手持通信設(shè)備充電開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案學(xué)位論文

湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)PAGEPAGEIII學(xué)號(hào)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：手持通信設(shè)備充電開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) -PAGEI- 摘要本文簡(jiǎn)要分析了手機(jī)充電器的基本原理，對(duì)現(xiàn)有充電器進(jìn)行研究并對(duì)其存在的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化.主要結(jié)合電磁干擾的產(chǎn)生特點(diǎn)及對(duì)電路的危害,對(duì)共模電流及差模電流進(jìn)行抑制，構(gòu)造出一個(gè)無(wú)Y電容的充電器模型.同時(shí)對(duì)開(kāi)關(guān)電源電路、開(kāi)關(guān)變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn).改進(jìn)對(duì)印刷電路板的布線來(lái)增強(qiáng)電路板在實(shí)際運(yùn)用中的抗干擾能力.結(jié)果表明所建立的充電器模型在節(jié)能及穩(wěn)定性等方面要優(yōu)于傳統(tǒng)的手機(jī)充電器.關(guān)鍵詞：ABSTRACTThispassagemainlyanalyzesthebasicprinciplesofmobilephonecharger.Itresearchedtheexistingcharger,andfoundtheproblemsandcorrectsthem.CombinedtheproductionofelectromagneticinterferenceandthedamageitdoestothecircuittoconstructamodelofthechargerwithoutYcapacitortosuppressthecommon-modecurrentanddifferentialmodecurrents.Theotherpurposeofthisdesignisimprovetheswitching-power-supplycircuitandswitchtransformer.Atlast,Ihaveimprovedthecapabilityofenhancinginterruptionthroughanti-jamminginthepracticalusingcase.Theresultshowsthattheestablishedchargermodelisobviouslysuperiortothetraditionalmobilephonechargerintheaspectofenergyconservationandstability.Keywords:SwitchingPower;Mobilephonecharger;ElectromagneticInterference;Commonmodecurrent;Differentialmodecurrents目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 IABSTRACT II目錄 Ⅲ1緒論 11.1選題背景及意義 11.2國(guó)內(nèi)外對(duì)本課題的研究動(dòng)態(tài) 11.2.1手機(jī)充電器的研究方向 11.2.2現(xiàn)有充電器存在的問(wèn)題 11.3本論文主要完成的工作 22手機(jī)充電器的基本原理 32.1手機(jī)電池的選擇及充電要求 32.1.1鋰離子電池的特點(diǎn) 32.1.2鋰離子電池充電電路要求 32.2充電控制芯片 42.3充電電路的設(shè)計(jì) 62.3.1電源部分電路原理 62.3.2基于BQ2057充電芯片的工作電路 63基于RCC電路的開(kāi)關(guān)變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì) 83.1RCC電路工作原理 83.1.1電路的啟動(dòng) 83.1.2開(kāi)關(guān)晶體管處于ON狀態(tài) 93.1.3開(kāi)關(guān)晶體管處于OFF狀態(tài) 93.2輸出電壓穩(wěn)定的設(shè)計(jì) 93.3變壓器的設(shè)計(jì)方法 103.3.1初級(jí)繞組的求法 113.3.2其他線圈的求法 113.4開(kāi)關(guān)晶體管的恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 123.5RCC電路的控制電路設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)定 143.5.1電壓控制電路的設(shè)計(jì) 143.5.2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 143.5.3次級(jí)電容、二極管的選定 143.5.4其他參數(shù)的選定 154EMI及無(wú)Y電容的優(yōu)化設(shè)計(jì) 164.1EMI常識(shí) 164.2減小寄生的電感和電容值 164.3傳導(dǎo)干擾 174.4差模電流的產(chǎn)生及抑制 174.5共模電流的產(chǎn)生及抑制 184.6改進(jìn)后的電路原理圖 195PCB布線中的抗干擾設(shè)計(jì) 215.1一般導(dǎo)線及焊盤(pán)布線 215.2電源線及地線設(shè)計(jì) 216結(jié)論 23參考文獻(xiàn) 24致謝 25PAGE11緒論手持通信設(shè)備（手機(jī)）日益普及，它已成為我們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)中不可或缺的工具，手機(jī)充電器市場(chǎng)的前景被業(yè)界廣泛看好。鋰離子電池各方面的優(yōu)越性使其成為手機(jī)電池的首選。理想的充電器必須檢測(cè)鋰離子電池所有可能的故障模式，并有針對(duì)性地進(jìn)行充電。在充電過(guò)程如果鋰離子電池的溫度超出設(shè)定的溫度范圍，則繼續(xù)給它充電是不安全的。目前，所有充電器必須具有跟蹤鋰離子電池電壓的變化、跟蹤充電電流的變化和跟蹤充電過(guò)程中鋰離子電池溫度的變化的功能。而在提高充電器效率和延長(zhǎng)鋰離子電池使用壽命的同時(shí)，不能忽略潛在的安全問(wèn)題，這使得需要更智能化的鋰離子電池充電器。1.1選題背景及意義目前，中國(guó)擁有超過(guò)6億的手機(jī)用戶(hù)市場(chǎng)，而且這個(gè)數(shù)字正在急劇增加。手機(jī)充電器不通用，不僅給手機(jī)用戶(hù)帶來(lái)使用上的不便，也增加消費(fèi)成本；特別是手機(jī)逐漸成為時(shí)尚產(chǎn)品，更新速度不斷加快，這一問(wèn)題更加突出，浪費(fèi)了社會(huì)資源，威脅著生存環(huán)境。同時(shí)，隨著節(jié)能環(huán)保的社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，手機(jī)充電器的待機(jī)耗電量也將成為研究的重點(diǎn)內(nèi)容。如果每個(gè)充電器每年節(jié)省一度電，這將是一個(gè)非?？捎^的數(shù)字。1.2國(guó)內(nèi)外對(duì)本課題的研究動(dòng)態(tài)1.2.1手機(jī)充電器的研究方向隨著手機(jī)種類(lèi)的日益增多，各種充電器因機(jī)型不同，電源端口的大小也不相同，從而不能互換使用，給消費(fèi)者帶來(lái)了不便。標(biāo)準(zhǔn)型充電器，是指可以連接所有手機(jī)底端電源插座（端口）的充電器。而且，生產(chǎn)的手機(jī)的電源端口將統(tǒng)一為適用于標(biāo)準(zhǔn)充電器的規(guī)格。這樣，消費(fèi)者將不必在每次換手機(jī)時(shí)同時(shí)購(gòu)買(mǎi)新的充電器。手機(jī)充電器的待機(jī)耗電量的降低逐步成為充電器的設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。相比于以前的充電器，今后生產(chǎn)的產(chǎn)品將會(huì)在各項(xiàng)功能完善的同時(shí)進(jìn)一步降低本身的待機(jī)耗電量。1.2.2現(xiàn)有充電器存在的問(wèn)題目前，市場(chǎng)上手機(jī)充電器種類(lèi)繁多，但其中也有很多質(zhì)量低劣的不合格產(chǎn)品。在去年產(chǎn)品質(zhì)量國(guó)家監(jiān)督抽查結(jié)果中，將近40％的廠家生產(chǎn)的充電器不合格。其主要問(wèn)題出現(xiàn)在:與交流電網(wǎng)電源的連接，電源端子騷擾電壓，輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)和充電電壓幾個(gè)方面。另外，一些產(chǎn)品的低溫性能、額定容量、放電性能、安全保護(hù)性能等方面存在質(zhì)量問(wèn)題。由于現(xiàn)在的手機(jī)電池多采用鋰離子電池，對(duì)充電器的電壓、電流特性及安全保護(hù)有很高的要求。一些充電器由于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用劣質(zhì)材料，加工手段粗糙，對(duì)手機(jī)電池的性能和壽命有很大損害。這些質(zhì)量問(wèn)題會(huì)影響到手機(jī)的正常使用及使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還可能傷害消費(fèi)者。1.3本論文主要完成的工作通過(guò)2手機(jī)充電器的基本原理手機(jī)充電器其實(shí)都是由一個(gè)穩(wěn)定電源（主要是穩(wěn)壓電源、提供穩(wěn)定工作電壓和足夠的電流）加上必要的恒流、限壓、限時(shí)等控制電路構(gòu)成[10]。2.1手機(jī)電池的選擇及充電要求2.1.1鋰離子電池的特性二次電池能夠反復(fù)使用，符合經(jīng)濟(jì)原則，這是其最大優(yōu)點(diǎn)，自然人們最青睞二次電池。鋰離子電池是繼鎳氫電池后發(fā)展的新一代二次電池。它以其高的比能量，為鎳氫電池的1..5倍和鉛酸電池的3倍，放電曲線平穩(wěn)，自放電率低，循環(huán)壽命長(zhǎng)，無(wú)記憶效應(yīng)和不污染環(huán)境等特點(diǎn)，已成為手機(jī)電池的首選。表2-1為鉛酸、鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池特性的比較。表2-1鉛酸、鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池特性的比較電池類(lèi)型工作電壓（V）質(zhì)量比能量（Wh/kg）體積比能量（Wh/L）循環(huán)次數(shù)記憶效應(yīng)自放電率（%/月）鉛酸2.0——400-600無(wú)3鎳鎘1.250150400-500有25鎳氫1.260-80240-300>500無(wú)20鋰離子3.6120-140300>1000無(wú)102.1.2鋰離子電池充電電路要求鋰離子電池在充電過(guò)程中，電池的電壓和電流都會(huì)隨充電時(shí)間而變化。當(dāng)電池電壓小于2.5V時(shí)，則用小電流（約1/10C的電流）充電；當(dāng)電池電壓大于2.5V且小于4.2V時(shí)，則以恒流充電方式充電，電池電壓以較高的斜率增長(zhǎng)，在充電過(guò)程中斜率逐步降低，充到接近4.2V時(shí)，恒流充電結(jié)束；接著以4.2V恒壓充電，在恒壓充電時(shí)，電壓幾乎不變，充電電流不斷下降，當(dāng)充電電流降到1/10C時(shí)，表示電池以充滿，終止充電[11]。為了滿足鋰離子電池的充電要求，性能良好的鋰離子電池充電器由下述幾部分組成：電源電路包括恒流源（其精度一般為5%左右）及恒壓源（其精度一般為0.75%）電流限制電路（可外設(shè)一個(gè)電流檢測(cè)電阻來(lái)設(shè)定電流限制值）電池電壓檢測(cè)電路電池溫度檢測(cè)電路充電器指示電路（一般用LED來(lái)指示）安全定時(shí)器電路基準(zhǔn)電壓源（高精度）、多個(gè)電壓比較器及邏輯控制電路、關(guān)閉控制路等。2.2充電控制芯片充電控制芯片是特為化學(xué)電池設(shè)計(jì)的理想產(chǎn)品，它們使電池的三項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)到最大：容量、壽命和安全性。BQ2057是美國(guó)Tl公司生產(chǎn)的先進(jìn)的鋰離子電池充電芯片，可滿足單節(jié)(4.1V或4.2V)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池的充電需要，同時(shí)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合提供了MSOP、TSSOP和SOIC等封裝形式供選擇。利用BQ2057設(shè)計(jì)的充電器外圍電路簡(jiǎn)單，非常適合便攜式電子產(chǎn)品的緊湊設(shè)計(jì)需要。BQ2057可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償鋰電池組的內(nèi)阻以減少充電時(shí)間，帶有可選的電池溫度監(jiān)測(cè)，利用電池組溫度傳感器連續(xù)檢測(cè)電池溫度，當(dāng)電池溫度超出設(shè)定范圍時(shí)BQ2057關(guān)閉對(duì)電池充電。內(nèi)部集成的恒壓恒流器帶有高/低邊電流感測(cè)和可編程充電電流，充電狀態(tài)識(shí)別可由輸出的LED指示燈或與主控器接口實(shí)現(xiàn)，具有自動(dòng)重新充電、最小電流終止充電、低功耗睡眠等特性[1]。針對(duì)手機(jī)充電器的需求及BQ2057充電芯片的特性，本課題選擇BQ2057芯片。BQ2057的引腳功能描述如下：VCC(引腳1):工作電源輸入；TS(引腳2):溫度感測(cè)輸入，用于檢測(cè)電池組的溫度；STAT(引腳3):充電狀態(tài)輸出，包括充電中、充電完成和溫度故障三個(gè)狀態(tài)；VSS(引腳4):工作電源地輸入；CC(引腳5):充電控制輸出；COMP(引腳6):充電速率補(bǔ)償輸入；SNS(引腳7):充電電流感測(cè)輸入；BAT(引腳8):鋰電池電壓輸入；BQ2057芯片的充電流程圖及典型充電特性曲線如圖2-1和圖2-2。圖2-1BQ2057充電流程圖圖2-2BQ2057典型充電特性曲線BQ2057芯片在充電時(shí)，主要有以下幾個(gè)階段。一、預(yù)充階段，BQ2057首先檢查工作電壓VCC，當(dāng)工作電壓過(guò)低時(shí)充電器進(jìn)入睡眠模式，若工作電壓正常，則檢查電池溫度是否在設(shè)定范圍，若不正常則進(jìn)入溫度故障模式，否則檢測(cè)電池電壓VBAT，當(dāng)電池電壓VBAT低于低壓門(mén)限V(min)時(shí)，BQ2057以恒流IREG10％的電流IPRE對(duì)電池預(yù)充電。二、恒流充電，在完成對(duì)電池預(yù)充或電池電壓VBAT低于恒壓VREG時(shí)，BQ2057進(jìn)入恒流充電狀態(tài)，此時(shí)由外部的感測(cè)電阻RSNS上的壓降監(jiān)控充電電流，該電阻可采取高/低邊的連接方式，在高邊電流檢測(cè)中RSNS接在VCC和SNS引腳間，在低邊電流檢測(cè)中RSNS接在VSS和SNS引腳間，如圖2－4所示，通過(guò)SNS引腳獲得充電電流的反饋，感測(cè)電阻由公式（1）計(jì)算，其中IREG為預(yù)期的充電電流，VSNS可在BQ2057的電特性表中查得。(2-1)三、恒壓充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到恒壓VREG時(shí)進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)。在整個(gè)工作溫度和工作電壓范圍內(nèi)，恒壓精度高于±1%，BQ2057通過(guò)VBAT和VSS引腳監(jiān)測(cè)電池組電壓，當(dāng)電流達(dá)到終止門(mén)限I(TERM)時(shí)停止充電，當(dāng)電池電壓低于重新充電門(mén)限電壓V(RCH)時(shí)自動(dòng)開(kāi)始重新充電。BQ2057除了能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的4.1V、4.2V、8.2V和8.4V電壓充電外，還可以通過(guò)分壓實(shí)現(xiàn)對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)電壓充電，其方法是用分壓電阻實(shí)現(xiàn)電池分壓值作為BAT引腳的輸入。四、電池溫度監(jiān)測(cè)，BQ2057通過(guò)測(cè)量TS與VSS引腳間的電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組溫度的連續(xù)監(jiān)測(cè)，常用熱敏電阻作為溫度傳感器，并通過(guò)分壓電阻實(shí)現(xiàn)。分壓電阻的阻值可根據(jù)參數(shù)計(jì)算。BQ2057將該電壓與內(nèi)部的V(TS1)和V(TS2)門(mén)限電壓比較以決定是否允許充電。由于外部分壓及內(nèi)部門(mén)限電壓均以VCC為參考，保證了溫度檢測(cè)電路不受工作電源VCC的波動(dòng)影響。當(dāng)把TS引腳連到VCC或VSS時(shí)，可以禁止BQ2057的充電功能。五、充電狀態(tài)指示，BQ2057通過(guò)三態(tài)引腳STAT報(bào)告當(dāng)前的充電狀態(tài)：充電狀態(tài)高電平、充電完成低電平、溫度故障或睡眠狀態(tài)高阻態(tài)。當(dāng)將STAT引腳與單LED或雙LED反接方式連接時(shí)，可實(shí)現(xiàn)充電狀態(tài)的LED指示，也可以將STAT口與儀器微控制器接口，微控制器通過(guò)識(shí)別STAT口的三種狀態(tài)實(shí)現(xiàn)儀器的智能管理。2.3充電電路的設(shè)計(jì)2.3.1電源部分電路原理220V交流市電經(jīng)濾波器濾波后，為開(kāi)關(guān)電源提供高壓脈動(dòng)直流電。開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)產(chǎn)生的高頻交流電壓經(jīng)半波整流及濾波后產(chǎn)生5V的直流電壓，為充電芯片提供充電電源和工作電源[9]。電壓變化流程如圖2-3所示。圖2-3電壓變換流程圖2.3.2基于BQ2057充電芯片的工作電路利用BQ2057設(shè)計(jì)的充電器的外圍電路簡(jiǎn)單，可廣泛應(yīng)用于目前的采用鋰離子電池供電的便攜式電子設(shè)備的電源管理系統(tǒng)，對(duì)于便攜式電子產(chǎn)品的緊湊設(shè)計(jì)很有意義[2]。采用BQ2057設(shè)計(jì)的鋰離子電池充電電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池的充電，充電器的工作電源DC+根據(jù)充電鋰離子電池的電壓選擇推薦工作電壓為+5V，鋰離子電池的正端電壓PACK+接BAT腳，檢測(cè)鋰離子電池的熱敏電阻NTC通過(guò)分壓電阻后的分壓值輸入至TS腳，以此判斷鋰離子電池溫度是否正常。采用BQ2057充電控制芯片的充電電路如圖2-4所示。圖2-4充電控制芯片的充電電路圖3基于RCC電路的開(kāi)關(guān)變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)反激式自激變換器就是我們通常所指的RCC（RingingChokeConverter）電路[2]，變壓器（儲(chǔ)能電感）的工作模式處于臨界連續(xù)狀態(tài)，可以方便的實(shí)現(xiàn)電流型控制，在結(jié)構(gòu)上是單極點(diǎn)系統(tǒng)，容易得到快速穩(wěn)定的響應(yīng)，廣泛應(yīng)用于50W以下的開(kāi)關(guān)電源中。RCC電流的優(yōu)勢(shì)也比較突出。首先是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要少數(shù)分離原件就可以得到需專(zhuān)用芯片才能實(shí)現(xiàn)的電壓輸出性能，通過(guò)良好的設(shè)計(jì)就可以獲得高效和可靠的工作。其次，許多與驅(qū)動(dòng)有關(guān)的困難（驅(qū)動(dòng)波形、變壓器飽和等）在自激變換器中得到很好的解決。而且，由于總是工作于完全能量傳遞模式，副邊整流二極管正向?qū)娏鞯搅?，反向恢?fù)電流和損耗很小，產(chǎn)生的振鈴相對(duì)于不完全能量傳遞模式也要小很多，因此輸出的高頻雜音也要小很多。另外，原邊主管開(kāi)通始終是零電流，因此效率較高。3.1RCC電路工作原理圖3-1RCC工作基本原理圖圖3-1給出實(shí)際應(yīng)用最多的RCC方式的基本電路圖。下面說(shuō)明實(shí)際應(yīng)用中RCC電路的工作過(guò)程[5]。3.1.1電路的啟動(dòng)接通輸入電源后，電流通過(guò)電阻流向開(kāi)關(guān)晶體管的基極，導(dǎo)通，稱(chēng)為起動(dòng)電流。在RCC方式中，晶體管的集電極必然由零開(kāi)始逐漸增加。因此應(yīng)盡量小一點(diǎn)。此時(shí)變壓器的次級(jí)繞組處于短路狀態(tài)，從輸入一側(cè)看來(lái)，電流全部流進(jìn)線圈，電阻稱(chēng)為起動(dòng)電阻。3.1.2開(kāi)關(guān)晶體管處于ON狀態(tài)一旦進(jìn)入ON狀態(tài)，輸入電壓將加在變壓器的初級(jí)繞組上。由在數(shù)比可知，基極線圈上產(chǎn)生的電壓為(3-1)該電壓與導(dǎo)通極性相同，因此將維持的導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)基極電流是連續(xù)的穩(wěn)定電流。設(shè)晶體管的基極—發(fā)射極間的電壓,二極管的正向電壓為,的集電極電流為一次單調(diào)增函數(shù)，經(jīng)過(guò)某一斷時(shí)間后達(dá)到，集電極電流與直流電流放大倍數(shù)之間將呈現(xiàn)如下關(guān)系：(3-2)即在上述公式成立的條件下才能維持ON狀態(tài)。在基極電流不足的區(qū)域，集電極電壓由飽和區(qū)域向不飽和區(qū)域的轉(zhuǎn)移。于是，線圈的電壓下降，導(dǎo)致線圈的感應(yīng)電壓也隨之降低，基極電流進(jìn)一步減小。因此的基極電流不足狀態(tài)不斷加深，迅速轉(zhuǎn)至OFF狀態(tài)。3.1.3開(kāi)關(guān)晶體管處于OFF狀態(tài)如果晶體管處于OFF狀態(tài)，變壓器各個(gè)繞組將產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，次級(jí)繞組使導(dǎo)通，電流流過(guò)負(fù)載，經(jīng)過(guò)某一時(shí)間后，變壓器能量釋放完畢，電流變?yōu)?.但是，此時(shí)繞組上還有極少量殘留的能量，這部分能量再一次返回，使基極繞組產(chǎn)生電壓，再次ON，晶體管繼續(xù)重復(fù)前面的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。3.2輸出電壓穩(wěn)定的設(shè)計(jì)RCC方式的穩(wěn)壓器是通過(guò)反向電動(dòng)勢(shì)使次級(jí)的二極管導(dǎo)通向負(fù)載提供功率的。因此，單位時(shí)間內(nèi)變壓器存儲(chǔ)的能量與輸出功率相等，設(shè)變壓器初級(jí)電感為,有(3-3)因此，欲使輸出電壓穩(wěn)定，頻率最好隨晶體管的ON時(shí)間變化而變化。圖3-2所示，要使晶體管OFF，對(duì)于集電極電流而言，只要基極電流不足即可，既然如此，那么只要阻止來(lái)自變壓器的驅(qū)動(dòng)電流流過(guò)的基極，讓它從旁路流過(guò)即可。這就是連接穩(wěn)壓二極管的目的。圖3-2RCC方式穩(wěn)壓原理圖的陽(yáng)極與電容器的陰極相連。在OFF期間，線圈通過(guò)導(dǎo)通的為充電，的電壓變?yōu)樨?fù)電壓，的電壓為：(3-4)于是齊納二極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電流從它所形成的旁路流過(guò)，進(jìn)而使OFF。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，由于輸出電壓上升，那么圖1.1中的端電壓也隨輸出電壓成正比上升。即在的OFF期間內(nèi)，變壓器存儲(chǔ)的能量向負(fù)載釋放，即使存在負(fù)電源，的充電電流和次級(jí)電流也會(huì)同時(shí)流動(dòng)。此間線圈和線圈的電壓值分別與匝數(shù)比成正比,即(3-5)式中、分別為、的正向電壓降。反之也可改變使隨之改變。假設(shè)的端電壓上升，那么與陰極相連的齊納二極管導(dǎo)通，于是的流過(guò)旁路，基極中沒(méi)有電流。因此，此時(shí)OFF。從電壓之間的關(guān)系來(lái)分析，的齊納電壓為：(3-6)因此由與即可確定輸出電壓。即輸出電壓為(3-7)若忽略、和，則與成正比，且輸出電壓的精度由電壓的精度確定。3.3變壓器的設(shè)計(jì)方法開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中，變壓器的設(shè)計(jì)是要點(diǎn)之一，它的所有動(dòng)作與特性幾乎都取決于變壓器的設(shè)計(jì)。特別是對(duì)于RCC電路，甚至連振蕩頻率都是由變壓器決定的。3.3.1初級(jí)繞組的求法首先，求初級(jí)繞組的匝數(shù)。在RCC方式中，因?yàn)榇磐ㄔ诖判綛-H曲線的上下半?yún)^(qū)都有變化，因此匝數(shù)的計(jì)算公式如下：(3-8)式中為線圈的外加電壓；為磁芯的磁通密度；為磁芯的有效截面積。磁芯通常采用鐵氧體材料，但是其最大磁通密度受溫度影響而發(fā)生變化。因此，必須根據(jù)實(shí)際工作條件，從特征表中求得。下面計(jì)算電感值，并按最低輸入電壓的占空比D來(lái)計(jì)算。如圖3-3所示，為三角波，設(shè)功率裝換效率為、輸出功率為、輸入電壓最小值為初級(jí)電流的平均值為，則初級(jí)電流的最大值為(3-9)圖3-3變壓器中線圈的電流波形求得初級(jí)繞組所必須電感為：(3-10)3.3.2其他線圈的求法次級(jí)電流的峰值與輸出電流的關(guān)系為：(3-11)那么次級(jí)繞組的電感為：(3-12)(3-13)式中Ns為次級(jí)繞組匝數(shù)，為次級(jí)整流二極管的正向壓降。然后來(lái)求基極繞組的匝數(shù).由的條件有：(3-14)由上述格式確定繞組匝數(shù)，但由于輸出側(cè)存在導(dǎo)線電壓降，因此，實(shí)際上個(gè)繞組的匝數(shù)應(yīng)該比計(jì)算結(jié)果稍多一些[8]。3.4開(kāi)關(guān)晶體管的恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)在RCC方式中，提供開(kāi)關(guān)晶體管基極電流的驅(qū)動(dòng)電路的損耗是非常大的。即使在最低輸入電壓條件下，驅(qū)動(dòng)電流的大小也必須足以驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)晶體管處于ON狀態(tài)。同時(shí)變壓器繞組的電壓的增加與輸入電壓成正比，上升，驅(qū)動(dòng)電流也隨之上升，而基極電阻損耗的增加與的平方成正比。另一方面，驅(qū)動(dòng)電流增加，必然會(huì)使穩(wěn)壓電路之路的電流增加。有時(shí)會(huì)引起間歇振蕩。因而將引起變壓器等產(chǎn)生異常的噪音。如果能找到一種恒流驅(qū)動(dòng)方式，即雖然輸入電壓發(fā)生變化，但驅(qū)動(dòng)電流不改變，那么上述問(wèn)題就會(huì)迎刃而解[5]，而且這里對(duì)具有恒流特性的精度要求并不高，采用圖3-4所示的電路就足夠了。圖3-4基極恒流驅(qū)動(dòng)該電路即便在輸入電壓發(fā)生變化，流過(guò)的電流也是恒定的。這樣不僅尅大幅度減小的損耗，而且可以防止間歇振蕩。從而提高電路的輸入范圍，提高電路帶載能力。如上圖所示，一旦輸入電壓大于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓，那么晶體管的基極電壓就會(huì)被鉗制在（），從而流過(guò)晶體管基極電流就會(huì)被固定[6]。當(dāng)輸入電壓最低時(shí)仍能保證能被擊穿，即輸入電壓為150V時(shí)能擊穿，故有(3-15)從而可以求得(3-16)實(shí)際取4.7V，與穩(wěn)壓二極管串聯(lián)的電阻取為100。改進(jìn)后的RCC電路，輸入可在AC150～250V之間變化，且不會(huì)出現(xiàn)間歇振蕩現(xiàn)象。從電路波形圖可以看出，即使輸入為AC250V，控制電路中晶體管的基極電壓最大也只有4.75V，而如果沒(méi)有加入恒流源，則晶體管基極驅(qū)動(dòng)電壓最大可以達(dá)到(3-17)因此加入恒流驅(qū)動(dòng)后可以有效的降低了基極驅(qū)動(dòng)電路，從而當(dāng)晶體管截止時(shí)從穩(wěn)壓二極管流過(guò)的電流將會(huì)大幅地降低，因此抑制消除了間歇振蕩現(xiàn)象。采用該方法后，即使輸入電壓在AC100～200V間連續(xù)變化，電路也能正常工作。但實(shí)際上，即使采用上述方法，當(dāng)輸入近似為空載狀態(tài)，仍會(huì)引起間歇振蕩。此時(shí)，如圖3-5所示，應(yīng)該在直流輸出端連接一個(gè)泄放電阻，不過(guò)此時(shí)的功率全部為無(wú)用功率[7]，因此應(yīng)該把電流值調(diào)整到剛剛不引起間歇振蕩的大小。圖3-5泄放電阻的效果3.5RCC電路的控制電路設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)定3.5.1電壓控制電路的設(shè)計(jì)首先，當(dāng)處于OFF時(shí)，線圈的電壓為(3-18)作為電壓控制用的齊納二極管兩端的電壓為：(3-19)由于變壓器本身也有壓降，因此實(shí)際應(yīng)用的電壓值稍高一些的二極管。3.5.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)由變?yōu)闀r(shí)，因變壓器漏感磁通影響，而由一次側(cè)自二次則傳輸?shù)哪芰慨a(chǎn)生[9]。近似利用公式為：(3-20)求得為50V。是由一次電路的電感成分所生成的浪涌電壓。故集電極電壓最高值為：V(3-21)因此本例中采用高速、高壓開(kāi)關(guān)電流用晶體管smbta06。設(shè)時(shí)，考慮一定的余裕，取10，必須的基極電流約為6.74mA。于是基極電阻為：(3-22)3.5.3次級(jí)電容、二極管的選定二極管關(guān)斷時(shí)反向電壓值為(3-23)輸出電容選擇：電容器內(nèi)所導(dǎo)通的紋波電流[3]其有效值為(3-24)當(dāng)輸入電壓為最低而輸出電流最大時(shí)，文波電流最大。此時(shí)紋波電流為(3-25)3.5.4其他參數(shù)的選定初級(jí)繞組的RC緩沖電路中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取R=20k，而RC放電常數(shù)應(yīng)該小于關(guān)斷時(shí)間的十分之一。因此有(3-26)則求得電容C為(3-27)起動(dòng)電阻的選擇與起動(dòng)電流有關(guān)，而起動(dòng)電流最低有0.25mA就足夠了。因此起動(dòng)電阻為(3-28)基極電阻與變壓器線圈之間連接的電容器的目的是加速的基極電流，改善電流的起動(dòng)特性。該電路中，采用0.0047u的薄膜電容器。4EMI及無(wú)Y電容的優(yōu)化設(shè)計(jì)在開(kāi)關(guān)電源中，功率器件高頻導(dǎo)通/關(guān)斷的操作導(dǎo)致的電流和電壓的快速變化而產(chǎn)生較高的電壓及電流尖峰是產(chǎn)生EMI的主要原因。加緩沖吸收電路有利于降低EMI，但會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的功耗，增加元件數(shù)量、PCB尺寸及系統(tǒng)成本。通常情況下，系統(tǒng)前端要加濾除器和Y電容[6]，Y電容的存在會(huì)使輸入和輸出線間產(chǎn)生漏電流，具有Y電容的金屬殼手機(jī)充電器會(huì)讓使用者有觸電的危險(xiǎn)，因此，一些手機(jī)制造商開(kāi)始采用無(wú)Y電容的充電器，然而，去除Y電容會(huì)給EMI的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，下面將介紹無(wú)Y電容的充電器變壓器補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法。4.1EMI常識(shí)在開(kāi)關(guān)電源中，功率器件高頻開(kāi)通關(guān)斷的操作導(dǎo)致電流和電壓的快速的變化是產(chǎn)生EMI的主要原因。在電路中的電感及寄生電感中快速的電流變化產(chǎn)生磁場(chǎng)從而產(chǎn)生較高的電壓尖峰：(4-1)在電路中的電容及寄生電容中快速的電壓變化產(chǎn)生電場(chǎng)從而產(chǎn)生較高的電流尖峰：(4-2)磁場(chǎng)和電場(chǎng)的噪聲與變化的電壓和電流及耦合通道如寄生的電感和電容直接相關(guān)。直觀的理解，減小電壓變化率和電流變化率及減小相應(yīng)的雜散電感和電容值可以減小由于上述磁場(chǎng)和電場(chǎng)產(chǎn)生的噪聲，從而減小EMI干擾。減小電壓變化率和電流變化率可以通過(guò)以下的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：改變柵極的電阻值和增加緩沖吸引電路，增加?xùn)艠O的電阻值可以降低開(kāi)通時(shí)功率器件的電壓變化率[14]。4.2減小寄生的電感和電容值開(kāi)關(guān)器件是噪聲源之一，其內(nèi)部引線的雜散電感及寄生電容也是噪聲耦合的通道，但是由于這些參數(shù)是器件固有的特性，電子設(shè)計(jì)和應(yīng)用工程師無(wú)法對(duì)它們進(jìn)行優(yōu)化。變壓器是另外一個(gè)噪聲源，而初級(jí)次級(jí)的漏感及初級(jí)的層間電容、次級(jí)的層間電容、初級(jí)和次級(jí)之間的耦合電容則是噪聲的通道。初級(jí)或次級(jí)的層間電容可以通過(guò)減小繞組的層數(shù)來(lái)降低，增大變壓器骨架窗口的寬度可在減小繞組的層數(shù)。分離的繞組如初級(jí)采用三明治繞法可以減小初級(jí)的漏感，但由于增大了初級(jí)和次級(jí)的接觸面積，因而增大了初級(jí)和次級(jí)的耦合電容。采用銅皮的Faraday屏蔽可減小初級(jí)與次級(jí)間的耦合電容。Faraday屏蔽層繞在初級(jí)與次級(jí)之間，并且要接到初級(jí)或次級(jí)的靜點(diǎn)如初級(jí)地和次級(jí)地。Faraday屏蔽層使初級(jí)和次級(jí)的耦合系數(shù)降低，從而增加了漏感。4.3傳導(dǎo)干擾傳導(dǎo)干擾指在輸入和輸出線上流過(guò)的干擾噪聲，傳導(dǎo)干擾來(lái)源于差模電流噪聲和共模電流噪聲，這兩種類(lèi)型的噪聲干擾見(jiàn)圖4-1所示。Y電容直接和傳導(dǎo)干擾相關(guān)。

圖4-1差模電流和共模電流差模電流（DM）在兩根輸入電源線間反方向流動(dòng)，兩者相互構(gòu)成電流回路，即一根作為差模電流的源線，一根作為差模電流的回線。共模電流(CM)在兩根輸入電源線上同方向流動(dòng)，它們分別與大地構(gòu)成電流回路，即同時(shí)作為共模電流的源線或回線[15]。4.4差模電流的產(chǎn)生及抑制差模電流噪聲主要由功率開(kāi)關(guān)器件的高頻開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生。

一、在功率器件開(kāi)通瞬間存在電流的尖峰，開(kāi)通電流尖峰不能通過(guò)輸入濾波的直流電解電容旁路，因?yàn)檩斎霝V波的直流電解電容有等效的串聯(lián)電感ESL和電阻ESR，這樣就產(chǎn)生的差模電流在電源的兩根輸入線間流動(dòng)。二、在功率器件關(guān)斷瞬間，MOSFET漏源極電容的充電，變壓器初級(jí)繞組的層間電容放電，這兩部分電流也會(huì)形成差模電流。同樣，基于電壓的變化方向，初級(jí)繞組層間電容中的電流流動(dòng)方向向上，累積形成的差模電流值大。三、功率開(kāi)關(guān)工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)電流（開(kāi)關(guān)頻率）的高次諧波也會(huì)因?yàn)檩斎霝V波的直流電解電容的ESL和ESR形成差模電流。

差模電流可以通過(guò)差模濾波器濾除，差模濾波器為由電感和電容組成的二階低通濾波器。從PCB設(shè)計(jì)而言，盡量減小高的di/dt的環(huán)路并采用寬的布線有利于減小差模干擾。由于濾波器的電感有雜散的電容，對(duì)于高頻的干擾噪聲可以由雜散電容旁路，使濾波器不能起到有效的作用。用幾個(gè)電解電容并聯(lián)可以減小ESL和ESR，在小功率的充電器中由于成本的壓力不會(huì)用X電容，因此在交流整流后要加一級(jí)LC濾波器。

4.5共模電流的產(chǎn)生及抑制共模電流在輸入及輸出線與大地間流動(dòng)，其產(chǎn)生主要是功率器件高頻工作時(shí)產(chǎn)生的電壓的瞬態(tài)的變化。共模電流的產(chǎn)生原因有很多，初級(jí)繞組和次級(jí)繞組間的電容（Cs）及磁芯和大地間的電容（Cme）產(chǎn)生的共模電流占主導(dǎo)作用。減小漏極電壓的變化幅值及變化率可減小共模電流，如降低反射電壓，加大漏源極電容，但這樣會(huì)使MOSFET承受大的電流應(yīng)力，其溫度將增加，同時(shí)加大漏源極電容產(chǎn)生更大的磁場(chǎng)發(fā)射。圖4-2Y電容作用如果系統(tǒng)加了Y電容，由圖4-2所示,通過(guò)Cs的大部分的共模電流被Y電容旁路，返回到初級(jí)的地，因?yàn)閅電容的值大于輸出線到大地間的電容（Coe）。Y電容必須直接并用盡量短的直線連接到初級(jí)和次級(jí)的冷點(diǎn)。作為一個(gè)規(guī)則，如果開(kāi)通時(shí)的dv/dt大于關(guān)斷時(shí)的值，Y電容連接到初級(jí)的地。反之連接到Vin。去除Y電容無(wú)法有效的旁路共模電流，導(dǎo)致共模電流噪聲過(guò)大，無(wú)法通過(guò)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的方法是改進(jìn)變壓器的結(jié)構(gòu)。一般的屏蔽方法不能使設(shè)備在無(wú)Y電容的情況下通過(guò)EMI的測(cè)試。由于三極管極端的電壓變化幅值大，主要針對(duì)這個(gè)部位進(jìn)行設(shè)計(jì)。前面提到Cm和Cme及Cme和Ca也會(huì)產(chǎn)生共模電流，初級(jí)層間電容的電流一部分形成差模電流，有一部分也會(huì)形成共模電流，這也表明差模和共模電流可以相互的轉(zhuǎn)換。

在沒(méi)有Y電容時(shí)，基于電壓改變的方向可以得到初級(jí)繞組與次級(jí)繞組及輔助繞組和次級(jí)繞組層間電容的電流的流動(dòng)方向，初級(jí)繞組和輔助繞組的電流都流入次級(jí)繞組中。調(diào)整冷點(diǎn)后，初級(jí)繞組與次級(jí)繞組及輔助繞組和次級(jí)繞組層間電容的電流的流動(dòng)方向相同，可以相互抵消一部分流入次級(jí)繞組的共模電流，從而減小總體的共模電流大小。輔助繞組和次級(jí)繞組的整流二極管放置在下端，從而改變電壓變化的方向，同時(shí)注意冷點(diǎn)要盡量的靠近，這樣因?yàn)閮烧唛g沒(méi)有電壓的變化，所以不會(huì)產(chǎn)生共模電流。

如果在內(nèi)層及初級(jí)繞組和次級(jí)繞組間放置銅皮，銅皮的寬度小于或等于初級(jí)繞組的寬度，銅皮的中點(diǎn)由導(dǎo)線引線到冷點(diǎn)，如圖4-3所示，由于銅皮為冷點(diǎn)，與其接觸的繞組和銅皮間電壓的擺率降低，從而減小共模電流，同時(shí)將共模電流由銅皮旁路引入到冷點(diǎn)。注意銅皮的搭接處不能短路，用絕緣膠帶隔開(kāi)，內(nèi)外層銅皮的方向要一致。圖4-3銅皮的補(bǔ)償輔助繞組和次級(jí)繞組的共模電流可以由以下方法補(bǔ)償：一、加輔助屏蔽繞組，輔助屏蔽繞組繞制方向與次級(jí)繞組繞制方向保持一致，輔助屏蔽繞組與次級(jí)繞組的同名端連接到一起并連接到冷點(diǎn)，輔助屏蔽繞組的另一端浮空。由于它們的電壓變化的方向相同，所以?xún)烧唛g沒(méi)有電流流動(dòng)。

二、加外層的輔助屏蔽銅皮，輔助屏蔽銅皮的中點(diǎn)連接到到輔助繞組的中點(diǎn)。同樣，基于電壓的變化方向分析電流的流動(dòng)方向，可以看到，兩者之間的電流形成環(huán)流，相互補(bǔ)償?shù)窒?，從而降低共模電流?.6改進(jìn)后的電路原理圖通過(guò)對(duì)手機(jī)充電器電路的開(kāi)關(guān)電源及電磁干擾等方面的優(yōu)化，使其在抗干擾及對(duì)電池的保護(hù)方面有了一定改進(jìn)。圖4-4為改進(jìn)后的電路原理圖。圖4-4電路原理圖5PCB布線中的抗干擾設(shè)計(jì)隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB的密度越來(lái)越高，電子系統(tǒng)的工作頻率也越來(lái)越高。當(dāng)我們使用PROTEL軟件制板時(shí)，盡管制定了相關(guān)的涉及規(guī)則及約束條件，在進(jìn)行自動(dòng)布局和自動(dòng)布線時(shí)，仍然出現(xiàn)印刷電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，并對(duì)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不良影響。因此，要使電子系統(tǒng)獲得最佳性能，在使用PROTEL軟件制板時(shí)，必須采用手動(dòng)和自動(dòng)相結(jié)合的方法。5.1一般導(dǎo)線及焊盤(pán)布線印刷板導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基板的粘附強(qiáng)度和流過(guò)它們的電流值決定。當(dāng)銅箔厚度為0.5mm、寬度為1mm～15mm時(shí)，通過(guò)2A的電流,溫升不會(huì)高于3℃。因此，導(dǎo)線寬度為1.5mm可滿足要求。對(duì)于集成電路，尤其是數(shù)字電路，通常選0.02mm～0.3mm導(dǎo)線寬度。當(dāng)然,只要允許,還是盡可能用寬線,尤其是電源線和地線。導(dǎo)線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對(duì)于集成電路，尤其是數(shù)字電路，只要工藝允許，可使間距小于0.1mm～0.2mm。印刷導(dǎo)線拐彎處一般取圓弧,而直角或夾角在高頻電路中會(huì)影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長(zhǎng)時(shí)間受熱時(shí)，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用大面積銅箔時(shí)，最好用柵格狀，這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。焊盤(pán)中心也要比器件引線直徑稍大一些。焊盤(pán)太大易形成虛焊。焊盤(pán)外徑D一般不小于(d+1.2)mm，d為引線孔徑。對(duì)高密度的數(shù)字電路，焊盤(pán)最小直徑可取(d+1.0)mm。5.2電源線及地線設(shè)計(jì)根據(jù)印刷線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻，同時(shí),使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。在小信號(hào)電路與大電流電路做在一起的電路中，必須將GND明顯地區(qū)分開(kāi)來(lái)。布線方法為將小信號(hào)GND與大電流的GND進(jìn)行分離，通常使用兩根引線的GND。使大電流不在布線電阻上流動(dòng)，從而不產(chǎn)生干擾，如像功率放大級(jí)和負(fù)載那樣，將大電流流動(dòng)的部分由電源直接進(jìn)行布線。還有，將小信號(hào)部分進(jìn)行匯總，也直接由電源進(jìn)行布線。如果這樣做，小信號(hào)線與大電流線完全分離，再將匯總的小信號(hào)GND與功率放大級(jí)的GND相連接。當(dāng)電路簡(jiǎn)單時(shí)，可將電源所供給的電路匯總成一個(gè)。但是當(dāng)電路變得復(fù)雜時(shí)，就要分成幾個(gè)基板(模塊)，電源的數(shù)目仍為1個(gè)。就其布線方法來(lái)看，若各基板電源及地線擁有公共布線電阻，任何一個(gè)基板上的電流發(fā)生變動(dòng)，都影響到其他的基板。與此相反，若將其各個(gè)基板電源GND的布線分別由電源引出。這樣，各自都有布線電阻，即使因電流變化而產(chǎn)生電壓降，它僅停留在該基板上，而不會(huì)對(duì)其他基板產(chǎn)生影響。正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地的方式。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1MHz～10MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)波長(zhǎng)的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。數(shù)字地與模擬地分開(kāi)。電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地；高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而粗。高頻元件周?chē)M量用柵格狀大面積地箔，要盡量加大線性電路的接地面積。接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線用很細(xì)的線條,則接地電位會(huì)隨電流的變化而變化,致使電子產(chǎn)品的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能降低。因此應(yīng)將接地線盡量加粗，使它能通過(guò)三倍于印刷電路板的允許電流。如有可能,接地線的寬度應(yīng)大于3mm。接地線構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)