平板电视开关电专业技术展望

南赫通織業出禱院毕业论文论文题目：平板电视开关电源技术展望系 部: 专业名称： 班 级: 姓 名: 指导教师： 完成时间：信息工程系应用电子08442学 号： 48陆园学2011 年 5 月1 日平板电视开关电源技术展望 摘要：电源给系统提供持续、稳定的能量，使系统免受外部的侵扰，并防止系统 对外部电源造成污染。 开关电源在一台平板电视中担当着非常重要的角色。 本文 以开关电源的发展历史、 发展现状以及发展趋势为线索， 介绍了开关电源的一些 新技术，并对未来的技术发展趋势作了相应的展望。关键词： 线性电源;开关电源 ;开关管;脉宽调制;开关变压器 .Flat TV Switching Power Supply Technical Outlook Abstract: the power to the system to provide sustainable, stable energy, make the system from external disturbance, and prevent the system from external power cause pollution. Switching power supply for acting as a flat-screen TV in the very important role. In this paper the development history of switch power development, the present situation and development tendency for clues, introduces some new technology of switch power supply, and the future development trend of technology a corresponding prospect.Keywords: linear power supply; Switch power source; Switch tube; Pulse width modulation; Switch transformer.目录引言 4第一章 开关电源的概述 51.1 开关电源的简介。 51.2 简单的工作原理 51.3 开关电源的分类 5第二章 平板电视中开关电源与其它电源的性能比较 52.1 开关电源与线性稳压电源的比较 52.2 开关电源与电池的比较 62.3 开关电源与低压开关电源的比较 6第三章 平板电视开关电源的技术发展 73.1 平板开关电源的发展状况 73.2 未来平板电视开关电源的几大关注点 73.2.1 功率半导体的发展 73.2.2 开关电源功率密度 83.2.3 高频磁元件与同步整流技术 83.2.4 电磁兼容性 83.2.5 设计和测试技术 83.2.6 系统集成技术 9第四章 提高效率的关键技术 94.1 开关电源内部的主要损耗 94.2 降低主要损耗的各种技术 104.2.1 无源无损吸收电路 104.2.2 谐振型开关电源技术 10结束语 12参 考 文 献 13致 谢 14引言开关电源，全称为开关式稳压电源，是上世纪 70 年代发展起来的，用来替 代传统线性稳压电源的一种新型电源。 开关电源一般是由全桥整流器、 开关功率 管Q激励信号、续流二极管VD储能电感L和滤波电容C组成。开关电源的核 心部分是一个直流变换器（DC/DC，即通过开关功率管Q把直流电压变为脉冲方 波，经滤波成为直流电压的过程。 。开关电源工作的频率越高， 就越有利于提高电源的效率， 减小变压器的体积。 开关电源出现的时候，功率开关管的工作频率为20kHz因此，开关电源称20kHz 革命。由于功率场效应管性能改进，现在的开关管工作频率已远高于 20kHz,达 到100kHz以上。由于开关电源重量轻、体积小、价格低、变换效率高，今天,几 乎在所有的使用直流电源的场合取代了笨重变压器稳压电源。第一章 开关电源的概述1.1开关电源的简介。20世纪60年代中期出现了一种新的稳压电源， 它和线性稳压电源在原理上 有本质的区别，其电压调整管工作在开关状态，必须经过储能电路的变换才能得 到平滑、稳定的直流电压输出。它是通过取样电压控制和改变开关管导通或截止 时间来实现稳定的电压输出的，这就是开关型稳压电源，简称开关电源。1.2简单的工作原理(1) 交流电源输入经整流滤波成直流；(2) .通过高频PWM调制信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上；(3) .开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载；(4) .输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，以达到稳定输出。1.3 开关电源的分类开关电源可分AC/DC和DC/DC两大类。作为二次电源的DC/DC变换器现在已 经实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化， 并已得到用 户的认可。但一次电源 AC/DCH自身的特性的原因，还在模块化的过程中。由于开关电源电路结构有多种，所以：按驱动方式分，有自励式和他励式。按电路的组成分，有谐振型和非谐振型。按控制方式分，有脉冲宽度调制式、脉冲频率调制式、脉冲宽度调制式与 脉冲频率调制式的混合式第二章 平板电视中开关电源与其它电源的性能比较2. 1开关电源与线性稳压电源的比较线性稳压电源简介：线性电源一般是将输出电压取样然后与参考电压送入比较电压放大器，此电压放大器的输出作为电压调整管的输入，用以控制调整管使其电压随输入的变化 而变化，从而调整其输出电压。要达到高精度的直流电压，但必须经过稳压电路 进行稳压。线性电源的电压反馈电路是工作在线性状态， 开关电源是指用于电压调整的 管子工作在饱和和截至区即开关工作状态下功耗极小的优点。 由于晶体管在截止 时流过的电流几乎为零，而饱和导通时的管压降很小，两种情况下的晶体管功耗都极小，所以电压调整管工作在这种开关状态时，与线性电源晶体管工作在放大状态相比，其功耗低，工作效率很高，可达到 75%-95%同时，开关电源可以省 去笨重的电源变压器，使得电子设备的重量更轻、体积更小。相比之下，普通的 线性稳压电源的调整管工作在放大状态，其输出文波很小但是发热量很大、 效率低（30%-40%、需要大体积的变压器。而开关电源中调整原件控制电路比较复杂， 开关管工作时会产生较大的尖峰脉冲干扰，输出纹波电压较高，所以开关电源的 技术要求很高。2.2开关电源与电池的比较电池是可逆电源，既可以放电也可以充电，而开关电源只能放电。如对某一 线圈在脉冲宽度调制信号下通入直流电，如图 1，S作上下周期性倒相工作，当 流过电感L1的电流大于零时，那对于+E来说是放电的，而对于-E来说是充电的， +E将线圈上的能量通过电流的形式向-E充电。对于电池供电，以上电路是可行 的，而若将-E改成开关电源就不行了，因为开关电源只能放电，不能连续充电。EE P , .P B , P P P * j -VEEVEEVEEp b p图12.3开关电源与低压开关电源的比较一般开关电源是将电网电压直接整流成直流电源，然后再用开关电路转换成用户所需电压。但在实际使用中，用户的电网电压有时会发生较大的变化。 尤其 是在三相四线制电网中，有时会出现三相不平衡（如一个加热炉缺相运行），会产生严重的电压变化，某一相得电压很有可能远大于220v,此时开关电源工频整流用的滤波电容耐压值不够，会造成爆裂，开关电源损坏，直接影响到整机运 行。为了避免这种情况的发生。通常可用“低压开关电源”的模式，即用一只变压器将开关电源的进线降为 110v 以下，这样的话，安全系数就会大大提高第三章 平板电视开关电源的技术发展3.1 平板开关电源的发展状况开关电源技术的发展基本上起源于 20 世纪 70年代末和 80 年代初。当时引 进开关电源技术在高等院校和一些科研院所停留在实验开发和教学阶段， 20 世 纪 80 年代开关电源的特点是采用 20khz ，脉宽调制技术，效率可达 65%-70%。经过 20 多年的不断发展开关电源技术有了重大进步和突破。新型功率器件 的开发促使了开关电源的高频化， 并在平板电视中得到广泛的运用， 有刚开始的 庞大外设式的开关电源发展到内设式的小型模块， 控制技术发展以及专用控制芯 片的生产， 不仅使电源电路大幅度简化， 而且使快关电源的动态性能和可靠性大 大提高；有源功率因数校正技术的开发， 提高了 AC/DC开关电源的功率因数，既 治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。另外，集成化是开关电源的一个重要发展方向。 通过控制电路的集成、 驱动 电路的集成以及保护电路的集成， 最后达到整机的集成化生产。 集成化和模块化 减少了外部连线和焊接， 提高了设备的可靠性， 缩小了电源的体积， 从而推动平 板电视发展超薄化。总之，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是平板电视开关电源 大势所趋，也是今后的主要发展方向。3.2 未来平板电视开关电源的几大关注点3.2.1 功率半导体的发展功率半导体仍然是电力电子技术发展的龙头， 电力电子技术的进步必须依靠 不断推出新型电力电子器件。功率场效应管由于采用单极性多子导电， 使开关时间显著地减小， 又因其很 容易达到1hmz的开关工作频率而受到世人瞩目。但是高功率场效应管提高器件 阻断电压必须加宽器件的漂移区， 结果使器件的内阻增大， 从而损耗增大， 所以 只能应用于中小功率产品，为了解决这个问题，美国 IR 公司开发了一种名为 HEXFE场效应管，随之又开发了一种低栅极电荷场效应管，使开关速度更快。碳化硅 SiC 是功率半导体器件晶片的理想材料，其优点是：工作温度高 （可 达600C）、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、 PN结耐压高 等，有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。3.2.2 开关电源功率密度 功率密度是指每立方英尺所支配的功率。 提高开关电源的功率密度， 使之小 型化、轻量化，是人们不断努力追求的目标。电源的小型化、减轻重量对平板电 视体型上尤为重要。 直接关系到开关电源小型化发展的部件有： 新型变压器和超 电容器的发展。3.2.3 高频磁元件与同步整流技术电源系统中应用大量磁元件， 高频磁元件的材料、 结构和性能都不同于工频 磁元件，有许多问题需要研究。 对高频磁元件所用磁性材料有如下要求： 损耗小， 散热性能好， 磁性能优越。 适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注， 纳米结 晶软磁材料也已开发应用。高频化以后， 为了提高开关电源的效率， 必须开发和应用软开关技术。 它是 过去几十年国际电源界的一个研究热点。 对于低电压、 大电流输出的软开关变换 器，进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗。例如同步整流技术， 即以功率MOSt反接作为整流用开关二极管，代替萧特基二极管，可降低管压降， 从而提高电路效率。3.2.4 电磁兼容性高频开关电源的电磁兼容问题有其特殊性。 功率半导体开关管在开关过程中 产生的很大高频电压电流的变化， 引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰。 有些情 况还会引起强电磁场 （通常是近场 ）辐射。不但严重污染周围电磁环境， 对附近的 电气设备造成电磁干扰， 还可能危及附近操作人员的安全。 同时， 电力电子电路 （ 如开关变换器 ） 内部的控制电路也必须能承受开关动作产生的电磁干扰及应用 现场电磁噪声的干扰。 上述特殊性， 再加上电磁干扰测量上的具体困难， 在电力 电子的电磁兼容领域里， 存在着许多交错科学的前沿课题有待人们研究。 国内外 许多大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题的研究， 并取得了 不少可喜成果。 近几年研究成果表明， 开关变换器中的电磁噪音源， 主要来自主 开关器件的开关作用所产生的电压、电流变化。变化速度越快，电磁噪音越大3.2.5 设计和测试技术建模、仿真和CAD是一种新的设计工具。为仿真电源系统，首先要建立仿真 模型，包括电力电子器件、 变换器电路、 数字和模拟控制电路以及磁元件和磁场 分布模型等， 还要考虑开关管的热模型、 可靠性模型和电磁模型。 各种模型差别 很大，建模的发展方向是：数字 -模拟混合建模、混合层次建模以及将各种模型组成一个统一的多层次模型等。电源系统的CAD包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数最优化、磁 设计、热设计、电磁干扰设计和印制电路板设计、可靠性预估、计算机辅助综合 和优化设计等。用基于仿真的专家系统进行电源系统的 CAD可使所设计的系统 性能最优，减少设计制造费用，并能做可制造性分析，是 21世纪仿真和CAD技 术的发展方向之一。此外，电源系统的热测试、 E电磁干扰测试、可靠性测试等 技术的开发、研究与应用也是应大力发展的。3.2.6 系统集成技术电源设备的制造特点是： 非标准件多、 劳动强度大、设计周期长、 成本高等， 而用户要求制造厂生产的电源产品更加实用、可靠性更高、更轻小、成本更低。 这些情况使电源制造厂家承受巨大压力，迫切需要开展集成电源模块的研究开 发，使电源产品的标准化、模块化、可制造性、规模生产、降低成本等目标得以 实现。实际上，在电源集成技术的发展进程中， 已经经历了电力半导体器件模块化， 功率与控制电路的集成化， 集成无源元件 （包括磁集成技术 ） 等发展阶段。 近年来 的发展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上，可以使电源产品更为紧凑， 体积更小，也减小了引线长度，从而减小了寄生参数。在此基础上，可以实现一 体化，所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。上世纪 90 年代，随着大规模分布电源系统的发展，一体化的设计观念被推 广到更大容量、 更高电压的电源系统集成， 提高了集成度， 出现了集成电力电子 模块。电子模块将功率器件与电路、控制以及检测、执行等元件集成封装，得到 标准的，可制造的模块，既可用于标准设计，也可用于专用、特殊设计。优点是 可快速高效为用户提供产品，显著降低成本，提高可靠性。总之，电源系统集成 是当今国际电力电子界极待解决的新问题之一。第四章 提高效率的关键技术4.1 开关电源内部的主要损耗平板电视开关电源内部的损耗大致可以分为四个方面： 开关损耗、导通损耗、 附加损耗和电阻损耗。这些损耗会在有损器件中同时出现。功率开关是典型的开关电源内部最主要的两个损耗源之一。 损耗基本上可以 分为两部分： 导通损耗和开关损耗。 导通损耗是当功率器件已被开通， 且驱动和 开关波形已经稳定以后， 功率开关处于导通状态时的损耗； 开关损耗是出现在功率开关被驱动，进入一个新的工作状态，驱动和开关波形处于过渡过程时的损耗。 附加损耗与所有运行功率电路所需的功能器件有关，这些器件包括与控制IC相关的电路以及反馈电路。与电源的其它损耗相比，这些损耗一般较小。电阻损耗是变压器或电感内部绕组的电阻产生的损耗。有两种形式的电阻损 耗：直流电阻损耗和集肤效应电阻损耗。 直流电阻损耗由绕组导线的电阻与流过 的电流有效值二次方的乘积所决定；集肤效应是由于在导线内强交流电磁场作用 下，导线中心的电流被“推向”导线表面而使导线的电阻实际增加所致，电流在 更小的截面中流动使导线的有效直径显得小了。4.2降低主要损耗的各种技术 421无源无损吸收电路功率开关管关断瞬间会产生很大的尖峰电压。关断 尖峰电压的产生主要是由于输出整流管开通之前就已经 存储在寄生电感或磁性元件中的能量引起的。在整流管 正向恢复期间，整流管是开路的，存储的磁能在所有的 交流节点上会产生很大的电压振荡。0rL CCCCC图2无源吸收电路一种晶体管、变压器隔离的变换器用无损吸收电路 见图2。吸收电容的初始电压为零。当关断瞬间功率开 关漏极或集电极电压超过输入电压时， 电容开始充电，吸收尖峰电压。电容一直 充电直到漏极或集电极电压回到零， 然后电容通过二极管和电感放电。 这种无损 吸收电路的损耗与功率开关管的栅极驱动损耗类似，但损耗最终被回馈。如图 3 是无吸收电路和有吸收电路的比较。图3有无吸收电路的波形比较谐振型开关电源技术脉宽调制型开关电源主要缺陷是提高工作频率的同时减小元器件的几何尺 寸及重量。在较高的频率下， 开关损耗增大， 因此通常工作频率限制在几百赫兹 以下，脉宽调制型开关电源的损耗主要是开、 关及导通状态下的功耗， 而开通损 耗电压随电流的变化（ di/dt ）将产生一个尖峰值。为了限制开关器件的前后应 接能力又必须采用缓冲电炉，这一缓冲店里又带来损耗。因此为改善以上困扰， 是电压为零或电流为零来控制开关管的状态， 使其在开关过程中功耗较小， 从而 大大提高工作效率， 降低体积重量， 使功率密度和效率大幅度提高， 这就是谐振 技术的应用目的。所谓的谐振技术也就是软件开关技术。结束语本文通过介绍开关电源技术发展， 了解到平板电视开关电源的发展趋势。 为 乐区别于其它电源， 将开关电源与常用电源进行比较。 并对其工作原理作乐简单 的分析。通过对开关电源的几大关注点阐述平板电视开关电源的发展状况。简述主要部件及难点技术： 功率半导体的发展、 开关电源功率密度 （新型变 压器的发展，超电容器的发展） 、高磁元件与同步整流技术、电磁兼容性、设计 和测试技术和系统集成技术平板电视开关电源发展总体趋势大致为 : 效率高、小型超薄化、集成化和智 能化。最后描述了开关电源内部存在的主要损耗， 为了提高其电源效率， 提出了两 种改善的关键技术：无源无损吸收电路和谐振型开关电源技术。参 考 文 献:1. 李金伴 李捷辉 李捷明 开关电源技术：化工工业出版社2.刘军.2002. 开关电源的应用与发展电 ：电子工业出版社。4. 何希才，张明莉 .2004. 新型稳压电源及应用实例 .北京：电子工业出版社。5. 沙占友，王彦明 .2003. 单片开关电源最新应用技术 .北京：机械工业出版社。6. 沙占友，王彦明，王晓群 .2001. 线性光电耦合器在开关电源中的应用 .通信电 源技术。7. 陈鉴富，陈太洪，杨银忠 .2000. 浅论开关电源的新技术与发展趋势 .常州技术 师范学院学报。8. 张新德.2003. 各类彩电开关电源及其定性理解 .电子世界。9. 苑国良 .2004. 开关电源发展新趋势 . 机电一体化。10. 周志敏，周纪海 .2003. 开关电源实用技术设计与应用 .北京：人民邮电出 版社。11 张建生 张燕红 王伟 电源即使教程：电子工业出版社致 谢 : 本课题在选题及研究过程是在老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。 老师们 多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓 励。老师 他们严谨细致、一丝不苟的工作作风，严谨求实的态度，踏踏实实的 精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。 对老师的感激之情是无法用言语表达的。 感谢带过我的老师对我的教育培养。 他 们细心指导我的学习与研究， 从课题的选择到项目的最终完成，老师们都始终 给予我细心的指导和不懈的支持。 在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬并致以 诚挚的谢意和崇高的敬意。在此，我还要感谢在一起愉快的度过 3年生活的各位同学， 正是由于你们的 帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。 在论 文即将完成之际， 我的心情无法平静， 从开始进入课题到论文的顺利完成， 有多 少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意 ! 最 后我还要感谢培养我的母校，谢谢你们 !