开关电源的制作及学习DOC.docx

1、开关电源的制作及学习DOC开关电源的制作注意：在通电后进行检测及查看时必须对电容及电感储能元件进行放电。否则肯定中电。开关电源的发展趋势电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出纹波电压很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大、效率低。开关电源5MPS(Switch Mode P。wer S。Pply)被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开

2、关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达70一90，比普通线性稳压电源提高近一倍。开关电源亦称无工频变压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。开关电源的发展历史开关电源已有几十年的发展历史。早期产品的开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域。20世纪60年代出现过晶闸管(旧称可控硅)相位控制式开关电源，70年代由分立元件制成的各种开关电源，均围效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而

3、难于推广，使之应用受到限制。70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大旦向世，这种新项节能电源才重获发展。目前，开关频率已从20kHz左右提高到几百千赫至几兆赫。与此同时，供开关电源使用的元器件也获得长足发展。Mos功率开关管(MOSFET)、肖特基二极管(SBD)、超快恢复二极管(SRD)、瞬态电压抑制器(Tvs)、压敏电阻器(vsR)、熔断电阻器(FR)、自恢复保险丝(RF)、线性光锅台器、可调式精密并联稳压器(TL431)、电磁干扰滤波器(EMI别te?)、高导磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠(M。8nettc Eead)、三重绝缘线(丁riple In

4、suI班eWire)、玻璃珠(G1ass Beads)胶合刑等大批新器件、新材料正被广泛采用。所有这些，都为开关电源的推广与普及提供了必要条件。开关电源的基本原理(1)脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制(Pulse w比h ModuNion，缩写为PwM)式。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(Pul se F，叫ueny M

5、odulation，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122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

6、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151所示。高频变压器在电路中具备

7、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TOPswitch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

8、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1312，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

9、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 AcDc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DcDc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

10、开关电源，电路如图241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85245v)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，

11、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)IM，二者登加在直流杨入电压Dl上。在典型情况下，Uhn380V，

12、tJI魁165V，zJoB135V，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IMm700v，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IooV3A的超快恢复二极管vD2整流，再经过C、L、c3

13、滤波后，获得十5v输出电压EJ。，。滤波电感L选用被称作“磁珠“(magnetic bead)的33yH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29v)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。lU2十UF为提高高频整流的效率，降低损耗，团2L1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，获得非隔离式十12

14、v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hM75V，最大正向电流JM150mA，反向恢复时间zR4ns。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，ImUz十uF时误差电压EJru(，l一(Iz十uP)就令L辽D的J y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Jf 4Jc十一Dfut)i十，同样起到稳

15、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cl47PF时，自动重启动频率为12H2，周期为o83s v即每隔o83s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242所示。该电源使用ToPx7Y(比1)、线性光锅台器cNYl72(Icz，美国摩托罗拉公司产品)、可调式精密并联稳压器TI431(IC)各一片。交流输入电压为110V220V，在低压输入时电源效率pJ达到77典型值)。图中的交流电

16、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ll ov倍压整流电路，其工作原理如团243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2110v155v，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bvD*一cMa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

17、十U*2155v310v，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cl o、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l s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

18、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9253(mm)、9258(mm)、935(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oo05

19、一o01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(o47FF)，在其上并联电阻RI 2，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)vDzlvDs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

20、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Cl s整流滤波，获得十12V、62A的稳压输出。VD2选用MURl610A型超快恢复二极管，其平均整流电流Jd16A，反向耐压zJnMl ooV，反向恢复时间2rrXns，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

21、数如下：J d30A，UnM45v，rEr10ns，采用TO一220封装。Cl d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25v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(cNYl72)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l 2v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

22、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、62A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250v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281所示。该电池充电器的主要技术指标如下：

23、恒压区的额定输出电压EJ，十55v恒流区的输出电流JM500mA，最大输出功率尸。M275w。当交流输入电压M一85v一265v时，电源效率v72。当交流输入电压M230V、U 5V时，空载功耗分别为260mW、200mW。 RF(FusMe Besi stor)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1N400 5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、60

24、0V的硅二极管vDl(1N4937)和o1pF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。nn(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

25、值为15kv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JL2mA时，进入恒压区，输出电压及占空比同时降低；在Jc23mA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LNK 501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PM，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o9mA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

26、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282所示。因中的实线代表极限值。其印制板电路如图283所示。次级整流管V比采用11DQ06型1A60V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283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275w恒压恒流式电池充电器的电路如图284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285所示。高频变压器采用EEI 6或EEl3型磁心，气隙间隙为00

27、8mm。初级匝数为100匝，初级电感量为25zmH，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(1000vlA)，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：mn90V。当交流输入电压M85v一265V时，

28、输入滤波电容的容量可按3PFw的比例系数来选取。对于交流230V或115V固定输入电压，可按1yFw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281中的vD3就采用1A60V的肖特基。 (4)预先可假定电源效率v70。 (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l 00。 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2

29、D名35ns。uF4005届于超快恢复二极管，其2R30ns，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1N400 5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

30、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JMm3mA。 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12mA，以减小空载时输出的纹波电压。

31、输出功率为12w。交流输入电压依次经过o5A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o35A300v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o2A200V的高速二极管BAS21。次级整流管VD2采用MBR360型3A60V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3147所示。它与固3146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25v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