笔记本电源适配器的设计

1、摘 要本篇论文介绍的笔记本电源适配器的设计。是一种开关稳压电源，系统首先由工频电网接入220v，50hz的交流电压，这个交流电压经过一级整流、滤波电路处理后送入由两个开关晶体管组成的逆变电路进行转换，晶体管管通过开通或切断电流通路将直流电压变成一个100 khz的交流电压，交流电压送入高频变压器进行降压，降压后输出的交流电再经过高频整流、滤波后输出一个16v的直流电压，输出端反馈回的电压，电流信号经过控制芯片tl494的处理后，由8脚和11脚输出宽度可调的脉冲信号给开关管，控制开关管的脉冲信号，从而达到恒流，稳压输出的目的。文中第1章主要是对设计的总体介绍和题目所涉及到的背景和意义等。第2章开

2、始主要叙述的是本次设计中所用到的芯片资料，包括内部结构、管脚功能典型应用电路。第3章开始详细的介绍了各部分电路的设计过程包括电路的设计，元件的选择，参数的计算等等。 关键词： 电源适配器 ，变压器 ，pwm控制电路，高频滤波abstracta design of adapter is introduced in this text. being a kind of switch is steady to voltage power supply, the system is first connected into a 220 v by the work frequency of curren

3、t net, the exchanges electric voltage with 50 hz, this exchanges electric voltage sends to go into after pass by a class commutate, the filter the electric circuit processing is constitute by two switch transistors of go against and change the electric circuit carry on a conversion, field the effect

4、 tube pass to break through or cut off the electric current thoroughfare to become the direct current electric voltage an exchanges electric voltage of 100 khz, communicating the electric voltage sends into high frequency transformer to carry on declining to press, the outputs alternate current pass

5、es by again high frequency to output a direct current electric voltage of 16v after commutate, the filter after declining to press, outputting electric voltage that carry feedbacks return, the electric current signal is outputted adjustable pulse signal of width by 8 feet and 11 feet to take care of

6、 to the switch through the processing of the control chip tl494, controlling a switch a tube of pulse signal, attain invariableness to flow thus, steady voltage the outputs purpose. the safe work that still established to lead to voltage protection electric circuit in the switch power supply electri

7、c circuit with the electric voltage, electric current led to flow protection electric circuit to examine an importation and output to carry in order to for the system in addition provided an emollient guarantee. chapter 1 in text mainly is to total introduction and topic of design involve to of the

8、background and meaning chapter 2 beginning mainly what to describe is in this design use of chip data, include internal structure, the pin function typical model application electric circuit. chapter 3 beginning introduced each design process of parts of electric circuits to include the design of th

9、e electric circuit in detail, the choice of the component, the calculation etc. of the parameter.key words: adapter ，transformer ，pwm control circuit ，high frequency of filter,目录摘 要iabstractii1 绪论1.1 什么是电源适配器1.2电源适配器的发展与趋势1.3 半桥开关稳压电源1.4 目前正在克服的困难1.5开关电源的发展方向2系统的总体概述及部分元件介绍2.1 系统的功能及工作过程2.2 tl494芯片简

10、介2.2.1 tl494芯片工作原理3 系统元件设计3.1 输入整流与滤波电路3.1.1 一次整流电路3.1.2 一次滤波部分3.2 变压器的设计与计算3.2.1 开关变压器的设计3.2.2 导线线径的选取3.2.3 线圈绕制与绝缘3.3 功率开关管的选择3.4 输出二极管vd2的选用3.5 pwm控制电路的设计3.5.1 pwm控制模式的基本原理3.5.2 pwm控制电路原理图3.5.3 控制芯片tl4943.6 逆变电路的设计3.7 驱动电路的设计3.7.1 电路简介3.7.2 工作过程3.7.3 二极管d5的作用3.8 输出整流滤波电路的设计3.8.1 输出滤波器的设计3.8.2 输出整

11、流电路的结构结论致谢参考文献附录1 绪论1.1 什么是电源适配器 近年来，电子产品，如笔记本电脑，液晶显示器，数码相机，pda，手机，随身听等发展迅速，其中绝大多数需要低压直流电源为其供电或为其机内电池充电，为了从市政电力的交流系统中获取电力，两者之间必须有ac/dc的转换装置，这就是电源适配器。它是将交流电网的交流电变换成电子产品所要求的直流电压，其输出电压一般较低(几伏到十几伏)，功率较小ul瓦到一百多瓦)。示意图如下：电源适配器电子产品 交流电网图 1.1电源适配器示意图 1.2电源适配器的发展与趋势 笔记本电源适配器的作用是将日常的市电转换为笔记本电脑工作所需的电压和电流承担着电压转换

12、的重任。因此它品质的好坏将直接威胁到本本的安全性。笔记本电源适配器属于开关电源具有线圈式变压器所不具备的很多优点。在相同功率的情况下开关电源具有体积小、重量轻、低损耗、功率密度大等优点。并具有输入电压宽、稳压精度高、过流过压、短路保护等功能。正是因为具有上述优点，所以现在大多数的电子产品都用开关电源作为电源适配器。在20世纪七、八十年代，电源适配器采用线性电源技术，其原理图如图1.2所示。交流电压经过工频变压器变压后得到较低的交流电压，通过全桥整流电路、滤波电路和稳压电路，然后得到稳定的直流电压输出，其中稳压电路的调整管工作在放大状态。线性电源稳定度较高、输出电压纹波较低，没有emi干扰的问题

13、。但线性电源存在以下缺点:1)它需要工频变压器，电源体积和重量较大;2)输入电压范围很窄;3)稳压电路中的调整管工作在线性放大状态，损耗较大，效率很低(35%左右)，需要较大的散热片。开关直流电源组成的方框图如图 1.3所示。交流电压经过全波整流电路和滤波电路得到较为稳定的直流电压，再经过直直变换器得到需要的直流稳压电源。其中直直变换器中的功率管工作在开关状态。它效率高，体积小，重量轻，但是由于功率管工作在开关模式，会产生电磁干扰(electro magnetic interference, emi)问题，同时由于交流电网直接接到整流桥和滤波电路上。 在电网的半个周期内，只有在输入电压的峰值时

14、间才有输入电流，导致电源的输入功率因数很低 (大约为0.6)。该电流中含有大量电流谐波分量，对电网产生谐波 “污染”。随着用电设备的日益增多，谐波污染问题引起了越来越广泛的关注。 图1.2,线形直流电源组成的方框图 图1.3.开关直流电源组成的方框图我国70年代初期开始研制无工频变压器开关稳压电源。1974年成功研制出了工作频率为10khz、输出电压为5v的无工频变压器开关稳压电源。近10多年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校已研制出多种型号的工作频率在20khz左右，输出功率在1000w以下的无工频开关稳压电源，并且应用于电子计算机、通信、电视等方面，取得了较好的效果。工作频率为100kh

15、z200khz的高频开关稳压电源于80年代初期就开始研制，90年代初就已试制成功。目前正在走向实用阶段和再进一步提高工作频率。许多年来，虽然我国在无工频变压器开关稳压电源方面做出了巨大的努力，并且取得了可喜的成果，但是，目前我国的开关稳压电源技术和一些先进的国家还是有较大的差距，此外，这些年来，我国虽然把无工频变压器开关稳压电源的工作频率从10khz提高到了数百khz，把输出功率由数十瓦提高到了数百瓦甚至数千瓦，但是，由于我国的半导体技术与工艺跟不上时代的发展，导致我们自己研制和生产出的无工频变压器开关稳压电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管。所以我国的开关稳压电源事业要发展，要赶超世界

16、的先进水平，最根本的是要提高我国的半导体的技术和工艺。1.3 半桥开关稳压电源 所谓的“全桥”是指它是有四个“臂”的桥电路，简称为“桥式”或“桥”，在开关稳压电源中的“全桥”，四个臂就是四个开关调整管，所谓的“半桥”式开关电源，那它就是全桥的一半，也就是它只有两个臂，用两个开关管调整就可以。半桥式开关电源的优点是能“提高”开关变压器铁芯的磁导率，这是因为采用了两只开关调整管。会使磁通的变化率要大得多。 半桥变换器实际上也是由两个单端正激变换器组合而成，其中一个桥臂由两个特性相同.容量相等的电容器承担，每个电容承受二分之一的电源电压；另一个桥臂由两个受pwm信号控制驱动的功率开关管承担。输出从两

17、个桥臂的中点取出，或接高频变压器隔离变压。两个pwm驱动信号互补。 半桥变换器的高频变压器的磁芯是双向磁化，工作在磁化曲线的第一象限和第三象限。由于开关频率的不对称和驱动电路的不对称等原因，会引起直流分量，产生偏磁并可能因为积累而使变压器磁饱和，产生过大的电流，使变压器的效率因损耗增加而下降，严重时会使开关管件损坏，因此在半桥电路中应有防偏磁措施。另外，由于强点磁干扰，两只开关管因误触法可能同时导通，即形成直通而造成逆变崩溃，为此应有抗电磁干扰抑制措施，特别是驱动电路的屏蔽和布局工艺。但是半桥电路与其他电路相比因为开关管只承受电源电压的电压应力，所以可用于输入电压高的场合。1.4 目前正在克服

18、的困难随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断缩小，重量在不断的减轻，但是从事这方面研究和生产的人们对于开关稳压电源中的开关变压器还感到不是十分的理想，所以他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途径来取代开关变压器，使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要。这是从事开关稳压电源研制的科技人员目前需要克服的第一个困难。开关稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的，并且开关稳压电源中由于采用了开关变压器以后，才能使之由一组输出得到极性、大小各不相同的多组输出。要进一步提高开关稳压电源的效率，就必须提

19、高电源的工作频率。但是，当频率提高以后，对整个电路中的元器件又有了新的要求。例如，高频电容、开关管、开关变压器、储能电感等都会出现新的问题。进一步研制适应高频率工作的有关电路元器件，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第二个问题。工作在线性状态的线性稳压电源，具有稳压和滤波的双重作用，因此串联线性稳压电源不产生开关干扰，且纹波电压输出较小。但是，在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的其他元器件产生很强的尖峰干扰和谐振干扰。这些干扰会污染市电电网，影响临近的电子仪器和设备的正常工作。随着开关稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进，开关稳压电源的这一缺点得到了进一步

20、的克服，可以达到不妨碍一般的电子仪器、设备和家用电器正常工作的程度。但是一些精密电子仪器中，由于开关电源的这一缺点，却使得它不能得到使用。所以克服开关稳压电源的这一缺点，进一步提高它的应用范围，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第三个问题。近期要解决的问题：1 实现pwm的软开关；2 有源滤波器中采用谐振开关及软开关技术，效率提高悼90%以上；3 逆变器中采用谐振开关及软开关技术；4 谐振及软开关中的浪涌分析；5 采用高频同步整流技术；6 用于模拟传导噪声的变换器电路的模拟实验；7 使变压器、电抗热回路的变换器电路的分析和cad；8 mhz级开关中功率开关的智能化；9 使变压器、电抗器体积

21、最小的开关频率的确定；10 采用薄膜技术使3mm以下的薄形变压器实用化；11 超薄非晶形磁芯的高频特性分析，并用于噪声滤波器；12 磁性部件的屏蔽和辐射噪声抑制方法的确定；1.5开关电源的发展方向 随着电源的发展，人们对电源提出了更高的要求，对电源从不同的角度提出了理想的发展方向，具体包括：输入电压通用；扩大输出电压范围；提高输入侧功率因数；要求附加备用电池；普遍要求安全，具有过压保护功能及抗电磁干扰等；分布式结构增多，高频化和高功率密度化，高可靠性以及低噪声。总之,效率更高、性能更强、系统更稳定、满足更多功能需求的要求是开关电源的发展方向。2系统的总体概述及部分元件介绍2.1 系统的功能及工

22、作过程 笔记本电源适配器实际上就是一个直流开关稳压电源，就是将某一种数值的直流电压，变换成另一种数值或多种数值的直流电压输出的稳压电源，也就是所谓的dc-dc变换器。简化图如2.1所示，由五个部分组成。从图中可以知道，由左边输入的交流电压有效值为220v，首先经过整流滤波变成直流电压vi。而后经过逆变器，又将直流电压变成方波电压vi.给开关变压器初级绕组输入，经过开关变压器变压后，在次级绕组输出所需的电压，由开关变压器次级绕组输出的电压是正负交替的方波电压，所以必须得经过整流滤波（二次整流），最后才能输出直流电压vo，供负载用电，另外还要从输出电压vo端引出一小部分电压，通过稳压控制系统反馈给

23、逆变电路，进行稳压控制，这就是所谓的深负反馈稳压电路，这样才能使输出电压vo稳定。 直流输出 整流滤波开关变压器整流滤波逆变器交流输入 稳压控制 图2.1 直流变换式开关稳压电源的方框图笔记本电源适配器的设计指标：输入交流电压： 220v(15%), 50hz恒流输出电流 : 4a额定输出电压: 16v开关频率： 100khz电源效率： 80%2.2 tl494芯片简介tl494是美国德州仪器公司生产的电压驱动型脉宽调制器，可在显示器、计算机等系统电路中作为开关电源电路的控制电路，tl494的输出三极管可接成共发射极和集电极跟随器两种方式，因而可以选择双端推挽输出或单端输出方式，在推挽输出方式

24、时，它的两路驱动脉冲相差180度，而在单端输出方式时，其两驱动脉冲为同频同相脉冲。tl494的内部功能框图如图2-1所示。其引脚功能下：图2-1 494内部结构图 1，2脚分别为误差比较放大器的同相输入端和反相输入端。3脚为控制比较放大器和误差比较放大器的公共输出端，输出时表现为或输出控制特性，也就是就在两个放大器中，输出幅度大者起作用。当3脚的电平变高时，tl494送出的驱动脉冲宽度变窄，当3脚电平低时，驱动脉冲宽度变宽。4脚为死区电平控制端，从4脚加入死区控制电压可对驱动脉冲的最大宽度进行控制，使其不超过180度，这样可以保护开关电源电路中的三极管。5、6脚分别用于外接振荡电阻和电容。7脚

25、为接地端。8、9脚和11、12脚分别为tl494内部末级两个输出三极管的集电极和发射极。12脚为电源供电端。13脚为功能控制端。14脚为内部5v基准电压输出端。15、16脚分别为控制比较放大器的反相输入端和同相输入端。2.2.1 tl494芯片工作原理tl494在工作时，其工作频率仅取决于外接在锯齿波发生器（即震荡器）上的定时元件rt和ct的数值，一旦定时元件固定后，tl494输出信号的工作频率也就固定不变了。一般通过5、6脚分别接定时元件rt和ct。锯齿波发生器起振后，可在5脚所接定时电容ct上产生锯齿波电压，其频率是f=1.1/rtct，该锯齿波在片内分别送到比较器1和2的同相输入端一般为

26、开关稳压电源的稳压控制、过流保护控制、过压保护控制等采样电压是加在误差放大器的同相输入端（1或16脚）或死区控制端（4脚）的。因此，在片内误差放大器的输出电平和锯齿波在比较器2中进行比较，而死区控制电平与锯齿波在比较器1中进行比较二者的输出分别得到一串具有一定宽度的矩形脉冲。它们同时送入门电路，经d触发器分频后再经响应的门电路去控制tl494芯片内部的两个驱动三极管交替导通和截止，经8脚和11脚向外输出相位差为180度的脉宽调制脉冲。工作波形如下图所示：若tl494内部的两个误差放大器的反相输入端（2脚和15脚）的参考电位一定，当它们的同相输入端的电平升高时，则可使片内的两个驱动三极管输出的脉

27、宽调治控制脉冲的宽度变窄；反之，可使脉冲宽度变宽。另外死区控制端的电位高于ct上的电压时，片内的两个驱动三极管截止；当死区控制端电位不断下降时，则可使两个驱动三极管输出的脉冲宽度增加。在实际中，多利用tl494的内部基准电压电源向外提供5v基准参考电压，再通过设置不同的电阻分压器来为两个误差放大器的反相输入端提供参考电位。另外tl494内部的两个三极管再工作电压740v范围内工作时，最大输出电流可达到250ma，将13脚和14脚相连，就可推挽工作，若13脚和7脚相连，就形成单端输出想要增大输出可将两个三极管并联。如果保护信号出现后，会使第4脚电压上升到4v,而使比较起a1输出高电位，使或门hm

28、也输出高电位，使两个非门hf1和hf2都输出低电位，而使内部两个三极管q1和q2都截至，这样就达到了保护的目的。 图 2-2 tl494各管脚波形示意图另外tl494内部的两个驱动三极管在工作电压740v范围内工作时，最大输出电流可达250ma，若将13脚和14脚相连，就可以推挽工作，如将13脚和7脚相连，则形成单端输出。为增大输出可将2个三极管并联。为了防止半桥式变换器驱动电路中所用的一对高反压功率开关晶体管发生同时导通而被损坏要求在tl494的死区控制电平控制端4脚送一个死区控制电平。它的原则是：使得tl494输出的两路相差180度的两路驱动脉冲之间幅度为零的时间间隔（死区时间）至少要大于

29、开关晶体管的延迟时间td,上升的时间tr和下降的时间tf。3 系统元件设计3.1 输入整流与滤波电路一次整流与滤波部分电路原理图如下：220v ac图3-1 输入整流滤波电路3.1.1 一次整流电路开关稳压电源中输入部分的工频整流电路称为开关稳压电源的一次整流部分是由四个二极管接成全桥的形式，把220v、50hz的工频电网电压或其他的交流输入电压直接引入，进行全波整流，然后送到下一级滤波器变成直流电压输出。在开关电源的设计中，一般都选四个整流二极管的反相耐压值600v，整流二极管的导通电流要根据所设计的开关稳压电源的输出功率和转换效率要求决定，可由下式计算；在单相桥式不可控电路中整流二极管的最

30、大正向与最大反向电压都为，所以整流二极管的能承受的最大反向击穿电压应满足：(v) (3-1)公式中的为输入的交流电的最大峰值电压，整流二极管的最大反向击穿电压为1000v。流经二极管的最大电流应该满足：(a) (3-2)公式中的为流经二极管的最大电流，考虑到二极管的额定电流要有50%的裕量，去二极管的额定电流为5a。所以二极管要取额定值为1000v/5a。3.1.2 一次滤波部分一次滤波部分即为一次整流部分后面的lc滤波电路。它的主要功能是将一次整流部分整流后的波动电压滤波成纹波电压符合要求的直流电压。对于滤波电容中的电容容量，如果想从所要求的纹波电压值来确定是非常困难的事，其原因在于滤波电路

31、中所用的电解电容，从等效电路看并不是单纯的电容，而是包含有串联电阻rc和串联电感lc的电路，因此从要求输出的纹波电压值来确定滤波电容的容量主要受其等效的串联阻抗的温度和频率特性的影响，这些参数的数值又是随温度变化的，不过根据电容的允许的波纹电流值来确定滤波电容量就比较简单了。单向整流电路的输出电压一般都含有较大的脉动成分，后接的滤波电容的一种目的是尽量抑制脉动成分，另一种目的是尽量保留直流部分，使输出电压接近理想的直流。电容量的选择与纹波系数有关，对于全波和桥式整流滤波电路，滤波电容的选择可参照以下的经验公式：设滤波电容为，则 (3-3)取电容的大小为110。电容的额定电压为，则 (3-4)取

32、=500v，所以滤波电容为一个大小为110uf,额定电压为500v的电容。3.2 变压器的设计与计算变压器是开关稳压电源电路最主要的元器件，按频率分有高频变压器和工频变压器，高频变压器用于开关电源电路，工频变压器是对市电交流（频率为50hz）进行电压变换，用做一般支流电源中的电源变压器。正确选择电源变压器是设计直流电源的关键，电源变压器有市售成品可供选用，但市售成品的各种参数不一定符合拥护的要求，这就需要拥护自己设计制作。变压器的设计要求是：1 漏磁要小，以便能获得小的绕组漏感；2 便于绕制，引出线及整个变压器安装方便，有利于生产和维护；3 有利于散热；4 传输功率要留有一定的裕量；5 当输入

33、电压和占空比为最大值时，磁芯不会饱和；6 在顺向型电路中，原边线圈的电感量必须足够大；在回扫型电路中，原边线圈的电感量必须符合所需功率而规定的数值；7 必须满足初、次绕组上的铜耗与磁芯的铁耗相等的设计原则；电源变压器的设计步骤是：根据所需要的输出功率，确定变压器铁心截面积的大小；再根据铁心截面积和绕组的电压值确定其匝数；最后根据各绕组所通过的电流大小，确定所需要包线的直径。变压器磁性材料和磁芯结构的选择：开关电源变压器通常工作在20-50khz，甚至更高的频率上。它要求磁性材料在工作频率上的功耗尽可能的小，此外，还要求磁性材料饱和磁感应强度高、温度稳定性好。铁氧体磁芯由于价格便宜，磁芯形式多种

34、多样，因此得到了广泛的应用。但是，铁氧体存在着许多缺点，例如饱和磁感应强度值较低，温度稳定性差，易碎等。在体积重量、环境条件及性能指标要求高的开关稳压电源变压器中可以采用坡莫合金和非晶体态合金等材料。坡莫合金和非晶体态合金通常制成环形铁芯，有特殊要求时也可以制成矩形或其他形状。3.2.1 开关变压器的设计 主电路是半桥式变换器，所以开关变压器应按半桥式变换器中的变压器进行设计。 设计要求： 开关频率fs=100khz. 输入源电压vac：220v15%. 输出电压v0：16v。 输出电流i0：4a。 整流电路：全波整流，整流管压降vdf=0.5v。 工作效率：80%。 滤波电感：10h。预先估

35、计；1 额定输出功率: p0ut=4a（16+0.5）v=66w (3-5)2 估计输入功率： pin=66w/o.8=82.5w （3-6）3 直流输入电压： vin(min)=187v=264.4v (3-7) vin(max)= 253=357.7v4 平均输入电流： lin(max)=66w/264.4v=0.249a (3-8) lin(min)=66w/357.7v=0.185a5 估计最大峰值电流： i pk= kpout/ vin(low)=2.866w/264.4v= 0.70 a控制器选用电流控制器tl494，工作频率为100khz，在这种场合下，用得最普遍的是e-e型磁芯

36、。对于这种功率等级的磁芯足够了，这里选用了mangnetig 公司的 f 磁芯材料 。所选用的磁芯型号为 f-43515-ec磁芯(因为这种磁芯的绕线面积最大)；pc-b3515-l1骨架.1. 一次电感最小值为： = = =1363h （3-9）2.为防止磁饱和所要加的气隙为： =0.039cm（3-10）最接近这个气隙的磁芯是al为100mh/1000 ，气隙为67mil的磁芯最后选择的型号为：f-43515-ec-023.一次绕组匝数计算：型号为f-43515磁芯的有效横截面积为0.914.设一次绕组的匝数为np,则一次绕组的匝数可由下式计算： = （3-11） =41.9（匝）其中-输

37、入最大直流工作电压-所用的磁芯的有效横截面积-最大的工作磁通密度线圈匝数应该取整数，要满足要求一次绕组的匝数取42匝。设二次绕组为ns，因为是半桥式变换器，所以， =5.8 （3-12）其中 vdf-预先估计的输出整流电路的正向压降d-预先估计的最大占空比，取0.9-预期的最小输入电压由所得数据最终取ns为6匝。3.2.2 导线线径的选取根据输入输出的估算,初线线圈的平均电流值应该允许达到2a。1、初级绕组初级绕组的线径可选d=0.80mm,其截面积为0.5027的圆铜线。2、次级绕组次级绕组的线径可根据各组输出电流的大小,利用原级相同线径采用多股并绕的办法解决。为了方便线圈绕制,也可选用线径

38、较粗的导线。由于工作频率较高,应考虑集肤效应的影响。3.2.3 线圈绕制与绝缘绕制开关变压器最重要的问题是想办法使初、次级线圈紧密地耦合在一起,这样可以减小变压器漏感。因为漏感过大,将会造成较大的尖峰脉冲,从而击穿开关管。因此,在绕制高频变压器线圈时,应尽量使初、次级线圈之间的距离近些。具体可采用以下方法:1、双线并绕法将初、次级线圈的漆包线合起来并绕,即所谓双线并绕。这样初、次级线间距离最小,可使漏感减小到最小值。但这种绕法不好绕制,同时两线间的耐压值较低。2、逐层间绕法为克服并绕法耐压低、绕制困难的缺点,用初、次级分层间绕法,即1、3、5行奇数层绕初级绕组,2、4、等偶数层绕次级绕组。这种

39、绕法仍可保持初、次级间的耦合,又可在初、次级间垫绝缘纸,以提高绝缘程度。3、夹层式绕法把次级绕组绕在初级绕组的中间,初级分两次绕这种绕法只在初级绕组中多一个接头,工艺简单,便于批量生产。本例中,为减小分布参数的影响,初级采用双线并绕连接的结构,次级采用分段绕制,串联相接的方式即所谓堆叠绕法。降低绕组间的电压差,提高变压器的可靠性。在变压器的绝缘方面,线圈绝缘应尽量选用抗电强度高、介质损耗低的复合纤维绝缘纸,提高初、次级之间的绝缘强度和抗电晕能力,本例中,因为不涉及高压,绝缘问题不必特殊考虑。 3.3 功率开关管的选择功率开关部分的主要作用就是把直流输入电压转换成脉宽调制的交流电压。紧接在功率开

40、关后的这一级可以用变压器把交流波形升高或降低，最后由变换器的输出级把交流电压换成直流。为了完成这个dc-dc变换，功率开关只工作在饱和关断两种状态，这就可使开关损耗尽可能小。目前主要用到两种功率开关：双极型功率晶体管和功率mosfet，igbt一般用在功率更大的工业应用场合，比如功率远大于1kw的电源和电动机电路。和mosfet相比，igbt的开关速度比较慢，所以通常用在开关频率小于20khz的情况。电源电路拓扑结构为逆变半桥电路，需要用到2个开关管，相比较igbt，mos管具有开关速度快，驱动电路简单等特点，所以选择大功率三极管作为开关管，这样可以大大提高开关频率，减小电源的体积，并且驱动电

41、路简单易于设计。功率开关管由脉宽调制芯片tl494的输出脉冲管脚8脚和11脚输出的两个相位相差180度的方波电压控制导通与关断。每一时刻，只能有一个开关管处于导通状态，这样，由一次整流、滤波电路输出的直流电压就被变成为一个高频的交流电压，这样变压器才能发生作用将电压降压为所需要的低压工作电压，这样的逆变过程可以大大减小电源的体积，降低成本，满足客户对电源的要求。3.4 输出二极管vd2的选用二极管vd2中的电流与变压器5v绕组中的电流相同。但实际上toff时必须考虑反向漏电流。toff时反向电压vdr为 （3-13）其最大值为vd2采用肖特基二极管d5sm3m，它的峰值反向电压额定值为30v，

42、有足够的裕量。计算二极管功耗从而确定散热器大小。二极管流经正向电流时功耗pf为 (3-14)流经反向漏电流时的功耗pf为 (3-15) 从产品目录上查到vr17v，tc=100度时，二极管反向漏电流为2ma。所以ir2ma，vr由上述计算出vr16.0v。功耗非常小可以忽略。又pn结散热器间热阻rjf与pf计算出: (3-16)若tjmax=100,环境温度为60，需要的散热器的热阻为 (3-17)再计算输出电路中所用的二极管的参数。反向电压最大值为 (3-18)因此选用的高耐压肖特基二极管s2s6m,s2s6m的反向峰值电压为60v，输出电流为1.3a。输出电容的选用流经电容c2的纹波电流i

43、c2为ic2i2i0如图所示。ic2的有效值为； (3-19)输入电压最低，输出功率最大时，其值最大 (3-20)输出电路中电容c3的纹波电流也类似进行计算。 (3-21)c2选用pl系列耐压10v，容量为1500的4个 电容并联，每个电容允许纹波电流为730ma，因此 (3-22)c3选用耐压16v，容量为390电容，其电容允许的纹波电流为730 ma，选用3个并联，对于1.94a来讲有足够的裕量。输出纹波电压较大时，再输出回路中接入lc滤波器，抑制纹波电压，l可选用几50电感，c选用c2和c3容量的1/4就可以。3.5 pwm控制电路的设计 脉冲宽度调制器，简称“脉宽调制器”，用英文缩写p

44、wm表示。目前在微机和显示器中的开关稳压电源，都使用脉宽调制器来控制，脉宽调制器就是采用集成电路来完成的。在微机和显示器中的开关稳压电源，虽然使用的脉宽调制器的型号不同，但就其型号的种类不是很多，本篇设计使用的是tl494。3.5.1 pwm控制模式的基本原理pwm开关稳压或稳流的基本原理就是在输入电压、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，调节主电路开关期间的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。pwm的开关频率一般为恒定值，控制取样信号有输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压及开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、

45、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的。同时，可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁及均流等功能。tl494在工作时，其工作频率仅取决于外接在锯齿波发生器（即震荡器）上的定时元件rt和ct的数值，一旦定时元件固定后，tl494输出信号的工作频率也就固定不变了。一般通过5、6脚分别接定时元件rt和ct。锯齿波发生器起振后，可在5脚所接定时电容ct上产生锯齿波电压，其频率是f=1.1/rtct，该锯齿波在片内分别送到比较器1和2的同相输入端一般开关稳压电源的稳压控制、过流保护控制、过压保护控制等采样电压是加在误差放大器的同相输入端（1或16脚）或死区控制端（4脚）的。因此，在片内误差放大器

46、的输出电平和锯齿波在比较器2中进行比较，而死区控制电平与锯齿波在比较器1中进行比较二者的输出分别得到一串具有一定宽度的矩形脉冲。它们同时送门电路，经d触发器分频后再经响应的门电路去控制tl494芯片内部的两个驱动三极管交替导通和截止，经8脚和11脚向外输出相位差为180度的脉宽调制脉冲。控制电路选择tl494的推挽工作方式，下面对推挽变换进行一下介绍：推挽变换相当于两个正激变换的组合。两个变换器轮流互补工作,变压器的一次侧带中心抽头的两个绕组随各自连接的开关管导通而轮流工作，推挽变换器的磁芯工作在磁化曲线的第一象限和第三象限，完成磁化和去磁功能。是双极性变换器的一种。推挽变换适合于低输入电压，

47、比如12v、24v、48vdc-dc变换，功率可达1000w以上。开关管利用率高，而且一个周期内只有一只开关管上有电压,损耗小。开关管的驱动电路因为两个开关发射极相连而变得简单。推挽电路的缺点是存在直流偏磁现象，产生的原因是由于两个开关管的特性不对称，导通压降，驱动开关时间不相等，变压器容易磁通向某个方向偏移，严重时因输入回路中存在不能转化为输出功率的无效直流电流，可能导致磁通饱和。为避免这一现象的发生，开关管的特性参数一定要一致，驱动电路要求对称，延长消偏磁时间，采用电流型pwm控制芯片，限制过流发生。3.5.2 pwm控制电路原理图图3-2 控制电路原理图3.5.3 控制芯片tl494 t

48、l494为双输出的pwm脉冲控制驱动器，总体结构比同类集成电sg3524更完善。tl494内部有两组误差放大器，以及由pwm比较器组成的主控系统、精度为5v士0.25v的基准电压输出。其两组时序不同的驱动脉冲输出端内置发射极和集电极开路驱动缓冲器，以便于驱动npn、pnp双极型开关管或n沟道、p沟道mos fet管。 tl494内部电路功能、特点及应用方法如下：(1) 内置rc定时电路设定频率的独立锯齿波振荡器，其振荡频率 （3-23）其最高振荡频率可达300kh z，既能驱动双极型开关管，也能驱动mosfet管。(2)内部设有比较器组成的死区时间控制电路，用外加电压控制比较器的输出电平，通过

49、其输出电平使触发器翻转换，控制两路输出之间的死区时间。当脚输出电平升高时，死区时间增大。(3)触发器的两路输出设有抑制电路，使q1、q2既可输出双端时序不同的驱动脉冲驱动推挽开关电路和半桥开关电路，也可输出同相单端驱动脉冲，驱动单端开关电路。(4)内部两组完全相同的误差放大器，其同相输入端和反相输入端均被引出芯片外因此可以自由设定其基淮电压，以方便用于稳压取样，或用其中一种作为过压，过流的超阈值保护。 (5)输出驱动电流单端达到400ma，能直接驱动峰值开关电流达5a的开关电路。双端输出为2200ma，加入驱动级即能驱动近千瓦的推挽式和半桥式电路。若用于驱动 mosfet管，则需另加入灌流驱动

50、电路。 在设计的电源中，芯片管脚接法如下，1管脚接过压保护信号和过流保护信号的经过一个或门回馈信号，基准电源输出管脚14脚接两个5.1k的分压电阻然后接地，从这两个份压电阻中间接线到2管脚，这样2管脚就接入一个2.5v的电压。2，3管脚接中间串联接一4.7k的电阻和220pf的电容，以消除高频震荡信号。4和14管脚之间接一个4.7uf的电容作为电源的软启动电路，用来保护电路，防止在开机一瞬间，因电流过大而损害电路。5管脚接定时电阻，6管脚接定时电容，7，9，10，16，管脚都接地。8，11管脚输出脉冲控制两个p沟道场效应管交替导通。12管脚输出芯片的工作电源，为12v。14和13管脚接在一起，

51、使得13管脚输入一个5v的高电位，使得芯片工作在推挽输出状态，以驱动两个开关管。 tl494的工作频率仅决定于5管脚的定时电阻和6管脚的定时电容的数值，确定的工作频率为100khz,取定时电阻为10k。由公式 (3-24)得定时电容大小为1100pf。 3.6 逆变电路的设计 3.3 逆变电路图当接通电源后，220v交流电压，经桥式全波整流电路br整流后，又经由两个容量较大的，而且容量相同的电容器c1和c2串联后滤波，输出约300v直流电压，电容器c1、c2因为容量相同，所以c1和c2各分得的电压都是150v，其极性都是上正下负。开关变压器t2的初级绕组一端接在vt3和vt4串联的中间点上，另

52、一端经电容器c3后接在两个滤波电容c1和c2串联的中间点上。先假设vt4是刚刚截止，稍后vt3就开始导通，vt3的集电流是由滤波电容器c1供给的，c1两端的150v电压的正端，加在vt3的集电极上，电流通过vt3集电极到发射极后，又从开关变压器t2初级绕组流入，又另一端输出后，又通过隔直电容器c3最后回到c1的负端，这时t2的初级绕组两端加的是150直流电压，极性是上正下负我们知道初级绕组的直流电阻很小，故初级绕组中的电流是线性增长的，这样会t2右边的次级绕组感应出一个正的矩形脉冲。 图 3-4 逆变电路波形图现在又假设vt3截止后，稍后vt4又开始饱和导通，电流由滤波电容器c2上的150v电

53、压的正端流出，经过电容器c3从t3初级绕组b 端流入，而由它的a 端流出又经饱和导通vt4，最后回到c2的负端，这时加在初级绕组a 和b两端上的电压也是150v但是电压的极性与vt3导通时相反，极性是b正 a负，在初级绕组中的电流方向与vt3导通时相反，是b 端流向a端，这个相反的电流也是线性增长的，在次级感应出与vt3导通时相反极性的矩形脉冲，就是负脉冲。 初级绕组上的电压波形，如图所示，如果150v的脉冲是vt3饱和导通供给的，那么150v脉冲就是vt4饱和导通给的，整流器br源源不断的c1和c2补充能量，同时也供给负载用电。开关变压器t2次级（右边）为全波整流绕组，其中的一端对地的电压波形如上图，它和初级绕组的波形完全不一样，只是电压幅度不同。假设次级输出的电压幅度不同。假设次级输出正负交替脉冲的幅度是10v，经d3和d4两个二极管全波整流后，其输出的电压波形，如上图所示，又假设这个矩形波的占空比为1：2，则平均电压就是+5v，也就是经过电感l1和电容器c5滤波后，最后输出+5v的直流电压，vt3导通后又截止，vt4还没有导通的时候，这时t2储存的磁能转换成电能，在次级绕组产生的感应电压的极性是