在研制開關(guān)電源時(shí),不僅要設(shè)計(jì)好電路,還必須能正確選擇元器件 單片開關(guān)

1、在研制開關(guān)電源時(shí),不僅要設(shè)計(jì)好電路,還必須能正確選擇元器件. 單片開關(guān)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(wěn)壓管、熔斷器、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲. 2)特種半導(dǎo)體器件主要有TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器、EMI濾波器、光耦合器、瞬態(tài)電壓抑制器、快恢復(fù)及超快恢復(fù)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. 下面介紹7種關(guān)鍵元器件的工作原理與選擇方法. 1. TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431是由美國德州儀器公司(TI)和摩托羅拉公司生產(chǎn)的2.5036V可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器.其性能優(yōu)良,價(jià)格低廉,可廣泛用于

2、單片精密開關(guān)電源或精密線性穩(wěn)壓電源中. 此外,TL431還能構(gòu)成電壓比較器、電源電壓監(jiān)視器、延時(shí)電路、精密恒流源等.目前在單片精密開關(guān)電源中,普遍用它來構(gòu)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(chǎn)品包括TL431C、TL431AC、TL431I、TL431AI、TL431M、TL431Y,共6種型號.它屬于三端可調(diào)式器件,利用兩只外部電阻可設(shè)定2.5036V范圍內(nèi)的任何基準(zhǔn)電壓值.TL431的電壓溫度系數(shù)T=30×10-6/(即30ppm/).其動態(tài)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

3、. 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(shí)需接地.K為陰極,需經(jīng)限流電阻接正電源.UREF是輸出電壓Uo的設(shè)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,反相輸入端則接內(nèi)部2.50V基準(zhǔn)電壓Uref,并且設(shè)計(jì)的UREF=Uref,UREF端常態(tài)下應(yīng)為2.50V,因此亦稱基準(zhǔn)端; 2)內(nèi)部2.50V(準(zhǔn)確值應(yīng)為2.495V)基準(zhǔn)電壓源Uref; 3)NPN型晶體管

4、VT,它在電路中起到調(diào)節(jié)負(fù)載電流的作用; Uo=UKA=(1+R1/R2)(1) R3是IKA的限流電阻. TL431的穩(wěn)壓原理可分析如下:當(dāng)由于某種原因致使Uo時(shí),取樣電壓UREF也隨之升高,使UREF>Uref,比較器輸出高電平,令VT導(dǎo)通,Uo.反之,UoUREFUREFTL431可廣泛用于單片開關(guān)電源中,作為外部誤差放大器,構(gòu)成光耦反饋式電路.其工作原理是當(dāng)輸出電壓Uo發(fā)生波動時(shí),經(jīng)電阻分壓后得到的取樣電壓就與TL431中的2.5V帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,在陰極上形成誤差電壓,使LED的工作電流IF產(chǎn)生相應(yīng)變化,再通過光耦去改變控制端電流IC的大小,調(diào)節(jié)TOPSwitch的輸出占空

5、比,使Uo不變,達(dá)到穩(wěn)壓目的. “電光電”轉(zhuǎn)換.普通光耦合器只能傳輸數(shù)字(開關(guān))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(xù)變化的模擬電壓或模擬電流信號,使其應(yīng)用領(lǐng)域大為拓寬. 線性光耦與普通光耦的重要區(qū)別反映在電流傳輸比(CTR)上.CTR是光耦的重要參數(shù),通常用直流電流傳輸比來表示.當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí),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) IF特性曲線,分別如圖3中的虛線和實(shí)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(shí)的非線性失真尤為嚴(yán)重,因此它不適合傳輸模擬信號.線性光耦的C

6、TRIF特性曲線具有良好的線性度,特別是在傳輸小信號時(shí),其交流電流傳輸比(CTR=IC/IF特性曲線() 技術(shù)講座(d)(a)(b)(c) 圖4單片開關(guān)電源常用的四種EMI濾波器表1線性光的產(chǎn)品型號及主要參數(shù)產(chǎn)品型號CTR/%U(BR)CEO/V國外生產(chǎn)廠家封裝形式PC816A8016070SharpDIP4(基極未引出)PC817A8016035SharpSFH610A26312570SiemensNEC2501H8016040NECCNY1726312570Motorola,Siemens,ToshibaDIP6(基極引出)CNotorola,Siemens,To

7、shibaSFH60016312570Siemens,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?yàn)楫?dāng)CTR5.0mA),才能正?？刂茊纹_關(guān)電源的占空比,這會增大光耦的功耗.若CTR>200%,在啟動電路或者當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí),有可能將單片開關(guān)電源誤觸發(fā),影響正常輸出. 2)推薦采用線性

8、光耦,其特點(diǎn)是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整. 3)由英國埃索柯姆(Isocom)公司、美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的4N××系列(例如4N25、4N26、4N35)光耦合器,目前在國內(nèi)應(yīng)用十分普遍.鑒于此類光耦合器呈現(xiàn)開關(guān)特性,其線性度差,只適宜傳輸數(shù)字信號(高、低電平),因此不推薦用在開關(guān)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(wǎng)噪聲,提高電子設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性,可廣泛用于電子測量儀器、計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)備、開關(guān)電源、測控系統(tǒng)等領(lǐng)域.電網(wǎng)噪聲是電磁干擾的一種,屬于射頻干擾(RFI),其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為10kHz30MHz,最高

9、可達(dá)150MHz.根據(jù)傳播方向的不同,電網(wǎng)噪聲可分為兩大類: .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(fù)載兩端的噪聲壓降U1、U2,再代入式(3)中計(jì)算出每個頻率點(diǎn)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(guān)對兩種測試電路進(jìn)行快速切換. 4 瞬態(tài)電壓抑制器 瞬態(tài)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(hù)器件.由于它的響應(yīng)速度極快、鉗位電壓穩(wěn)定、體積小、價(jià)格低,因此可作為各種儀器儀表、自控裝置和家

10、用電器中的過壓保護(hù)器,還可用來保護(hù)單片開關(guān)電源集成電路、MOS功率器件以及其它對電壓敏感的半導(dǎo)體器件.瞬態(tài)電壓抑制器是一種硅PN結(jié)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25×4.1、2.7×5.2、5.0×A這三個數(shù)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(huán)境溫度(TA)有關(guān).當(dāng)D時(shí)PP,反之亦然.而當(dāng)TA時(shí)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(shí)不得超過此值. (a)

11、 外形(b)符號(c)伏安特性 圖1瞬態(tài)電壓抑制器 1)表中的P為額定功率,t是鉗位時(shí)間(典型值); 2)對于P6KE系列,靠近白色環(huán)為正極; 3)TVS也可串聯(lián)或并聯(lián)使用,以提高峰值脈沖功率,但在并聯(lián)時(shí)各器件的UB值應(yīng)相等. 雙向瞬態(tài)電壓抑制器的典型產(chǎn)品有P6KE20、P6KE250等.這類器件能同時(shí)抑制正向、負(fù)向兩種極性的干擾信號,適用于交流電路中. 表1單片開關(guān)電源常用TVS的型號型號UB/VP/Wt/ns生產(chǎn)廠家 P6KE919151美國Motorola公司 P6KE15015051 P6KE2002005(600*)1 BZY97C1201201.51 BZY97C2002001.5

12、1 BZT03C1201203.251 * 括弧內(nèi)數(shù)字為峰值脈沖功率Pp. 5 快恢復(fù)及超快恢復(fù)二極管 快恢復(fù)二極管(FRD)和超快恢復(fù)二極管(SRD)是極有發(fā)展前途的電力電子半導(dǎo)體器件.它們具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短、耐壓高、正向電流大、體積小、安裝簡便等優(yōu)點(diǎn).可廣泛用于脈寬調(diào)制器、單片開關(guān)電源、不間斷電源(UPS)、高頻加熱裝置、交流電機(jī)變頻調(diào)速等領(lǐng)域,作為高頻、大電流的整流二極管、續(xù)流二極管或阻塞二極管.下面介紹其性能特點(diǎn)和選取原則. 5.1快恢復(fù)及超快恢復(fù)二極管的性能特點(diǎn) 1)反向恢復(fù)時(shí)間 2)快恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通二極管不同,它是在P型、N型硅材料中

13、增加了基區(qū)I,構(gòu)成P-I-N硅片.由于基區(qū)很薄,反向恢復(fù)電荷很小,不僅大大減小了trr值,還降低了瞬態(tài)正向電壓,使管子能承受很高的反向工作電壓.快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間一般為幾百ns,正向壓降為0.60.7V,正向電流是幾A至幾kA,反向峰值電壓可達(dá)幾百V至幾kV.超快恢復(fù)二極管則是在快恢復(fù)二極管基礎(chǔ)上發(fā)展而成的,其反向恢復(fù)電荷進(jìn)一步減小,trr值可低至幾十ns.20A以下的快恢復(fù)二極管及超快恢復(fù)二極管大多采用TO220封裝.從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看,可分成單管、對管兩種.對管內(nèi)部包含兩只快恢復(fù)或超快恢復(fù)二極管,根據(jù)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(fù)、超快恢復(fù)二極管一般采用

14、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(guān)電源中,一般采用超快恢復(fù)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反向恢復(fù)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(hù)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(fù)二極管.其反向恢復(fù)時(shí)間trr75ns,多數(shù)管子在20ns50ns之間.典型產(chǎn)品有美國通用儀器公司(GI)生產(chǎn)的UF4000、UF5400兩大系列,荷蘭飛利浦公司生產(chǎn)的BYV26系列、BYV27系列、BYW29系列,美國摩托羅拉公司生產(chǎn)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(guān)電源集成電路阻塞二極管的反向耐壓URM/V超快恢復(fù)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(fù)二極管適合作為開關(guān)電源的高壓、大電流整流管.設(shè)整流管實(shí)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