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1、开关电源新技术及其应用 河北科技大学 电子信息工程系“数字化测量技术数字化测量技术”省级精品课省级精品课1单片开关电源的新技术及其应用开关电源新技术及其应用1开关电源原理简介2 利用计算机设计开关电源3 保护电路的设计4 电磁兼容性设计5结语2单片开关电源的新技术及其应用 开关电源（Switching Mode Power Supply，英文缩写为SMPS）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。开关电源内部的关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%90%，比标准线性稳压电源提高近一倍。 开关电源集成电路主要包括以下4种： 脉冲宽
2、度调制（简称脉宽调制PWM）器； 脉冲频率调制（简称脉频调制PFM）器； 开关式稳压器； 单片开关电源。3单片开关电源的新技术及其应用 目前，开关电源正进入一个蓬勃发展的新时期，突出表现在两点：（1）“三新”： 新技术新工艺 新产品 （2）“四个方面” 单片集成化 利用计算机设计开关电源 开关电源的保护电路更加可靠 电磁兼容性设计 4单片开关电源的新技术及其应用表1 集成稳压电源的分类及特点集集成成稳压器器线性性电源源（LPS）标准准线性性稳压器器（StandardLinearRegulator）固定式固定式三端固定式三端固定式正正压输出，出，负压输出出多端固定式多端固定式正正压输出，出，负压
3、输出出可可调式式三端可三端可调式式正正压输出，出，负压输出，出，跟踪式跟踪式多端可多端可调式式正正压输出，出，负压输出，出，跟踪式跟踪式低低压差差线性性稳压器器（LowDropoutLinearRegulator）PNP型低型低压差差线性性稳压器（器（LDO）三端或多端固定式三端或多端固定式/可可调式式正正压输出，出，负压输出，出，跟踪式跟踪式准低准低压差差线性性稳压器（器（QLDO）超低超低压差差线性性稳压器（器（简称称VLDO）开关开关电源源（SMPS）脉脉宽调制器（制器（PWM）集成度集成度较低，外低，外围电路复路复杂，但可构成大功率开关，但可构成大功率开关电源源脉脉频调制器（制器（PF
4、M）集成度集成度较低，外低，外围电路复路复杂，开关，开关频率可达率可达1MHz以上，高效率以上，高效率开关开关稳压器（器（SwitchingRegulator）集成度集成度较高，内含功率开关管，需配工高，内含功率开关管，需配工频变压器器单片开关片开关电源源集成度很高，外集成度很高，外围电路路简单，适合构成中、小功率开关，适合构成中、小功率开关电源源5单片开关电源的新技术及其应用表2开关电源与线性电源的性能比较参参数数开开关关电源源线性性稳压电源源电源效率源效率/（）（）70853040单位体位体积下的下的输出功率（出功率（W/cm3）0.120.03单位位质量下的量下的输出功率（出功率（W/k
5、g）8822电压调整率整率/（）（）0.110.020.1负载调整率整率/（）（）150.52输出出纹波波电压（峰（峰-峰峰值）/mV505输出噪声出噪声电压（峰（峰-峰峰值）/mV50200极小极小瞬瞬态响响应时间/s100020断断电后后输出出电压的保持的保持时间/ms2030126单片开关电源的新技术及其应用1.1 开关电源的基本结构开关电源的基本构成如图4所示。主要由4部分构成： 输入整流滤波器：包括从交流电到输入整流滤波器的电路； 功率开关管（VT）及高频变压器（T）； 控制电路（PWM调制器），含振荡器、基准电压源、误差放大器和PWM比较器。控制电路能产生脉宽调制信号，其占空比受反
6、馈电路的控制；输出整流滤波器。此外还需增加偏置电路、保护电路等。图1 开关电源的基本构成 7单片开关电源的新技术及其应用8单片开关电源的新技术及其应用9单片开关电源的新技术及其应用1.2 开关电源中特种元器件的类型及功能 10单片开关电源的新技术及其应用1.2开关电源的单片集成化 集成开关电源沿两个方向发展： （1）对开关电源的核心单元控制电路实现集成化 脉冲宽度调制（PWM）控制器集成电路： （MC3520、SG3524、UC3842） 脉冲频率调制（PFM）控制器集成电路： （UC1825、UC1864，开关频率达1MHz）11单片开关电源的新技术及其应用（2）对中、小功率开关电源实现单片
7、集成化 高集成度 高性价比 最简外围电路 最佳性能指标 12单片开关电源的新技术及其应用13单片开关电源的新技术及其应用美国PI公司产品：通用型 表3 第一代产品第二代产品第三代产品第四代产品TOPSwitch系列TOPSwitch-II系列TOPSwitch-FXTOPSwitch-GXTOP100/200TOP221227TOP232234TOP2422501994年1997年2000年1月2000年11月三端器件五端器件适配MCU六端五端器件适配MCUPOM150WPOM75WPOM290Wf100kHzf130kHz65kHzf132kHz66kHzu85265V（宽范围输入），或22
8、0V15%（固定输入）80%左右14单片开关电源的新技术及其应用TO220封装（封装（Y）DIP8封装（封装（P）SMD8封装（封装（G）产品产品型号型号固定交流输入固定交流输入（110110115115230V230V15%15%）宽范围交流宽范围交流输入输入（8585265V265V）产品产品型号型号固定交流输入固定交流输入（110110115115230V230V15%15%）宽范围交流宽范围交流输入输入（8585265V265V）TOP221Y12W7WTOP221P221G221G9W6WTOP222Y25W15WTOP222P222G222G15W10WTOP223Y50W30WT
9、OP223P223G223G25W15WTOP224Y75W45WTOP224P224G224G30W20WTOP225Y100W60WTOP226Y125W75WTOP227Y150W90W表表4TOPSwitch的产品分类及最大输出功率的产品分类及最大输出功率POM15单片开关电源的新技术及其应用表5 微型单片开关电源第一代产品第二代产品TinySwitch系列TinySwitch系列TNY253255TNY256TNY264、TNY2652681998年1999年2000年3月四端器件POM10WPOM19WPOM23Wf44kHzf130kHzf132kHz16单片开关电源的新技术及其
10、应用在2002年2004年期间，PI公司最新推出了LinkSwitch系列高效率恒压/恒流式三端微型节能单片开关电源、LinkSwitchTN系列四端隔离式微型节能单片开关电源LinkSwitchHF系列四端隔离式增强型高效微型单片开关电源、和DPASwitch系列高效率单片DC/DC电源变换器。4种高效节能型单片开关电源的产品分类种高效节能型单片开关电源的产品分类17单片开关电源的新技术及其应用单片开关电源的应用领域： 各种通用及专用开关电源、开关电源模块、智能化开关电源模块 微机、彩电、录像机（VCR）、摄录像机(CVCR)等高档家用电器中的待机电源、IC卡付费电度表中的小型化开关电源模块
11、，以及机顶盒电源、手机电池充电器、ACDC电源适配器等 18单片开关电源的新技术及其应用TOPSwitch的引脚排列图a）TO220封装 b）DIP8封装和SMD8封装 19单片开关电源的新技术及其应用TOPSwitch的内部框图如图 20单片开关电源的新技术及其应用12V、20W开关电源模块 21单片开关电源的新技术及其应用5V、12V双路输出的反激式150W精密开关电源电路 22单片开关电源的新技术及其应用 多路输出的35W机顶盒开关电源 机顶盒（Set-top Box）是交互式电视（ITV）的关键技术，利用它可提供数字广播电视、视频与音乐点播、卡拉OK、三维游戏、高速上网、在线购物、语音
12、提示等功能强大的宽带多媒体服务。 机顶盒对电源的要求非常严格，一般需采用效率高、体积小、重量轻、多路输出式开关电源，这种开关电源还应具有良好的电磁兼容性。TOPSwitchFX系列第三代单片开关电源集成电路，不仅设计先进、功能完善，而且外围电路简单，使用非常灵活，是目前设计机顶盒电源的一种理想器件。 23单片开关电源的新技术及其应用五路输出的35W机顶盒开关电源 24单片开关电源的新技术及其应用 近年来，数字电视获得了飞速发展。数字电视按传输方式可分为卫星数字电视、地面数字电视和有线数字电视三种。其中，地面数字电视播放最为重要。下面介绍一种地面数字电视播放（DVBT，即Digital Vide
13、o Broadcast-Terrestrial）设备的电源模块。 25单片开关电源的新技术及其应用10W高速调制解调器电源模块近年来随着计算机网络技术的飞速发展，网络已走进寻常百姓家中。与此同时，各种网络设备也日臻完善。下面重点介绍一种宽带、高速调制解调器（High Speed Modem）开关电源模块26单片开关电源的新技术及其应用 特种集成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 27单片开关电源的新技术及其应用复合型开关电源 28单片开关电源的新技术及其应用精密恒压/恒流源的输出特性 29单片开关电源的新技术及其应用截流型开关电源的输出特性 30单片
14、开关电源的新技术及其应用恒功率型开关电源的输出特性 31单片开关电源的新技术及其应用2 利用计算机设计开关电源利用计算机来设计开关电源，还能充分发挥高科技的优势，极大地减轻设计人员的工作量并可实现最优化设计。优化设计方案由三部分组成：程序流程图 实用的设计程序电子数据表格（电子数据表格中的信息包括输入数据（已知条件）、需要保留的中间变量和最终计算结果。） （电子数据表格中的信息包括输入数据（已知条件）、需要保留的中间变量和最终计算结果。） 32单片开关电源的新技术及其应用（1）美国PI（Power Integrations）公司开发的PIExpert软件正是采用了这项技术。但是，该软件没有作为
15、商品对外出售，所赠送的光盘也对软件的安装使用次数以及运行时间进行了严格限制，软件的原代码更列为公司的最高机密。此外，PI Expert软件亦存在某些不足之处，突出表现在每种系列产品各对应于一套专门的软件，并且只能对现有产品进行设计。因此，也给用户使用带来一些不便之处。 33单片开关电源的新技术及其应用 我们利用VB独立开发出通用性很强的KDP Expert专家系统，为开关电源设计人员提供了一套功能强大而又简便实用的设计软件。该软件不仅适用于TOPSwitch、TOPSwitch-、TOPSwitch-FX和TOPSwitch-GX系列，还为将来问世的新产品预留出足够的接口。 34单片开关电源的
16、新技术及其应用 该软件设计了5个常用的软面板和2个元件库（芯片库与磁芯库），采用中文界面，技术参数完全符合我国的国家标准和国际单位制。 它具有类似于“傻瓜相机傻瓜相机”的特点，使用起来非常方便，初学者只要输入电源参数并选择好TOPSwitch芯片和高频变压器磁芯等关键参数，即可将设计结果显示出来。整个设计过程仅需几分钟。为使专业技术人员能够获得最佳性能指标， 该软件还提供了一套高级参数软面板，包括反馈参数选择面板，输出整流二极管选择面板，反馈输出电压面板以及变压器高级参数面板。 35单片开关电源的新技术及其应用软面板的层次结构 36单片开关电源的新技术及其应用KDP设计专家 主面板37单片开关
17、电源的新技术及其应用KDPExpert2.0专家系统专家系统38单片开关电源的新技术及其应用39单片开关电源的新技术及其应用TOPSwitch 芯片选择面板 40单片开关电源的新技术及其应用高频变压器磁芯选择面板41单片开关电源的新技术及其应用设计结果显示面板 42单片开关电源的新技术及其应用反馈电路选择面板 43单片开关电源的新技术及其应用库选择44单片开关电源的新技术及其应用由荷兰飞利浦（由荷兰飞利浦（Philips）公司于）公司于2000年年9月推出了月推出了StarPlug（星形抽头）专家系统（亦称设计向导）（星形抽头）专家系统（亦称设计向导）1.0版版本，是专供开发本，是专供开发TE
18、A1520系列单片开关电源用的设计软系列单片开关电源用的设计软件。件。主界面主界面45单片开关电源的新技术及其应用自动生成的电路图及元器件清单46单片开关电源的新技术及其应用 意意-法半导体有限公司（法半导体有限公司（ST公司）最近推出的公司）最近推出的VIPer专家系统，是专供开发专家系统，是专供开发VIPer12A、VIPer22A、VIPer50A、VIPer50B、VIPer53、VIPer100、VIPer100A和和VIPer100B等等中、小功率单片开关电源的设计软件。中、小功率单片开关电源的设计软件。6路输出的开关电源电路图路输出的开关电源电路图47单片开关电源的新技术及其应用
19、VIPer专家系统还具有一定的仿真功能，单击专家系统还具有一定的仿真功能，单击“Waveform”（波形）按钮，可显示开关电源的各种特（波形）按钮，可显示开关电源的各种特性曲线图，这是该软件的一大特色。性曲线图，这是该软件的一大特色。同时显示第同时显示第1路和第路和第2路输出的两种特性曲线路输出的两种特性曲线48单片开关电源的新技术及其应用同时显示同时显示4幅特性曲线图幅特性曲线图49单片开关电源的新技术及其应用5 结语 目前，开关电源领域的各项新技术正引起国内外的普遍关注，这对我国电源产业的发展将起到重要地推动作用，也为研制和开发具有高性价比的开关电源新产品创造了良好条件。 50单片开关电源的新技术及其应用谢谢大家！谢谢大家！51单片开关电源的新技术及其应用
