彩色电视机开关电源电路设计1001020xx

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1、 课程设计说明书 第 页 彩色电视机开关电源电路设计 摘 要 这是个信息时代，是电子技术飞速发展的时代，如今我们的生活越来越离不开电 子技术，近从我们的生活中离不开电脑，电视机，电风扇，洗衣机电冰箱，空调等， 远到人们的生产，医疗保险，国防教育等，都离不开电子技术。随着大规模和超大规 模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系 统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已 经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。本文介绍了开关 稳压电源的一些基本电路，详细地分析开关稳压电源的稳压电路、开关变压器、保护 电路和振荡

2、电路等问题。 关键词：彩电，开关稳压电源，开关变压器，保护电路 课程设计说明书 第 I 页 目 录 1 引言1 2 开关稳压电源的性能特点1 2.1 开关稳压电源的优点1 2.1.1 内部功率损耗小，转换效率高.1 2.1.2 体积小，重量轻.2 2.1.3 稳压范围宽，线性调整率高.2 2.1.4 滤波效率大为提高，滤波电容的容量和体积大为减小.2 2.2 开关稳压电源的缺点2 2.2.1 开关稳压电源存在着较为严重的开关噪声和干扰.2 2.2.2 电路结构复杂，不便于维修.3 2.2.3 成本高，可靠性低.3 3 开关稳压电源的分析.3 4 开关稳压电源的设计方案.6 4.1 主电路6 4

3、.2 输入滤波电路6 4.3 整流与滤波电路6 4.4 逆变电路7 4.5 输出滤波电路7 4.6 控制驱动电路7 5 开关稳压电源的硬件设计.8 5.1 主电路设计8 5.2 隔离驱动电路设计9 5.3 PWM 控制电路设计9 5.4 开关电源功率变压器的设计10 总 结.12 参考文献.12 课程设计说明书 第 0 页 1 引 言 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。 开关电源中应用的电力电子器

4、件主要为 二极管、IGBT 和 MOSFET。 SCR 在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR 驱动困难， 开关频率低，逐渐被 IGBT 和 MOSFET 取代。 随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源 迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定 了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善， 集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作 日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。当 然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重

5、量和效率上的优势。在 70 年代后期， 功率在 100w 以上的开关电源是有竞争力的。到 1980 年，功率在 50w 以上就具有竞争 力了。随着开关电源性能的改善，到 80 年代后期，电子设备的消耗功率在 20w 以上， 就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入 90 年代 后，其成本下降非常显著当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度 下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。1 2 开关稳压电源的性能特点 2.1 开关稳压电源的优点 2.1.1 内部功率损耗小，转换效率高 在开关稳压电源原理框图中，开关功率管 V 在 PWM 驱动信

6、号的驱动下，交替地 工作在导通-截止与截止-导通开关状态，转换速度非常快，频率一般可高达 100kHz 左 右。在一些电子工业发达国家，可以做到 MHz 以上。这便使得开关功率管 V 上的功率 损耗大为减小，储能电感的电感量大为减小，储能效率大为提高，从而使整个开关稳 课程设计说明书 第 1 页 压电源的转换效率得到大幅度的提高，其转换效率可高达 90左右。 2.1.2 体积小，重量轻 从开关稳压电源的原理电路图中我们可以清楚地看出，这里没有采用笨重的工频 变压器。由于开关功率管 V 工作在开关状态，因此其本身的功率损耗大幅度地降低， 这就省去了较大的散热器。另外由于电路的工作频率比线性稳压电

7、源中的 50Hz 工频高 了好几个数量级，因此滤波效率大大提高，滤波电容的容量也大为减小。这三方面的 原因，就使得开关稳压电源具有体积小，重量轻的显著优点。 2.1.3 稳压范围宽，线性调整率高 开关稳压电源的输出电压是由 PWM/PFM（脉频调制）驱动信号的占空比来调节 的，输出电压由于输入信号电压的变化而引起的不稳定，可以通过调节脉冲宽度或脉 冲频率来进行补偿。这样，在输入工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有非常稳 定的输出电压。因此，开关稳压电源除具有稳压范围宽的优点外，还具有稳压效果好 和线性调整率高的优点。此外，由于改变占空比的方法有脉宽调制型和脉频调制型两 种，因此开关稳压电源不

8、仅具有以上所说的优点，而且实现稳压的方法和技术也较多， 设计人员可以根据实际应用的要求和需要，灵活地选用各种类型的开关稳压电源电路 2.1.4 滤波效率大为提高，滤波电容的容量和体积大为减小 开关稳压电源的工作频率目前基本在 5kHz 以上，是线性稳压电源工作频率的 1000 倍以上。因此，开关稳压电源整流后的滤波效率也几乎提高了 1000 倍左右。就是 采用半波整流后加电容滤波，滤波效率也比线性稳压电源高 500 倍左右。在要求有相 同输出纹波电压的情况下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源 中滤波电容容量的 1/5001/1000。 2.2 开关稳压电源的缺点 2.2.1

9、开关稳压电源存在着较为严重的开关噪声和干扰 在开关稳压电源电路中，由于开关功率管工作在开关状态，因此它所产生的高频 交流电压和电流将会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振噪声，这些干扰和 噪声如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。 课程设计说明书 第 2 页 此外，由于开关稳压电源电路中的振荡器没有工频降压变压器的隔离，因此这些干扰 和噪声就会窜入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。 而且这种高频干扰还会通过开关稳压电源电路中的磁性元件（如电感和开关变压器等） 辐射到空间，使周围的其他电子仪器、设备和家用电器也同样受到严重的干扰。

10、 2.2.2 电路结构复杂，不便于维修 对于无工频变压器的开关稳压电源电路中的高压、高温电解电容，高反压、大电 流功率开关管，高频开关变压器的磁性材料，高反压、大电流、快恢复肖特基二极管 等器件，在我们国家还处于研究、开发和试制阶段。在一些技术发达的国家，开关稳 压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在着一些问题，不能令人十分满 意。这就暴露出了开关稳压电源的另一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维 修麻烦。对此，如果设计者和生产者不予以充分重视，它将直接影响开关稳压电源的 推广应用。 2.2.3 成本高，可靠性低 目前，由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料烧结技术等与

11、一些 技术发达国家还有一定的差距，因此其造价和成本不能进一步降低，也影响到其可靠 性的进一步提高。这就导致了在我国的电子仪器、仪表以及机电一体化设备中，开关 电源还不能得到十分广泛的普及与应用。2 3 开关稳压电源的分析 开关稳压电源等效原理图如下图 1 所示。 图 1 开关稳压电源等效原理图 根据图 1 所示工作原理图分析开关稳压电源的工作原理： 课程设计说明书 第 3 页 在图 1 中把驱动方波信号加到如图所示电路的功率开关 V 的基极上，这样功率开 关 V 就会按照驱动方波信号的频率周期性地导通与关闭，功率开关 V 的工作周期 T=Ton+Toff，占空比为 D=Ton/T(D1)。其工

12、作过程可以用功率开关 V 的导通、关闭 以及开关稳压电源实现动态平衡等过程来解说。 （1）在 Ton=t1-t0 期间，功率开关 V 导通，续流二极管 VD 因反向偏置而截止， 储能电感 L 两端所加的电压为 Ui-Uo。虽然输入电压 Ui 是一个直流电压，但电感 L 中 的电流不能突变，而在功率开关 V 导通的 Ton 期间，电感 L 中的电流将会线性地 1L I 上升，并以磁能的形式在储能电感中存储能量。这时，电感 L 中的电流为 1L I （1）LItotUoUiI LoL / )()( 1 式中为 t0 时刻储能电感 L 中的电流，在 t1 时刻，也就是驱动信号正半周要结 0L I 束

13、的时刻，储能电感 L 中的电流上升到最大值，其最大值为： （2）LIttUoUiI LL / )01()( 0max 从两式我们就可以计算出储能电感 L 中电流的变化量为： （3）LttUoUiIII llL / )1)( 1max1 当式中的 t=t0 时，储能电感中的电流变化量为最大，其最大变化量为 （4）LTonUoUiLttUoUiIl/)(/ )01)( 1max （2）在 Toff=t2-t1 期间，功率开关 V 截止。但是在 t1 时刻，由于功率开关 V 刚 刚截止，并且储能电感 L 中的电流不能突变，于是 L 两端就产生了与原来电压极性相 反的自感电动势。此时，续流二极管 VD

14、 开始正向导通，储能电感 L 所储存的磁能将 以电能的形式通过续流二极管 VD 和负载电阻 R1 开始泄放。这里的二极管 VD 起着 续流和补充电流的作用，这也正是它被称为续流二极管的原因。储能电感 L 所泄放的 电流的波形就是锯齿波中随时间线性下降的那一段电流。为了简化计算，可将续流 2L I 二极管 VD 的导通压降忽略不计，因而储能电感 L 两端的电压近似为 Uo，其中流过的 电流可由下式计算出来： （5） max2 / ) 1( LL ILttUoI 在 t=t2 时，储能电感 L 中的电流达到最小值，其大小可由下式计算出： 课程设计说明书 第 4 页 （6） maxmin / ) 1

15、2( lL ILttUoI 由上述两式就可以求出在功率截止期间，储能叫感 L 中电流的变化值为： （7）LttUoIL/ )2( 2 当 t=t1 时，储能电感 L 中的电流变化值为最大，其最大变化量为： （8）Toff L Uo tt L Uo Il) 12( 2max （3）只有当功率开关 V 导通期间 Ton 内储能电感 L 增加的电流 Ilmax1 等于功 率开关 V 关闭期间 Toff 内减少的电流Ilmax2 时，才能达到动态平衡，才能保证储 能电感中一直有能量，并源源不断地向负载电路提供能量和功率。这就是构成一个 稳压电源的最基本的条件。因此下面的关系式一定成立： （9）Toff L Uo Ton L UoUi )( 将式化简整理后得到输出电压 Uo 与输入电压 Ui 之间的关系为： （10）Ui T Ton UiDUi ToffTon Ton Uo 从式中可以看出，由于占空比 D 永远是一个小于是的常数，因此输出电压 Uo 永 远小于输入电压 Ui。这是降压型开关稳压电源的输出电压 Uo 的输入电压 Ui 之间的关 系式。3 上式中的占空比 D 与功率开关 V 的导通时间 Ton 有关。如保持功率开关