基于TOP-Switch-LED開關電源設計課程設計

基于TOPSwitchLED開關電源設計摘要開關電源以其低功耗、高效率、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點受到人們親睞，在通信設備、數(shù)控裝置、儀表儀器等各種電子電氣設備中得到廣泛應用。TOP系列芯片由美國PI公司（美國功率公司）生產，是一款專門為開關電源設計提供設計支持的集成芯片，TOP系列芯片具有集成度高、性價比高、外圍電路簡單、性能指標穩(wěn)定以及構成高效率無工頻變壓器隔離式開關電源的優(yōu)點。目前以及被廣泛用作小功率開關電源、精密開關電源和電源模板的優(yōu)選集成電路。LED被稱為第四代光源，具有節(jié)能、安全、環(huán)保壽命長、低功耗、高亮度、光束集中、維護簡便等特點，廣泛用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明等領域。TOP253EN芯片專門提供輸出43W以下的電源方案，論文針對TOP253EN的特性，對外圍電路進行相關設計，使設計電源能穩(wěn)定輸出12V,1.67A為LED持續(xù)供電。關鍵詞：開關電源LEDTOPSwitch直流反激式目錄前言第一章：緒論1.1課題研究現(xiàn)狀1.2課題研究意義及發(fā)展前景1.3章節(jié)分配第二章：LED開關電源簡介第三章：基于TOPSwitchLED開關電源的總體設計3.1設計要求3.2總體設計流程圖3.3器件選擇3.4TOP253EN芯片性能特點第四章：LED開關電源各電路設計4.1整流濾波電路設計4.2變壓器設計4.3輸入整流電路設計4.4反饋電路設計4.5對阻斷二極管的選擇4.6開關電源原理圖繪制第五章：安全性能分析5.1電源散熱與效率5.2安全分析第六章：總結6.1開關電源干擾來源分析6.2開關電源抑制干擾措施分析致謝參考文獻緒論1.1課題研究現(xiàn)狀半導體照明技術的開發(fā)研究引起了全球研究機構和企業(yè)的重視，國外共近有約200家機構參與GaN器件，材料和設備的研發(fā)。近300所大學和研究所參與GaN的研發(fā)。目前，功率型白光LED光視效能（發(fā)光效率）100lm/W,研究水平達到160lm/W.經過技術發(fā)展和市場競爭，世界主要LED廠商已經形成各種的特色。日本日亞化學處于全球技術領先水平，壟斷高端白色、藍色、綠色LED市場。豐田合成在白光LED及車燈照明技術據(jù)世界前列。美國Cree的碳化硅襯底生長GaN外延片國際領先。傳統(tǒng)照明巨頭Philips絕對控股的美國Lumileds功率型白光LED國際領先，傳統(tǒng)照明巨頭Osram歐司朗控股的德國歐司朗光電半導體功率型LED封裝和車用LED燈具開發(fā)世界領先。國外的外延片生長技術主要源于美國，基本是進口美國有機金屬化學氣相沉淀裝備，這些裝備在美國就不是一流裝備，在整個LED外延片的生長、芯片、芯片封裝三個環(huán)節(jié)中，外延片生長的投資中占到70%，外延片成本要占到芯片封裝成品成本的70%，同時外延片生長的技術人才全世界都缺乏，簡而言之，外延片水平決定了整個LED產業(yè)水平，國內近幾年也引進了幾十臺MOCVD設備，均處于大生產工藝摸索階段，一但工藝成熟，則會上10倍增大設備數(shù)量，形成規(guī)模生產，市場需求巨大。國家“863”計劃和信息產業(yè)發(fā)展基金及時支持了國產外延設備和MOCVD設備的研發(fā)（中科院半導體所、中電科技集團公司第48所），通過整機消化吸收，關鍵技術再創(chuàng)新等措施，填補了國內空白，使長期制約了我國LED產業(yè)發(fā)展的裝備瓶頸得以突破。隨著國家照明工程進步，國內LED芯片的巨大需求再次引起國外半導體設備制造商的積極響應，他們日益重視中國這個巨大市場，但是目前存在一個問題就是國外芯片設備高昂的價格相對制約了國內企業(yè)的規(guī)?；a業(yè)化發(fā)展，也消耗國家大量寶貴外匯，同樣限制了國內設備生產商的發(fā)展空間。1.2課題研究意義及發(fā)展背景如今全世界對LED的研究已經很成熟，LED相比熱光源有很多優(yōu)點：體積小、耗電量低、使用壽命長、高亮度、低熱量環(huán)保、堅固耐用、多變幻。在城市工業(yè)中，城市夜景照明追求的不是亮度，而是藝術的創(chuàng)意設計，小功率的LED產品應該能夠找到它的用武之地。LED發(fā)光角度小，方向性強，可作局部重點照明，在封裝材料中添加散射劑可以實現(xiàn)175度發(fā)光角度適合較大范圍照明，目前在城市夜景照明工程中常用的LED光源主要有：線性發(fā)光燈具、裝飾草坪燈、景觀燈、球泡、水下燈。地面燈具：地埋燈、發(fā)光地磚、石燈。可以肯定的說，LED在外來的照明中將會引領時尚和新潮。在農業(yè)設施中，通常采用的人工光源是熒光燈與高壓鈉燈。今年隨著光電技術的發(fā)展，發(fā)光二極管的亮度與效率大幅提高，是這種光源在農業(yè)設施的應用中變得可行，尤其對封閉可調控的農業(yè)設施環(huán)境（如植物工廠、組織培養(yǎng)室、植物生長箱等）是一種非常合適的人工光源。國際上LED醫(yī)學應用研究開始于20世紀90年代，1993年美國太空總署（NASA）首先提出LED生物醫(yī)學研究。其研究內容包括：利用LED照射舒緩宇航員運動疲勞、處理傷口、用于腫瘤的光動力治療和消除皮膚炎癥、潰瘍、促進創(chuàng)傷愈合以及面部嫩膚、除皺、除斑、治療痤瘡等。相繼推出LED的醫(yī)療應用成果的還有以色列和英國。通過大量臨床實踐，各國醫(yī)學界專家一致認為LED醫(yī)療器械是目前最能代替He-Ne激光器進行的醫(yī)療器械，在醫(yī)學領域有著極其廣泛的開發(fā)前景。綜上所述，LED電路的設計顯得格外重要，沒有驅動LED永遠發(fā)不了光。每個廠家所用LED都是一樣，不同之處在于外圍驅動電路的不一樣。好的驅動電路使其工作時間更長，發(fā)揮更多作用，節(jié)約更多資源，LED相比普通白熾燈所用電量更少，但能發(fā)出同樣的光芒，使用年限也更長，因為有了各種高性能的驅動電路使得LED使用年限變長，節(jié)約資源，造福國家，造福人類。1.3章節(jié)分配本論文第一章為緒論，著重介紹了LED開關電源的研究背景以及研究的意義，介紹了LED開關電源的研究現(xiàn)狀和各國的技術水平。第二章單獨對開關電源作相應的簡介。第三章對基于TOPSwitchLED開關電源的總體設計，共分為4節(jié)，第一節(jié)確定了本次設計開關電源的具體參數(shù)，第二節(jié)為本次設計總體流程圖，第三節(jié)介紹本次設計元器件的選擇，第四節(jié)專門介紹了TOP253EN芯片的性能特點。第四章為各部分電路的設計，共分6小節(jié)，依次介紹了整流濾波電路設計、變壓器設計、輸出整流濾波電路設計、反饋電路設計、阻斷二極管的選擇、整體電路圖的繪制。第五章對開關電源安全與性能分析，分為兩小節(jié)，安全分析與性能分析各占一小節(jié)。第六章對開關電源的干擾源進行分析并提出對常見的干擾抑制措施。LED開關電源簡介LED開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。LED開關電源中應用的電子器件主要為:LED二極管、IGBT和MOSFET。SCR在開關電源輸入整流電路及軟啟動電路中有少量應用，GTR驅動困難，開關頻率低，逐漸被IGBT和MOSFET取代。LED開關電源是有電路來控制開關管而進行高速的導通和截止。是將直流電轉化成高頻交流電來給變換器進行變壓，使其產生所需要的一組或多組電壓！轉化為高頻交流電的道理是高頻交流在變壓器電路中的效率要比市電50Hz或60Hz高。因此開關電源變壓器可以做到體積很小，在開關電源工作的時候不會很熱，產品價格比工頻直流穩(wěn)壓電源低．如果不將50Hz或60Hz變?yōu)楦哳l電，那么開關電源就沒有任何意義。開關電源大體可以分為隔離和不隔離這兩種，是隔離型的一定有開關電源變換器，而不隔離的未必一定有開關電源變換器。開關電源與傳統(tǒng)直流電源相比具有體積小、重量輕、和效率高等優(yōu)點。提高開關電源的功率密度,使之小型化、輕量化,是人們不斷追求的目標.這對便攜式電子設備(如移動電話,數(shù)字相機等)尤為重要。一是高頻化.為了實現(xiàn)電源高功率密度,必須提高PWM變換器的工作頻率、從而減小電路中儲能元件的體積重量，二是應用壓電變壓器.應用壓電變壓器可使高頻功率變換器實現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度.壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的“電壓-振動”變換和“振動-電壓”變換的性質傳送能量,其等效電路如同一個串并聯(lián)諧振電路,是功率變換領域的研究熱點之一，三是采用新型電容器.為了減小電力電子設備的體積和重量,須設法改進電容器的性能,提高能量密度,并研究開發(fā)適合于電力電子及電源系統(tǒng)用的新型電容器,要求電容量大、等效串聯(lián)電阻(ESR)小、體積小等。LED開關電源高頻化以后,為了提高LED開關電源的效率,必須開發(fā)和應用軟開關技術。它是過去幾十年國際電源界的一個研究熱點，PWM-LED開關電源按硬開關模式工作(開/關過程中電壓下降/上升和電流上升/下降波形有交疊),因而開關損耗大。高頻化雖可以縮小體積重量,但開關損耗卻更大了。為此,必須研究開關電壓/電流波形不交疊的技術,即所謂零電壓開關(ZVS)/零電流開關(ZCS)技術,或稱軟開關技術,小功率軟LED開關電源效率可提高到80%~85%.上世紀70年代諧振開關電源奠定了軟開關技術的基礎.隨后新的軟開關技術不斷涌現(xiàn),如準諧振(上世紀80年代中)全橋移相ZVS-PWM,恒頻ZVS-PWM/ZCS-PWM(上世紀80年代末)ZVS-PWM有源嵌位，ZVT-PWM/ZCT-PWM(上世紀90年代初)全橋移相ZV-ZCS-PWM(上世紀90年代中)等。我國已將最新軟開關技術應用于6kW通信電源中,效率達93%。LED開關電源的控制已經由模擬控制,模數(shù)混合控制,進入到全數(shù)字控制階段。全數(shù)字控制是發(fā)展趨勢,已經在許多功率變換設備中得到應用。全數(shù)字控制的優(yōu)點是數(shù)字信號與混合模數(shù)信號相比可以標定更小的量,芯片價格也更低廉，對電流檢測誤差可以進行精確的數(shù)字校正,電壓檢測也更精確，可以實現(xiàn)快速,靈活的控制設計。LED開關電源電磁兼容性:高頻LED開關電源的電磁兼容(EMC)問題有其特殊性。功率半導體器件在開關過程中所產生的di/dt和dv/dt,將引起強大的傳導電磁干擾和諧波干擾,以及強電磁場(通常是近場)輻射。不但嚴重污染周圍電磁環(huán)境,對附近的電氣設備造成電磁干擾,還可能危及附近操作人員的安全。同電力電子電路時,(如開關變換器)內部的控制電路也必須能承受開關動作產生的EMI及應用現(xiàn)場電磁噪聲的干擾。上述特殊性,再加上EMI測量上的具體困難,在電力電子的電磁兼容領域里,存在著許多交叉學科的前沿課題有待人們研究。LED開關電源中使用同步整流技術,相對于低電壓、大電流輸出的軟開關變換器,可進一步提高其效率的措施是設法降低開關的通態(tài)損耗.例如同步整流(SR)技術,即以功率MOS管反接作為整流用開關二極管,代替肖特基二極管(SBD),可降低管壓降,從而提高LED開關電源電路效率。第三章基于TOPSwitchLED開關電源的總體設計3.1設計要求本設計輸入220V交流電，正常輸出穩(wěn)壓12V直流電。具體參數(shù)為：連續(xù)/非連續(xù)工作比率（KP）：0.58估計效率（%）：74反射輸出電壓（VOR）.V：105.0損耗分配銀子（Z）:0.49漏極到源極電壓（VDS）.V：14.37最大磁通密度（BM）.Gauss：2658主輸出圈數(shù)（NSM）：8初級圈數(shù)（NP）：65.4初級電感量（LP）.μH：745容差（LP-Tol）.%：10.0初級漏電感（L-LKG）.μH：24.8次級走線電感（LSEC）.nH：153.2設計流程圖在該開關電源的設計流程中，首先對開關電源的結構進行確定，通過對輸入、輸出參數(shù)的計算，可以推到出變壓器的相關參數(shù)，并對變壓器進行選擇，然后依次設計濾波整流電路，啟動電路、保護電路以及高層功能設計，最后對整體電路進行PCB布局，測試結果，作相應的修改調試，整個設計流程如圖3-2所示。在本設計中采用了Topswitch智能芯片，其本身集成了保護電路，關斷電路，自動重啟電路等諸多優(yōu)點。所以，在設計時可以省去流程圖中的幾個環(huán)節(jié)，只需要對芯片做好選擇。圖3-23.3器件選擇3.4TOP253EN芯片性能特點TOPSwitch-GX采用與TOPSwitch

相同的拓撲電路，以高性價比將MOSFETPWM控制器、故障自動保護功能及其它控制電路集成到一個硅片上TOPSwitch-GX還集成了多項新功能，可以降低系統(tǒng)成本，提高了設計靈活性及效率。除標準的漏極、源極和控制極外，不同封裝的TOPSwitch

還另有1至3個引腳，這些引腳根據(jù)不同封裝形式，可以實現(xiàn)如下功能：線電壓檢測（過壓／欠壓，電壓前饋降低DCMAX)、外部精確設定流限、遠程開／關控制、與外部較低頻率的信號同步及頻率選擇(132kHz/66kHz)。所有封裝形式的器件均具備如下相同特性軟啟動、132kH開關頻率（輕載時自動降低)、可降低EMI的頻率調制、更寬的DCMAX、遲滯熱關斷及更大的爬電距離封裝。另外，所有重要參數(shù)（例如流限、頻率、PWM增益等）的溫度容差及絕對容差更小、設計更簡化，系統(tǒng)成本更低。TOP253EN性能特點：1、輸出功率更大以適應更高功率的應用。2、使用P/G封裝時輸出功率在34W以下都無需散熱器。3、節(jié)約外圍元件成本。4、完全集成的緩啟動電路降低了器件的應力及輸出電壓過沖。5、外部電路實現(xiàn)精確的流限編程。6、更寬的占空比實現(xiàn)更高的輸出功率，同時可以使用更小尺寸的輸入濾波電容。7、在Y/R/F封裝具有獨立的輸入線電壓檢測及流限編程引腳。8、輸入欠壓(UV)檢測可以防止關機時輸出的不良波動。9、輸入過壓(OV)關斷電路提高了對輸入浪涌的耐受力。10、具有最大占空比(DCMAX)降低特點的線電壓前饋抑制了工頻紋波并在高輸入電壓時限制了最大占空比。11、頻率調制降低EMI及EMI濾波器成本。12、在零負載時實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)壓而無需假負載。13、132kHz頻率調制降低變壓器及電源的尺寸。14、Y/R/F封裝在視頻應用時可以選擇半頻工作。15、遲滯熱關斷提供自動故障恢復功能。16、熱遲滯值較大，防止電路板過熱。圖3-3TOP253EN芯片功能結構圖如圖3-3為TOP253EN內部結構圖。芯片引腳功能結構描述：漏極(D)引腳：高壓功率MOSFET的漏極輸出。通過內部的開關高壓電流源提供啟動偏置電流。漏極電流的內部流限檢測點?？刂?C)引腳：誤差放大器及反饋電流的輸入腳，用于占空比控制。與內部并聯(lián)調整器相連接，提供正常工作時的內部偏置電流。也用作電源旁路和自動重啟動／補償電容的連接點。線電壓檢測(L)引腳：(僅限Y、R或F封裝)過壓(OV)、欠壓(UV)、降低DCMAX的線電壓前饋、遠程開／關和同步的輸入引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。外部流限(X)引腳：(僅限Y、R或F封裝)外部流限調節(jié)、遠程開／關控制和同步的輸入引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。多功能(M)引腳：(僅限P或G封裝)此引腳集Y封裝的線電壓檢測(L)及外部流限(X)引腳功能于一體。是過壓(OV)、欠壓(UV)、降低DCMAX的線電壓前饋、遠程開／關和同步的輸入引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能并使TOPSwitch-GX以簡單的三端模式工作（如TOPSwitch-II）頻率(F)引腳：(僅限Y、R或F封裝)選擇開關頻率的輸入引腳：如果連接到源極引腳則開關頻率為132kHz，連接到控制引腳則開關頻率為66kHz。P和G封裝只能以132kHz開關頻率工作。源極(S)引腳：這個引腳是功率MOSFET的源極連接點，用于高壓功率的回路。它也是初級控制電路的公共點及參考點。如圖3-4為TOP253EN芯片引腳布局圖圖3-4TOP253EN芯片引腳布局TOPSwitch-GX產品系列功能描述：與TOPSwitch類似，TOPSwitch-GX也是一款集成式開關電源芯片，能將控制引腳輸入電流轉化為高壓功率MOSFET開關輸出的占空比。在正常工作情況下，功率MOSFET的占空比隨控制引腳電流的增加而線性減少，TOPSwitch-GX除了象三端TOPSwitch一樣，具有高壓啟動、逐周期電流限制、環(huán)路補償電路、自動重啟動、熱關斷等特性，還綜合了多項能降低系統(tǒng)成本、提高電源性能和設計靈活性的附加功能。此外，TOPSwitch-GX

采用了專利高壓CMOS技術，能以高性價比將高壓功率MOSFET和所有低壓控制電路集成到一片集成電路中。TOPSwitch-GX增加了頻率、線電壓檢測和外部電流限制（僅限Y、R或F封裝）引腳或一個多功能引腳（P或G封裝），以實現(xiàn)一些新的功能。將如上引腳與源極引腳連接時，TOPSwitch-GX以類似TOPSwitch的三端模式工作，在此種模式下，TOPSwitch-GX仍能實現(xiàn)如下多項功能而無需其他外圍元件：1.完全集成的10

ms軟啟動，限制啟動時的峰值電流和電壓，顯著降低或消除大多數(shù)應用中的輸出過沖。2.DCMAX可達78%，允許使用更小的輸入存儲電容，所需輸入電壓更低或具備更大輸出功率能力。3.輕載時頻率降低，降低開關損耗，保持多路輸出電源中良好的交叉穩(wěn)壓精度。4.采用較高的132kHz開關頻率，可減少變壓器尺寸，并對EMI沒有顯著影響。5.頻率調制功能可降低EMI。6.遲滯過熱關斷功能確保器件在發(fā)生熱故障時自動恢復。滯后時間較長可防止電路板過熱。7.采用缺省引腳及引線的封裝，可提供更大的漏極爬電距離。8.絕對容差更小，降低溫度變化對開關頻率、電流限制及PWM增益的影響。線電壓檢測(L)引腳通常用于線電壓檢測，通過一個電阻與經整流的高壓直流總線連接，能設定過壓(OV)／欠壓(UV)和降低DCMAX的線電壓前饋。在此模式之下，電阻值偏小。LED開關電源各電路的設計4.1濾波整流電路設計整流電路的任務是將交流電變?yōu)橹绷麟?。完成這一任務主要靠二極管的單向導電作用，因此二極管是構成整流電路的關鍵元器件。在小功率整流電路中常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和被壓整流電路。本文主要研究單相橋式整流電路。以下分析整流電路時，二極管用理想模型來處理，即正向導通電阻為零，反向電阻無限大。（1）、工作原理如電路圖４－１所示，圖中R1是要求直流供電的負載電阻，四只整流二極管D1-D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。（2）、負載上的直流電壓VL和直流電流I用傅里葉級數(shù)對VL的預期波形進行分解后可得VL=2V式中恒定分量即為負載電壓的平均值，因此有VL=22πV2=0.9V直流電流為I由公式看出，最低次諧波分量幅值為42V23π，角頻率為電源頻率的兩倍，即2W。其他交流分量的較頻率為4W、Kr=（３）、整流元件參數(shù)的計算在橋式整流電路中，二極管是兩兩輪流導通的，所以流經每個二極管的平均電流為ID=圖４－１一般電網電壓波動范圍±１０％橋式整流電路的特點是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此這種電路在半導體整流電路中得到了頗為廣泛的應用。濾波電路用于濾去整流輸出電壓的紋波，一般有電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器Ｃ，或在整流電路輸出與負載間串聯(lián)電感器Ｌ，以及由電容、電感組合而成的各種復式濾波電路。由于電抗元件在電路中有儲能作用，并聯(lián)的電容器Ｃ在電源供給的電壓升高時，能把部分能量儲存起來，而當電源電壓降低時，就把電場能量釋放出來，使負載電壓比較平滑，即電容Ｃ具有平波的作用；與負載串聯(lián)的電感Ｌ，當電源供給的電流增加時，它把能量儲存起來，而當時電流減小時，又把磁場能量放出來，使負載電流比較平滑，即電感Ｌ也有平波作用。濾波電路的形式很多，為了掌握分析規(guī)律，把它分為電容輸入式和電感輸入式。前一種濾波電路多用于小功率電源中，后一種濾波電路用于較大功率電源中。電容濾波電路，一般為單相橋式整流、電容濾波電路。在分析電容濾波時，要特別注意電容器兩端電壓ｖｃ總之，電容濾波電路簡單，負載直流電壓ＶＬ較高，紋波也較小，它的缺點是輸出特性較差，故適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合。濾波后的波形可以看出波動大小由ＲＣ４．2變壓器設計1、為滿足芯片的工作頻率，選用錳鋅鐵氧體材料，磁芯的形狀應盡可能選擇圓形磁芯以減小漏感。2、最大占空比Dmax=VORVOR+（Vmin其中VOR為初級反射電壓，取105V；V3、變壓器初級自感Lp=λVACmin其中，Po為系統(tǒng)總輸出功率；Fs為芯片開關頻率；Fs=66KHZ4、導線面積由個經過個繞組的平均電流，峰值電流，均方根電流，紋波電流確定；輸入電流的平均值IAVG=P初級峰值電流IP=IAVG其中KRP根據(jù)計算變壓器所在部分外圍連接電路如圖4-2所示圖4-25、變壓器初、次級匝數(shù)，變壓器匝數(shù)可以從選擇次級繞組匝數(shù)開始：當輸入20V時，NS1=1*(20+0.7)=21匝，取整。同理，當輸入為15V時，NS1=16匝；反饋繞組匝數(shù)NP=VFB+0.7VO+0.74.3輸出整流電路設計輸出整流濾波電路有整流二極管和濾波電容構成。由于肖特基二極管導通時正向壓降較低，因此具有更低的正向導通損耗，此外，肖特基二極管具有反向恢復時間短，在降低反向恢復損耗及消耗輸出電壓的紋波方面有顯著的性能優(yōu)勢，所以選擇肖特基二極管作為整流二極管，對于輸出濾波電容，ESR（等效串聯(lián)阻抗）和紋波電流是兩個總要參數(shù)。當電容兩端電壓小于3.5V時，ESR只與電容的體積有關，在保證控制環(huán)路帶寬足夠的前提下，應選擇耐壓值高和容值低的電容。若濾波效果不理想，可以在下一級串聯(lián)一個LC濾波環(huán)節(jié)，根據(jù)經驗L取2.2μH-10μH。圖4-34.4反饋電路設計串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓管與限流電阻串聯(lián)所構成的簡單穩(wěn)壓電路獲得，電阻組成反饋網絡，是用來反映輸出電壓表華的取樣環(huán)節(jié)。這種穩(wěn)壓電路的主回路是起調整作用的BJT與負載串聯(lián)，故稱為串聯(lián)式穩(wěn)壓電路。輸出電壓的變化量由反饋網絡取樣經比較放大電路放大后去控制調整電壓降，從而達到穩(wěn)定輸出電壓目的。從反饋放大電路的角度來看，這種電路屬于電壓串聯(lián)反饋電路調整管T連接成電壓跟隨器。調整管T的調整作用時依靠兩極之間的偏差來實現(xiàn)的，必須有偏差才能調整。所以V0不可能達到絕對穩(wěn)定，只能是基本穩(wěn)定，所以如圖4-4所示圖4-44.5對阻斷二極管的選擇正向壓降低是肖特基二極管最突出的優(yōu)點,正向壓降一般在0.55-0.8V之間與PN結二極管相比平均可低30%-50%。所以它的導通損耗就小,極適宜在大電流輸出的電路中使用,肖特基二極管具有優(yōu)良的開關性能,這不僅表現(xiàn)在它小的TRR(只有幾個ns)上,而且由于關斷時IRM極小,恢復特性非常理想。在高頻工作狀態(tài)下,不僅開關損耗小,而且不會對電路中的電壓、電流應力情況及外電路的工作產生不良影響。所以非常適合在頻率較高的場合下使用。反向特性差是肖特基二極管比較致命的弱點,VRRM很低，一般只有幾十伏,大于100V不多,且正向壓降VF會增大。反向漏電流較大,小的幾百微安,大的可達到幾毫安,而且隨溫度變化很大,所以反向損耗就較大?？惯^壓、抗靜電等干擾能力差也是肖特基二極管的一大弱點,使用不當,常常會影響可靠性。使用注意點。了解了肖特基二極管的特點,我們在選用使用時就要揚長而避短,權衡利弊,適合使用時能充分發(fā)揮優(yōu)勢時使用,不適合使用時或優(yōu)勢不名明顯就不要勉強使用。高頻低壓大電流整流電路,顯然是非常適合選用肖特基二極管,它能明顯地降低損耗、提高效率,但在使用前一定要弄清楚電壓應力,通過測量分析準確了解肖特基二極管在工作中承受的最大反向電壓VR(包括電壓尖峰)的值,選擇肖特基二極管的反向電壓時,必須使VRRM＞1.5VR。在使用肖特基二極管時,還需注意它的溫升,因為肖特基二極管溫升一高會使反向電流急劇增加,反向損耗也就增加很快,一突破熱穩(wěn)定點,就會形成惡性循環(huán)而損壞管子。所以發(fā)現(xiàn)肖特基二極管溫升較高(具體數(shù)值與最高工作環(huán)境溫度有關),一定要采取有效措施（增加散熱條件或重選管子），盡量降低它的溫升。有些電路設計師,常常根據(jù)輸出電壓的高低來確定能否選用肖特基二極管,選用何種反向電壓的肖特基二極管,少數(shù)專業(yè)書籍也有這樣的介紹,這是非常片面和不正確的,通過第二章的分析,我們知道在隔離型的開關電源等功率變換器中，輸出整流二極管工作時承受的反向電壓,并不主要由輸出電壓大小決定,而與功率變壓器的匝數(shù)比有很大關系。有人在輸出電壓3V,5V等電路中選用60V、80V的肖特基二極管進行整流,時有擊穿現(xiàn)象,覺得很奇怪,斷定肖特基二極管的VRRM未達標,這是沒有根據(jù)的,功率變壓器的設計制造對肖特基二極管能否可靠工作影響是很大的。在輸出電流很小,頻率又不是很高的情況下,若沒有什么特殊要求,實際上,我們并不推薦使用肖特基二極管,因這種情況下肖特基二極管優(yōu)勢不明顯,降低的損耗很小,而與PN結二極管相比,它的抗燒能力畢竟要差一些,使用中稍有不慎就會影響可靠性,如果為了降低極有限的損耗,而影響了可靠性,是非常不合算的。4.6開關電源原理圖繪制第五章安全性能分析5.1電源散熱與效率散熱散熱處理是許多變換器設計的一個重要的部分，如果元件太熱將燒毀。溫度對元件壽命影響，從而影響到電源的壽命下面將予以說明。此外，用戶不希望電源太熱到手指不能碰！即使不必熱設計，你的效率也需要知道元件的溫度，為保證希望的效率是否達到計算溫度也是重要的。元件壽命與溫度電源中每個元件預期壽命取決于它的溫度：如果溫度上升，預期壽命減少。這個關系直接影響你的電源外場失效率，特別是如果任一個元件運行在接近它的最大額定溫度，更是如此。作為一個規(guī)律，元件的壽命近似每下降10℃增加一倍，也就是說一個定額2000小時的105℃電容，在65℃下壽命近似20002(105-65)/10=32000h≈4年。

在電源設計中溫度與壽命關系明顯得例子是鋁電解電容。如第三章提到的，鋁電解電容在它額定溫度壽命很短，通常額定105℃或85℃-記住壽命2000小時，即小于3個月。大多數(shù)電源應用鋁電解電容，因此使用時，盡量減少使用溫度。一般定額是105℃，額定2000小時，較好的有5000小時。某些惡劣環(huán)境采用鉭電容代替。

為了減輕溫度影響，你應當認識到電源電源不應當24小時工作在最大溫度。如果你能夠估計在不同溫度的時間，你將得到很好的電容壽命估計。

如何表明鋁電解達到它的壽命？作者將一個用鋁電解電容的電源曾在高溫下運行一年。在一年里，電容的ESR增加，開始較慢，以后加快。在這年末尾，ESR增高到電源的輸出紋波大大超出規(guī)范。于是，運行一個電容超過它的額定壽命可能導致電源不符合規(guī)范，并可能引起相關元件損壞。

另一各重要的是IC的溫度定額。IC有三個溫度等級：商用，額定溫度0℃～70℃;工業(yè)級，額定溫度－40℃～85℃和軍級，額定溫度為－55℃～125℃。當然現(xiàn)在零件生產商對于不同溫度等級的差別在于封裝（商用和工業(yè)級為塑封，軍級為金屬封裝），并在規(guī)定的整個溫度范圍內測試，即在整個溫度下工作性能是保證的。所以一個商用元件在90℃不可能引起任何工作問題。但是你的最壞情況分析將產生疑問，MTBF將是很壞的（如上所說），同時如果這個零件壞了生產商不負責的。

應當提及的最后一個題目是MOSFET的溫度。在本章計算效率時假定MOSFET達到穩(wěn)定工作溫度60℃，而且損耗也是根據(jù)這個溫度來計算，所以損耗與溫度有關。但是，應當注意到，MOSFET的Ron取決于溫度，所以，損耗也取決于溫度，并且溫度與損耗有關。因為MOSFET產生足夠熱量使其溫度增加，從而引起電阻增加，電阻又引起損耗增加，立即引起MOSFET超過它的額定溫度。當然這個熱惡性循環(huán)最終結果導致失效。說明這一切溫度關系是希望使用零件溫度定額高于它們運行值。換句話說，在溫度等級之間有價格差別－從商用到工業(yè)級溫度差別不大，而工業(yè)級到軍級差別非常大。因此變換器內保持整個溫度下降是至關重要的，不僅對于維持變換器壽命，而且對于成本也是重要的。模塊。談到元件溫度，我們再次想到變換器模塊。同樣的理由是推動生產商論證不切實際的效率導致給67出不切實際的模塊可能產生輸出功率的估計。輸出功率限制因素是模塊內產生的熱量，當然兩者是正比的。問題是如果你將模塊焊在PCB上，并試圖輸出額定功率，模塊將燒毀。仔細檢查模塊手冊發(fā)現(xiàn)可使用的額定功率僅當模塊安裝到一個比模塊大的散熱器上才行。所以，如此扁平的模塊電源一下子兩倍以上的高，或者你就買一個遠超過你的額定應用的模塊，而且得花費更多的錢。

MIL-HDBK-217

在這些許多溫度對變換器壽命影響的擔憂以后，怎樣計算MTBF，看一看你的設計是否滿足規(guī)范的壽命。一個標準的方法是應用MIL-HDBK-217。美國軍方提供一個正在進行的關于許多通用元件失效率的程序，并收集的信息放到本書的有用的表格中，并且定期進行升級。（在MIL-HDBK-217F中F表示第六版）我們首先做一個快速取樣計算，然后討論與用217有關的問題。

MIL-HDBK-217:舉例給一個應用217的例子。讓我們試圖建立三個鋁電解電容并聯(lián)系統(tǒng)的MTBF。217F表內容指出包含兩部分鋁電解電容：一個覆蓋“非建立可靠性”零件（即商用零件），所以用這個表。檢查表8.7顯示λp(每百萬小時失效數(shù))，是一個鋁電解電容四個系數(shù)的乘積。第一個系數(shù)是λb，是基本失效率，它與電容的溫度定額有關。假定是105℃，所以我們用表中λb（T=105℃最大定額）。假定在電容壽命期內電容的平均溫度為60℃。（再一次提醒，是平均溫度而不是最大溫度），我們參考217F，還需要電容的應力，工作電壓與額定電壓比，假定電容定額是5V，工作電壓穩(wěn)態(tài)是3.5V，所以應力系數(shù)S=0.7。(還是應用均電壓不是最大電壓)，于是得到λb＝0.14。下一個系數(shù)是πCV,容量系數(shù)。假定每個電容容量為1000μF，現(xiàn)在，沒有1000μF列在表中，我們用公式代替，因為表中所有πCV取成兩位數(shù)，還是公式精確。第三個系數(shù)是πQ很容易:這是商用電容，所以它最低質量系數(shù)為10.

最后第四個系數(shù)是πE,環(huán)境系數(shù)。全部商用工作在“地面的，良好的”條件，所以πCV＝GB=1.0。

現(xiàn)在我們求得單個電容在此條件下的失效率是百萬小時的失效率（或1680FIT，1FIT＝每十億小時一次失效）。象這樣進行下去，這是很高的失效率，表示電容不是好元件，許多元件僅數(shù)十個FIT，此電容的MTBF為在我們的例子中有三個電容并聯(lián)，總失效率是每個失效率（在一個簡單模型中）之和，且總失效率為5040FIT，對應MTBF＝200000小時。怎樣改善電容的MTBF除了采用其它類型的電容以外）？這種情況下的最大因素是電壓定額。根據(jù)以上法則，將溫度從60℃降低到40℃，減少λb2倍，由0.14降低到0.69。但是更實際的方法是提高電壓定額到10更容易些減少，應力系數(shù)由0.7減少到0.35，而λb由0.14減少到0.051,幾乎減少3倍。

MIL-HDBK-217討論你應當知道應用MIL-HDBK-217時有一個潛在問題。因為手冊用于軍品設備設計，并不包含商業(yè)零件。實際上，你有時必須推測與你可能選擇最接近你實際應用的零件，如上面的例子。

你有時聽到人們爭論由217得來的MTBF是太保守。這些人有時引用Bellcore可靠性手冊給出長得多的壽命。作者的經驗是217給出十分現(xiàn)實的估計。當制造廠做廣告說他的變換器MTBF如何如何，正是要校驗制造商是否應用217，沒有別的(不憑想象的),并且要按實際應力計算，不是“零件數(shù)”方法,68它是基于某一類型或許可能用于設計的元件數(shù)。假定零件數(shù)僅用于預估可靠性，不是為計算最終設計的MTBF的。在本書其它地方你得小心，你應用217計算MTBF的程序也得小心。這類軟件可能節(jié)省某些精力，但如何確定程序中公式是否正確？在應用這些軟件之前,請你對于每個類型元件手算進行檢查。

溫度計算。在所有討論溫度之后，這時要計算實際元件溫度。給一個元件功率損耗和它的傳熱通路，就可以畫出熱傳輸電效電路。在熱和電特性之間精確相似，如表所示（機械工程師常常應用其它單位，電氣工程師最好變換成這里的單位）。這種模擬意味著如果兩個熱傳輸串聯(lián)，它們的熱阻相加。

例1中用IRF620計算效率60℃時，損耗為450mW。有表查得結－殼的熱阻為Rjc=2.5℃/W（管芯到TO-220外殼），殼－散熱器的(TO-220經過墊片到散熱器熱阻Rcs=0.5℃/W。假定散熱器到環(huán)境的熱阻Rsa=40℃/W。環(huán)境溫度為45℃。溫升為ΔT=P(Rjc

+

Rcs

+

Rsa)=0.45(2.5+0.5+40)=19.35℃，結溫為19.35+45=64℃。在此例中芯片僅比管殼告1度，但并不總是工作在這種方式。若路中還存在熱容，由此得到熱時間常數(shù)。例：假定IFR620損耗10W，溫度升高將損壞器件，因為ΔT=10×47.5=470℃!但是施加損耗的時間僅100μs，然后回到450mW。熱響應曲線指出100μs單脈沖具有熱抗是穩(wěn)態(tài)響應的1/10；我們假定系統(tǒng)靜態(tài)等效熱時間常數(shù)相同，在脈沖終結時溫升為64+[10(2.5+0.5+40)×0.1]=107℃。這對器件說來是允許的。根據(jù)熱阻我們也可以求得熱容：熱阻Rjc=2.5℃/W，熱容必須為C=t/R=100μs/(2.5℃/W)=40μJ/℃。與熱容同樣的道理，導線電阻脈沖功率也比穩(wěn)態(tài)高。

散熱器。傳統(tǒng)散熱方法（對流、輻射和傳導）是采用散熱器（即傳導）。散熱器給熱提供傳輸?shù)綄α魍?，相似電路中再加一個電阻并聯(lián)，減少了總阻值，使得溫升降低。

最便宜的散熱器是一塊金屬板，通常經過陽極化處理，把器件用夾子或螺釘固定到散熱器上（螺釘固定比夾子好，因為夾子壓力不好控制；但螺紋固定需要附加零件和工序）。由于器件與散熱器之間接觸不很平整，通常在將器件安裝到散熱器上之前應當在接觸面涂敷硅脂，排除空隙，降低總熱阻。但是導熱硅脂十分臟，會帶來其它問題，建議在生產線不要用。

如果你用螺釘將器件固定到散熱器上，應當注意螺紋安裝力矩。因為接觸面總是不平整，安裝力矩過大，造成器件彎曲變形，反而造成器件與散熱器之間氣隙加大，而造成散熱效果變差，甚至損壞器件內部芯片。用螺釘固定最好采用經過校驗的力矩扳手，當超過給定力矩時，扳手打滑，不能繼續(xù)加大力矩。金屬散熱器需要與電路絕緣，因為散熱器通常是接地的，例如接到外殼?？稍谄骷蜕崞髦g房一個導熱絕緣墊片。通常采用的材料硅橡膠布，還可以采用云母或氧化鈹，高溫還可采用聚亞酰胺片。通常避免采用氧化鈹.

用于TO-220封裝的散熱器還是比較好的。但是，把表面貼裝元件直接接觸散熱器似乎不是好方法。當你采用表面貼裝MOSFET

,這些晶體管熱傳輸?shù)闹饕问绞峭ㄟ^它的引線，引線傳熱嚴重限制了器件在高功率應用。如果在器件封裝安裝處PCB很大的銅皮，這大大改善散熱，遺憾的是生產商通常忽略了規(guī)定結到外殼的熱阻。

如果變換器的熱不能由散熱器解決，那就要采取強迫通風或熱管冷卻。但是這樣的放散很花錢，而且很難較準確計算。例如，根據(jù)元件損耗功率、進出口溫度計算需要的風扇驅動空氣流量。但是發(fā)熱器件在空氣流的路徑上不同位置，散熱情況嚴重不同。這只好由這方面專門指示的工程師去解決。效率效率定義為變換器的總輸出功率除以總輸入功率，即ioPP=η式中Po－輸出功率；PI－輸入功率。輸入功率必須包括假負載、輔助電源、EMI濾波、保險絲等一切損耗。偶爾你會聽到“功率級效率”，是不包含輔助電路只是功率通路象功率器件和磁元件的變換器效率。效率為什么重要？除了滿足規(guī)范外，對效率的興趣在于：輸出一定的功率時，變換器要損耗相應的功率，變換器消耗功率就意味著發(fā)熱。變換器溫度高低對MTBF影響很大，高效率，溫升低使產品長壽命。效率可能對用電池供電的設備更重要，電池的容量是有限的，再次充電前甚至節(jié)約1W就可以延長供電時間。家用電器所用的開關電源的效率也很重要。因為典型的家庭用電美國限制在20A以下，如果變換器效率低，就不可能提供正常的輸出：很大功率消耗在變換器中，不可能足夠的電能傳輸?shù)截撦d而不跳閘。模塊效率模塊電源是很小的變換器，固化在一個扁平的外殼中，典型的裝在PCB板上。電源工業(yè)界所說的模塊效率不是額定負載的最大效率（即說明書中所說的“效率高達…”）.而模塊工業(yè)界的效率則是單個模塊效率。這就是說，如果要應用模塊需要附加一些部件，組成一定功能的變換系統(tǒng)。例如實際上還要加上EMC濾波或輸入PFC、輸出濾波等，這是不足為奇。但這樣，系統(tǒng)效率當然變差。銷售商并未對此說明。大于90％效率？一般有經驗的設計者根據(jù)經驗可以決定將要設計的變換器效率?？梢愿鶕?jù)一般規(guī)律，幫你解決如何滿足特殊效率規(guī)范要求。1．當輸出電壓低于5V，在輸出二極管上的損耗隨輸出總功率增加而增加（因為二極管壓降總是相同的電壓）；如果在5V輸出總要大于80％效率，你可能需要同步整流。2．在低功率（<1～2W）,IC源電流和柵極驅動電流影響效率，在此功率水平，能達到70%已經是相當不錯的了。為了達到最大效率，你必須應用CMOSPWM，而二極管采用同步整流。3．高效率幾乎總需要較大的磁芯。4．如果輸出輸入都是高壓，可以獲得高效率，因為對于給定功率水平電流小，變換器損耗正比于I或I2.5．在低到中等功率變換器效率幾乎沒有超過95％。從概念來說，假定你要構建一個輸入功率100W的變換器。如果這個變換器效率是80％，因此它的輸出是80W，內損耗為20W。增加2％的效率，即82％，換句話說輸出82W，節(jié)約2W，減少損耗10％.也就是說，假定變換器效率已經是90％，所以輸出功率是90W，內損耗為10W，如果增加效率2％,得到92W輸出，節(jié)約10W損耗中的2W，即20％。很清楚，節(jié)約損耗10％要比節(jié)約20％損耗容易，效率超過90％再增加效率2％變得十分困難。計算舉例1在你設計變換器之前，可很好地估計你的變換器效率。的確，如果需要高效率，你肯定需要這樣的估算作為選擇拓撲過程的一部分；選擇錯誤的拓撲導致此后試圖提高效率要花很大代價。作為一個例子，我們來分析10W輸出、斷續(xù)導通模式、隔離反激變換器的效率。事實上，我們可以應用第五章磁元件的變壓器，因為我們計算了變壓器的損耗為150mW。外殼：開放式；估計環(huán)境溫度75.0℃；所需安全距離：6.40mm；安全標準：IEC60950/UL19505.2安全分析電流流過人體會引起人體的生理反應，反應的強烈程度取決于電流的大小、持續(xù)時間、通過人體的路徑等。一般只需要0.5mA的電流，就能對健康的人體產生影響，并且可能造成間接性危害。更大的電流可能會對人體造成直接傷害，如燒傷或心室的纖維性顫動。人的感覺直流I/mA交流I/mA男女50HZ10KHZ男女男女不太痛苦5.23.5110.6128有痛苦感6241965537痛苦難忍，肌肉不自由74501610.57550呼吸困難，肌肉收縮906023159463表5-2人體對電流的反應一般而言，在干燥的情況下，小于40V峰值或60V直流的電壓，通常可視為沒有危險性的電壓。但是，對使用時必須觸碰的或者是需要用手操作的裸露零件等都應該接到保護地或者是將其妥善地處理。為了防止人體(操作人員或者維修人員)受到電擊，需要在開關電源設計中，遵守相關行業(yè)安規(guī)設計標準，如IEC60950，國標G4943等;在這些標準中，對開關電源的不同位置的做了絕緣要求，來保證操作人員的安全。電路電流是電壓驅動的，根據(jù)公認的人體電阻值，UL60950將安全電路分為阻流電路、安全超低電壓電路、超低電壓電路和電信網絡電壓。安全電路分為：限流電路LCC（LimitedCurrentCircuit）對于頻率不超過1KHZ，在正常工作和設備內單獨出現(xiàn)的故障，電路中任何兩個零件間，或零件與地之間接2KHZ無感電阻，穩(wěn)態(tài)流過這個電阻的最大可能電流不超過2mA，或交流峰值0.7mA，或有限值0.5mA。如果頻率在1KHZ以上，0.7mA乘以KHZ為單位的頻率值，但不超過70mA。安全超低電壓電路SELV(SafetyExtra-LowVoltageCircuit)在安全工作和單獨故障時，SELV電路的任何兩導體間或電路間，以及導體與地之間的電壓不應超過交流峰值42.4V，直流60V，一般是二次側路超低壓電路ELV（Extra-LowVoltageCircuit）屬于二次側路，使用基本絕緣隔離危險電壓，在正常工作情況，電路中兩導體之間的電壓，以及任何一個導體與地之間電壓不超過交流峰值42.2V且直流不超過60V，該電路要么滿足SELV電路全部要求，要么限流電路全部要求。電信網絡電壓TNV電信網絡電壓可能超過SELV限值（TNV-2和TNV-3）。正常工作電壓可能高到交流峰值71V或直流120V，可接觸的面積為一個接插件的插腳。在單獨故障時，在很短的時間間隔，電壓可能提得較高（TNV-3），但必須在200ms內返回到正常值。較高的瞬態(tài)電平（高達1500V，但間隔很短）可能來自公用開關電信網路。請注意，雖然有以上考慮安全的四種名稱，但僅SELV和LCC電路允許操作者自由地接近裸露的零件和電路元件。本文設計的LED開關電源，在采用OpenFrame封裝時，外部環(huán)境溫度為75℃時，安全距離為6.40mm，采用IEC60950/UL1950安全規(guī)范與標準評估。第六章總結6.1開關電源干擾來源分析開關電源首先將工頻交流整流為直流，再逆變?yōu)楦哳l，最后經過整流濾波電路輸出，得到穩(wěn)定的直流電壓，因此自身含有大量的諧波干擾。同時，由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復電流造成的尖峰，都形成了潛在的電磁干擾。開關電源中的干擾源主要集中在電壓、電流變化大的元器件上，突出表現(xiàn)在開關管、二極管、高頻變壓器等上。（1）、開關電路產生的電磁干擾開關電路是開關電源的主要干擾源之一。開關電路是開關電源的核心，主要由開關管和高頻變壓器組成。它產生的du/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖干擾產生的主要原因是：開關管負載為高頻變壓器初級線圈，是感性負載。在開關管導通瞬間，初級線圈產生很大的涌流，并在初級線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓;在開關管斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰。電源電壓中斷會產生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，這種瞬變是一種傳導型電磁干擾，既影響變壓器初級，還會使傳導干擾返回配電系統(tǒng)，造成電網諧波電磁干擾，從而影響其他設備的安全和經濟運行。（2）、外部產生的干擾開關電源的外部干擾可以以“共模”和“差?！毙问酱嬖?。干擾類型可以從持續(xù)期很短的尖峰干擾到完全失電之間進行變化。其中可以包括電壓變化、頻率變化、波形失真、持續(xù)噪聲和雜波以及瞬變等。在下表幾種干擾中，能夠通過電源線進行傳輸并造成設備的破壞或影響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波。而靜電放電等干擾，只有電源設備本身不產生停振、輸出電壓跌落等現(xiàn)象，就不會造成因電源引起的對用電設備的影響。序號干擾類型典型起因1跌落雷擊、過載、接通電網電壓低的情況下2失電變壓器故障、其他器械故障3頻率偏移發(fā)電機不穩(wěn)定、區(qū)域性電網故障4電器噪聲雷達無線電信號轉換器和逆變器5浪涌突然減輕負載變壓器的抽頭不恰當6諧波失真整流開關負載開關型電源7瞬變雷擊電源線、負載設備切換空載、電動機斷開表6-16.2開關電源抑制干擾措施分析(1)、開關電源產生EMI的原因較多,其中由基本整流器產生的電流高次諧波干擾和功率轉換電路產生的尖峰電壓干擾是主要原因.

基本整流器：基本整流器的整流過程是產生EMI最常見的原因.這是因為工頻交流正弦波通過整流后不再是單一頻率的電流,而變成一直流分量和一系列頻率不同的諧波分量,諧波(特別是高次諧波)會沿著輸電線路產生傳導干擾和輻射干擾,使前端電流發(fā)生畸變,一方面使接在其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變,另一方面通過電源線產生射頻干擾.

功率轉換電路：功率轉換電路是開關穩(wěn)壓電源的核心,它產生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖,其頻帶較寬且諧波比較豐富.

產生這種脈沖干擾的主要原因是:

①開關管：開關管及其散熱器與外殼和電源內部的引線間存在分布電容.當開關管流過大的脈沖電流時,大體上形成了矩形波,該波形含有許多高頻成份.由于開關電源使用的元件參數(shù)如開關功率管的存儲時間,輸出級的大電流,開關整流二極管的反向恢復時間,會造成回路瞬間短路,產生很大短路電流.開關管的負載是高頻變壓器或儲能電感,在開關管導通的瞬間,變壓器初級出現(xiàn)很大的涌流,造成尖峰噪聲.

②高頻變壓器：開關電源中的變壓器,用作隔離和變壓.但由于漏感地原因,會產生電磁感應噪聲;同時,在高頻狀況下變壓器層間的分布電容會將一次側高次諧波噪聲傳遞給次級,變壓器對外殼的分布電容形成另一條高頻通路,而使變壓器周圍產生的電磁場更容易在其他引線上耦合形成噪聲.

③整流二極管：二次側整流二極管用作高頻整流時,要考慮反向恢復時間的因數(shù).往往正向電流蓄積的電荷在加上反向電壓時不能立即消除(因載流子的存在,還有電流流過).一旦這個反向電流恢復時的斜率過大,流過線圈的電感就產生了尖峰電壓,在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下將產生較強的高頻干擾,其頻率可達幾十兆赫.

④電容、電感器和導線：開關電源由于工作在較高頻率,會使低頻的元器件特性發(fā)生變化,由此產生噪聲.

開關電源外部干擾：開關電源外部干擾可以以“共模”或“差?！狈绞酱嬖?干擾類型可以從持續(xù)期很短的尖峰干擾到完全失電之間進行變化.其中也包括電壓變化、頻率變化、波形失真、持續(xù)噪聲或雜波以及瞬變等，在電源干擾的幾種干擾類型中,能夠通過電源進行傳輸并造成設備的破壞或影響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波,而靜電放電等干擾只要電源設備本身不產生停振、輸出電壓跌落等現(xiàn)象,就不會造成因電源引起的對用電設備的影響.

開關電源干擾耦合途徑：開關電源干擾耦合途徑有兩種方式:一種是傳導耦合方式,另一種是輻射耦合方式.

1.傳導耦合：傳導耦合是騷擾源與敏感設備之間的主要耦合途徑之一.傳導耦合必須在騷擾源與敏感設備之間存在有完整的電路連接,電磁騷擾沿著這一連接電路從騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感設備,產生電磁干擾.按其耦合方式可分為電路性耦合、電容性耦合和電感性耦合.在開關電源中,這三種耦合方式同時存在,互相聯(lián)系⑴電路性耦合：電路性耦合是最常見、最簡單的傳導耦合方式.其又有以下幾種:

接傳導耦合：導線經過存在騷擾的環(huán)境時，即拾取騷擾能量并沿導線傳導至電路而造成對電路的干擾。

②共阻抗耦合：由于兩個以上電路有公共阻抗,當兩個電路的電流流經一個公共阻抗時,一個電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會影響到另一個電路,這就是共阻抗耦合.形成共阻抗耦合騷擾的有:電源輸出阻抗、接地線的公共阻抗等。

⑵電容性耦合：電容性耦合也稱為電耦合,由于兩個電路之間存在寄生電容,使一個電路的電荷通過寄生電容影響到另一條支路.

⑶電感性耦合：電感性耦合也稱為磁耦合,兩個電路之間存在互感時,當干擾源是以電源形式出現(xiàn)時,此電流所產生的磁場通過互感耦合對鄰近信號形成干擾.

2.輻射耦合：通過輻射途徑造成的騷擾耦合稱為輻射耦合.輻射耦合是以電磁場的形式將電磁能量從騷擾源經空間傳輸?shù)浇邮芷?通常存在四種主要耦合途徑:天線耦合、導線感應耦合、閉合回路耦合和孔縫耦合.

⑴天線與天線間的輻射耦合：在實際工程中,存在大量的無意電磁耦合.例如,開關電源中長的信號線、控制線、輸入和輸出引線等具有天線效應,能夠接收電磁騷擾,形成無意耦合.

⑵電磁場對導線的感應耦合：開關電源的電纜線一般是由信號回路的連接線、功率級回路的供電線以及地線一起構成,其中每一根導線都由輸入端阻抗、輸出端阻抗和返回導線構成一個回路.因此,電纜線是內部電路暴露在機箱外面的部分,最易受到騷擾源輻射場的耦合而感應出騷擾電壓或騷擾電流,沿導線進入設備形成輻射騷擾⑶電磁場對閉合回路的耦合：電磁場對閉合回路的耦合是指回路受感應最大部分的長度小于四分之一波長.在輻射騷擾電磁場的頻率比較低的情況下,輻射騷擾電磁場與閉合回路的電磁耦合.

⑷電磁場通過孔縫的耦合：電磁場通過孔縫的耦合是指輻射騷擾電磁場通過非金屬設備外殼、金屬設備外殼上的孔縫、電纜的編織金屬屏蔽體等對其內部的電磁騷擾。抑制干擾的一些措施：形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備，因而,抑制電磁干擾也應該從這三方面著手,采取適當措施.首先應該抑制干擾源,直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑;第三是提高受擾設備的抗擾能力,減低其對噪聲的敏感度.目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設備之間的耦合通道.常用的方法是屏蔽、接地和濾波.

⑴采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾,即用電導率良好的材料對電場屏蔽,用磁導率高的材料對磁場屏蔽.屏蔽有兩個目的,一是限制內部輻射的電磁能量泄漏出該內部區(qū)域,二是防止外來的輻射干擾進入該內部區(qū)域.為了抑制開關電源產生的輻射,電磁干擾對其他電子設備的影響,可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩,然后將整個屏蔽罩與系統(tǒng)的機殼和地連接為一體,就能對電磁場進行有效的屏蔽.

⑵所謂接地,就是在兩點間建立傳導通路,以便將電子設備或元件連接到某些叫作"地"的參考點上.接地是開關電源設備抑制電磁干擾的重要方法,電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用.在電路系統(tǒng)設計中應遵循"一點接地"的原則,如果形成多點接地,會出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路,當磁力線穿過該回路時將產生磁感應噪聲,實際上很難實現(xiàn)"一點接地".因此,為降低接地阻抗,消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地,利用一個導電平面作為參考地,需要接地的各部分就近接到該參考地上.為進一步減小接地回路的壓降,可用旁路電容減少返回電流的幅值.在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中,應分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后,再連接到公共參考點上.

⑶濾波是抑制傳導干擾的有效方法.EMI濾波器作為抑制電源線傳導干擾的重要單元,可以抑制來自電網的干擾對電源本身的侵害,也可以抑制由開關電源產生并向電網反饋的干擾.在設備或系統(tǒng)的電磁兼容設計中具有極其重要的作用.在濾波電路中,還采用很多專用的濾波元件,如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán),它們能夠改善電路的濾波特性.恰當?shù)卦O計或選擇濾波器,并正確地安裝和用濾波器,是抗干擾技術的重要組成部分.

選擇濾波器時要注意:

①明確工作頻率和所要抑制的干擾頻率,如兩者非常接近,則需要應用頻率特性非常陡峭的濾波器,才能把兩種頻率分開;

②保證濾波器在高壓情況下能夠可靠地工作;

③濾波器連續(xù)通以最大額定電流時,其溫升要低,以保證在該額定電流連續(xù)工作時,不破壞濾波器中器件的工作性能;

④為使工作時的濾波器頻率特性與設計值相符合,要求與它連接的信號源阻抗和負載阻抗的數(shù)值等于設計時的規(guī)定值;

⑤濾波器必須具有屏蔽結構,屏蔽箱蓋和本體要有良好的電接觸,濾波器的電容引線應盡量短,最好選用低引線短電感的穿心電容;

⑥要有較高的工作可靠性,因為作防護電磁干擾用的濾波器,其故障往往比其他元件的故障更難找.

安裝濾波器時應注意以下幾點:

①電源線路濾波器應安裝在離設備電源入口盡量靠近的地方,不要讓未經過濾波器的電源線在設備框內迂回;

②濾波器中的電容器引線應盡可能短,以免因引線感抗和容抗在較低頻率上諧振;

③濾波器的接地導線上有很大的短路電流通過,會引起附加的電磁輻射,故應對濾波器元件本身進行良好的屏蔽和接地處理;

④濾波器的輸入和輸出線不能交叉,否則會因濾波器的輸入―輸出電容耦合通路引起串擾,從而降低濾波特性,通常的辦法是輸入和輸出端之間加隔板或屏蔽層.致謝本論文是在雷婷老師的親切關懷和悉心指導下完成的，她嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。雷老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷，在此謹向雷老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。我還要感謝在一起愉快的度過畢業(yè)論文小組的同學們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們！再次對關心、幫助我的老師和同學表示衷心地感謝！由于我的學術水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請各位老師和學友批評和指正！參考文獻[1]周志敏.開關電源驅動LED電路設計實例.北京：電子工業(yè)出版社，2012：154[2]楊興洲.開關穩(wěn)壓電源.北京：國防工業(yè)出版社，1995[3]童詩白.模擬電子技術基礎.第4版.北京：高等教育出版社，2006:343[4]楊旭.開關電源技術.北京：機械工業(yè)出版社，2006[5]李瀚蓀.電路分析基礎.第4版.北京：高等教育出版社，2006[6]侯振義.直流開關電源及應用.北京：電子工業(yè)出版社，2006[7]周潔敏.開關電源理論及設計.北京：北京航空航天大學出版社，2012：1.365[8]趙同賀.開關電源設計技術與應用實例.北京：人民郵電出版社，2006[9]黃俊.電子電力技術.北京：機械工業(yè)出版社，2006[10]姜培剛.Protel99SE原理圖與PCB及仿真.北京：機械工業(yè)出版社，2004[11]李希茜.高頻變壓器的設計.北京：現(xiàn)代電子技術出版社，2001基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構件開發(fā)的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉變壓器-數(shù)字轉換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設計Pico專用單片機核的可測性設計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設備的數(shù)控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計基于單片機船舶電力推進電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網絡的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲技術的應用研究HYPERLINK