大学毕业设计-20寸液晶电视开关电源的设计.doc

20寸液晶电视开关电源的设计摘 要电源在一个典型系统中担当着非常重要的角色。电源给系统的电路提供持续、稳定的能量，使系统免受外部的侵扰，并防止系统对外部电源造成污染。相反地，如果电源内部发生故障，不应造成系统的故障。本文基于这个思想，设计和制作一个符合指标要求的电源。开关电源具有高频率、高功率密度、高效率等优点, 被称作高效节能电源。因此，本设计在20寸液晶电视外置式电源的设计中采用了开关电源技术。本文以开关电源的发展历史、发展现状以及发展趋势为线索，介绍了开关电源的一些新技术，并利用这些技术设计符合要求的20寸液晶电视外置式开关电源。电源设计的主要指标是：电源工作频率为100kHz，输出直流电压24V，最大偏差小于0.4V，纹波小于220mV；最大输出功率108W；应用功率因数校正技术提高功率因数，使功率因数达到0.9以上；电源整机效率达到80；此外，本文设计了电源保护电路和安全功能，包括过压保护（OVP）、过流保护（OCP），安全接地；实现了电源的高效率化，环保化，以及安全化。最后，在完成基本指标的情况下，本文提出了电路改进的几条方案。包括无源功率因数校正电路，无源吸收电路，有源嵌位电路，以期使电路更加完善，电源性能更加优越，电源整机效率更高。关键词：线性电源 开关电源 开关管 脉宽调制 开关变压器英 文 缩 略 词EMI：Electro Magnetic Interference，电磁干扰PWM：Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制方式PFM：Pulse Frequency Modulation，脉冲频率调制方式PFC：Power Factor Correction，功率因数校正TRC：Time Rate Control，时间比率控制OVP：Over Voltage Protection，过压保护OCP：Over Current Protection，过流保护目 录1 引言12 开关电源的概述12.1 开关电源的基本原理12.2 开关电源的发展22.3 开关电源的技术动向22.3.1 单片式控制芯片的新技术32.3.2 功率校正技术33 开关电源在LCD中的应用43.1 LCD电视功能模块43.2 LCD电视的供电方式44 设计指标及要求45 方案的比较与确定55.1 单片式电源控制芯片55.2 PWM控制芯片65.3 带PFC的PWM控制芯片75.4 芯片的选择75.5 原理框图及电路设计86 电路原理分析及设计96.1 电路原理的概述96.2 开关电源的EMI设计96.2.1 EMI的结构与原理116.2.2 EMI滤波器选用与安装116.2.3 外壳对EMI的影响及其设计126.3 开关电源保护电路的设计126.3.1 热敏电阻防冲击电流电路126.3.2 压敏电阻防浪涌电压电路136.4 开关管的选择136.5 变压器的设计136.6 整流管的选择156.7 反馈电路的设计156.8 输出滤波器167 电路板的制作与调试167.1 PCB布局、布线设计167.1.1 总体布局、布线设计的原则167.1.2 布线步骤及注意问题177.2 电路测试及测试结果177.2.1 测试工具177.2.2 测试方法187.2.3 测试结果198 电路的优缺点及改进方案228.1 开关电源对电网产生的谐波干扰与抑制228.1.1 产生谐波的原因228.1.2 采用无源功率因数校正电路228.2 改善开关电源效率的技术238.2.1 开关电源内部的主要损耗238.2.2 降低主要损耗的各种技术239 结束语25致谢26参考文献27英文摘要28毕业设计成绩评定表1 引言图1 线性电源原理图线性电源的工作过程为: 将220V/50Hz的工频电网电压经过线性变压器T降压以后, 再经过整流D、滤波器FILTER和线性稳压，最后输出一组(或多组) 波纹电压和稳定度均符合要求的直流电源电压（李成章，1992）。线性电源的原理图如图1所示。图2 开关电源原理图开关电源，全称为开关式稳压电源，是上世纪70年代发展起来的，用来替代传统线性稳压电源的一种新型电源（李成章，1992）。开关电源一般是由全桥整流器、开关功率管Q、激励信号、续流二极管VD、储能电感L和滤波电容C组成。开关电源的核心部分是一个直流变换器（DC/DC），即通过开关功率管Q把直流电压变为脉冲方波，经滤波成为直流电压的过程。开关电源原理图如图2所示。开关电源工作的频率越高，就越有利于提高电源的效率，减小变压器的体积。开关电源出现的时候，功率开关管的工作频率为20kHz。因此，开关电源称20kHz革命。由于功率场效应管性能改进, 现在的开关管工作频率已远高于20kHz，达到100kHz以上。由于开关电源重量轻、体积小、价格低、变换效率高，今天, 几乎在所有的使用直流电源的场合取代了工频变压器稳压电源。2 开关电源的概述开关电源的种类较多，可根据不同标准进行分类。开关电源根据开关变压器与负载的连接方式可分为：串联型开关电源和并联开关电源；按照控制开关的导通方式可分为调宽型和调频型；按照电源启动方式的不同可分为自激型和它激型两种（张新德，2003）。2.1 开关电源的基本原理目前设计的开关电源大多采用脉宽调制(PWM，Pulse Width Modulation)方式，少数采用脉冲频率调制(PFM，Pulse Frequency Modulation)方式或混合调制方式（何希才等，2004）。图3 PWM和PFM波形PWM方式和PFM方式的调制波形分别如图3(a)、(b)，表示脉冲宽度（即功率开关管的导通时间），T代表周期。从中很容易看出二者的区别。但他们也有共同之处：（1）均采用时间比率控制（TRC，Time Rate Control）的稳压原理，无论是改变还是T，最终调节的都是脉冲占空比。（2）当负载由轻变重，或者输入电压从高变低时，分别通过增加脉宽、升高频率的方法，使输出电压保持稳定。2.2 开关电源的发展开关电源已有几十年的发展历史。早期产品的开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域（周志敏等，2003）。20世纪60年代出现了晶闸管（可控硅）相位控制式开关电源，70年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难以推广，使之应用受到限制。70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重新获得发展。自20世纪90年代以来，开关电源的发展更是日新月异。许多新的领域和新的要求也对开关电源提出了更新的挑战。从开关电源的输入和输出条件来看，电源输入的要求变得更严了，不符合IEC1000-3-2标准的产品将陆续被淘汰；输出则派生出了许多特殊的应用领域，研制和开发的难度变得更大了。正是由于外界的要求，推动了两个开关电源的分支技术（有源功率因数校正技术和低压大电流高功率DC/DC变换技术）的发展，并一直成为当今电力电子的研究课题（周志敏等，2003）。2.3 开关电源的技术动向开关电源控制芯片具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现已成为开发中、小功率电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路（沙占友等，2003）。总的来说，无论是PWM控制芯片开关电源还是单片开关电源，都正朝着短、小、轻、薄、节能、安全的方向发展（刘军，2002）。2.3.1 单片式控制芯片的新技术（1）“绿色节能”型开关电源。对于IC厂家来说，主要目标是设计各种电源开关管、整流器，使之达到高速低功耗。而对于电源产品厂家，则注重选用合适的电源芯片，使之工作在最佳的状态，达到节省电能的目的。（2）频率抖动技术。采用了“频率抖动”(Frequency Jittering)技术，以降低由开关频率高次谐波所造成的电磁干扰。将开关频率限制在很窄的波段内抖动。例如：当开关频率在132kHz附近不断变化时，这个频率与132kHz固定频率的高次谐波之间没有相关性，因此利用频率抖动技术能够降低传导噪声。其开关频率的抖动范围是128kHz136kHz，抖动量为4kHz。（3）跳过周期。采用跳过周期的工作方式进一步降低输出功率，来提高轻载时电压的稳定性。此方式可等效为先将占空比固定在1.5%(或更低值)上，然后用PFM方式调节轻载时的输出值。根据负载变化情况，开关电源能在正常工作方式和跳过周期方式二者之间自动转换，而无须其他控制。2.3.2 功率校正技术传统的开关电源存在一个致命的弱点：功率因数低，一般只有0.450.75，而且其无功分量基本上为高次谐波。高次谐波的危害在很多电器设备中会造成致命的影响（周志敏等，2003）。区别于传统的开关电源，新型的开关电源都加上了功率因数校正(PFC，Power Factor Correction)电路，以提高电路的效率，减小谐波的影响。常规开关电源的功率因数低的根源是整流电路后的滤波电容使输出电压平滑，使输出电流变为尖脉冲（如图4）。如果整流电路后面不加滤波电路，仅为电阻性负载时，输入电流即为正弦波，并且与电源电压同相位，功率因数则为1。于是功率因数校正电路的基本思想是将整流器与滤波电容隔开，使整流电路由电容性负载变为电阻性负载。在功率因数校正电路中，其隔离型电路如图5。图4 常规开关电源波形图5 基本隔离型PFC电路3 开关电源在LCD中的应用在当今的显示领域中，LCD越来越占据着重要的地位，LCD电视将逐步取代传统的CRT电视。对LCD与CRT在电源方面进行比较，LCD要求的功率大大降低，但是LCD对电源的质量、指标要求却更为苛刻。3.1 LCD电视功能模块模拟LCD输入的是模拟信号，模拟信号经过放大、ADC转换变为数字信号，再通过象素控制器把数字信号在LCD屏板上显示出来。数字LCD则直接输入数字信号，没有ADC转换器。有一数字信号接受器，接收器把接受到的数字信号进行相关的处理才能显示。控制LCD工作的是微处理器，微处理器接受外面的信号，并发出相应的控制命令，使LCD实现不同的功能；此外，微处理器与一个存储器相连，实时记忆不同的操作设置，实现断电记忆的功能。大的存储器还能存储游戏、歌曲等内容，以扩展LCD的娱乐功能。3.2 LCD电视的供电方式LCD电视的供电方式分为集中式供电和分散式供电两种。在集中式供电方式中，统一先将220V市电转化为24V直流稳压电源，再将24V的直流电分别变换成5V、8V、12V等，然后还可以将变换后的5V再次转变为3.3V和2.5V的直流电压，为不同的器件提供合适的电压值。分散式供电方式则将220V的市电通过变压器分成不同的电压值输出，不用经过多次变换，直接供给相关器件。这种方式的优点是器件比较少，无须经过多次变换，电路较简单。但缺点是变压器会增大，而且对变压器的准确度要求高，不易实现多路精准输出。如果电源发生故障，有可能损坏LCD内部器件，因此一般采用集中式供电方式。在整个LCD电视系统中，本设计的主要任务是设计外置的220V交流电到24V稳压直流电源的设计，并要求24V电压符合相关要求。4 设计指标及要求20寸液晶电视外置式开关电源的具体设计指标及要求如下所列：（1） 该设计是AC到DC电源产品的设计，为20寸LCD液晶电视提供电源。电源输出功率为108W。（2） 输入电压：a：常规要求100240VAC；极限要求：90265VAC。（3） 输入频率：4763Hz。（4） 输入电流：输入电压90VAC，输出满载时，最大输入电流为1.5A。（5） 瞬间峰值电流：输入电压230VAC，输出满载，冷启动25C时，最大峰值电流为10A。（6） 峰值维持时间：输入电压115VAC，输出满载时，最少维持10ms。（7） 输入功率：空载时，少于0.75W。（8） 安全要求：a：输入254VAC时，泄漏电流小于0.25mA；b：绝缘性：主副电路间电阻大于4m；c：地安全：安全地与输出地电阻小于0.1；（9） 输出电压与输出电流（见表1）：表1 输出电源与输出电流VoutRangeIout(min)Iout(max)Peak(4s)24V23.624.4V0A4.5A（10） 纹波及噪声：低频率纹波（100kHz）110Vpp，纹波及噪声和小于220mVpp。（11） 保护电路：a：过压保护；b：过流保护。（12） 温度系数：小于0.2/C。（13） 工作温度：a：长时间040C；b：短时间-4070C。（14） 空气湿度：a：长时间2080；b：短时间1090。5 方案的比较与确定分析设计要求，初步确定使用PWM控制芯片，实现开关电源的基本功能；为了提高开关电源的功率因数，使用单级PFC技术。根据设计要求，电源方案的确定首要的问题是选择合适的控制芯片（开关电源集成控制器）。开关电源集成控制器是按输入输出条件控制主回路的工作状态的器件，大多为脉宽调制型（PWM）。PWM型控制器中又有带PFC和不带PFC的PWM控制器。带PFC的控制器有两路PWM驱动输出，一路用来驱动PFC开关管（即PFC技术），一路驱动PWM功率开关管。有关开关电源的控制芯片有很多。现在介绍几种常用的，并从中选择满足设计需要的控制芯片。5.1 单片式电源控制芯片开关电源自开始应用以来，涌现出许多功能完备的集成控制电路，使开关电源电路日益简化，工作频率不断提高，效率大大提高，为电源小型化提供了广阔的前景。单片开关电源就是其中的例子。单片式电源控制芯片中，三端离线式脉宽调制单片开关集成芯片TOPSwitch系列为典型的控制芯片之一。如图6所示，是TOPSwitch系列控制芯片通用的应用电路。图6 TOPSwitch系列控制芯片应用电路TOPSwitch系列控制器与功率开关管合二为一封装在一起，采用TOPSwitch开关集成芯片设计开关电源，可以使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。常用的单片式开关电源控制器还包括TEA系列,NCP系列，MC系列。5.2 PWM控制芯片图7 NCP1377典型应用电路PWM控制芯片的工作原理是：电源在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节PWM控制芯片的导通脉冲宽度，使它对输出电压进行调整，使电源输出电压稳定。PWM控制芯片也有很多，NCP系列的NCP1207、NCP1377就是典型的代表。如图7所示，是NCP1377的典型应用电路。NCP1377控制芯片的PWM输出频率范围为从100kHz到150kHz，芯片自身具有过压保护、过流保护。其中管脚1为过压探测端，内部基准电压为7.2V，即当该点电压超过7.2V时，芯片就进入过压保护状态；管脚2为反馈输入端，芯片根据反馈信号进行PWM脉宽调整，使输出电压稳定；同理，管脚3为过流探测端；管脚5为PWM输出，驱动开关管。5.3 带PFC的PWM控制芯片由于设计中还要使用PFC（Power Factor Correction）技术。因此，用一片PWM控制芯片不能满足要求，须使用带PFC的PWM控制芯片。这种芯片提供两路PWM驱动开关管，一路称为PWM驱动，另一路称为PFC驱动。使用带PFC的PWM控制芯片，降低了电源整体成本，且具有多种保护功能，使用方便，效率更高。带PFC的PWM控制芯片由于使用了PFC技术，使电源的功率因数大大提高。 如图8所示，分别是TDA16888与ML4824芯片的管脚图。从图中可以看到，TDA16888的管脚8与管脚10分别是PFC控制端和PWM控制端；ML4824的管脚11与管脚12分别是PFC控制端和PWM控制端。这是两片典型的带PFC的PWM控制芯片。图8 TDA16888与ML4824管脚图TDA16888ML48245.4 芯片的选择比较ML4824与TDA16888，芯片内部结构都分为PFC控制器和PWM控制器，外部管脚及功能都基本相同，而ML4824的特点是：（1） 集成PFC和PWM在一片芯片中；（2） 低谐波分量；（3） 能降低PFC和PWM间储能电容的纹波电流；（4） 能高效率地工作在PWM电压和电流模式；（5） PFC过压比较，并限流输出；（6） 过压保护，软启动。ML4824满足IEC1000-3-2关于AC输入电流的谐波限量的要求。根据频率的不同，ML4824可分为两种，一种是PFC频率与PWM频率相同；另一种则是PWM频率为PFC频率的两倍。其频率最大值可达250kHz。由于ML4824芯片的性能优越，各种保护功能完善，外围电路简单而得到广泛的应用。因此，本设计将采用这种芯片，它的功能可以满足设计的需要。下面详细介绍ML4824的管脚功能，并设计出电路方案。ML4824为16管脚DIP形式封装，各管脚功能为：管脚1：（IEAO）PFC输出电流传感器输入；管脚2：（IAC）AC线路电压传感器输入；管脚3：（ISENSE）PFC电流限制传感输入；管脚4：（VRMS）PFC电压环路补偿；管脚5：（SS）PWM软启动；管脚6：（VDC）PWM电压反馈输入；管脚7：（RAMP1）振荡器频率建立；管脚8：（RAMP2）电流或电压工作方式；管脚9：（DC ILIMIT）PWM电流限制输入；管脚10：（GND）地；管脚11：（PWM OUT）PWM驱动器输出；管脚12：（PFC OUT）PFC驱动器输出；管脚13：（VCC）电源电压；管脚14：（VREF）7.5V基准电压；管脚15：（VFB）PFC电压环路反馈；管脚16：（VEAO）PFC输出电压传感器输入。芯片的管脚5（SS）为PWM软启动，外接启动电容；管脚6（VDC）为PWM电压反馈输入，当VDC为高电平时，PWM占空比变大，反之则变小；管脚7（RAMP1）为振荡器频率建立端，外接电容和电阻，并由电容和电阻的乘积决定芯片工作频率；管脚9（DC ILIMIT）为过流保护，当流入管脚的电流大于额定值，芯片将进入保护状态；管脚10（GND）为接地；管脚13（VCC）电压为14V；管脚14（VREF）内部基准电压7.5V。5.5 原理框图及电路设计根据选择的芯片及电源设计要求，可以画出本电源的设计原理总框图，如图9所示。220VAC电压经过EMI滤波器，整流器；整流后进行PFC变换，使输出电压频率增高；ML4824为PFC开关管和PWM开关管提供驱动；变压器和PWM开关管组成开关电源的主要部分，实现DC/DC变换；反馈电路用光电耦合，隔离冷热（通常把变压器原边之前的地线称为热地，输出的直流地线称为冷地）不同的接地。根据设计设计框图及芯片的具体功能，该电路可以设计出来。如图10所示，即为本设计的电源总电路图。开关管ACEMI及整流变压器开关管ML4824整流滤波反馈图9 开关电源设计电路的结构框图6 电路原理分析及设计6.1 电路原理的概述如图10为本设计的电路。 220V交流电通过EMI(Electro Magnetic Interference)滤波器，减小电源对电网的电磁干扰；直接经整流桥进行整流，整流后进行PFC功率因数校正，以提高电路功率因数；然后采用高压大电容设计滤波器，对高频的整流波进行滤波；滤波器输出的是310V的高压直流电压，通过开关变压器、PWM开关管和输出滤波器进行DC/DC变换，即利用开关管的开关作用把直流电压变换成一定频率的PWM波形，通过开关变压器把能量传递到输出端，这样再经过输出端的整流器和滤波器，就可以得到直流电压输出，输出的电压值大小要由反馈部分来确定。使用精准调整器TL431和光电耦合器PC817C设计反馈电路，反馈电路根据输出电压反馈到控制芯片，从而使控制芯片输出PWM控制信号，就可以输出精确的电压值。6.2 开关电源的EMI设计在开关电源设计中，要充分考虑并满足抗干扰的要求。抗干扰设计的目的是：抑制干扰源，切断干扰传播途径，提高敏感器件的抗干扰性能。开关电源的EMI设计就是考虑滤波器、高频变压器、软开关技术、共模干扰的有源抑制及印制线路的抗干扰设计。图10 用ML4824设计的开关电源总电路图6.2.1 EMI的结构与原理图11 电源滤波器滤波是一种抑制传导干扰的方法。在电源输入端接上滤波器，可以抑制来自电网的噪声对电源的侵害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰，同时对传输线上的辐射发射也具有显著的抑制效果。在滤波电路中，选用穿心电容、三端电容、铁氧体磁环，能够改善电路的滤波特性。进行适当的设计和选择合适的滤波器，并正确安装滤波器。在交流输入端加装的电源滤波器如图11所示。图11中、用于抑制差模噪声，一般取为100700mH，取110F。、用于抑制共模噪声，需要根据实际情况进行调整。图12 共模电感及磁通方向所有滤波器都要接地，因为滤波器的共模旁路电容只有在接地的时候才起作用。一般是除了将滤波器和金属外壳相接之外，还要用较粗的导线将滤波器外壳与设备的接地点相连。接地阻抗越低，滤波效果越好。滤波器尽量安装在靠近电源入口处。滤波器的输入端要尽量远离输出端，避免干扰信号从输入端直接耦合到输出端。图12是设计的共模电感及其磁通的方向，它在同一个铁芯上有两个匝数相等的绕组，电源线的往返电流在铁芯上有两个匝数相等的绕组。电源线的往返电流在铁芯中产生的磁场方向相反，相互抵消，因而不起电感作用；而对于共模噪声，相当于一个大的电感量，呈现高阻抗，因此对共模噪声有良好的抑制作用。6.2.2 EMI滤波器选用与安装EMI滤波器具有互易性，即把负载接在电源端或负载端均可。在设计中，为达到有效抑制EMI信号的目的，根据与滤波器两端相连接的EMI信号源阻抗和负载阻抗来选择该滤波器的网络参数。这里、分别取20H和1nF，如图13所示。图13 实际设计参数电磁兼容的设计目的是在网络结构符合最大失配的原则下，尽可能合理选择元件参数，使EMI信号衰减最大。在安装滤波器时，保持滤波器的输入导线与输出导线的间隔距离，不能把它们捆在一起走线。否则，EMI信号很容易从输入线上耦合到输出线上，这将会大大降低滤波器的抑制噪声的效果。6.2.3 外壳对EMI的影响及其设计电源的外壳应该担当起内部电路辐射噪声电磁屏蔽的作用。因此，外壳应该使用金属质地的磁性材料。EMI的屏蔽原理是促进涡流在表面流过，从而耗散电磁噪声能量。同样，电源的外壳担当起了高斯外壳的作用，即整个外壳都是良导体。所以可移动的盖子和外壳部分在其接口部分要有非常好的电连接。设计中采用通用的铁材料外壳，电路板与外壳的连接处加涂焊锡，使活动连接处的电阻足够小，以保证EMI屏蔽的有效性。6.3 开关电源保护电路的设计6.3.1 热敏电阻防冲击电流电路在大功率开关电源中，接通电源的瞬间，由于滤波电容的初始值为零，电容急剧充电，产生很大的瞬间充电电流，称之为冲击电流（周志敏等，2003）。图14 防冲击电流电路冲击电流会造成输入熔断器烧断，有时甚至将合闸开关的触点烧坏，轻者也会使空气开关合不上闸，使电源无法正常工作。因此，必须在输入端加上防护电路，即串接一个热敏电阻RT（如图14所示）。利用热敏电阻的负温度系数特性，在电源接通瞬间，热敏电阻的阻值较大，大到限制冲击电流的作用。当热敏电阻流过较大电流时，电阻发热而使其阻值变小，电流处于正常工作状态。6.3.2 压敏电阻防浪涌电压电路图15 防浪涌电压电路如图15所示。压敏电阻RV的作用是吸收从电网窜入的浪涌电压。电网中的电压由于受到其它用电设备或自然雷电的干扰，容易引起浪涌电压。浪涌电压往往都是在瞬间发生，并且电压值会升得很高，它会使电源中的保险丝和其它元器件烧坏。因此，在输入电压的两端加上压敏电阻，起到分压的作用，吸收浪涌电压，保护了后面的电路。6.4 开关管的选择采用功率MOSFET，具有开关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击穿现象、过载能力强、抗干扰能力强等优点。MOSFET开关管是电压控制电流源。为了驱动MOSFET进入饱和区，需要在栅源极间加上足够的电压，以使漏极能流过预期的最大的电流。功率MOSFET通常分为两类：一类是标准的MOSFET。这种MOSFET 的为812V，以保证额定的漏极电流。另一类是逻辑电平MOSFET。这类MOSFET的只需45V，其漏源电压额定值较低（输入原理网表-设计参数设置-手工布局-手工布线-验证设计-复查-光绘文件的输出。（2）参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求。在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平相差悬殊的信号线应该短且加大间距，现将走线间距设为8mil，可以满足布线的密度要求。（3）开关电源中包含有高频信号，PCB上任何印制线都可以起到天线的作用，印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗，从而影响频率响应。因此，将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽。（4）印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。根据印制线路板电流的大小，加粗电源线宽度，减少环路电阻。 同时、使电源线、地线的走向和电流的方向一致，因为这样有助于增强抗噪声能力。（5）接地是开关电源四个电流回路的底层支路，作为电路的公共参考点，起着很重要的作用，它是控制干扰的重要方法。因此，在布局中仔细考虑了接地线的放置，不能将各种接地混合连接。（6）检查：布线设计完成后，再检查布线，确定符合预先所制定的规则，同时还确认制定的规则符合印制板生产工艺的需求。此外，还要检查线与线、线与元件焊盘、线与贯通孔、元件焊盘与贯通孔、贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理；电源线和地线的宽度是否合适，在PCB中是否还有使地线加宽的地方。（7）输出光绘文件时的注意事项：需要输出的层有布线层（底层）、丝印层（包括顶层丝印、底层丝印）、阻焊层（底层阻焊）、钻孔层（底层）。7.2 电路测试及测试结果7.2.1 测试工具测试电源的各项性能指标，需要不同的仪器设备。根据电源指标的具体要求，也要使用精度要求不同的仪器。本设计要求精度校高，需要一些高精度的仪器，以减小测试不准所带来的误差。设计用到的测试工具和测试内容见表3。表3 测试工具编号测试工具工具型号测试内容备注1AC交流电源提供交流电压2示波器Tektronix TDS2012Tektronix TDS5034检测电压波形3数字万用表ABM DM3559测量电压、电流值4负载UNICORN UP-500测试输出功率5功率计UNICORN 2018测试输入功率7.2.2 测试方法在电路的调试和修改过程中，采用循序渐进的方法和分部分调试的方法。本设计在完成制作后进行如下的检查和测试：（1）电路组装、焊接和检查。做好的PCB板做好之后，先对照电路原理图检查一遍，直至无误后方可焊接。（2）搜集元器件、焊接电路。电路中所用到的元器件比较多，且种类复杂，故应提前准备好一些不常用的元件，包括控制芯片和专门设计的变压器。焊接的时候要对号入座，不要焊错位置，不要有虚焊，避免电路的电气故障。（3）焊接好电路之后，再检查一遍，核对元器件的参数和位置，检查有无短路现象。保证准确无误之后，可以通电试机。（4）出现的问题。初次通电，一般都会存在这样或那样的问题。首先是要使芯片能正常工作，保证芯片正常工作的基本条件是VCC电压正常（14V）。但是，开机的瞬间，芯片的电压并不是由变压器的反馈端提供的，而是由芯片的启动电容和启动电阻共同完成的，即本电路中的C108和R111，因此这两个元件的参数值尤为重要。本设计使用C108的电容值是几十F。但是，经过调试发现，这个电容值不够大。因此，加大到330F。电阻R111为39k，可以保证足够大的电流通过。此外，C116也是配合芯片内部的软启动电容，电容值为1F，过大或过小都不行。除了电阻电容值符合要求之外，开关变压器也是一个非常重要的元件，只有参数设计合适的变压器，电路才能正常工作。芯片启动以后，电路就能正常工作。电路一旦工作，再逐步完善各项功能指标。7.2.3 测试结果（1）控制芯片输出的PWM波形。芯片正常启动后，电路输出端将输出PWM波形。芯片根据反馈电路的信号调整方波的占空比，以此来控制输出的电压值。如图19所示是芯片正常工作时输出的PWM波形，它的平均值为12V，以驱动开关管工作。从图中可以看到，芯片输出的并非是标准的方波信号，这是因为开关管在高频导通和截止时的抖动现象，属于正常情况。图19 芯片输出的PWM波形图20 芯片输出的PFC波形芯片工作的条件较为苛刻，例如当变压器的反馈端输出电压不稳定，导致供给芯片工作的VCC电压不稳定，就会导致芯片不能正常工作，芯片不能正常工作，将输出畸形的PWM脉冲，进一步使输出畸形程度加深，造成恶性循环。该芯片正常工作时VCC电压值为14V；又如，当PCB布线时将芯片电路与交流电路靠得太近，也会干扰芯片的工作，输出不正常的PWM波形，得不到稳定的电压。且容易使开关管处于半导通状态，消耗能量，严重时还会烧坏开关管，造成电路不能正常工作。（2）控制芯片输出的PFC波形。 芯片PFC输出波形如图20所示。PFC开关管通过开关作用，把整流后的电压“劈”成一片一片的“碎丝”，从而便于高压滤波和提高功率因数。芯片的PFC输出幅值与PWM相等，因为它驱动相同的MOSFET功率开关管。理论上，PFC脉冲波的频率越高，就越有利于提高功率因数。但是，在实际当中，芯片不可能无限度提高输出频率，因为高频率容易对周围电路造成干扰。因此，通常情况下，芯片PFC的输出脉冲频率与PWM的输出脉冲频率相等。（3）输出波形。图22 空载时PWM波形与变压器副边波形图21 输出电压波形图开关电源输出电压稳定的特点是动态稳定，即要求芯片随时调整控制脉冲的宽度，实时调整输出电压值。因此，输出电压处于一种动态平衡状态。电路空载时，输出损耗的电流很小，PWM脉冲的占空比很小；带负载时，输出电流变大，PWM脉冲的占空比就变大，这样使得开关管在每个周期内的导通时间变长，保证输出电压的稳定。经过空载和负载测试实验，输出波形如图21所示。（4）空载时PWM波形与变压器副边波形比较。在正激式开关电源中，理论上，变压器副边输出波形与原边波形相位和形状是一致的。但是，由于空载时输出电流为零，当开关管截止时，变压器副边电能不能及时释放，会形成振荡的波形。实测波形如图22所示。为了防止电压振荡对LCD的影响，通常在24V输出端接上一个几百欧姆的电阻作为电源空载时的假负载，使电源输出端真正空载的情况不会出现。（5）负载时PWM波形与变压器副边波形比较。图23 负载时PWM波形与变压器副边波形 输出负载时，由于有输出电流，变压器副边波形就与原边波形相同，即与PWM波形相同，图23即为负载时PWM波形与变压器副边波形的比较。根据脉宽调制的原理，输出负载越重，脉冲占空比就越大，这样才能输出足够大的功率。但是，并不是占空比越高越好，这是因为占空比增大了，开关管在周期内的导通时间就变长了。当这个导通时间超过周期时间的一半时，开关管就会烧毁。因此，设计电源时要充分考虑这个问题，以确定电源的额定功率。通常情况下，开关管的占空比不能大于50。（6）数据测试。测试电路输入输出的性能指标：这部分将利用功率计测试功率，用数字万用表测电压和电阻，用示波器测纹波，测试电路在90VAC、100VAC、240VAC和264VAC不同输入电压时的性能，以判断是否符合设计要求。所测数据见表4。表4 数据记录测试项目90VAC1# 2#100VAC1# 2#240VAC1# 2#264VAC1# 2#空载损耗（W）0.350.380.390.390.740.750.780.77空载电压（V）23.9423.8923.9923.9024.0424.3024.2324.33负载电压（V）23.7024.0123.8023.9224.0623.9524.0523.87负载电流（mA）39504001396639864010399140083978输出功率（W）93.696.094.395.296.595.596.294.7输入功率（W）107.5112.9107.1114.7116.2115.0114.5110.1效率（）8785888383838486纹波（mV）402419451442400450420415注：负载电流为在负载等于6测试时根据负载电压计算出来的；电源效率是根据输入功率和输出功率计算出来的。在室内常温（25C）及湿度环境下，经满载测试，输出电压值能保持24V稳定。但要对电源附加风扇散热，否则容易烧坏开关管；绝缘性（即主副电路之间的电阻值为4.7m）正常；安全地输出电阻也小于0.1，可以满足安全要求。8 电路的优缺点及改进方案8.1 开关电源对电网产生的谐波干扰与抑制实践证明，开关电源产生的高次谐波会沿电网输电线路产生传导干扰和辐射干扰，从而对供电系统产生污染并影响其它用电设备正常运行。 因此，无论从保护电网的安全运行，还是从用电设备正常工作来看，防止和减少谐波对电网的污染，抑制电磁干扰都尤为重要。8.1.1 产生谐波的原因开关电源产生谐波的原因主要有两个方面： （1）当交流电源的输入电压小于滤波电容C的端电压时，整流管都处于截止状态。当电路达到稳态后，在交流输入电压的一个周期内二极管的导通时间是很短的,输入电流波形畸变为幅度很大的窄脉冲电流。这种畸变的电流含有大量的谐波成分，这些谐波，特别是高次谐波会沿输入导线产生传导干扰和辐射干扰。图24 PPFC电路（2）在开关电源中，开关管及开关变压器工作于15kHz以上的高频开关状态，在开关管关断期间,开关变压器中储存的能量将与分布电容产生衰减振荡，形成幅度很大的尖峰脉冲电压。其频率范围宽且谐波丰富，将会对电网造成严重的谐波污染。8.1.2 采用无源功率因数校正电路EMI 滤波电路虽然能有效地抑制传导干扰，但仍无法解决输入电流波形畸变的问题。因此，要降低电流谐波含量，必须改善桥式整流电容滤波电路的输入特性。这也是提高电路功率因数的有效措施。图24是一种由电容、二极管组成的无源功率因数校正(PPFC) 电路。当电路达到稳态后,整流二极管的导通时间增大，输入电流波形得到较大的改善。若在开关电源的输入端接入该复合 PPFC 电路，可将输入电流总谐波含量降低到30以下，功率因数可提高到0.90左右。8.2 改善开关电源效率的技术在前面的论述中，利用了PFC技术提高开关电源的功率因数，这是改善电源效率的一种方法。但是，从具体的元器件上减小损耗，也是提高电源效率的另一有效办法。8.2.1 开关电源内部的主要损耗开关电源内部的损耗大致可以分为四个方面：开关损耗、导通损耗、附加损耗和电阻损耗。这些损耗会在有损器件中同时出现。功率开关是典型的开关电源内部最主要的两个损耗源之一。损耗基本上可以分为两部分：导通损耗和开关损耗。导通损耗是当功率器件已被开通，且驱动和开关波形已经稳定以后，功率开关处于导通