彩色电视机开关电源电路设计

第II页目录1绪论 (1)2开关电源的分类和基本工作原理 (1)2.1 开关电源的分类 (1)2.2 开关电源的原理方框图 (2)2.2.1 输入输出滤波电路 (2)2.2.2 半桥式逆变电路 (2)2.2.3 控制驱动电路 (3)2.3 开关电源的基本工作原理 (3)3 开关稳压电源的硬件设计 (6)3.1 主电路设计 (6)3.2 隔离驱动电路设计 (6)3.3 PWM控制电路设计 (7)3.4 开关电源功率变压器的设计 (8)总结 (10)致谢 (11)参考文献 (12)1绪论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。

20 世纪50 年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。

在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。

20 世纪80 年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。

20世纪90 年代，开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。

自开关稳压电源问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。

早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。

随着脉宽调制（PWM）技术的发展，PWM开关电源问世，它的特点是用20kHz 的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%~70%，而线性电源的效率只有30%~40%。

因此，用工作频率为20kHz的PWM 开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。

随着超大规模集成(ultralarge-scale-integrated-ULSI) 芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备( 如手提计算机、移动电话等) 更需要小型化、轻量化的电源。

2开关电源的分类和基本工作原理2.1 开关电源的分类开关型稳压电源的种类很多，分类方法也有多种。

从推动功率管的方式来分可分为自激式和它激式，在自激式开关电源中由开关管和高频变压器构成正反馈环路来完成自激振荡；它激式开关稳压电源必须附加一个振荡器，振荡器产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截至。

按开关管的个数及连接方式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等，单端式开关电源仅用一个开关管，推挽式和半桥式采用两个开关管，全桥式则采用四个开关管。

按开关管的连接方式，开关电源分为串联型与并联型开关电源，串联型开关电源的开关管是串联在输入电压与输出负载之间的，属于降压式稳压电路;而并联型开关电源的开关管是并联在开关电源之间的，属于升压式电路。

2.2 开关电源的原理方框图其原理方框图如图1所示。

图1开关电源原理方框图2.2.1 输入输出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。

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。

2.2.2 半桥式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 ＰＷＭ 控制电压 反馈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Ｒ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。

2.2.3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。

2.3开关电源的基本工作原理开关稳压电源等效原理图如下图2所示。

图2开关稳压电源等效原理图根据图2所示工作原理图分析开关稳压电源的工作原理： 在图2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1L I 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1L I 为L I to t Uo Ui I Lo L /])[()(1+-⨯-= （2.3.1）式中0L I 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：L I t t Uo Ui I L L /])01[()(0max +-⨯-= （2.3.2）从两式我们就可以计算出储能电感L 中电流的变化量为：L t t Uo Ui I I I l l L /)1)((1max 1--=-=∆ （2.3.3）当式中的t=t0时，储能电感Ｌ中的电流变化量为最大，其最大变化量为L Ton Uo Ui L t t Uo Ui I l /)(/)01)((1max -=--=∆ （2.3.4）（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2L I 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：max 2/)1(L L I L t t Uo I +--= （2.3.5）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：max min /)12(l L I L t t Uo I +--= （2.3.6）由上述两式就可以求出在功率Ｖ截止期间，储能叫感L 中电流的变化值为：L t t Uo I L /)2(2--=∆ （2.3.7）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：Toff L Uot t L Uo I l ⨯-=-⨯-=∆)12(2max （2.3.8）（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Ｌ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：Toff L UoTon L Uo Ui ⋅=⋅-)( （2.3.9）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：Ui T TonUi D Ui Toff Ton TonUo ⋅=⋅=⋅+= （2.3.10）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Ｖ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。

3 开关稳压电源的硬件设计3.1主电路设计半桥式开关电源主电路图3所示。