第2章 隔离式开关电源的系统设计
本章主要讨论开关电源的系统设计。主要内容包括：开关电源的系统框图，工作原理，开关电源PWM脉冲集成控制器IC的内部结构和工作时序，显示器开关电源各模块电路动作分析。
2.1 隔离式开关电源的系统框架
本次设计系统为显示器隔离式开关电源，它有以下一些特点：
此类开关电源有六路输出电压：63.5V、44V、10V、6.5V、9.8V、-8.5V。标称输出功率为70W。主变换电路为MOSFETS单管它励变换电路。驱动及控制电路采用PWM脉冲集成控制器芯片UC3842实现。此外系统还设置有主开关电路过流保护和过压保护。 其系统框图如下图2—1所示：
本次设计的隔离式开关电源由以上各部分环节组成。220V交流电经过浪涌电流限制及输入滤波电路、桥式整流、平滑滤波后加到主变换开关电路。在驱动电路的作用下,主变换电路的开关反复的通断,通过变压器的耦合作用将能量从初级向次级传递,次级的感应电流经过高频整流及滤波和稳压后输出。为了得到稳定的输出,本次设计从输出端引入了反馈环节,构成死循环控制。从输出端电压取样经光电耦合器件将反馈信号输入误差放大器,其输出经电流检测比较器比较后输出,控制PWM调制器输出脉冲的占空比,去驱动开关管。其中PWM调制器、电流检测比较器、误差放大器集成在PWM控制器UC3842中。另外,电流取样电路能够限制流过开关的电流。过压保护电路能够对输出电压进行
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过压保护。
隔离式开关电源原理图如下图2-2所示:
SMPS(Switching Mode Power Supply)是通过控制开关时间来控制变压器初级向次级传输能量的多少,实现输出端电压和电流大小的调节和控制。
220V电压经过整流和滤波后,一路到控制电路提供UC3842的工作电压；一路到主变换电路。UC3842正常工作后输出的脉冲控制MOSFETS管的通断,变压器的原边流过脉动电流,在变压器的各组副边感应出同频率的脉冲电压,此脉冲电压经过半波整流,平滑滤波后输出各组稳压直流,提供给显示器的各部分电路。此外,从开关管引入到UC3842的反馈起限流作用,从输出稳压直流引人的反馈起稳压保护作用。
2.2 隔离式开关电源的模块介绍
2.2.1 作为开关使用的功率MOSFET管
1. 基本的MOSFET管定义
尽管场效应管(FET)在各种电路中已经应用多年,但是金属-氧化物的半导体场效应管(MOSFETS)未被广泛地应用到电源设计中。MOSFET管的性能远远超过开关电源对器件的要求,它的工作频率超过20kHz,可以达到100kHz到200kHz,完全超过了双极晶体管工作频率的限制。
它有几个适用于设计电源变换器的优点,如其工作频率可以达到100kHz以上,更重
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要的是它减少了体积和重量。功率MOSFET管向电路设计者提供了一种高速、大功率、高耐压的器件,不同的生产厂家利用不同的技术制造出多种功率FET,例如HEXFET、VMOS、TMOS等等类似的产品。所有的MOSFET器件的基本工作原理都相同,只是有的厂家采用了不同的技术,增加一些特殊性能,使得其产品更具吸引力。
2. MOSFET管栅极驱动的考虑
MOSFET管是多数载流子运动的半导体器件，MOSFET管是单极型的电压控制器件。为了在D极获得一个较大的电流,在MOSFET管的G极和S极间必须加一个受控的电压。因为MOSFET的栅极与源极在电气上是靠硅氧化层相互隔离的,管子加电后只有很少的一点漏电流从所加电源端流入到栅极。因此,我们可以说MOSFET管具有极高的增益和阻抗。
为了驱动MOSFET管导通,需要在栅极和源极间加入电压脉冲,用它产生有效的充电电流,在设计的时间内,给输入电容充电。MOSFET管的输入电容Ciss是几个电容的总合,其中包括由金属氧化物栅极结构形成的电容,从栅极到漏极和从栅极到源极的电容等。为了提高MOSFET管的开关速度,驱动电压源的阻抗Rg必须非常低。
为了使MOSFET管截止,不需要像驱动双极晶体管那样,对驱动源进行精心地设计。因为MOSFET管是多数载流子运动的半导体器件,只要把加在栅极-源极间的电压撤消,它马上就会截止。当栅极电压撤消,MOSFET管关闭时,在漏极和源极间,就会出现很高的阻抗,从而抑制了电流的流动,只有几毫安的漏电流存在。当漏极-源极电压达到雪崩电压时,漏电流呈直线增长,而其栅极-源极电压仍保持在0V。 3. MOSFET管的静态工作特性
功率MOSFET管的漏极-源极工作特性曲线如图2-3所示.
由上图2-3可知MOSSFET输出特性曲线显示出两个不同的工作区,主要是恒定电流区
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和恒定电阻区.当漏极-源极电压增加时,漏极电流也成比例地增加,一直到“夹断电压”为止,这个区域称为恒定电阻区；在“夹断电压”之后,当漏极-源极电压再增加时,就会产生恒定的漏极电流,即进入恒定电流区。
当功率MOSFET管用作开关时,漏极和源极间的电压降与漏极电流成正比.换言之,功率MOSFET管工作在恒定电阻区。因此,它实际上是像电阻一样起作用。所以,功率MOSFET管的漏极-源极间的导通电阻RDson就成为一个十分重要的参数,它与双极晶体管的集电极发射极间的饱和压降的重要性一样。通过图2-3可以看到,当栅极对源极加入电压VGS时,漏极电流无明显的增加。事实上,当VGS达到门限电压时(一般是2-4V),漏极电流ID开始流动,当VGS超过门限电压之后,漏极电流和栅极电压的比值呈线性增长。这样,漏极电流对栅极电压的变化率(称为gfs),在漏极电流较大时,实际是个常数。图2-4说明了ID与VGS的传导特性,而图2-5表示的是跨导gfs与漏极电流的关系。
从图2-5可见,跨导的上升导致了MOSFET管的增益呈正比例提高,即导致漏极电流的增大,但不幸的是这种条件的变化又增大了输入电容。因此,为了提高MOSFET管的开关速度,一定要认真地设计栅极驱动电路,保证有足够的电流对输入电容充电。
4.MOSFET管的安全工作区(SOA)
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MOSFET管可以提供非常稳定的SOA,因为在正向偏置时,它不受二次击穿的影响。因此,无论是直流还是脉冲,它的SOA曲线特性都比双极晶体管性能要好。事实上,用功率MOSFET管作为开关使用,在额定的电压下,驱动额定的电流,不要吸收回路是完全可能的。当然,在实际设计电路时,还应该适当降低额定值。图2-6表示典型MOSFET的等值双极晶体管的SOA曲线。为了方便于比较它们的SOA能力,把它们重迭画在一起。
在MOSFET中,不存在反向偏置的二次击穿问题。因为双极晶体管的反向偏置工作情况不适于MOSFET。如果要使MOSFET关断只要使栅极电压降到0V就可以了。
5.驱动功率MOSFET管电路的设计 设计MOSFET管驱动电路应注意的问题
使用功率MOSFET管进行电路设计所达到的性能远比使用双极晶体管要好得多。这是由MOSFET管本身的众多特点所决定的,特别是器件工作在高频状态下(可达100kHz以上),双极晶体管是无法比拟的,图2-7表示的是典型的MOSFET管驱动电阻负载电路,它工作在共源极电路方式。
设计MOSFET管的电路有两个最基本的规则应当遵守,它可以防止在高频工作时产生振荡。
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