DZ096開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì)
DZ096開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì),dz096,開關(guān)電源,應(yīng)用,利用,運(yùn)用,液晶顯示器,電源,設(shè)計(jì)
I開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器的設(shè)計(jì)專業(yè)：通信工程 學(xué)號：1002566 姓名：賴宏德 指導(dǎo)教師：葉宇煌中文摘要隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活關(guān)系日益密切，而任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源。進(jìn)入 90 年代開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，如程控交換機(jī)、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等。單片開關(guān)電源管理集成電路具有高集成度、高性價(jià)比、簡單外圍電路、優(yōu)越性能指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為國際上開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源、專用開關(guān)電源以及開關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路，使得開關(guān)電源正朝著短、小、輕、薄的方向發(fā)展，所以得到了廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于液晶顯示器終端的電流模式開關(guān)電源控制電路.該電路具有短路保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)等功能。論文首先對國內(nèi)外的發(fā)展與趨勢和兩種電源的基本原理做了介紹。 論文的第二章介紹了開關(guān)電源控制方式。開關(guān)電源有三種控制方式：脈沖寬度調(diào)制(PW M)、脈沖頻率調(diào)制(PFM)、脈沖寬度頻率調(diào)制 (PWM-PFM)。介紹了脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的基本原理。著重介紹了脈寬調(diào)制方式下開關(guān)電源控制方式的選擇。闡述了與傳統(tǒng)的電壓控制模式相比，電流控制模式具有許多優(yōu)越性，同時(shí)也存在一些必須克服的問題。文章的第三章是對本次設(shè)計(jì)所需的主要電子元件進(jìn)行介紹。主要介紹了 TL431 集成電路、UC3842 集成電路、光電偶合器的原理及其應(yīng)用。文章的第四章是介紹電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。闡述開關(guān)電源電路工作原理以及總體設(shè)計(jì)。文章的第五章主要介紹開關(guān)電源的 EMC 問題。首先分析開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理，然后介紹 EMI 濾波器的工作原理及安裝注意要點(diǎn)，最后論述設(shè)計(jì)電路板的幾個(gè)原則。文章的第六章是對實(shí)際設(shè)計(jì)制作電源測試及其實(shí)驗(yàn)總結(jié)?！娟P(guān)鍵詞】 開關(guān)電源， PWM 工作方式，電流控制模式，UC3842，TL431IIThe application of Switching Power Supply ABSTRACTWith the development of electric and electronic technology, the electric and Electronic equipments have been used broadly in our work and life. Every electronic equipment can not work without reliable power. In 1990s the switching power had been used in all kinds of fields, such as exchanger, communication and control equipments. Single-chips witching power supply management Integrated Circuit (IC) has many virtues such as high integration level, most cost effective, lowest component count switcher solution, and high performance. The switching power IC is selected firstly in the design of high power switching power supply, precision switching power supply, application specific switching power supply and so on in the world, which has been making switching power supply short, small, light and thin。So it has been used broadly.A current-model controller witch is applied in liquid crystal display terminal is designed in this thesis. The whole circuit includes Short circuit protection，Over Voltage Protection and over current protection circuit .The development and tendency of domestic and foreign and the basic principle of two kind powers are presented in the front part of this paper.In chapter II, the control method of Switching power supply is introduced. Switching Power Supply has three kinds of control circuits: Pulse Width Modulation (PWM) Pulse Frequency Modulation (PFM) Pulse Width and Frequency Modulation (PWM-PFM). The switching power supply basic principle of Pulse Width Modulation is introduced in the thesis. Under pulse-duration modulation way switching power supply control mode choice is introduced in detail. Compares with the traditional voltage control model, the current control model has many superiority. But simultaneously it also has some problems that must be over came.In chapter III，the main electronic component needs which to this design are presented. Mainly introduced the principle and application of the rectification diode, power MOSFET, the TL431 integrated circuit, the UC3842 integrated circuit. In chapter IV, the current model control PWM converter is discussed in detail. The circuit overall structural design and the switching power supply circuit principle of work as well as the system design is introduced in chapter IV. Switching power supply EMC question is introduced mainly in chapter VI. Firstly, analyzing the production mechanism of the switching power supply electronmagetic interference, then introducing the work principle of the EMI filter and the important points that should be paying attention to when Installing, finally elaborating several principles of designing circuit board. Finally, some experimental results are presented.Keyword： switching power supply,PWM,the current control model,UC3842 ,TL431目錄第一章 緒 論 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1 國內(nèi)外開關(guān)電源的發(fā)展與趨勢 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.2 兩種電源的基本原理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21.2.1 線性穩(wěn)壓電源 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21.2.2 開關(guān)穩(wěn)壓電源 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31.2.2.1 開關(guān)電源的基本組成 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31.2.2.2 開關(guān)電源穩(wěn)壓原理 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????41.2.2.3 開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????51.3 本章小結(jié) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????51.4 本文所做工作 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????6第二章 開關(guān)電源控制理論介紹 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????72.1 開關(guān)電源控制方式 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????72.2 脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的基本原理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????72.3 集成 PWM 控制器原理 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????82.4 脈寬調(diào)制下開關(guān)電源控制方式的選擇 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????92.4.1 電壓型控制 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????92.4.2 電流型控制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????102.5 電流型控制斜坡補(bǔ)償分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11第三章 開關(guān)電源設(shè)計(jì)中涉及的重要器件 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????123.1 TL431 集成電路 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????123.1.1 TL431 的簡介 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????123.1.2 恒壓電路應(yīng)用 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????133.2 UC3842 集成電路 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????143.2.1UC3842 工作原理 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????143.2.2UC3842 內(nèi)部振蕩器的工作原理 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????163.2 光電耦合器 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17第四章 開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????194.1 開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)要求 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????194.2 電路工作原理 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????194.2.1 頻率的設(shè)定 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????194.2.2 啟動(dòng)過程 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????214.2.3 穩(wěn)壓過程 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????214.2.4 過流保護(hù)原理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????224.2.5 過壓保護(hù)原理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????224.2.6 開關(guān)管保護(hù)電路 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????224.2.7 反饋繞組的設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????22第五章開關(guān)電源的 EMC 設(shè)計(jì)考慮 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????235.1 開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????235.2 EMI 濾波器工作原理及安裝 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????235.3 設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路板時(shí)應(yīng)注意的問題 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????255.3.1 開關(guān)電源 PCB 的布局原則 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????255.3.2 開關(guān)電源 PCB 的布線原則 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????255.4 本章小結(jié) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26第六章整機(jī)性能測試 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????276.1 測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????276.2 測試實(shí)驗(yàn)波形 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????306.3 實(shí)驗(yàn)小結(jié) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31結(jié)論 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32謝辭 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????33參考文獻(xiàn) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????34附錄 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????35開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì)1第一章 緒 論1.1 國內(nèi)外開關(guān)電源的發(fā)展與趨勢電源是電子設(shè)備的心臟部分，其質(zhì)量的好壞直接影響著電子設(shè)備的可靠性，而且電子設(shè)備的故障 60%來自電源，因此，電源越來越受人們的重視?，F(xiàn)代電子設(shè)備使用的電源大致有線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源兩大類。所謂線性穩(wěn)壓電源，就是其調(diào)整工作在線性放大區(qū)。這種穩(wěn)壓電源的主要缺點(diǎn)是變換效率低，一般只有 35%-60%；開關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整工作在開關(guān)狀態(tài)，主要的優(yōu)越性就是變換效率高，可達(dá) 70%-95%。因此目前空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信、雷達(dá)、電視及家用電器中的穩(wěn)壓電源逐步被開關(guān)電源所取代 [1]。目前，國內(nèi)開關(guān)電源自主研發(fā)及生產(chǎn)廠家有 300 多家，形成規(guī)模的有十多家。國產(chǎn)開關(guān)電源已占據(jù)了相當(dāng)市場，一些大公司如中興通訊自主開發(fā)的電源系列產(chǎn)品已獲得廣泛認(rèn)同，在電源市場競爭中頗具優(yōu)勢，并有少量開始出口。他們已經(jīng)逐步做到功能齊全，質(zhì)量穩(wěn)定，并能實(shí)行全智能，無人值守，基本上接近國際先進(jìn)水平的產(chǎn)品。但由于我國配套工業(yè)落后，有些元器件還得依賴進(jìn)口。目前國外電信電源中實(shí)際應(yīng)用最多的開關(guān)整流器是采用 PWM 技術(shù)的 MOSFET 開關(guān)整流器，開關(guān)整流器的發(fā)展趨勢是向高頻大功率智能化發(fā)展，現(xiàn)在澳大利亞，加拿大，日本等國家可生產(chǎn) 200A 的 MOSFET 開關(guān)整流器（模塊） 。此外采用諧振變換技術(shù)的 48V/200A 開關(guān)整流器也是目前典型的新一代大功率開關(guān)整流器產(chǎn)品 [2]。開關(guān)電源產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向是高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和實(shí)現(xiàn)模塊化。國外目前都在致力于同步開發(fā)新型高智能元器件，特別是改善二次整流管的損耗、變壓器電容器小型化，并同時(shí)采用 SMT 技術(shù)在電路板兩面布置元件以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。高效率。為了使開關(guān)電源較、小、薄，高頻化是必然發(fā)展趨勢。而高頻化又必然使傳統(tǒng)的 PWM 開關(guān)功耗加大，效率降低，噪聲也提高了，達(dá)不到高頻、高效的預(yù)期效益，因此實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、本電流關(guān)斷的軟開關(guān)技術(shù)將成為開關(guān)電源產(chǎn)品未來的主流。采用軟開關(guān)技術(shù)可使效率達(dá)到 85～88%。據(jù)悉，美國 WICOR 開關(guān)電源公司設(shè)計(jì)制造了多種 ECZ較開關(guān) DC／DC 變換器，其最大輸出功率有 800W、600W、300W 等，相應(yīng)的功率密度為6.2、10、17w／cm3，效率為 80～90%；日本 NemicLambda 公司剛推出一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊 RM 系列（日本人稱這種技術(shù)為“部分諧振”），開關(guān)頻率 200—300kHz，功率密度 27W／cm3，用同步整流器（即用 MOS－FER 代替肖特基二級管）使整個(gè)電路效率提高到 90%。高可靠。開關(guān)電源比連續(xù)工作電源使用的元器件多數(shù)十倍，因此降低了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器及排風(fēng)扇等器件的壽命決定著電源的壽命。追求壽命的延長要從設(shè)計(jì)方面著眼，而不是從使用方面著想。美國一公司通過降低給溫、減少福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)2器件的電應(yīng)力、降低運(yùn)行電流等措施使其 DC／DC 開關(guān)電源系列產(chǎn)品的可靠性大大提高，產(chǎn)品的 MTBF 高達(dá) 100 萬小時(shí)以上。模塊化。無論是 AC／DC 或是 DC／DC 或是變換器都是朝模塊化方向發(fā)展。其特點(diǎn)是：可以用模塊電源組成分布式電源系統(tǒng)；可以設(shè)計(jì)成 N＋1 冗余電源系統(tǒng)，從而提高可行性；可以做成插入式，實(shí)現(xiàn)熱更換，從而在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)能高速更換模塊插件；多臺模并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)。此外，還可以在電源系統(tǒng)建成后，根據(jù)發(fā)展需要不斷擴(kuò)充容量。低噪聲。開關(guān)電源的又一缺點(diǎn)是噪聲大，單純追求高頻化，噪聲也隨之增大，采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以高頻化，又可以低噪聲。但諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)也有其難點(diǎn)，如很難準(zhǔn)確地控制開關(guān)頻率、諧振時(shí)增大了器件負(fù)荷、場效應(yīng)管的寄生電容易引起短路損耗、元件熱應(yīng)力轉(zhuǎn)向開關(guān)管等問題難以解決。日本把變壓器設(shè)計(jì)成初次級分離阻燃密封，自身具備對體噪聲功能的共模無噪聲隔離變壓器，既節(jié)省了噪聲濾波器，又減少了噪聲。抗電磁干擾（EMI）。當(dāng)開關(guān)電源在高頻下開關(guān)時(shí)，其噪聲通過電源線產(chǎn)生對其它電子設(shè)備的干擾，世界各國已有抗 EMI 的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，如美國的 FCC、德國的 VDE 等，研究開發(fā)抗 EMI 的開關(guān)電源日益顯行生要。計(jì)算機(jī)輔助計(jì)（CAD）。利用計(jì)算機(jī)對開關(guān)電源系統(tǒng)、穩(wěn)定性分析、電路仿真、印刷電路板、熱傳導(dǎo)分析、EMI 分析以及可靠性等進(jìn)行 CAD 設(shè)計(jì)和模擬試驗(yàn)，十分有效，是最為快速經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)品更新加快。目前的開關(guān)電源產(chǎn)品要求輸入電壓通用（適用世界各國電網(wǎng)電壓規(guī)模）、輸出電壓范圍擴(kuò)大（如計(jì)算機(jī)和工作站需要增加 3.3V 這一檔電壓、程控需要增加DC150V 這一電壓）、輸人端功率因數(shù)進(jìn)一步提高（最有效的方法是加一級“有源功率因數(shù)校正器 APFC”），并具有安全、過壓保護(hù)等功能 [1]。1.2 兩種電源的基本原理1.2.1 線性穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓電源原理如圖1-1所示，調(diào)整管(晶體管)工作在線性放大區(qū)，通過調(diào)節(jié)調(diào)整管的集-射極間電壓，使射極電壓相對于變化的集電極電壓保持穩(wěn)定，因此，稱為線性穩(wěn)壓電源。交流電壓經(jīng)工頻變壓器、整流濾波后，得到不穩(wěn)定的直流電壓Ui，Ui的最小值大于輸出電壓Uo。調(diào)整管串聯(lián)在整流濾波輸出和電源輸出之間。其c、e極電壓Uce=Ui-Uo，即Uo=Ui一Uce。輸出電壓采樣后和基準(zhǔn)電壓比較，經(jīng)過誤差放大器放大后，驅(qū)動(dòng)調(diào)整管的基極，構(gòu)成閉環(huán)反饋控制。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，取樣電壓也升高，經(jīng)比較、誤差放大后控制調(diào)整管的Uce也增大，從而使輸出電壓降低，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。同樣，當(dāng)輸出電壓降開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì)3低時(shí)，調(diào)整管的Uce也降低，使輸出電壓升高。由于線性穩(wěn)壓電源增加了閉環(huán)調(diào)節(jié)，使精度和穩(wěn)定性大大提高。圖1-1晶體管串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源原理圖線性穩(wěn)壓電源的主要缺點(diǎn):(1)效率低。調(diào)整管串聯(lián)在輸入和輸出之間，它的電流即為輸出負(fù)載的電流。若負(fù)載電流為Io，則調(diào)整管的功率損耗為Pc=(Ui-Uo) Io。由于調(diào)整管工作在線性區(qū)，(Ui-Uo)一般比較大，造成調(diào)整管的功率損耗很大，整個(gè)電源的效率很低，一般為20%^-60%。(2)體積和重量大。電源中的工頻變壓器、濾波電容和濾波電感的體積和重量都很大;另外，由于其效率比較低，電源本身消耗的功率比較大，所以采用了較大的散熱器 [3]。1.2.2 開關(guān)穩(wěn)壓電源開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件，通過控制開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間的比例來調(diào)節(jié)輸出電壓，這種技術(shù)稱為脈寬調(diào)制。1.2.2.1 開關(guān)電源的基本組成開關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖1-2所示，其中DC/DC變換器用來進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，它是開關(guān)電源的核心部分，此外還有起動(dòng)、過流與過壓保護(hù)、噪聲濾波等電路，輸出采樣電路檢測輸出電壓變化，與基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生的誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制(PWM)電路，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制功率器件的占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的。福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)4圖1-2開關(guān)電源的基本組成(1)主電路從交流電壓輸入到直流電壓輸出的全過程，包括:①輸入濾波器:其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時(shí)也阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。②整流與濾波:將電網(wǎng)交流電直接整流為較平滑的直流電。③逆變:將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。④輸出整流與濾波:根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。(2)控制電路一方面從輸出端取樣，與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達(dá)到輸出穩(wěn)定:另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供給控制電路對整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)。(3)檢測電路除了提供保護(hù)電路需要的各種參數(shù)外，還提供各種顯示儀表數(shù)據(jù)。(4)輔助電源提供各電路需要的直流電源 [3]。1.2.2.2 開關(guān)電源穩(wěn)壓原理開關(guān)電源的工作原理如圖1-3所示。晶體管V3作為開關(guān)器件，以一定的時(shí)間間隔重復(fù)的接通和斷開，在開關(guān)接通時(shí)，輸入電源通過開關(guān)和濾波電路提供給負(fù)載，在整個(gè)開關(guān)接通期間，電源Ui向負(fù)載提供能量:當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，輸入電源便中斷了能量的提供?？梢姡斎腚娫聪蜇?fù)載提供能量是斷續(xù)的，為使負(fù)載能得到連續(xù)的能量提供，開關(guān)穩(wěn)壓電源必須要有一套儲(chǔ)能裝置，在開關(guān)接通時(shí)將一部分能量儲(chǔ)存起來，在開關(guān)斷開時(shí)，向負(fù)載釋放。圖中，由電感L、電容C和二極管Vz組成的電路，就具有這種功能。電感L用以儲(chǔ)存能量，在開關(guān)斷開時(shí)，儲(chǔ)存在電感L中的能量通過二極管V2釋放給負(fù)載，使負(fù)載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量，因二極管V2使負(fù)載電流連續(xù)不斷，所以稱為續(xù)流二極管。輸出電壓可用下開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì)5式表示Uo= , 公式（1-1）UiTonN12式中Ton為開關(guān)每次導(dǎo)通的時(shí)間，T為開關(guān)通斷的工作周期(即開關(guān)接通時(shí)間Ton和關(guān)斷時(shí)間Toff之和)。由上式可知，改變開關(guān)接通時(shí)間和工作周期的比例，輸出電壓也隨之改變，因此，隨著負(fù)載及輸入電源電壓的變化，自動(dòng)調(diào)整T、和T的比例便能使輸出電壓U。維持不變。改變導(dǎo)通時(shí)間T、和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比，這種方法稱為“時(shí)間比率控制”(Time Ratio Control)。圖1-3開關(guān)電源的原理電路1.2.2.3 開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在：1.變換效率高。開關(guān)電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，主要的優(yōu)越性是變換效率高，可達(dá)70-95%，而線性穩(wěn)壓電源一般只能達(dá)到35-60%。2.功耗小 由于開關(guān)管功率損耗小，因而不需要采用大散熱器。功耗小使得電子設(shè)備內(nèi)溫升也低，周圍元件不會(huì)因長期工作在高溫環(huán)境下而損壞，這有利于提高整個(gè)電子設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。3.穩(wěn)壓范圍寬 當(dāng)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸入的交流電壓在 150～250V 范圍內(nèi)變化時(shí)，都能達(dá)到很好的穩(wěn)壓效果，輸出電壓的變化在 2％以下。而且在輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，始終能保持穩(wěn)壓電路的高效率，因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源能適用于電網(wǎng)電壓波動(dòng)比較大的地區(qū)。4.體積小、重量輕 開關(guān)穩(wěn)壓電源可將電網(wǎng)輸入的交流電壓直接整流，再通過高頻變壓器獲得各種不同交流電壓，這樣就可免去笨重的工頻變壓器，從而節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，使電源體積縮小、重量減輕。福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)65.安全可靠 開關(guān)穩(wěn)壓電路一般都具有自動(dòng)保護(hù)電路。當(dāng)穩(wěn)壓電路、高壓電路、負(fù)載等出現(xiàn)故障或短路時(shí)，能自動(dòng)切斷電源，其保護(hù)功能靈敏、可靠 [3]。1.3 本章小結(jié)電源是實(shí)現(xiàn)電能變換和功率傳遞的主要設(shè)備，現(xiàn)代電子設(shè)備離不開可靠的直流電源，并且對其要求也越來越高。開關(guān)電源是一種新型、高效的直流電源，因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代了傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源技術(shù)是一門綜合技術(shù)，它涉及電力電子、控制理論、材料科學(xué)等多門學(xué)科。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。開關(guān)電源的主要問題是電路比較復(fù)雜，輸出的紋波電壓較高，瞬態(tài)響應(yīng)差等。因此，使開關(guān)電源的應(yīng)用也受到一定限制。1.4 本文所做工作本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于液晶顯示器終端的電流模式開關(guān)電源控制電路.該電路具有短路保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)等功能。論文首先對國內(nèi)外的發(fā)展與趨勢和兩種電源的基本原理做了介紹。論文的第二章介紹了開關(guān)電源控制方式。開關(guān)電源有三種控制方式：脈沖寬度調(diào)制(PW M)、脈沖頻率調(diào)制(PFM)、脈沖寬度頻率調(diào)制(PWM-PFM)。介紹了脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的基本原理。著重介紹了脈寬調(diào)制方式下開關(guān)電源控制方式的選擇。闡述了與傳統(tǒng)的電壓控制模式相比，電流控制模式具有許多優(yōu)越性，同時(shí)也存在一些必須克服的問題。文章的第三章是對本次設(shè)計(jì)所需的主要電子元件進(jìn)行介紹。主要介紹了TL431集成電路、UC3842集成電路、光電偶合器的原理及其應(yīng)用。文章的第四章是對電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。闡述開關(guān)電源電路工作原理以及總體設(shè)計(jì)。文章的第五章主要介紹開關(guān)電源的EMC問題。首先分析開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理，然后介紹EMI濾波器的工作原理及安裝注意要點(diǎn)，最后論述設(shè)計(jì)電路板的幾個(gè)原則。文章的第六章是對實(shí)際設(shè)計(jì)制作電源測試及其實(shí)驗(yàn)總結(jié)。開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì)7第二章 開關(guān)電源控制理論介紹2.1 開關(guān)電源控制方式開關(guān)電源的控制方式，大致有以下三種: (1)脈寬調(diào)制方式，簡稱脈寬調(diào)制 (Pulse Width Modulation，縮寫 PWM)式。其特點(diǎn)是固定開關(guān)頻率，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比。因開周期也是固定的，這就為設(shè)計(jì)濾波電路提供了方便。其特點(diǎn)是受功率開關(guān)最小通時(shí)間的限制，對輸出電源不能做寬范圍的調(diào)節(jié);另外輸出端一般要接假負(fù)載以防止空載時(shí)輸出高電壓。目前，集成開關(guān)電源大多采用 PWM 方式。(2)脈沖頻率調(diào)制方式，簡稱脈頻調(diào)制((Pulse Frequency Modulatio 縮寫為 PFM)式。它是將脈沖寬度固定，通過改變開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)占空比的在電路設(shè)計(jì)上要用固定脈寬發(fā)生器來代替脈寬調(diào)制器中的鋸齒波發(fā)生器，并利電壓頻率轉(zhuǎn)換器 (例如壓控振蕩器 VCO)改變頻率。其穩(wěn)壓原理是:當(dāng)輸出壓 Vo 升高時(shí)，控制器輸出信號的脈沖寬度不變而周期變長，使占空比減小，V 降低。PFM 式開關(guān)電源的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍很寬，輸出端可不接假負(fù)載。(3)混合調(diào)制方式，使指脈沖寬度與脈沖頻率均不固定，彼此都能變的方式，它屬于PWM 和 PFM 的混合方式。由于 tP和 T 均可調(diào)節(jié)，因此占比調(diào)節(jié)范圍最寬，適合供實(shí)驗(yàn)室使用的輸出電壓可以寬度范圍調(diào)節(jié)的開關(guān)電源。2.2 脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的基本原理PWM控制的基本工作原理就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負(fù)載變化的情況時(shí)，控制電路通過被控制信號(主要是輸出電壓)與基準(zhǔn)信號的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間(脈沖的周期保持不變)，即導(dǎo)通脈沖寬度，來達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。PWM反饋控制模式主要有五種:電壓模式控制PWM;峰值電流模式控制PWM;平均電流模式控制PWM;滯環(huán)電流模式控制PWM;相加模式控制PWM.PWM 是目前應(yīng)用在開關(guān)電源中最為廣泛的一種控制方式，它的特點(diǎn)是噪音低(因?yàn)橐怨潭l率工作)、滿負(fù)載時(shí)效率高且能工作在連續(xù)導(dǎo)電模式。其缺點(diǎn)是受功率開關(guān)管最小導(dǎo)通時(shí)間的限制，對輸出電壓不能做寬泛圍調(diào)節(jié);另外輸出端一般要接假負(fù)載 (亦稱預(yù)負(fù)載)，以防空載時(shí)輸出電壓升高。現(xiàn)在市場上有多款性能好、價(jià)格低的PWM集成芯片，如UC1842/2842/3842,TDA16846, TL494, SG1525/2525/3525等。福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)8圖2-1脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的基本原理圖DC-DC變換電路是通過控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，將一個(gè)輸入的不穩(wěn)定直流電壓轉(zhuǎn)換成另一個(gè)輸出穩(wěn)定的直流電壓。PWM工作方式的簡化原理圖如圖2-1所示，可以看出控制信號是由反饋的實(shí)際電壓和期望值通過差分放大得到，然后和鋸齒波信號比較，當(dāng)Vcontrol高于鋸齒波時(shí)，開關(guān)器件導(dǎo)通，當(dāng)Vcontrol低于鋸齒波信號時(shí)，開關(guān)器件關(guān)斷，由此得到開關(guān)器件實(shí)際工作的驅(qū)動(dòng)信號。如果定義開關(guān)器件開通時(shí)間占整個(gè)周期的比值為D，則D= = = 公式（2-1）Tstonoft?Vstcnrl公式中，t on為器件導(dǎo)通時(shí)間，t off為器件關(guān)斷時(shí)間，Ts為周期，Vcontrol為反饋的實(shí)際電平經(jīng)過放大后的電平，它反應(yīng)了輸出信號高于或低于期望值的信息。一般鋸齒波信號工作頻率為幾十到幾百KHz，甚至某些雙極型電路工作頻率可以達(dá)到I MHz.但Vcontrol變化頻率很低，一般為幾KHz [4]。2.3 集成 PWM 控制器原理近年來已經(jīng)開發(fā)出許多高頻開關(guān)電源控制集成電路，這些電路包含了建立PWM開關(guān)電源所需要的所有功能，使開關(guān)電源用一片集成電路和若干附加元件即可制成。圖2-3描述了一個(gè)簡單的PWM控制器的基本構(gòu)成框圖和它相關(guān)部位的波形。這個(gè)電路的工作過程如下:誤差放大器將從電源輸出端引入的反饋信號與其反相輸入端的固定參考電壓V進(jìn)行比較，誤差信號被放大并送到比較器的反相輸入端，而比較器的同相輸入端輸入的是由一個(gè)固定頻率振蕩器產(chǎn)生的具有線性斜率的鋸齒波，振蕩器的輸出同時(shí)送到一個(gè)翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器(F/ F)，產(chǎn)生方波輸出Q和Q非。比較器的輸出方波和觸發(fā)器的方波輸出，都用于驅(qū)動(dòng)與門，使得當(dāng)兩個(gè)輸入信號均為“l(fā)’ 時(shí)輸出，這樣，在A路和B路最終得到的是可變脈沖占空比的脈沖串，圖2-2b用虛線說明了當(dāng)誤差信號幅度變化時(shí)，輸出脈沖的寬度是如何被調(diào)制的。開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì)9通常PWM控制器在其外部經(jīng)緩沖后去驅(qū)動(dòng)主電源開關(guān)晶體管。這一類型的電路可被用來驅(qū)動(dòng)兩支晶體管或是驅(qū)動(dòng)單晶體管，在后一種情況下，輸出可在片外進(jìn)行“與”處理(直接相與)，或者只允許有一路用來作為驅(qū)動(dòng) [4]。圖2-2集成PWM控制電路和電路的相關(guān)波形2.4 脈寬調(diào)制下開關(guān)電源控制方式的選擇控制方法極其重要，如果選擇不正確，會(huì)使電源工作不穩(wěn)定而浪費(fèi)寶貴的時(shí)間。設(shè)計(jì)者要知道各種控制方法之間細(xì)微的差別，總體上說，正激式拓?fù)溆秒妷盒涂刂破?，升壓式拓?fù)渫ǔＳ秒娏餍涂刂?。但這不是一成不變的規(guī)則，因?yàn)槊恳环N控制方法都可以用到各種拓?fù)渲腥?，只是得到的結(jié)果不一樣而已。2.4.1 電壓型控制電壓型控制的最顯著特點(diǎn)就是誤差電壓信號被輸入到 PWM 比較器，與振蕩器產(chǎn)生的三角波進(jìn)行比較。電壓誤差信號升高或降低使輸出信號的脈寬增大或減小。要識別是不是電壓控制型 IC，可以先找到 RC 振蕩器，然后看產(chǎn)生的三角波是不是輸入到比較器，并與誤差電壓信號進(jìn)行比較。電壓型控制 IC 的過電流保護(hù)有兩種形式，早期的方法是用平均電流反饋。在這種方法中，輸出電流是通過負(fù)載上串聯(lián)一個(gè)電阻來檢測的，電流信號可以放大輸入到補(bǔ)償用電流誤差放大器中。當(dāng)電流放大器檢測到輸出電流接近原先設(shè)定的限制值時(shí)，就阻礙電福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)10壓誤差放大器的作用，從而把電流加以限制，以免電流繼續(xù)增大。平均電流反饋?zhàn)鳛殡娏鞅Ｗo(hù)有一個(gè)固有的缺點(diǎn)，就是響應(yīng)速度很慢。當(dāng)輸出突然短路，會(huì)來不及保護(hù)功率開關(guān)，而且在磁性元件進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)也無法檢測。這些會(huì)導(dǎo)致在幾個(gè)微秒內(nèi)電流成指數(shù)上升而損壞功率開關(guān)。第二種過電流保護(hù)方法是逐周過電流保護(hù)。這種方法可以保證功率開關(guān)工作在最大安全電流范圍內(nèi)。在功率開關(guān)管上串聯(lián)一個(gè)電流檢測器(電阻或電流互感器)，這樣就可以檢測流過功率開關(guān)管的瞬時(shí)電流。當(dāng)這個(gè)電流超過原先設(shè)定的瞬時(shí)電流限制值時(shí)，就關(guān)斷功率開關(guān)管。保護(hù)電路要求響應(yīng)很快，以實(shí)現(xiàn)包括磁心飽和在內(nèi)引起的各種瞬時(shí)過電流情況下對功率開關(guān)管進(jìn)行保護(hù)。由于這種電流保護(hù)電路的保護(hù)限制值是固定的，而且也不會(huì)因其他參數(shù)改變而變化，所以不是一種電流型控制。最后一種是“電壓滯環(huán)”的電壓控制，這種控制方法是非常基本的。在這種控制方法中，固定頻率的振蕩器只是在輸出電壓低于有電壓反饋環(huán)給定的指令值時(shí)才轉(zhuǎn)成“通”的狀態(tài)。由于有時(shí)候功率開關(guān)管突然導(dǎo)通后又進(jìn)入常態(tài)關(guān)的狀態(tài)，所以有時(shí)把這種方法叫做“打隔型”(hiccup-model)。只有少數(shù)控制 IC 和集成開關(guān)電源 IC 用這種控制方法，這種方法會(huì)在輸出電壓上產(chǎn)生大小固定的紋波，紋波的頻率與負(fù)載電流成比例。2.4.2 電流型控制電流型控制方法是控制流過功率開關(guān)管的峰值(有時(shí)是最小)電流的漂移點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的，這也等效于磁心的磁通密度的偏移量。從本質(zhì)上說，是調(diào)節(jié)磁心的一些磁參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。電流型控制最常見的方法是“定時(shí)開通”的方法，有固定頻率的振蕩器給觸發(fā)器置位，有快速電流比較器給觸發(fā)器復(fù)位。觸發(fā)器狀態(tài)為，"1”時(shí)，功率開關(guān)管導(dǎo)通。電流比較器的闡值是由電壓誤差放大器的輸出給定的，如果電壓誤差放大器顯示輸出電壓太低時(shí)，電流門檻值就增大，使輸出到負(fù)載的能量增加。反之也一樣。電流型控制本身具有過電流保護(hù)功能，快速電流比較器實(shí)現(xiàn)對電流的逐周限制。這種保護(hù)也是一種恒功率過載保護(hù)方法。這種保護(hù)通過電流和電流反饋來維持供給負(fù)載的恒功率，但并不是在所有產(chǎn)品中用這種方法都是最適合的，特別是在典型的失效會(huì)引起失效電流增大的場合下。此外，電路可以設(shè)置其他過載保護(hù)方法。另外一種電流型控制方法叫做電流滯環(huán)控制，這種方法對電流峰值和谷值都進(jìn)行控制。這種方法用在電流連續(xù)模式的Boost變換器中是比較好的。它的結(jié)構(gòu)有點(diǎn)復(fù)雜，但它的響應(yīng)速度很快。這種方法并不是常用的控制方法，其控制頻率也是變化的。電流控制模式與電壓控制模式相比具有很多優(yōu)越性。其工作原理圖見圖2-3(b)。其控制部分主要由電壓采樣電阻和電流采樣電阻、誤差比較器和PWM比較器以及鎖存器組成。當(dāng)變換器工作時(shí)振蕩器產(chǎn)生固定時(shí)鐘使寄存器置位，從而使開關(guān)管開通。同時(shí)輸出電壓的采樣信號與給定信號在誤差放大器中比較后，產(chǎn)生電壓信號Ue。Ue在PWM 比較器與鋸齒波相比較，產(chǎn)生鎖存器的復(fù)位信號，使開關(guān)管關(guān)斷。PWM 比較器鋸齒波的產(chǎn)生是由于開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì)11變換器中輸出電感的作用，使電阻Rs上的電流逐漸增大，電壓線性升高，產(chǎn)生PWM 所需鋸齒波電壓。當(dāng)鋸齒波線性上升到Ue時(shí)，即當(dāng)Us=Ue時(shí)，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號撤除，晶體管關(guān)斷。從以上分析可知，這種控制模式構(gòu)成電壓電流雙環(huán)系統(tǒng)，從而消除了由于輸出濾波電感帶來的雙極點(diǎn)不穩(wěn)定的問題。另外，由于控制電路逐周檢測，因而變換器具有良好的線性調(diào)整率和快速的動(dòng)態(tài)反映.同時(shí)這種控制模式很容易實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。并能自動(dòng)均衡推挽和全橋變換器中的磁通。電流模式控制主要的缺點(diǎn)是當(dāng)占空比大于50%時(shí)，由于電流上升率不夠，控制環(huán)變得不穩(wěn)定，抗干擾性能差 [5]。圖2-3a電壓型控制模式原理圖圖2-3b電流型模式控制原理圖2.5 電流型控制斜坡補(bǔ)償分析在電感電流連續(xù)的情況下，電流型控制了電感電流的峰值，而在BUCK型電路中由于負(fù)載電流即為電感電流的平均值，但電感電流的峰值與平均電流之間存在一定的偏差，這種誤差在輸出電壓最大時(shí)達(dá)到最大，這樣Us的變化能全面的反映負(fù)載電流的變化，并且當(dāng)占空比大于0.5時(shí)，因電感電流的上升率小于下降率，因而平坦的上升曲線上出現(xiàn)一個(gè)小小的干擾都將被放大，導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。也就是說當(dāng)電流控制模式僅僅控制一次側(cè)峰值電流大小，那么當(dāng)占空比隨輸入電壓變化時(shí)及輸出負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓閉環(huán)反饋控制因?yàn)椴痪哂幸灰粚?yīng)關(guān)系而發(fā)生次諧波振蕩。解決問題的方法是對斜坡進(jìn)行補(bǔ)償和調(diào)整負(fù)載電感，從而使電感線圈的電流平均值不再隨輸入電壓和占空比的變化而改變，因而電路在任何占空比下也變得穩(wěn)定。當(dāng)我們設(shè)計(jì)補(bǔ)償?shù)男逼碌扔陔姼须娏飨陆敌甭实囊话?，就可以得到滿意的效果 [6]。福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)12第三章 開關(guān)電源設(shè)計(jì)中涉及的重要器件3.1 TL431 集成電路3.1.1 TL431 的簡介TL431 集成電路是三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管。其集成電路電壓基準(zhǔn)如同低溫度系數(shù)齊納管一樣運(yùn)行，通過 2 個(gè)外部電阻可從 Vref 編程至 36V。其器件顯示出寬工作電流范圍，在典型動(dòng)態(tài)阻抗 0.22Ω 時(shí)為 1.0 毫安至 100 毫安。其基準(zhǔn)的特性使其能在數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等許多應(yīng)用中代替齊納二極管。2.5V 參考使從5.0V 邏輯電源可方便地獲得穩(wěn)定參考電壓。由于 TL431 工作方式為并聯(lián)穩(wěn)壓器，所以可以用作正壓或負(fù)壓參考。可編程輸出電壓，達(dá) 36V低動(dòng)態(tài)輸出阻抗，典型為 0.22Ω1.0 毫安至 100 毫安的灌電流能力典型值為 50ppm/℃的等效全范圍溫度系數(shù)在整個(gè)額定工作溫度范圍內(nèi)可進(jìn)行工作溫度補(bǔ)償?shù)洼敵鲈肼曤妷簣D 3-1 TL431 的符號及功能模塊示意圖如圖 3-1 所示，左圖是該器件的符號。3 個(gè)引腳分別為：陰極（K）、陽極（A）和參考端（R）。右圖是該器件的具體功能模塊示意圖。由圖可以看到，一個(gè)內(nèi)部的 2.5V 基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng) REF 端（同相端）的電壓非常接近基準(zhǔn)源時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著 REF 端電壓的微小變化，通過三極管的電流將從 1 到 100 毫安變化。當(dāng)然，該圖絕不是該器件的實(shí)際開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì)13內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡單地用這種組合來代替它。但如果在設(shè)計(jì)、分析應(yīng)用該器件電路時(shí)，這個(gè)模塊圖對開啟思路，理解電路都是很有幫助的。3.1.2 恒壓電路應(yīng)用圖 3-2 大電流分路穩(wěn)壓器前面提到 TL431 的內(nèi)部含有一個(gè) 2.5V 的基準(zhǔn)電壓，所以當(dāng)在 REF 端引入輸出反饋時(shí)，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖 3-2 所示的電路，當(dāng)R1 和 R2 的阻值確定時(shí)，兩者對 Vout 的分壓引入反饋，若 Vout 增大，反饋量增大，TL431 的分流也就增加，從而又導(dǎo)致 Vout 下降。顯見，這個(gè)深度的負(fù)反饋電路必然在 VI等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定，此時(shí) Vout=（1+R1/R2）Vref。選擇不同的 R1 和 R2 的值可以得到從 2.5V 到 36V 范圍內(nèi)的任意電壓輸出，特別地，當(dāng) R1=R2 時(shí)，Vout=5V。需要注意的是，在選擇電阻時(shí)必須保證 TL431 工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于 1 毫安。當(dāng)然，這個(gè)電路并不太實(shí)用，但它很清晰地展示了該器件的工作原理在應(yīng)用中的方法。將這個(gè)電路稍加改動(dòng)，就可以得到在很多實(shí)用的電源電路，如圖 3-3，3-4 所示。阻值取值：R0 取 1.5K，R1、R2 分別取 10K，按結(jié)果，應(yīng)得到 5V 的輸出電壓。Vin 使用 12V，實(shí)測電壓為 5V。Vin 使用 24V，實(shí)測電壓 5V，因此，此種器件的精度很高。接入負(fù)載，在 C、A 端并接負(fù)載電阻，Vin 用 12V。當(dāng)負(fù)載電阻大于 2K 時(shí)，輸出電壓幾乎看不出任何變化。當(dāng)電阻小于 2K 時(shí)，輸出電壓開始減小，此時(shí)應(yīng)當(dāng)是前面所說的陰極電流的條件不符合了。福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)14圖 3-3 大電流的分流穩(wěn)壓電路圖 3-4 精密 5V 穩(wěn)壓器3.2 UC3842 集成電路3.2.1 UC3842 工作原理UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如3-5所示。UC3842 是高性能固定頻率電流模式控制器專為離線和直流變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。具有可微調(diào)的震蕩器、能進(jìn)行精確的占空比控制、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器。電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 的理想器件。其他的保護(hù)特性包括輸入和參考欠壓鎖定，各有滯后、逐周電流限制、可編程輸出靜區(qū)時(shí)間和單個(gè)脈沖測量鎖存。UC3842芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖所示。它主要包括以下幾種功能：工作電源、基準(zhǔn)電源、震蕩器、過流限制、差放補(bǔ)償、輸出級。開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì)15圖3-5 UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖(1)工作電源UC3842 的工作電源為第 7 端腳 Vcc，它提供給內(nèi)部邏輯電路用，同時(shí)也為輸出級供電。工作電源應(yīng)外接有相應(yīng)的高頻濾波電容。當(dāng)工作電壓 Vcc 大于 36 伏時(shí)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，使內(nèi)部電路小于 36 伏下可靠地工作。Vcc設(shè)有欠壓鎖定輸出功能（UVLO） ，其開啟閥值為 16 伏，關(guān)閉閥值為 10 伏。當(dāng) Vcc 小于 16伏時(shí)，整個(gè)電路損耗 1mA。由于開啟和關(guān)斷閥值有 6 伏的回差，可有效地防止電路在閥值電壓附近工作時(shí)的跳動(dòng)。一般設(shè)置自供電的感應(yīng)繞組，當(dāng)開關(guān)電源正常工作后，轉(zhuǎn)有自供電給 UC3842，電流升至 15mA。在此之前可設(shè)置儲(chǔ)能電容，推動(dòng)建立電壓。儲(chǔ)能電容就不用選得太大了。(2)基準(zhǔn)電源UC3842 在 8 腳提供了一個(gè) 5V 的精密基準(zhǔn)電源 Vref，它可為外部電路提供大約 50mA的電流。(3)震蕩器芯片內(nèi)有一個(gè)高速震蕩器，震蕩器頻率由 Rt和 Ct設(shè)定。在 4 腳和 8 腳（5V 基準(zhǔn)電源）之間接 Rt，在 4 腳和 5 腳（地）之間接 Ct，于是基準(zhǔn)電源通過 Rt向 Ct充電。充、放電時(shí)間分別為 tc和 td，則震蕩器頻率 fo為：fo= 公式（3-1）dct1?當(dāng) Rt大于 5kΩ 時(shí)，f o為：fo= 公式（3-2）ttCR72.1(4)過流限制福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)16從 Rs檢測到的電流峰值信號快速參與工作周波的的占空比控制，因此是當(dāng)前周波的電流限制。事實(shí)上只要 Rs的電平達(dá)到 1V。電流測定比較器立即動(dòng)作，輸出端 6 立即使導(dǎo)通管關(guān)斷。由于它能精密、靈敏地限制輸出的最大電流，高頻變壓器和開關(guān)晶體管的功率損耗都可以減少。因此，對整個(gè)開關(guān)電源的成本、重量和體積都將有良好的影響。(5)差放補(bǔ)償誤差放大器實(shí)際是一個(gè)運(yùn)算放大器，它的同相端內(nèi)接 2.5V 的電壓源，反相端為UC3842 的 2 腳，可外接電源的輸出電壓采樣信號。同時(shí)反相端和 UC3842 的 1 腳（補(bǔ)償端）之間接一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以補(bǔ)償電源的增益。由于電感電流是連續(xù)的，所以電流采樣電阻 Rs上所檢測到的電流峰值代表了平均電流，整個(gè)電路可當(dāng)作一個(gè)誤差電壓控制的電流源。變壓器的幅頻特性由雙極點(diǎn)變成單極點(diǎn)，因此誤差放大器的補(bǔ)償電路得到簡化，增益帶寬乘積提高，穩(wěn)定裕度大，頻率響應(yīng)特性得到了改善。(6)輸出級UC3842 的輸出為 6 腳，輸出級為圖騰柱式電路，輸出晶體管的平均電流為±200mA，最大峰值電流為±1A。由于峰值電流自限，它可以直接驅(qū)動(dòng)功率管或者通過隔離變壓器來驅(qū)動(dòng)功率管。使芯片輸出端關(guān)閉的方法有兩個(gè)：A．將 3 腳的電壓升高到 1V 以上；B． 將 1 腳的電壓降低到 1V 以下。以上兩種情況都是使電流測定比較器輸出高電平，PWM 鎖存器復(fù)位，關(guān)閉了輸出端，直至下一個(gè)時(shí)鐘脈沖將 PWM 鎖存器置位為止。3.2.2UC3842 內(nèi)部振蕩器的工作原理正如上一節(jié)所說的，UC3842 內(nèi)部有一個(gè)振蕩器，為 UC3842 提供了時(shí)鐘信號。振蕩器的結(jié)構(gòu)圖如圖 3-6 所示。由圖可見內(nèi)部有三個(gè)比較器，它們的輸出直接影響到了時(shí)鐘信號的產(chǎn)生。振蕩器的輸入端需外接一個(gè)振蕩電阻 RT和一個(gè)振蕩電容 CT，當(dāng)電容 CT的電壓值上升到達(dá) 2.7V 時(shí)，RS 觸發(fā)器被置位，產(chǎn)生的時(shí)鐘信號出現(xiàn)高電平，并開通了晶體管 Q1，使電流源 I 通過 Q1為振蕩電容 CT放電，電容電壓減小，當(dāng)電容電壓值降為 1V 時(shí)，RS 觸發(fā)器復(fù)位，時(shí)鐘信號變?yōu)榈碗娖?，晶體管 Q1關(guān)斷，電容開始由基準(zhǔn)電壓源 VREF經(jīng)電阻 RT對它充電，電容電壓升高，開始了新的一個(gè)周期。由圖可見。當(dāng)時(shí)鐘信號為高電平時(shí)，即振蕩電容 CT被放電的期間，UC3842 的輸出是會(huì)被鎖定在低電平的，這就是 UC3842 芯片的死區(qū)時(shí)間。這個(gè)時(shí)間與振蕩電容 CT有關(guān)，它們的關(guān)系曲線如圖 3-7 所示。開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì)17圖 3-6 振蕩器結(jié)構(gòu)圖圖 3-7 振蕩電容與死區(qū)時(shí)間關(guān)系圖3.3 光電耦合器在實(shí)際的電子電路系統(tǒng)中，不可避免地存在各種各樣的干擾信號，若電路的抗干擾能力差將導(dǎo)致測量、控制準(zhǔn)確性的降低，產(chǎn)生誤動(dòng)作，從而帶來破壞性的后果。因此，若硬件上采用一些設(shè)計(jì)技術(shù)，破壞干擾信號進(jìn)入測控系統(tǒng)的途徑，可有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。事實(shí)證明，采用隔離技術(shù)是一種簡便且行之有效的方法。隔離技術(shù)是破壞"地"干擾途徑的抗干擾方法，硬件上常用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)電→光→電的隔離，他能有效地破壞干擾源的進(jìn)入，可靠地實(shí)現(xiàn)信號的隔離，并易構(gòu)成各種功能狀態(tài)。圖 3-8 所示為常用的三極管型光電耦合器原理圖。福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)18圖 3-8 三極管型光電偶合器原理圖光電耦合器的主要結(jié)構(gòu)是把發(fā)光器件(如發(fā)光二極管)和光接收器件(如光敏三極管)組裝在一個(gè)密閉的管殼內(nèi)，然后利用發(fā)光器件的管腳作輸入端，而把光接收器的管腳作為輸出端。當(dāng)輸入端無信號，發(fā)光二極管不亮，光敏三極管截止。當(dāng)在輸入端加電信號時(shí)，發(fā)光器件發(fā)光。這樣，光接收器件由于光敏效應(yīng)而在光照后產(chǎn)生光電流并由輸出端輸出。從而實(shí)現(xiàn)了以“光”為媒介的電信號傳輸，而器件的輸入和輸出兩端在電氣上是絕緣的。這樣就構(gòu)成了一種中間通過光傳輸信號的新型半導(dǎo)體電子器件。若基極有引出線則可滿足溫度補(bǔ)償、檢測調(diào)制要求。這種光耦合器性能較好，價(jià)格便宜，因而應(yīng)用廣泛。光電耦合器之所以在傳輸信號的同時(shí)能有效地抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，使通道上的信號噪聲比大為提高，主要有以下幾方面的原因： (1)光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105～106Ω。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的噪聲電壓會(huì)很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉了。(2)光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。(3)光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號線短接時(shí)，也不會(huì)損壞儀表。因?yàn)楣怦詈掀骷妮斎牖芈泛洼敵龌芈分g可以承受幾千伏的高壓。(4)光電耦合器的響應(yīng)速度極快，其響應(yīng)延遲時(shí)間只有10μs左右，適于對響應(yīng)速度要求很高的場合。開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì)19第四章 開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)4.1 開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)要求本人利用電流型控制芯片UC3842設(shè)計(jì)了一個(gè)反激式變換器，附錄1為這種變換器原理圖。該變換器控制部分采用的UC3842是由Unitrode在近年來推出的新型PWM控制芯片，其電壓調(diào)整率可達(dá)到0.01%/V，開關(guān)頻率可高達(dá)500KHz,而起動(dòng)電流小于1mA,芯片內(nèi)部提供了欠壓鎖定和過壓保護(hù)功能(UVLO)，控制器輸出固定頻率(即振蕩器頻率)的脈沖，其最大占空比可達(dá)100%.利用UC3842作為控制芯片的設(shè)計(jì)的電流控制模式單端反激式變換器能滿足小功率應(yīng)用的要求。(1)電路的工作頻率為70kHz左右；(2)實(shí)現(xiàn)高交流電壓低輸入，低直流電壓輸出工作：其輸入交流電壓可變100-240VAC/50-60Hz，而輸出固定直流：12V3.33A/40W；(3)波紋及噪聲：小于150mV；(4)高效率：在交流220V輸入時(shí)效率要高于80%；(5)具有短路保護(hù)及過壓保護(hù)。4.2 電路工作原理4.2.1 頻率的設(shè)定圖 4-1 定時(shí)電阻與振蕩器頻率關(guān)系曲線福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)20圖 4-2 輸出靜區(qū)時(shí)間與振蕩器頻率關(guān)系曲線圖 4-3 振蕩器放電電流與溫度關(guān)系曲線圖 4-4 最大占空比與定時(shí)電阻關(guān)系曲線R11、C7 設(shè)定變換器的工作頻率。從圖 4-2 可看出當(dāng)頻率一定時(shí)，電容越大則輸出靜區(qū)時(shí)間越大。選擇大的 CT可減小占空比，適合 UC3842 工作，所以選 C7=10nF。當(dāng) C7 選好后，根據(jù)圖 4-1，若頻率為 70kHz，則電阻 R11 應(yīng)為 2.5kHz，由于電阻不好配，則選R11=2kHz，這樣可以減小最大占空比。而此時(shí)的頻率就不是 70kHz 了。解決的方法是在開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì)21R10 旁并聯(lián)個(gè)電容 C6。仿真時(shí)調(diào)節(jié)電容大小，當(dāng) C6=0.33nF 時(shí)，頻率符合設(shè)計(jì)。4.2.2 啟動(dòng)過程輸入電壓220V交流經(jīng)過R1（熱敏電阻，防止浪涌電流損壞電路）和保險(xiǎn)絲，然后經(jīng)過L1、C1、L2進(jìn)行輸入濾波，再經(jīng)過整流橋D1整流后C2濾波得到300V直流電壓。半波整流端通過啟動(dòng)電阻R3提供電流給電容C11充電，當(dāng)C11電壓達(dá)到UC3842的啟動(dòng)電壓門檻值16V時(shí)，UC3842開始工作并提供驅(qū)動(dòng)脈沖，由6端輸出通過基極限流電阻R13推動(dòng)開關(guān)管工作，輸出信號為高低電壓脈沖。高電壓脈沖期間，場效應(yīng)管導(dǎo)通，電流通過變壓器原邊，同時(shí)把能量存儲(chǔ)在變壓器中。根據(jù)同名端標(biāo)識情況，此時(shí)變壓器副邊沒有能量輸出。當(dāng)6腳輸出的高電平脈沖結(jié)束時(shí)，場效應(yīng)管截止，根據(jù)楞次定律，變壓器原邊維持電流不變，產(chǎn)生下正上負(fù)的感生電動(dòng)勢，此時(shí)副邊通過D7 快速導(dǎo)通，向外提供能量。同時(shí)反饋線圈上的高頻電壓經(jīng)過快速恢復(fù)管D3，整流C8,濾波后向UC3842 提供正常工作電壓。在開啟之前，UC3842消耗的電流在1mA以內(nèi)。電源電壓接通之后，當(dāng)7端電壓升至16V時(shí)UC3842開始工作，啟動(dòng)正常工作后，它的消耗電流約為15mA。因?yàn)閁C3842的啟動(dòng)電流在1mA以內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)參照這些參數(shù)選取R1，所以在R1上的功耗很小。當(dāng)然，若V CC端電壓較小時(shí)，在R3上的壓降很小，全部供電工作都可由R3降壓后來完成。但是，通常情況下，VCC端電壓都比較大，這樣完全通過R3來提供正常工作電壓就會(huì)使R3自身功耗太大，對整個(gè)電源來說效率太低。一般來說，隨著UC3842的啟動(dòng)，R1的工作也就基本結(jié)束，余下的任務(wù)交給反饋繞組，由反饋繞組產(chǎn)生電壓來為UC3842供電。故R3的功率不必選得很大，1W、2W就足夠了。電阻R3的選擇還得看開啟時(shí)間長短。本設(shè)計(jì)的開啟時(shí)間設(shè)計(jì)為不超過3S，如果接在300V端則取電阻R3約為94kΩ，若像附錄電路圖那樣接在半波整流端則取47kΩ就可以了。電容C11儲(chǔ)存的能量要能滿足電源開始正常工作的需要，使得UC3842第7腳有穩(wěn)定、充足的輸入供給。即電容C8的放電時(shí)間要大于UC3842輸出脈沖的高電平持續(xù)時(shí)間。否則，電源將出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象。因此，電容C8的容量和質(zhì)量的選取非常重要。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，C8曾用100μF以下鋁電解電容，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)電源打嗝，說明反饋端電壓幅度不夠。原因在于C8容量不夠，不能提供足夠的能量來使UC3842充分工作。本人換100μF的電容就不會(huì)出現(xiàn)打嗝了。4.2.3 穩(wěn)壓過程輸出電壓由R24、R25分壓取樣后，經(jīng)U4（TL4341） 、U2（光電耦合器）組成比較誤差放大器構(gòu)成閉環(huán)控制回路，使輸出電壓保持穩(wěn)定。R24和R25兩者對Vout的分壓通過TL431的REF端來控制該器件從陰極到陽極的分流。這個(gè)分流又是直接驅(qū)動(dòng)光電偶合器U2的發(fā)光部分。那么當(dāng)輸出電壓有變大趨勢時(shí)，Vref隨之增大導(dǎo)致流過TL431的電流增大，于是光電偶合器發(fā)光加強(qiáng)，感光端得到的反饋電流也就越大。顯然輸出補(bǔ)償端1腳的電流也就變福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)22大，從而使UC3842內(nèi)置的脈寬調(diào)制器相應(yīng)地減小PWM輸出脈沖波形的占空比，使開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間變短；反之，當(dāng)輸出電壓減小時(shí)，則脈寬調(diào)制器會(huì)相應(yīng)地增大PWM輸出脈沖波形的占空比，使開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間變長。事實(shí)上，上面講述的過程在極短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)達(dá)到平衡，平衡時(shí)Vref=2.5V，又有R24=3.48kΩ，R25=2.00kΩ，所以輸出為穩(wěn)定的12V。值得注意的是，不能簡單地改變?nèi)与娮鑂24、R25的值改變輸出電壓，因?yàn)樵陂_關(guān)電源中每個(gè)元件的參數(shù)對整個(gè)工作狀態(tài)的影響都會(huì)很大。電路中C19、C20、R27的作用是給TL431提供補(bǔ)償，使其更穩(wěn)定地工作。4.2.4 過流保護(hù)原理電路中R4為電流檢測電阻，R9是MOS管過流檢測電阻。當(dāng)負(fù)載電流超過額定值或短路時(shí)，場效應(yīng)管電流增加，R10上的電壓反饋至3腳(電壓大于1V)，通過內(nèi)部電流放大器使導(dǎo)通寬度變窄，輸出電壓下降，直至使UC3842停止工作，沒有觸發(fā)脈沖輸出，使場效應(yīng)管截止，達(dá)到保護(hù)功率管的目的。短路現(xiàn)象消失后，電源自動(dòng)恢復(fù)正常工作。4.2.5 過壓保護(hù)原理該電路具有過壓保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)短路或過載時(shí)，電源燈不亮或閃爍；撤消后電源可自動(dòng)恢復(fù)正常工作；當(dāng)穩(wěn)定閉環(huán)控制回路出現(xiàn)故障或其他原因造成電源過壓時(shí)，由穩(wěn)壓管D6（18V）檢測一次側(cè)輔助電源電壓，由穩(wěn)壓管D9（13V）U3 將二次側(cè)輸出回路的電壓信號耦合給可控硅結(jié)構(gòu)電路（由Q2、Q3組成） ，使其自鎖，電源關(guān)閉輸出；故障排除后，應(yīng)重新上電方可恢復(fù)正常工作。C21、R30是起抗干擾作用，防止自鎖電路在沒過壓情況下產(chǎn)生波動(dòng)而直接自鎖。4.2.6 開關(guān)管保護(hù)電路變壓器初級繞組接的D2、R5、C3組成的回路稱為吸收回路.晶體管導(dǎo)通期間在變壓器漏感中積蓄能量.這時(shí),與次級繞組之間沒有耦合,因此,導(dǎo)通期間能量不能傳到次級繞組.晶體管截止瞬間發(fā)生 的作為初級繞組的電壓加到晶體管的漏源極,這種電壓與初級繞組阻抗成比例,非常大,就有可能損壞晶體管.為此,接入吸收回路,此電壓經(jīng)二極管整流,電容平滑后消耗在電阻中,一般把此電壓抑制在50V左右.參數(shù)計(jì)算較麻煩.因此,實(shí)際上采用試探法來確定元件參數(shù)。4.2.7 反饋繞組的設(shè)計(jì)當(dāng)UC3842啟動(dòng)后，若反饋繞組不能提供足夠的電壓，電路就會(huì)不停地起動(dòng) ，出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象。另外，根據(jù)本人的實(shí)驗(yàn)測試，若電壓大于17.5V時(shí)， 也會(huì)引起UC3842工作異常，導(dǎo)致輸出脈沖占空比變小，輸出電壓變低。故而反饋繞組匝數(shù)的 選取及其纏繞是非常重要的，一般可按13～15V設(shè)計(jì)，使UC3842正常工作時(shí)，7腳的電壓維持 在13V左右。開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì)23第五章 開關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)考慮EMC 即電磁兼容性，它包括兩方面，電磁干擾(EMI)和電磁忍受(EMS)。電磁干擾泛指電子裝置所產(chǎn)生的電磁波對周圍電子裝置的干擾能力，而電磁忍受則是指電子裝置所能夠忍受外在電磁波干擾的程度。一個(gè)具有電磁兼容的電子裝置，不僅不會(huì)干擾周圍電子裝置，而且也能夠忍受來自周圍的電磁千擾。開關(guān)電源工作在高電壓大電流的開關(guān)狀態(tài)下，很容易對外界的電子裝置(負(fù)載和其它電子設(shè)備)產(chǎn)生干擾，即電磁干擾;同時(shí)，開關(guān)電源作為一個(gè)電子裝置，常常要受到外界環(huán)境(如交流電網(wǎng)和雷電)的影響，必須具有的一定抗電磁干擾能力，即電磁忍受。5.1 開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾，按噪聲干擾源種類來分，可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按禍合通路來分，可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種?，F(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明:(1) 二極管的反向恢復(fù)時(shí)間引起的干擾:高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時(shí)，由于 PN 結(jié)中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時(shí)間里，電流會(huì)反向流動(dòng)，致使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化(di/dt)。(2) 開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾:功率開關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。當(dāng)采用零電流、零電壓開關(guān)時(shí)，這種諧波干擾將會(huì)很小。另外，功率開關(guān)管在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會(huì)產(chǎn)生尖峰干擾。(3) 交流輸入回路產(chǎn)生的干擾:無工頻變壓器的開關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復(fù)期間會(huì)引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。開關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干 擾和諧波干擾能量，通過開關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導(dǎo)干擾;而諧波和寄生振蕩的能量，通過輸入輸出線傳播時(shí)，都會(huì)在空間產(chǎn)生電場和磁場。這種通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。(4) 其他原因:元器件的寄生參數(shù)，開關(guān)電源的原理圖設(shè)計(jì)不夠完美，印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB 的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會(huì)造成電磁千擾 [14]。5.2 EMI 濾波器工作原理及安裝產(chǎn)生電磁干擾必須具備三個(gè)條件:干擾源、干擾通道和易受干擾設(shè)備。因而抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則和措施是:抑制干擾源、切斷傳傳播途徑和提高敏感元器件的抗干擾性能聲部位及公共結(jié)合部分入手消除干擾應(yīng)主要從產(chǎn)生干擾的部件開關(guān)電源的 EMC 設(shè)計(jì)應(yīng)考慮福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)24濾波器傳播噪高頻變壓器、軟開關(guān)技術(shù)、共模干擾的有源抑制以及印制線路板布線的 EMC設(shè)計(jì)。本文主要討論濾波器及印制線路板時(shí)的布局與布線問題。濾波是一種抑制傳導(dǎo)干擾的方法。例如，在電源輸入端接上濾波器，不僅可以抑制來自電網(wǎng)的諧波噪聲對開關(guān)電源本身的侵害，同時(shí)也可以抑制由開關(guān)電源產(chǎn)生的各種諧波對電網(wǎng)的影響。電源濾波器作為抑制電源線傳導(dǎo)干擾的重要單元，在設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)中具有極其重要的作用。它不僅可抑制傳輸線上的傳導(dǎo)干擾，同時(shí)對傳輸線上的輻射發(fā)射也具有顯著的抑制效果。EMI 濾波器的工作原理:如圖 5-1 所示為一個(gè)可同時(shí)消除共模和差模干擾的 EMI 濾波器的電路原理圖。該濾波器對于傳導(dǎo)干擾而言，它具有雙向的功能，即它既能阻止外來共模/差模傳導(dǎo)干擾經(jīng)由電源回路傳導(dǎo)到交流電網(wǎng)系統(tǒng)里，又能濾掉來自開關(guān)電源系統(tǒng)內(nèi)部而欲經(jīng)由電源回路傳導(dǎo)出去的共模/差模傳導(dǎo)干擾。電容 C 是用來提供一個(gè)低通回路給來自火線一中線的差模干擾信號;T1 是一個(gè)共模扼流裝置，其作用是用以抑制來自火線一地線和中線一地線的共模干擾信號，這個(gè) T1 共模扼流裝置對于高頻的共模傳導(dǎo)干擾而言，形同斷路，但是對于差模信號來說，又像是個(gè)零阻抗的導(dǎo)線;L1 和 L2 是兩個(gè)電感值相等的線圈，它們的作用是負(fù)責(zé)抑制高頻的差模傳導(dǎo)干擾;最后 C1, C2 則是提供一個(gè)短路路徑將共模傳導(dǎo)電流旁路到地端。圖 5-1 可同時(shí)消除共模和差模干擾的 EMI 濾波器EMI 濾波器選用:開關(guān)電源濾波器中的電容 C 和 C1,C2 在濾波網(wǎng)絡(luò)中的作用不同，因而要求的安全等級也不相同，在使用時(shí)應(yīng)充分考慮這兩種電容在容量、耐壓值和其它電氣和機(jī)械性能方面的不同，以避免可能出現(xiàn)的擊穿短路現(xiàn)象。在圖 5-1 中，濾波電感 L1、L2 的鐵芯應(yīng)選擇不易磁飽和及 M-F 特性優(yōu)良的的鐵芯材料，電容 C 應(yīng)使用陶瓷電容或聚酷薄膜電容，且應(yīng)有足夠的耐壓值，其容量一般取 0.22.-0.47 uF。由于本電路干擾小，去掉L1、L2、C1、C2 也能滿足要求，所以就沒用了。濾波器的安裝布線應(yīng)注意的問題:(1) 濾波器應(yīng)安裝在機(jī)柜底部離交流電輸入口盡量近的部位，并加以絕 緣 墊板 ，不要開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì)25讓未經(jīng)過濾波器的電源線在機(jī)柜內(nèi)迂回。如果交流電源進(jìn)入機(jī)殼內(nèi)到電源濾波器有較長的距離，則這段導(dǎo)線應(yīng)加以屏蔽。(2) 電源濾波器的外殼必須用截面積較大的導(dǎo)線以最短的距離與機(jī)殼連為一 體 ，并盡量使電源濾波器的接地點(diǎn)與機(jī)殼接地點(diǎn)保持最短的距離 ，輸入 、輸出線應(yīng)靠近機(jī)殼底部布線以減少藕合并將輸入與輸出線嚴(yán)格分開 ，絕不允許將濾波器的輸入線與輸出線捆扎在一起或靠得很近 ，否則干擾頻率將達(dá)到數(shù)兆赫茲以上。濾波器輸出線應(yīng)采用雙絞線或屏蔽線，其屏蔽線應(yīng)可靠接地。 [14]5.3 設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路板時(shí)應(yīng)注意的問題開關(guān)電源設(shè)計(jì)印刷電路板(PCB)時(shí)，應(yīng)考慮 EMC。PCB 的電磁兼容(EMC)問題是目前電子設(shè)備設(shè)計(jì)中急待解決的技術(shù)難題。這里僅討論開關(guān)電源印制線路板設(shè)計(jì)元器件的布局和布線時(shí)應(yīng)遵循的原則。5.3.1 開關(guān)電源 PCB 的布局原則開關(guān)電源 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵照如下布局原則:(1) 印制板布局時(shí)，要將模擬電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū)合理地分開，電源和地線單獨(dú)引出，電源供給處匯集到一點(diǎn);PCB 布線時(shí)，高頻數(shù)字信號線要用短線，主要信號線最好集中在PCB 板中心，同時(shí)電源線盡可能遠(yuǎn)離高頻數(shù)字信號線或用地線隔開。其次，可以根據(jù)禍合系數(shù)來布線，盡量減少干擾禍合;(2) 以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在 PCB 上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接;(3) 在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)，一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列;(4) 位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣的距離一般不小于 2mm 。5.3.2 開關(guān)電源 PCB 的布線原則開關(guān)電源 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵照如下布線原則:(1) 輸入、輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行，最好加線間地線，以免發(fā)生反饋禍合。與對高頻變壓器的輸入繞組相連的印刷電路板導(dǎo)線，輸出導(dǎo)線與回流導(dǎo)線應(yīng)當(dāng)分布在上下兩層，這樣效果較好:(2) 印制板的電源線和地線印制條盡可能寬，以減小線阻抗，從而減小公共阻抗引起的干擾噪聲;(3) 應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”的原則，如果形成多點(diǎn)接地，會(huì)出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路，當(dāng)磁力線穿過該回路時(shí)將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲，實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。因此，為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或
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