1、在研制開關電源時,不僅要設計好電路,還必須能正確選擇元器件 單片開關.txt人生在世 ，難敵宿命，沉淪其中。我不愛風塵，似被前緣誤！我只為我最愛的人流淚“我會學著放棄你，是因為我太愛你”贏了你,我可以放棄整個世界在研制開關電源時,不僅要設計好電路,還必須能正確選擇元器件. 單片開關電源的外圍元器件大致可分成三大類: 1)通用元器件包括電阻、電容、整流橋或整流管、穩壓管、熔斷器、自恢復保險絲. 2)特種半導體器件主要有TL431型可調式精密并聯穩壓器、EMI濾波器、光耦合器、瞬態電壓抑制器、快恢復及超快恢復二極管、肖特基二極管. 3)磁性材料如高頻變壓器磁芯、電磁線(漆包線、三重絕緣線)、磁珠.

2、 下面介紹7種關鍵元器件的工作原理與選擇方法. 1. TL431型可調式精密并聯穩壓器TL431是由美國德州儀器公司(TI)和摩托羅拉公司生產的2.5036V可調式精密并聯穩壓器.其性能優良,價格低廉,可廣泛用于單片精密開關電源或精密線性穩壓電源中. 此外,TL431還能構成電壓比較器、電源電壓監視器、延時電路、精密恒流源等.目前在單片精密開關電源中,普遍用它來構成外部誤差放大器,再與線性光耦合器組成隔離式光耦反饋電路. TL431系列產品包括TL431C、TL431AC、TL431I、TL431AI、TL431M、TL431Y,共6種型號.它屬于三端可調式器件,利用兩只外部電阻可設定2.50

3、36V范圍內的任何基準電壓值.TL431的電壓溫度系數T=3010-6/(即30ppm/).其動態阻抗低,典型值為0.2.陰極工作電壓UKA的允許范圍是2.5036V,陰極工作電流IKA=1100mA. TL431大多采用DIP8或TO92封裝形式,管腳排列分別如圖1(a)及圖1(b)所示.圖中,A為陽極,使用時需接地.K為陰極,需經限流電阻接正電源.UREF是輸出電壓Uo的設定端,外接電阻分壓器.NC為空(a)電路符號(b)基本接線圖2TL431的電路符號與基本接線腳.TL431的等效電路見圖1(c),主要包括4部分: 1)誤差放大器A,其同相輸入端接從電阻分壓器上得到的取樣電壓,反相輸入端

4、則接內部2.50V基準電壓Uref,并且設計的UREF=Uref,UREF端常態下應為2.50V,因此亦稱基準端; 2)內部2.50V(準確值應為2.495V)基準電壓源Uref; 3)NPN型晶體管VT,它在電路中起到調節負載電流的作用; 4)保護二極管VD,可防止因K,A間電源極性接反而損壞芯片.TL431的電路符號和基本接線如圖2所示.它相當于一只可調式齊納穩壓管,輸出電壓由外部精密電阻R1和R2來設定,有公式 Uo=UKA=(1+R1/R2)(1) R3是IKA的限流電阻. TL431的穩壓原理可分析如下:當由于某種原因致使Uo時,取樣電壓UREF也隨之升高,使UREFUref,比較器

5、輸出高電平,令VT導通,Uo.反之,UoUREFUREFTL431可廣泛用于單片開關電源中,作為外部誤差放大器,構成光耦反饋式電路.其工作原理是當輸出電壓Uo發生波動時,經電阻分壓后得到的取樣電壓就與TL431中的2.5V帶隙基準電壓進行比較,在陰極上形成誤差電壓,使LED的工作電流IF產生相應變化,再通過光耦去改變控制端電流IC的大小,調節TOPSwitch的輸出占空比,使Uo不變,達到穩壓目的. 2. 線性光耦合器光耦合器(OpticalCoupler)簡稱光耦.它是以光為媒介來傳輸電信號的器件.通常是把發光器(紅外線發光二極管LED)與受光器(光敏半導體管)封裝在同一管殼內.當輸入端加電

6、信號時發光器發出光線,受光器接受光線之后就產生光電流,從輸出端流出,從而實現了“電光電”轉換.普通光耦合器只能傳輸數字(開關)信號,不適合傳輸模擬信號.線性光耦合器是一種新型光電隔離器件,它能夠傳輸連續變化的模擬電壓或模擬電流信號,使其應用領域大為拓寬. 線性光耦與普通光耦的重要區別反映在電流傳輸比(CTR)上.CTR是光耦的重要參數,通常用直流電流傳輸比來表示.當輸出電壓保持恒定時,它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比.有公式 CTR=100%(2) 采用一只光敏三極管的光耦合器,CTR的范圍大多為20%300%(例如4N35),而PC817則為80%160%.達林頓型光耦(如4

7、N30)可達100%5000%.這表明欲獲得同樣的輸出電流,后者只需較小的輸入電流.因此CTR參數與晶體管的hFE有某種相似之處.線性光耦與普通光耦典型的CTRIF特性曲線,分別如圖3中的虛線和實線所示.由圖可見,普通光耦的CTRIF特性曲線呈非線性,在IF較小時的非線性失真尤為嚴重,因此它不適合傳輸模擬信號.線性光耦的CTRIF特性曲線具有良好的線性度,特別是在傳輸小信號時,其交流電流傳輸比(CTR=IC/IF)很接近于直流電流傳輸比CTR值,因此它適合傳輸模擬電壓或電流信號,能使輸出與輸入之間呈線性關系.這是其重要特性.線性光耦的典型產品及主要參數見表1,這些光耦均以光敏三極管作為接收管.

8、在設計光耦反饋式開關電源時必須正確選擇線性光耦合器的型號及參數,選取原則如下: 圖3兩種光耦的CTRIF特性曲線() 技術講座(d)(a)(b)(c) 圖4單片開關電源常用的四種EMI濾波器表1線性光的產品型號及主要參數產品型號CTR/%U(BR)CEO/V國外生產廠家封裝形式PC816A8016070SharpDIP4(基極未引出)PC817A8016035SharpSFH610A26312570SiemensNEC2501H8016040NECCNY1726312570Motorola,Siemens,ToshibaDIP6(基極引出)CNotorola,Siem

9、ens,ToshibaSFH60016312570Siemens,IsocomSFH600210020070Siemens,IsocomCNY75GA6312590TemicDIP6(基極未引出)CNY75GB10020090TemicMOC8101508030Motorola,IsocomMOC81027311730Motorola,Isocom 1)光耦的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是50%200%.這是因為當CTR5.0mA),才能正常控制單片開關電源的占空比,這會增大光耦的功耗.若CTR200%,在啟動電路或者當負載發生突變時,有可能將單片開關電源誤觸發,影響正常輸出. 2)推薦采用

10、線性光耦,其特點是CTR值能夠在一定范圍內做線性調整. 3)由英國埃索柯姆(Isocom)公司、美國摩托羅拉公司生產的4N系列(例如4N25、4N26、4N35)光耦合器,目前在國內應用十分普遍.鑒于此類光耦合器呈現開關特性,其線性度差,只適宜傳輸數字信號(高、低電平),因此不推薦用在開關電源中. 3. 電磁干擾濾波器電磁干擾濾波器亦稱EMI濾波器,它能有效地抑制電網噪聲,提高電子設備的抗干擾能力及系統的可靠性,可廣泛用于電子測量儀器、計算機機房設備、開關電源、測控系統等領域.電網噪聲是電磁干擾的一種,屬于射頻干擾(RFI),其傳導噪聲的頻譜大致為10kHz30MHz,最高可達150MHz.根

11、據傳播方向的不同,電網噪聲可分為兩大類: 一類是從電源進線引入的外界干擾,另一類是由電子設備產生并經電源線傳導出去的噪聲.這表明它屬于雙向干擾信號,電子設備既是噪聲干擾的對象,又是一個噪聲源.若從形成特點看,噪聲干擾分串模干擾與共模干擾兩種.串模干擾是兩條電源線之間(簡稱線對線)的噪聲,共模干擾則是兩條電源線對大地(簡稱線對地)的噪聲.因此,電磁干擾濾波器應符合電磁兼容性(EMC)的要求,也必須是雙向射頻濾波器,一方面要濾除從交流電源線上引入的外部電磁干擾,另一方面還能避免設備本身向外部發出噪聲干擾,以免影響同一電磁環境下其它電子設備的正常工作.此外,電磁干擾濾波器應對串模、共模干擾都起到抑制

12、作用. 為減小體積和降低成本,單片開關電源一般采用簡易式單級EMI濾波器,主要包括共模扼流圈L和濾波電容.典型電路如圖4所示.以圖4(c)為例,L、C1和C2用來濾除共模干擾,C3和C4濾除串模干擾.當出現共模干擾時,由于L中兩個線圈的磁通方向相同,經過耦合后總電感量迅速增大,因此對共模信號呈現很大的感抗,使之不易通過,故稱作共模扼流圈.它的兩個線圈分別繞在低損耗、高導磁率的鐵氧體磁環上.R為泄放電阻,可將C3上積累的電荷泄放掉,避免因電荷積累而影響濾波特性;斷電后還能使電源的進線端L、N不帶電,保證使用的安全性.EMI濾波器能有效抑制單片開關電源的電磁干擾.圖5中曲線a為不加EMI濾波器時開

13、關電源上0.15MHz30MHz傳導噪聲的波形(即電磁干擾峰值包絡線).曲線b是插入如圖3(d)所示EMI濾波器后的波形,它能將電磁干擾衰減5070dB.顯然,這種EMI濾波器的效果更佳.插入損耗(AdB)是EMI濾波器的重要參數.它是利用計算機設計單片開關電源講座(第七講) 圖5加EMI濾波器前、后干擾波形的比較 (a)插入前 (b)插入后圖6測量插入損耗的電路評價電磁干擾濾波器性能優劣的主要指標.設電磁干擾濾波器插入前后傳輸到負載上的噪聲電壓分別為U1、U2,有公式AdB=20lg(3)插入損耗用分貝(dB)表示,分貝值愈大,說明抑制噪聲干擾的能力愈強.測量插入損耗的電路如圖6所示.e是噪

14、聲信號發生器,Zi是信號源的內部阻抗,ZL是負載阻抗,一般取50.噪聲頻率范圍可選10kHz30MHz.首先要在不同頻率下分別測出插入EMI濾波器前后,負載兩端的噪聲壓降U1、U2,再代入式(3)中計算出每個頻率點的AdB值,最后繪出插入損耗曲線.需要指出,上述測試方法比較繁瑣,每次都要拆裝EMI濾波器.為此可用電子開關對兩種測試電路進行快速切換. 4 瞬態電壓抑制器 瞬態電壓抑制器亦稱瞬變電壓抑制二極管,其英文縮寫為TVS(Transient Voltage Suppressor),是一種新型過壓保護器件.由于它的響應速度極快、鉗位電壓穩定、體積小、價格低,因此可作為各種儀器儀表、自控裝置和

15、家用電器中的過壓保護器,還可用來保護單片開關電源集成電路、MOS功率器件以及其它對電壓敏感的半導體器件.瞬態電壓抑制器是一種硅PN結器件,其外型與塑封硅整流二極管相似,見圖1(a).常見的封裝形式有DO-41、A27K、A37K,它們在75以下的額定脈沖功率分別為2W、5W、15W,在25、s條件下可承受的浪涌電流分別可達50A、80A、200A.外形尺寸有2.04.1、2.75.2、5.09.4(mm)等規格.其鉗位電壓從0.7V到3kV.TVS的符號與穩壓管相同,見圖1(b),伏安特性如圖1(c)所示.圖1(c)中,UB、IT分別為反向擊穿電壓(即鉗位電壓)、測試電流.UR為導通前加在器件

16、上的最大額定電壓.有關系式UR=0.8UB.IR是最大峰值漏電流.UC是在1ms時間內器件可承受的最大峰值電壓.有關系式UCUBUR.IP是瞬時脈沖峰值電流.因IP、IT、IR分別屬于A、mA、A這三個數量級,故IPITIR.TVS的峰值脈沖功率PP與干擾脈沖的占空比(D)以及環境溫度(TA)有關.當D時PP,反之亦然.而當TA時PP.PP值通常是在脈寬1ms、脈沖上升沿為10s、D=0.01%的條件下測出的,使用時不得超過此值. (a) 外形(b)符號(c)伏安特性 圖1瞬態電壓抑制器 瞬態電壓抑制器在承受瞬態高電壓(例如浪涌電壓、雷電干擾、尖峰電壓)時,能迅速反向擊穿,由高阻態變成低阻態,

17、并把干擾脈沖鉗位于規定值,從而保證電子設備或元器件不受損壞.鉗位時間定義為從零伏達到反向擊穿電壓最小值所需要的時間.TVS的鉗位時間極短,僅1ns,所能承受的瞬態脈沖峰值電流卻高達幾十至幾百A.其性能要優于壓敏電阻器(VSR),且參數的一致性好.TVS器件分為單向瞬態電壓抑制器、雙向瞬態電壓抑制器兩種類型.國內外產品有TVP、SE、5KP、P6KE、BZY、BZT等系列.單片開關電源中常用的TVS產品型號見表1.需要說明幾點 1)表中的P為額定功率,t是鉗位時間(典型值); 2)對于P6KE系列,靠近白色環為正極; 3)TVS也可串聯或并聯使用,以提高峰值脈沖功率,但在并聯時各器件的UB值應相

18、等. 雙向瞬態電壓抑制器的典型產品有P6KE20、P6KE250等.這類器件能同時抑制正向、負向兩種極性的干擾信號,適用于交流電路中. 表1單片開關電源常用TVS的型號型號UB/VP/Wt/ns生產廠家 P6KE919151美國Motorola公司 P6KE15015051 P6KE2002005(600*)1 BZY97C1201201.51 BZY97C2002001.51 BZT03C1201203.251 * 括弧內數字為峰值脈沖功率Pp. 5 快恢復及超快恢復二極管 快恢復二極管(FRD)和超快恢復二極管(SRD)是極有發展前途的電力電子半導體器件.它們具有開關特性好、反向恢復時間短

19、、耐壓高、正向電流大、體積小、安裝簡便等優點.可廣泛用于脈寬調制器、單片開關電源、不間斷電源(UPS)、高頻加熱裝置、交流電機變頻調速等領域,作為高頻、大電流的整流二極管、續流二極管或阻塞二極管.下面介紹其性能特點和選取原則. 5.1快恢復及超快恢復二極管的性能特點 1)反向恢復時間 反向恢復時間trr的定義是電流通過零點由正向轉向反向,再由反向轉換到規定低值的時間間隔.它是衡量高頻整流及續流器件性能的重要技術指標.反向電流的波形如圖2所示.圖中,IF為正向電流,IRM為最大反向恢復電流,Irr為反向恢復電流,通常規定Irr=0.1IRM.當tt0時,iF=IF.當tt0時,由于整流管上的正向

20、電壓突然變成反向電壓,因此正向電流迅速減小,在t=t1時刻,iF=0.然后整流管上流過反向電流iR,并且iR逐漸增大;在t=t2時刻達到最大反向電流IRM.此后反向電流逐漸減小,并且在t=t3時刻達到規定值Irr.從t2到t3的反向恢復過程與電容器放電過程有相似之處.由t1到t3的時間間隔即為反向恢復時間trr. 2)快恢復二極管的結構特點 快恢復二極管的內部結構與普通二極管不同,它是在P型、N型硅材料中增加了基區I,構成P-I-N硅片.由于基區很薄,反向恢復電荷很小,不僅大大減小了trr值,還降低了瞬態正向電壓,使管子能承受很高的反向工作電壓.快恢復二極管的反向恢復時間一般為幾百ns,正向壓

21、降為0.60.7V,正向電流是幾A至幾kA,反向峰值電壓可達幾百V至幾kV.超快恢復二極管則是在快恢復二極管基礎上發展而成的,其反向恢復電荷進一步減小,trr值可低至幾十ns.20A以下的快恢復二極管及超快恢復二極管大多采用TO220封裝.從內部結構看,可分成單管、對管兩種.對管內部包含兩只快恢復或超快恢復二極管,根據兩只二極管接法的不同,又有共陰對管、共陽對管之分.幾十A的快恢復、超快恢復二極管一般采用TO3P金屬殼封裝,更大容量(幾百A至幾kA)的管子則采用螺栓型或平板型封裝. 5.2選擇方法 在單片開關電源中,一般采用超快恢復二極管作為阻塞二極管、輸出整流管或反饋電路中的整流管. 圖2反

22、向恢復電流的波形 圖3肖特基二極管的伏安特性 1) 阻塞二極管 在初級保護電路中與鉗位二極管(TVS)配套使用的阻塞二極管(VD1),須用超快恢復二極管.其反向恢復時間trr75ns,多數管子在20ns50ns之間.典型產品有美國通用儀器公司(GI)生產的UF4000、UF5400兩大系列,荷蘭飛利浦公司生產的BYV26系列、BYV27系列、BYW29系列,美國摩托羅拉公司生產的MUR100系列.選取原則見表2. 表2選取阻塞二極管的原則單片開關電源集成電路阻塞二極管的反向耐壓URM/V超快恢復二極管型號示例 TOP100系列400UF4004BYV26BMUR140 TOP200系列600UF4005BYV26CMUR160 TOPSwitch系列600UF4005BYV26CMUR160 2) 輸出整流管 超快恢復二極管適合作為開關電源的高壓、大電流整流管.設整流管實際承受的最大反向峰值電壓為U(BR)S,所選整流管的最高反向工作電壓為URM,要求URM2