开关电源的制作及学习

《开关电源的制作及学习》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关电源的制作及学习（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、开关电源的制作 注意：在通电后进行检测及查看时必须对电容及电感储能元件进行放电。否则肯定中电。 开关电源的发展趋势电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标 及能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。线性稳压 电源亦称串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出纹波电压很小，但它必须使用笨重的工 频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大、效率低。 开关电源5MPS(Switch Mode P。wer S。Pply)被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发 展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关

2、键元器件工作在高频开关状态，本 身消耗的能量很低，电源效率可达70一 90，比普通线性稳压电源提高近一倍。开关电 源亦称无工频变压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离 的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与 开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。 开关电源的发展历史开关电源已有几十年的发展历史。早期产品的开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源 等少数领域。 20 世纪 60 年代出现过晶闸管(旧称可控硅)相位控制式开关电源， 70 年代由分 立元件制成的各种开关电源，均围效率不够高、开关频率低、电路

3、复杂、调试困难而难于推 广，使之应用受到限制。 70 年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开 关电源专用芯片大旦向世，这种新项节能电源才重获发展。目前，开关频率已从20kHz左 右提高到几百千赫至几兆赫。与此同时，供开关电源使用的元器件也获得长足发展。 Mos 功率开关管(MOSFET)、肖特基二极管(SBD)、超快恢复二极管(SRD)、瞬态电压抑制器(Tvs)、 压敏电阻器(vsR)、熔断电阻器(FR)、自恢复保险丝(RF)、线性光锅台器、可调式精密并联稳 压器(TL431)、电磁干扰滤波器(EMI别te?)、高导磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠(M。8nettc Eead

4、)、三重绝缘线(丁 riple InsuI班eWire)、玻璃珠(G1ass Beads)胶合刑等 大 批新器件、新材料正被广泛采用。所有这些，都为开关电源的推广与普及提供了必要条件。 开关电源的基本原理(1) 脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制(Pulse w比h ModuNion，缩写为PwM)式。其特 点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。因开关周期也是固定的，这就为设计 滤波电路提供了方便。其缺点是受功率开关管最小导适时间的限制，对输出电压不能作宽范 围调节扇外输出端一般要接假负载(亦称预负载)，以防止空载时输出电压升高。目前，集成 开关电源大多采用PwM方式。(2) 脉冲频率调

5、制方式，简称脉频调制(Pul se F,叫uen y Modulation,缩写为PFM)式。 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 器宋代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压/频率转换器(例如压控振荡器vco)改 变频率。其稳历原理是，当输出电压D。升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变 长，使占空比减小。un降低。PFM式开关电源的输出电压调节范围很宽，输出端可不接假 负载。(3) 混合调制方式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式，它属于PwM 和 PFM 的混合方式。脉宽调制式开关电源的基本原理脉宽调制式开关电源的基本

6、原理如图1. 2. 2所示。交流220v输入电压经过整流滤波后变 成直流电压uI,再由功率开关管vT(或MosFET)斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波 电压，最后通过输出整流滤波器vD、C2,获得所需要的直流输出电压Jo。脉宽调制器是 这类开关电源的核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信早，控制功率开关管的通 断状态，来调节输出电压的高低，达到稳压目的。锯齿波发生器提供时钟信号。利用误差放 大器和PwM比较器构成闭环调节系统。假如由于某种原因致使D。十，脉宽调制器就改变 驱动信号的脉冲宽度，亦即改变占空比D,使斩波后的平均值电压升高，导致队十。反之亦 然。单片开关电源的基本原理及反

7、馈电路类型ToP5w： tch系列单片开关电源的典型应用电路如图1. 5. 1所示。高频变压器在电路中 具备能量存储、隔离输出和电压变换这三大功能。由图可见，高频变压器初级绕组N,的极 性(同名端用黑圆点表示)，恰好与次级绕组Nh反馈绕组N?的极性相反。这表明在TOPs witch导通时，电能就以磁场能量形式储存在初级绕组中，此时vDz截止。当了 OP5witch 截止时，vDb导通，能量传防给次级，此即反激式开关电源的特点。图中，BR为整流桥， Clh为输入端滤波电容。交流电压M经过整流滤波后得到直流高压yt,经初级绕组加至 ToPswitch 的泥极上。鉴于在 ToP5witch 关断时刻

8、，由高频变压器溺感产生的尖峰电压，会 叠加在直流高压yl和感应电压yon上，可使功率开关管的漏极电压超过700V而损坏芯片； 为此在初级绕组两端必须增加漏极钳位保护电路。钳位电路由瞬态电压抑制器或稳压管 (vDM)、阻塞二 极管(vDl)组成，vDl宣采用超快恢复二极管(sRD)。vDh为次级整流管， com 是输出端滤波电容。i-M图1.5.1单片开关电源典型应用电路VD1, VD2超快速恢复二极管单片开关电源的应用领域单片开关电源一经问世便显示出强大的生命力1B前已成为国际上开发中、小功率开关 电源、精密开关电源、特种开关电源及电源模块的优选集成电路。由它构成的开关电源，其 成本与同等功率

9、的线性稳压电源相当，而电源效率显著提高，体积和重量大约可减小 13 12，展示了良好的应用前景。单片开关电源的应用领域主要如下：(1) 通用开关电源各种通用开关电源开关电源模块精密开关电源模块智能化开关电源模块(2) 专用开关电源微机、usB接口电源、彩电、录像机(vcR)、摄录像机(cvcR)等高档家用电器中的待 机电源电子仪器仪表中的电源辅助电源 Ic 卡付费电度表中的小型化开关电源模场数字电视机顶盒(SetdopBox)电源地面数字电视播放(DvB 了)电源高速调制解调器电源手机电池充电器 AcDc 电源适配器等低功耗DVD电源 LcD 电源适配器带以太网接口的De/De电源变换器(3)

10、持种开关电源复合型开关电源恒压/恒流型开关电源截流输出型开关电源恒功率输出型开关电源功率因数校正器(PFe)其他类型的特种开关电源4w后备式开关电源由TOP221P构成的十5V、十12V双路输出的4W后备式开关电源，电路如图2. 4. 1 所示。电路中使用TOP221P(IC1)、线性光锅台器PL817A(IC2)各一片。该电路能在主电源断 电后继续供电，确保仪器设备中的ePu以及实时日历时钟芯片内部RAM中的数据不致丢失， 亦可使遥控端口的工作状态维持一段时间。输入端接直流电压UI, uI值应视交流插入电压 M的变化范围(例如85245v)而定。T为高频变压器，Np为初级绕组，Ns为次级绕组

11、(亦 称输出绕组)，Np为反馈绕组。它采用带稳压管的光用反馈电路。图上的黑点代表各绕组的 同名端(亦称同相端)。隔离式十5v输出专为需要掉电保护的电路供电，而非隔离式十12V 输出可给主电源的PwM控制器等供电，使之处于待机状态，一旦来电，主电源立即转入正 常工作状态。图中的RTN为十5v输出的返回端(RETuRN),即公共/接地端。+ 047kTg-p 22DOP t、 lkV-nd R-AMlvu T UF54O1 皿:谱 J 1N48+ %+ 5V0, 78AUF4O05 ；3.9VR*100RTNUAICPCS1717LED+ UOi+12VO,1A图Z 4. 1由TOP221P构成的

12、4W后备式开关电源电路该电路屑于单端反激式开关电源。所谓单端是指丁 OP221P只有一个脉宽调制信号功率 输出端漏极D。反激式则是指当功率MoSFET导通时，就将电能储存在高频变压 器的初级绕组上，仅当MosFET关断时，才向次级输送电能，由于开关频率高达100kHs, 使得高频变压器能够快速储存、释放能量，经高额整流滤波后即可获得直流连续输出。鉴于 在功率MosFET关断的瞬间，高额变压器的漏感会产生尖邮电压uLP5外在Np上还台产生 成应电压(即反向电动势)I / M，二者登加在直流杨入电压Dl上。在典型情况下,Uhn=380V, tJI魁165V, zJoB = 135V,即Uhn十UL

13、十U皿越680v。这就要求功率MOSFET至少应能 承受700v的高压，即I/Mm700v，同时还必须在漏极增加钳位电路，用以吸收尖均电 压，保护TOP221P中的功率MOSPET不受损坏。钳位电路由VD1、兄、Cl组成，VDj选用 反向耐压为600V的超快恢复二极管UP4005。当MOSFET导迈时，NP的电压极性上端仑 萨下谢力记伸vD、裁L，钳位电路不起作用。在MOSFET截止瞬间，NP变为十端为 正，上端为负，此时vDl导通，尖峰电压就被R3和cI吸收掉。次级Ns上的高频电压经过 uF54们型IooV/3A的超快恢复二极管vD2整流，再经过C、L、c3滤波后，获得十5v输 出电压EJ。

14、，。滤波电感L选用被称作“磁珠“（magnetic bead ）的3. 3yH穿心电感，可滤除 vD2在反向恢复过程中产生的开关噪声。市售的磁珠外形与塑封二极管相仿，但是用磁性材 料封装，内穿一根导线而制成的小电感。ufJl的额定值由稳压管vD2肋稳压值EJz（约2. 9v） 和Ics中发光二极管LED的正向压降yF（约1v）之和来设定。因LED助工作电流很小，而 LED的限流电阻RI的阻值也很小，故凡上的压降可忽略不计。表达公式U。l=U2 十 UF为提高高频整流的效率，降低损耗，团2. L1 中的 vDh 还可换成肖特基二权管 NF 上 产生的反馈电压经vr）3、c4整流滤波，获得非隔离式

15、十12v输出（该路输出EJM与5极共地）， 为光福合器中接收管的集电极供电。由于Nf输出电流较小，因此vD5可采用硅高速开关二 报管1N4148,其最高反向工作电压口 hM=75V,最大正向电流JM= 150mA，反向恢复时 间zR=4nso光粥合器Pc817A能将Uol与电网隔离，其发射极电流送至ToP221P的控制端， 用来调节占空比。现将Um的稳压原理分析如下：当由于某种原因致使uol十，I/mUz十uF时误差电压EJ r=u（，l 一（I/z十uP）就令L辽D的J y十，经过光福合器后.接收管的 JP十端电流Jc十，而占空比D十，导致uol十，从而实现了稳压目的。反之，rol十一 Jf 4Jc 十一 Dfut）i十，同样起到稳压作用。所产生的，使得控制4JE十十C为控制端旁 路电容，它能对控制环路进行补偿并没定自动重启动频率。当cl=47PF时，自动重启动频 率为1. 2H2,周期为o. 83s v即每隔o. 83s检测一次调节失控的故障是否已被排除，若确 认已被排除，就自动重新启动开关电源恢复正常工作。由TOP227Y构成的150W精密开关电源十12V、十5V双路输出的反激式150w桔密开关电源电路如图2. 4. 2所示。该电源 使用ToPx7Y（比1）、线性光锅台器cNYl72（Icz，美国摩托罗拉公司产品