集成开关稳压电源系统的设计
集成开关稳压电源系统的设计
目 录
开关电源系统设计(摘要) ……………………………………………3
第一章 开关电源概述………………………………………………4
第二章 简易带过流保护直流电机电源设计………………………7
第三章 一种输出电压4～16V开关稳压电源的设计……………16
结 束 语……………………………………………………………23
参考文献………………………………………………………………24
开关电源系统设计
摘要：开关电源自20世纪70年代开始应用以来，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，并为电源小型化提供了广阔的前景。三端离线式脉宽调制单片开关集成电路TOP将PWM控制器与功率开关MOSFET合二为一封装在一起，已成为开关电源IC发展的主流。采用TOP开关集成电路设计开关电源，可使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。
关键词：开关电源 集成稳压器 保护电路 整流滤波
第一章 开关电源概述
随着电子技术的发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，对电源的要求更加灵活多样。电子设备的小型化和低成本化促使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压器，具有纹波小，杂音低的优点，但又有效率低、体积大而重、过载能力差等严重弱点。70年代中期以来，无工频变压器的开关电源技术风靡世界各工业化国家。这种电源丢掉了笨重的工频变压器，功率管工作在开关状态，功率变换器以20KHz以上的频率工作，因此效率大大提高，体积和重量大大减小。目前空间技术、计算机、通信及家用电器中的电源，以逐渐为开关电源所取代。
一、开关型稳压电源的特点
我们一般应用的串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源技术比较成熟。并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点。但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器做隔离之用，滤波器的体积和重量也很大。而且其调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压有足够的稳定范围，调整管上必须有一定余量的电压降，因此，调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45％左右，另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足电子设备发展的要求。从而促进了高效率、体积小、重量轻的开关电源的迅速发展。
开关型稳压电源的开关调整管工作在开关状态，以功率晶体管（GTR）为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零，在开关管截止时，其集电极电流为零，所以其消耗的功耗小，效率可高达70％～95％。稳压管体积小、重量轻，调整管功率损耗较小，散热器也随之减小，同时开关型稳压电源直接对电网电压进行滤波调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器，因此具有重量轻，体积小等特点。此外，开关频率工作在几十千赫，滤波电容器、电感器可用较小数值的元件。允许的环境温度也可大大提高，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V±10％，而开关型稳压电源在电网电压从110V～260V范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。
二、开关电源的基本工作原理
开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本工作原理如下；
交流电网电压Vn进入输入电路后，经输入电路中的线路滤波器、浪涌电流控制电路以及整流电路，变换成直流电压Vi。其中线路滤波器及浪涌电流控制电路的主要作用是削弱由电网电源线进入的外来噪声以及抑制浪涌电流，整流电路则完成交流到直流的变换，可分为电容输入型和扼流圈输入型两大类，开关电源中通常采用电容输入型。功率变换电路是整个开关电源的核心器件，它将直流电压Vi变换成高频矩形脉冲电压Vp，其电路主要由开关电路和变压器组成。开关电路的驱动方式分为自激式和他激式两大类；开关变压器因是高频工作，其铁芯通常采用铁氧体磁芯或非晶合金磁芯；开关晶体管通常采用开关速度高，导通和关断时间短的晶体管，最典型的有功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅型双极晶体管（IGBT）等三种。输出电路是将高频变压器次级方波电压Vp经过高频整流滤波电路整流成单向脉动直流，并将其平滑成设计要求的低纹波直流电压Vo，供给负载使用。
开关电源按其控制方式分为两种基本形式，一种是脉冲宽度调制（PWM），其特点是固定开关的频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比；另一种是频率调制（PFM），其特征是固定脉冲宽度，利用改变开关频率的方法来调节占空比。二者的电路不同，但都属于时间比率控制方式（TGC），其作用效果一样，均可达到稳压的目的。目前的开关电源大多数采用PWM方式，但也有少数采用PFM方式。下面介绍PWM方式电路的工作原理：
若用T表示开关的脉冲周期，Ton表示其导通时间，n表示高频变压器的变比，在脉冲周期一定的前期下，功率变换器的最后输出电压Vp和输入电压Vi的关系可用（1）式表示： （1） 式中δ=为脉冲电压Vp的占空系数。⑴式表明，开关电源的输入电或输出电压发生变化时，如电网电压升高或负载变化使输出电压升高或降低时，只要适当控制占空系数δ，就可以使输出电压Vo保持不变。图2中控制电路的作用就是实现这个功能，脉宽调制器是这类开关电源的核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制开关功率管的通断状态，从而来调节输出电压的高低，达到稳压的目的。锯齿波发生器用于提供恒定的时钟频率信号。利用误差放大器和PWM比较器形成闭环调压系统。如果由于某种原因使Vo升高，脉宽调制器就改变驱动信号的脉冲宽度，亦即改变开关管的占空比δ，使斩波后的平均值电压下降。反之亦然。755