开关电源的制作及学习资料Word文件下载.docx
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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)脉冲频率调制方式,简称脉频调制(PulseF,叫uen‘yModulation,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tJo。
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,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。
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lB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1/3—1/2,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一了)电源
高速调制解调器电源
手机电池充电器
Ac/Dc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Dc/Dc电源变换器
(3)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(PFc)
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(ICl)、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cPu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85—245v)而定。
T为高频变压器,Np为初级绕组,Ns为次级绕组(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。
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十U皿越680v。
这就要求功率MOSFET至少应能承受700v的高压,即I/‘Mm>700v,同时还必须在漏极增加钳位电路,用以吸收尖均电压,保护TOP22lP中的功率MOSPET不受损坏。
钳位电路由VDl、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。
,。
滤波电感L选用被称作“磁珠“(magneticbead)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=4ns。
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/m>Uz十uF时
误差电压EJ’r=u(,l一(I/z十uP)就令L辽D的Jy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Jf4
Jc十一Df—ut)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.83sv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cNYl7—2(Icz,美国摩托罗拉公司产品)、可调式精密并联稳压器TI‘431(IC)各一片。
交流输入电压为110V/220V,在低压输入时电源效率pJ达到77%<典型值)。
图中的交流电源进线端的I‘(Hne)代表火线,N(NeMtral)代表零线。
s为电源选择开关。
当s闭合时选择llov倍压整流电路,其工作原理如团2.4.3所示。
假定在交流电肋正半局a点呈正电位,b点为负电位,此时整流桥中的二极管vDb和v认导通,v凰与vDJ截止,参见(a)图。
110v交流电就沿下述途径对cl充电:
俨c1*V凰ib,将EJcJ充到约√2×
110v=155v,极性为上端正、下端负。
在负半周时b点呈正电位,a点变成负电位,等效电路见(b)图。
此时W,、vDd导通,vDb、v认截止,电流沿着b—vD*一cM—a的路径对c1。
充电,使口q。
耙155V,极性仍为上端正、下端负。
显然,整流滤波器的实际输出电压uo=氏十U‘*2×
155v=310v,从而实现了倍压整流。
即使在低压输入时也能获得额定的直流高压。
因v取和vDh的导通压降很小,ToP227Y的动态导通电阻也可忽赂不计,故整流滤波器的负载即高频变压器的初级阻抗2?
。
只m和只M为均压电阻,可以平衡clo、c1上的电压,避免某一电容因所承受的压降过高而被击穿。
此外,在断电后这两只电阻还给电容提供了泄故回路。
当5断开时就选择220v交流电。
此时cl。
与c1相串联,总电容量变成235yF。
在交流进线端接入的电磁干扰滤波器(EMIfilter),由共模扼流因L2和c6一c6、c3和只ls构成。
cy与cB的中点应接通大地G。
L2与C、c9用来抑制共模干扰,c6和c3专门滤除串模干扰。
磁珠作用:
单片开关电源的开关频率较高(100kHs左右),在输出整流管vD2关断后的反向恢复过程中,会产生开关噪声,容易损坏整流管。
虽然在vlk两端并上由阻容元件串联而成的Bc吸收电路,能对开关噪声起到一定的抑制作用,但效果仍不理想,况且在电阻上还会造成功率损耗。
解决的办法是在次级整流滤波器亡串联一只磁珠。
磁珠是近年来问世的一种超小型的非品合金磁性材料,它与铁氧体居两种材料。
其外形呈管状,引线穿心而过。
常见磁珠的外形尺寸有92.5×
3(mm)、92.5×
8(mm)、93×
5(mm)等多种规格。
供单片开关电源使用的磁珠,电感旦一般为几至几十微亨。
磁珠的直流电阻非常小,一船为o.o05一o.01赡。
通常噪声滤波器只能吸收已发生了的噪声,同于被动抑制型;
磁珠的作用则不同,它能抑制开关噪声的产生,因此居于主动抑制型,这是二者的根本区别。
磁珠列广泛用于高频开关电源、录像机、电子测旦仪器、以及各种对噪声要求非常严格的电路中。
因C的容量较大(o.47FF),在其上并联电阻RI2,在断电后c6经只u进行放电,可避免电源进线端L、N上带电。
鉴于ToP227Y在关断的瞬间,高频变压器的漏感会产生尖峰电压,现利用vDl、及mcll组成漏极钳位电路,再由稳压管(亦可用P6KE200型瞬态电压抑制器)vDzl—vDs对厢—源电压vM进行钳位。
上述措施能有效地保护功率MosFET不受损坏。
高频变压器次级的两个绕组分别为Nsl、Nsz。
储能电感L1的两个共模绕组依次是LI:
LM利用Lh和LM的互感,能增加L1的等效电感星,对共模干扰具有更强的抑制作用。
付M上的电压经过VD2、Lh和Cls整流滤波,获得十12V、6.2A的稳压输出。
VD2选用MURl610A型超快恢复二极管,其平均整流电流Jd=16A,反向耐压zJnM=looV,反向恢复时间2rr=Xns,采用的是TO一220封装。
VD‘和VDs均为续流二极管。
NM的电压通过VDt、Lh和r2整流滤波后,得到十5v、15A的稳压输出。
为提高对高频大电流进行整流时的效率,vD3采用了MBR3045型肖特基共阴对管,现将内部的两只管于作并联使用。
其主要参数如下:
Jd=30A,UnM=45v,rEr<10ns,采用TO一220封装。
Cld和只:
能抑制V凰上的高频衰减振荡(亦称“振铃”)。
兄为十12V输出的最小负载,用于提高轻载时的电压稳定度。
外部误差放大器由TL43I组成。
举例说明,当十5V输出电压升高时,经R‘、R5分压后得到的取样电压,就与TL431中的2.5v带隙基准电压进行比较,使K点的电位降低,LED的工作电流JF增大,再通过光锅合器IcZ(cNYl7—2)使控制端电流人增大,了oP227Y的输出占空比减小,使rJ。
:
维持不变,达到稳压目的。
十l2v稳压值rJm则由TIJ431、光锅台器中的[‘ED正向压降来设定。
RI是LED的限流电阻。
误差放大器的频率响应由c9、及。
和见来决定。
c2。
可适当降低误差放大器的高额增益。
只y与c1,能改善外部误差放大器的瞬态响应。
C的作用有三个:
滤除控制端上的尖峰电压,决定自动重启动频率,和R3一起对控制回路进行补偿。
该电路的特点是以十5v、15A作为主输出(引入反馈),十12v、6.2A为辅输出(未加反馈),因此主输出的稳压性能要优于辅输出。
改进方案是将辅输出也按一定比例反馈到TL431的2.50v基准端UsM,这对于提高辅输出的稳压性能至关重要。
Linkswith系列单片开关电源的典型应用
LNK50l的典型应用
由LNK50l构成恒压/恒流式电池充电器的电路如图2.8.1所示。
该电池充电器的主要技术指标如下:
恒压区的额定输出电压EJ‘,=十5.5v.恒流区的输出电流J‘M=500mA,最大输出功率尸。
M=2.75w。
当交流输入电压M一85v一265v时,电源效率v>72%。
当交流输入电压M=230V、U5V时,空载功耗分别为260mW、200mW。
RF(FusMeBesistor)采用l052、1W的熔断电阻器,当输入端发生短路故障时能起到过梳保护作用。
BR为1A、600V的整流桥,亦可用4只1N4005型硅整流管来代替。
C1、L和C2构成n型滤波器。
LNK50l的开关频率为42kHz,允许使用简单的EMI滤波器滤除电磁干扰,而灶一般不需要初级返回端与次级返回端之间并联一只安全电容(亦称Y电容)。
由1A、600V的硅二极管vDl(1N4937)和o.1pF电容器C4组成钳位保护电路,用来吸收由高频变压器漏感产生的尖峰电压。
初级绕组的感应电压值(EJM)亦称次级反射电压,它与输出电压uE,之间存在下述关系式:
D。
n=n(I/。
十[Jfl)(n为初级与次级的匝数比,EJm为次级整流管的压降)。
这表明ulm能反映输出电压的高低。
因此,利用取样电容L、4所获得的反馈电压同样能反映出yo的变化情况。
电阻R1的作用就是将C上的反馈电压转换成反馈电流(即控制端电流JL),进而去调节LNK501的输出占空比,实现稳压目的。
利用只2可降低开关噪声。
根抵实际需要还可在韧、次级返回端之间并联一只1000pF一2200pF、耐压值为1.5kv的安全电容C,进一步抑制电磁干扰,具体接线方法如图中虚线所示。
在恒压区域内,输出电压受占空比控制。
当JL>2mA时,进入恒压区,输出电压及占空比同时降低;
在Jc=2.3mA时,进行过电流保护,使占空比降至30%。
若IJ。
降到2v以下,则c3放电,使LNK501进入自动重启动阶段,迅速将输出电流限制在50mA以下。
若实际输出功率超过P‘M,则EJ‘,十一y(m十一JL十,从而限制了漏极电流JD的进一步增大。
若因输出端发生短路故障而导致输出功率继续增大,则Jc下降到o.9mA.迫使控制端电容C放电,LNK501就进入自动重启动阶段。
上述自动保护功能提高电池充电器在工作时的安全性。
在空载或轻载的情况下.芯片的功耗随开关频率的降低而降低。
该恒压/恒流式电池充电器的输出特性如图2.8.2所示。
因中的实线代表极限值。
其印制板电路如图2.8.3所示。
次级整流管V比采用11DQ06型1A/60V肖持基二极管,亦可用MH汉160代替。
需要说明的是,v几既可以放在次级电路的上方,也可以放在次级电路的下方,图2.8.3中vD2就采用前一种接法。
但对于某些结构的高频变压器,vD:
放在下方位置可降低电磁干扰。
LNK520的典型应用
由LNK520构成2.75w恒压/恒流式电池充电器的电路如图2.8.4所示,它可用做家用电器和工业设备中的辅助电源。
其输出特性曲线如图2.8.5所示。
高频变压器采用EEI6或EEl3型磁心,气隙间隙为0.08mm。
初级匝数为100匝,初级电感量为2.5zmH,允许有土10%的偏差。
次级匝数为8匝,辅助绕组为26匝。
初级钳制电路由vIL、L4,R1和只:
构成。
V取采用玻璃钝化的硅二极管1N4007(1000v/lA),这有助于降低电磁干扰的辐射。
C1的允许范围是100pF一1000PF。
LinkSwith系列单片开关电源的使用注意事项
1最大输出功串
Linksw小h在交流85v入265v宽范围输入、交流230v固定输入时的最大连续输出功率
(POM)分别为3w、4w。
为达到最大连续输出功率的,设计电路时应注意以下事项:
(1)设计的直流输入电压最小值UI:
mn>90V。
当交流输入电压M=85v一265V时,输入滤波电容的容量可按3PF/w的比例系数来选取。
对于交流230V或115V固定输入电压,可按1yF/w的比例系数来选取。
(2)Unk5w比h是专门设计在不连续模式下工作的,此时初级绕组感应电压IJ。
n的范围是40v一60v*若设计成连续模式,会导致环路工作不稳定。
(3)次级整流管应采用肖特基二报管。
图2.8.1中的vD3就采用1A/60V的肖特基。
(4)预先可假定电源效率v=70%。
(5)源极引脚必须与印制板上的覆铜箔接触良好.以保证将热量及时效发出去,使芯片温度不超过十l00℃。
1.续流二极曾VD3
采用不连续模式时,vD3应选择,。
<75n5的超快恢复二极管作为续沥二极管;
采用不连续模式时,要求2D名35ns。
uF4005届于超快恢复二极管,其2R=30ns,能满足上述两种工作模式的需要。
不要使用快恢复二极管,因为这种管子的反向恢复时间为几百纳秒,在启动过程中会使Linksw5tch一丁N总处于连续工作模式,从而产生上升沿很高的尖峰电流强迫转换周期提前结束,使输出无法达到稳定状态。
2.反Q二极管vD4反馈二圾管vD4可选用廉价的整流管,如1N4005型整流管,但最好采用破封管,这种管子的反向恢复时间较短。
此外.vD‘和vD,的正向压降应相等。
3.电感L1
推荐L1采用带铁氧体磁心的电感,以降低成本并减小音频噪声等于设计值,所能承受的有效值电流也要留出一定余量。
4.输出级温波电容c2L1的电感量应大于或系,因此要尽量选择低EsR的电容。
5.反馈电阻[B1)和偏置电阻I见]由风和风构成的电阻分压器应使FB引脚的电压保持在为2k魔土1%的电阻。
6.反翅电容c3最可选普通的电解电容,它具有“取样保持”的功能。
在Linkswit小一TN关闭时间内,c3上的电压被充电到输出电压值。
c3的电容量范围是10一22PF,当电容量取得过小时会降低在小负载情况下的稳压性能。
7.负藏电阻岛
当最小负载电流小于3mA时,直接反馈式电路要求有稳定。
选择只:
=4ko时,可使JMm=3mA。
此外,在光锅反馈式电路中还需要给外部稳压管接限流电阻(Rz),将稳压管的工作电流
限制在1—2mA,以减小空载时输出的纹波电压。
输出功率为12w。
交流输入电压依次经过o.5A保险管、EMI滤波器(cl、L1)和整流滤波器
(BR,c2),获得直流高压,接高频变压器的初级绕组。
月r为负温度系数热敏电阻,在上电时可起到限流保护作用。
初级保护电路由钳位二极管vDl和吸收回路Rl、C所组成,能将漏极电压限制在安全范围内。
vDl采用o.35A/300v的高速二极管BYTll。
正常工作时,辅助绕组的输出电压先经过vD3、R2和c4整流滤波,给vIPer22A提供电源电压:
再经过稳压管vIL给FB端提供反馈电压。
VD3可选用o.2A/200V的高速二极管BAS21。
次级整流管VD2采用MBR360型3A/60V的肖特基二极管。
输出级滤波器由c6、Lz及c?
组成。
cB为安全电容。
2.光飘反缀式十12v、1A单片开关电源
由vIPer22A构成光锅反馈式十12v、1A单片开关电源的电路如图3.14.7所示。
它与固3.14.6的主要区别是增加了由光锅合器(Pc817A)和可调式桔密并联稳压器(TL431)构成的桔密反馈电路,能显著改善稳压性能。
当输出电压发生变化时,口。
经过R4、R5分压后获得取样电压,与丁L431中的2.5v带隙基准电压进行比较后产生误差电压,再经过光锅台器去控制反馈端电流Jm,改变输出占空比使口‘,维持不变,最终达到了稳压目的。
输出电压值由R2、光锅