彩色电视机开关电源电路设计毕业设计论文.doc

彩色电视机开关电源电路设计 摘要1955年美国罗耶GH.Roger)创造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Jen Sen)创造了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。 随着电力电子技术的高速开展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速开展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制PWM控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的本钱都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源本钱在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一本钱反转点。随着电力电子技术的开展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一本钱反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的开展空间。电源的好坏直接影响着电器的性能，在开关电源诞生的时候就已经应用在了电视机电源上，从而减少了电视机的功耗，相对传统的线性电源效率高、抑制噪声好，好的电视机开关电源能效率能到达90%以上，是电源中效率最高的。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于各种电器上，其中在电视机上开关电源已经成为成熟产品，集成化，模块化，技术不断成熟。关键词：DC-DC 电视机电源 开关电源 UC3842 目录1概述1课题意义1根本内容及要求12开关电源根本知识1开关电源分类1开关电源原理1电气技术指标23电路及设计3元件选择3开关管的选择3电容的选择4二极管的选择4输出变压器参数5电源电路设计6电源输入端口的电磁兼容设计6消磁电路7整流滤波电路83.2.4 DC-DC变换电路93.2.5 PWM控制电路103.2.6 整机电路12总 结14致 谢15参考文献161概述课题意义通过对模拟彩色电视机开关电源电路的设计，掌握模拟彩色电视机对开关电源设计技术指标，正确理解开关电源电路工作的原理。1、设计内容 1开关电源结构和根本工作原理； 2模拟彩色电视机开关电源的技术指标； 3设计模拟彩色开关电源电路原理图； 4分析开关电源工作原理。 2、设计要求 1. 根本概念清楚、根本原理正确； 2. 电路图设计符合国家有关标准和标准； 3. 按时参加指导教师辅导，按进度要求完成课程设计任务。 4. 设计说明书不少于3000字 2开关电源根本知识 人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向开展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，也有AC/AC DC/AC 如逆变器 DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。 与线性电源相比开关电源更为效的工作过程是通过“斩波，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。电视机开关电源原理图如图1所示。 图1 电视机开关电源原理图 开关电源的技术指标有通用事项、包括电源名称、适用规格等，首先是平安规格，有关开关电源都有相应的平安规格，例如，国际规格为IEC950、IEC65；亚洲为电气用品管理法；欧洲统一规格为EN-950、EN60065，其中北欧的VDE(德国)、BSI(英国)，SEV(瑞士)、。有关EMI的规格，日本为VCCI1类，2类；美国为FCCP15J A类、B类；德国为VDE0871A类、B类；国际上为CISPRPubl1、publ2。电气技术指标有输入与输出条件附属功能等。机械结构为外形、安装、和冷却条件等。环境条件有温度、湿度、震动和冲击等。其他条件有噪声规定、可靠性等。<1>输入技术指标作为开关电源的输入技术指标意义输入电源相数、额定输入电压及电压变化范围、频率、输入电流一般为单向2线制和3相3相制，还有单相3线制及3相四线制等。输入电源的额定电压因各国或各地区不同而异，例如，美国规定交流输入电源为120V，欧洲为220-240V，日本为100V-到200V，我国为220V及380V。输入电压变化范围多为-15%到+10%<2>输出技术指标 额定输出电流是指输出端供应负载的最大平均电流。根据电子孙设备的不同，多路输出电源中某路输出电流增大，另路输出电流就得减小，保持总的输出电流不变。 稳压精度也称输出电压精度或电压调整率，输出电压变动有多种原因。输出电压可调范围是指在保证电压稳定精度条件下，由外部可能调整的输出电压范围，一般为±5%或±10%。条件是输入电压的下限时输出电压的最大值，以及输入电压的上限时输出电压的最小值。 纹波是与输出端呈现的输入频率及开头变换频率的分量，用峰峰值表示，一般为输出电压的0.5以内。噪声是输出端呈现的除波纹以外频率的分量，也用峰峰值表示，一般为输出电压的1%，也包括与纹波没有明确区分的局部，规定是纹波与噪声总合值，多数场合是规定纹波噪声总合的情况，为输出电压的2%以内。3电路及设计3.1.1开关管的选择开关管是整个电源最主要的工作器件，正确的选用是电源成功制作的前提首先开关管的截止时间不宜过长，假设时间长，当开关管上的控制脉冲已经结束，而下一个控制脉冲已经到来时，会造成开关管没有完全关断，马上进入下一个导通周期，这样开关管几乎一直在导通，开关完全失去控制，功耗和输出电压会迅速增加，造成电源浪费。电视机电源的震荡频率是15625Hz跟行同频，在开关管导通时，负载上的电流以及滤波电容的充电电流均通过开关管，因此开关管的集电极电流必须大于输出的负载电流，集电极电流的计算如下：开关管最关键的电参数是VCEO、VCBO、ICM、PCM，由于电视机大小不同PCM值也有所不同，屏幕大的值略大些。一般电视机的典型值为PCM100W、ICM5A、VCBO1000V、VCEO800V。假设电视机屏幕大的那么要选择更高的的值，在开关管出现毁坏替换时假设没有同型号的采用的管子的参数一定要大于毁坏的，并要看是否有阻尼二极管，要与行管区分开。开关管连接图如图2。 图2 开关管连接图3.1.2电容的选择开关电源的输出整流滤波电容器的作用主要是通过利用滤波电容器吸收开关频率及其高次谐波频率的电流分量而滤除其纹波电压分量。也就是说是利用电容器的低阻抗而将交流电流分量的绝大局部，更希望是全局部流到滤波电容器上，使输出电流没有或非常小的交流电流分量。无论正激式开关电源工作输出的矩形波电流，还是反激式开关电源的锯齿波电流，均含有极其丰富的高次谐波电压与电流。这些高次谐波电流是不允许作为输出电流成分流入负载，需要采用高频阻抗低的电容器对其分流短路。这要求滤波电容器应具有很好的阻抗频率特性，这与工频整流滤波对电容器要求大电容量的要求有所不同的工频整流滤波很容易滤除工频的高次谐波，即使是40次也不过才2000Hz，一般电解电容器很容易实现。因此开关电源的输出整流滤波电容器即使选用铝电解电容器也应首选低ESR的铝电解电容器，而绝不能随意到电子市场抓到什么样的铝电解电容器只要电压、电容量满足要求均可。这样作的结果将是电源的输出纹波电压过高，特别是峰-峰值电压过高。3.1.3二极管的选择了解了二极管的反向特性，可以由(1)式估算二极管的开关损耗：PSWDIODE ×VREVERSE×IRRPEAK×tRR2×fs (1)VREVERSE是二极管的反向偏置电压，IRRPEAK是反向电流，tRR2是从反向电流峰值到恢复电流为正的时间。对于降压电路，当MOSFET导通的时候，Vin为二极管的反向偏置电压。基于上述讨论，减小开关器件损耗的直接途径是选择低导通压降、快速恢复的二极管。超快型反向恢复整流二极管是所有高电压AC-DC电源中的关键器件。这种二极管如图1中的D1和D2不仅对电源效率至关重要，也是电路电磁干扰EMI的主要因素，选择不当时甚至会造成晶体管故障。可想而知，这种整流二极管可以将一个开关电源的性能最优化，包括实现零导通电压、无反向漏电流以及瞬时启动等。乍看起来，这种单pn结器件的设计似乎非常简单，但分析了一些等式之后我们会发现，要将这一器件的性能最优化，必须作出很多权衡。只有对这些权衡有充分的了解，电路设计人员才可以选择到最适宜的整流二极管。3.1.4输出变压器参数正激和反激的变压器功能是不同的，计算方法也不同。反激变压器设计方法 如下: VDC min =VAC min * 1.2 (3)VDC max =VAC max * 1.4 (4)输出功率Po=P1+P2+Pn (5) 上式中P1=(Vo1+Vf)*I1 、P2 =(Vo2+Vf)*I2 (6) 上式中Vo为输出电压,Vf为整流管压降 输入功率Pin=(Po/)*1.2(此处1.2为输入整流损耗) 输入平均电流:Iav = Pin/VDC min 初级峰值电流:Ip = 2*Iav/Dmax 初级电感量:Lp=Vdc min *Dmax /(Ip*fs) fs为开关频率 初级匝数:Np=VDC min * Dmax /(B*Ae*fs) 上式中B推荐取值0.2 Ae为磁芯横截面积,查规格资料可得次级匝数:NS =(Vout+Vd)*(1-Dmax)*Np / Vin min*Dmax 正激变压器设计方法如下: Vindcmin*Tonmax/(B*Ae)=Np,Tonmax=1/f*Dmax,Dmax一般取0.45,最大不要超过0.47(极限条件);B=Bm(饱和磁感应强度)-Br(剩磁)-100mT(余量).3.2电源电路设计3.2.1电源输入端口的电磁兼容设计高频开关电源由于其在体积、重量、功率密度、效率等方面的诸多优点，已经被广泛地应用于工业、国防、家电产品等各个领域。在开关电源应用于交流电网的场合，整流电路往往导致输入电流的断续，这除了大大降低输入功率因数外，还增加了大量高次谐波。同时，开关电源中功率开关管的高速开关动作从几十kHz到数MHz，形成了EMIelectromagnetic interference骚扰源。从已发表的开关电源论文可知，在开关电源中主要存在的干扰形式是传导干扰和近场辐射干扰，传导干扰还会注入电网，干扰接入电网的其他设备。EMI滤波器通常置于开关电源与电网相连的前端,是由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波器。如图3等效电路所示，噪声源等效阻抗为Zsource、电网等效阻抗为Zsink。滤波器指标fstop和Hstop可以由一阶、二阶或三阶低通滤波器实现，滤波器传递函数的计算通常在高频下近似，也就是说对于n阶滤波器，忽略所有k相关项当k<n，只取含n相关项。 图3等效电路 以一种常用的滤波器拓扑图4常用的滤波器拓扑为例，分别对共模、差模噪声滤波器等效电路进行分析。图5共模衰减等效电路 及图6差模衰减等效电路分别代表滤波器共模衰减和差模衰减等效电路。分析电路可知，Cx1和Cx2只用于抑制差模噪声，理想的共模扼流电感LC只用于抑制共模噪声。但是，由于实际的LC绕制的不对称，在两组LC之间存在有漏感Lg也可用于抑制差模噪声。Cy即可抑制共模干扰、又可抑制差模噪声，只是由于差模抑制电容Cx2远大于Cy，Cy对差模抑制可忽略不计。同样，LD既可抑制共模干扰、又可抑制差模干扰，但LD远小于LC，因而对共模噪声抑制作用也相对很小。 图4常用的滤波器拓扑图5 共模衰减等效电路图6 差模衰减等效电路3.2.2消磁电路彩电的消磁电路主要是由消磁线圈和一个PTC热敏电阻也就是我们常说的“消磁电阻，此电阻一般为一个正温度系数的热敏电阻组成的。消磁线圈套在显像管的外框上，由漆包线绕制而成。在开机的瞬间，由于消磁电阻的阻值很小在常温25度时，电阻阻值仅为几十欧姆左右，它与消磁线圈是串联的，根据串联电路分压原理，电阻越大分得的电压就越大，消磁线圈的阻值要比消磁电阻的阻值大得多，因此，大局部的电压通过消磁线圈，使消磁线圈瞬间产生很强的交变磁场，由于消磁电阻的存在，这个交变磁场不会持续太长时间，随着通电时间的延长，消磁电阻的温度会按照一定的曲线上升，其阻值也会按照一定的曲线增加到很大，这样就会在消线圈中产生一个逐渐衰减的交变磁场，从而到达消除显像管中剩磁的目的。消磁电路如图7. 图7 消磁电路如图3.2.3整流滤波电路1、桥式整流电路采用桥式整流电路如图8所示。 图8 桥式整流电路UL和IL计算7 8 9纹波系数 10平均整流电流 11在用二极管做整流桥时，要注意极限参数的选择，一般耐压值与电流最大值要符合标准。2、在电视机滤波电路中 常见的几种滤波电路 图9 滤波电路 电视机中的滤波电路主要作用是滤除高频干扰、电路噪声及电网工频屡次谐波。 3.2.4 DC-DC变换电路电视机中所用到的主电压一般为5V芯片供电电压、12V灯丝电压、130V左右主电压及扬声器功率块供电电压，其他电压在行回扫变压器上取。电力电子技术的不断开展，要求开关电源具有更高的工作频率、效率、工作密度、功率因数、可靠性、电路具有更小的体积和实用性。为了得到高性能的开关电源，研究者们在选择性能更为优越的功率半导体器件，改良电路拓扑结构，选择和改良控制电路的控制方式，优化器件的排列布局等方面做了大量的优化设计工作，并且取得了许多卓有成效的成果。近年来，人们引入了功能强大的数学规划方法来解决开关电源的最优化设计问题，形成了开关电源的最优设计技术，在目标值与约束条件都能用数学公式表达时，这种采用数学优化方法得到的设计结果与传统的设计方法相比，往往具有很强的优越性，可提高开关电源的设计质量，缩短设计周期，本文首先采用传统方法对BUCK DCDC变换器的主电路参数进行了设计与器件的选择，然后提出了设计的最优化目标值和约束条件，从而利用数学规划方法得到了该变换器的最优化模型，对BUCK DCDC变换器的最优设计具有实际的指导意义。Buck变换器：也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。图10 Buck变换器图10中，Q为开关管，其驱动电压一般为PWM(Pulse width modulation脉宽调制)信号，信号周期为Ts，那么信号频率为f=1/Ts，导通时间为Ton，关断时间为Toff，那么周期Ts=Ton+Toff，占空比Dy= Ton/Ts。Buck/Boost变换器：也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反。Buck/Boost变换器可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了开关管。 图11 Buck/Boost变换器Buck/Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式，开关管Q也为PWM控制方式。3.2.5 PWM控制电路PWM控制原理脉冲宽度调制PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行 图12 PWM控制电路方框编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电 要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。UC3842是开关电源用电流控制方式的脉宽调制集成电路。与电压控制方式相比在负载响应和线性调 整度等方面有很多优越之处。 该电路主要特点有： 内含欠电压锁定电路 低起动电流典型值为 0.12mA 稳定的内部基准电压源 图13 UC3842内部方框图大电流推挽输出驱动电流达 1A工作频率可到 500kHz 自动负反应补偿电路双脉冲抑制 较强的负载响应特性 UC3842引脚功能 图14 UC3842引脚图脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；脚是反应电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V 基准电压进行比拟，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；脚为电流检测输入端,当检测电压超过1V 时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8/(RT×CT)；脚为公共地端；脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns 驱动能力为±1A ；脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；脚为5V 基准电压输出端，有50mA 的负载能力。3.2.6 整机电路 图15 电源整机电路图电路工作原理 开关SW接电网经过3A保险丝到EMI滤波器滤除干扰。由R1热敏电阻跟L1线圈电感构成消磁电路，产生一个交变的逐渐衰减磁场到达消磁目的，当热敏电阻温度到达一定值该回路电流几乎为零。经整流桥D2得到300V左右直流电压再由C1滤波输出加在T10变压器上，一方面给Q3开关管提供能量一方面经变压器2、3脚耦合经D7、D13、C21,整流滤波给UC3842的7脚提供工作电压，在此还有反应作用，当变压器1、2脚电压有变化会经R5反应到UC3842的2脚来调整脉宽，R15、R20、R21构成取样电路。 C2、R4、D6、变压器1、2端与Q3构成反激flyback电路，简单谈下flyback电路，它是由Buck/Boos电路演变过来的，工作原理，当Q3导通时D6截止，变压器1、2端产生反向电压，Q3截止时电感电流不能突变，通过D6、向C2充电，并在C2电压作用下电流减小，Q3再导通时又一个周期开始。 图16 Buck/Boos电路 图17 flyback电路 图18 flyback电路 R8向Q3提供偏压 R5、R6、R13构成取样电路接UC3842的3端,当电压值过高，电路自动减小脉冲宽度使电路处于间歇工作状态。 C19、R18为外接震荡电容电阻，改变大小改变震荡频率。改变R21可以改变电压变化灵敏度。总 结课程设计是培养我们综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程. 回忆起此次直流电机课程设计，至今我仍感慨颇多，确实，从选题到定稿，从理论到实践，在这一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是我学到了很多东西，同时不仅可以稳固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，唯有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正提高我们自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的很多的缺乏，自己知识的很多漏洞，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，看到了自己根底知识还是不够扎实，实践经验还是比拟缺乏，理论联系实际的能力还待急需提高。通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。在这个过程中，我真切的感到了，我又知道了很多，同时也掌握了很多以后在工作和生活中能真正用到的很多东西。但是我不会因此而骄傲，相反以后我将会更加虚心，因为我知道这只是个简单的开始，以后还有很多的路要走。在这次的设计过程中，我对电路的分析还存在着许多的缺乏之处，对根底理论知识和实际应用的结合方面还有待提高。在以后的学习中，我会继续努力学习，不断地自我完善，争取能在电子方面能有更深开展。致 谢课程设计的这段日子中遇到了诸多自己无法解决的问题和困难。但在这三周的课程设计中，从设计之初的无从下手到设计工作的圆满完成，都是在司老师和陈老师的细心指导和帮助下，以及自己的努力下，最终这些问题得到了很圆满的解决。在设计过程中，司老师和陈老师在百忙之中，依然对我所提问的问题进行解答和指导，那些同学在自己做课程设计的情况下依然对我遇到的问题给于帮助，为我提纲挚领，梳理脉络，使我很清晰确实立了本次课程设计的文本框架。很顺利的完成了这次课程设计。从框架的完善，到内容的扩张；从行文的用语，到格式的标准；司老师到严格要求，力求完美。而且我还从司老师那学到了严谨、务实、认真、不畏劳苦的工作态度和极强的敬业精神。我再次感谢司老师的耐心和同学们的无私帮助表示感谢，同时对我们的授课老师陈嘉义老师表示感谢。首先，陈嘉义老师一个学期以来认真授课并指导我们实验，帮我打下了坚实的理论根底。在课程设计中，也帮助我理清思路，拟定格式，使我能够按时完成这篇设计。可以说，没有陈老师和司老师的耐心辅导与帮助，我很难在规定时间内完成这样一篇论文。我向李姿景和陈嘉义老师表示由衷的感谢！同时，在此期间，我也从我的室友和同学们得到许多帮助，是他们在我苦无头绪之时帮我找资料，在我有疑难时耐心给我解答，并一直给予我鼓励和支持，支持我认真细致的完成这篇设计。我也要向他们致以谢意。参考文献 1 蒋秀华.现代电视机原理M. 北京:高等教育出版社，2021. 2M.郑州:黄河科技学院，2021. 3M.西安:西安电子科技大学出版社，1997. 4 余兆明，余智.数字电视原理M.西安:西安电子科技大学出版社：2021 5 刘达.数字电视技术M.北京：电子工业出版社，20076 刘南平.彩色电视机原理与维修M.