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1、100W开关稳压电源的设计与实现摘 要本文介绍了开关稳压电源的结构、原理、及设计和制作的过程。整个电路由输入滤波电路、整流电路、开关变换电路、PWM控制与驱动电路、输出滤波电路等部分组成。课题研究了一种PWM(脉冲宽度调制)控制电路，它具有电路较简单，组成元件较少，功耗低，应用广泛等特点。它采用半桥逆变的开关方式，50KHz的开关频率，这样使得变压器的体积大大减小。论文中还详细说明了主电路各部分的设计和控制电路的工作原理，并对其主要参数进行了计算。关键词 开关电源；脉宽调制；效率；半桥逆变 The Design and Implement of 100 W Switch Voltage-sta
2、bilized Power Abstract This paper describe the structure, principle,design and manufacture of the switch voltage-stabilized power.The whole circuit is consisted of import filter circuit, rectifier circuit,PWM control and drive circuit,exoort filter circuit etc.This topic has studied one kind of PWM
3、(pulse width modulation) control circuit, it has the circuit to be simple, components to be few, the power dissipation is low, application widespread and so on.It adopts the switch way is half-bridge invert and its turn-on frequency is 50KHz,caused the volume of the transformer is greatly decreased.
4、 This paper introduce the design of all parts of the leading circuit detailedly and the operating principle of the control circuit,and also make some calculation of the main parameters.Key words Switching power supply；PWM；efficiency；half-bridge invert前言八十年代，国内开关稳压电源只在个人计算机、电视机等若干设备上得到应用。由于开关电源在重量、体积
5、、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源和相控电源有显著减少，而且对整机多相指标有良好影响，因此它的应用得到了推广。近年来许多领域，例如电力系统、邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多应用开关电源，并取得了显著效益。究其原因，是新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件(简称五新)不断地出现并应用到开关电源的缘故。五新使开关电源更上一层搂，达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高(简称五高)。有了五高，开关电源就有更强的竞争实力，应用也更为扩大，反过来又遇到更多问题和更实际的要求。这些问题和要求可归纳为以下五个方面： (l)能否全面贯彻
6、电磁兼容各项标准?(2)能否大规模稳定生产或快捷单件特殊生产?(3)能否组建大容量电源?(4)电气额定值能否更高（如功率因数）或更低（如输出电压）？(5)能否使外形更加小型化、外形适应使用场所要求？这五个问题是开关电源能否在更广泛领域应用的关键，是五个挑战（简称五挑战）。把挑战看成开关电源发展的动力和机遇，一向是电源科技工作者的态度。以功率因数为例，AC-DC开关电源或其他电子仪器输入端产生功率因数下降问题，用什么办法来解决？毫无疑问，利用开关电源本身的工作原理来解决开关电源应用中产生的问题是最积极的态度。实践中，用DC-DC开关电源和有源功率因数校正的开关电源，（成本比单机增加20%）成功解
7、决了这个问题。现在，又进一步发展成单级有功率因数校正的开关电源，（成本只增加5%）；在三相升压式单开关整流器中减少谐波方法，有人采用注入六次谐波调脉宽控制，抑制住输入电流的五次谐波，解决了电流谐波畸变率小于100的要求。这样的事例，不断从近年发表的科研论文中反映出来1。开关电源干扰技术及防止电网污染技术以引起国内外专家注意。在21世纪，分布式电源系统的组成将强调“系统集成”，“电力电子封装技术”等。现在新的器件（能低压工作、降压很小）陆续进入市场，因而可得到1V的低压输出和功率小到10mW的开关电源、功率密度达5-6W/cm3，为便携装置微型化提供了条件。现在可以用软开关-PWM技术、印刷电路
8、、折叠绕组变压器，可以采用非晶、纳米晶合金软磁材料的铁芯，小功率开关电源整机效率可达到90%，大功率电源可达到95%左右。开关频率以20KHz为下限，几十、几百倍的提高。体积设备、重量越来越显著下降。外形也可以作成轻、薄、短、小。总之，电源再不是大、粗、笨的设备，而是精致、灵巧可设计成兼有“智慧”的装置了。九十年代以来，美国、德国等西方国家新建电厂和变电站已全部采用高频开关电源，近几年来，国内开关电源技术已经有了长足的进展，理论、研究、生产、应用等已有相当的成果或规模，采用了有效的均流技术和软开关技术。在21世纪，随着各种不同的单片开关电源芯片及其电路拓扑的应用和推广，单片开关电源越来越体现出
9、巨大的实用价值和美好前景2。1 绪论 1.1 开关电源技术的发展及现状1955年美国罗耶发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端。1957年美国查赛发明了自激式推挽双变压器。在1964年美国科学家们提出了取消工频变压器的开关电源的设想。直到1969年终于做成了25千赫的开关电源。这一电源的问世，在世界各国引起了强烈反响，从此对开关电源的研究成了国际会议的热门课题。自20世纪60年代开始得到发展和应用的DC-DC功率变换技术,其实是一种硬开关技术。60年代中期，美国已研制成20KHz DC-DC变换器及电力电子开关器件，并应用于通信设备供电。由于这种技术抛弃了50
10、Hz工频变压器，使直流电源的重量、体积大幅度减小，电源效率和输出直流电的质量得以提高。到70年代初期，这种技术已在先进国家普遍采用。早期开关电源的控制电路一般以分立元件的非标准电路为主，经过十多年的发展，国外在1977年左右进入控制电路集成化阶段。这标志着开关电源的重大进步。80年代初英国采用上述原理，研制了第一套完整的48V成套电源，即目前所谓的开关电源或开关整流器。70年代以来，在硬开关技术发展和应用的同时，国内外电力电子界和电源技术界不断研究开发高频软开关技术。在70年代，最先出现了全谐振型变换器，一般称之为谐振变换器。它实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换
11、器和并联谐振变换器两类。此类变换器一般采用频率调制的方法，且与负载关系很大，对负载变化很敏感，在谐振变换器中，谐振元件一直处于谐振工作状态，参与能量变换的全过程。准谐振变换器和多谐振变换器出现在80年代中期。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器中的谐振元件只参与能量变换的某一个阶段，而不是全程。它也是采用频率调制的控制方法。80年代末出现了零开关PWM变换器，它可以分为零电压开关PWM变换器和零电流开关PWM变换器两种。它们采用的是PWM控制，谐振元件的谐振工作时间一般为开关周期的1/10-1/50。90年代初出现了零转换PWM变换器。它也分为零电压转换PWM变换器和零电流转换PWM变换器两种
12、。它是软开关技术的又一次飞跃。其特点是变换器工作在PWM方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一小段时间，实现主开关管的软开关，其它时间则停止工作。其损耗很小。在环境保护意识日益加强的21世纪，电源系统的绿色化概念被提出。所谓电源绿色化首先是显著节能，因为节电可以减少发电对环境的污染；其次是电源不能（或少）对电网产生污染。事实上许多功率电子节能设备往往是电网的污染源。这些污染使得总的功率因数下降，使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。20世纪末各种有源滤波器和有源补偿器方案诞生，有了功率校正的方法，为开关电源产品的绿色化奠定了基础。近年来，为缩小开关变换器的体积和重量，提高其功率密度，并改善动
13、态响应，开关频率大幅度的提高，高频化成为一种趋势。小功率DC-DC变换器开关频率将由200500kHz提高到1MHz以上，但是高频化又会产生新的问题，其一，开关损耗以及无源元件的损耗增大；其二，高频寄生参数影响增大以及高频电磁干扰问题严重。因此，为减小损耗，提高效率，采用了软开关技术，包括无源无损（吸收网络）软开关技术，有源软开关技术3。1.2 开关电源的发展前景电源历来是各种电子设备中不可缺少的组成部分，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。开关电源自问世以来，就以其稳定、高效、节能等优良性能而成为稳压电源的主要产品。而高度集成化的单片开关电源，更是因其高性价比、简单的
14、外围电路、小体积与重量和无工频变压器隔离方式等优势而成为稳压电源中的佼佼者，是设计开发各种高效率中、小功率开关电源的优势器件。随着生产、生活中自动化程度的不断提高，开关电源也朝着智能化方向发展，由微控制器控制的开关电源将单片开关电源与单片机控制相结合，更加体现了开关电源的可靠性和灵活性2。近年来，我国虽然把无工频降压变压器的开关电源的工作频率从数十千赫兹提高到数百千赫兹，把输出功率由数十瓦提高到数百瓦甚至数千瓦。但是，由于我国的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降压变压器的开关稳压电源电路中的关键器件，如功率开关晶体管，高频开关变压器磁性材料，储能电感，快恢复续
15、流二极管大部分仍然采用的是国外的。我们国家目前市场上出现的各种各样开关电源产品中所使用的PWM（或SPWM）控制电路与驱动集成电路芯片几乎全部都是采用进口的。因此，我国的开关稳压电源的PWM（或SPWM）控制与驱动集成电路芯片的微电子工业几乎等于零。因此，我们要发展我国的开关电源事业，要赶超世界先进水平，要独立于世界强国之林，就必须从零做起，从基础做起3。1.3 课题的内容及要求 本课题根据当前开关稳压电源的现状和进展，采用现今应用广泛的PWM控制技术来满足设计的要求，将工作频率提高到50KHz，使输出功率提高到100W，并针对开关电源中的一些问题，如高频变压器的设计，系统的EMC设计等问题进
16、行研究，并在实验中进行了验证。 本课题拟完成以下任务：研制一台AC-DC开关稳压电源,具体参数要求如下:输入电压: AC220V；输出电压：DC+5V；开关频率：50KHz；输出功率：100W；输出效率: 80%；纹波系数: Io时，电容C在充电状态。此时二极管Dl承受反向电压;当开关晶体管Tr截止时，如图2.3（b）所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持其电流Is不变，负载R两端电压仍是上正下负。在IlIo时，电容C在放电状态，有利于维持I。、Vo不变。此时二极管Dl承受正向偏压为电流Il构成通路。2.3 控制电路控制电路是开关电源的很重要的部分，是电源系统可靠工作的保证
17、。开关电源的控制方式基本上都采用时间比率控制（TRC）方式，这种方式又大致分为三大类5：1)脉冲宽度调制（PWM）方式：它用调整脉冲宽度和控制占空比的方法来达到输出电压的稳定；2)脉冲频率调制（PFM）方式：它采用脉冲频率来改变脉冲占空比来控制输出电压的稳定；3)混合调制方式：即前二者兼而有之的方式，既控制脉冲宽度，又改变脉冲频率，用综合技术来改变脉冲占空比和脉冲周期来控制输出电压的稳定。目前，以脉冲宽度调制（PWM）应用最多。脉冲宽度调制指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。因为周期恒定，滤波电路的设计容易。但受最小未通时间的限制，输出端需接假负载。电压型PWM控制是20世纪6
18、0年代后期开关稳压电源刚刚开始发展时所采用的第一种控制方法。该方法与一些必要的过电流保护电路相结合，至今仍然在工业界广泛应用。脉冲宽度调制变换器就是通过重复通/断开关工作方式把一种直流电压（电流）变换为高频方波电压（电流），再经过整流平波后变为另一种直流电压输出。PWM变换器有功率开关管、整流二极管及滤波电路等元器件组成。输入输出间需要进行电气隔离时，可采用变压器进行隔离和升降压。PWM变换器的工作原理如图2.4所示。由于开关工作频率的提高，滤波电感L，变压器T等磁性元件以及滤波电容C等都可以小型化4。图2.4 PWM变换器的基本工作原理对于PWM变换器，加在开关管S两端的电压Us及通过S的电
19、流Is的波形近似为方波，如图2.5所示。图2.5 变换器开关工作的波形电压PWM控制的优点7：1)单一反馈电压闭环设计、调试比较容易；2)对输出负载的变化有较好的响应调节；3)PWM三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量；4)对于多路输出电源，它们之间的交互调节效应较好。电压型PWM控制的缺点：1)对输入电压的变化动态响应较慢；2)补偿网络设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压变化而变化，使其更为复杂；3)输出LC滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿。从总体上说，开关电源的控制电路还包括过压，过流保护，均流控制等。3 开
20、关电源主电路设计开关电源的主电路主要处理电能，即功率变换。主电路主要包括输入滤波电路、逆变电路、高频变压器、输出滤波电路等部分。主电路的设计通常在整个电源的设计过程中占有最为重要的地位7。3.1 输入级电路设计主电路输入级电路是整个电路同电网的接口，它主要有以下几个功能：1)EMI滤波功能，消除来自电网的扰动，同时防止电源本身对电网的干扰；2)输入级一次整流功能，为后级逆变提供纹波较小的直流电。具体的输入级主电路如图3.1所示：图3.1 输入级主电路开关电源的高速开关瞬态往往会产生很高的射频分量，从而污染交流电网线路，交流电源能传递电气噪声和电磁辐射，导致开关电源中的瞬变再辐射和传递到其它负载
21、。输入级滤波电路的主要器件见上图，其中TXl，CY1,CY2滤除共模噪声，电容容值为0.01uF，CX1，C2滤除差模噪声，大小为0.1uF，耐压400V。其中电容和TX1共模扼流圈一起构成EMI滤波电路，这样就可以有效的消除来自电网的各种干扰，如电动机起动，电器开关的合闸与关断，雷击等产生的尖峰干扰。同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。在开关电源中，存在着共模干扰(即受干扰的信号相对于参考点大小、方向同)，如雷电等，为了消除共模干扰，在整流和逆变环节之间加入共模扼流圈，共模扼流圈需要满足以下几点基本要求8：1)在正常工作的输入电流或输出电流下，共模扼流圈不应磁饱和；2)在干
22、扰信号下频率阻抗要大； 3)直流电阻要小，电感值稳定，不随温度变化而产生大幅度变化；4)分布电容要小；图中的共模扼流圈为TX1，其电路原理如图3.2所示，图3.2 共模扼流圈电路原理图当有高频干扰时，两线圈在同一磁芯内对共模干扰所产生的磁通是同方向的，有相互加强的作用，每一线圈电感值为单独存在是的两倍。通常共模扼流圈的匝数很少，因此这种绕法的电磁线圈对共模干扰有很强的抑制作用。3.2 开关电源的功率开关元件开关元件特性及其驱动是开关变换器中很关键的问题。开关管的损耗与基极的驱动电压，电流的波形有直接的关系。对双极型晶体管的理想驱动波形，最好是波形前沿陡峭并带些尖峰脉冲，以加快开关的接通，减少其
23、损耗。关断时，最好加反向偏压，以提高关断速率9。双极型晶体管（BJT）基本上是个电流控制器件，即加入变动的基极电流Ib，产生变动的集电极电流Ic，共射级放大倍数为：=Ic/Ib；在实际的开关应用中，晶体管处于饱和导通或截止两种状态。为了加快退出饱和，以利提高开关频率，常加控制环节使开关管导通工作时在准饱和状态，准饱和是指在深饱和与线性区之间的一个区域，对应Ic-Vce输出特性曲线开始弯曲部分。在准饱和区，电流增益开始下降，但保持着发射结正偏、集电结反偏的状态。这比把深度饱和导通的晶体管(集电结已处于正偏状态)转为关断状态要容易得多，快得多。具体方法参见图3.3。图3.3 晶体管状态图晶体管并非
24、理想的开关元件。它从断态变为通态时有开通过程需要一定时间;在通态变为断态时有关断过程，也需要时间。通态时通过的电流由外接负载所限定，管本身有饱和压降Vces、断态时发射结和集电结在反偏状态，集、射极在高电压下有穿透电流Iceo。一般要求，饱和压降Vces要小，穿透电流Iceo要小。过渡的过程，用图3.3所标的几个时间段来标志。晶体管基极驱动电路主要应使驱动电流或电压波形为最佳并要注意隔离和保护的问题。驱动方式一般有直接式和隔离式。本系统的驱动电路如图3.4所示。图3.4 晶体管驱动电路图3.3 高频变压器在众多的DC-DC变换器中，可以分为两大类：隔离变换器和非隔离变换器，所谓隔离与非隔离指的
25、是在主电路功率传输中是否存在电气隔离，大多数情况下指是否存在变压器隔离。在非隔离变换器中，存在很多缺陷，例如，输入输出无法隔离会对系统安全性存在隐患，输入输出的电压和电流比无法很大以及无法实现多路输出等问题。这些局限需要靠变压器来克服。高频变压器在主电路中主要起隔离、降压和实现多路输出的作用7。理想的隔离变压器主要有以下几点特征：1)从输入到输出能够通过所有的信号的频率，即从理想的直流到不理想的直流都能变换；2)变换时可不考虑能量损耗；3)能使输入输出之间完全隔离；4)变换中，无论从原边到副边，或副边到原边，都是一样方便有效。因此高频变压器在隔离DC-DC变换器中占有非常重要的地位，变压器性能
26、的好坏直接影响到整个系统性能的好坏5。3.4 输出级电路设计开关电源的输出整流滤波电路是出现在开关功率变压器次级回路中，如图3.5中的L2，C24，C25，C29，U3组成的滤波电路。图3.5 输出级电路图1)输出整流二极管输出整流电路一般都为高频整流电路，整流二极管必须采用高频快恢复开关二极管。肖特基二极管不但具有高频快恢复开关二极管的特性，而且还具有正向管压降特别低的优点，因此特别适合用做开关电源电路的输出级整流二极管10。输出整流二极管流出的电流即为流过输出滤波电感的电流，也即流过负载的电流，最大为2OA。根据以上的分析，同时考虑手头的元件，选用S20C40C肖特基二极管作为快速整流二极
27、管，S20C40C内置的二极管的耐压值为40V，电流等级为20A，金属封装TO-220。2)输出滤波电感输出滤波电感中的电流是单一方向流动的，对直流阻抗小，对交流阻抗大,流过磁性绕组的电流具有较大的直流分量，并且叠加一个较小的交流分量，因此磁芯的最大工作磁通密度，可取高端值，它接近饱和磁通密度。图中的L2用三股直径1mm的漆包线绕10圈而成。3)输出滤波电容输出电容C的选择应满足最大输出纹波电压的要求，滤波电容的大小对输出直流电源的纹波大小有决定作用。图中的C24，C25为3300UF的极性电容，C29为无极性CBB电容。4 开关电源控制电路的设计4.1 控制电路的设计随着半导体技术的高速发展
28、，适应各类开关电源的控制集成电路功能不断完善，集成化水平不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的研制生产日益简化，成本日益降低，集成控制芯片种类繁多，这里重点介绍本系统所应用的主控制芯片-电压型脉宽调整控制器TL494，电路图如图4.1所示。图4.1 TL494控制电路图电压型脉宽调整控制器TL494最高工作频率300KHz，可单端输出，也可推挽输出。它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求10。其主要特性如下： 1)集成了全部的脉宽调制电路；2)片内置线性锯齿波振荡器，外置
29、振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）； 3)内置误差放大器； 4)内止5V参考基准电压源； 5)可调整死区时间； 6)内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。4.2 TL494芯片管脚定义 TL494是16脚芯片，它的管脚排列如图4.2所示。 图4.2 TL494管脚图1脚/同相输入：误差放大器1同相输入端。2脚/反相输入：误差放大器1反相输入端。3脚/补偿/PWM比较输入：接RC网络，以提高稳定性。4脚/死区时间控制：输入0-4VDC电压，控制占空比在0-45%之间变化。同时该因脚也可以作为软启动端，使脉宽在启动时逐步上升到预定值。5脚/CT：振荡器外接定时电容。6脚/RT：振荡器外接定时
30、电阻。振荡频率：f=1.1/RTCT。7脚/GND：电源地。8脚/C1：输出1集电极。9脚/E1：输出1发射极。10脚/E2：输出2发射极。11脚/C2：输出2集电极。12脚/Vcc：芯片电源正，DC7-40V。13脚/输出控制：输出方式控制，该脚接地时，两个输出同步，用于驱动单端电路。接高电平时，两个输出管交替导通，可以用于驱动桥式、推挽式电路的两个开关管。14脚/VREF：5VDC电压基准输出。15脚/反相输入：误差放大器2反相输入端。16脚/同相输入：误差放大器2同相输入端。4.3 TL494芯片内部结构原理图4.3给出了TL494的内部原理框图。图4.3 TL494内部原理框图芯片内部
31、电路包括振荡器、两个误差比较器、5VDC基准电源、死区时间比较器、欠压封锁电路、PWM比较器、输出电路等。1) 振荡器： 提供开关电源必须的振荡控制信号，频率由外部RT、CT决定。这两个元件接在对应端与地之间。取值范围：RT：5-100k，CT：0.001-0.1uF。振荡频率：f=1.1/RTCT。形成的信号为锯齿波。最大频率可以达到300KHz。2)死区时间比较器： 这一部分用于通过0-4VDC电压来调整占空比。当4脚预加电压抬高时，与振荡锯齿波比较的结果，将使得D触发器CK端保持高电平的时间加宽。该电平同时经过反相，使输出晶体管基极为低，锁死输出。4脚电位越高，死区时间越宽，占空比越小。
32、由于预加了0.12VDC，所以，限制了死区时间最小不能小于4%，即单管工作时最大占空比96%，推挽输出时最大占空比为48%。图4.4 死区时间波形图图4.4 给出死区时间比较器单独作用时的工作相关波形。3) PWM比较器及其调节过程：由两个误差放大器输出及3脚（PWM比较输入）控制。当3端电压加到3.5VDC时，基本可以使占空比达到0，作用和4脚类似。但此脚真正的作用是外接RC网络，用做误差放大器的相位补偿。常规情况下，在误差放大器输出抬高时，增加死区时间，缩小占空比；反之，占空比增加。作用过程和4脚的死区控制相同，从而实现反馈的PWM调节。0.7VDC的电压垫高了锯齿波，使得PWM调节后的死
33、区时间相对变窄。如果把3脚比做4脚，则PWM比较器的作用波形和图4-9类似。然而，该比较器的占空比调节，要在死区时间比较器的限制范围内起作用。单管工作方式时，VCK直接控制输出，输出开关频率与振荡器相同。当13脚电位为高时，封锁被取消，触发器的Q1，Q2端分别控制两个输出管轮流导通，频率是单管方式的一半。4) 5VDC基准电源：这个5VDC基准电源用于提供芯片需要的偏置电流。如13脚接高电平时，及误差放大器等可以使用它。基准电源精度5%，电流能力10mA，温度范围0-70度。5)误差放大器：两个误差放大器用于电源电压反馈和过流保护。这两个放大器以或的关系，同时接到PWM比较器同相输入端。反馈信
34、号比较后的输出，送PWM比较器，以和锯齿波比较，进行PWM调节。由于放大器是开环的，增益达到95dB。加之输出点3被引出，使用时，设计者可以根据需要灵活使用。6)UC封锁电路：用于欠压封锁，当Vcc低于4.9VDC，或者内部电源低于3.5VDC时，CK端被钳位为高电平，从而使输出封锁，达到保护作用。7)输出电路：输出电路有两个输出晶体管，单管电流500mA。其工作状态由13脚（输出控制）来决定。当13脚接低电平时，通过与门封锁了D触发器翻转信号输出，此时两个晶体管状态由PWM比较器及死区时间比较器直接控制，二者完全同步，用于控制单管开关电源。当然，此时两个输出也允许并联使用，以获得较大的驱动电
35、流。当13脚接高电平时，D触发器起作用，两个晶体管轮流导通，用于驱动推挽或桥式变换器。另外，TL494内部的两个三极管在工作电压7-40V范围内工作时，最大输出电流可达250mA，若将13脚与14脚相连，就可推挽工作，若将13脚与7脚相连，就形成单端输出。为增大输出可将两个三极管并联。5 开关电源的干扰及抑制5.1 开关电源的电磁干扰在很多场合，开关电源要有很强的抗电磁干扰能力，如对浪涌、电网电压波动的适应能力，对静电干扰、电场、磁场及电磁波等的抗干扰能力，保证自身能够正常工作以及对设备供电的稳定性11。 一方面，因开关电源内部的功率开关管、整流或续流二极管及主功率变压器，是在高频开关的方式下
36、工作，其电压电流波形多为方波。在高压大电流的方波切换过程中，将产生严重的谐波电压及电流。这些谐波电压及电流一方面通过电源输入线或开关电源的输出线传出，对与电源在同一电网上供电的其它设备及电网产生干扰，使设备不能正常工作；另一方面严重的谐波电压电流在开关电源内部产生电磁干扰，从而造成开关电源内部工作的不稳定，使电源的性能降低。还有部分电磁场通过开关电源机壳的缝隙，向周围空间辐射，与通过电源线、直流输出线产生的辐射电磁场，一起通过空间传播的方式，对其它高频设备及对电磁场比较敏感的设备造成干扰，引起其它设备工作异常。 因此，对开关电源，要限制由负载线、电源线产生的传导干扰及有辐射传播的电磁场干扰，使
37、处于同一电磁环境中的设备均能够正常工作，互不干扰11。5.2 抑制电磁干扰的一些措施抑制电磁干扰应该从骚扰源、传播途径和受扰设备入手。首先应该抑制骚扰源，直接消除干扰原因；其次是消除骚扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径；第三是提高受扰设备的抗扰能力，减低其对噪声的敏感度。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。5.2.1 屏蔽技术采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰，即用电导率良好的材料对电场进行屏蔽，用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽。5.2.2 接地技术所谓接地，就是在两点间建立传导通路，以便将电子设备或元器件连接到某些叫作“地”的参考点上。接地是开关电源设备抑制电磁干扰
38、的重要方法，电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则，如果形成多点接地，会出现闭合的接地环路，当磁力线穿过该环路时将产生磁感应噪声。实际上很难实现“一点接地”，因此，为降低接地阻抗，消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地，利用一个导电平面作为参考地，需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降，可用旁路电容减少返回电流的幅值。在低频和高频共存的电路系统中，应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后，再连接到公共参考点上。5.2.3 EMI电路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
39、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8： 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
40、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。有关开关电源EMI 滤波器电路的设计在前面第三章的输入级电路设计里面已经讲述12。6 电路板的制作与调试 印刷电路板的设计采用的是Protel99电路辅助设计软件，该软件具有界面友好、操作简单容易上手、软件功能强大、库元件种类丰富等优点，受到广大电路设计工作者的喜欢。电路板调试过程要验证设计的正确性，实现设计的预期结果。6.1 印刷电路板的制作印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，根据所作开关电源电流要求的大小，尽量加粗电源线宽度，减少
41、环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。还要交流高压地和直流低压地分开。地线应尽量加粗，若接地线用很细的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低，因此应将接地线尽量加粗。在印刷电路板的设计中，布局是一个重要的环节。印刷电路板的布局，首要的是注重内在质量，其次兼顾整体的美观，在一个印刷电路板上，元件的布局要求均衡，疏密有序。合理的布局是印刷电路板设计成功的第一步。至于详细的印刷电路板设计过程，由于不属于本文的重点，故在此就不详细介绍，只在附件中给出最终电路板的成品样图。6.2 电路板的调试在硬件调试过程中会出现各种问题，有些是设计不全面造成的
42、，有的是人为和偶然因素造成的。为了尽量减少非设计性原因造成的元器件损失和时间的浪费，系统试验应有序地逐步进行，现将调试过程分为四步：控制电路调试、输入电路调试、输出电路调试、变压器的调试。6.2.1 控制电路调试在测试电路板之前，首先要对照电路板和pcb，确保所焊接元件无误，才能开始测试。首先断开控制电路与主电路的联系，检查各电源对地之间的绝缘电阻，然后在TL494的12脚输入15V电压接通控制电源，用万用表检查电源电压，测量基准电压电路使其输出达到5V。首先将示波器夹在用于控制半桥的TL494的8脚和11脚，检查双端输出的波形，测得如图6.1的波形。图6.1 测试波形图 从观察到的波形可以看
43、出芯片的振荡频率为50KHZ，双端输出的周期为20uS，与设计一致;单端输出的脉冲宽度为8uS，相应占空比为0.36，与设计偏差0.5uS，满足系统要求，误差可能是死区调解电位计调节不够准确所致;死区时间为4uS，满足晶体管开关速度的要求，可以有效防止上下两管的直通。然后测量其余各引脚对地的电压，基本均符合输入电压150.3V。将控制电源重新上电，用示波器观察脉冲在上电瞬间的变化，观察到输出脉冲由窄到宽逐渐变化，符合系统起动的设计。6.2.2 输入电路调试 由于开关电源的输入端是220V的高压交流输入，调试操作起来比较危险，因此可先借助自耦变压器转换为较低的交流电压。比如先从自耦变压器转换输出80V左右的电压，通过万用表测得输入级串联电容的两端输出电压为110V，符合整流原理。由于对开关电源的基础知识储备不够，在制作过程中犯了很多错误。例如对变压器在电路中的作用没有真正的理解，没有考虑到同名端的连接，导致没有输出电压。6.2.3 输出电路调试 输出端电路较简单，只需确定电路是否短路，还有本系统输出电流较大，输出端过线用较宽的导线，还需敷上一层焊锡。最后上电，用万用表测试输入经整流滤波后的电压约为5V左右，通过调节1K的可变电阻器可微调输出电压。输出纹波电压主要由低频纹波、开关频率纹波及尖峰三个方面组成
