平板显示器电源设计doc.docx

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平板显示器电源设计

摘要

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们日常工作生活联系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种控制设备电器、通讯设备领域，电子检测设备等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由开关器件（MOSFET、BJT等）构成利用脉冲宽度调制（PWM）控制。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率不同。

随着电力电子技术的发展和创新，开关电源技术在不断地创新，使得低输出电源成本下降，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

开关电源的发展方向是高频化，因为它使开关电源向小型化发展，并使开关电源进入更广阔的应用领域，特别是在高新技术领域，从而推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

关键词：

开关电源，整流，自激式振荡

Flatpaneldisplaypowersupplydesign

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofpowerelectronics,powerelectronicsequipmentandpeople'sdailyworklivesevercloser,andelectronicequipmentareinseparablefromthereliablepowersupply,computerpowerintothe80'sfullrealizationoftheswitchingpowersupplytechnology,thefirsttocompletethecomputer'spowergeneration,the1990shaveenteredintoavarietyofswitchingpowerelectronics,electricalappliances,communicationsdevices,electronictestingequipment,controlequipment,etc.havebeenwidelyusedswitchingpowersupply,butalsotopromotetherapiddevelopmentofswitchingpowersupplytechnology.

Switchingpowersupplyistheuseofmodernpowerelectronicstechnology,controlswitchingtransistorturn-onandturn-offtimeratio,tomaintainastableoutputvoltageofapower,switchingpowersupplyswitchingdevicesgenerally（MOSFET,BJT,etc.）constitutetheuseofpulsewidthmodulation（PWM）control.Switchingandlinearpowercomparedtobothofthecostsareincreasedastheincreaseoftheoutputpower,buttheygrowatdifferentrates.Withthedevelopmentofpowerelectronicstechnologyandinnovation,constantlyswitchingpowersupplytechnologyinnovation,makingthelowoutputpowercostsdown,whichistheswitchingpowersupplyprovidesabroadspacefordevelopment.

Switchingpowersupplydevelopmentinthedirectionofhigh-frequency,becauseitmakestheswitchingpowersupplytosmalldevelopmentandtoswitchpowertoenterawiderfieldofapplication,especiallyinhigh-techfields,therebypromotinghigh-techproductsofthesmall,lighter.

KEYWORDS:

SwitchingPowerSupply,BridgeRectifier,Self-excitation

目　录

前　言

电源是向电子设备提供功率的装置，它把其他形式的能量转换成电能。

如发电机是将机械能转换成电能，干电池是把化学能转换成电能。

整流是通过变压器和整流器，把交流电变成直流电。

信号源能为电力电子设备提供信号。

晶体三极管能把上一器件送来的信号加以放大，再将放大的信号传送到后级电路中。

晶体三极管对后面的电路来说，也可以看作是信号源。

整流电源、信号源都可以叫做电源。

开关电源技术是运用半导体功率器件实现电能的高频率变换，将粗电变换成精电，以满足供电质量要求的技术。

由于在开关电源中半导体功率器件工作在高频开关方式，因此它具有效率高，功率密度高，可靠性高等优点。

由于开关电源的优点突出，开关电源更替线性电源是发展的必然趋势。

开关电源具有功耗小、功率高、稳压范围宽、体积小（重量轻）等突出优点，在通讯领域、检测领域、家用电器领域等电子电路中得到了广泛的应用。

由于价格低廉，电路简单，目前仍有较多的电子设备采用自激式开关电源完成多种电压输出，包括升/降电压、改变极性等功能。

自激式开关电源触发开关管的信号由自激振荡产生，在一定程度上简化了电路。

基本的自激式开关电源是不隔离式的，输入电压经开关管控制后构成输出电压，输入与输出共有负极为公共端。

采用不隔离的开关电源的用电设备当由市电整流输出时，用电设备可能接有交流高压的输入，因此其应用条件和范围有所限制。

第1章开关电源基本原理

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，并能输出稳定电压的一种电源。

随着电力电子技术的应用发展，其技术也在不断地创新。

目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被电子设备所广泛应用，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

开关电源中的功率调整管工作在开关状态，具有功耗小、效率高、稳压范围宽、温升低、体积小等突出优点，在通信领域、检测领域、家用电器等电子电路中得到了广泛应用。

1.1开关电源的组成与工作原理

1.1.1开关电源工作原理

开关电源的工作原理可以用图1-1进行说明。

图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输入端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管。

开关S按要求改变导通或关断时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。

这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波就可得到稳定的直流输出电压Uo。

原理电路波形图

图1-1开关电源的工作原理

定义脉冲占空比如下：

（1-1）

式中，T表示开关S的开关重复周期；ton表示开关S在一个开关周期的导通时间。

开关电源直流输出电压Uo与输入电压Ui之间具有如下关系：

（1-2）

由式（1-1）和式（1-2）可以看出：

（1）若开关周期T一定，改变开关S的导通时间ton，即可改变脉冲占空比D，达到调节输出电压的目的，这种保持T不变而只改变ton来实现占空比调节的方式，称为脉冲宽度调制（PWM）。

由于PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此PWM式开关电源用的较多。

（2）若保持ton不变，改变利用开关频率

来实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压Uo稳压的方式，称为脉冲频率调制（PFM）。

由于开关频率不固定，所以PFM方式的输出滤波电路的设计不宜实现最优化。

（3）既改变ton，又改变T，从而实现脉冲占空比的调节的稳压方式，称作脉冲调频调宽方式。

在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节方式均有应用。

1.1.2开关电源的构成

开关电源由以下四个基本环节组成（见图1-2）：

（1）DC/DC变换器：

用以进行功率变换，是开关电源的核心部分。

DC/DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。

（2）驱动器：

开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号放大、整形，以适应开关管的的驱动要求。

（3）信号源：

产生控制信号，由它激或自激电路产生，可以是PWM信号，也可以是PFM信号或其他信号。

（4）比较放大器：

对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，达到稳定输出电压的目的。

图1-2开关电源基本组成框图

除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动电路、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等。

开关电源与线性电源相比，输出端较多地表现了输入的瞬态变换，在提高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应指标也能得到改善。

负载变换瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定。

所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器LC的值的方法改善瞬态响应特性。

1.1.3开关电源的特点

开关电源具有以下特点：

（1）效率高。

开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小、效率高。

调整管的效率一般为80%-90%，高的可达90%以上。

（2）稳压范围宽。

开关电源的交流输入电压在90-270V范围变化时，输出电压的变化在

以下。

合理设计电路还可以使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。

（3）功耗小。

功率开关管工作在开关状态，其损耗小：

电源温升低，不需要采用大面积散热器。

采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。

（4）元件数值小。

由于开关电源的工作频率高，一般在20kHz以上，所以滤波元件的数值可以大大减小。

（5）重量轻。

由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，所以电源的重量只是同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小。

（6）安全可靠。

在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，所以当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保护功能可靠。

1.2开关电源应用的问题与未来发展

1.2.1开关电源应用的问题

随着半导体技术和微电技术的高速发展，集成度高、功率强的大规模的集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断的缩小，重量在不断的减轻，由于有开关变压器的存在，应用效果不甚，因此开发商致力于研制效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者希望通过其他可行的方法来取代开关变压器，使之能够满足设备微小型化的需要。

这是开关稳压电源研制首要困难。

开关稳压电源的效率与开关管的通断速度成正比，而且只有采用了开关变压器，才能使之单输入电源得到极性、大小各不相同的多组输出，因此如果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，整个电路中的元器件也要随之更新以满足其需要，比如高频电容、开关管、储能电感等。

近一步研制适应高频率工作的有关电路元器件，也是研究者或开发商需要解决的问题之一。

线性稳压电源工作在线性状态，具有稳压和滤波双重作用，因而串联线性稳压电源没有开关干扰问题，且其输出纹波电压较小。

但是，由于开关管工作在开关状态，其电路中通过的交变电压和电流会产生较强的尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰还会污染市电电网，影响临近的电子设备的正常工作。

随着电源电路和抗干扰措施的不断改进，开关稳压电源的这一缺点已得到一定的改善，可以达到不妨碍一般的电子仪器、设备和家用电器正常工作。

但是，其影响对于一些精密电子仪器来说确是不容忽视的。

所以，科技人员也必须克服稳压电源的这一缺点，进一步提高它的使用范围。

客观上讲，开关电源的发展非常迅速，这时因为它具有其他电源所无法比拟的优势。

材料之新、用途之广，是它快速发展的主要动力。

但是，它离人们的最终应用要求、还差得很远，体积、重量、效率、抗干扰能力、电磁兼容性以及使用的安全性都不能说是十分完美。

目前要解决的问题有：

（1）元器件问题。

由于元器件不能小型轻量化造成了电源控制集成度低，这影响了开关电源的进一步发展。

（2）能源变换问题。

电能变换主要形式有：

AC/DC变换、AC/AC变换、DC/AC变换以及DC/DC变换等。

这些变换的实现都是以频率为基础，以改变电压为目的，工艺复杂，控制难度大。

（3）软件问题。

开关电源的软件开发目前只是刚刚起步，例如软开关，虽然它的损耗低，但难以实现高频化和小型化。

要做到“软开关”并实行程序化，更是有一定的困难。

要真正做到功率转换、功率因数改善、全程自动检测控制实现软件操作，目前还存在很大的差距。

（4）生产工艺问题。

往往在试验室中能达到相关的技术标准，但在生产上会出现各种问题。

这些问题大多是焊接问题和元器件技术性能问题，还有生产工艺上的检测、老化、粘结、环境等方面的因素。

1.2.2开关电源的发展趋势

未来的开关电源其工作频率期望达到2~10MHz，效率达到95%，功率密度达到3~6W/cm2，功率因数可以达到0.99，长期使用完好，寿命在80000h以上。

所谓高标准就是对未来开关电源的挑战：

第一，能不能全面通容电磁兼容性的各项技术标准；第二，在企业里能不能大规模地、稳定地生产，或快捷地进行单项生产；第三，按照人们的需要，能不能组装或拼装大容量、高效率的电源；第四，能否使新的开关电源具有比运行中的电气额定值更高的功率因数、更低的输出电压（1~3V）、更大的输出电流（数百安）；第五，能不能实现更小的电源模块。

1.3开关电源的主要类型

1.3.1控制方式

1.脉冲宽度调制式

由于开关电源输出直流电压表达式（1-2）可知，控制开关管的导通时间通，可以调整输出电压Uo，达到输出稳压的目的。

脉冲宽度调制（PWM）方式是采用恒频控制，即固定开关周期T，通过改变脉冲宽度ton来实现输出稳压。

开关器件的开关频率f由自激或它激方式产生。

2.脉冲频率调制式

脉冲频率调制（PFM）方式是利用反馈来控制开关脉冲频率或开关脉冲周期，实现调节脉冲占空比D，达到输出稳压的目的。

3.脉冲调频调宽式

这种控制方式是利用反馈控制回路，既控制脉冲宽度ton，又控制脉冲开关周期T，以实现调节脉冲占空比D，从而达到输出稳压的目的。

4.其他方式

若触发信号利用电源电路中的开关晶体管、高频脉冲变压器构成正反馈环路，完成自激振荡，使开关电源工作，则这种电源称为自激式开关电源。

它激式开关电源需要外部振荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。

它激式电源大多数需要专用的PWM触发集成电路。

1.3.2输出取样方式

取样电路是电源反馈电路的重要部分，取样方式对系统的稳定性有决定作用。

取样方式是开关电源电路设计的重点工作之一。

1.直接取样电路

图1-3为直接输出取样电路在开关电源中的应用实例。

光电耦合器中三极管集电极电流Ic的大小与发光二极管电流IF及光电耦合系数h成正比例关系，即

（1-3）

图1-3直接输出取样电路

当开关电源的输出电压因输入电压升高或负载减轻而升高时，开关电源+B滤波电容C561两端升高的电压一路经取样电阻R555、R556取样，光电耦合器OC515的1脚电压升高，即发光二极管正极电位升高；另一路经取样电阻R552、R551、R553取样，误差放大管VT553的基极电位升高，由于VT553发射极接有稳压管，其发射极电位不变，所以VT553加速导通，集电极电位下降，于是OC515内的发光二极管发光强度增大，OC515内的光电三极管内阻下降，脉宽调节电路的VT511、VT512相继导通，开关管VT513导通时间减小，使输出电压下降到正常值。

采用直接输出取样方式的开关电源安全性好，且具有便于空载维护、稳压反应速度快、瞬间响应时间短等优点。

由误差取样电路与误差放大电路组成的三端误差取样放大器电路如图1-4所示。

该电路不但简化了结构，而且提高了电路的可靠性。

图1-4三端误差取样放大器电路

2.间接取样电路

图1-5间接输出取样电路

图1-5是一个开关电源的间接输出取样电路。

在开关变压器上专门设置有取样绕组（即1、2绕组），取样绕组感应的脉冲电压经VD811整流，在滤波电容C815两端产生供取样的直流电压。

由于取样绕组与次级绕组采用了紧耦合结构，所以滤波电容C815两端电压的高低就间接反映了开关电源输出电压的高低。

间接输出取样方式的缺点是响应慢，当输出电压因输入电压等原因发生突变时，输出电压的变化需经开关变压器磁耦合才能反映到取样绕组两端，所以稳压的动态效果一般。

1.3.3其他方式

1.按激励方式分

（1）它激式

它激式开关电源必须有一个振荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。

电路中专设激励信号产生的振荡器，电路形式如图1-3（c）所示。

（2）自激式

自激式开关电源利用电源电路中的开关晶体管和高频脉冲变压器构成正反馈电路，来完成自激振荡，使开关电源输出直流电压。

在显示设备的PWM式开关电源中，自激振荡频率同步于行频脉冲，即使在行扫描电路发生故障时，电源电路仍能维持自激振荡而有直流输出电压。

2.按电路结构划分

（1）散件式

采用分立式元器件组成开关稳压电源电路，其电路形式较为复杂，可靠性不高。

（2）集成电路式

由集成电路组成电源电路或电路的一部分，这种集成电路通常为厚膜电路。

有的厚膜集成电路包括开关晶体管，有的则不包括。

这种电源的特点是电路结构简单、可靠性高、调试方便。

这种开关电源在彩色电视机普遍应用。

3.按输入与输出电压大小划分

（1）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。

（2）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。

图1-6串联开关电源原理图

图1-7并联开关电源原理图

4.按开关管电流的工作方式划分

（1）开关型

用开关晶体管把直流变成高频标准方式，电路形式类似于他激式。

（2）谐振型

开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准的正弦波，电路形式类似于自激式。

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

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

第2章自激式开关电源

自激式开关电源价格低廉，电路简单，目前仍有较多的电子设备采用此类电源完成多种电压输出，包括升/降电压、改变极性等功能。

自激式开关电源触发开关管的信号由自激振荡产生，在一定程度上简化了电路。

基本的自激式电源是不隔离式的，输入电压经开关管控制后构成输出电压，输入与输出共用负极为公共端。

这种前后不隔离的开关电源，当由输入供电整流输入时，用电设备可能接通交流高压输入，使之应用条件和范围受到一定限制。

2.1自激式开关电源的结构和保护电路

2.1.1自激式降压电源的结构和工作原理

1.基本结构

降压型开关电源是最基本的开关电源，图2-1是自激式降压开关电源的结构图。

输入的直流电压经过开关管通/断控制变成周期性矩形波。

设开关周期为T，开关管导通时间为ton，开关管截止时间为toff。

图2-1自激式降压型电源结构图

当开关管导通时，续流二极管VD反偏截止，输入电压通过电容器C加在电感L两端，L中的电流随时间ton呈线性增长，与此同时，C充电电压上升。

由于C的容量选择范围较大，在ton的全部时间内，C建立的充电电压极小，以保证ton期间的电能全部变成L的磁场能量。

当开关管截止时，L释放磁能，其感应电压与输入电压极性相反，使VD导通，对C充电，使负载上有持续的电流。

C在两次充电过程中，两端建立的充电电压正比于开关管导通时间ton。

为了达到降压的目的，在此类开关电源中，ton/T的值常小于0.5，因此C两端电压也小于输入电压的1/2，控制开关管导通时间ton，即可控制负载两端的电压。

为了控制输出电压，用分压器对输出电压取样，送入误差放大器的正相输入端。

误差放大器反相输入端接入稳定的基准电压。

当输出电压升高时，误差放大器输出电压升高，通过脉宽控制电路使开关管提前截止，脉冲宽度T1减小，迫使输出电压降低。

2.自激式降压型电源工作原理

图2-2所示的不隔离电源为自激式降压型开关电源的基本电路。

VT1为开关管；T为储能电感；VD1为续流二极管；C2、C3分别为输入和输出电压滤波电容；VT2为脉宽调制器；VT3为误差检出放大器；VZD2、R4构成基准电压；R5、R6为输出电压取样分压器。

VT1和T组成最基本的的间歇振荡电路，VT1无需外驱动脉冲。

T有两种功能：

一是由初级绕组1-2构成储能电感；二是初级绕组1-2和次级绕组3-4构成脉冲变压器，使得VT1可以依靠脉冲变压器的正反馈作用产生振荡。

图2-2不隔离电源原理图

在振荡的过程中，VT1随每个振荡周期通/断一次，完成开关功能。

电路中的振荡器为发射极输出反馈电路。

接通电源时，输入电流通过R1给VT1基极提供初始偏置电流IB，VT1产生发射极电流，向C3充电。

充电开始，输入电压几乎全部加在T绕组1-2两端，线性上升的T初级电流在T次级绕组产生感应电压，从T绕组3端经R2、C1加到VT1的基极。

由于T的初、次级相位关系，使T绕组3端脉冲与1端同相位，构成正反馈。

VT1发射极电流的上升，使T绕组3端产生加强的感应脉冲，加入VT1基极使IB上升，使得IE以IE=（β+1）IB倍的速度增长，直到达到饱和，使VT1基极电流失去对IE的控制功能为止，此时VT1进入饱和区。

饱和以后VT1基极不能继续控制IE，正反馈作用消失，C1通过VD3放电，IB下降，使（β+1）IB

T绕组3端输出下降的感应脉冲，加到VT1基极，同样的正反馈过程使VT1快速截止，完成一个振荡周期，开关管完成一次通/断过程。

在上述振荡过程中，R2构成C1充电电路。

同时R2还有限制正反馈电流的作用，以免正反馈电流过大使VT1进入过饱和状态，从而增大VT1基区的存储效应，加大开关管的损耗。

VD3为C1放电通路，C1的容量大小对振荡脉冲频率影响较大，即使VT1未进入饱和区，在VT1导通期间的正反馈过程中，C1充电电流小到一定程度，将会使VT1正反馈电流减小而开始截止过程，提前进入下一个周期的振荡。

VT2构成VT1振荡脉宽控制器，具有对VT1基极电流的可变分流作用。

在VT1振荡过程中，导通状态转为截止状态的转折点是βIB

在振荡过程中，如果VT2导通使VT1正反馈电流被分流，即可减小VT1的IB，使VT1提前进入转折点。

VT1导通期被减小，提前进入截止状态，导致脉冲宽度减小，储能电感的储能减少，开关电源输出电压必然降低。

上述即为VT2的脉宽调制功能。

VT2导通电流的大小受控于V