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1、精选优质文档-倾情为你奉上开关电源主电路第1节 开关电源概述一、开关电源的构成开关电源采用功率半导体器件（GTR、MOSFET、IGBT等）作为调整管，通过控制电路控制调整管的导通时间，使输出电压保持稳定。开关电源的电路构成如图4-1所示。DC/AC变换器二次整流/滤波采样电路基准电压比较电路控制电路一次整流/滤波输入输出图4-1 开关电源的电路构成（一）一次整流/滤波电路将交流输入电压（通常是市电电网的交流电压220V或380V）进行整流滤波，转化成为直流电压（300V或500V），然后将直流电压供给DC/AC变换器。相比与线性直流稳压电源，开关电源在这一环节可以省去工频变压器，消除了工频变
2、压器带来的损耗。（二）DC/AC变换器DC/AC变换器的主要作用是将一次整流/滤波电路提供的直流电压变换成高频交流电压（一般频率可达到几十KHZ到几百KHZ甚至更高）。（三）二次整流/滤波电路将DC/AC变换器变换输出的高频交流电压进行整流滤波，转化成平滑的直流输出电压。（四）反馈网络反馈网络包括基准电压、采样电路和比较电路。采样电路把输出电压的一部分或者全部采样回来，采样到的电压和基准电压送入比较电路进行比较，比较的结果送给控制电路。（五）控制电路控制电路根据反馈网络的结果输出占空比可调的控制脉冲去控制调整管的通断时间，这是所谓的“时间控制法”。（六）辅助电路开关电源中常见的其它电路主要有软
3、启动电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路、驱动电路等等。二、开关电源的分类开关电源的分类方式有很多，可以按激励方式、调制方式、调整管类型、输入电压/输出电压大小、调整管的连接方式和储能电感的连接方式等分类方式进行分类。（一）按激励方式划分开关电源按激励方式划分可分为自激式开关电源和它激式开关电源。在自激式开关电源中功率开关管既作为调整管，又兼作控制脉冲信号产生的振荡管。在它激式开关电源中则专门设置有产生控制脉冲信号的控制电路。（二）按调制方式划分开关电源按调制方式划分可分为脉宽调制型开关电源、脉频调制型开关电源和混合调制型开关电源。脉宽调制（PWM）指的是控制脉冲周期不变，导通时间改变，进
4、而改变占空比的调制方式。脉频调制（PFM）指的是控制脉冲导通时间不变，周期（频率）改变，进而改变占空比的调制方式。混合调制指的是控制脉冲导通时间和周期都改变，进而改变占空比的调制方式。（三）按调整管的类型划分开关电源根据调整管的类型不同可分为晶体管（GTR）开关电源、场效应管（MOSFET）开关电源和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）开关电源。（四）按输入/输出电压大小划分开关电源按输入电压和输出电压的大小划分可分为降压式开关电源、升压式开关电源和极性反转式开关电源。降压式开关电源的输出电压小于输入电压，升压式开关电源的输出电压大于输入电压，极性反转式开关电源的输出电压和输入电压极性相反。降压式、
5、升压式和极性反转式开关电源都没有实现电气隔离的变压器。（五）按连接方式划分开关电源按连接方式可分为单端反激式开关电源、单端正激式开关电源、推挽式开关电源、半桥式开关电源和全桥式开关电源。其中单端反激式开关电源适用于电气隔离的输出小功率场合，单端正激式开关电源适用于电气隔离的输出较大功率场合，半桥式和全桥式开关电源适用于电气隔离的大功率输出场合（全桥式开关电源的输出功率要比半桥式开关电源的输出功率更大），推挽式开关电源适用于电气隔离的低电压输入场合。三、开关电源的设计（一）确定开关电源的主回路开关电源的主回路也叫做开关电源拓扑结构，常见的开关电源的拓扑结构主要有以下七种：（1）降压式变换器（2）
6、升压式变换器（3）单端反激式变换器（4）单端正激式变换器（5）推挽式变换器（6）半桥式变换器（7）全桥式变换器确定开关电源的拓扑结构的依据主要有两个方面：首先考虑电路是否需要电气隔离，如果电路需要电气隔离，则选择单端反激式变换器、单端正激式变换器、推挽式变换器、半桥式变换器、全桥式变换器中的某一种拓扑结构。如果电路不需要电气隔离，则可选择升压式变换器和降压式变换器。其次考虑电源的输出功率，输出小功率选择单端反激式变换器，输出较大功率选择单端正激式变换器，大功率输出选择半桥式和全桥式变换器，输出功率较大输入电压比较低选择推挽式变换器。（二）选择控制电路控制电路按激励方式有自激式和它激式控制电路，
7、其中自激式控制电路通过启动电阻，利用高频变压器的正反馈实现开关管的饱和导通，利用功率管的退饱和特性实现开关管的截止断开。它激式控制电路一般使用的是集成控制电路IC，其中比较常用的集成控制电路有电压型脉宽调制控制电路TL494，电流型脉宽调制控制电路UC3845。（三）确定辅助电路开关电源通常由一次整流/滤波电路，功率变换器，控制电路，二次整流/滤波电路，电压反馈网络等组成，其中电路主回路也就是功率变换器是整个开关电源的核心。开关电源除了功率变换器和控制电路以外，还需要一些辅助电路才能保证正常工作。开关电源中常见的辅助电路有：（1）输入EMI滤波电路（2）整流/滤波电路（3）驱动电路（4）软启动
8、电路（5）保护电路（6）电压反馈电路其中输入EMI滤波电路的主要作用是防止电网的干扰传入设备，干扰设备的正常工作，同样也可防止设备产生的干扰传到电网上，干扰其他设备的正常工作。整流/滤波电路分为一次整流/滤波电路和二次整流/滤波电路，这两种电路的主要区别是工作频率的差异，一次整流/滤波电路工作的频率为电网交流电频率50/60HZ，二次整流/滤波电路工作的频率为开关电源的频率，其频率通常为几十KHZ到几百KHZ甚至更高。驱动电路的主要作用是保证调整管能够有效可靠的工作，使调整管在该关断的时候迅速关断，并在整个关断期间维持关断；在该开通的时候迅速开通，并在整个导通期间维持导通。软启动电路主要防止开
9、关电源开机时的冲击电流，保证开关电源能够正常工作。开关电源的保护电路有很多，比如过压保护电路、欠压保护电路、过流保护电路、过热保护电路等等。电压反馈电路是各类开关电源都必须具有的辅助电路，它通常由采样电路，基准电压和比较电路组成。（四）PCB设计开关电源的主回路、控制电路和辅助电路确定以后，就可以开始绘制电路原理图，然后根据电路原理图创建网络表。在创建网络表的时候需要注意元器件的封装形式，因为在开关电源中很多元器件的封装形式不是标准封装形式，需要自己定义封装。在定义封装时，根据元器件实际的外形尺寸和引脚位置进行确定。在确定了所有的元器件封装以后，导入网络表，开始进行元器件的布局。在进行元器件布
10、局时要尽量符合以下原则：（1）按照电路的流向和各个功能电路单元的位置，使布局适合于信号流通，并使信号尽量保持方向一致；（2）以每个功能电路的核心元件为中心，围绕这个中心来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量使各元器件之间的引线和连接简单化；（3）在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且安装、焊接容易，易于批量生产；（4）位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm；（5）应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。另外在布局特殊元件时，还应注意以下问题：（1）尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分
11、布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入、输出元件应尽量远离；（2）某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽可能布置在调试时手不易触及的地方；（3）重量超过15g的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。那些又重又大、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，应安装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题；（4）热敏元件应远离发热元件；（5）对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相
12、适应。元器件的布局完成以后，进行印制电路板的布线。合理的布线可使印制电路板获得最佳性能，布线的一般原则有：（1）信号线与其回路构成的环的面积要尽可能小，环面积越小，对外的辐射越少，接收外界的干扰也越小；（2）串扰是指PCB上不同网络之间因较长的平行布线引起的相互干扰，主要是由于平行线间的分布电容和分布电感的引起的。克服串扰的主要措施是：加大平行布线的间距，遵循3W规则。3W规则是指：当线和线的中心间距不少于3倍线宽时，可保持70%的电场不互相干扰。另外还可以在平行线间插入接地的隔离线或减小布线层与地平面的距离来减少串扰；（3）对一些特别重要或频率特别高的信号，应该考虑采用铜轴电缆屏蔽结构设计，
13、即将所布的线上下左右用地线隔离，而且还要考虑好如何有效的让屏蔽地与实际地平面有效结合；（4）避免将不同的信号线在相邻层走成同一方向，以减少不必要的层间窜扰；当由于板结构限制（如某些背板）难以避免出现该情况，特别是信号速率较高时，应考虑用地平面隔离各布线层，用地信号线隔离各信号线；（5）一般不允许出现一端浮空的布线,主要是为了避免产生天线效应，减少不必要干扰的辐射和接收；（6）为了减小高频信号对外的辐射与耦合，布线时拐角应尽量使用45或圆弧形，切忌采用90拐角。（五）安装调试第2节 降压式变换器一、电路组成降压式变换器也叫做buck变换器，其拓扑结构如图4-2所示。图中VT为功率调整管（功率开关
14、管），为输入的直流电压，为输出的直流电压，VD为续流二极管，L为储能电感，C为滤波电容。该电路完成把输入的直流电压转换成输出的直流电压的功能。图4-2 降压式变换器的拓扑结构二、工作原理控制脉冲导通时，开关管VT导通，续流二极管VD截止，输入直流电压经过开关管VT和储能电感L加载到负载上。在电感线圈没有饱和之前，流过电感L的电流逐渐增加，由于电感的时间常数要比控制脉冲的导通时间大的多，电流的增加近似是一个线性增加过程。在电感电流线性增加的过程中，电感储存能量。控制脉冲截止时，开关管VT截止，流过电感线圈的电流减小，为了阻碍电流的减小，电感线圈L产生感应电动势，感应电动势方向“右正左负”，此时续
15、流二极管VD导通，电感线圈L经过续流二极管VD给负载供电。在供电的过程中，电感线圈L释放能量，流过电感线圈的电流线性减小。在降压式变换器整个工作过程中滤波电容C通过不断的充放电使流过负载的电流连续稳定。当流过电感线圈的电流大于负载电流时，电容充电（），当流过电感线圈的电流小于负载电流时，电容放电（）。三、电路中各点波形降压式变换器在控制脉冲导通时电感线圈储存能量，流过电感线圈的电流线性增加，在控制脉冲截止时电感线圈释放能量，流过电感线圈的电流线性减小。按电感线圈在控制脉冲导通期间储存的总能量是否足够在控制脉冲截止期间释放，可把降压式变换器的工作模式分为连续工作模式和不连续工作模式。如果电感线圈
16、在控制脉冲导通期间储存的总能量足够在控制脉冲截止期间释放，这种工作模式称为连续工作模式。如果电感线圈在控制脉冲导通期间储存的总能量不够在控制脉冲截止期间释放，这种工作模式称为不连续工作模式。连续工作模式和不连续工作模式的波形如图4-3所示。 (a)连续工作模式 (b)不连续工作模式 图4-3 降压式变换器连续工作模式和不连续工作模式在连续工作模式，电感线圈在控制脉冲导通期间储存的总能量足够在控制脉冲截止期间释放，也就是控制脉冲截止的最后时刻流过电感的电流的值大于或等于零。在不连续工作模式，电感线圈在控制脉冲导通期间储存的总能量不够在控制脉冲截止期间释放，也就是电感线圈中能量释放完时（流过电感的
17、电流降为零时），控制脉冲截止时间还没结束，也就是控制脉冲还没有重新导通，因而能量得不到及时的补充，这样就出现了电流不连续的工作状态，这就是所谓的不连续工作模式。在降压式变换器设计过程中，一般要求变换器工作在连续工作模式，接下来讲述的电压增益和输出电压纹波的计算以及元件的选择等问题都是指连续工作模式的情况。四、电压增益和输出电压纹波的计算（一）电压增益的计算为了分析稳态特性，简化推导公式的过程，作如下假定：开关管、续流二极管均是理想元件，导通时相当于短路，截止时相当于断路。电感、电容也是理想元件，仅仅只需考虑其本身的感抗或容抗。在控制脉冲导通时，因为电感线圈两端的电压为，流过电感L的电流线性增加
18、，所以在整个控制脉冲导通期间，流过电感的电流的增加量为： （4-1）式中：电流的增加量（A）； 电感两端的电压（V）； 电感线圈的电感（H）； 输入的直流电压（V）； 输出的直流电压（V）； 控制脉冲的导通时间（s）。在控制脉冲截止时，因为电感线圈两端的电压为，流过电感L的电流线性减小，所以在整个控制脉冲截止期间，流过电感的电流的减小量为： （4-2）式中：电流的减小量（A）； 控制脉冲的截止时间（s）。要使降压式变换器电路能够稳定工作，控制脉冲导通期间电流的增加量应该等于控制脉冲截止期间电流的减小量（），也就是： （4-3）因此可以得到降压式变换器的电压增益为 （4-4）式（4-4）表明，输
19、出直流电压随着占空比D的变化而变化，由于，输出直流电压总是小于输入直流电压，所以称为降压式变换器。（二）输出直流电压纹波的计算输出直流电压的纹波计算公式为: （4-5）式中：输出直流电压的纹波（V）； 输出直流电压（V）； 控制脉冲的占空比（）； 电感线圈的电感（H）； 滤波电容的电容（F）； 控制脉冲的周期（s）。从式（4-5）可以看出，降压式变换器输出电压纹波除了和输出电压有关外，增大储能电感L和滤波电容C可以降低输出电压纹波值，但是增大储能电感L和滤波电容C的代价是体积和重量变大，另外减小控制脉冲的周期T也就是增大电源工作频率f也可以降低输出电压纹波，但是提高工作频率又会对元器件提出更高
20、要求。当然，在降低输出电压纹波时，要利弊兼顾，综合考虑各方面的因素。五、元件的选择（一）开关管的选择1类型的选择开关管的选择首先应根据输入条件、输出电压、输出电流、工作场合以及负载特性等要求来确定管子的类型。一般确定的原则是：输出功率在几十千瓦或更高时选择IGBT；输出功率在几千瓦到几十千瓦时选择MOSFET，输出功率在几千瓦以下时选择GTR。但是这个原则并不是一成不变的，设计者还得根据其他一些因素综合考虑，比如工作频率、性能、价格等因素。2极限参数的选择在确定好开关管的类型以后，接下来确定开关管的极限参数。开关管的极限参数是保证电路能够正常工作的参数，所以在确定极限参数时，一般需要留有一定的
21、裕量。集电极发射极之间所允许的最大电压： （4-6）最大允许集电极电流： （4-7）3其他参数选择开关管其他参数的选择主要包括导通压降、反向漏电流、高频特性、驱动功率以及开关时间等方面的选择，选择的原则是综合考虑性价比，优先选择导通压降小的、反向漏电流小的、高频特性好的、开关速度快的和驱动功率小的型号的开关管。（二）续流二极管的选择当开关管截止时，储能电感L中所储存的磁能通过续流二极管传输给负载电阻。当开关管导通时，因为开关管的导通压降很小，这时输入直流电压就全部加到续流二极管的两端，因此续流二极管的选择应符合以下条件：（1）正向最大平均电流： （4-8）（2）反向最高工作电压： （4-9）（
22、3）为了减小由于开关转换所引起的输出电压纹波，续流二极管应选择反向恢复时间很短的肖特基二极管或快速（超快速）恢复二极管。（4）为了提高整个电源的转换效率，优先考虑正向导通压降小的二极管。（三）电感线圈的选择在控制脉冲导通时，流过电感L的电流线性增加；在控制脉冲截止时，流过电感L的电流线性减小。电感线圈的电感越大流过电感L的电流变化起伏越平滑，电感线圈的电感越小流过电感L的电流变化起伏越陡峭。在降压式变换器中当电感线圈的电感小到一定值时就会发生这样的一种情况：在控制脉冲由截止变成导通的瞬间，电感线圈中储存的能量刚好释放完毕，这时流过电感线圈的电流。这个电感线圈的电感值我们称之为临界电感值。在设计
23、降压式变换器时，电感线圈的电感值选择应该大于临界电感值。临界电感值的计算公式为： （4-10）式中：负载电阻的阻值（）； 控制脉冲的占空比；控制脉冲的频率（HZ）。（四）滤波电容的选择若给定了输入电压、输出电压、输出电压纹波的要求，可以根据公式（4-5）计算滤波电容C的电容值： （4-11）式中：输出直流电压的纹波（V）； 输出直流电压（V）；输出直流电压（V）； 控制脉冲的占空比（）； 电感线圈的电感（H）； 控制脉冲的周期（s）。第2节 电压型PWM控制电路TL494一、TL494的主要特性TL494是美国德州仪器公司生产的一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛
24、应用于单端正激式、推挽式、半桥式、全桥式开关电源控制器。TL494有SO-16和DIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。其主要特性如下：（1）集成了全部的脉宽调制电路；（2）片内置锯齿波振荡器，外置振荡元件仅需要两个（一个定时电阻和一个定时电容）；（3）最高工作频率为300KHZ；（4）内置两个误差放大器；（5）内部参考基准电压5V；（6）可调整死区时间；（7）内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力；（8）具有灌或拉电流两种输出方式；（9）可实现单端/双端控制脉冲输出；（10）输入电压范围为：7-40V。TL494有许多引脚和功能完全相同的芯片，如MB3759、MB3670、MST4
25、94、uA494、upc494、IR3M02、IR494等等，在使用时可以相互替换。图5-3 L494的内部结构二、TL494的内部结构及引脚TL494的内部结构如图5-3所示。它由锯齿波振荡器、误差放大器1、误差放大器2、死区比较器、PWM比较器、欠压保护电路、基准电压、D触发器、逻辑电路和驱动晶体管等组成。其引脚功能如表5-1所示。表5-1 TL494引脚功能引脚符号功能1U1(+)误差放大器1同相输入端2U1(-)误差放大器1反相输入端3VOUTC误差放大器1、2输出信号补偿元件连接端4CONT死区时间控制端5CT振荡器外接定时电容连接端6RT振荡器外接定时电阻连接端7GND接地端8CA
26、输出三极管A的集电极9EA输出三极管A的发射极10EB输出三极管B的发射极11CB输出三极管B的集电极12VCC工作电源电压输入端13OUTCON输出控制端14UREF+5V基准电压输出端15U2(-)误差放大器2反相输入端16U2(+)误差放大器2同相输入端三、TL494的工作原理及波形TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个定时电阻和一个定时电容进行调节，其振荡频率如下：输出脉冲的宽度是通过定时电容上的正极性锯齿波电压与4管脚（死区时间控制信号）及3管脚（PWM比较器同相端输入信号）两个控制信号进行比较来实现。功率输出管和受控于或非门，当
27、D触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。从图XX可以看出，当死区比较器和PWM比较器均输出低电平时，D触发器的时钟信号才可能为低电平，因此，输出脉冲的宽度受死区比较器和PWM比较器双重控制。当控制信号增大时，输出脉冲的宽度将减小，如图5-4所示。控制信号由集成电路外部输入，可以送至死区时间比较器（4脚），也可以送往误差放大器的输入端或PWM比较器的同相输入端（3脚）。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出控制端接地，最大输出占空比为96%，当输出控制端接高电平时，最大输出占空比为48%。当
28、把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在03.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。PWM比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大占空比下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可以从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端均为高电平有效，它在PWM比较器的同相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。图5-4 TL494的时序波形当定时电容放电时，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的D触发器进行计时，同时停止功率输出管
29、和的工作。当输出控制端连接到基准电压源（高电平），为双端输出工作模式，此时调制脉冲交替输出至两个输出晶体管和，输出脉冲频率等于振荡器频率的一半。当输出控制端连接到地（低电平），为单端输出工作模式，输出的脉冲频率等于振荡器的频率。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将和并联使用。TL494内置一个5.0V的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流，在典型的070温度范围内50mV温漂的条件下，该基准电压源能提供5%的精确度。另外TL494还内置有欠压保护电路，当工作电源电压小于4.9V或内部基准电压小于3.5V时，欠压保护电路启动，输出控制脉冲被锁定。四、TL49
30、4典型应用电路图5-5为由TL494组成的推挽式开关电源电路。该电路为推挽式工作模式，输出控制端（13脚）接基准电压（高电平），所以输出脉冲为双端输出，两路控制脉冲（8脚和11脚）分别接到两个PNP型功率开关管，功率输出管的发射极（9脚和10脚）接地。输出电压的采样通过电阻和分压得到，采样的电压送达误差放大器的同相输入端（1脚），误差放大器的反向输入端（脚）接基准电压+5V（14脚），误差放大器2构成输出过流保护电路（0.24A），误差放大器输出端（3脚）接有增益控制电阻和相位校正网络。电路的输出电压为：图5-5 由TL494组成的推挽式开关电源电路图5-6为由TL494组成的降压式开关电源，
31、该电路采用降压式变换器，所以输出控制端（13脚）接地（低电平），为了增大输出控制脉冲的驱动电流，两个功率输出管的集电极（8脚和11脚）并联，驱动PNP型功率开关管。输出电压直接采样送到误差放大器1的同相输入端，误差放大器1的反向相输入端接基准电压+5V（14脚），误差放大器2组成输出过流保护电路（1.4A），误差放大器输出端（3脚）接有增益控制电阻和相位校正网络。电路的输出电压为：图5-6 由TL494组成的降压式开关电源单纯的课本内容，并不能满足学生的需要，通过补充，达到内容的完善 教育之通病是教用脑的人不用手，不教用手的人用脑，所以一无所能。教育革命的对策是手脑联盟，结果是手与脑的力量都可以大到不可思议。专心-专注-专业
