第2章 开关电源电路及LED调光照明设计理论

2.1 开关电源控制方式的设计

开关电源的设计多数采用脉宽调制（PWM）方式，少数设计采用脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）方式，很少见到混合式调制方式。脉冲频率调制是将脉冲宽度固定，通过调节工作频率来调节输出电压。在电路设计上要用固定频率发生器来代替脉宽调制器的锯齿波发生器，并利用电压、频率转换器（例如压控振荡器）改变频率。稳压原理是：当输出电压升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变，而工作周期变长，使占空比减小，输出电压降低。调频式开关电源的输出电压的调节范围很宽，调节方便，输出可以不接假负载，详见图2-1所示的波形图。混合调制方式是指脉冲宽度与频率都不固定，都可以改变。目前这种调制方式应用得不是很多，产品类型也不多，只是在个别实验室中使用，其原因是两种调制方式共存，相互影响较大，稳定性差。再者，这种开关电源电路设计比较复杂，集成控制电路也不是很多。但是它的占空比调节范围很宽，输出电压能做到很低。

图2-1 PWM、PFM控制方式波形

2.1.1 脉宽调制的基本原理

开关电源采用脉宽调制方式的占很大比例，所以有必要对脉宽调制的基本原理加以了解。220V交流输入电压经过整流（UR）滤波后变为脉动直流电压，供给功率开关管作为动力电源。开关管的基极或场效应晶体管的栅极由脉宽调制器的脉冲驱动。脉宽调制器由基准电压源、误差放大器、PWM比较器和锯齿波发生器组成，如图2-2所示。从开关电源的输出电压取一信号电压和基准电压进行比较、放大，然后将其差值送到脉宽调制器。脉宽调制的频率是不变的，当输出电压V_o下降时，与基准电压比较的差值增加，经放大后输入到PWM比较器，加宽了脉冲宽度。宽脉冲经开关晶体管功率放大器驱动高频变压器，使变压器一次电压升高，然后耦合到二次侧，经过二极管VD整流和电容C₂滤波后，输出电压上升，稳定输出电压反之亦然。

设计脉宽调制要注意的是反馈信号的质量，反馈信号前沿要陡峭后沿要短促，设计时后沿要用斜坡校正，还要有误差补偿，各脉冲有一定的时间间隔，保证脉宽调制的稳定性和可靠性。

图2-2 脉宽调制的原理图

2.1.2 脉冲频率调制的基本原理

脉冲频率调制的过程是这样的：如图2-3所示，从输出电压中取出一信号电压并由误差放大器放大，放大后的电压与5V基准电压进行比较，输出误差电压V_r，并以此电压作为控制电压来调制压控振荡器（VCO）的振荡频率f。再经过瞬间定时器、控制逻辑和输出级，输出一方波信号，驱动VT，最后经高频变压器TR和整流滤波电路获得稳定的输出电压V_o。假设由于某种原因而使V_o上升或负载阻抗下降，控制电路立即进行下述闭环调整：V_o↑→V_r↑→f↓→V_o↓。该循环的结果是输出电压V_o趋于稳定，反之亦然。这就是PFM的工作原理。假设电源效率为η，脉冲宽度为m，脉冲频率为f，则有V_o=ηmfV₁。当ηmV₁确定后，通过调制VCO的振荡频率就可以调节输出电压V_o，并实现稳定输出。需要指出的是：a、b、c是压控振荡器外围元器件连接端，它们将决定振荡的工作频率和频率调制灵敏度；d为锯齿波电压输入端，由它改变定时器的定时时间。

频率调制的优点是电路的硬件较少，电路简单，但定时器逻辑控制器要求严格对周围元器件紧密布局，连线越短越好，所用的电容的频率特性、绝缘电阻、精密度比较高。

图2-3 脉冲频率调制的基本原理

2.1.3 开关电源反馈电路的设计

开关电源有两种工作模式：一种是连续模式（Continuous Mode，CUM），另一种是不连续模式（Discontinuous Mode，DUM）。这两种模式的主要差别是：在振荡周期中电路电感是否有电流存在。也就是说，在振荡周期中电感上的电流为零值时称为不连续模式，在振荡周期中电感上的电流大于零的称为连续模式。连续模式能量是不完全传递的，不连续模式则为能量的完全传递。采用连续模式的转换器可以减小一次侧峰值电流和有效值电流，降低电路损耗。但连续模式要求增大变压器的一次电感，这将会使变压器的匝数增多、体积增大。不连续模式就是将高频变压器所储存的能量在每个关断周期内全部释放出去，所以要求高频变压器的一次电感量要小，以适合输出较大的功率。开关电源在采用哪种工作模式的同时，还必须联系到反馈。反馈的种类很多，电路也千变万化，但基本类型只有4种，即基本反馈电路、改进型基本反馈电路、配稳压管的光耦合反馈电路以及配TL431的精密光耦合反馈电路，如图2-4所示。图2-4a所示为基本反馈电路，这种电路在小功率开关电源中应用得较多，电路简单，成本低廉，有利于电源小型化，缺点是稳压性能差，电压调整率和负载调整率都不太理想。图2-4b所示为改进型基本反馈电路，它是在基本反馈电路的基础上加一只稳压二极管VS₂和电阻R₂而组成的。这样可使反馈电压稳定，负载调整率降低，输出电压的稳定性得到提高。图2-4c所示为配稳压管的光耦合反馈电路。当输出电压V_o发生变化时，光耦合器的发光二极管将发出不同亮度的光，外部电压与基准电压的差值经光耦合器接收后去控制集成电路UC38××进行调整，控制输出电压。该电路能使电源的负载调整率达到1%以下。图2-4d所示是配TL431的精密光耦合反馈电路，该电路在开关电源中应用得最多。它的效果最好，稳压性能最佳。用TL431代替稳压管VS₂构成外部误差放大器，对输出电压V_o做精细调整，组成精密开关电源，使电压调整率和负调整率均能达到0.2%以下，应用十分广泛。

图2-4 反馈电路的4种基本类型