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1、开关电源设计与应用姓姓 名名:学学 号：号：学学院院(系系):自动化学院 专专 业业:电气工程题题 目目:基于反激变换器的 LED 电源的分析研究指指导导老老师师： 摘要摘要开关电源在生活中无处不在，它具有效率高，体积小的特点。本文就是以开关电源为研究对象，先介绍了开关电源的应用背景。然后以一款 LED 电源为对象，根据本学期学习的开关电源的设计与应用的知识，查阅相关的资料，来分析该电源的工作原理。该电源是本人在本科大四期间，在上海 bcd 公司实习期间接触到的一款 LED 灯的驱动电源,正好这款产品是由我测试的测试报告，在报告里面，有该电源的原理图，bom 表，以及性能测试波形。通过这学期姚
2、老师认真地讲解开关电源，本人对这款产品有了新的认识。在讲解该款电源的内容中，首先介绍了本电源使用的一款芯片AP1682 芯片，讲解了该芯片的工作原理。通过该芯片，该电源可以实现 PFM 调节和功率因数的校正，在这一部分内容中，将进行相应公式的推导，验证该电源是如何实现 PFM 调节和功率因数的校正。然后根据工作原理和该电源的性能参数，推导出了该电源的变压器的设计参数，器件的参数。接着使用 Seber 仿真了该电源。最后，结合我的那份测试报告来对电源分。最后，对本文进行了总结，谈谈本人对开关电源应用与设计课的感悟。关键字：开关电源 AP1682 功率因数校正目录目录1 开关电源的应用背景.1 2
3、 本论文所研究电源的性能指标.2 3 电源原理分析.2 3.1 电源的外形.2 3.2 电源的原理图.3 3.3 AP1682 芯片的工作原理3 3.3.1 AP1682 芯片的外形3 3.3.2 AP1682 的引脚的功能介绍3 3.3.3 功率因数校正和恒定输出电流控制策略4 3.3.4 VCC 引脚的工作区间7 3.3.5 FB 引脚的工作区间7 3.3.6 输入电压的检测.8 3.3.7 初级电流检测和过电流保护（OCP）.8 3.4 本章小结.8 4 电源变压器和开关器件的选择.9 4.1 变压器的设计.9 4.1.1 变压器匝数比的计算9 4.1.2 变压器电感的设计.10 4.1
4、.3 变压器匝数的设计.10 4.1.4 变压器元副边导线线径的计算.11 4.2 开关管的选择.12 4.2.1 初级开关管的选择.12 4.2.2 次级续流二极管的选择13 4.3 输出电容的选择.13 4.4 输入电压检测电路的设计14 4.5 FB 引脚检测电路的分析15 4.6 线补偿电路的分析16 4.7 其他电路的设计17 4.7.1 保护电路.17 4.7.2 EMI 滤波器电路17 4.7.3 漏感能量的吸收电路17 5 电源仿真及其分析.18 5.1 仿真电路拓扑.18 5.2 功率因数校正功能仿真.18 5.3 原副边工作电流仿真.18 5.4 功率器件工作仿真.19 5
5、.5 输出电压和输出电流仿真.19 6 开关电源工作状态的分析.20 6.1 电源中各元件的参数.20 6.2 变压器的参数.21 6.3 电源性能的分析.22 6.3.1 电源的效率.23 6.3.2 电源输出电流的测试.23 6.3.3 功率因数特性.246.3.4 输入电压和输入电流的波形25 6.3.5 输出电压和电流的纹波26 6.3.6 Mosfet VDS 波形测量.26 6.3.7 输出二极管反向电压波形测量.27 6.3.8 起动时间的测量.28 6.3.9 温度测试.28 7 总结 29 参 考 文 献.301 1 开关电源的应用背景开关电源的应用背景电源是一个系统的力量之
6、源，无论是数字电路，模拟电路，信息电子电路，还是电力电子电路，都需要稳定的直流电供电。它的发展过程是与时俱进的，伴随着电子线路的发展而发展。电子元件的发展是伴随着材料的发展而发展，电子线路是随着电子元件的发展而发展。由当初的真空管电路，发展到晶体管电路，再发展到小规模的集成电路，直至今天的大规模及超大规模集成电路，其相应的供电方式同样也发生了很大的进步。在电子线路被真空管统治的时代，大部分电子线路并不要求供电电源十分稳定，那时的电源很多是整流滤波。通常只要将市场上的交流电经过变压器转换到合适的电压值后，通过电子管整流变成脉动直流电，然后经过简单的电容滤波电路或简单的电感输滤波电路将脉动直流电转
7、换成为需要的平滑直流电。为了携带方便，有些设备采用电池供电，这时的真空管是专用于电池供电，例如当年的电池式收音机，就是这种原理。随着晶体管问世后，相对于真空管，它具有功耗低、体积小、价格相对便宜、连接方式灵活等特点，使真空管很多不能实现的功能得以实现，特别是在脉冲电路、数字电路中。晶体管微型计算机的运算速度、可靠性、功耗等方面远优于真空管微型计算机。晶体管的应用领域也越来越广阔，晶体管电路对电源的要求也越来越高，于是出现了独立存在的晶体管稳压电源。在很多晶体管电路中也设置了稳压电源。这些稳压电源通常就是人们熟知的线性稳压电源。时至今日，在很多电源的应用场合，仍然可以见到线形稳压电源。随着集成电
8、路集成度的不断提高，这使得微型计算机的体积不断减小。这时线性稳压电源已不再适应当今的潮流，开关型稳压电源使微型计算机的微型化成为可能，时至今日所有的微机和笔记本电脑的电源适配器都是开关电源的电路结构。直到今天，开关电源仍然处于高速发展阶段。现在，电力电子技术已经处于了高速发展阶段，电力电子设备在人们的工作和生活方面扮演着重要的角色。然而，要想使这些电子设备正常运转，就必须要有可靠的电源。早在上世纪的 80 年代，计算机里面的电源已经实现了开关电源化，这也意味着计算机的电源实现了换代。随后进入 90 年代，在这短短的十年里，开关电源相继进入了人们生活中的很多领域，这大大促进了开关电源技术的迅速发
9、展。电源都有着一个共同特点，即同一类型的电源，其成本都随着输出功率的增加而增长。然而，线性电源的成本在某一个输出功率点上，比开关电源要高。当今的时代，是一个技术处于高速发展的时代，这让开关电源的技术也处于不断创新，为开关电源的发展提供了广阔的空间。开关电源的工作频率越来越高，开关电源的体积越来越小。这两个特点，让开关电源进入了广泛的应用领域，在高新技术领域中也占有一席之地，从而推动了高新技术产品的小型化、轻便化。开关电源的高频化和小型化，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 2 本论文所研究电源的性能指标本论文所研究电源的性能指标该电源采用的是反激变换器的拓扑结构。输入为 8
10、5V-265V AC，50HZ 的交流电，输出为 30V，1A。功率因数 PF0.94。总谐波含量85%。3 3 电源原理分析电源原理分析3.13.1 电源的外形电源的外形图 3.13.23.2 电源的原理图电源的原理图图 3.2 电路工作原理图3.33.3 AP1682AP1682 芯片的工作原理芯片的工作原理在图 3.2 中，绿色的部分为控制电源的芯片 AP1682，下面将分析 AP1682 是如何控制电路的正常运转。3.3.1 AP1682 芯片的外形AP1682 芯片采用了 SOIC-8 封装，下面为 AP1682 芯片的外形图。图 3.3 AP1682 芯片的外形3.3.2 AP16
11、82 的引脚的功能介绍表 3.1 芯片引脚功能介绍引脚号引脚名功能1NC不连接2VS检测整流后的输入电压的瞬时值3VPK检测整流后的输入电压的峰值4CS检测原边电流5FB捕获从辅助绕组的反馈电压，用于控制无负载时的输出电压，并确定启动阶段加速的停止点6GND接地7OUT栅极驱动器输出引脚，用于驱动三极管或者 MOS 管8VCCIC 的电源引脚。AP1682 芯片的内部逻辑功能原理图图 3.4 是 AP1682 的逻辑原理图，相关的逻辑原理，和工作原理将在后面介绍。图 3.4 AP1682 芯片的内部逻辑原理图3.3.3 功率因数校正和恒定输出电流控制策略实现 PFC 功能需要输入交流电流波形跟
12、随输入交流电压波形，使得输入电压和电流的相位角差接近于零，从而实现高的功率因数。该芯片采用 PFM 调制技术，反激式转换器始终工作在断续电流模式（DCM）,采用了初级端调节（PSR）来调节恒定输出电流，实现高功率因数。图 3.5 给出了原边，副边的电流和反馈绕组电压等波形。图 3.5 基本的工作波形图 在稳定的状态下，一个开关周期内，加在原边电感上的电流在时间上的积分为，可以推出平均输入电流为2onppkTI（3.1）swonppk INTTII2其中为初级开关时间，为初级绕组峰值电流，为一个开关时间段时间。onpTPKISW T根据电感方程，可以得出初级电感电流的导通时间为（3.2）inpk
13、p onpVILT其中是变压器的初级绕组的电感。pL在芯片的逻辑原理图中，可以看出，CS 引脚可以检测出原边的峰值电流（3.3）cscs pkRVI假设一个参数，使得K（3.4）KTTons sw其中是二次侧二极管的导通时间。onsT由公式（3.1）,（3.2）,（3.3）和（3.4） ，可以得出（3.5）inonscscsponscscsinpcscsonsinpkpCScsswonppk inVTRVKLKTRV VLRVKTVILRVTTII 222222当输入电压以相位角为变量时，输入电压为：inV（3.6）sin2rmsininVV由于为正弦函数，它的包络为正弦的馒头波，为了使输入电
14、流的波形紧跟随输入csV电压的波形，就必须使得输入电流为正弦函数，并且其初相位和输入电压相同，inI才能实现功率因数的校正。从图 3.5 和表 3.1 中，可以得到：（3.7）SinVKVREFcsLINEcsKline和 Vcs-ref为假设的参数，通过逻辑原理图，可以得到为关于的正弦函数K（3.8）SinKKSinKVV TTKcLINEc pkSswons其中为一个比例系数。cK假设（3.9）cREFCSEQCSKVV,在这里，通过调整，假设为 1V，是 4/9 和是 4/9V。CS_REFVCKEQCSV由公式(3.2)，可以得到（3.10） pkinonp PIVTL根据稳定状态下，
15、由变压器原边副边的伏秒数平衡得到（3.11） onsoutttTVNVTinonp由公式（3.10）可以得出（3.12）tpkpkinonp PITVN IVTLonsoutt是变压器的功率转换效率。t从上述公式（3.5） ， （3.6） （3.7） ， （3.8） ， （3.9） （3.10） （3.11） （3.12）可以得到（3.13）SinVRKVNVVTRVKLItRMSINcsLINEEQCStoutinonscscsp in2222 , 22因此从公式（3.13）可以看出，输入电流跟随着输入电压，它显示了 PFC 控制功能的工作原理。验证了图 3.5 中的基本工作波形。由于输入电
16、流和输出电流满足，可以得到输出电流平均值为tPKtpksINI（3.14）21222222 ,22 ,Cos RKVNRSinKVNRTVTNITTN TTIIcstLINEEQCEtcstLINEEQCEtcsswtcsonsttpk swonstswonspks o从公式（3.14）可以得出结论，说明该输出电流有脉动，这会导致输出电压纹波。在反激式拓扑结构中，需要有输出电容过滤纹波。因此，最后的输出电压纹波取决于总输出电容。而对于 LED 驱动器，输出电流纹波由输出电压纹波和负载 LED的伏安特性决定的。输出电流的 DC 值为（3.15）cstLINEEQCEtcstLINEEQCEt DCoRKVNdRSinKVNI4212 ,022 ,因此，设计好
