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单片开关电源系统设计 第2页

更新时间:2010-2-16:  来源:毕业论文
单片开关电源系统设计 第2页
第二章 单片开关电源的设计要点
设计一个高性价比的开关电源,所涉及的知识面很广。设计人员不仅要掌握各种单片开关电源集成电路的工作原理和应用电路,还必须了解有关通用及特种半导体器件、模拟与数字电路、电磁兼容性、热力学等方面的知识。本章详细阐述单片开关电源的设计要点及外围关键元器件的选择。
第一节 单片开关电源设计概述
下面首先介绍单片开关电源两种工作模式的特点及设定方法,然后阐述反馈电路的4种基本类型。
1.1单片开关电源的两种工作模式
1.连续模式及不连续模式的特点
单片开关电源有两种基本工作模式:一种是连续传输模式CUM(Continuous Mode),简称连续模式;另一种是不连续传输模式DUM(Discontinuous Mode),简称不连续模式。这两种模式的开关电流波形分别如图2-1a.b所示。
 连续模式的特点是高频变压器在每个开关周期,都是从非零的能量存储状态开始的。连续模式的开关电流先从一定幅度开始,沿斜坡上升到峰值,然后又迅速回零,其开关电流波形呈梯形,参见图2-1a。此时,一次绕组脉动电流(Ir)与峰值电流(Ip)的比例因数Krp<1.0,即    
 Ir=KrpIp<Ip(12-1)                          (2-1)

这表明在连续模式下,由于存储在高频变压器的能量在每个开关周期内并未完全释放掉,因此下一个开关周期具有一个初始能量。采用连续模式可减小一次绕组峰值电流Ip和有效值电流IRms,降低芯片的功耗。但连续模式要求增大一次绕组的电感量Lp,这会导致高频变压器的体积增大。综上所述,连续模式适用于功率较小的TOPSwitch和尺寸较大的高频变压器。
不连续模式的特点是,存储在高频变压器中的能量在每个开关周期内都要完全释放掉,其开关电流则是从零开始上升到峰值,再迅速降到零,其开关电流的波形呈三角形,参见图2-1b.此时Krp=1.0,即
Ir=Ip                                    (2-2)
不连续模式下的Ip.Irms值较大,但所需要的Lp较小。因此,它适合于采用输出功率较大的TOPSwitch芯片,配尺寸较小的高频变压器。
   2.工作模式的设定
利用IR与Ip的比例关系,亦即KR P的数值,可以定量的描述单片开关电源的工作模式。KR P的取值范围是0-1.0。若取IR=Ip,即KRP=1.0,就将开关电源设定在不连续模式。当IR<Ip,即KR P<1.0时,开关电源就被设定为连续模式。具体讲,这又分两种情况:(1)当0<IR<Ip,即0<KRP,1.0时处于连续模式;(2)理想情况下,IR=0. KRP=0,表示处于绝对连续模式,或称为极端连续模式,此时一次绕组电感量Lp -- ∞,而一次绕组开关电流呈矩形波。
实际上在连续模式与不连续模式之间并无严格界限,而是存在一个过渡过程。对于给定的交流输入电压范围,KR P值较小,就意味着更为连续的工作模式和相对较大的一次绕组电感量,并且一次绕组的Ip和Irms值较小,此时可选用功率较小的TOPSwitch芯片和较大尺寸的高频变压器来实现优化设计。反之,KR P值较大,就表示连续程度较差,一次绕组电感量较小,而Ip与一次绕组有效值电流Irms较大,此时须采用功率较大的TOPSwitch芯片,配尺寸较小的高频变压器。
综上所述,选择KR P值就能设定开关电源的工作模式。设定过程为:Lp上升导致IR<Ip导致KR P<1.0的连续模式。对于85-265V宽范围输入或230V固定输入的交流电压,选择KR P=0.6-1.0 比较合适。

1.2 单片开关电源反馈电路的4种基本类型
    单片开关电源的电路可以千变万化,但其反馈电路只有4种基本类型: 1.基本反馈电路:2.改进型基本反馈电路:3.配稳压管的光耦反馈电路:4. 配TL431的光耦反馈电路。它们的 简化电路如下2-2a-d所示。          
                              图2-2 反馈电路的4种基本类型
                        a.基本反馈电路              b.改进型基本反馈电路
                        c.配稳压管的光耦反馈电路    d.配TL431的光耦反馈电路
图a;为基本反馈电路,其优点是电路简单,成本低廉,适于制作小型化,经济型开关电源;其缺点是稳压性能较差,电压调整率Sv=+-1.5%~+-2.5%,负载调整率S1=+-55。
    图b;为改进型基本反馈电路,只需增加一只稳压管VS和电阻R1,即可使负载调整率达到正负2.5%。VS的稳定电压一般为22V,必须相应增加反馈绕组的匝数,以获的较高的反馈电压Ufb,满足电路的需要。
    图c;为配稳压管的光耦反馈电路。由VS提供参考电压Uz,当输出电压U0发生波动时,在光耦内部的二极管上可获得误差电压。因此,该电路相当于给TOPSwitch增加了一个外部误差放大器,再与内部误差放大器配合使用,即可对Uo进行调整。这种反馈电路能使电压调整率达到正负1% 以下。
   图d;为配TL431的光耦反馈电路,其电路较复杂,但稳压性能最佳。这里用TL431型可调式精密并联稳压器来代替普通的稳压管,构成外部误差放大器,进而对Uo做精细调整,可使电压调整率和负载调整率均达到正负0.2%,能与线性稳压电源相媲美。这种反馈电路适于构成精密开关电源。
  在设计单片开关电源时,应根据实际情况来选择合适的反馈电路,才能达到规定的技术指标.
   第二节 单片开关电源保护电路的设计

  为使单片开关电源能够长期稳定、安全可靠的工作,必须设计各种类型的保护电路,避免因电路出现故障、使用不当或环境条件发生变化而损坏开关电源。下面首先介绍单片开关电源保护电路的分类,然后重点阐述输出过电压保护电路,输入嵌电压保护和软启动电路的设计。
    2.1保护电路的分类
单片开关电源的保护电路可分为两大类。第一类是芯片内部的保护电路,例如TOPSwitch系列中的过电流保护电路、过热保护电路、关断/自动重启电路、前沿闭锁电路。第二类是外部保护电路。主要包括过电流保护装置(如熔丝管、自恢复熔丝、熔断电阻等)、电磁干扰(EMI)滤波器、启动限流保护电路、漏级钳位保护电路(或R.C.VD)吸收电路。输出过电压保护电路、输入欠电压保护电路、软启动电路、散热装置。其中,内部保护电路是由芯片厂家设计的,外部保护电路由用户自己设计。下面重点介绍输出过电压保护电路、输入欠电压保护电路和软启动电路的设计。
 2.2输出过电压保护电路的设计
 1.由分立式晶闸管构成的输出过电压保护电路
     电路如图2-3所示。这里是用两只PNP和NPN型晶体管VT1.VT2,来构成分立式晶闸管(SCR),其中三个电级分别为阳极A,阴极K,门级G。反馈电压Ufb经稳压管VS2和电阻R1分压后提供门级电压Ug。正常情况下Ug较低,SCR关断当二次侧出现过电压时,Uo上升导致Ufb上升Ug也上升,就触发SCR并使之导通,进而使控制端电压Uc变低,将TOPSwitch系列单片开关电源关断,起到保护作用。稳压管VS2的稳定电压与VT2的发射结电压之和等于(Uz2+Ube2),当Ufb>Uz2+Ube2时,就进行过电压保护。
   2.由双向触发二极管构成的输出过电压保护电路
双向触发二极管也称两端交流器件(DIAC),其结构及特性如图2-4所示。它属于具有对称性的两端器件,可等效于基极开路、发射极与集电极完全对称的NPN晶体管。由于正、反伏安特性完全对称,当DIAC两端电压U小于正向转折电压Ubo时,器件为高阻状态;当U>Ubo时DIAC就导通。同理,当U超过反向转折电压Ubr时,管子也能导通。正、反向转折电压的对称性可用△Ub表示,一般要求变化的Ub=Ubo-Ubr<2V。因为双向触发二极管的结构简单,价格低廉,所以常用来构成过电压保护电路,并适合于触发双向晶闸管(TRIAC)。

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