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dq046 开关电源 应用 利用 运用 液晶显示器 电源 设计

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【DQ046】开关电源的应用——液晶显示器电源的设计,dq046,开关电源,应用,利用,运用,液晶显示器,电源,设计

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福州大学 本科生毕业设计（论文） 外文翻译及原文 姓 名： 赖宏德 学 号： 1002566 学 院： 物理与信息工程学院 专 业： 通信工程 年 级： 2002 级 2006年 06 月 10日 使用同步整流器的高效率开关电源单元 这份报告描述了一种为主机电脑提供的绝缘开关电源 单元 (,这种单元 是利用新开发的用来次级调整的同步调整电路组成 的 提高了 6%的处理效率和现在已经提高到了 此这种电源 单位 具有高效率、低电压和高功率输出的特点。表格 1显示其规格的概要。 图 1就是这个电源单位的外形。 整流方式 肖特基势垒二极管 (同步整流 器 输入电压 (V 20040出电压（ V 输出电流（ A） 300 360 输出功率（ W） 1080 1188 效率（ %） 75 81 功率损耗（ W） 360 278 大小 W/H/D （ 120/381/200 升） 60/381/250 公升） 每单位量功率输出 （瓦 /公升） 119 208 重量（ 流（ m3/ 作温度（ ） 0格 1 说明书 图 1 以前的（左）和新单元（右） 近年来，在规模集 成电路技术作用下，已经有了从晶体管 发射器连接逻辑电路（ 利用到利用高综合的互补金属氧化物半导体（ 方法。与此同时中央处理器、存储器和类似物的逻辑部分以相当快的速度正逐步走向小型化。尽管如此，把电源部分合成整体是有困难的 ，刚开始它占用了主机里面的大部分空间。 直到现在，水冷却法已经被用来冷却逻辑部分。因为水冷却法是高效率的，它曾经也用来冷却电源。然而使用 将制造水冷却单元（一种昂贵的组成部分）使多余的电源组成部分小型化。因此，只对电源组成部分用水冷却单元已经变得更加禁止的昂贵。 通过减少电源的内在损耗和提高单位的处理效率使电源单位小型化已经变得有必要。此外，电源电压超过时间时从 后到 着，由肖特基势垒二极管 此我们作出结论认定减少次级整流部分的损失将在小型化过程中是最重要的因素，并且要而发展使用同步整流电路开关电源单元。 图 2是一种开关电源的外形，和图 3显示的是损失分析的结果。图上表明次级整流部分损失占有超过 40%整体损失。 根 据理论分析的观点，这分析的结果建议使用同步整流电路将改善处理效率，如图 4显示。 图 2 常规电路 图 3 功率损耗比较 图 4 效率比较 同步整流的基本概念已长期存在。 然而，其当作一种产品实际的应用只是最近才开始。 在移动设备中的同步整流器开始于手携式电脑，是一种重要的技术有利于延长这样电源设备的电池使用寿命。 自从由于同步整流的作用，当非绝缘模式被使用控制电路就相对容易。 因此促进开关对 用途 , 在 C/换器而使用 。但是当绝缘模式（ 需要变压器）被使用时，由于同步整流的作用使得控制电路有困难。因此，下面的问题将会遇到。因而绝缘模式只能用在具体的产品。 图 5 显示了同步整流电路的正常使用。有很多的问题与这个电路相关。而且 , 处理效率不是象我们期望一样好。此外 , 其他严重的问题包括并行操作会遇到。 图 5 早先同步整流电路 1)低边开关的推动不足 正如图 6 说明 , 当主要开关 ( 在图 5) 被关闭 , 变压器被重新设置 , 造成引起的电压的消失。然后 , 低边开关 关闭 ,电流流入 部分二极管） , 导致在损失的增量。因此需要加 肖特基势垒二极管 2 平行以增加物理量。当电源的输入电压的范围是宽广的并且其输入电压是高的 , 重新设置时间被变短和在当电流流入 为其处理效率达到的几乎与使用 所以使用同步整流电路的正面作用不是非常重大的。 图 6 早先电路波形 2)在并行操作电流线路 图 7 显示没有使用阻拦的二极管的单位并行操作。当一个单位的主要开关 被关闭 , 另一单位输出提供电压给 。结果 , 一个单位 (打开。然 后高电流流经扼流圈而流失。这导致 损坏和输出电压减小。并且 , 当在各个单位的 号的发生不一至的时候 , 将产生同样的问题 , 造成对单位的损伤。 图 7 并行操作 3)关断时间的延迟 在大多数当前被发展的 其 4 V 。正如图 8 所示 , 当由 电压 (斜率 A)关断 瞬时斜率的缓和区显示其极限。损失因由变压器产生的电流而增加，原因是关断时间的延迟。 图 8 门限的两种波形 4)浪涌电压 因为同步整流电路的操作是双向的 , 扼流圈 电流将是连续的。当负载电流小的时候 , 流以反向流动。甚至在高边开关 1 电流通路被切断 , 则浪涌电压产生 , 正如图 9 所示。结果 , 到损伤。 5)在并行操作过程中的循环电流 当有同步整流电路的各个单元是并行操作的， 如果甚至 有 最轻微输出电压的差别， 则大电流会较高的输出电压单元流到较低的输出电压单元 。 (这在图 10 说明 .)通过 变器电流反馈到主要边， 在此之后，它再一次被 变器返回 次级 边。 结果 ，大的循环 电流 在 因此，即使有轻负载电流，在单位里产生的损失 也像 用重负载发生一样 的 大 。 如下内容描述一个解决用第 5 部分描述的问题的方法。 图 11显示新同步 整流 电路。 图 13是 一张说明 在并行操作 的 构造的图 表 。 图 9 产生浪涌电压的装置 图 10 循环电流的根源 图 11 新电路 1)低边开关的推动不足 图 11显示 3。正如图 12说明的，当 断开 这样就 产生变压器 重新 调节电压， 使得 3加到 当 电压 重新 调节 完 成电压被除去时， 不导通 。 在这点 上 ，果，并联在 步整流电路能够最小化它自身的损耗。 2）在并行操作中的电流环路 图 11显示的 2通过隔离绕组（ 3）来驱动，使得于其他单元的潜在电流可以避免，并且他们可以并行操作 。 图 12 新电路波形 3)关闭时间延迟 如图 11所示，变压器绕组 个负电压加在门电路上。当 2打开，在变压器 电压产生 。因此，门电荷通过 后，相反的电压加在 1关闭。（图 8中的斜线 B） 4）涌浪电压 当一个等同于 图 11中变压器的电流被检测到）， 1的电流或者相等的电流变成反向前关闭。通过关闭 向电压加到 2关闭。然后 2进行整流。在感应电流在反方向流动时关闭 够截止掉 时，整流器前面的下降从 v。然而，因为负载电流很小，没有热量失灵发生。 5）平行操做中的循环电流 循环 电流通过利用对门电路驱动和停止在截止盘绕的关闭区域的分离来消除掉。 7特性 图 14说明了新单元的效率和内部损耗的标准结果。象在图 4上所期望的结果，损耗被降低 23%，效率提高 6%。 图 13 并联工作 图 14 新电源单元的效率 8结论 我们发展了一种新的同步矫正电路来克服和传统的同步整流电路关联的缺点。我们同时也在着手一种冷的绝缘开关电源提供单元的商业产品，同时它提供高效率，低电压和高输出电流。然而，因为 种逻辑部件继续以一种很快的速度进行小型化发展，开关电源单元的小型化外围设备的比以往需 求更强烈。因此，我们将需要在允许我们实现更高的效率水平的发展技术上工作。 9参考文献 1 89 2 F 998V V A) W) %) Y. i k i , H. Sh i , T. T. i -c i 21 1( 3.3 00 360 1080 1188 75 81 0040. W) /W I an C a % As a of is . 360 278 120 1381 1200 60 250 119 208 - 45 0 - 45 . n SI a of to of . K. i i , T. i 21 3 At at a it is to it is to of to is it in of by an it to a It to by of 098/$1998 98 of In of up of to be We of be in a 3. an of of of 0% of of of of to . (7 of 0 I I Q 80 W . i . . . i . . . i . . i . . . j 0,: :a . r)v 0 1 2 3 45 6 - . he of as a in is an in of it is to is to is C/DC it is to is is 5. a of as as we 99 of ) of s 01,2 ) is in of 2 is is a 2), to an in 2 to be 2 to of 2 is is as BD of 2) in 01,2 of to 2 As a is in 2 of of it to be in to f A 4 I Y :- I I: -f : I I . L. + of of of is is 2of 00 3) of n of th gs is V V. 1 2 V ), of of is by to in 4) of is of 1 be is 1 in in on 1 1 to be to be As a Q1 2 I 3+ T of a ) in in if is in (is 0.) is to by 2 it is to by 1 As a a 1 2. a in is as as 1 , 1 I I 0 of . he a to . 1 3 is a at 1) of 1 2 3. 2 01,2 it Q3 is is to 2 3. is is D3 is 2 is At Q2 th As a 2 in is to on t 2) at 1 2 N2 3) as 1 , a be in 3) of s 1, of 1 is 1 is a be to In 2, . I *Q4 is by 1 1 ) a to 1 is is Q4 is 1 or in By 4, is to 2 2 is 2. 2 in 1 At of 3 V. is no 0 . . . . . . O s; A 0 ) in he is by in of 7. 2 of 4 of of As , is 3% is %. 01,2 is 3. is to 2 1 is ( ) 402 17- I I 31 I I I I I i I 90 80 E 60 50 .$ 40 g 30 20 10 0 0 3 00 250 - 200 $ 100 g U) 150 f a 50 0 0 20 40 60 80 100 %) +4 of . e a of We on of an is to at a of is in we to on to of 9. 89 F 998403 开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 一 研究开关电源的意义 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%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%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 。 开关稳压电源的优越性主要表现在： 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。 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。 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。 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 1 。 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管 开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（ 制 成。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 2 。 二 国内外开关电源的发展现状与趋势 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 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，日本等国家可以生产 200A 的 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 3 。 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 术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄 4 。 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 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 关电源公司设计制造了多种 开关换器，其最大输出功率有 800W、 600W、 300W 等，相应的功率密度为 10、17w 率为 80 90%；日本 司刚推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块 列（日本人称这种技术为 “ 部分谐振 ” ），开关频率 200 300率密度 27W 同步整流器（即用 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 关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的达 100 万小时以上。 模块化。无论是 是 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（ 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 规范或标准，如美国的 国的 ，研究开发抗 开关电源日益显行生要。 计算机辅助计（ 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、 析以及可靠性等进行 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 一档电压、程控需要增加一电压）、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 ），并具有安全、过压保护等功能 4 。 三 可能的研究方法 开关电源主要采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的承压在两倍输入电压以上，如果按 60降额使用，则使开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就不会出现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压，即使按 60降额使用，选用开关管 也比较容易。在高可靠性工程上一般选用这两类电路拓扑 5 。 在中小功率的电源中，电流型 制是大量采用的方法，它较电压控制型有如下优点：逐周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载与短路的保护；优良的电网电压调整率；迅捷的瞬态响应；环路稳定，易补偿；纹波比电压控制型小得多。生产实践表明电流控制型的 50W 开关电源的输出纹波在 25右，远优于电压控制型。硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在 350下，软开关技术是应用谐振原理使开关器件在零电压或零电流状态下通断，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆赫级 水平，这种应用软开关技术的变换器综合了 换器和谐振变换器两者的优点，接近理想的特性，如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、较宽的控制范围及负载范围，但是此项技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以术为主 6 。 四 研究成果 1软开关技术 软开关技术的最大优点在于减少开关损耗，提高效率，为进一步提高变换频率提供依据，还能大大减少电磁干扰。该技术常见的实现方法包括：缓冲电路、谐振环路和谐振开关等，其基本思路是利用电感或电容等储能元件，在开关管开通和关断时将电压电流转移或 谐振到零，从而实现零电压或零电流开关。软开关技术已有成熟产品在应用，如零电压零电流（ 桥移相变换器已应用于通信模块电源，效率高达 93；边缘谐振全桥变换电路也已应用于通信电源模块 3 。 2 路 传统的电力电子设备（包括电源），会对周围的电子设备产生危害，并对电网产生谐波污染。一方面，它们会产生二次效应，当电流渡过线路阻抗时，造成谐波电压降，使电网电压产生畸变；另一方面，它们还会造成电路故障，损坏变电设备，如变压器过热、 次谐波电流渡过电容，诱使其过热爆炸。为此，降低 电力电子设备谐波损耗（ 提高功率因数（ 已成为学术界研究的热点，生产厂家也不断推出相关产品。 降低电力电子设备谐波损耗、提高功率因数的方法主要包括无源功率因数校正和有源功率因数校正。单相 术已相当成熟。三相有源 术复杂，成本较高，现基本还处于研究推广阶段。三相 单相 基点相同，通过电流跟踪电压变化，提高功率因数，减小谐波损耗。 在通信电源中，当输出功率在 3下时，一般采用单相输入；当功率在 3上时，一般采用三相输入。目前的研究重点集中在三相 术， 涉及到 电路拓扑、控制技术、软开关技术、单级变换技术、建模与仿真等技术 3 。 参考文献 1 何希才 北京：科学出版社， 2001 2 本刊编辑 2004 年 9 月 3 刘南平，吉红 . 通信电源 西安电子科技大学出版社 4 陈延明，丘水生 当代通信 5 王志强 译 北京 2005 6 周志敏、周纪海、纪爱华 北京：人民邮电出版社， 7 张占松，蔡宣三 子工业出版社， 1999 8 叶慧贞，杨兴渊，新颖开关稳压电源，国防工业出版社， 1999 9 沙占友，张英，黄丽敏 . 片开关电源的原理与应用电源技术应用 10 沙占友 北京 :电子工业出版社 2001 11 常敏慧，申功迈，何希才 计与维修 科学技术文献出版社 12 胡君臣 仪表技术 期 13 半导体元件 工业有限公司 安美森林半导体 14 王定华，赵家升 1995 15 赖祖武 子能出版社， 1993 16 闭王庆斌，刘萍 199 17 WM WM : 26, 490一 496, 990 18 D. WM 1989, 19 1995 福州大学 本科生毕业设计（论文） 文 献 综 述 姓 名： 赖宏德 学 号： 1002566 学 院： 物理与信息工程学院 专 业： 通信工程 年 级： 2002 级 2006年 06 月 10日 10 王定华，赵家升 1995 11 赖祖武 子能出版社， 1993 12 闭王庆斌，刘萍 199 13 WM WM :， 26, 490 一 496, 990 14 D. WM 1989, 福州大学本科生毕业设计（论文）诚信承诺书 毕业设计（论文）题目 中文： 开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 外文： of 学生姓名 赖宏德 年 级 2002级 学 号 1002566 所在学院 物理与信息工程学院 所学专业 通信工程 学生承诺 我承诺在 毕业设计（论文）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，在本人的毕业设计（论文）中未 剽窃 、抄袭 他人的学术观点、思想和 成 果 ，未篡改实验数据，如有违规行为发生我愿承担一切责任，接受学校的处理。 学生（签名）： 年 月 日 指导教师承诺 我承诺在指导学生 毕业设计（论文）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，经过本人认真的核查，该同学的毕业设计（论文）中未发现有 剽窃 、抄袭 他人的学术观点、思想和 成 果 的现象，未发现篡改实验数据。 指导教师（签名）： 年 月 日 物理与信息工程学院毕业设计（论文）开题报告表 信息与通信工程 系 通信工程 专业 2002 级 时间： 题名称 开关电源 的应用 液晶显示器 电源 的设计 指导老师 叶宇煌 学生姓名 赖宏德 课题类型 工程设计 进行方式 真题习作 结合情况 科研 承续类型 新题目 课题简介 （基本内容及意义） 本次开关电源的设计主要是将 1000电压转换成12V/直流电压。具有过压保护、过流保护、短路保护的功能和高效率、低功耗的特点 ， 从而有利可靠地对液晶显示器供电。 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（ 制 成。开关电源已经进入了广泛的 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。 其 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。 初步方案 开关电源常用的基本拓扑约有 14 种。 本 人的毕业设计使用的是关型调整器拓扑。它是将快速通断的晶体管置于输入与输出之间，通过调节通断比例（占空比）来控制 输出电流电压的平均值。因此首先考虑用 片。它是一种高性能的电流行开关电源控制电路，相对于普通的 成电路，它具有较低的启动电流（ 1增强的负载响应特性 、欠压锁定等特点。在显示器中， 优异性可以说是表现到极至了。据不完全统计， 90%以上的显示器采用 为电源的 路。 预计存在的问题及解决方法 1、最主要的问题是当电压有波动或负载变化（甚至出现短路）时，会出现过压、短路或过流现象，这就要求电路要有可靠的保护功能。解决方法就是利用 片和本电路的要求设计出保护电路。 2、电源产生热量问题。若电源功耗大，产生热量多，热量扩散不好，温度升高，会使元件损坏。选择低功耗的电子元件和在需要的地方加散热 器有利于解决散热问题。 3、纹波和噪声干扰会使电源工作不可靠。这就要求在适当地方加滤波器还有在接入显示器端用滤除噪声装置。 教研室 意见 院教学指导委员会意见 本科生毕业设计（论文）任务书 2006 年 03 月 20 日至 2006 年 06 月 10 日 题 目： 开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 姓 名： 赖宏德 学 号： 1002566 学 院： 物理与信息工程学院 专 业： 通信工程 年 级： 2002级 指导教师： （签名） 系主任（或教研室主任）： （签章） 设 计 （ 论 文 ） 任 务 （包括原始数据、技术要求、工作要求） 本人设计的是液晶显示器的开关电源适配器，其主要功能是 将 100电压转换成 12V 功率 40w 的直流电压，需要满足以下要求： 输入电压 1000出电压 12V/波及噪声 150护功能 过压保护 105% 130%) 过流保护 110% 200%) 源输出电压先逐渐下降；随着负载的加重，输出电流将逐渐增大到限流保护点，电源即进入间歇振荡，电源指示灯闪；故障排除后，电源即可自动恢复正常工作。 源指示灯灭，电源将进入间歇振荡；故障排除后，电源即可自动恢复正常工作。 源将进入自锁保护状态并关闭输出，指示灯灭；故障排除后，需要将电源 头拔下再重新上电后电源方可恢复正常工作。 毕业设计（论文）的主要内容 毕业设计进度： 第一阶段： 45 周（ 3 月 13 号至 3 月 26 号）主要工作是开题报告和任务书。其次需要去广泛收集和阅读相关资料。 第二阶段： 68 周（ 3 月 27 号至 4 月 9 号）主要工作是进行文献综述和外文翻译。收集资料也 是必需的事情。 第三阶段： 911 周（ 4 月 10 号至 4 月 30 号）主要工作是毕业设计主体工作。主要包括相关软件的学习、电路图的设计、 的制作等。 第四阶段： 1315 周（ 5 月 8 号至 5 月 28 号）主要工作是完成毕业设计所有工作。主要是布线、焊接和调试 。 第五阶段： 1617 周（ 5 月 29 号至 6 月 10 号）主要工作是撰写毕业设计论文。 毕业设计（论文）任务更改记录 更 改 原 因 更 改 内 容 主要参考文献 1王志强等译开关电源设计北京：电子工业出版社， 2005 2沙占友单片开关电源的最新应用技术 北京： 机械工业出版社， 2003 3白同云电子电路实用抗干扰技术 北京： 北京邮电大学出版社， 2002 4张占松开关电源的原理与设计北京：电子工业出版社， 1999 5周志敏开关电源实用技术设计与应用 北京：人民邮电出版社， 2003 6叶慧贞、杨兴洲新颖开关稳压电源北京：国防工业出版社， 1999 7本刊编辑 2004 年 9 月 8胡君臣 片设计开关电源 2005 年第 3 期 9半导体元件工业有限公司 安美森林半导体 州 大 学 物 理 与 信 息 工 程 学 院 产学研联合指导毕业设计工作申请表 今 年我院实施产学研联合指导毕业设计工作，由用人单位立题、指定专人负责指导，并试用毕业生，校方积极配合。现请用人单位填写下表。 福州大学物理与信息工程学院 年 月 日 学生姓名： 学号： 专业： 联系电话： 用人单位名称： 通讯地址： 邮编： 负责人姓名： 联系电话： 单位提供课题名称： 单位提供导师简介表： 姓名 学历 职务 职称 所学专业 现从事专业 校内导师 单位导师 用人单位负责人签字： 用人单位盖章： 目录 第一章 绪 论 1 内外开关电源的发展与趋势 1 种电源的基本原理 2 2 3 3 4 5 章小结 5 文 所做工作 6 第二章 开关电源控制理论介绍 7 关电源控制方式 7 宽调制式开关电源的基本原理 7 成 8 宽调制下 开关电源控制方式的选择 9 9 10 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 12 12 压电路应用 13 14 14 16 17 第四章 开关电源电路的设计 19 19 19 率的设定 19 动过程 21 21 22 22 22 22 第五章开关电源的 23 23 23 应注意的问题 25 关电源 25 关电源 25 26 第六章整机性能测试 27 数 27 30 31 结 论 32 致 谢 33 参考文献 34 附录 35 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 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 ()、脉冲频率调制 (脉冲宽度频率调制 ( 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 成电路、 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 题。首先分析开关电源电磁干 扰的产生机理，然后介绍 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， 作方式， 电流控制模式， I of in 990s in of as as C is in of so on in So it A is in is in of of in of In I, is of is in is in it be In to of In V, WM is in of as as is in V. MC is in I. of of MI be to of WM,目录 第一章 绪 论 1 内外开关电源的发展与趋势 1 种电源的基本原理 2 2 3 3 4 5 章小结 5 文 所做工作 6 第二章 开关电源控制理论介绍 7 关电源控制方式 7 宽调制式开关电源的基本原理 7 成 8 宽调制下 开关电源控制方式的选择 9 9 10 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 12 12 压电路应用 13 14 14 16 17 第四章 开关电源电路的设计 19 19 19 率的设定 19 动过程 21 21 22 22 22 22 第五章开关电源的 23 23 23 应注意的问题 25 关电源 25 关电源 25 26 第六章整机性能测试 27 数据 27 30 31 结论 32 谢辞 33 参考文献 34 附 录 35 开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 1 第一章 绪 论 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%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%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 术的 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 关整流器（模块）。此外采用谐振变换技术的 48V/2002。 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 、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 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 关电源公司设计制造了多种 开关换器，其最大输出功率有 800W、 600W、 300W 等，相应的功率密度为 10、17w 率为 80 90%；日本 司刚推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块 本人称这种技术为 “ 部分谐振 ” ），开关频率 200 300率密度 27W 同步整流器（ 即用 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 关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的00万小时以上。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 2 模块化。无论是 C 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（ 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 规范或标准，如美国的 国的 ，研究开发抗 计算机辅助计（ 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、 析以及可靠性等进行 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 一档电压、程控需要增加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 ），并具有安全、过压保护等功能 1。 种电源的基本原理 性稳压电源 线性稳压电源原理如图 1整管 (晶体管 )工作在线性放大区，通过调节调整管的集 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 o。调整管串联在整流滤波输出和电源输出之间。其 c、 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 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 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。 开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 3 图 1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 调整管的功率损耗为 于调整管工作在线性区， (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% (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。 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。 关电源的基本组成 开关电源的基本构成如图 1中 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 (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。 关电源稳压原理 开关电源的工作原理如图 1体管 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 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 具有这种功能。电感 开关断开时，储存在电感 2释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量，因二极管 以称为续流二极管。输出电压可用下式表示 2, 公式（ 1 式中 即开关接通时间 。 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 。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” ( 开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 5 图 1开关稳压电源的优越性主要表现在： 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而线性稳压电源一般只能达到 35 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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 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 ()、脉冲频率调制 (脉冲宽度频率调制 ( 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 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 先分析开关电源电磁干 扰的产生机理，然后介绍 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。 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 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 (写 。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 (2)脉冲频率调制方式，简称脉频调制 (写为 。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 变频率。其稳压原理是 :当输出压 制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小， 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 于 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。 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。 电压模式控制 值电流模式控制 均电流模式控制环电流模式控制 加模式控制 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 842/3842,525/3525等。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 8 图 2一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。 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，当关器件导通，当 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=t=2 公式中， 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 至某些双极型电路工作频率 可以达到 I 般为几 。 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 开关电源用一片集成电路和若干附加元件即可制成。图 2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 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 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 路最终得到的是可变脉冲占空比的脉冲串，图 2出脉冲的宽度是如何被调制的。通常开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 9 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。 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 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 以先找到 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 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” (只有少数控制 集成开关 电源 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。 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 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 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 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。 较器锯齿波的产生是由于变换器开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 11 中输出电感的作用，使电阻 压线性升高，产生 需锯齿波电压。当锯齿波线性上升到 当 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 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图 2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 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 化 能全面的反映负载电流的变化，并且当占空比大于 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。 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 成电路 简介 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 程至 36V。其器件显示出宽工作电流范围，在 典型动态阻抗 为 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 。 考使从 辑电源可方便地获得稳定参考电压。由于 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 00毫安的灌电流能力 典型值为 50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如图 3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 在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当 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 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，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 。 压电路应用 图 3前面提到 以当在 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示的电路，当 2的阻值确定时，两者对 馈量增大， 从而又导致 见，这个深度的负反馈电路必然在 时 1+2） 择不同的 值可以得到从 36别地，当 2 时， V。需要注意的是，在选择电阻时必须保证 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 33 阻值取值： 别取 10K，按结果，应得到 5V 的输出电压。 用 12V，实测电压为 5V。 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， 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。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 14 图 3电流的分流稳压电路 图 3密 5作原理 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 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。 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。 开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 15 图 3(1)工作电源 端脚 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 于 36 伏时稳压管稳压，使内部电路小于 36 伏下可靠地工作。 其开启阀值为 16 伏，关闭阀值为 10 伏。当 于 16伏时，整个电路损耗 1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 流升至 15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 脚提供了一个 5可为外部电路提供大约 50 (3)震荡器 芯片内有一个高速震荡器，震荡器频率由 4脚和 8 脚（ 5间接 4脚和 5 脚（地）之间接 是基准电源通过 、放电时间分别为 震荡器频率 fo=dc 公式（ 3 当 fo= 公式（ 3 (4)过流限制 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 16 从 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 V。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 相端为 脚，可外接电源的输出电压采样信号。 同时反相端和 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 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 脚，输出级为图腾柱式电路，输出晶体管的平均电流为 200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 1 B 将 1脚的电压降低到 1 以上两种情况都是使电流测定比较器输出高电平， 存器复位，关闭了输出端，直至下一个时钟脉冲将 部振荡器的工作原理 正如上一节所说的， 部有一个振荡器，为 供了时钟信号。振荡器的结构图如图 3 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 T，当电容 ， 生的时钟信号出现高电平，并开通了晶体管 电流源 1为振荡电容 容电压减小，当电容电压值降为 1V 时， 发器复位，时钟信号变为低电平，晶体管 容开始由基准电压源 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 就是 片的死区时间。这个时间与振荡电容 们的关系曲线如图 3 开关电源的应用 液晶显示器电源的设计 17 图 3荡器结构图 图 3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示为常用的三极管型光电耦合器原理图。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 18 图 3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 于对响应速度要求很高的场合。 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 关电源电路设计要求 本人利用电流型控制芯片 录 1为这种变换器原理图 。该变换器控制部分采用的 电压调整率可达到 V，开关频率可高达 500起动电流小于 1片内部提供了欠压锁定和过压保护功能 (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% (1)电路的工作频率为 70 (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1000输出固定直流： 0W； (3)波纹及噪声：小于 150 (4)高效率：在交流 2200%； (5)具有短路保护及过压保护。 路工作原理 率的设定 图 4时电阻与振荡器频率关系曲线 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 20 图 4出静区时间与振荡器频率关系曲线 图 4荡器放电电流与温度关系曲线 图 4大占空比与定时电阻关系曲线 定变换器的工作频率。从图 4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 合 作，所以选 0 好后，根据图 4频率为 70电阻 于电阻不好配，则选 样可以减小最大占空比。而此时的频率就不是 70决的方法是在 液晶显示器电源的设计 21 电容 真时调节电容大小，当 ，频率符合设计。 动过程 输入电压 2201（热敏电阻，防止浪涌电流损坏电路）和保险丝，然后经过经过整流桥 2滤波得到 300半波整流端通过启动电阻 11充电，当 6 6端输出通过 基极限流电阻 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 外提供能量。同时反馈线圈上的高频电压 经过 快速恢复管 流 波后 向 在开启之前， 源电压接通之后，当 7端电压升至 16动正常工作后，它的消耗电流约为 15为 计时参照这些参数选取 以在 然，若 部供电工作都可由 是，通常情况下， 样完全通过 3自身功耗太大，对整个电源来说效 率太低。一般来说，随着 下的任务交给反馈绕组，由反馈绕组产生电压来为 1W、 2阻 设计的开启时间设计为不超过 3S，如果接在3003约为 94像附录电路图那样接在半波整流端则取 47 电容 开始正常 工作的需要，使得 脚有稳定、充足的输入供给。即电容 则， 电源将出现打嗝现象