彩色电视机开关电源电路设计(14页).doc

-彩色电视机开关电源电路设计-第 11 页彩色电视机开关电源电路设计摘 要21世纪是电子技术飞速发展的时代，如今我们的生活越来越离不开电子技术，近从我们的生活中离不开电脑，电视机，电风扇，洗衣机电冰箱，空调等，远到人们的生产，医疗保险，国防教育等，都离不开电子技术。随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。本设计就是为彩色电视机设计开关电源电路。本系统采用电流型控制系统，它具有对输入响应快，回路稳定性好负载响应快，降低输出级的功率损耗，电路简单成本低廉性能可靠易于维修等特点。关键词：彩电，开关电源，直流型目 录1引言12开关稳压电源的性能特点12.1 开关稳压电源的优点112222.2 开关稳压电源的缺点22333 开关稳压电源的分析34 开关稳压电源的设计方案64.1 主电路64.2 输入滤波电路64.3 整流与滤波电路64.4 逆变电路74.5 输出滤波电路74.6 控制驱动电路75 开关稳压电源的硬件设计85.1 主电路设计85.2 隔离驱动电路设计95.3 PWM控制电路设计95.4 开关电源功率变压器的设计10总 结12参考文献121引 言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。 开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。 SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR驱动困难，开关频率低，逐渐被IGBT和MOSFET取代。随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在70年代后期，功率在100w以上的开关电源是有竞争力的。到1980年，功率在50w以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到80年代后期，电子设备的消耗功率在20w以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入90年代后，其成本下降非常显著当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。2开关稳压电源的性能特点2.1 开关稳压电源的优点 内部功率损耗小，转换效率高在开关稳压电源原理框图中，开关功率管V在PWM驱动信号的驱动下，交替地工作在导通-截止与截止-导通开关状态，转换速度非常快，频率一般可高达100kHz左右。在一些电子工业发达国家，可以做到MHz以上。这便使得开关功率管V上的功率损耗大为减小，储能电感的电感量大为减小，储能效率大为提高，从而使整个开关稳压电源的转换效率得到大幅度的提高，其转换效率可高达90左右。 体积小，重量轻从开关稳压电源的原理电路图中我们可以清楚地看出，这里没有采用笨重的工频变压器。由于开关功率管V工作在开关状态，因此其本身的功率损耗大幅度地降低，这就省去了较大的散热器。另外由于电路的工作频率比线性稳压电源中的50Hz工频高了好几个数量级，因此滤波效率大大提高，滤波电容的容量也大为减小。这三方面的原因，就使得开关稳压电源具有体积小，重量轻的显著优点。 稳压范围宽，线性调整率高开关稳压电源的输出电压是由PWM/PFM（脉频调制）驱动信号的占空比来调节的，输出电压由于输入信号电压的变化而引起的不稳定，可以通过调节脉冲宽度或脉冲频率来进行补偿。这样，在输入工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有非常稳定的输出电压。因此，开关稳压电源除具有稳压范围宽的优点外，还具有稳压效果好和线性调整率高的优点。此外，由于改变占空比的方法有脉宽调制型和脉频调制型两种，因此开关稳压电源不仅具有以上所说的优点，而且实现稳压的方法和技术也较多，设计人员可以根据实际应用的要求和需要，灵活地选用各种类型的开关稳压电源电路 滤波效率大为提高，滤波电容的容量和体积大为减小开关稳压电源的工作频率目前基本在5kHz以上，是线性稳压电源工作频率的1000倍以上。因此，开关稳压电源整流后的滤波效率也几乎提高了1000倍左右。就是采用半波整流后加电容滤波，滤波效率也比线性稳压电源高500倍左右。在要求有相同输出纹波电压的情况下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容容量的1/5001/1000。2.2 开关稳压电源的缺点 开关稳压电源存在着较为严重的开关噪声和干扰在开关稳压电源电路中，由于开关功率管工作在开关状态，因此它所产生的高频交流电压和电流将会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振噪声，这些干扰和噪声如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外，由于开关稳压电源电路中的振荡器没有工频降压变压器的隔离，因此这些干扰和噪声就会窜入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。而且这种高频干扰还会通过开关稳压电源电路中的磁性元件（如电感和开关变压器等）辐射到空间，使周围的其他电子仪器、设备和家用电器也同样受到严重的干扰。 电路结构复杂，不便于维修对于无工频变压器的开关稳压电源电路中的高压、高温电解电容，高反压、大电流功率开关管，高频开关变压器的磁性材料，高反压、大电流、快恢复肖特基二极管等器件，在我们国家还处于研究、开发和试制阶段。在一些技术发达的国家，开关稳压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在着一些问题，不能令人十分满意。这就暴露出了开关稳压电源的另一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。对此，如果设计者和生产者不予以充分重视，它将直接影响开关稳压电源的推广应用。 成本高，可靠性低目前，由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料烧结技术等与一些技术发达国家还有一定的差距，因此其造价和成本不能进一步降低，也影响到其可靠性的进一步提高。这就导致了在我国的电子仪器、仪表以及机电一体化设备中，开关电源还不能得到十分广泛的普及与应用。3 开关稳压电源的分析开关稳压电源等效原理图如下图3.1所示。图3.1开关稳压电源等效原理图根据图3.1所示工作原理图分析开关稳压电源的工作原理：在图3.1中把驱动方波信号加到如图所示电路的功率开关 V的基极上，这样功率开关V 就会按照驱动方波信号的频率周期性地导通与关闭，功率开关V的工作周期T=Ton+Toff，占空比为D=Ton/T(D<1)。其工作过程可以用功率开关V的导通、关闭以及开关稳压电源实现动态平衡等过程来解说。（1）在Ton=t1-t0期间，功率开关V导通，续流二极管VD因反向偏置而截止，储能电感L两端所加的电压为Ui-Uo。虽然输入电压Ui是一个直流电压，但电感L中的电流不能突变，而在功率开关V导通的Ton期间，电感L中的电流将会线性地上升，并以磁能的形式在储能电感中存储能量。这时，电感L中的电流为 （3.1）式中为t0时刻储能电感L中的电流，在t1时刻，也就是驱动信号正半周要结束的时刻，储能电感L中的电流上升到最大值，其最大值为： （3.2）从两式我们就可以计算出储能电感L中电流的变化量为： （3.3）当式中的t=t0时，储能电感中的电流变化量为最大，其最大变化量为 （3.4）（2）在Toff=t2-t1期间，功率开关V截止。但是在t1时刻，由于功率开关V刚刚截止，并且储能电感L中的电流不能突变，于是L两端就产生了与原来电压极性相反的自感电动势。此时，续流二极管VD开始正向导通，储能电感L所储存的磁能将以电能的形式通过续流二极管 VD和负载电阻 R1开始泄放。这里的二极管 VD起着续流和补充电流的作用，这也正是它被称为续流二极管的原因。储能电感 L所泄放的电流的波形就是锯齿波中随时间线性下降的那一段电流。为了简化计算，可将续流二极管 VD的导通压降忽略不计，因而储能电感L两端的电压近似为Uo，其中流过的电流可由下式计算出来： （3.5）在t=t2时，储能电感L中的电流达到最小值，其大小可由下式计算出： （3.6）由上述两式就可以求出在功率截止期间，储能叫感L中电流的变化值为： （3.7）当t=t1时，储能电感L中的电流变化值为最大，其最大变化量为： （3.8）（3）只有当功率开关V导通期间Ton内储能电感L增加的电流 Ilmax1等于功率开关V关闭期间 Toff内减少的电流Ilmax2时，才能达到动态平衡，才能保证储能电感中一直有能量，并源源不断地向负载电路提供能量和功率。这就是构成一个稳压电源的最基本的条件。因此下面的关系式一定成立： （3.9）将式化简整理后得到输出电压Uo与输入电压Ui之间的关系为： （3.10）从式中可以看出，由于占空比D永远是一个小于是的常数，因此输出电压Uo永远小于输入电压Ui。这是降压型开关稳压电源的输出电压Uo的输入电压Ui之间的关系式。上式中的占空比 D与功率开关V的导通时间 Ton有关。如保持功率开关的工作周期 T不变，则通过改变功率开关V的导通时间 Ton就可以实现改变和调节输出电压 Uo大小的目的。因此，由此原理设计出的开关稳压电源电路通常被称为脉宽调制（PWM）型开关稳压电源电路。从式中我们还可以看出占空比D不但与功率开关V 的导通时间Ton有关，而且还与功率开关V的工作周期 T有关。也就是与工作频率F有关。因此，在保持其他条件不变的情况下，仅改变功率开关V的周期时间T或工作频率F同样也可以实现改变和调节输出电压 Uo大小的目的。由此原理设计出的开关稳压电源电路通常被称为脉频调制（PWM）型开关稳压电源电路。从式中我们又可以看出，同时改变功率开关的导通时间Ton和工作周期时间T(或者工作频率F），同样也可以起到调节和改变占空比D或者输出电压 Uo的目的。根据这样的原理设计出的开关稳压电源电路通常被称为混合型开关稳压电源电路。4 开关稳压电源的设计方案4.1 主电路半桥型开关稳压电路主要有主电路和控制驱动电路两大部分组成。其中主电路，可分为整流、逆变和高频整流滤波三个环节，输入220V经桥式整流滤波后获得 +300V左右的直流电压。半桥型逆变电路是由功率 MOS管 Vs1和 Vs2组成，高频逆变变压器初级分别接电容 C1 、C2 的中点和开关管 Vs1、Vs2的中点，电容 C1、C2的中点电压为 U2，Vs1、Vs2交替触发导通，使变压器一次侧形成幅值为 U2的交流电压。改变开关导通的占空比，即能改变变压器二次侧整流输出平均电压Uo。从交流电网输入、直流输出的全过程，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：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。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。4.2 输入滤波电路电路中采用共模扼流圈和滤波电容共同组成输入滤波电路。其中L是在一个闭合磁路的磁芯上绕制相同的电感量的两个绕阻。当这两个电感为独立电感时，由于其上有电流流过，电流产生变化时，磁芯磁场强度的变化会导致有效磁导率发生变化，甚至饱和，亦即对于电源频率分量和高频噪声分量的有效导磁率随着导线电流的增加而减少，将两个电感绕制在一个磁芯上且构成往复线路式绕阻。由于电源频率分量所产生的磁通彼此的相位差为180度，因它们的匝数相等而被相互抵消，对电源频率分量的电感为零，而对于共模噪声成分则呈现很高的有效导磁率，因而将得到很大的衰减。4.3整流和滤波电路整流电路中采用四个肖特基整流二极管组成桥式整流，将输入220V交流电压经桥式整流滤波后获得 +300V左右的直流电压。4.4 逆变电路本设计开关电源的逆变拟采用半桥式电路。在半桥式功率变换电路中的功率开关管MOSFET输入阻抗很高且是电压控制器件，所需驱动电流小，其开关时间以ns计且不受温度变化的影响。导通电阻R的温度系数为正，当随温度升高而增大时电流自动减小，这使其本身就具有自动均流能力。电路中的分压电容起着较强的搞不平衡作用。当Vs1导通时，二极管 Vp1 ，处于通态Vs2导通时二极管Vp2处于通态。当两开关管都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，根据变压器磁势平衡方程绕组 N2 、N3中的电流大小相等，方向相反，所以Vp1和Vp2均处于导通状态各分担负载电流的二分之一。当Vs1或Vs2 导通时，电感L的电流逐渐上升，当两管都关断时，电感中的电流逐渐下降 由于电容的隔直作用，半桥型开关电路对由于两管开关导通时间不对称而造成变压器一次侧的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁现象。由于TL494中存在死区时间，所以不存在由于Vs1和Vs2共同导通而损坏功率管的情况。4.5 输出滤波电路输出电路从次级线圈经全波整流后接一个型LC滤波器，得到稳定的直流输出电压。4.6 控制驱动电路该开关稳压电源的控制驱动电路是以TL494为核心，采用恒频脉宽调制控制方式。误差放大器的输入信号分别是给定信号Uk 和电压反馈信号Uf。Uf是由输出电压经分压电路获取，系统为了得到较好的静 、动态 特性，在误差放大器的输入和输出端接入了RC反馈网络。该控制电路一方面从输出端取样，经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资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。其输出经光电耦合后送给专用集成驱动电路IR2110，用来驱动两开关管的栅级。其原理方框图如图4.3所示。输入整流滤波半桥式逆变输出整流滤波辅助直流电源驱动控制电压反馈图4.3 原理方框图5 开关稳压电源的硬件设计5.1 主电路设计半桥式开关电源主电路图4.1所示。图中开关管S1、S2 选用MOSFET ， 因为它是电压驱动全控型器件，具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快及安全工作区大等优点。半桥式逆变电路一个桥臂由开关管S1、S2 组成。另一个桥臂由电容C1,C2 组成。高频变压器初级一端接在C1、C2的中点， 另一端接在S1, S2的公共连接端， C1、C2中点的电压等于整流后直流电压的一半，即Vi/2。开关S1, S2 交替导通就在变压器的次级形成幅值为Vi/2 的交流方波电压。通过调节开关的占空比， 就能改变变压器二次侧整流输出平均电压Vo。图5.1 半桥式开关电源主电路设计图中： R1、 R2是并联均压电阻，C3是耦合电容，其作用是防止由于两个开关管的特性差异而造成变压器磁芯饱和,从而提高半桥逆变电路的抗不平衡能力，C3 要选择 ESR小的无极性电容。T101为初级电流检测用的电流互感器， 作为电流控制时的电流取样用。5.2 隔离驱动电路设计从 TL494 的 11、 14 脚出来的 PWM 信号驱动PC817光耦，经光耦隔离后, 送到IR2110专用集成驱动电路， 进而去驱动功率MOSFET管S1和S2， IR2110外围电路连接图5.2所示。图5.2隔离驱动芯片外围电路设计5.3 控制电路设计PWM控制电路采用美国硅通用电气公司的TL494 控制芯片。该芯片的输入电压工作范围是835V , 通常可取+15V ; 振荡频率是 100500 kHz, 芯片的脚 5 和脚 7 间串联一个电阻Rd就可以在较大范围内调节死区时间。另外, 它的软启动电路也非常容易设计, 只需在管脚8接一个软启动电容即可。TL494 的振荡频率可表示为 （5.1） 式中: Co , Ro 分别是与脚 5、脚 6 相连的振荡器的电容和电阻; Rd 是与脚 7 相连的放电端电阻值。该芯片外围电路简单,11和14脚输出采用图腾柱输出电路,电流驱动能力强, 可直接控制半桥逆变器的上下功率管S1,S2,其外围电路图5.3所示。图5.3控制芯片外围电路设计 5.4 开关电源功率变压器的设计功率变压器是开关电源中非常重要的部件，它和普通电源变压器一样也是通过磁耦合来传输能量的。不过在这种功率变压器中实现磁耦合的磁路不是普通变压器中的硅钢片，而是在高频情况下工作的磁导率较高的铁氧体磁心或铍莫合金等磁性材料，其目的是为了获得较大的励磁电感、减小磁路中的功率损耗，使之能以最小的损耗和相位失真传输具有宽频带的脉冲能量。图5.4（a）为加在脉冲变压器输入端的矩形脉冲波，图5.4（b）为输出端得到的输出波形，可以看出脉冲变压器带来的波形失真主要有以下几个方面： 图5.4 脉冲变压器输入、输出波形（a）输入波形 （b）输出波形上升沿和下降沿变得倾斜，即存在上升时间和下降时间； 上升过程的末了时刻，有上冲，甚至出现振荡现象； 下降过程的末了时刻，有下冲，也可能出现振荡波形；平顶部分是逐渐降落的。 这些失真反映了实际脉冲变压器和理想变压器的差别，考虑到各种因素对波形的影响，可以得到如图5.5所示的脉冲变压器等效电路。图中：Rsi信号源Ui的内阻 Rp一次绕组的电阻 Rm磁心损耗（对铁氧体磁心，可以忽略） T理想变压器 Rso二次绕组的电阻 RL负载电阻 C1、C2一次和二次绕组的等效分布电容 Lin、Lis一次和二次绕组的漏感 Lm1一次绕组电感，也叫励磁电感 n理想变压器的匝数比，n=N1/N2 图5.5 脉冲变压器的等效电路将图4.5所示电路的二次回路折合到一次，做近似处理，合并某些参数，可得图3.7所示电路，漏感Li包括Lin和Lis，总分布电容C包括C1和C2；总电阻RS包括Rsi、RP和Rso；Lm1是励磁电感，和前述的Lm1相同；RL是RL等效到一次侧的阻值，RL=RL/n2,折合后的输出电压Uo=Uo/n。经过这样处理后，等效电路中只有5个元件，但在脉冲作用的各段时间内，每个元件并不都是同时起主要作用，我们知道任何一个脉冲波形可以分解成基波与许多谐波的叠加。脉冲的上升沿和下降沿包含着各种高频分量，而脉冲的平顶部分包含着各种低频分量。因此在上升、下降和平顶过程中，各元件（L、C等）表现出来的阻抗也不一样，因此我们把这一过程分成几个阶段来分析，分别找出各阶段起主要作用的元件，而忽略次要的因素。例如，当输入信号为矩形脉冲时，可以分3个阶段来分析，即上升阶段、平顶阶段和下降阶段。总 结通过课程设计，不仅能提高学生学习电视开关的兴趣，加深对电视开关的理解，开阔视野，也能为以后毕业设计打下良好的基础，并且扩大了学生的实践内容，从而取得了较好的教学实践效果。任何收获都要付出巨大的努力，在这个领域里面我几乎是从零开始，但是我们克服了重重困难，学到了很多东西。本次实训增强了我们查阅资料的方法技巧，更是大大的提高了我们自学的能力，同时也增强了我们的动手能力。经过两个星期的努力，我终于成功的完成了本次课程设计。在蔡老师的细心指导和帮助下，通过自己的努力，最终一些问题与困难都得到了圆满解决。使我可以按时完成课程设计并使自己的专业知识与综合能力都得到了相应的提高。在课程设计的过程中,蔡老师在百忙中对我的毕业设计进行了指导。蔡老师首先细致地为我解题；当我迷茫于众多的资料时，他又为我提纲挈领、梳理脉络，使我确立了本文的框架。感谢蔡老师对我的课程设计的指导, 从框架的完善，到内容的扩充，从行文的用语到格式的规范，蔡老师都严格要求，力求完美。而且我还从蔡老师那里学到了严谨、务实、认真的工作态度和极强的敬业精神。我再次为蔡老师的耐心付出表示感谢。在这次课程设计过程中，我们查找资料、讨论、交流，最终我们决定了设计方案并成功完成设计，这些都培养了我们的团结合作精神。此次设计让我们受益匪浅。参考文献1 李海霞.电视机原理实验指导书M.黄河科技学院,2008. 2 姜秀华.现代电视机原理M.高等教育出版社,2008. 3 裴昌幸.电视机原理与现代电视系统M.西安电子科技大学出版社,1997. 4 何希才.新型开关电源设计与维修M.国防工业出版社, 2001. 5 王水平,史俊杰,田安庆.开关稳压电源设计及实用电路(修订版).西安电子科技大学出版社,2005.6 张占松高频开关稳压电源M.广东科技出版社,1993.