开关文稳压电源设计.docx

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开关文稳压电源设计

 开关稳压电源的结构

    图1画出了开关稳压电源的原理图及等效原理框图，它是由全波整流器，开关管V，激励信号，续流二极管Vp，储能电感和滤波电容C组成。

实际上，开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。

这里我们对直流变换器和逆变器作如下解释。

    逆变器，它是把直流转变为交流的装置。

逆变器通常被广泛地应用在采用电平或电池组成的备用电源中。

    直流变换器，它是把直流转换成交流，然后又把交流转换成直流的装置。

这种装置被广泛地应用在开关稳压电源中。

采用直流变换器可以把一种直流供电电压变换成极性、数值各不同的多种直流供电电压。

 开关稳压电源的优点

    [1].功耗小，效率高。

在图1中的开关稳压电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近1000kHz。

这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。

    [2].体积小，重量轻。

从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。

由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。

由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。

    [3].稳压范围宽。

从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。

所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。

此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。

这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。

    [4].滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。

开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。

就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500b倍。

在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500—1/1000。

    [5].电路形式灵活多样。

例如，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。

 开关稳压电源的缺点

    开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。

开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。

此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。

    目前，由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距，因而造价不能进一步降低，也影响到可靠性的进一步提高。

所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中，开关稳压电源还不能得到十分广泛的普及及使用。

特别是对于无工频变压器开关稳压电源中的高压电解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件，在我国还处于研究、开发阶段。

在一些技术先进国家，开关稳压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在一些问题，不能十分令人满意。

这暴露出开关稳压电源的又一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。

对此，如果设计者和制造者不予以充分重视，则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。

当今，开关稳压电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。

 开关稳压电源的发展

    [1] 国际发展状况

 发展史

    1955年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。

此后，利用这一技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子示换流设备。

由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。

由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。

    60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围,并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。

省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。

    70年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。

 目前正在克服的困难

    随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断地缩小，重量在不断地减轻，所以从事这方面研究和生产的人们对开关稳压电源中的开关变压器还感到不是十分理想，他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途经取代开关变压器，使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要，这是从事开关稳压电源研制的科技人员目前正在克服的一个困难。

    开关稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的，并且开关稳压电源中由于采用了开关变压器以后，才能使之由一组输入得到极性、大小各不相同的多组输出。

要进一步提高开关稳压电源的效率，就必须提高电源的工作频率。

但是，当频率提高以后，对整个电路中的元器件又有了新的要求。

例如，高频电容、开关管、开关变压器、储能电感等都会出现新的问题。

进一步研制适应高频率工作的有关电路元器件，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第二个问题。

    工作在线性状态的线性稳压电源，具有稳压和滤波的双重作用，因而串联线性稳压电源不产生开关干扰，且波纹电压输出较小。

但是在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的元件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰。

这些干扰就会污染市电电网，影响邻近的电子仪器及设备的正常工作。

随着开关稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进，开关稳压电源的这一缺点得到了一定的克服，可以达到不妨碍一般的电子仪器、家用电器的正常工作的程度。

但是在一些精密电子仪器中，由于开关稳压电源的这一缺点，却使它得不到使用。

所以，克服开关稳压电源的这一缺点，进一步提高它的使用范围，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第三个问题。

    [2] 国内发展情况

    我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源研制工作开始于60年代初期，到60年代中期进入实用阶段，70年代初期开始研制无工频降压变压器开关稳压电源。

1974年研制成功了工作频率为10kHz、输出电压为5V的无工频降压变压器开关稳压电源。

近10多年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校已研制出多种型号的工作频率在20kHz左右，输出功率在1000W以下的无工频降压变压器开关稳压电源，并应用于电子计算机、通信、电视等方面，取得了较好的效果。

工作频率为100kHz—200kHz的高频开关稳压电源于80年代初期就已开始试制，90年代初期就已试制成功。

目前正在走向实用阶段和再进一步提高工作频率。

许多年来，虽然我国在无工频降压开关稳压电源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我国的开关稳压电源技术与一些先进的国家相比仍有较大的差距。

此外，这些年来，我国虽然把无工频变压器开关稳压电源的工作频率从数十kHz提高到了数百kHz，把输出功率由数十瓦提高到了数百瓦甚至数千瓦，但是，由于我国半导体技术与工艺跟不上时代的发展，导致我们自己研制和生产出的无工频变压器开关电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管。

所以我国的开关稳压电源事业要发展，要赶超世界先进水平，最根本的是要提高我国的半导体技术和工艺。

 开关稳压电源的种类

    现在，电子技术和应用迅速地发展，对电子仪器和设备的要求是：

性能上，更加安全可靠，在功能上，不断地增加。

在使用上自动化程度越来越高。

在体积上，要日趋小型化。

这使采用具有众多优点的开关稳压电源就显得更加重要了。

所以，开关稳压电源在计算机、通信、航天、彩色电视等方面都得到了越来越广泛的应用，发挥了巨大的作用，这大大促进了开关稳压电源的发展，从事这方面研究和生产的人员也在不断地增加，开关稳压电源的品种和类型也越来越多。

下面的组图给出了各种类型开关稳压电源的原理图。

（1）按激励方式划分

 他激式

    电路中转设激励信号的振荡器，电路形式如图6所示。

 自激式

    开关管兼作振荡器中的振荡管，电路形式如图7所示。

（2）按调制方式划分

 脉宽调制型

    振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，有时通过取样电路、耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。

 频率调制型

    占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。

 混合调制型

    通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。

    （3）按开关管电流的工作方式划分

 开关型

    用开关晶体管把直流变成高频标准方波，电路形式类似于他激式。

 谐振型

    开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准正弦波，电路形式类似于自激式。

    （4）按开关晶体管的类型划分

 晶体管型

    采用晶体管作为开关管，电路形式如图6所示。

 可控硅型

    采用可控硅作为开关管，这种电路的特点是直接输入交流电，不需要一次整流部分，其电路形式如图5。

    （5）按储能电感与负载的连接方式划分

 串联型

    储能电感串联在输入与输出电压之间，电路形式如图3所示。

 并联型

    储能电感并联在输入与输出电压之间，电路形式如图4所示。

    （6）按晶体管的连接的连接方式划分

 单端式

    仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，这种电路的特点是价格低，电路结构简单，但输出功率不能提高，其电路形式如图3、图4和图6所示。

 推挽式

    使用两个晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式。

这种电路的特点是开关变压器必须具有中心抽头，电路形式如图12。

 半桥式

    使用两个晶体管，将其连接成半桥形式。

它的特点是适应于输入电压较高的场合。

电路形式如图11。

 全桥式

    使用四个开关晶体管，将其连接成全桥形式。

它的特点是输出的功率比较大。

其电路形式如图13。

（7）按输入与输出的电压大小划分

 升压式

    输出电压比输入电压高，实际就是并联型开关稳压电源。

 降压式

    输出电压比输入电压低，实际就是串联型开关稳压电源。

    （8）按工作方式划分

 可控整流型

    所谓可控整流型开关稳压电源，是指采用可控硅整流元件作为调整开关管，可由交流市电电网直接供电，也可用变压器变压后供电。

（这种供电方式在开关稳压电源刚兴起的初期常常采用，目前基本上不太采用。

）在可工作的半波内，截去正弦曲线的前一部分，这一部分所占角度称为截止角，导通的正弦曲线的后一部分称为导通角。

依靠调节导通角的大小，可达到调整输出电压和稳定电压的目的。

其电路如图10所式。

 斩波型

    斩波型开关稳压电源是指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电路的输出端得到单向的脉动直流，经过滤波得到与输入电压不同的稳定的直流电压，电路还从输出电压取样，经过比较、放大、控制脉冲发生电路产生的脉冲信号，用以控制调整开关的导通时间和截止时间的长短或开关的工作频率，最后达到稳定输出电压的目的。

电路的过压保护电路也是依据这一部分提供的取样信号来进行工作的，斩波型电路形式如图9所示。

 隔离型

    这种形式的开关电源是在输入回路与逆变电路之间，经过高频变压器（也可称为开关变压器），利用磁场的变化实现能量的传递，没有电流间的直接流通，隔离型开关稳压电源采用直流供电，经过开关电路，将直流电变成频率很高的交流电，再经变压器隔离、变压（升压或降压），然后经整流器整流，最后就可以得到新的、极性和数值各不相同的多组直流输出电压。

电路从输出端取样，经放大后反馈至开关控制端，控制驱动电路的工作，最后达到稳定输出电压的目的。

这种形式的开关稳压电源在实际稳压电源中应用最为广泛。

    （9）按电路结构划分

 散件式

    整个开关稳压电源电路都是采用分立元器件组成的，它的电路结构较为复杂，可靠性较差。

 集成电路式

    整个开关稳压电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的，这种集成电路通常为厚膜电路。

有的厚膜集成电路中包括开关晶体管，有的则不包括开关晶体管。

这种电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。

彩色电视机中常采用这种开关电源。

    以上五花八门的开关稳压电源的品种都是站在不同的角度，以开关稳压电源不同的特点命名的。

尽管各种电路的激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方式、开关管器件种类以及串并联结构等各不相同，但是它们最后总可以归结为串联型开关稳压电源和并联型开关稳压电源这两大类。

这两大类也正是作者对开关稳压电源的划分方法。

 大功率开关稳压电源

   一些高档电器，如计算机、通信设备、家用视听设备对电源的要求较高，采用普通分立元件或三端稳压集成电路制作的普通型稳压电源已不能满足这些电器设备的要求。

用上述方法制作出的稳压电源不是体积庞大，就是功率太小，保护功能也不完善，因此，这类电器的电源已开始向开关稳压电源过渡。

   本文向大家介绍的这款开关稳压电路，采用美国Lambda公司生产的LA6350单片大功率

开关稳压集成电路设计的开关型稳压电源，不仅电路简单、调试容易、功能完善，而且所需的散

热器面积小、输出功率大、制作成本低，是电子爱好者制作开关稳压电源的理想电路。

LA6350具有以下特点：

1）输出电压在2.5－30V内连续可调；

2）单片输出电流可达5A；

3）开关工作频率高于22kHz;

4）转换效率大于90％；

5）工作温度为-55度~＋125度

6）具有软启动开机，过流快速关断以及过热保护等功能。

电路如图所示。

电路采用该芯片制作的输出电流可达10A，输出电压在5－12V内可调的实用大功率开关型稳压电源。

其工作原理为：

220V交流电源经变压器T1降压，桥堆VD1整流，C1、C2滤波后得到一直流电压。

IC第①、②脚为直流电压输入端，其最高输入电压为+40V。

该直流电压经IC内部的振荡器调制为200kHz左右的高频开关电压，振荡器的开关频率由外接振荡电容器C4决定。

当C4的值取为3300pF时，电源的开关频率约为200kHz；R3、C6为环路调节放大器的频率补偿网络，由第7脚输入。

IC第④脚为抑制输入端，其闭锁电压的阈值为0.7V，输出电压经取样电阻R2反馈至第④脚后与R1比较，当阈值电压大于0.7V时，输出关闭，起到短路过流保护作用。

第6脚为输出电压调节控制端，由电位器RP1及电阻R4将输出电压分压后得到调节电压检测值，调节电位器RP1可控制输出电压的大小，输出电压值可由公式：

VO=Vref{1＋Rh／（RL＋R4）}进行估算。

其中，Vref为基准电压，为2.1V。

第8脚为输出端，VT为电流放大管，VD2为反向续流二极管，L为滤波电感器。

IC为专用开关型稳压集成电路LA6350，其外壳接地并接散热器。

R5的功率应大于5W。

IC外围电路中，除振荡电容C4选择高频电容器外，电阻R1、R2应选择允许偏差＜1％的高精度金属膜电阻外，其余元件无特殊要求，按图中参数选取小型器件即可。

由于输出电压为高频开关式，因此IC和功率三极管VT所需的散热器仅为普通稳压电源的三分之一，且性能远远高于普通的稳压电源。

TL431特性及应用

介绍可调分流基准芯片TL431的特性及其在一些功能电路中的应用。

可调分流基准恒流恒压PWM开关电源

1TL431的简介

德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。

它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。

该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。

左图是该器件的符号。

3个引脚分别为：

阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。

TL431的具体功能可以用如图1的功能模块示意。

由图可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。

由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管图1的电流将从1到100mA变化。

当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。

但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的，本文的一些分析也将基于此模块而展开。

2.恒压电路应用

前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。

如图2所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若Vo增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。

显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=（1+R1/R2）Vref。

选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。

需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1mA。

当然，这个电路并不太实用，但它很清晰地展示了该器件的工作原理在应用中的方法。

将这个电路稍加改动，就可以得到在很多实用的电源电路，如图3，4。

图3大电流的分流稳压电路               图4精密5V稳压器

3.   恒流电路应用

由前面的例子我们可以看到，器件作为分流反馈后，REF端的电压始终稳定在2.5V，那么接在REF端和地间的电阻中流过的电流就应是恒定的。

利用这个特点，可以将TL431应用很多恒流电路中。

如左图5是一个实用的精密恒流源电路。

原理很简单，不再赘述。

但值得注意的是，TL431的温度系数为30ppm/℃，所以输出恒流的温度特性要比普通镜像恒流源或恒流二极管好得多，因而在应用中无需附加温度补偿电路。

图5下面就介绍一个用该器件为传感器电桥提供恒定偏流的电路，如图6。

这是一个已连成桥路的硅压传感器的前级处理电路。

Vref/R2的值应设为电桥工作所必要的恒定电流，该电流值通常会由传感器制造商提供。

流经TL431阴极的电流由R1和电源电压Vs决定，在应用中通常让它等于桥路电流，但一定要注意大于1mA。

由于TL431非常易于实现恒压或恒流，而且有很好的温度稳定性，因此很适合于仪表电路、传感器电路等设计应用。

在此方面的应用例子很多，设计原理并不复杂，本文不再一一介绍。

4.   可控分流特性的应用

由第1节介绍的功能模块图，当REF端的电压有微小变化时，从阴极到阳极的分流将随之在1～100mA内变化。

利用这种可控分流的特性，可以用小的电压变化控制继电器、指示灯等，甚至可直接驱动音频电流负载。

如图7是此应用的一个简单400mW单声道功率放大电路。

图7

图8

5.   在开关电源上的应用

   在过去的普通开关电源设计中，通常采用将输出电压经过误差放大后直接反馈到输入端的模式。

这种电压控制的模式在某些应用中也能较好地发挥作用，但随着技术的发展，当今世界的电源制造业大多已采用一种有类似拓扑结构的方案。

此类结构的开关电源有以下特点：

输出经过TL431（可控分流基准）反馈并将误差放大，TL431的沉流端驱动一个光耦的发光部分，而处在电源高压主边的光耦感光部分得到的反馈电压，用来调整一个电流模式的PWM控制器的开关时间，从而得到一个稳定的直流电压输出。

上图是一个实用的4W开关型5V直流稳压电源的电路。

该电路采用了此种拓扑结构并同时使用了TOPSwitch技术。

图中C1、L1、C8和C9构成EMI滤波器，BR1和C2对输入交流电压整流滤波，D1和D2用于消除因变压器漏感引起的尖峰电压，U1是一个内置MOSFET的电流模式PWM控制器芯片，它接受反馈并控制整个电路的工作。

D3、C3是次极整流滤波电路，L2和C4组成低通滤波以降低输出纹波电压。

R2和R3是输出取样电阻，两者对输出的分压通过TL431的REF端来控制该器件从阴极到阳极的分流。

这个电流又是直接驱动光耦U2的发光部分的。

那么当输出电压有变大趋势时，Vref随之增大导致流过TL431的电流增大，于是光耦发光加强，感光端得到的反馈电压也就越大。

U1在接受这个变大反馈电压后将改变MOSFET的开关时间，输出电压随改变而回落。

事实上，上面讲述的过程在极短的时间内就会达到平衡，平衡时Vref=2.5V，又有R2=R3，所以输出为稳定的5V。

这里要注意的是，不再能通过简单地改变取样电阻R2、R3的值来改变输出电压，因为在开关电源中每个元件的参数对整个电路工作状态的影响都会很大。

按图中所示参数时，电路可在90VAC～264VAC（50/60Hz）输入范围内，输出+5V，精度优于±3%，输出功率为4W，最大输出电流可达0.8A，典型变换效率为70%。

4W开关型直流稳压电源

如图所示的电路可将90VAC～264VAC输入范围的50/60Hz交流电压变换为直流+5V输出，精度优于±3%，输出功率4W，最大输出电流可达0.8A，典型变换效率为70%。

图中C1、L1、C8和C9构成一个EMI滤波器，BR1和C2对输入交流电压整流滤波，D1和D2用于消除因变压器漏感引起的尖峰电压，U1是一个内置MOSFET的PWM控制器，它控制整个电路的工作，R2和R3是取样电阻，它们和U2、U3一起对输出电压进行回授控制，以确保负载变化时输出电压稳定。

D3和C3是次级整流滤波电路，L2和C4对输出电压进一步滤波以便降低输出纹波电压。

B题直流稳压电源设计

设计组成员:

一.设计任务与设计的基本要求：

（1）.直流稳压电源的任务：

利用所学的知识设计并制作交流变换为直流的稳