彩色电视机开关电源电路设计

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.1 2 开关稳压电源的性能特点.1 2.1 开关稳压电源的优点.1 2.1.1 内部功率损耗小，转换效率高.1 2.1.2 体积小，重量轻.2 2.1.3 稳压范围宽，线性调整率高.2 2.1.4 滤波效率大为提高，滤波电容的容量和体积大为减小.2 2.2 开关稳压电源的缺点.2 2.2.1 开关稳压电源存在着较为严重的开关噪声和干扰.2 2.2.2 电路结构复杂，不便于维修.3 2.2.3 成本高，可靠性低.3 3 开关稳压电源的分析.3 4 开关稳压电源的设计方案.6 4.1 主电路.6 4.2 输入滤波电路.6 4.3 整流与滤波电路.6 4.4 逆变电路.7 4.5 输出滤波电路.7 4.6 控制驱动电路.7 5 开关稳压电源的硬件设计.8 5.1 主电路设计.8 5.2 隔离驱动电路设计.9 5.3 PWM 控制电路设计.9 5.4 开关电源功率变压器的设计.10 总 结.12 参考文献.12 1 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 2.1.1 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。 2.1.2 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。 2.1.3 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 2.1.4 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 2.2.1 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。 2.2.2 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。 2.2.3 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(D1)。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 1L I 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 1L I （3.1）LItotUoUiI LoL / )()( 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 0L I 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）LIttUoUiI LL / )01()( 0max 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）LttUoUiIII llL / )1)( 1max1 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）LTonUoUiLttUoUiIl/)(/ )01)( 1max （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 2L I 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） max2 / ) 1( LL ILttUoI 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） maxmin / ) 12( lL ILttUoI 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）LttUoIL/ )2( 2 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）Toff L Uo tt L Uo Il) 12( 2max （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）Toff L Uo Ton L UoUi )( 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）Ui T Ton UiDUi ToffTon Ton Uo 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） )37 . 0( 1 00d S RRC f 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