基于LM5117的开关电源设计.doc

基于LM5117的开关电源设计摘 要随着电子技术的高速发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来越多,电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。近年来 ,随着功率电子器件如IGBT、MOSFET、PWM技术以及电源理论发展 ,新一代的电源开始逐步取代传统的电源电路。该电路具有体积小，控制方便灵活，输出特性好、纹波小、负载调整率高等特点。开关电源中的功率调整管工作在开关状态，具有功耗小、效率高、稳压范围宽、温升低、体积小等突出优点，在通信设备、数控装置、仪器仪表、视频音响、家用电器等电子电路中得到广泛应用。开关电源的高频变换电路形式很多, 常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。本论文采用双端驱动集成电路LM5117输的PWM脉冲控制器设计小汽车中的音响供电电源，利用MOSFET管作为开关管，可以提高电源变压器的工作效率，有利于抑制脉冲干扰，同时还可以减小电源变压器的体积。关键词IGBT，PWM，推挽电路，半桥电路，单端正激ABSTRACTWith the rapid development of electronic technology, electronic systems, more and more extensive applications, the types of electronic equipment, more and more electronic equipment and people work and live closer and closer. In recent years, with the power electronic devices such as IGBT, MOSFET, PWM switching power supply technology and development of the theory, a new generation of power began to gradually replace the traditional power supply circuits. The circuit is small, flexible to control the output characteristics of a good, ripple, load adjustment rate and so on.Switching power supply in the power adjustment control work in the off state, with low power consumption, high efficiency, wide voltage range, low temperature rise, and other outstanding advantages of small size, the communication equipment, CNC equipment, Instrumentation, video audio, home appliances so widely used in electronic circuits. High frequency converter switching power supply so many s of commonly used with push-pull converter, full bridge, half bridge, single-ended forward and the of single-ended flyback. In this thesis, two-side driver IC - LM5117 PWM pulse output of the controller design car audio power supply in use as a switch MOSFET, can improve the efficiency of the power transer, is conducive to impulse noise suppression, but also can reduce the size of the power transer.KEY WORDS IGBT，MOSFET，Push-pull circuit，Half bridge circuit, Single-ended forward目录前言1第1章 开关电源基础技术21.1 开关电源概述21.1.1 开关电源的工作原理21.1.2 开关电源的组成31.1.3 开关电源的特点31.2 电源电路组成41.3开关电源典型结构51.3.1串联开关电源结构51.3.2并联开关电源结构51.4 电力场效应晶体管MOSFET71.5 开关电源的技术指标8第2章 开关变换电路102.1 推挽开关变换电路102.1.1 推挽开关变换基本电路102.1.2 自激推挽式变换器112.2 半桥变换电路142.3 正激变换电路152.4 DC/DC升压模块设计16第3章 双端驱动集成电路LM5117193.1 LM5117简介193.2 LM5117的工作原理203.3 LM5117内部电路203.4 LM5117构成的PWM控制器电路22第4章 LM5117 在汽车音响供电电源中的应用244.1 汽车音响电源简述244.2 汽车音响供电电源的组成264.2.1 LM5117的辅助电路设计264.2.2 主电路的设计28结 论29谢 辞30参考文献31附 录32前言电源是实现电能变换和功率传递的主要设备、在信息时代，农业、能源、交通运输、信息、国防教育等领域的迅猛发展，对电源产业提出了更多、更高的要求，如节能、节电、节材、缩体、减重、环保、可靠、安全等。这就迫使电源工作者在电源研发过程中不断探索，寻求各种相关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。开关电源是一种新型电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高，耗能低，使用方便，并取得了较好的经济效益。随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。由于小汽车音响受到12V供电的制约，无论输出功率还是音场效果都难以进一步提高。在此情况下，从上世纪末，欧洲生产的汽车音响中开始采用DC-DC变换器，将12V蓄电池供电变换为24V-50V，向汽车音响提供电源。目前，DC-DC变换器与机械变流器相比，已今非昔比，其开关频率可达100KHZ以上，效率接近90。第1章 开关电源基础技术1.1 开关电源概述1.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理图如图1-1所示；图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管。使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波就可得到稳定的直流输出电压U0。图1-1 开关电源的工作原理 a为原理性电路图，b为波形图为方便分析开关电路，定义脉冲占空比如下 1-1式中T表示开关S的开关重复周期；TON表示开关S在一个开关周期中的导通时间。开关电源直流输出电压U0与输入电压Ui之间有如下关系 1-2由1-2式可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间TON，即可改变脉冲占空比D，达到调节输出电压的目的。T不变，只改变TON来实现占空比调节的方式叫做脉冲宽度调制PWM。由于PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，所以PWM式开关电源用得较多。若保持TON不变，利用改变开关频率f1/T实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压U0稳压的方法，称做脉冲频率调制PFM方式开关电源。由于开关频率不固定，所以输出滤波电路的设计不易实现最优化。既改变TON，又改变T，实现脉冲占空比的调节的稳压方式称做脉冲调频调宽方式。在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节方式均有应用。1.1.2 开关电源的组成DC/DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。开关电源与线性电源相比，输入的瞬态变换比较多地表现在输出端，在提高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应指标也能得到改善。负载变换瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定。所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器LC的方法改善瞬态响应特。图1-2 电源基本组成框图1.1.3 开关电源的特点1效率高开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在8090，高的可达90以上。2重量轻由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，电源的重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小。3稳压范围宽开关电源的交流输入电压在90270V范围变化时，输出电压的变化在2以下。合理设计电路，还可使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。4可靠安全在开关电源中，由于可以方便的设置各种形式的保护电路，所以当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保护功能可靠。5功耗小由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，所以采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性3。1.2电源电路组成电源电路一般由主开关电源、副电源、辅助电路等组成。1.主开关电源主开关电源的输出功率较副电源、行输出级二次电源的输出功率要大。它将输入220V交流输入直接整流、滤波为300V左右的直流电压，再经过开关稳压调整环节中的开关调整管、开关变压器、稳压控制电路、激励脉冲产生电路对300V左右的直流电压进行DC-DC开关变换，产生各种所需的稳定直流电压输出。2.副电源副电源的主要作用是为微处理器控制电路提供5V的供电电压，副电源电路一般较简单，既可采用简易开关电源也可以采用传统的线性稳压电路，无论负载处于正常工作状态还是待机状态，副电源都必须正常工作。3.辅助电路 将行输出变压器中产生的行扫描脉冲进行整流与滤波，就可以得到各种所需的直流电压。由于它是由行输出级经直流-交流-直流的两次变换，所以又称为二次电源。行输出级产生的各种直流电压主要给显像管各电极供电，同时也可以为视频输出板尾板、场扫描，图像和伴音通道供电。 1.3关电源典型结构1.3.1串联开关电源结构串联开关电源工作原理的方框图如图1-3所示；功率开关晶体管VT串联在输入与输出之间。正常工作时，功率开关晶体管VT在开关驱动控制脉冲的作用下周期性地在导通、截止之间交替转换，使输入与输出之间周期性的闭合与断开。输入不稳定的直流电压通过功率开关晶体管VT后输出为周期性脉冲电压，再经滤波后，就可得到平滑直流输出电压U0。U0和功率开关晶体管VT的脉冲占空比D有关，见式12。 图1-3 串联开关电源原理图输入交流电压或负载电流的变化，会引起输出直流电压的变化，通过输出取样电路将取样电压与基准电压相比较，误差电压通过误差放大器放大，控制脉冲调宽电路的脉冲占空比D，达到稳定直流输出电压U0的目的。1.3.2并联开关电源结构并联开关电源工作原理方框图如图1-4所示，功率开关晶体管VT与输入电压、输出负载并联，输出电压为 1-3图1-4为一种输出升压型开关电源，电路中有一个储能电感，适当利用这个储能电感，可将并联开关电源转变为广泛使用的变压器耦合并联开关电源。图1-4 并联开关电源原理图 图1-5 变压器耦合并联开关电源原理图 1.4电力场效应晶体管MOSFET随着信息电子技术与电力电子技术在发展的基础上相结合，形成了高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，其典型代表就是。1.电力场效应晶体管特点电力场效应晶体管简称电力Power Mosfet。 特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高， 热稳定性好。但是电流容量小，耐压低，一般适用于功率不超过10kW的电源电子装置。2.MOSFET的结构和工作原理电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道，图1-6所示为N沟道结构。电力MOSFET的工作原理是在截止状态，漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过。在导电状态，即当UGS大于开启电压或阈值电压UT时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电。 a 内部结构断面示意图 b电气图形符号图1-6 电力MOSFET的结构和电气图形符号MOSFET开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是电力电子器件中最高的。由于是场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。1.5开关电源的技术指标1.输出电压调整率 当设计制作开关电源时，第一个测试步骤为将输出电压调整至规格范围内。此步骤完成后才能确保后续的规格能够符合要求。 通常当调整输出电压时，将输入交流电压设定为正常值，并且将输出电流设定为正常值或满载电流，然后以数字电压表测量电源供应器的输出电压值并调整其电位器直到电压读值位于要求的范围内。 2.电源调整率电源调整率的定义为电源供应器于输入电压变化时提供其稳定输出电压的能力。此项测试系用来验证电源供应器在最恶劣之电源电压环境下，如高温条件下，当用电需求量最大时，其电源电压最低；又如低温条件下，用电需求量最小，其电源电压最高。在前述之两个极端下验证电源供应器之输出电源的稳定度是否合乎需求的规格。 3.测量电压调整率 能提供可变电压能力的电源，至少能提供待测电源供应器的最低到最高之输入电压范围。均方根值交流电压表来测量输入电源电压，众多的数字功率计能精确计量V、A、W、PF。 测试步骤如下将待测电源设备以正常输入电压及负载状况下热机稳定后，分别在低输入电压Vomin，正常输入电压Vonormal，及高输入电压Vomax下测量并记录其输出电压值。 电源调整率通常以一额定负载下，由输入电压变化所造成其输出电压偏差率的百分比，如下列公式所示 1-4电压调整率也可用表示为，在输入电压变化下，其输出电压偏差量须在规定之上下限范围内，即输出电压上下限绝对值以内。 4.负载调整率负载调整率的定义为开关电源的输出负载电流变化时，提供其稳定输出电压的能力。此项测试系用来验证电源在最恶劣负载环境下，如在负载断开，用电需求量最小，其负载电流最低的条件下，以及在负载最多，用电需求量最大，其负载电流最高的两个极端下验证电源的输出电源稳定度是否合乎需求的规格。 5.综合调整率综合调整率的定义为电源供应器在输入电压与输出负载电流变化时，提供其稳定输出电压的能力。这是电源调整率与负载调整率的综合，此项测试是上述电源调整率与负载调整率的综合，可提供对电源供应器於改变输入电压与负载状况下更正确的性能验证。 综合调整率用下列方式表示当输入电压与输出负载电流变化时，其输出电压的偏差量须在规定之上下限电压范围内即输出电压之上下限绝对值以内或某一百分比界限内。 6.输出噪声 输出噪声PARD是指在输入电压与输出负载电流均不变的情况下，其平均直流输出电压上的周期性与随机性偏差量的电压值。输出噪声是表示在经过稳压及滤波后的直流输出电压含有不需要的交流和噪声部份，包含低频50/60Hz电源倍频信号、高于20 KHz高频切换信号及其谐波，再与其他随机性信号所组成等，通常以mVp-p峰对峰值电压为单位来表示。第2章 开关变换电路由开关电源结构可知，开关稳压器无论何种形式，自激或它激实际上都是由开关电路和稳压控制电路两大系统组成。常见的电源变换电路可以分为单端和双端电路两大类。单端电路包括正激和反激两类；双端电路包括全桥、半桥和推挽三类。每一类电路都可能有多种不同的拓扑形式或控制方法。2.1 推挽开关变换电路2.1.1 推挽开关变换基本电路如图2-1所示为推挽式开关电路的示意图。图2-1 推挽式开关电路当滤波电感L电流连续时，输出电压表达式为 （2-1）对称推挽电路有其缺憾之处1、开关管承受反压较高。当开关管截止时，电源电压和脉冲变压器初级二分之一的感应电压相串联，加到开关管集电极和发射极，因而要求开关管VECO2VCC。2、推挽电路相当于单端开关电路的对称组合，只有当开关管特性、脉冲变压器初、次级绕组均完全对称，脉冲变压器磁心的磁化曲线在直角坐标第、象限内所包括的面积，才和第、象限曲线内面积相等，正负磁通相抵消。否则磁感应强度B和-B的差值形成剩余磁通量，使一个开关管磁化电流增大，同时次级V1、V2加到负载上的输出电压也不相等，从而增大纹波，推挽电路的优势尽失。因此，这种推挽电路目前仅用于自激或它激式低压输入的稳压变换器中。因为低压供电，N1、N2匝数少，且两绕组间电压差也小，一般采用双线并绕的方式来保证其对称性。2.1.2 自激推挽式变换器1.饱和式推挽变换器自激推挽式直流脉冲变换器分有两类，即饱和式推挽变换器和非饱和式变换器。图2-2为饱和式推挽自激变换器的基本电路。所谓饱和式，是指脉冲变压器工作在磁化曲线的饱和状态。电路通电以后，电流经电阻R1到正反馈绕组N3N4的中点，同时向VT1、VT2基极提供启动偏置。由于VT2的基极电路附加了R2，因此IB2、IC2小于IC1、IB1。图2-2饱和式推挽变换器基本电路饱和型推挽变换器中，开关管VT1、VT2必须选择较大的ICM。因为当磁通量开始饱和时，脉冲变压器等效电感也开始减小，磁通量完全饱和时等效电感为零，开关管集电极电流剧增。2.非饱和式变换器从电路结构上看，非饱和型推挽变换器与饱和型推挽变换器没有根本区别，只是正反馈量的选择量不同而已。同样是图2-2的电路，如果合理选择N1或N2与N3、N4的匝数比，使正反馈过程中开关管在Ic增大到接近自身的饱和区时，出现ICIB*的关系，使两管的导通/截止关系翻转，则成为非饱和型推挽变换器。3.驱动脉冲的波形所有用于高压开关电路的开关管绝对都只采用NPN型，这点是由半导体器件工艺所决定的。现有PNP型管的VCEO最大也极少超过300V，因此高压变换器也只能采用全NPN型开关管。当VT1导通时，VT2为截止状态，其集电极电压为N2的感应脉冲和电源电压之和，即2Vcc。2.2 半桥变换电路半桥式电路顾名思义就是取掉桥式电路中的两只开关管，半桥变换器电路如图2-3所示。图2-3 半桥电路原理图电路的工作过程VT1与VT2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压Ud的平均值，也就改变了输出电压U0。VT1导通时，二极管V1处于通态，VT2导通时，二极管V2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，V1和V2都处于通态，各分担一半的电流。2.3 正激变换电路 正激电路原理图如图2-4所示。图2-4 正激电路原理图电路的工作过程如下开关管VT开通后，变压器绕组N1两端的电压为上正下负，与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。因此V1处于通态，V2为断态，电感L的电流逐渐增长；VT关断后，电感L通过V2续流，V1关断。VT关断后变压器的激磁电流经N3绕组和V3流回电源，所以开关管VT关断后承受的电压表达式为 2-3此时要考虑变压器磁心复位问题。开关管VT开通后，变压器的激磁电流由零始，随着时间增加而线性的增长直到VT关断。为防止变压器的激磁电感饱和，需要设法使激磁电流在VT关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。 变压器的磁心复位时间为 2-4在电感电流连续的情况下，输出电压表示为 2-5输出电感电流不连续时，输出电压U0将高于式2-3的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，输出电压表达式为 2-62.4 DC/DC升压模块设计从低压直流到高压交流的转换必定要设计升压方案。在电源设计的过程中，从不同角度考虑了多种升压方案。由升压环节所处位置的不同，主要考虑了前置升压和后置升压两种方法。所谓前置升压，就是将升压环节放在逆变环节之前，先对输入的12V低压直流电进行DC-DC转换，升至所需较高直流电压，将此高压直流作为后续逆变电路的输入，对此高压直流电进行逆变，经过滤波后直接得到所需要的高压正弦交流电。所谓后置升压，就是将升压环节放在逆变、滤波环节之后，即先对热电发电器输入的12V低压直流电进行逆变、滤波，得到的是低压正弦交流电，然后对该信号进行交流升压得到所需的正弦交流电输出。其电路原理图如图2-5所示图2-5 BOOST升压电路原理图整个电路由功率开关管VT、储能电感L、二极管V及滤波电容C组成。当电路不工作时，功率晶体管VT处于截止状态，二极管V导通，前端直流电源通过电感和二极管向电容充电，并且向负载提供自身电压的直流电。当整个电路处于工作状态时，外界对晶体管VT的控制端栅极加载周期性方波，晶体管VT便处于导通与截止的不断交替状态。第3章 双端驱动集成电路LM51173.1 LM5117简介LM5117是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。LM5117有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求10。LM5117能产生PWM，能调整频率和脉宽，还有一路基准电压，这些都满足DC-DC的条件，采用不同拓扑，得到升压和降压，如图3-1所示1，采用推挽（push-pull）方式，升压，可以改变反馈电阻，得到其他电压；2，采用BUCK拓扑降压，可以改变反馈电阻，得到其他电压；其外形图如图3-1。图3-1 LM5117外形图LM5117其他主要特点如下1 集成了全部的脉宽调制电路。2 片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个一个电阻和一个电容。3内置误差放大器。4内止5V参考基准电压源。5可调整死区时间。6内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。7推或拉两种输出方式。3.2 LM5117的工作原理LM5117是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。 脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围11。 3.3 LM5117内部电路图3-2 LM5117内部电路框图LM5117是一种电压控制模式的PWM控制和驱动集成电路芯片，由于它具有两路相位相差180的PWM驱动信号输出，因此被广泛的应用与单端式（正极式和反极式）和双端式（半桥式、全桥式和推挽式）开关稳压电源电路。总体结构比同类集成电路SG3524更完善。LM5117内部电路框图见图3-2。 1内置RC定时电路设定频率的独立锯齿波振荡器，其振荡频率 3-1式中，f单位为KHz，R的单位为k，C的单位为F，其最高振荡频率为300KHz，能驱动双极型开关管或MOSFET管。2内部设有比较器组成的死区时间控制电路，用外加电压控制比较器的输出电平，通过其输出电平使触发器翻转换，控制两路输出之间的死区时间。当脚输出电平升高时，死区时间增大。3触发器的两路输出设有控制电路，使内部2只开关管既可输出双端时序不同的驱动脉冲，驱动推挽开关电路和半桥开关电路，也可输出同相序的单端驱动脉冲，驱动单端开关电路。4内部两组完全相同的误差放大器，其同相输入端和反相输入端均被引出芯片外，因此可以自由设定其基准电压，以方便用于稳压取样，或用其中一种作为过压、过流的超阈值保护。5输出驱动电流单端达到400mA，能直接驱动峰值开关电流达5A的开关电路。双端输出为2200mA，加入驱动级即能驱动近千瓦的推挽式和半桥式电路。若用于驱动MOS FET管，则需另加入灌流驱动电路。 图3-3 工作波形3.4 LM5117构成的PWM控制器电路PWM控制器电路其核心采用专用集成芯片LM5117，原理见图3-4所示，通过适当的外接电路，不但可以产生PWM信号输出，而且还有多种保护功能。LM5117含有振荡器，误差放大器，PWM比较器及输出级电路等部分。OSC振荡频率由外接元件R，C决定，表达式为 3-2fOSC可选定1KHz200KHz之间，本电路选用fOSC 40KHz。LM5117内部的稳压电源将外部供给的12V 电压变换成5V电压，除提供芯片内部电路作电源外，并通过14脚对外输出5V基准电源13脚为输出脉冲控制端，当1、3脚接地时，输出脉冲最大占空比为96，当接高电位时，最大占空比为48。LM5117输出脉冲的宽度调节由振荡器电容CT两端的正向锯齿波和两个控制信号相比较来实现。图3-3 PWM控制器LM5117接线图IGBT是电压驱动型器件，本电路选用了具有降栅压逻辑式和软关断两种保护功能的IGBT厚膜混合集成驱动模块EXB840，这种型号的电路较好地解决了低饱和压降IGBT的短路保护问题，能满足IGBT对驱动电路的特殊要求，保证IGBT能可靠开通和关断，且电路简单，工作频率高，输入控制信号电流为10mA。第4章 LM5117 在汽车音响供电电源中的应用4.1 汽车音响电源简述国内市场上，尽管汽车音响节目源有所扩展，从单一的收音，磁带两用机发展到加入单碟或自动换片的多碟CD机，但对小汽车音响功放来说却基本变化不大，仍为以收音机，磁带机和 CD 机组成的一体化音响。此类一体化音响，无论生产商标出2*35W 还是 200W200W，其实仍为早期的双声道功放，其每声道真正输出有效功率不会大于 20W，普通产品不会超过2*6W。最近，国内电子报刊纷纷刊出汽车音响升级的报道，表明有车一族对此并不满足，于是很想了解国外最新汽车音响动向。为此，籍此文向有车一族中的音响发烧友介绍。目前国外汽车音响现状有以下特点。由于小汽车音响受到12V供电的制约，无论输出功率还是音场效果都难以进一步提高。在此情况下，从上世纪末，欧洲生产的汽车音响中开始采用DC-DC变换器，将12V蓄电池供电变换为24V-50V，向汽车音响提供电源。目前DC-DC变换器与机械变流器相比，已今非昔比，其开关频率可达100KHZ以上，效率接近90。开关电源无论采取PWM还是PCM，其能量输出是由脉冲变压器电磁转换形成的，开关管导通时，向脉冲变压器存储磁能，开关管截止时，磁能转换成电能，向负载提供电压。即使负载电流瞬间增大使输出电压下降,稳压控制系统也只能控制开关管在下一个导通周期延长导通时间，待开关管载止后，输出电压上升，以图补偿负载电流增大的影响。但是，音乐的波动是千变万化的，有时大幅度的冲出信号只是瞬间的事，若信号冲击到来时，开关电源不能及时提供大电流，输出电压必然形成随大信号下降的波形，使信号上冲受限，产生波形失真，等冲击信号过后。PWM电路才输出信号上升，开关电源再降低其输出电压，以使其输出电压稳定。可惜，这一切为时已晚，在此过程中输出信号难免失真，同时也增大了电源纹波脉冲，使放大器的噪声增大。直流变换器则不同，变换器的开关管始终以设定的脉宽工作，只要开关管有足够的开关电流，它能随时提供其额定功率以内的电压。从此点来说，直流变换器和变压器整流电源没有区别，而且直流变换器的内阻更低，对瞬间大电流的适应性更强。实际上变换器是不用稳压系统的开关电路，任何开关电源除去脉冲调制，取样误差放大部分实质即为直流变换器15。Jensen 功率变换器，则采用传统开关电源它激式驱动器驱动四只 MOS FET 开关管组成的并联推挽电路，其功放变换器电路如附图所示。该汽车功放中利用MOSFET管作为开关管，可以提高电源变压器的工作效率，有利于抑制脉冲干扰，同时还可以减小电源变压器的体积。变换器的振荡器和控制系统全部集成在IC（LM5117）内部。LM5117原设计为它激式开关电源驱动控制器，内部除含有振荡器，脉宽调制器以外，还有基准电压稳压电路，死区时间控制电路和两组比较器组成的误差检测电路。LM5117 在该电路中构成它激式变换器，只利用了其振荡器和驱动电路，用作驱动开关管的脉冲信号源，因而与常规用法有所不用。4.2 汽车音响供电电源的组成4.2.1 LM5117的辅助电路设计 图4-1LM5117辅助电路 在该电路中，LM5117第5，6脚外接时间常数电路（C3，R5），振荡器产生80kHZ的脉冲信号，经LM5117内部双稳态触发器控制，变成两路时序不同的驱动脉冲，驱动两组驱动放大器。LM5117内部两组驱动级，由第9，10脚输出时序不同的正向脉冲。为了避免在两路脉冲交替处推挽开关管VT1，VT3和VT2，VT4同时导通，LM5117的第四脚外接R6，C2，R4设定死区时间。一组驱动脉冲使推挽电路一臂导通后，相隔一死区时间，才发出另一组驱动脉冲，使另一臂导通（第四脚电压越高，死区时间越长）。LM5117 第1，2脚为两组取样放大器的同相和反相输入端，可控制内部比较器组成的脉宽调制器设定的占空比。在该变换器中，LM5117各脚功能及应用如下第1脚为第一组误差放大器的反相输入端。电路中以 R2 接地，使之为低电平。第2脚为第一组误差放大器的同相输入端。由 R7 接入 5V 基准电压。当第2脚输出高电平时，误差放大器输出端（第3脚）输出恒定的低电平，该电平在LM5117内部控制比较器组成的 PWM 调制器，输出最大脉宽45，其余5作死区时间。另外，第2脚外接C为软起动电容，开机瞬间C4充电使第2脚瞬间为低电平，误差放大器输出高电平，随着C4充电电压升高，第2脚电压升高，第3脚电压降低，使PWM比较器输出脉宽缓增大到额定脉宽，避免开机冲击电流损坏开关管16。第3脚为误差放大器输出端，外接R3，C1为避免误差放大器振荡而设。第4脚为死区时间控制端，通过R6，R4从5V基准电压分压得到0.05V 死区时间控制电压，使两组驱动脉冲之间有占脉宽5的间隙。第4脚电平达到0.3V时，驱动脉冲被关断。第5，6脚为振荡频率控制端，外接R5，C3设定振荡器产生约80KHZ 的振荡脉冲，徽调R5可使振荡频率为100KHZ。C3，R5与振荡频率的关系为fkHZ1.2/RkCF。第7脚为公共地端。第8，11脚通过外接电阻接至Vcc12V。第9、10脚输出为两路正极性图腾柱输出脉冲，适合于驱动N沟道MOS FET管。第12脚接输入信号。第13脚与第14脚并联，13脚外接5V高电平时为双端图腾柱输出脉冲，来驱动后面主电路中推挽开关电路。第14脚为内部基准电压精密稳压电路端，输出5V0.25V的基准电压。4.2.2 主电路的设计图4-2 汽车音响供电电源主电路输入端9，10为LM5117输出的两组相位相差1800的PWM驱动脉冲，一组驱动脉冲使推挽电路一臂导通后，相隔一死区时间，才发出另一组驱动脉冲，使另一臂导通。当第10端输入前1800驱动脉冲时VT1,VT3导通12V输入电压经逆变产生矩形波，通过变压器升压，经整流桥整流，并经LC滤波得到30V的直流电。第9端输入后1800驱动脉冲，VT2,VT4导通，同样经过变压器升压，整流桥整流，LC滤波。得到可以供音响工作的30V直流电。因为VT3,VT4需要具有高频的导通截止特性，为了保护VT3,VT4正常工作，分别并联C5，R12和C6，R16；结 论从3月份接到课题到现在完成毕业论文，衷心的感谢老师给予了精心的指导和热情的帮助。通过这次毕业设计，我对开关电源技术有了进一步的认识，通过完整的开关电源设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平。在电路的设计中，要根据元器件工作原理，结合实际应用，适当的增加一些保护电路，滤波整流电路以保证电路的正常工作。谢 辞经过两个多月的学习和努力，我终于完成了本次毕业设计。从开始接到论文题目到论文的完成，每走一步对我来说都是一次新的尝试与挑战。本次毕业设计使我更进一步的掌握了所学相关专业知识，对开关电源有了深刻的