【正文】 4 抑制干擾的措施 ……………………………………………………31 3．5．5 電磁干擾濾波器的構(gòu)造原理 ………………………………………33 3．5．6 電磁干擾濾波器的基本電路及典型應(yīng)用 …………………………33 3．5．7 EMI濾波器在開關(guān)電源中的應(yīng)用 …………………………………34第4章 PCB電磁兼容性設(shè)計 ……………………………………………………………364．1 概述 ……………………………………………………………………………364．2 PCB上元器件布局 …………………………………………………………374．3 PCB布線 ……………………………………………………………………384．4 PCB板的地線設(shè)計 …………………………………………………………464．5 模擬數(shù)字混合線路板的設(shè)計…………………………………………………484．6 PCB設(shè)計時的電路措施 ……………………………………………………49第5章 單片開關(guān)電源印制線路板的設(shè)計 ………………………………………………515．1 概述 ……………………………………………………………………………515．2 Protel99簡介 …………………………………………………………………52 5．3 印制線路板的設(shè)計 ……………………………………………………………525．3．1 設(shè)計印制線路板的條件 ……………………………………………525．3．2 設(shè)計印制板的步驟 …………………………………………………535．3．3 元件布局 ……………………………………………………………535．3．4 布線 …………………………………………………………………535．4 單片開關(guān)電源印制線路板的設(shè)計 ……………………………………………555．4．1 單片開關(guān)電源原理總圖 ……………………………………………555．4．2 單片開關(guān)電源PCB設(shè)計圖 …………………………………………55結(jié)束語 ……………………………………………………………………………………56參考文獻 …………………………………………………………………………………57致 謝 …………………………………………………………………………………59附 錄 …………………………………………………………………………………60單片開關(guān)電源及PCB設(shè)計單片開關(guān)電源及PCB設(shè)計摘 要：電力電子技術(shù)已發(fā)展成為一門完整的、自成體系的高科技技術(shù)，電力電子技術(shù)的發(fā)展帶動了電源技術(shù)的發(fā)展，而電源技術(shù)的發(fā)展有效地促進了電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著各種各樣電器的出現(xiàn)以及升級，它們都需要一個穩(wěn)定的電源，本文系統(tǒng)介紹了一種較為實惠又很先進的穩(wěn)壓穩(wěn)流輸出單片開關(guān)電源。 PWM.58第1章 緒論 概述電源歷來是各種電子設(shè)備中不可缺少的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標及能否安全可靠地工作。1997年國外首先研制成脈寬調(diào)制（PWM）控制器集成電路，美國摩托羅拉公司、硅通用公司（Silicon General）、尤尼特德公司（Unitrode）等相繼推出一批PWM芯片，典型產(chǎn)品有MC35SG352UC3842。其第一代產(chǎn)品為TOPSwitch系列，第二代產(chǎn)品則是1997年問世的TOPSwitchII系列。這種開關(guān)方式稱為諧振式開關(guān)。 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)總體框圖，圖中顯示了主要電路模塊，其中開關(guān)占空比控制電路是基于TOPSwitchII型芯片的控制電路[1]。圖中Zc為控制端的動態(tài)阻抗，RE是誤差電壓檢測電阻RA與CA構(gòu)成截止頻率為7kHZ的低通濾波器。自啟動電路由一個8分頻計數(shù)器完成延時功能，阻止輸出級MOSFET管F2連續(xù)導(dǎo)通，直到8個充/放電周期完全結(jié)束后才能再次導(dǎo)通。圖中，BR為整流橋，CIN為輸入端濾波電容。但因TOPSWitchII的輸出占空比D與Ic成反比，故D減小，這就迫使Uo降低，達到穩(wěn)壓目的。在極端情況下，Z=0表示全部損耗發(fā)生在初級，Z=1則表示全部損耗發(fā)生在次級。下面介紹CIN準確值的方法。5177。35已知1Po值≥240我們用以下式子獲得準確的CIN值： （）在寬范圍電壓輸入時，umin=85V，取UImin=90V，fL=50Hz，tC=3ms，Po=50W，η=85%，一并帶入式（）求出CIN=，比例系數(shù)CIN/Po=，這恰好在（2~3）μF/W允許的范圍之內(nèi)。Dmax隨u的升高而減小。Lp（IpIR）178。l=， AL=178。(14) 根據(jù)初級層數(shù)d、骨架寬度b和安全邊距M，用下式計算有效骨架寬度bE=d（b2M） ()暫且將d設(shè)為2，M取為3mm，b=，將其帶入式（）求得，bE=再利用下式計算初級導(dǎo)線的外徑（帶絕緣層）DPM： DPM= bE/NP （）將bE=，NP=83帶入式（）求得，DPM=。(16) 計算磁芯中的最大磁通密度BM （）將IP=，Lp= μH，Np=83匝，磁芯有效橫截面積SJ=178。(19) 計算次級峰值電流ISP次級峰值電流取決于初級峰值電流IP和初、次級的匝數(shù)比n，有公式 （）已知IP=，Np=83，Ns=15，不難算出n=，代入式（）得到ISP=(20) 計算次級有效值電流ISRMS次級紋波電流與峰值電流的比例系數(shù)KRP與初級完全相同，區(qū)別僅是對次級而言，KRP反映的是次級電流在占空比為（1Dmax）時的比例系數(shù)[5]。選用導(dǎo)線直徑DSm≥≤。磁芯無氣隙時的相對磁導(dǎo)率與磁芯不留間隙時的等效電感AL、有效磁路長度l、磁芯有效橫截面積SJ之間，存在下述關(guān)系式 （）將AL=，l=，SJ= cm2，代入式（）得到= 單片開關(guān)電源中電子元器件的選擇 選擇鉗位二極管和阻塞二極管(1) 瞬態(tài)電壓抑制器的工作原理瞬態(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器件。UR為導(dǎo)通前加在 器件上的最大額定電壓。當D↓時PP↑，反之亦然。它是衡量高頻整流及續(xù)流器件性能的重要技術(shù)指標。 反向恢復(fù)電流的波形快恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)特點 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型硅材料中增加了基區(qū)I，構(gòu)成P－I－N硅片。(3) 關(guān)于鉗位二極管和阻塞二極管的選取對于像TOPSwitchII這樣的中低功率類型單片開關(guān)電源，可選UB=180V的瞬態(tài)電壓抑制器。將IOM=（）中得到Id≥。r0 （）計算出URI=。其性能優(yōu)良，價格低廉，可廣泛用于單片精密開關(guān)電源或精密線性穩(wěn)壓電源中。TL431大多采用DIP8或TO92封裝形式。反之，Uo↓→UREF↓→UREFTL431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。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號隔離、級間隔離 、開關(guān)電路、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機接口中。因此，CTR參數(shù)與晶體管的hFE有某種相似之處。若CTR＞200%，在啟動電路或者當負載發(fā)生突變時，有可能將單片開關(guān)電源誤觸發(fā)，影響正常輸出。美國硅谷的瑞侃（ Raychem）公司最近研制成功由聚合物（polymer）摻 加導(dǎo)體而制成的自恢復(fù)保險絲，圓滿地解決了上述難題。而一旦過流故障被排除掉，器件很快又恢復(fù)成低阻態(tài)。這里是用兩只PNP和NPN型晶體管VTVT2，來構(gòu)成分立式晶閘管（SCR），其三個電極分別為陽極A、陰極K、門極（又稱控制極）G。顯然，當VT和VD4導(dǎo)通時，基極電壓UB=UcUBEUF4==，因此可將UB=。 電壓及電流控制環(huán)電路(1) 電壓控制環(huán)的設(shè)計恒壓源的輸出電壓由式（）確定： UO=UZ2＋UF＋UR1=UZ2＋UF＋IR1最后代入式()計算出 UO=UZ2＋UF＋UR1=＋＋ =≈(2) 電流控制環(huán)的設(shè)計 電流控制環(huán)由VTVTRR3～RC8和PC817A等構(gòu)成。IS為晶體管的反向飽和電流，對于小功率管，IS=410－14A。電壓及電流控制環(huán)的單元電路如下圖[12]： 電壓及電流控制環(huán)電路 無損緩沖電路 無損緩沖電路在變換器電路中，主二極管反向恢復(fù)時，會對開關(guān)管造成很大的電流、電壓應(yīng)力，引起很大的功耗，極易造成器件的損壞。為消除可能出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象，IGBT的柵射極間接入了RC網(wǎng)絡(luò)組成的阻尼濾波器[16]。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波,其中含有豐富的高次諧波分量。 開關(guān)電源EMI的特點作為工作于開關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開關(guān)電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強度較大；干擾源主要集中在功率開關(guān)期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚；開關(guān)頻率不高（從幾十千赫和數(shù)兆赫茲），主要的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場干擾。圖C、D抑制電磁干擾的效果更佳，圖C中的L、C1和C2用來濾除共模干擾，C3和C4用來濾除串模干擾，R為泄放電阻，可將C3上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性；斷電后還能使電源的進線端L、N不帶電，保證用戶的安全。 對于一個符合絕緣及安全性標準的脈沖變壓器，其漏感量應(yīng)為次級開路時初級電感量的1％～3％。 在開關(guān)電源的工作過程中，繞組的分布電容反復(fù)被充、放電，不僅使電源效率降低，它還與繞組的分布電感構(gòu)成LC振蕩器，會產(chǎn)生振鈴噪聲。此外，將原邊繞在骨架最里邊，原邊起始端與TOPSwitchⅡ的D端連接也是抑制干擾的有效方法。用導(dǎo)電良好的材料對電場屏蔽，用導(dǎo)磁率高的材料對磁場屏蔽。在條件允許的情況下，用箔繞組作為次級也是增加耦合的一種好辦法。C8和R7并聯(lián)在D7兩端，能防止D7在高頻開關(guān)狀態(tài)下產(chǎn)生自激振蕩（振鈴現(xiàn)象）；此外，在二次側(cè)整流濾波器上串聯(lián)磁珠也有一定效果。噪聲分離網(wǎng)絡(luò)是最理想的方法，但其關(guān)鍵部件變壓器的制造要求很高 抑制干擾的措施抑制開關(guān)電源的噪聲可采取三方面的技術(shù)：一是濾波；二是變壓器的繞制；三是屏蔽。開關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量,通過開關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導(dǎo)干擾?，F(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明：(1) 二極管的反向恢復(fù)時間引起的干擾 采用繼電器保護的限流保護電路。代入式()可求得 IOH= 考慮到VT1的發(fā)射結(jié)電壓UBE1的溫度系數(shù)αT≈－21mV/℃，當環(huán)境溫度升高25℃時，IOH值降為I＇OH=UBE1‖αT‖In(Ic1/Is) () UBE2=(kTq)因IC是從光敏三極管的發(fā)射極流入控制端的，故有關(guān)系式 IR1=Ic/CTR () 在IC和CTR值確定之后，很容易求出IR1。本設(shè)計采用圖中光耦反饋式軟啟動電路。穩(wěn)壓管VDZ2的穩(wěn)定電壓與VT2的發(fā)射結(jié)電壓之和等于（UZ2+UBE2），當UFB﹥UZ2+UBE2時，就進行過電壓保護[2]。 電阻溫度特性需要指出，自恢復(fù)保險絲也具有正溫度系數(shù)（PTC）特性，但與具有正溫度系數(shù)特 性的熱敏電阻有著本質(zhì)區(qū)別。內(nèi)部由高分子晶狀聚合物和導(dǎo)電鏈構(gòu)成。經(jīng)過計算CTR=126%，故采用Motorola公司的CNY173型光耦管。因此，它適合傳輸模擬電壓或電流信號，能使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。電流傳輸比是光耦合器的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來表示。當輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。NC為空，主要包括4部分： TL431的電路符號與基本接線圖 TL431等效電路圖(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，并且設(shè)計的UREF=Uref，因此亦稱基準端；(2)（）基準電壓源Uref；(3)NPN型晶體管VT，它在電路中起到調(diào)節(jié)負載電流的作用；(4)保護二極管VD，可防止因K、A間電源極性接反而損壞芯片。它屬于三端可調(diào)式器件，～36V范圍內(nèi)的任何基準電壓值。表10選擇反饋電路中的整流管整流管類型整流管型號URM/V生產(chǎn)廠家玻封高速開關(guān)硅二極管1N414875國產(chǎn)超快恢復(fù)二極管BAV21200Philips公司UF4003200GI公司 反饋濾波電容的選擇。由表9可選出合適的二極管：表9 Motorola公司部分型號的超快恢復(fù)二極管數(shù)據(jù)表二極管類型產(chǎn)品型號URM/VId/ATIr/ns廠家輸出整流管MUR4101004MotorolaMUR4202004MUR8101008MUR8202008MUR16101001635由表9我們選出MUR820型超快恢復(fù)二極管，其URM=200V﹥，Id=8A﹥，TIr=30ns﹥10ns，電源效率會稍微下降。所 選肖特基管必須滿足條件URM≥2U（BR）S （）Id≥3IOM