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

1、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

2、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=30×10-6/(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

3、. 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

4、VT,它在电路中起到调节负载电流的作用; 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UREF>Uref,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

5、比,使Uo不变,达到稳压目的. “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) IF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C

6、TRIF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,To

7、shibaSFH60016312570Siemens,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CTR>200%,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

8、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

9、可达150MHz.根据传播方向的不同,电网噪声可分为两大类: .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

10、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25×4.1、2.7×5.2、5.0×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)

11、 外形(b)符号(c)伏安特性 图1瞬态电压抑制器 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 BZY97C2002001.5

12、1 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 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

13、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

14、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