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开关电源的应用液晶显示器电源的设计.rar

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    编号:20180802233203135    类型:共享资源    大小:1.29MB    格式:RAR    上传时间:2018-08-02
      
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    开关电源 应用 液晶显示器 电源 设计
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    开关电源的应用——液晶显示器电源的设计1第一章 绪 论1.1 国内外开关电源的发展与趋势电源是电子设备的心脏部分,其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性,而且电子设备的故障 60%来自电源,因此,电源越来越受人们的重视。现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关电源两大类。所谓线性稳压电源,就是其调整工作在线性放大区。这种稳压电源的主要缺点是变换效率低,一般只有 35%-60%;开关稳压电源的调整工作在开关状态,主要的优越性就是变换效率高,可达 70%-95%。因此目前空间技术、计算机、通信、雷达、电视及家用电器中的稳压电源逐步被开关电源所取代 [1]。目前,国内开关电源自主研发及生产厂家有 300 多家,形成规模的有十多家。国产开关电源已占据了相当市场,一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品已获得广泛认同,在电源市场竞争中颇具优势,并有少量开始出口。他们已经逐步做到功能齐全,质量稳定,并能实行全智能,无人值守,基本上接近国际先进水平的产品。但由于我国配套工业落后,有些元器件还得依赖进口。目前国外电信电源中实际应用最多的开关整流器是采用 PWM 技术的 MOSFET 开关整流器,开关整流器的发展趋势是向高频大功率智能化发展,现在澳大利亚,加拿大,日本等国家可生产 200A 的 MOSFET 开关整流器(模块) 。此外采用谐振变换技术的 48V/200A 开关整流器也是目前典型的新一代大功率开关整流器产品 [2]。开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化。国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件,特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化,并同时采用 SMT 技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。高效率。为了使开关电源较、小、薄,高频化是必然发展趋势。而高频化又必然使传统的 PWM 开关功耗加大,效率降低,噪声也提高了,达不到高频、高效的预期效益,因此实现零电压导通、本电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。采用软开关技术可使效率达到 85~88%。据悉,美国 WICOR 开关电源公司设计制造了多种 ECZ较开关 DC/DC 变换器,其最大输出功率有 800W、600W、300W 等,相应的功率密度为6.2、10、17w/cm3,效率为 80~90%;日本 NemicLambda 公司刚推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块 RM 系列(日本人称这种技术为“部分谐振”),开关频率 200—300kHz,功率密度 27W/cm3,用同步整流器(即用 MOS-FER 代替肖特基二级管)使整个电路效率提高到 90%。高可靠。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍,因此降低了可靠性。从寿命角度出发,电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着眼,而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低给温、减少福州大学本科生毕业设计(论文)2器件的电应力、降低运行电流等措施使其 DC/DC 开关电源系列产品的可靠性大大提高,产品的 MTBF 高达 100 万小时以上。模块化。无论是 AC/DC 或是 DC/DC 或是变换器都是朝模块化方向发展。其特点是:可以用模块电源组成分布式电源系统;可以设计成 N+1 冗余电源系统,从而提高可行性;可以做成插入式,实现热更换,从而在运行中出现故障时能高速更换模块插件;多台模并联可实现大功率电源系统。此外,还可以在电源系统建成后,根据发展需要不断扩充容量。低噪声。开关电源的又一缺点是噪声大,单纯追求高频化,噪声也随之增大,采用部分谐振转换回路技术,在原理上既可以高频化,又可以低噪声。但谐振转换技术也有其难点,如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。日本把变压器设计成初次级分离阻燃密封,自身具备对体噪声功能的共模无噪声隔离变压器,既节省了噪声滤波器,又减少了噪声。抗电磁干扰(EMI)。当开关电源在高频下开关时,其噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰,世界各国已有抗 EMI 的规范或标准,如美国的 FCC、德国的 VDE 等,研究开发抗 EMI 的开关电源日益显行生要。计算机辅助计(CAD)。利用计算机对开关电源系统、稳定性分析、电路仿真、印刷电路板、热传导分析、EMI 分析以及可靠性等进行 CAD 设计和模拟试验,十分有效,是最为快速经济的设计方法。产品更新加快。目前的开关电源产品要求输入电压通用(适用世界各国电网电压规模)、输出电压范围扩大(如计算机和工作站需要增加 3.3V 这一档电压、程控需要增加DC150V 这一电压)、输人端功率因数进一步提高(最有效的方法是加一级“有源功率因数校正器 APFC”),并具有安全、过压保护等功能 [1]。1.2 两种电源的基本原理1.2.1 线性稳压电源线性稳压电源原理如图1-1所示,调整管(晶体管)工作在线性放大区,通过调节调整管的集-射极间电压,使射极电压相对于变化的集电极电压保持稳定,因此,称为线性稳压电源。交流电压经工频变压器、整流滤波后,得到不稳定的直流电压Ui,Ui的最小值大于输出电压Uo。调整管串联在整流滤波输出和电源输出之间。其c、e极电压Uce=Ui-Uo,即Uo=Ui一Uce。输出电压采样后和基准电压比较,经过误差放大器放大后,驱动调整管的基极,构成闭环反馈控制。当输出电压升高时,取样电压也升高,经比较、误差放大后控制调整管的Uce也增大,从而使输出电压降低,达到稳压的目的。同样,当输出电压降开关电源的应用——液晶显示器电源的设计3低时,调整管的Uce也降低,使输出电压升高。由于线性稳压电源增加了闭环调节,使精度和稳定性大大提高。图1-1晶体管串联线性稳压电源原理图线性稳压电源的主要缺点:(1)效率低。调整管串联在输入和输出之间,它的电流即为输出负载的电流。若负载电流为Io,则调整管的功率损耗为Pc=(Ui-Uo) Io。由于调整管工作在线性区,(Ui-Uo)一般比较大,造成调整管的功率损耗很大,整个电源的效率很低,一般为20%^-60%。(2)体积和重量大。电源中的工频变压器、滤波电容和滤波电感的体积和重量都很大;另外,由于其效率比较低,电源本身消耗的功率比较大,所以采用了较大的散热器 [3]。1.2.2 开关稳压电源开关电源采用功率半导体器件作为开关器件,通过控制开关管导通时间和截止时间的比例来调节输出电压,这种技术称为脉宽调制。1.2.2.1 开关电源的基本组成开关电源的基本构成如图1-2所示,其中DC/DC变换器用来进行功率转换,它是开关电源的核心部分,此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路,输出采样电路检测输出电压变化,与基准电压比较,产生的误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路,再经过驱动电路控制功率器件的占空比,从而达到调整输出电压大小的目的。福州大学本科生毕业设计(论文)4图1-2开关电源的基本组成(1)主电路从交流电压输入到直流电压输出的全过程,包括:①输入滤波器:其作用是将电网存在的杂波过滤,同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。②整流与滤波:将电网交流电直接整流为较平滑的直流电。③逆变:将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分,频率越高,体积、重量与输出功率之比越小。④输出整流与滤波:根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。(2)控制电路一方面从输出端取样,与设定标准进行比较,然后去控制逆变器,改变其频率或脉宽,达到输出稳定:另一方面,根据测试电路提供的数据,经保护电路鉴别,提供给控制电路对整机进行各种保护。(3)检测电路除了提供保护电路需要的各种参数外,还提供各种显示仪表数据。(4)辅助电源提供各电路需要的直流电源 [3]。1.2.2.2 开关电源稳压原理开关电源的工作原理如图1-3所示。晶体管V3作为开关器件,以一定的时间间隔重复的接通和断开,在开关接通时,输入电源通过开关和滤波电路提供给负载,在整个开关接通期间,电源Ui向负载提供能量:当开关断开时,输入电源便中断了能量的提供。可见,输入电源向负载提供能量是断续的,为使负载能得到连续的能量提供,开关稳压电源必须要有一套储能装置,在开关接通时将一部分能量储存起来,在开关断开时,向负载释放。图中,由电感L、电容C和二极管Vz组成的电路,就具有这种功能。电感L用以储存能量,在开关断开时,储存在电感L中的能量通过二极管V2释放给负载,使负载得到连续而稳定的能量,因二极管V2使负载电流连续不断,所以称为续流二极管。输出电压可用下开关电源的应用——液晶显示器电源的设计5式表示Uo= , 公式(1-1)UiTonN12式中Ton为开关每次导通的时间,T为开关通断的工作周期(即开关接通时间Ton和关断时间Toff之和)。由上式可知,改变开关接通时间和工作周期的比例,输出电压也随之改变,因此,随着负载及输入电源电压的变化,自动调整T、和T的比例便能使输出电压U。维持不变。改变导通时间T、和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比,这种方法称为“时间比率控制”(Time Ratio Control)。图1-3开关电源的原理电路1.2.2.3 开关电源的优点开关稳压电源的优越性主要表现在:1.变换效率高。开关电源的调整管工作在开关状态,主要的优越性是变换效率高,可达70-95%,而线性稳压电源一般只能达到35-60%。2.功耗小 由于开关管功率损耗小,因而不需要采用大散热器。功耗小使得电子设备内温升也低,周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏,这有利于提高整个电子设备的可靠性和稳定性。3.稳压范围宽 当开关稳压电源输入的交流电压在 150~250V 范围内变化时,都能达到很好的稳压效果,输出电压的变化在 2%以下。而且在输入电压发生变化时,始终能保持稳压电路的高效率,因此,开关稳压电源能适用于电网电压波动比较大的地区。4.体积小、重量轻 开关稳压电源可将电网输入的交流电压直接整流,再通过高频变压器获得各种不同交流电压,这样就可免去笨重的工频变压器,从而节省了大量的漆包线和硅钢片,使电源体积缩小、重量减轻。福州大学本科生毕业设计(论文)65.安全可靠 开关稳压电路一般都具有自动保护电路。当稳压电路、高压电路、负载等出现故障或短路时,能自动切断电源,其保护功能灵敏、可靠 [3]。1.3 本章小结电源是实现电能变换和功率传递的主要设备,现代电子设备离不开可靠的直流电源,并且对其要求也越来越高。开关电源是一种新型、高效的直流电源,因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代了传统的线性稳压电源。开关电源技术是一门综合技术,它涉及电力电子、控制理论、材料科学等多门学科。开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源的主要问题是电路比较复杂,输出的纹波电压较高,瞬态响应差等。因此,使开关电源的应用也受到一定限制。1.4 本文所做工作本文设计了一种应用于液晶显示器终端的电流模式开关电源控制电路.该电路具有短路保护、过压保护、过流保护等功能。论文首先对国内外的发展与趋势和两种电源的基本原理做了介绍。论文的第二章介绍了开关电源控制方式。开关电源有三种控制方式:脉冲宽度调制(PW M)、脉冲频率调制(PFM)、脉冲宽度频率调制(PWM-PFM)。介绍了脉宽调制式开关电源的基本原理。着重介绍了脉宽调制方式下开关电源控制方式的选择。阐述了与传统的电压控制模式相比,电流控制模式具有许多优越性,同时也存在一些必须克服的问题。文章的第三章是对本次设计所需的主要电子元件进行介绍。主要介绍了TL431集成电路、UC3842集成电路、光电偶合器的原理及其应用。文章的第四章是对电路总体结构设计。阐述开关电源电路工作原理以及总体设计。文章的第五章主要介绍开关电源的EMC问题。首先分析开关电源电磁干扰的产生机理,然后介绍EMI滤波器的工作原理及安装注意要点,最后论述设计电路板的几个原则。文章的第六章是对实际设计制作电源测试及其实验总结。开关电源的应用——液晶显示器电源的设计7第二章 开关电源控制理论介绍2.1 开关电源控制方式开关电源的控制方式,大致有以下三种: (1)脉宽调制方式,简称脉宽调制 (Pulse Width Modulation,缩写 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。因开周期也是固定的,这就为设计滤波电路提供了方便。其特点是受功率开关最小通时间的限制,对输出电源不能做宽范围的调节;另外输出端一般要接假负载以防止空载时输出高电压。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((Pulse Frequency Modulatio 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来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器,并利电压频率转换器 (例如压控振荡器 VCO)改变频率。其稳压原理是:当输出压 Vo 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,V 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,使指脉冲宽度与脉冲频率均不固定,彼此都能变的方式,它属于PWM 和 PFM 的混合方式。由于 tP和 T 均可调节,因此占比调节范围最宽,适合供实验室使用的输出电压可以宽度范围调节的开关电源。2.2 脉宽调制式开关电源的基本原理PWM控制的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况时,控制电路通过被控制信号(主要是输出电压)与基准信号的差值进行闭环反馈,调节主电路开关管的导通时间(脉冲的周期保持不变),即导通脉冲宽度,来达到稳定输出电压的目的。PWM反馈控制模式主要有五种:电压模式控制PWM;峰值电流模式控制PWM;平均电流模式控制PWM;滞环电流模式控制PWM;相加模式控制PWM.PWM 是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式,它的特点是噪音低(因为以固定频率工作)、满负载时效率高且能工作在连续导电模式。其缺点是受功率开关管最小导通时间的限制,对输出电压不能做宽泛围调节;另外输出端一般要接假负载 (亦称预负载),以防空载时输出电压升高。现在市场上有多款性能好、价格低的PWM集成芯片,如UC1842/2842/3842,TDA16846, TL494, SG1525/2525/3525等。福州大学本科生毕业设计(论文)8图2-1脉宽调制式开关电源的基本原理图DC-DC变换电路是通过控制开关器件的导通和关断时间,将一个输入的不稳定直流电压转换成另一个输出稳定的直流电压。PWM工作方式的简化原理图如图2-1所示,可以看出控制信号是由反馈的实际电压和期望值通过差分放大得到,然后和锯齿波信号比较,当Vcontrol高于锯齿波时,开关器件导通,当Vcontrol低于锯齿波信号时,开关器件关断,由此得到开关器件实际工作的驱动信号。如果定义开关器件开通时间占整个周期的比值为D,则D= = = 公式(2-1)TstonoftVstcnrl公式中,t on为器件导通时间,t off为器件关断时间,Ts为周期,Vcontrol为反馈的实际电平经过放大后的电平,它反应了输出信号高于或低于期望值的信息。一般锯齿波信号工作频率为几十到几百KHz,甚至某些双极型电路工作频率可以达到I MHz.但Vcontrol变化频率很低,一般为几KHz [4]。2.3 集成 PWM 控制器原理近年来已经开发出许多高频开关电源控制集成电路,这些电路包含了建立PWM开关电源所需要的所有功能,使开关电源用一片集成电路和若干附加元件即可制成。图2-3描述了一个简单的PWM控制器的基本构成框图和它相关部位的波形。这个电路的工作过程如下:误差放大器将从电源输出端引入的反馈信号与其反相输入端的固定参考电压V进行比较,误差信号被放大并送到比较器的反相输入端,而比较器的同相输入端输入的是由一个固定频率振荡器产生的具有线性斜率的锯齿波,振荡器的输出同时送到一个翻转触发器(F/ F),产生方波输出Q和Q非。比较器的输出方波和触发器的方波输出,都用于驱动与门,使得当两个输入信号均为“l’ 时输出,这样,在A路和B路最终得到的是可变脉冲占空比的脉冲串,图2-2b用虚线说明了当误差信号幅度变化时,输出脉冲的宽度是如何被调制的。开关电源的应用——液晶显示器电源的设计9通常PWM控制器在其外部经缓冲后去驱动主电源开关晶体管。这一类型的电路可被用来驱动两支晶体管或是驱动单晶体管,在后一种情况下,输出可在片外进行“与”处理(直接相与),或者只允许有一路用来作为驱动 [4]。图2-2集成PWM控制电路和电路的相关波形2.4 脉宽调制下开关电源控制方式的选择控制方法极其重要,如果选择不正确,会使电源工作不稳定而浪费宝贵的时间。设计者要知道各种控制方法之间细微的差别,总体上说,正激式拓扑用电压型控制器,升压式拓扑通常用电流型控制。但这不是一成不变的规则,因为每一种控制方法都可以用到各种拓扑中去,只是得到的结果不一样而已。2.4.1 电压型控制电压型控制的最显著特点就是误差电压信号被输入到 PWM 比较器,与振荡器产生的三角波进行比较。电压误差信号升高或降低使输出信号的脉宽增大或减小。要识别是不是电压控制型 IC,可以先找到 RC 振荡器,然后看产生的三角波是不是输入到比较器,并与误差电压信号进行比较。电压型控制 IC 的过电流保护有两种形式,早期的方法是用平均电流反馈。在这种方法中,输出电流是通过负载上串联一个电阻来检测的,电流信号可以放大输入到补偿用电流误差放大器中。当电流放大器检测到输出电流接近原先设定的限制值时,就阻碍电福州大学本科生毕业设计(论文)10压误差放大器的作用,从而把电流加以限制,以免电流继续增大。平均电流反馈作为电流保护有一个固有的缺点,就是响应速度很慢。当输出突然短路,会来不及保护功率开关,而且在磁性元件进入饱和状态时也无法检测。这些会导致在几个微秒内电流成指数上升而损坏功率开关。第二种过电流保护方法是逐周过电流保护。这种方法可以保证功率开关工作在最大安全电流范围内。在功率开关管上串联一个电流检测器(电阻或电流互感器),这样就可以检测流过功率开关管的瞬时电流。当这个电流超过原先设定的瞬时电流限制值时,就关断功率开关管。保护电路要求响应很快,以实现包括磁心饱和在内引起的各种瞬时过电流情况下对功率开关管进行保护。由于这种电流保护电路的保护限制值是固定的,而且也不会因其他参数改变而变化,所以不是一种电流型控制。最后一种是“电压滞环”的电压控制,这种控制方法是非常基本的。在这种控制方法中,固定频率的振荡器只是在输出电压低于有电压反馈环给定的指令值时才转成“通”的状态。由于有时候功率开关管突然导通后又进入常态关的状态,所以有时把这种方法叫做“打隔型”(hiccup-model)。只有少数控制 IC 和集成开关电源 IC 用这种控制方法,这种方法会在输出电压上产生大小固定的纹波,纹波的频率与负载电流成比例。2.4.2 电流型控制电流型控制方法是控制流过功率开关管的峰值(有时是最小)电流的漂移点来实现的,这也等效于磁心的磁通密度的偏移量。从本质上说,是调节磁心的一些磁参数来实现的。电流型控制最常见的方法是“定时开通”的方法,有固定频率的振荡器给触发器置位,有快速电流比较器给触发器复位。触发器状态为,“1”时,功率开关管导通。电流比较器的阐值是由电压误差放大器的输出给定的,如果电压误差放大器显示输出电压太低时,电流门槛值就增大,使输出到负载的能量增加。反之也一样。电流型控制本身具有过电流保护功能,快速电流比较器实现对电流的逐周限制。这种保护也是一种恒功率过载保护方法。这种保护通过电流和电流反馈来维持供给负载的恒功率,但并不是在所有产品中用这种方法都是最适合的,特别是在典型的失效会引起失效电流增大的场合下。此外,电路可以设置其他过载保护方法。另外一种电流型控制方法叫做电流滞环控制,这种方法对电流峰值和谷值都进行控制。这种方法用在电流连续模式的Boost变换器中是比较好的。它的结构有点复杂,但它的响应速度很快。这种方法并不是常用的控制方法,其控制频率也是变化的。电流控制模式与电压控制模式相比具有很多优越性。其工作原理图见图2-3(b)。其控制部分主要由电压采样电阻和电流采样电阻、误差比较器和PWM比较器以及锁存器组成。当变换器工作时振荡器产生固定时钟使寄存器置位,从而使开关管开通。同时输出电压的采样信号与给定信号在误差放大器中比较后,产生电压信号Ue。Ue在PWM 比较器与锯齿波相比较,产生锁存器的复位信号,使开关管关断。PWM 比较器锯齿波的产生是由于
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