第2章 開關電源電路及LED調光照明設計理論

2.1 開關電源控制方式的設計

開關電源的設計多數采用脈寬調制（PWM）方式，少數設計采用脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation，PFM）方式，很少見到混合式調制方式。脈沖頻率調制是將脈沖寬度固定，通過調節工作頻率來調節輸出電壓。在電路設計上要用固定頻率發生器來代替脈寬調制器的鋸齒波發生器，并利用電壓、頻率轉換器（例如壓控振蕩器）改變頻率。穩壓原理是：當輸出電壓升高時，控制器輸出信號的脈沖寬度不變，而工作周期變長，使占空比減小，輸出電壓降低。調頻式開關電源的輸出電壓的調節范圍很寬，調節方便，輸出可以不接假負載，詳見圖2-1所示的波形圖。混合調制方式是指脈沖寬度與頻率都不固定，都可以改變。目前這種調制方式應用得不是很多，產品類型也不多，只是在個別實驗室中使用，其原因是兩種調制方式共存，相互影響較大，穩定性差。再者，這種開關電源電路設計比較復雜，集成控制電路也不是很多。但是它的占空比調節范圍很寬，輸出電壓能做到很低。

圖2-1 PWM、PFM控制方式波形

2.1.1 脈寬調制的基本原理

開關電源采用脈寬調制方式的占很大比例，所以有必要對脈寬調制的基本原理加以了解。220V交流輸入電壓經過整流（UR）濾波后變為脈動直流電壓，供給功率開關管作為動力電源。開關管的基極或場效應晶體管的柵極由脈寬調制器的脈沖驅動。脈寬調制器由基準電壓源、誤差放大器、PWM比較器和鋸齒波發生器組成，如圖2-2所示。從開關電源的輸出電壓取一信號電壓和基準電壓進行比較、放大，然后將其差值送到脈寬調制器。脈寬調制的頻率是不變的，當輸出電壓V_o下降時，與基準電壓比較的差值增加，經放大后輸入到PWM比較器，加寬了脈沖寬度。寬脈沖經開關晶體管功率放大器驅動高頻變壓器，使變壓器一次電壓升高，然后耦合到二次側，經過二極管VD整流和電容C₂濾波后，輸出電壓上升，穩定輸出電壓反之亦然。

設計脈寬調制要注意的是反饋信號的質量，反饋信號前沿要陡峭后沿要短促，設計時后沿要用斜坡校正，還要有誤差補償，各脈沖有一定的時間間隔，保證脈寬調制的穩定性和可靠性。

圖2-2 脈寬調制的原理圖

2.1.2 脈沖頻率調制的基本原理

脈沖頻率調制的過程是這樣的：如圖2-3所示，從輸出電壓中取出一信號電壓并由誤差放大器放大，放大后的電壓與5V基準電壓進行比較，輸出誤差電壓V_r，并以此電壓作為控制電壓來調制壓控振蕩器（VCO）的振蕩頻率f。再經過瞬間定時器、控制邏輯和輸出級，輸出一方波信號，驅動VT，最后經高頻變壓器TR和整流濾波電路獲得穩定的輸出電壓V_o。假設由于某種原因而使V_o上升或負載阻抗下降，控制電路立即進行下述閉環調整：V_o↑→V_r↑→f↓→V_o↓。該循環的結果是輸出電壓V_o趨于穩定，反之亦然。這就是PFM的工作原理。假設電源效率為η，脈沖寬度為m，脈沖頻率為f，則有V_o=ηmfV₁。當ηmV₁確定后，通過調制VCO的振蕩頻率就可以調節輸出電壓V_o，并實現穩定輸出。需要指出的是：a、b、c是壓控振蕩器外圍元器件連接端，它們將決定振蕩的工作頻率和頻率調制靈敏度；d為鋸齒波電壓輸入端，由它改變定時器的定時時間。

頻率調制的優點是電路的硬件較少，電路簡單，但定時器邏輯控制器要求嚴格對周圍元器件緊密布局，連線越短越好，所用的電容的頻率特性、絕緣電阻、精密度比較高。

圖2-3 脈沖頻率調制的基本原理

2.1.3 開關電源反饋電路的設計

開關電源有兩種工作模式：一種是連續模式（Continuous Mode，CUM），另一種是不連續模式（Discontinuous Mode，DUM）。這兩種模式的主要差別是：在振蕩周期中電路電感是否有電流存在。也就是說，在振蕩周期中電感上的電流為零值時稱為不連續模式，在振蕩周期中電感上的電流大于零的稱為連續模式。連續模式能量是不完全傳遞的，不連續模式則為能量的完全傳遞。采用連續模式的轉換器可以減小一次側峰值電流和有效值電流，降低電路損耗。但連續模式要求增大變壓器的一次電感，這將會使變壓器的匝數增多、體積增大。不連續模式就是將高頻變壓器所儲存的能量在每個關斷周期內全部釋放出去，所以要求高頻變壓器的一次電感量要小，以適合輸出較大的功率。開關電源在采用哪種工作模式的同時，還必須聯系到反饋。反饋的種類很多，電路也千變萬化，但基本類型只有4種，即基本反饋電路、改進型基本反饋電路、配穩壓管的光耦合反饋電路以及配TL431的精密光耦合反饋電路，如圖2-4所示。圖2-4a所示為基本反饋電路，這種電路在小功率開關電源中應用得較多，電路簡單，成本低廉，有利于電源小型化，缺點是穩壓性能差，電壓調整率和負載調整率都不太理想。圖2-4b所示為改進型基本反饋電路，它是在基本反饋電路的基礎上加一只穩壓二極管VS₂和電阻R₂而組成的。這樣可使反饋電壓穩定，負載調整率降低，輸出電壓的穩定性得到提高。圖2-4c所示為配穩壓管的光耦合反饋電路。當輸出電壓V_o發生變化時，光耦合器的發光二極管將發出不同亮度的光，外部電壓與基準電壓的差值經光耦合器接收后去控制集成電路UC38××進行調整，控制輸出電壓。該電路能使電源的負載調整率達到1%以下。圖2-4d所示是配TL431的精密光耦合反饋電路，該電路在開關電源中應用得最多。它的效果最好，穩壓性能最佳。用TL431代替穩壓管VS₂構成外部誤差放大器，對輸出電壓V_o做精細調整，組成精密開關電源，使電壓調整率和負調整率均能達到0.2%以下，應用十分廣泛。

圖2-4 反饋電路的4種基本類型