开关电源的应用——液晶显示器电源的设计

3.0 闻远设计 2023-06-29 66 4 813.5KB 33 页 15光币

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开关电源的应用——液晶显示器电源的设计

第一章绪论

1.1 国内外开关电源的发展与趋势

电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电

子设备的故障 60%来自电源，因此，电源越来越受人们的重视。现代电子设备使用的电源

大致有线性稳压电源和开关电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整工作在线性放大

区。这种稳压电源的主要缺点是变换效率低，一般只有 35%-60%；开关稳压电源的调整工

作在开关状态，主要的优越性就是变换效率高，可达 70%-95%。因此目前空间技术、计算机

通信、雷达、电视及家用电器中的稳压电源逐步被开关电源所取代[1]。

目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有 300 多家，形成规模的有十多家。国产开

关电源已占据了相当市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品已获得广泛

认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口。他们已经逐步做到功能齐全，质

量稳定，并能实行全智能，无人值守，基本上接近国际先进水平的产品。但由于我国配套

工业落后，有些元器件还得依赖进口。目前国外电信电源中实际应用最多的开关整流器是

采用 PWM 技术的 MOSFET 开关整流器，开关整流器的发展趋势是向高频大功率智能化发展，

现在澳大利亚，加拿大，日本等国家可生产 200A 的 MOSFET 开关整流器（模块）。此外采

用谐振变换技术的 48V/200A 开关整流器也是目前典型的新一代大功率开关整流器产品

[2]。

开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化。国外

目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容

器小型化，并同时采用 SMT 技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。

高效率。为了使开关电源较、小、薄，高频化是必然发展趋势。而高频化又必然使传统

的 PWM 开关功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实

现零电压导通、本电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。采用软开关技

术可使效率达到 85～88%。据悉，美国 WICOR开关电源公司设计制造了多种 ECZ 较开关 DC

／DC 变换器，其最大输出功率有 800W、600W、300W 等，相应的功率密度为 6.2、10、17w／

cm3，效率为80～90%；日本 NemicLambda 公司刚推出一种采用软开关技术的高频开关电

源模块 RM 系列（日本人称这种技术为“部分谐振”），开关频率 200—300kHz，功率密

度27W／cm3，用同步整流器（即用 MOS－FER代替肖特基二级管）使整个电路效率提高到

90%。

高可靠。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿

命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的

延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低给温、减少器件的

电应力、降低运行电流等措施使其 DC／DC 开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的

MTBF 高达 100 万小时以上。

模块化。无论是 AC／DC 或是DC／DC 或是变换器都是朝模块化方向发展。其特点是：可

以用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成 N＋1冗余电源系统，从而提高可行性；

可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故障时能高速更换模块插件；多台模

并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容

福州大学本科生毕业设计(论文)

量。

低噪声。开关电源的又一缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部

分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。但谐振转换技术也有其难

点，如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短

路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。日本把变压器设计成初次级分离阻燃密

封，自身具备对体噪声功能的共模无噪声隔离变压器，既节省了噪声滤波器，又减少了

噪声。

抗电磁干扰（EMI）。当开关电源在高频下开关时，其噪声通过电源线产生对其它电

子设备的干扰，世界各国已有抗 EMI的规范或标准，如美国的 FCC、德国的 VDE 等，研究

开发抗 EMI的开关电源日益显行生要。

计算机辅助计（CAD）。利用计算机对开关电源系统、稳定性分析、电路仿真、印刷电路

板、热传导分析、EMI分析以及可靠性等进行 CAD设计和模拟试验，十分有效，是最为快速

经济的设计方法。

产品更新加快。目前的开关电源产品要求输入电压通用（适用世界各国电网电压规

模）、输出电压范围扩大（如计算机和工作站需要增加 3.3V 这一档电压、程控需要增加

DC150V 这一电压）、输人端功率因数进一步提高（最有效的方法是加一级“有源功率因数

校正器 APFC”），并具有安全、过压保护等功能[1]。

1.2 两种电源的基本原理

1.2.1 线性稳压电源

线性稳压电源原理如图1-1所示，调整管(晶体管)工作在线性放大区，通过调节调整

管的集-射极间电压，使射极电压相对于变化的集电极电压保持稳定，因此，称为线性稳

压电源。

交流电压经工频变压器、整流滤波后，得到不稳定的直流电压Ui，Ui的最小值大于输

出电压Uo。调整管串联在整流滤波输出和电源输出之间。其c、e极电压Uce=Ui-Uo，即Uo=Ui

一Uce。输出电压采样后和基准电压比较，经过误差放大器放大后，驱动调整管的基极，

构成闭环反馈控制。当输出电压升高时，取样电压也升高，经比较、误差放大后控制调整

管的Uce也增大，从而使输出电压降低，达到稳压的目的。同样，当输出电压降低时，调

整管的Uce也降低，使输出电压升高。由于线性稳压电源增加了闭环调节，使精度和稳定

性大大提高。

图1-1晶体管串联线性稳压电源原理图

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线性稳压电源的主要缺点:

(1)效率低。调整管串联在输入和输出之间，它的电流即为输出负载的电流。若负载电流为

Io，则调整管的功率损耗为Pc=(Ui-Uo) Io。由于调整管工作在线性区，(Ui-Uo)一般比较

大，造成调整管的功率损耗很大，整个电源的效率很低，一般为20%^-60%。

(2)体积和重量大。电源中的工频变压器、滤波电容和滤波电感的体积和重量都很大;另外

由于其效率比较低，电源本身消耗的功率比较大，所以采用了较大的散热器[3]。

1.2.2 开关稳压电源

开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过控制开关管导通时间和截止时间

的比例来调节输出电压，这种技术称为脉宽调制。

1.2.2.1 开关电源的基本组成

开关电源的基本构成如图1-2所示，其中DC/DC变换器用来进行功率转换，它是开关

电源的核心部分，此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路，输出采样电路检测

输出电压变化，与基准电压比较，产生的误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路，再经

过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。

图1-2开关电源的基本组成

(1)主电路

从交流电压输入到直流电压输出的全过程，包括:

①输入滤波器:其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共

电网。

②整流与滤波:将电网交流电直接整流为较平滑的直流电。

③逆变:将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，

体积、重量与输出功率之比越小。

④输出整流与滤波:根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

(2)控制电路

一方面从输出端取样，与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，

达到输出稳定:另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供给控制电路

对整机进行各种保护。

(3)检测电路

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摘要：

开关电源的应用——液晶显示器电源的设计第一章绪论1.1国内外开关电源的发展与趋势电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自电源，因此，电源越来越受人们的重视。现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整工作在线性放大区。这种稳压电源的主要缺点是变换效率低，一般只有35%-60%；开关稳压电源的调整工作在开关状态，主要的优越性就是变换效率高，可达70%-95%。因此目前空间技术、计算机通信、雷达、电视及家用电器中的稳压电源逐步被开关电源所取代[1]。目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有300多家，形成...

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