毕业设计100开关电源的应用液晶显示器电源的设计Word格式文档下载.docx

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目前国外电信电源中实际应用最多的开关整流器是采用PWM技术的MOSFET开关整流器，开关整流器的发展趋势是向高频大功率智能化发展，现在澳大利亚，加拿大，日本等国家可生产200A的MOSFET开关整流器（模块）。

此外采用谐振变换技术的48V/200A开关整流器也是目前典型的新一代大功率开关整流器产品[2]。

开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化。

国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，并同时采用SMT技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。

高效率。

为了使开关电源较、小、薄，高频化是必然发展趋势。

而高频化又必然使传统的PWM开关功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、本电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。

采用软开关技术可使效率达到85～88%。

据悉，美国WICOR开关电源公司设计制造了多种ECZ较开关DC／DC变换器，其最大输出功率有800W、600W、300W等，相应的功率密度为6.2、10、17w／cm3，效率为80～90%；

日本NemicLambda公司刚推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列（日本人称这种技术为“部分谐振”），开关频率200—300kHz，功率密度27W／cm3，用同步整流器（即用MOS－FER代替肖特基二级管）使整个电路效率提高到90%。

高可靠。

开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。

从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。

追求寿命的延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。

美国一公司通过降低给温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC／DC开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的MTBF高达100万小时以上。

模块化。

无论是AC／DC或是DC／DC或是变换器都是朝模块化方向发展。

其特点是：

可以用模块电源组成分布式电源系统；

可以设计成N＋1冗余电源系统，从而提高可行性；

可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故障时能高速更换模块插件；

多台模并联可实现大功率电源系统。

此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容量。

低噪声。

开关电源的又一缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。

但谐振转换技术也有其难点，如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。

日本把变压器设计成初次级分离阻燃密封，自身具备对体噪声功能的共模无噪声隔离变压器，既节省了噪声滤波器，又减少了噪声。

抗电磁干扰（EMI）。

当开关电源在高频下开关时，其噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界各国已有抗EMI的规范或标准，如美国的FCC、德国的VDE等，研究开发抗EMI的开关电源日益显行生要。

计算机辅助计（CAD）。

利用计算机对开关电源系统、稳定性分析、电路仿真、印刷电路板、热传导分析、EMI分析以及可靠性等进行CAD设计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济的设计方法。

产品更新加快。

目前的开关电源产品要求输入电压通用（适用世界各国电网电压规模）、输出电压范围扩大（如计算机和工作站需要增加3.3V这一档电压、程控需要增加DC150V这一电压）、输人端功率因数进一步提高（最有效的方法是加一级“有源功率因数校正器APFC”），并具有安全、过压保护等功能[1]。

1.2两种电源的基本原理

1.2.1线性稳压电源

线性稳压电源原理如图1-1所示，调整管（晶体管）工作在线性放大区，通过调节调整管的集-射极间电压，使射极电压相对于变化的集电极电压保持稳定，因此，称为线性稳压电源。

交流电压经工频变压器、整流滤波后，得到不稳定的直流电压Ui，Ui的最小值大于输出电压Uo。

调整管串联在整流滤波输出和电源输出之间。

其c、e极电压Uce=Ui-Uo，即Uo=Ui一Uce。

输出电压采样后和基准电压比较，经过误差放大器放大后，驱动调整管的基极，构成闭环反馈控制。

当输出电压升高时，取样电压也升高，经比较、误差放大后控制调整管的Uce也增大，从而使输出电压降低，达到稳压的目的。

同样，当输出电压降低时，调整管的Uce也降低，使输出电压升高。

由于线性稳压电源增加了闭环调节，使精度和稳定性大大提高。

图1-1晶体管串联线性稳压电源原理图

线性稳压电源的主要缺点:

（1）效率低。

调整管串联在输入和输出之间，它的电流即为输出负载的电流。

若负载电流为Io，则调整管的功率损耗为Pc=（Ui-Uo）Io。

由于调整管工作在线性区，（Ui-Uo）一般比较大，造成调整管的功率损耗很大，整个电源的效率很低，一般为20%^-60%。

（2）体积和重量大。

电源中的工频变压器、滤波电容和滤波电感的体积和重量都很大;

另外，由于其效率比较低，电源本身消耗的功率比较大，所以采用了较大的散热器[3]。

1.2.2开关稳压电源

开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过控制开关管导通时间和截止时间的比例来调节输出电压，这种技术称为脉宽调制。

1.2.2.1开关电源的基本组成

开关电源的基本构成如图1-2所示，其中DC/DC变换器用来进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路，输出采样电路检测输出电压变化，与基准电压比较，产生的误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。

图1-2开关电源的基本组成

（1）主电路

从交流电压输入到直流电压输出的全过程，包括:

①输入滤波器:

其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。

②整流与滤波:

将电网交流电直接整流为较平滑的直流电。

③逆变:

将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。

④输出整流与滤波:

根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

（2）控制电路

一方面从输出端取样，与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定:

另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供给控制电路对整机进行各种保护。

（3）检测电路

除了提供保护电路需要的各种参数外，还提供各种显示仪表数据。

（4）辅助电源

提供各电路需要的直流电源[3]。

1.2.2.2开关电源稳压原理

开关电源的工作原理如图1-3所示。

晶体管V3作为开关器件，以一定的时间间隔重复的接通和断开，在开关接通时，输入电源通过开关和滤波电路提供给负载，在整个开关接通期间，电源Ui向负载提供能量:

当开关断开时，输入电源便中断了能量的提供。

可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部分能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。

图中，由电感L、电容C和二极管Vz组成的电路，就具有这种功能。

电感L用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L中的能量通过二极管V2释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量，因二极管V2使负载电流连续不断，所以称为续流二极管。

输出电压可用下式表示

Uo=,公式（1-1）

式中Ton为开关每次导通的时间，T为开关通断的工作周期（即开关接通时间Ton和关断时间Toff之和）。

由上式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，输出电压也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化，自动调整T、和T的比例便能使输出电压U。

维持不变。

改变导通时间T、和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”（TimeRatioControl）。

图1-3开关电源的原理电路

1.2.2.3开关电源的优点

开关稳压电源的优越性主要表现在：

1.变换效率高。

开关电源的调整管工作在开关状态，主要的优越性是变换效率高，可达70-95%，而线性稳压电源一般只能达到35-60%。

2.功耗小　由于开关管功率损耗小，因而不需要采用大散热器。

功耗小使得电子设备内温升也低，周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏，这有利于提高整个电子设备的可靠性和稳定性。

3.稳压范围宽　当开关稳压电源输入的交流电压在150～250V范围内变化时，都能达到很好的稳压效果，输出电压的变化在2％以下。

而且在输入电压发生变化时，始终能保持稳压电路的高效率，因此，开关稳压电源能适用于电网电压波动比较大的地区。

4.体积小、重量轻　开关稳压电源可将电网输入的交流电压直接整流，再通过高频变压器获得各种不同交流电压，这样就可免去笨重的工频变压器，从而节省了大量的漆包线和硅钢片，使电源体积缩小、重量减轻。

5.安全可靠　开关稳压电路一般都具有自动保护电路。

当稳压电路、高压电路、负载等出现故障或短路时，能自动切断电源，其保护功能灵敏、可靠[3]。

1.3本章小结

电源是实现电能变换和功率传递的主要设备，现代电子设备离不开可靠的直流电源，并且对其要求也越来越高。

开关电源是一种新型、高效的直流电源，因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代了传统的线性稳压电源。

开关电源技术是一门综合技术，它涉及电力电子、控制理论、材料科学等多门学科。

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。

开关电源的主要问题是电路比较复杂，输出的纹波电压较高，瞬态响应差等。

因此，使开关电源的应用也受到一定限制。

1.4本文所做工作

本文设计了一种应用于液晶显示器终端的电流模式开关电源控制电路.该电路具有短路保护、过压保护、过流保护等功能。

论文首先对国内外的发展与趋势和两种电源的基本原理做了介绍。

论文的第二章介绍了开关电源控制方式。

开关电源有三种控制方式：

脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）、脉冲宽度频率调制（PWM-PFM）。

介绍了脉宽调制式开关电源的基本原理。

着重介绍了脉宽调制方式下开关电源控制方式的选择。

阐述了与传统的电压控制模式相比，电流控制模式具有许多优越性，同时也存在一些必须克服的问题。

文章的第三章是对本次设计所需的主要电子元件进行介绍。

主要介绍了TL431集成电路、UC3842集成电路、光电偶合器的原理及其应用。

文章的第四章是对电路总体结构设计。

阐述开关电源电路工作原理以及总体设计。

文章的第五章主要介绍开关电源的EMC问题。

首先分析开关电源电磁干扰的产生机理，然后介绍EMI滤波器的工作原理及安装注意要点，最后论述设计电路板的几个原则。