开关电源电路图及原理设计 第5页
第三章 集成开关稳压电源关键外围器件的选择
在研制开关电源时，不仅要设计好电路，还要必须能正确选择器件。单片开关电源的外围元件大致可分为三大类：第一类是通用元器件，包括电阻、电容、整流桥或整流管、稳压管。第二类是特种半导体器件，主要有TL431型可调试精密并联稳压器、EMI滤波器、光耦、瞬态电压抑制器、超快恢复二极管、肖特基二极管、熔断器、自恢复容丝。第三类为磁性材料，如高频变压器磁心、电磁线、磁珠等等。
一 TL431型可调式精密并联稳压器
TL431是由美国德州仪器公司(TI)和摩托罗拉公司生产的2.50～36V可调式精密并联稳压器。其性能优良，价格低廉，可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中，此外TL431还能构成电压比较器，电源电压监视器，延时电路，精密恒流源等。目前在单片精密开关电源中，普遍用它来构成外部误差放大器，再与线性光耦合器组成隔离式光耦反馈电路。
TL431系列产品包括TL431C.TL431AC.TL431AI.TL431M.TL431Y,共6种型号。它属于三端可调试器件，利用两只外部电阻可设定2.50-36V范围内的任何基准电压值。TL431的动态阻抗低，其典型值为0.2欧。阴极工作电压Uka的允许范围是2.50～36V，阴极工作电流Ika=1～100mA。TL431大多采用DIP-8或TO-92的封装形式，管脚排列分别如图2-13所示。图中A为阳极，使用时需接地。K为阴极，需经限流电阻接电源。Uref是输出电压Uo的设定端，外接电阻分压器。NC为空脚。TL431的等效电路见图3-13c,，主要包括4部分：①.
图3-13 TL431的管脚排列及等效电路
a DIP-8封装 b 等效电路
误差放大器A，其同向输入端接从电阻分压器上得到的取样电压，反向输入端则接内部2.5V基准电压Uref，并且设计的UREF=Uref,UREF端常态下应为2.5V，因此称基准端：②.内部2.5v(准确值为2.495V)基准电压源Uref;③.NPN型晶体管VT，它在电路中起到调节负载电流的作用；④.保护二极管VD，可防止因K-A间电源级性接反而损坏芯片。TL431的电路符号和基本接线如图2-14所示。它相当于一只可调试齐纳稳压管，输出电压由外部精密电阻R1和R2来设定，有公式
Uo=Uka=(1+R1/R2)Uref 3-1
R3是Ika的限流电阻。TL431的稳压原理可分析如下：当由于某种原因使Uo升高时，取样电压Uref也随之升高，使UREF>Uref ,比较器输出高电平，令VT导通，Uo下降。反之，Uo下降导致UREF下降UREF<Uref进而比较器再次翻转，输出变成低电平导致VT截至输出电压Uo上升。这样循环下去，从动态平衡的角度来看，就迫使Uo趋于稳定，达到了稳压的目的，并且UREF=Uref.
图3-14 TL431的电路符号与基本接线
a 电路符号 b 基本接线
TL431可广泛应用于单片开关电源中，作为外部误差放大器，构成光耦反馈式电路。其工作原理是当输出电压发生波动是，经电阻分压后得到的取样电压就与TL431中的2.5V带隙基准电压进行比较，在阴极上形成误差电压，使发光二极管的工作电流If发生变化，再通过光耦去改变控制端电流Ic的大小，调节TOPSwitch的输出占空比，使Uo 不变，达到稳压的目的。
二 线性光耦合器
光耦合器(optical coupler)。它是以光为媒介来传输电信号的器件。通常是把发光器与受光器封装在同一管壳内。当输入端加信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电-光-电”转换。普通光耦只能传输数字或开关信号，不适合传输模拟信号。线性光耦是一种新型光电隔离器件，应用领域非常广。
线性光耦合器与普通光耦的重要区别反映在电流传输比(CTR)上。(CTR)是光耦的重要参数，通常用直流传输比来表示。当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流Ic与直流输入电流If的百分比。有公式
CRT=Ic/If*100% 3-2
采用一只光敏晶体管的光耦合器，CRT的范围大多为20%-300%（例如4N35），而PC817则为80%-160%。达林顿光耦（如4N30）可达100%-5000%。这表明欲获得同样的输出电流，后者只需要较小的输入电流。因此CTR参数与晶体管的hFE有某种相似之处。普通光耦的CTR-If特性曲线为非线性，在If较小的非线性失真尤为严重，因此它不适合传输模拟信号。线性光耦合器CTR-If特性曲线具有良好的线性度，特别是在传输小信号是，其交流电流传输比接近于直流传输比，因此它适合传输模拟电压或电流信号，能使输出与输入之间呈线性关系。这是其重要特征。
三 电磁干扰滤波器
电磁干扰滤波器亦称EMI滤波器，它能有效的抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性，可广泛用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源测控系统等领域。电网噪声是电磁干扰的一种，它属于射频干扰(RFI)，其传导噪声的频谱大致为10KHz-30MHz，最高可达150MHz。根据传播方向的不同，电网噪声可分为两大类：一类是从电源进线引入的外界干扰，另一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。这表明它属于双向干扰信号，电子设备既是噪声赶的对象，又是一个噪声源。若从形成特点来看，噪声干扰分串模干扰和共模干扰。串模干扰是两条电源之间（或线对线）的噪声。共模干扰则是两条电源线对大地（或线对地）的噪声。因此，电磁干扰滤波器应符合电磁兼容性(EMC)的要求，也必须上双向射频滤波器，一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰，所以一台具有良好电磁兼容性的电子设备是完全可以避免串、共模干扰的。此外，电磁干扰滤波器应对串模、共模干扰都起到抑制作用。
为减小体积和降低成本，单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器，主要包括共模扼流圈L和滤波电容。典型电路如图2-15所示。以图2-15c为例，L.C1和C2用来滤除共模干扰，C3和C4滤除串模干扰。当出现共模干扰时，由于L中两个线圈的磁通方向相同经过耦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、高磁导率的铁氧体磁环上。R为泻放电阻，可将C3上的电荷释放掉，避免影响滤波性能；断电后还能是进线端L.N不带电，保证使用的安全。EMI滤波器能有效的抑制单片开关电源的电磁干扰。图2-16中曲线a为不加EMI滤波器时开关电源上0.15-30MHz传导噪声的波形（即电磁干扰峰值包络线），曲线c是插入如图3-15d所示EMI滤波器后的波形，它能将电磁干扰衰减50-70dBuV。显然， 这种EMI滤波器的效果更佳.
图3-15 单片开关电源常用的4种EMI滤波器
插入损耗(AdB)是EMI滤波器的重要参数。它是评价电磁干扰滤波器性能优劣的主要指标，设电磁干扰滤波器插入前后传输到负载上的噪声电压分别为U1.U2有
AdB=201g*(U1/U2) 3-3
插入损耗用dB来表示，分贝值愈大，说明抑制噪声的能力越强。测量插入损耗的电路如图3-17所示。e 是噪声信号发生器，Zi是信号源的内部阻抗，ZL是负载阻抗，一般取50欧。噪声频率可选10KHZ-30MHz。首先要在不同频率下分别测出插入EMI滤波器前后，负载两端的噪声压降U1.U2，再代入上式(3-13)中计算出每个频率点的AdB值，最后绘出插入损耗的曲线。需要指出，上述测试方法比较烦琐，每次都要拆装EMI滤波器。为此可采用电子开关对其进行快速切换。
图3-16 加EMI滤波器前 后干扰波形的比较
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