只二极管接法的不同,又有共阴对管、共阳对管之分.几十A的快恢复、超快恢复二极管一般采用TO3P金属壳封装,更大容量(几百A至几kA)的管子则采用螺栓型或平板型封装. 5.2选择方法 在单片开关电源中,一般采用超快恢复二极管作为阻塞二极管、输出整流管或反馈电路中的整流管. 图2反向恢复电流的波形 图3肖特基二极管的伏安特性 1) 阻塞二极管 在初级保护电路中与钳位二极管(TVS)配套使用的阻塞二极管(VD1),须用超快恢复二极管.其反向恢复时间trr75ns,多数管子在20ns50ns之间.典型产品有美国通用仪器公司(GI)生产的UF4000、UF5400两大系列,荷兰飞利浦公司生产的BYV26系列、BYV27系列、BYW29系列,美国摩托罗拉公司生产的MUR100系列.选取原则见表2. 表2选取阻塞二极管的原则单片开关电源集成电路阻塞二极管的反向耐压URM/V超快恢复二极管型号示例 TOP100系列400UF4004BYV26BMUR140 TOP200系列600UF4005BYV26CMUR160 TOPSwitch系列600UF4005BYV26CMUR160 2) 输出整流管 超快恢复二极管适合作为开关电源的高压、大电流整流管.设整流管实际承受的最大反向峰值电压为U(BR)S,所选整流管的最高反向工作电压为URM,要求URM2U(BR)S,其额定整