电路设计之开关电源设计.docx

1、电路设计之开关电源设计1绪论开关电源(Switching Mode Power Supply,英文缩写为 SMPS)又称为开关稳压电源，问世后在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。随着全球对能源 问题的越来越重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高 供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电力结构简单、工作可 靠，但它存在着效率低(只有40%50%)、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调 整范围小等缺点。为了提高效率，人们研究出了开关式稳压电源，它的效率可达 85% 以上，稳压范围宽；除此之外，还具有稳压精度高的特点，是一种较理想的稳压电源。 开

2、关电源具有效率高、体积小、重量轻、应用广泛等优点，现已成为稳压电源的主流 产品。正因为如此，开关电源被誉为高效、节能型电源，代表着稳压电源的发展方向， 并已广泛应用于各种电子设备中 。1.1开关电源的特点1.1.1开关电源的优点(1)功耗小，效率高。晶体管 V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通 一 截止和截止一导通的开关状态，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。采用高频技术，省掉了体积笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功

3、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。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

4、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；即使采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了 500 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1/5001/1000。电路形式灵活多样，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。1.1.2开关电源的缺点电压调整率和负载调整率指标较差，对负载变化的瞬态响应时间较长，输出纹波 电压和噪声电压较高，不适合制作精密稳压电源。一种改进方案是把它当做前级稳压 器来使

5、用，而把开关式稳压器或低压差稳压器作为后级稳压器，构成两级稳压的高效、 精密稳压电源。1.2开关电源的基本工作原理1.2.1 开关电源的组成部分开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开 关元件的占空比来调整输出电压。其电路比较复杂，基本构成如图 1.1所示。图1.1开关电源的基本构成主要由以下5部分构成：输入整流滤波器：包括从交流电到输入整流滤波器的 电路。功率功率管（VT）及高频变压器（T）。控制电路（PWM调制器），含振荡器、 基准电压源（Uref）、误差放大器和PWM比较器，控制电驴能产生脉宽调制信号，其 占空比受反馈电路的控制。输出整流滤波器。反馈电路。除

6、此之外，还需增加偏 置电路、保护电路等。其中，PWM调制器为开关电源的核心。1.2.2开关电源的工作过程交流电网电压进入输入电路后，经输入电路中的线路滤波器、浪涌电流控制电路 以及整流电路，变换成直流电压。其中线路滤波器及浪涌电流控制电路的主要作用是 削弱由电网电源线进入的外来噪声以及抑制浪涌电流， 整流电路则完成交流到直流的变换，可分为电容输入型和扼流圈输入型两大类，开关电源中通常采用电容输入型。 功率变换电路是整个开关电源的核心器件，它将直流电压变换成高频矩形脉冲电压， 其电路主要由开关电路和变压器组成。 开关电路的驱动方式分为自激式和他激式两大类；开关变压器因是高频工作，其铁芯通常采用铁

7、氧体磁芯或非晶合金磁芯；开关晶 体管通常采用开关速度高，导通和关断时间短的晶体管，最典型的有功率晶体管 （GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅型双极晶体管（IGBT）等三种。输出电路 是将高频变压器次级方波电压经过高频整流滤波电路整流成单向脉动直流， 并将其平滑成设计要求的低纹波直流电压，供给负载使用。1.3开关电源的工作方式开关电源按控制原理来分类，有以下 4种工作方式：（1） 脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称PWM，即脉宽调制）式：其特点 是开关周期为恒定值，通过调节脉冲宽度来改变占空比，实现稳压目的。其核心是脉 宽调制器。（2） 脉冲频率调制

8、（Pulse Frequency Modulation，简称PFM，即脉频调制）式：其 特点是脉冲宽度为恒定值，通过调节开关频率来改变占空比，实现稳压目的。其核心是脉频调制器。（3） 脉冲密度调制（Pulse Density Modulation，简称PDM，即脉密调制）式：其特 点是脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压目的。它采用零电压技术，能显著 降低功率电压管的损耗。（4） 混合调制式：它是（1）、（2）两种方式的组合。开关周期和脉冲宽度都不固定， 均可调节。它包含了脉宽调制器和脉频调制器。以上4种统“称时间比率控制”方式，其中以脉宽调制器应用最广。1.4脉宽调制器的基本原理脉宽调制

9、式开关电源的工作原理如图 1.2所示。220V交流电u首先经过整流滤波 电路变成直流电压Ui，再由功率开关管VT斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形 波电压，最后通过整流滤波后后的所需要的直流输出电压 Uo。脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通、断状态，进而调节输出电 压的高低，达到稳压目的。锯齿波发生器用于提供始终信号。利用取样电阻。误差放 大器和PWM比较器形成闭环调节系统。输出电压 Uo经R1、R2取样后，送至误差放 大器的反相输入端，与加在同相输入端的基准电压Uref进行比较，得到误差电压Ur, 再用Ur的幅度去控制PWM比较器输出的脉冲宽度，最后经过功

10、率放大和降压式输出 电路使UO保持不变。UJ为锯齿波发生器的输出信号。图1.2脉宽调制式开关电源的工作原理2开关电源控制的选择开关电源有两种控制类型，一种是电压控制 (Voltage Mode Con trol);另一种是电流控制(Current Mode Control)。2.1电流控制型开关电源电流控制型正是针对电压控制型的缺点而发展起来的， 电流控制型开关电源在电压控制环的基础上又增加了电流控制环，形成双环控制系统，使得开关电源的电压调 整率、负载调整率和瞬态响应特性都有所提高，是较为理想的工作方式。其基本原理电流控制型的工作原理是采用恒频时钟脉冲置位锁存器， 输出脉冲驱动功率管导通，电

11、源回路中的电流脉冲逐渐增大。当电流检测电阻Rs上的压降达到并超过Us时, 电流检测比较器状态翻转，锁存器复位，驱动撤除，功率管截止，直到下一个始终脉 冲使PWM锁存器置位，这样逐个检测和调节电流脉冲，就可达到控制电源输出的目 的。2.2与电压型控制相比，电流型控制的优势(1)对输入电压变化的响应快。电网电压的变化，必然会引起电流的变化，假设 电压升高，那么电流增长变快，反之则变慢。当电流脉冲达到预定的幅度，电流控制 动作就会开始，控制脉宽发生变化来进行稳压。对于电压型控制，检测电路对输入电 压的变化没有直接的反应，要等到电压发生较大的变化后，才会进行处理，所以响应速 度慢。(2)过流保护。由于

12、采用了直接的电感电流峰值技术，它可以及时，准确的检测输出和开关管电流，自然形成了诸葛电流脉冲检测电路，通过给定一个参考电流，就 可以准确的限制流过开关管的最大电流，当输出超载或短路时，自动的保护电路，同 时也可防止电网浪涌所产生的尖峰电流损坏电路器件， 这样设计电路时就不需要考虑留什么余量，能省一些成本。(3)回路稳定性好，负载响应快。电流控制是一个输出电压控制的电流源，电流源的大小反映了输出电流的大小。因为电感中电流脉冲的幅值与负载电流的平均值是成比例的， 这样电感的相位延迟就不存在了 3。3单相桥式整流电路单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路3.1工作原理T为变压器；Di、D2

13、、D3、D4为四个整流二极管，Rl为负载电阻。整流电路中 的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。单相桥式整流电路如图 3.1所示。图3.1单相桥式整流电路当U2正半周时，二极管Di、D3正向导通，D2、D4反偏截止，在负载上产生一个 极性为上正下负的输出电压。U2正半周时，电流流向图如图3.2所示。图3.2 U2正半周时U2负半周时，二极管Di、D3反偏截止，D2、D4正向导通，电流经过负载时，产生的电压极性仍是上正下负。U2负半周时，电流流向图如图3.3所示。图3.3上负半周时单相桥式整流电路的波形图如 3.4所示。图3.4单相桥式整流电路波形3.2参数计算输出电压是单相脉动电压，通常它的

14、平均值与直流电压等效。 输出平均电压：流过负载的平均电流:,2J2V2 0.9V2Il :二 RlRl(3.2)流过二极管的平均电流：Id亠壬皿 (3.3)2 hRl Rl二极管所承受的最大反向电压 :VRmax= . 2V2 (3.4)3.3电容滤波电路整流电路将交流电变成脉动直流电，但其中含有大量的交流成分(称为纹波电压)。 应在整流电路的后面加滤波电路，滤去交流成分。3.3.1滤波的基本概念滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器 C对直流开 路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻 抗大，因此L应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留

15、直流分量、又可滤掉一部分 交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质 量。3.3.2电容滤波的组成及工作原理在负载电阻上并联一个滤波电容 C,如图3.5所示。二极管导通时，一方面给负 载RL供电，一方面对电容C充电。在忽略二极管正向压降后，充电时，充电时间常 数.充电=2RdC，其中rd为二极管的正向导通电阻，其值非常小，充电电压 Uc与上升的正弦电压U2 一致，u。二WU2，当Uc充到U2的最大值时，U2开始下降，且下 降速率逐渐加快。当u2 vuc时，四个二级管均截止，电容 C经负载Rl放电，放电时 间常数为放电=RlC,故放电较慢，直到负半周。图3.5 电

16、容滤波电路在负半周，当U2卜Uc时，另外两个二极管(VD2、VD4)导通，再次给电容C充电， 当Uc充到U2的最大值时，U2开始下降，且下降速率逐渐加快。当 u2uc时，四个 二极管再次截止，电容C经负载Rl放电，重复上述过程。3.3.3负载上电压的计算电容放电时间常数放电=RLC，即输出电压的大小和脉动程度及负载电阻直接相关。若Rl开路，即输出电流为零，电容 C无放电通路，一直保持最大充电电压；若 Rl很小，放电时间常数很小，输出电压几乎与没有滤波时一样。全波直流电压平均值：Uo=0.9U2 (3.5)U 2为变压器次级电压有效值。流过的平均电流5:Il= uo/Rl (3.6)4电磁干扰滤

17、波器开关电源电磁干扰滤波器是无源网络，它具有双向抑制性能。将它插入在交流电 网中与电源之间，相当于这二者的EMI噪声之间加上一个阻断屏障，这样一个简单的 无源滤波器起到了双向抑制噪声的作用，从而在各种电子设备中获得广泛的应用。开关电源由于功耗小效率高，体积小，重量轻，稳压范围广，电路形式灵活等特 点，广泛地应用于计算机、通信等各类电子设备。但是随着开关电源的小型化，开关 就要高频化，这种高频化，其基波本身也就构成了一个干扰源，发出一种更强的传导 干扰波，此外通过改进元器件达到高频化的同时，也会因辐射干扰波而导致一种超标 准值的杂散的信号。这些信号构成了电磁干扰 (EMI)，被干扰对象是无线电通

18、信。为 使无线电波不受电磁干扰的影响，就要采取措施限定这种电磁干扰，使之符合有关电 磁兼容(EMC)标准或规范，这已经成为电子产品设计者越来越关注的问题。4.1开关电源电磁干扰(EM)的特点开关电源功率变换器中的功率半导体器件的开关频率通常较高， 功率开关器件在高频下的通、断过程中不可避免地要产生强大的电磁干扰。与数字电路相比，开关电 源EMI呈现出鲜明的特点：(1)开关电源EMI干扰源的位置比较清楚，主要集中在功率开关器件、二极管 以及与之相连的散热器和高频变压器上。(2)作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高， 其产生的EMI噪声信号既具有很宽的频率范围，又有一定

19、的强度。(3)印制电路板布线不当也是引起电磁干扰的主要原因。这些干扰经传导和辐射 对其他电子设备造成干扰。任何电源线上传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。在一般情况下，差 模干扰幅度小，频率低，所造成的干扰较小；共模干扰幅度大，频率高，还可以通过 导线产生辐射，所造成的干扰较大。因此，欲削弱传导干扰，把EMI信号控制在有关 EMC标准规定的极限电平以下，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加 装电磁干扰滤波器。4.2电磁干扰滤波器的设计4.2.1电磁干扰滤波器设计原则电磁干扰滤波器的设计与选择，应根据干扰源的特性、频率范围、电压、阻抗等 参数及负载特性的要求综合考虑，通常要考虑以下

20、几方面的问题：(1)要求电磁干扰滤波器在相应工作频段范围内，能满足负载要求的衰减特性， 若一种滤波器衰减量不能满足要求的时候，则可采用多级联，可以获得比单级更高的 衰减，不同的滤波器级联，可以获得在宽频带内良好的衰减特性。(2)要满足负载电路工作频率和需抑制频率的要求， 如果遇到要抑制的频率和有用信号频率非常接近，则需要频率特性非常陡峭的 EMI滤波器。(3)在所要求的频率上，滤波器的阻抗必须与它连接的干扰源阻抗和负载阻抗相 匹配，如果负载是高阻抗，则EMI滤波器的输出阻抗应为低阻；如果电源或干扰源阻 抗是低阻抗，则EMI滤波器的输出阻抗应为高阻；如果电源阻抗或干扰源阻抗是未知 的或者是在一个

21、很大的范围内变化， 很难得到稳定的滤波特性，为了使EMI滤波器获 得良好的滤波特性，应在其输入和输出端，同时并接一个固定电阻。(4)电磁干扰滤波器必须具有一定耐压能力， 要根据电源和干扰源的额定电压来 选择滤波器，使它具有足够高的额定电压，以保证在所有预期工作的条件下都能可靠 地工作，能够经受输入瞬时高压的冲击。(5)滤波器允许通过的电流应与电路中连续运行的额定电流一致。电流定高了， 会加大滤波器的体积和重量；电流定低了，又会降低滤波器的可靠性。(6)滤波器应具有足够的机械强度，结构简单，重量轻，体积小，安装方便，安 全可靠。4.2.2电磁干扰滤波器的电路结构开关电源EMI滤波器的电路如图4.

22、1所示。图4.1 电磁干扰滤波器基本电路该五端器件有两个输入端，两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。电路中包括共模扼流圈(亦称共模电感儿、滤波电容CiC4。L对串模干扰不起作用， 但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过精合后总电感量迅速增大， 因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。它的两个线圈 分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上。当有共模电流通过时，两个线圈上产生 的磁场就会互相加强。L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关，见表4.1。当额 定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。此外，适 当增加电感量，可改善低频

23、衰减特性。 Ci和C2采用薄膜电容器，容量范围大致是0. 01折0. 47尸，主要用来滤除串模干扰。C3和C4跨接在输出端，并将电容器的重 点接通大地，能有效地抑制共模干扰。 C3和C4的容量范围是2200pF0.1F。为减少漏电流，电容器量不宜超过 0.1尸。CiC4的耐压值均为630Vdc或250Vac。表4.1电感量范围与额定电流的关系额定电流1(A)136101215电感量范围L(mH)823240.40.80.20.30.10.150.00.085推挽变换器推挽变换器是一种相当于两个正激变换器的组合。两个变换器轮流互补工作。变压器一次侧带中心抽头的两个绕组随各自连接的磁芯工作在磁化曲

24、线的第一象限和第三象限，完成磁化和去磁功能。它同半桥、全桥变换器一样，都属于双极性变换器。5.1电路结构推挽式变换器可分电流型、电压型两种拓扑结构。它们的主要区别是电流型的输 入级需要增加一个大电感L,但不需要输出滤波电感；而电压型的输入级没有大电感, 但输出级必须接滤波电感L。其典型电路结构如图5.1所示。Di图5.1推挽变换器的电路结构开关管VT1、VT2、变压器T1组成推挽逆变电路，将直流输入变换成高频方波脉 冲。脉冲的频率由PWM驱动信号频率决定。并联于开关管两端的二极管仅流过磁芯 复位时的磁化电流。二次侧输出的高频正负脉冲电压经二级管 VD1、VD2整流成二倍于开关频率的正向脉冲，再

25、经 L、Co租成的滤波电路平滑高频，输出负载 Rl上产生 具有2fs纹波的直流输出电压。采用推挽式变换器时，通过设计更多的二次绕组，能 产生多路输出电压（含负压输出）。5.2工作原理推挽变换器在一个周期Ts内，开关管VT1、VT2各交替轮流导通一次，设每管的 导通时间为Ton，占空比D二玉匚即TON =丄DTS，TOFF = 1 1 - D TS。在这里D、Ton、TS /2 2 2Toff的含义发生了变化，是在半周期内开关管导通、关断一次，不像单端变换器那样， 开关管在一个周期内导通和关断一次。6 PWM控制芯片SG3524SG3524为双端输出式PWM控制器，其属于双闭环控制系统，由电压控

26、制环河 电流控制环组成，属于数字、模拟混合型集成电路。该芯片由频率可在较宽范围内预 调的固定频率振荡器、占空比可在0100%之间调节的脉宽调制器、死区时间校准器、 双路功率输出的三极管电路、误差放大器、精密参考电压源一节禁止、缓启动、过流 和过压保护电路等组成。6.1SG3524的特点及性能6.1.1特点：(1)完整的PWM功率控制功能。(2)工作频率大于100KHZ。(3)集电极、发射极均为开路输出，最大输出电流达 100mA。(4)负载调整率典型值为0.2%。(5)内部基准电压变化最大为1 %。(6)工作电压范围为8V40V。(7)工作温度为-10 C+85 C。6.1.2主要性能电压控制

27、脉宽调制技术，数字、模拟混合集成电路，片内含有精确的参考电压源 和误差放大器，具有过流和短路保护功能， PWM占空比可任意调节，输入与 TTL和CMOS电平兼容，双通道脉宽调制输出、易与微机接口，电源电压 (8V40V)，电源电 流(20mA)，占空比(049%)，输出电流(2X 100 mA)，震荡频率(400kHz)。6.2SG3524的原理6.2.1SG3524引脚简介SG3524采用DIP-16封装，引脚排列如图6.1所示。各引脚功能如下：第1、2脚 分别为误差放大器的反相输入端与同相输入端。第 3脚是振荡器输出端。第4、5脚 依次是限流比较器检测端。第 & 7脚分别接定时电阻(Rt)

28、和定时电容(Ct)。第8脚为 接地端。第9脚为误差放大器的频率补偿端。第10脚为关断电路控制端.改变此脚电 位就可控制PWM的通断。第11、14脚为输出管Ea、Eb的发射极。第12、13脚为输 出管的集电极；第15脚为电源输入端，接+5V+30V。第16脚为+5V基准电压引出 端。SG3524芯片引脚功能说明见表6.1。71N-丄16 Uref15巧OUTok 314CL+ J.CL_ XSG352412 CARt色11 HCt 115 SOGND -1 COMP图6.1 SG3524的引脚排列图表6.1 SG3524引脚功能说明引脚符号功能1INV反相输入引脚2N,INV同相输入引脚3OSC

29、振荡器输出引脚4+Cl检测引脚什C l）5-Cl检测引脚（-Cl）6Rt积分电阻引脚7Ct积分电容引脚8GND地线9comp补偿引脚10SD关闭（停止）引脚11Ea发射极（A）引脚12Ca集电极（A）引脚13Cb发射极（B）引脚14Eb集电极（B）引脚15V IN输入电压引脚16V REF参考电压引脚6.2.2工作描述SG3524的内部框图如图6.2所示。主要包含9个部分：+5v稳压器和基准电源； 振荡器；误差放大器：PWM比较器；限流比较器；二分频触发器；或非门（A、B）； 推挽式驱动管（VTa、VTb）；关断电路。图6.2 SG3524内部组成原理稳压器与基准电压源实质上是一个小功率串联调

30、整式稳压器，输出电压为 +5V，向芯片内各单元供电，也对外提供基准电压，最大输出电流为 20mA。振荡器一方面产生幅度为0.63.6V的连续锯齿波电压Ui、直接输入到脉宽调制器的同相输入端， 另一方面又向触发器和或非门提供一个同步方波 U2并从3脚输出。振荡频率f，由下式决定：(6.1)1.18Rt CtRt的阻值范围是1.8 kQ 100kQ, Ct=0.001尸0.1折，最高震荡频率为300kHz。取样电压和基准电压分别接入管脚I和2,经误差放大器放大后，输出控制电压U3，接入PWM调制器反相输入端，与其同相输入端的锯齿波电压进行比较，输出一 个宽度受控制电压U3调制的方波脉冲U4，送至两

31、个或非门的输入端，同时来自振荡 器的同步方波脉冲U2经二分频触发器输出两路相位互差 180。的方波脉冲也送至两或 非门的输入端。因触发器有二分频作用，故开关频率f =f/2。或非门为三路输入信号， 它们分别是触发器、振荡器和 PWM比较器的输出信号，其特点是：只有三路输入信 号均为低电平时，输出才为高电平，工作波形如图 6.3所示。由波形图可见，触发器的两路输出脉冲互补，但在两路输入脉冲问至少存在有宽度为 0.5卩5血的同步方波 脉冲U2，从而保证两个或非门输出脉冲错开一定角度，不会造成输出管 类同导通 现象，双端输出时每路占空比的调节范围是045%。当电源出现异常或出于某种需 要，在第10脚加大于0.7V的电压，就能使关断电路中的晶体管饱和，所拉成低电平使PWM输出高电平，Va、Vb因没有输入脉冲而截止。第10脚为低电平时，PWM 恢复正