开关型稳压电源的研究 - 图文

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题目：开关型稳压电源

Switch Power Supply

前言

近年来，随着科学技术的发展，特别是大规模集成电路，大功率半导体器件、计算机辅助设计方法的飞速发展，使得电源装置有了重大的突破。如今效率低、体积大而笨重、过载能力差的线性电源已逐步被高效、轻小的高频开关电源所代替。

任何电子设备均需直流电源来供给电路工作，特别是采用电网电源供电的电子产品，为了适应电网电压的波动和电路的工作状态变化，更需要具备适应电网电压变化和负载变化的直流稳压电源。近年来，随着电子技术的发展及人们对如何提高稳压电源的转换效率、增强对电网的适应性、缩小体积减轻重量的研究，使得开关电源应运而生。在七十年代，开关电源便应于家用电视接收机，现在已被广泛应用于彩色电视机、摄录像机、计算机、通讯系统、医疗器械、气象等行业，而且逐步取代了传统的串联线性稳压电源，使整机的性能、效率可靠性都得到了进一步提高。因此，我们选择研制开关稳压电源作为课题，不仅具有理论意义，同时也有很大的经济效益和社会效益。

本文在第一章介绍了开关稳压电源的发展原因、发展趋势、发展前景，同时也对本课题的工作作了简介。

第二章介绍了几种基本的电源组成部分，做为后面研究的铺路石。 第三章介绍了本论文研究的电路图的各个组成部分，结构，原理及工作方法。

第四章为本次研究的电路图方案及电路的具体工作方法，其中着重介绍了TDA2640的工作原理。本文是在指导老师张子荐教授的具体安排和精心指导下完成的，没有老师们的指导，也不可能有今天论文的顺利完成。在此我对他们表示衷心的感谢。

目 录

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摘 要 ABSTRACT

第一章 开关稳压电源概述???????????????1 1.1 线性稳压电源概述???????????????????1 1.2开关稳压电源概述??????????????????2 1.3 开关稳压电源的分类???????????????????3 1.4 开关稳压电源的发展???????????????????5 第二章 开关稳压电源调整器设计原理?????????????7 2.1 开关稳压电源工作原理??????????????????7 2.2 开关稳压电源的控制方式?????????????????10 2.3 脉宽调制式（PWM）开关电源???????????????11 2.4 开关晶体管???????????????????????12 2.5 调整器总体结构原理???????????????????15 第三章 电路研究与具体实现????????????????18 3.1 启动电路??????????????????????18 3.2 基准电压源???????????????????????20 3.3 误差放大器???????????????????????24 3.4过流保护电路??????????????????????26 3.5 过热保护电路??????????????????????28 3.6 振荡器?????????????????????????29 3.7 触发器?????????????????????????30 3.8 输出电路????????????????????????31 第四章 开关稳压电源的研究实例??????????????33 4.1 开关型稳压电源研究??????????????????33 4.2 TDA2640芯片各引脚功能?????????????????36 结论????????????????????????????41 参考文献?????????????????????????42

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摘要

本文从开关稳压电源的结构入手，着重介绍了开关稳压电源的变换器、PWM波产生电路及滤波电路，并通过仿真来说明。变换器是开关稳压电源的主要电路部分，我们对各种变换器进行比较的基础上，选用了半桥式隔离变换器。并对扁平变压器的性能和设计方法进行了详细的研究和分析。如果功率因数较小，不仅是能量的一种巨大浪费，而且还有许多其他的危害。本文对以有技术分析研究的基础上采用了TDA2640芯片，达到了良好的效果。

关键词：开关稳压电源 变换器 脉宽调制 整流 躁声

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Abstract

This article begins with introduction of structure of Switch Power Supply.With emphasis on converter of PWM and filter. Converter is a main part of Switch Power Supply.We adopt half-bridge isolated converter on a basis of comparison among converters.Researching and analysis of falt transformer’s performance and designing method are introduced in detail.If power factor is too small, It will not only cause vast waste of power.But also bring a lot of harm.Power factor corrrction achieved by using IC TDA2640.And this method does it very well.

Keywords:

Switch Power Supply ,Converter,Pulse width modulation Rectification,Noise

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第1章 开关稳压电源概述

目前常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源两大类。线性稳压电源由于其功耗大，在一些高要求的电子仪器中己逐渐被开关稳压电源所代替，本章将主要介绍开关稳压电源的结构、分类及发展。

1.1线性稳压电源概述

所谓线性稳压电源，是指在稳压电源电路中的调整管是工作在线性放大区。其工作过程为:将220V,50Hz的工频电压经过线性变压器降压以后，再经过整流、滤波和线性稳压，最后输出一个波纹电压和稳定性能均符合要求的直流电压。其原理方框图如图1.1所示。

线性稳压电源的优点是:

（1）电源稳定度及负载稳定度较高；（2）输出波纹电压小；（3）线路结构简单，便于维修；（4）没有开关干扰。 线性稳压电源的缺点是:

（1）功耗大，效率低，其效率一般只有45。这主要是因为调整管在整个工程过程中，一直是工作在线性放大区，调整管本身的功耗与输出电流成正比。（2） 体积大、重量重，不能微小型化。调整管的功耗大会使调整管急剧的发热，为了保证管子能正常工作，除选用功率大的管子外，还必须给管子加上较大的散热片，因此体积大。（3）滤波电容容量较大。由于线性稳压电源的工作频率较低,为50 Hz。所以，要降低输出电压中波纹电压的峰峰值，就必须增大滤波电容的容量。

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1.2 开关稳压电源概述

1.2.1 开关稳压电源的结构

随着电子技术的迅速发展，对电子仪器和设备的要求是:在性能上，更加安全可靠:在功能上，不断地增加；在使用上：自动化程度要越来越高；在体积上：要日趋小型化。而传统的线性稳压电源因其功耗大、体积大已不能满足现代电子仪器的需求，为此出现了开关式稳压电源，其中的调整管是处于开关状态。开关稳压电源分两大类:AC/DC和DC/DC。

图1.2（a）表示从输入交流电源直接整流滤波且有隔离高频变压器的开关稳压电源的基本框图。从交流电网(50Hz) 220V(AC)或60Hz, 115V(AC))经EMI防电磁干扰电源线滤波器，直接整流、滤波、经变换器将直流电压(275V或172V)变换为数十或数百kHz的高频方波或准方波电压，经高频变压器隔离、降压(或升压)，再经高频整流滤波输出直流电压，经取样、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，得到稳定的输出电压。

输入电源为直流电压的开关稳压电源框图如图1. 2助所示，经变换器变换为单极性脉冲电压，再经输出滤波电路，可得到所需的直流电压。同

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样，也需将输出电压(或电流)经取样、比较、放大及控制、驱动来调整直流变换器中开关管的占空比，以便得到稳定的输出电压(或电流)。 1.2.2开关稳压电源的优、缺点

（1）功耗小、效率高。在开关稳压电源电路中，开关调整管处于开关状态，频率一般为50kHz左右。在一些技术先进的国家，可以做到几百kHz或者近1000kHze这使得开关晶体管的功耗很小，电源的效率可以大幅度的提高，其效率可以达到80%e

（2）体积小、重量轻。从开关稳压电源的原理框图中可以清楚地看到，这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管上的耗散功率大幅度降低，又省去了较大的散热片，因此开关稳压电源体积小、重量轻。

（3）滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源频率的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高500倍。在相同的纹波输出电压的要求下，采用开关稳压电源时，滩波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容容量的1/500-1/1000.

（4）电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式;有调宽型和调频型:有单端式和双端式，等等。设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。

以上是开关稳压电源的优点，虽然优点很多，但是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中，功率调整开关晶体管工作在开关状态中，它产生的交流电压和电流会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振千扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重的影响整机的正常工作。此外，由于开关稳压电源振荡器没有工频降压变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其它电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。同时还存在电路结构复杂，故障率高，维修较麻烦等缺点。

1.3 开关稳压电源的分类

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随着电子技术的发展，使得众多优点的开关稳压电源显得越来越重要。开关稳压电源在计算机、通信、航天、彩色电视等方面都得到了广泛的应用，发挥了巨大的作用，这大大促进了开关稳压电源的发展，从事这方面研究和生产的人员也在不断的增加，开关稳压电源的品种和种类也越来越多。常见的开关稳压电源分类方法有下列几种: 1．3．1 调制方式划分

(1)脉宽调制型(PWM) 振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小。有时通过取样电路、祸合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。

(2)频率调整型(PFM) 占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度.

(3)混合型 通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。

1．3．2 按储能电感与负载的连接方式划分

(1)串联型 储能电感串联在输入和输出电压之间。 (2)并联型 储能电感并联在输入和输出电压之间。 1．3．2 按晶体管的连接方式划分

(1)单管式 仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，这种电路的特点是价格低、电路结构简单，但输出功率不能提高。

(2)推挽式 使用两个开关晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式。这种电路的特点是开关变压器必须具有中心抽头。

(3)半桥式 使用两个开关晶体管，将其连接成半桥的形式。它的特点是适应于输入电压较高的场合。

(4)全桥式 使用四个开关晶体管，将其连接成全桥的形式.它的特点是输出功率较大。

1．3．4 按输入与输出电压的大小划分

(1)升压式 输出电压比输入电压高，实际上就是并联型开关稳压电源。

(2)降压式 输出电压比输入电压低，实际上就是串联型开关稳压电源。

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1．3．5 按电路结构划分

(1)散件式 整个开关稳压电源电路都是采用分立式元器件组成的，它的电路结构较为复杂，可靠性较差。

(2)集成电路式 整个开关稳压电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的。这种集成电路通

常为厚膜电路.有的厚膜集成电路中包括开关晶体管，有的则不包括开关晶体管.这种电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。

1.4 开关稳压电源的发展

开关稳压电源的发展己有30多年历史，早期的产品开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域。20世纪60年代出现过晶闸管(旧称可控硅)相位控制式开关电源，70年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难于推广、使之应用受到限制。70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展.将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接线、焊点减少，可靠性显著提高。集成化、模块化使电源产品体积小、可靠性高，给应用带来极大方便。近20多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个方向是对开关电源的核心单元— 控制电路实现集成化。第二个方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。电源的集成化，使得它被广泛的应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域中。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的缩小，重量在不断的减轻，与之相比，电源要笨重得多.在现代智能化电子产品中，电源体积要比微处理器大几十倍，如何减小开关电源的体积，面临着新的挑战!提高频率也是开关电源要面临的问题。理论分析和实践经验表明，电器产品的体积、重量随供电频率的平方根成反比的减小，所以当把频率从50Hz提高到20KHz，提高400倍，用电设备的体积、重量大体上降至工频设计的5%-10%。但是，频率提高以后，对整个电路中的元

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器件又将有新的要求，因此高频工作下的有关电路元器件也有待于进一步的研究。

我国对开关稳压电源的研制工作开始于60年代初期，70年代起，我国在黑白电视机，中小型计算机中开始应用5V, 20-20031, 20kHZ AC-DC开关电源。80年代进入大规模生产和广泛应用阶段，并开发研究0. 5-5MHz准谐振型软开关电源。80年代中，我国通信电源在AC-DC及DC-DC开关电源应用领域中所占比重还比较低。80年代末我国通信电源大规模更新换代，传统的铁磁稳压一整流电源和晶闸管相控稳压电源为大功率AC-DC开关电源(通信系统中常称为开关型整流器SMR)所取代，并开始在办公室自动化设备中得到应用。90年代我国又研制开发了一批新型专用开关电源，如卫星上用的开关电源、远程火箭控制系统用的DC-DC开关电源等。多年来，虽然我国在开关稳压电源方面得到了很大发展，但与其他技术相比，特别是与IC, VLSI技术相比，还存在集成度差、使用方法复杂等缺点。未来的开关电源应该是更加小型化、高效率、其内部的各个功能模块相对独立，并可可以根据要求进行组合，在整机电路中形成一个Black Box，被作为一个元器件来使用。今后，采用对环境无害的电路方式、对电子元件进行最优化设计将继续是开关电源设计的主要课题。

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第2章 开关稳压电源调整器设计原理

本章主要对开关稳压电源工作的原理、控制方式及开关稳压电源调整器中的重点模块设计原理进行了分析。以下分析中输入电压均为直流。

2.1 开关稳压电源工作原理

开关电源是利用电感、变压器或电容等储能元件来进行能t转换，实现对艳入电压的升、降和极性翻转。下面将分析这三种类型开关电源工作原理。

1．降压型

图2.1是降压型开关电源，下面将分析其工作原理。储能过程:当开关闭合时，续流二极管V。因反向偏置而截止，此时电感L两端电压为Vi-Vo。由于电感上的电流不能突变，电流将成线性上升(见图2.2所示)，比率为di/dt=V/L，并以磁能的形式在储能电感中储存能量，在此期间电流变化值为: ΔIL1=

?ton (ton为开关闭合时间) （2.1）

泄能过程:当开关打开时，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VU开始正向导通。储存在L中的磁能将通过Vu和负载电阻RL开始泄放，电流

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成线性下降(见图2.2)，比率为di/dt=VL/L。为简化计算，将二极管V。的导通压降近似为零.在此期间电流变化值为: ΔIL2=

· toff (toff为开关打开时间) （2.2）

由于二极管在这个过程中起到了续流的作用，所以称其为续流二极管.只有当储存的能A等于减少的能f时，才能达到动态平衡，才能保证储能电感L中一直有能量，才能源源不断地向负载电阻RI.提供能量和功率。这是构成电源的最基本条件，所以下面的关系式一定成立:

ΔIL1=ΔIL2 （2.3）

2．升压型

图2.3是升压型开关电源原理图。在储能过程中，假设开关已经打开很长时间，电容上的电压已经充到和输入电压相等。当这时开关闭合时，输入电压完全降在了电感上，使得二极管阻止了电容放电。因为输入电压是直流，流过电感上的电流随时间成线性增加，在这期间电流的变化值为:

泄能过程:当开关再次打开时，由于电感上的电流不能突变，必然会通过二极管流向电容，此时二极管的正极电压将会被抬高到VD+VO，电感上的压降为VD+VO-Vi ,电感上的电流将开始减小，在此期间电流的变化值为(假设二极管VD压降近似为零：

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将式(2.5)和(2.6)代入(2.3)并整理得，

3、翻转型：

图2.4是翻转型开关电源。当开关闭合时，续流二极管VD因反向偏置而截止，输入电压Vi均降在电感上，电感上的电流成线性增加，储存能量，电流变化值为:

当开关打开时，电感上的电流不能突变的特点，电流将流向二极管并对电容进行反方向充电。电流变化值为:

将式(2.8)和(2.9)代入(2.3)并整理得，

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2.2 开关稳压电源控制方式

目前开关电源控制器的控制方式主要有三种:脉冲宽度调制方式、脉冲频率调制方式和混合式调制方式，下面将介绍这三种方式的各自特点.

1、脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制(Pulse width Modulation，缩写为PWM)式。有关PWM的详细内容可见参考文献[22][23][24].其特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。因开关周期固定，为设计逮波电路提供了方便.其缺点是受功率开关管最小导通时间的限制，对输出电压不能作宽范围调节;同时在晶体管的开通时间内，有很短的ton时间可调，使输出电压不稳定，故在输出端必须要有一定数量的假负载(亦称预负载)，以防止空载时输出电压升高。

2、脉冲频率调制方式，简称脉频调制(Pulse Frequency Modulation，缩写为PFM)式。它是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比的。在电路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压/频率转换器(例如压控振荡器VCO)改变频率。其稳压原理是:当输出电压Vo升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小，Vo降低。PFM式开关电源的输出电压调节范围很宽，输出端可不接假负载。不足之处是滤波器体积较大。

PWM方式和PFM方式的调制波形分别如图2.5(a). (b)所示，tp表示脉冲宽度(即功率开关管的导通时间ton, T代表周期。从中很容易看出二者的区别。但它们也有共同之处：

①均采用时间比率控制(TRC)的稳压原理。无论是改变tp还是T,最终调节的都是脉冲占空比。尽管采用的方式不同，但控制目标一致。

②当负载由轻变重，或者输入电压从高变低时，分别通过增加脉宽、升高频率的方法，使输出电压保持稳定。

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3、混合调制方式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式，它属于PWM和PFM的混合方式。由于tp和T均可单独调节，因此占空比调节范围最宽，适合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。

2.3 脉宽调制式(PWM)开关电源

脉宽调制式开关电源的基本原理如图2.6所示。交流220V输入电压经过整流滤波后变成直流电压V1.再由功率开关管VT(或MOSFFT)斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过输出整流滤波器VD, C2，获得所需要的直流输出电压VO。脉宽调制器是这类开关电源的核心，

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它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通断状态，来调节输出电压的高低，达到稳压目的。锯齿波发生器提供时钟信号。利用误差放大器和PWM比较器构成闭环调节系统。假如由于某种原因致使Vo ?，脉宽调制器就改变驱动信号的脉冲宽度，亦即改变占空比?，使斩波后的平均值电压升高，导致Vo ?，反之亦然。

2.4 开关晶体管

将开关晶体管集成在芯片中必须考虑散热问题，由于调整管耗散功率大所产生热量亦大，所以需要及时把热量散到环境中去，否则会使工

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作温度升高到不能允许的程度，以致被烧毁。考虑到耗散功率大，调整管的设计必须着重考虑两点:

（1）调整管的饱和压降。对调整管来说，饱和压降是一个非常重要的参数，若饱和压降过大，将增加发热量并增大输入输出电压差。 （2）击穿问题。调整管工作在较大的耗散功率下，即电流和电压都具有相当的数值，因而存在二次击穿问题。

下面将从这两个方面来讨论开关晶体管的设计。 2．4．1 饱和压降

由晶体管的原理可知，饱和压降Uces的表达式为:

式中 ai为晶体管反向运用的电流增益(一般为0.1)，式(2.11)右边第一项为0.1-0.3V左右 第二项是饱和压降的主要贡献者。

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要精确地计算rcs。是很困难的，下面只是通过大量的近似来粗略估算一下rcs,以便从中找出减小rcs的办法。由于在饱和工作区时，VBC>0，有空穴注入到发射区下面的外延层中，产生电导调制效应，使rC1下降;在深饱和、大注入时，可使rc1，下降很多.以致rc1可以忽略不计，即饱和时的集电极串联电阻rcs:近似为: 2．4．2开关管的二次击穿 (1)二次击穿现象

从广义上讲，二次击穿是指器件承受的电压突然降低，电流急剧增大，器件由高压小电流状态突然跃入低压大电流状态的一种现象。典型的二次击穿电流一电压特性曲线如图2.9所示。当电压增加到雪崩击穿电压VB时，电流急剧上升，AB段可称之为发生一次击穿。当电流增加到B点，并在B点经过短暂停留之后，器件将由高压状态跃变到低压C点。这时，如果电路无限流措施，电流将急剧增加，进入低压大电流区域CD段，直至最后烧毁。

rcs ?rc2 +rc3 （2.13）

(2)产生原因

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二次击穿主要是由于器件体内局部温度过高造成。温度升高的原因是当正向偏置时由热不均衡性引起，反向偏置时由雪崩击穿引起。因为晶体管的热阻在管子内部各处分布是不均匀的，在一些薄弱的区域，温升将比其它部分高，形成所谓“热点”，局部温升引起局部电流增加，电流增加又使温度升高，如此循环直至一个临界温度，造成管子的击穿。雪崩击穿引起的二次击穿是由于发生一次雪崩击穿后，在某些点上因电流密度过大，改变了结的电场分布，产生负阻效应从而使局部温度过高的一种现象。可以看出，开关管的设计要降低rcs，及防止二次击穿，具体措施见第4.3.2节。

2.5 调整器总体结构原理

通过前几节的介绍知道脉宽式调整器必须具有波形发生器产生频率固定的方波，同时要有误差放大器来稳定输出电压;考虑到开关管的功耗问题，电路中需要具有保护电路如过流保护和过热保护以防止开关管的功耗过大发生击穿现象，造成整个电路失效。所以一个完整的调整器应包括基准电压源、误差放大器、保护电路、振荡器和开关晶体管。开关晶体管的设计原理2.4节已讲过，下面将分别说明其余四部分的设计原理及要求。

2.5.1基准电压源

对基准电压源来说应该达到下面两个要求: （1）内M小; （2）温度系数小。

内阻是基准电压源应具有的首要条件，否则的话，基准电压源输出电流有些微变动，必然会引起基准电压值有较大的变化。基准电压源内阻愈小，基准电压值也就愈稳定。良好的基准电压源的内阻值可以小至100以下。

由于调整管的发热和环境温度的改变都会直接影响基准电压源的工作，所以温度系数是基准电压源的另一个重要指标。温度系数是指温度

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每变化1℃所引起的基准电压相对变化率(以百分比表示)，也可以用温度每变化1℃基准电压的绝对变化值来表示。 2.5.2误差放大器

误差放大器是稳压电源的主要部位，通过对输出电压的采样来实现稳定输出电压的目的。 为提高整个电路的质量，对误差放大器的要求主要有以下几点: (1)电压调整率Sv

由上式可知，Sv值小，稳定度高，因此要求Sv值越小越好。电路分析表明，Sv与比较放大器电压增益成反比，也就是说，要使Sv小，则必须增大比较放大器的电压增益。

（2）输出阻抗Zo

由上式可知，Zo小，表示承受负荷能力大，因此要求Zo越小越好。电路分析表明，Zo也与比较放大器电压增益成反比。要使Zo小，就得增大比较放大器电压增益。

(3)输出电压的温度系数ST

由上式可知，ST小，表示环境温度对输出电压的影响小，因此要求ST亦趁小越好。输出电压之所以会随温度而变化，原因很多，其中主要

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是比较放大器电参数随温度漂移，取样电阻的阻值和基准电压随温度变化而变化等。因此要使ST小，就得采用温漂小的电路作为比较放大器的电路。

综上所述，为提高整个电路的质量指标，对比较放大器的要求是:电压增益要尽可能高;输出电阻阻抗要低以及参数的温度漂移要小等。 2.5.3保护电路

集成稳压器中，常常会出现负载电流(稳压器的输出电流)超过额达值，或者将稳压器的输出端错误的短路，以致使稳压器特别是开关晶体管的功耗增大而遭受损坏造成电路失效，为此电路中需要保护措施。 一般，保护电路有两种形式：一种是过电流保护，另一种是过热保护电路。过流保护电路主要是检测输出电流，当输出电流超过额定值时，应设法通过控制开关管的导通/截止状态，使输出电流降低从而使开关管的功耗免于过载。过热保护电路则是测试调整管的结温，可选用对温度敏感的元器件来测结温，当调整管因功耗过大发热而使结温高于某一额定值时，测试结温的元件应能够带动保护电路使调整管的工作电流下降，限制调整管的功耗和结温使它不会因过热而损坏。

对于过流保护电路和过热保护电路，要求灵敏度高，工作可靠，当异常现象出现能够及时抑制起到保护作用。 2.5.4振荡器

振荡器的作用就是产生频率固定的方波。为此可采用RC振荡电路通过对电容的充、放电来产生锯齿波。但是开关稳压电源调整管要控制在饱和与截止状态，所以需要的是方波信号，为此可采用电压比较器将锯齿波转化为方波信号。图2.10为振荡器的原理框图。

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第3章 电路研究与具体实现

根据第2章的设计原理及上述性能要求本文设计的开关稳压电源调整器专用集成芯片结构框图如图3.1所示。其中，VIN是输入电压; -IN1, +IN2是误差放大器两输入端;CURLIM是过流检测输入端;OSC端接电容，与内部电路构成振荡器;OUTE, OUTC分别为开关管的发射极和集电极输出端。

当加入输入电压后，整个电路通过启动电路启动，基准电压源产生参考电压1.6V提供内部电路使用;误差放大器接收输出电压的反馈信号;过流保护电路采样开关管的输出电流;过热保护电路检测电路的温度:振荡器产生固定频率的方波控制输出电路中开关管的开/关状态;误差放大、过流保护和过热保护电路共同送入触发器，当其中只要有一种异常现象出现，触发信号将送入输出电路将开关管关断，起到保护作用。

3.1启动电路

在实际的开关电源调整器中还需要具有启动电路，启动电路的作用主要是给电路开始工作建立起始工作点，同时当电路开始工作时启动电路将输入电源与内部电路隔离，使输入电压中的纹波不会影响到内部电路，

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对内部电路起到保护作用。一般的启动电路多采用稳压管来实现，但是稳压管的电压Vz一般比较高，所以在本设计的低压启动要求下不适用，本设计用BE结来实现。图3.2是启动电路的电路原理图。

1.工作原理 J型场效应管J1，晶体管Q84 、Q86，组成启动电路。随着供给电压VIN的加入，J1开始工作，Q84基极电压随之升高，使Q84 、Q86导通，整个电路开始工作。Q83的工作一方面为左边的基准电压提供启动电压，另一方面也使右边的恒流源开始工作。随着VIN的升高，对于J1管，当|VDS|≥|VP|时（VP为JFET的夹断电压)，J1管夹断，流过的电流达到稳定，即IDS=IDSS(JFET的饱和电流)，外部电压不再对内部电路产生影响，Q84基极电压也稳定下来，整个电路稳定下来，晶体管Q83的集电极电压通过电阻R45, R46分压后，为Q84的发射

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极提供电压，此时的电压将使Q84，的发射结电压偏低，Q84截止，实现了输入电压与内部电路的隔离。

3.2 基准电压源

由于这三种标准电压的温度系数有正、有负。利用VBE和VZ, VT的温度系数符号相反以及集成电路中元器件间匹配和温度跟踪较好的特点，将这三种标准电压加以不同的组合，就可得到不同的对电源电压和温度不敏感的墓准电压源。下面将分析几种常用电路.

①利用二极管和稳压管作为基准电压

对于上述两种电路结构简单，也具有一定的稳压精度,但都有一个共同的缺点温度系数偏大。 ②具有温度补偿的基准电压源

在上面介绍的稳压电路由于温度系数偏大，采用具有温度补偿的基准电压源。由于电阻RA, RB的温度系数是相同的，即RA/RB的温度系数为零，可得VREF的温度系数为：

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因为Vz与VRBE的温度系数符号相反，它们对dVREF/dT的贡献是相互抵消的，因此只要适当选择RA, RB, m, n的值，就可以使VREF的温度系数为零。

③带隙基准电压源 第二种电路解决了温度系数的问题，但还存在缺点，由于集成电路工艺中稳压管的稳定电压一搬在6V-8V之间。因此要使这种基准电压源能开始工作的最小电源电压至少为7V-10V，因此不能满足低压启动的要求。为解决这一缺点，引进了带隙基准电压源，在这种基准源中，没有稳压管.

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所以要想得到零温度系数，即上式((3.15)为零，可以通过控制有效发射结面积比AE1/AE2或AE3/AE4及电阻比R2/R1，来获得接近零温度系数的基准源。该基准电压源满足低压启动零温度系数的要求。从上面的分析中可见第2种和第3种电压源都能满足零温度系数，但在本设计中，由于要求输入电压是2-50V，所以基准电压源要能够低压启动，而带隙基准电压源能够满足要求，所以设计采用带隙基准电压源。图3.8是它的具体实现电路原理图。本设计中输出两个参考电压1.0V和1.6V。其中1.0V作为误差放大器的参考电压，1.6V作为内部电路参考电压。

1、工作原理 与带隙基准电压源的工作原理相同。启动电路中产生的电压 V(Q83C)通过电阻R41, R42, R47分压后，给晶体管Q80, Q81提供基极电压，使其导通;而Q80。的集电极为Q77, Q78提供基极电压，使其导通;由Q77, Q78, Q80, Q81, R48, R49，组成的能隙基准源工作中Q77, Q78作为Q80, Q81,管的集电极有源负载，由带隙基准电压源的原理得：

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通过调节电阻R48, R49及发射极面积可以将电压V(Q80B)得到精确的控制。该点的电压为电阻R41 R47及R42提供电流，由能隙基准源产生的电压VB80同时通过回路Q82, Q85,Q83，回到Q77，的发射极，形成反馈回路达到稳定电压的目的。

3.3 误差放大器

电路中误差放人器采用的设计思想是将输出电压经电阻分压后与参考电压进行比较来实现。而本设计中由于要求具有正(input2)、反(input l)向两个输入端，因此可以为何端都提供参考电压 1. 0V。放大则是通过差分放大器来实现，两输入端接差分电路的两端，只要有一端变化，另一端就向相反的方向变化，提高两端的误差，以便增大输出。同时为

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提高电压增益，设计中采用有源负载来实现。差分电路同时可以克服温漂，满足对误差放大器的要求。设计的具体电路图如图3. 10所示。

1.工作原理 晶体管Q60, Q61组成一对差分对管，输入信号为输出电压的采样电压，控制误差的放大;晶体管Q54、Q55，组成比较器，参考电压是1. 0V，右边的由Q62a、Q62b及Q43 、Q68组成加速电路，快速检测到异常状态。下面将以input输入，input2悬空为例详细说明其工作原理。

对于由Q60, Q61组成的差分放大器，当输入端input 1电压高于参考电压1. 0V时(设input 1点电压与参考电压之间的压差为△V)，则随着偏离参考电压4V增加，有电流流过电阻R64，在这一状态下，晶体管Q54，的基极电压也将高于1.0V，所以对于Q54、Q55组成的比较器来说其输出端Q54的集电极电压将降低，降低的电压将通过Q72、Q62直接反馈到input2，使其电压降低。此时，有同流过电阻R64大小相同的电流流过电阻R62,致使input2点的电压减小△V，所以差分管的两输入端的压差约升为2△V，这使其输出点Vb67的电压逐渐下降，经反相后的电

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压值为Vo1，当△V增加到一定值时，Vo1将变为高电压，触发电路工作，将开关管关断。

2.温漂抑制

当外界变化使温度升高时，晶体管Q60，Q61的集电极电流都增大，则在电流源上的压降也将随之增大，这个电压将使晶体管Q60，Q61的基射结电压减小，从而抑制了集电极电流的增加;同理，当温度降低时也抑制Q60，Q61的集电极电流减小.由于差分电路是对称的，各种因素引起的温漂一般是同向的.这样，电流源的内阻对各种共模干扰所引起的温漂就有削弱作用。由于电流源的内阻阻值二般较大，所以对由于温度变化而引起的晶体管集电极变化的灵敏度较高，从而提高了抑制温漂的能力。

3.4 过流保护电路

对于过流保护电路若采用熔断丝(快速烙断丝对200%的负载电流需时150ms左右)或电路自动断路器(对200%的负载电流需时20ms)难以形成保护。而由于电子保护电路反应迅速，工作可靠，所以在集成电压调整器中得到广泛的应用。常用的电子过流保护电路有限流型、减流型和截流型三类设计思想。详细内容见参考文献[44]。

对于过流保护电路的三种设计思想— 限流、减流和截流，虽然限流和减流型保护电路结构简单，但开关管的功耗都比较大，特别是限流型。本设计中将开关管集成在内部，所以开关功耗必须尽量降低所以采用截流保护的思想，将功耗降到最小，具体的实现电路如图3.13所示。主要原理就是将输出电流通过电阻转化成电压，然后送入比较器与参考电压进行比较，从而达到控制开关管的目的。

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1.工作原理

此电路有两个比较器，这两个比较器的参考电压均为 110mV，但一个参考点是GND，另一个参考点是输入电压Vin。该过流保护电路是将输出的电流经电阻转换成电压，这个电压再与内部的参考电压进行比较。 下面说明这两个比较器的工作原理：

(1)GND作为参考点的比较器

对于这个比较器的负向输入端电压(Q24的基极电压)可计算的：

而对于正向输入端Q23的基极，它的电压是由基准电压源产生的基准源1.6V,经电阻分压而得0.89V，对于式(3.19)。

当Vcurlim <110mV时有，V(Q24b)

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当Vcurlim >110mV时有，V(Q24b)>V(Q23b)，比较器的输出为低，这使晶体管Q24导通，输出电压Vo2为高，触发器工作，起到保护作用。

(2) 以Vin作为参考点的比较器

这个比较器不是常规的差分式比较器，其正向输入端是Q27的发射极，负向输入端为Q26的发射极。负向输入端提供参考电压，大小

为:Vin-110mV(110mV的电压由电阻R36提供，同时在比较器工作时R34上的压降也为110MV)。

所以，当Vcurlim<0.11 V时，有V(Q25b) >Vin-0.7，使晶体管Q25截止，电路正常工作。当Vcurlim>0.11 V 时，有V(Q25b) >Vin-0.7，使晶体管Q25导通，触发器工作，开关管处于截止状态起到保护作用。

3.5 过热保护电路

开关管是发热元件，当电路工作时，开关管将因消耗功率而发热，使集成电压调招器基片温度升高，特别是全集成电压调整器，由于散热不良加之电流又大，温度会越升越高，最终导致开关管烧坏，为此热保护电路就是不可缺少的了。本设计将开关管集成在芯片内部，电路中选用BE结来测试结温，具体电路图如图3.15所示。

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1.工作原理 在温度允许的范围内，1.6V的参考电压经电阻分压后，在晶体管Q33的基极形成的电压值为1.3V。因此 晶体管Q33发射极与基极之间的压降为：0.3V。

这个压差不能使Q33的发射结导通，因而也就没有电流流过电阻R24，R25使输出Vo3为零。但随着温度的升高，晶体管发射结导通的电压将降低，当温度升到一定值时Q33，导通，有电流流过电阻R24, R23，这时输出电压Vo3为高电压，送入触发器起保护作用。设PNP的EB结导通电压为0.6V，则电路允许的最大温度是150℃。

3.6 振荡器

开关晶体管的基极驱动信号是由振荡器产生的，振荡器产生方波信号。在方波信号的一个周期中当为高电平(tON)时开关管导通，当为低电平(tOff)时开关管截止，从而使开关管周期性的开和关，开关周期为T=TOFF+TON。设计按照第2.5.4节中讲的设计思想进行实现，具体电路图如图3.17所示。

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1.工作原理 该振荡器由比较器构成，对于比较器的正向输入端Q36的基极接参考电压，反向输入端Q37的基极电压则由电容的充、放电来控制。振荡频率f与电容C成反比。

在电容充电的过程中，Q37的基极电压小于Q36的基极电压，输出点的电压Q13的基极为高，这使得Q13处于饱和导通状态，同时Q10也处于饱和导通状态，Q13发射极的电压不能将Q35导通，Q36的基极电压维持高电压;当电容上充的电高于参考电压时，输出点的电压Q13的基极变低，这使得Q13截止，同时Q10的集电极高电压将Q35导通，Q36的基极电压被拉低，状态翻转；此后，电容通过有源负载(有源负载也只在放电的过程中工作)Q11,Q39，Q92。振荡器的波形在经过Q9放大输出。

3.7 触发器

触发器的主要功能是在出现异常情况下(输出电压过高，电流过大，温度过热情况)将该电路触发，输出信号将开关管的基极屏蔽，即开关管处于截止状态。当异常现象消除后，由触发器产生的异常触发信号也将解除，整个电路恢复正常工作状态。因为只要其中有一种情况发生就要将开关管关断，对这种功能可采用三输入或非门来实现。对图3.19是触发器模块的原理图。

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晶体管Q19，Q20，Q21组成三输入或非们，其输入VO1, VO2, VO3分别是误差放大电路，过流保护电路，温度保护电路的输出信号。正常工作情况下，三输入均为低电平，或非门的输出为高，如果有异常情况或非门的输出将为低电平。而晶体管Q7，Q8的工作原理同双稳态电路，如下图3.20所示：

如果电路出现异常现象，则Q8的基极将为低，输出Q8的集电极Vabnor将为高电平，将开关管的基极降为低电平，使开关管处于截止状态；如果电路正常工作，输出Q8的集电极Vabnor将为低，对电路的最终输出不起作用。其模拟波形如图3.21所示，实现了上述功能。

3.8输出电路

输出电路的作用是将振荡器产生的方波信号和异常触发信号联合起来控制开关管的导通截止状态。该模块的电路原理图如图3.22所示。

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晶体管Q4、Q5组成或非门，只要Q4、Q5的基极有一个是高电压(大于发射结的导通电压)，就使Q2的基极为低，Q2截止，晶体管Q1的基极电压近似为Q4（Q5）的饱和压降；当Q4和Q5的基极同时为低电压时(小于发射结的导通电压)，就使Q2的基极为高，Q2导通，晶体管Q2的基极电压近似为V(Q2B)-0.7V，为高电压能使Q1导通，同时晶体管Q1B也导通，提高了输出电流。

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第四章 开关稳压电源的研究实例

4．1 彩电用开关电源

开关电源的电路主要由消磁电路、整流滤波电路、开关推动电路和电源控制电路等组成，见下图所示。因采用了集成电路TDA2640作为控制电路，所以此电路具备简单、体积小、安全可靠、控制功能多等特点。TDA2640是频率固定的集成控制电路，通过调整开关脉冲宽度来稳定输出直流电压，其内部包括自激振荡器、比较器、脉宽调制电路、慢启动电路、过载保护电路、过压保护电路、欠压保护电路、计数电路等部分。 接通电源插头开机后，220V交流市电便经交流保险丝F1加到由消磁线圈和热敏电阻组成的自动消磁电路。消磁线圈由两组空心线圈组成，相互串联，安装在显像管锥体位置。消磁线圈外有磁屏蔽罩，防止消磁线圈产生的磁场影响其他元器件。R1、R2系正温度系数热敏电阻，开机时，其电阻值很小，其通过消磁线圈的电流大，产生50HZ的交变磁场进行消磁。随着时间增加，热敏电阻的温度上升，电阻的阻止也增大，使消磁线圈的电流自动减小，因而产生的交变磁场也逐渐减小。每次开机，自动消磁一次，产生由强至弱的交变磁场，将显像管内金属元件的剩磁消去。电容C2并联在220V输入端，以滤除电网进入的高频干扰。D1~D4组成桥式全波整流电路，并联在整流二极管两端的电容C3、C4、C5、C6可防止高频干扰通过二极管。因为若高频干扰通过二极管，会产生高于干扰频率若千倍的频率，引起更高频率的干扰辐射。整流输出的直流电压正端一方面经保险丝F2接地，另一方面经R6限流、C9滤波、稳压二极管D6稳压后，输出+12V电压送至IC801（TDA2640）的①脚，为其提供工作电压。而整流电路的负端输出的–320V经电阻R33加到了开关管Q2的发射极。

IC801的①脚得到工作电源后，即起振工作由其⑥脚输出开关脉冲，经R29、C21送至开关推动管Q1的基极，电阻R27的阻值大小决定了激

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励功率的强弱。Q1和变压器T1等组成了开关推动电路。当IC801的⑥脚输出高电平时，Q1导通，推动变压器T1初级电流上升，经变压器耦合使Q2截止，此时T1储存能量。当IC801的⑥脚输出底电平时，Q1截止，经变压器耦合使Q2导通，Q2所需的基极电流由释放推动变压器所储存的能量供给。C22，R30为阻尼电路，其作用是防止Q1集电极电路分布电容与T1初级电感的高频振荡，引起过冲电压。但R30值不能取得太小，C22不能太大，因阻尼作用太强，会导致集电极电压上升沿变得平缓，而使Q2不能能快进入导通状态。电阻R28的值可调节推动功率，R28与C23使推动管电源随输出功率的浮动，从而使推动管Q1处于功耗较小的状态。

Q2、L2、L5、D13等元件组成了开关输出级。其中Q2为开关输出管，L1为储能电感，D13为开关二极管，L6、L4、C26、R35和D10为抑制开关干扰的元件 。当Q1截止Q2饱和导通时，电感L1的电流线形上升，此期间L1储存能量，因L1上感应电压极性为上正下负，所以续流二极管D13截止，无输出。当Q1导通Q2截止时，电感L1上产生的感应电压极性反向，即上负下正，致使开关二极管D13导通，L1、D13、C30形成回路，电感将储存的能量释放，它的电流线形下降，向滤波电容C30充电，在输出端输出+125V直流电压。C30、L7、C31组成滤波电路，确保输出电压纹波小。另一组4.7V的直流电压是通过L2、L3之间的耦合，经开关二极管D12后，获得+20V直流电压，由C32滤波R36降压后获得的。同时，开关电源电路还采取了许多措施来抑制高频谐波产生的辐射干扰。如：L6、L4用以减小开关晶体管的电流脉冲的上升率；Q2的c-e极间并联的电容C28，使开关晶体管输出脉冲电压上升速率减小，防止开关时所出现的尖脉冲；D10，R35组成L4的吸收回路，吸收L4中所储存的能量，阻尼L4与分布电容所引起的振荡；D13串接的电感L5，并接的电容C29，阻尼及旁路开关脉冲中的高频成分，防止它通过二极管，避免高频成分经二极管非线形后所产生的高次谐波辐射。

该机的开关电源控制部分由集成电路TDA2640承担，如图***所示的方框图。其内部包括自激振荡器，该振荡器由行扫描电路送来的行频脉冲触

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