DCDC開關穩(wěn)壓電源畢業(yè)論文

1、摘要1955年美國的科學家羅那（g.h.royer）首先研制成功了利用磁芯的飽和來進行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后，利用這一技術的各種形式的精益求精直流變換器不斷地被研制和涌現出來，從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉換效率低的旋轉和機械振子示換流設備。 70年代以后，與這種技術有關的高頻，高反壓的功率晶體管、高頻電容、開關二極管、開關變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產出來，使無工頻變壓器開關穩(wěn)壓電源得到了飛速的發(fā)展，并且被廣泛地應用于電子計算機、通信、航天、彩色電視機等領域，從而使無工頻變壓器開關穩(wěn)壓電源成為各種電源的佼佼者。真正實現直流穩(wěn)壓電源效率高，體積小，重量輕的優(yōu)點。本課題

2、應用fan4803芯片實現直流電源的升壓、降壓或負電源的轉換，可以選擇一種轉換方式進行dc-dc開關電源轉換并達到電源要求的各項性能指標。設計并制作設計并制作240w12v直流開關電源，該電路可以應用到各類的電子設備和儀器中。關鍵字：直流開關電源、dcdc、fan4803、電源重量輕、電源效率高。abstract 1955-u.s. scientists that ghroyer the first successful development of the use of core saturation for self-oscillation of the transistor dc con

3、verter. since then, the use of this technology in various forms of excellence dc converter was continually developing and emerging, which replaced the early use of the short life, poor reliability, efficiency and low rotating mechanical oscillator show converter equipment. after the 1970s, with such

4、 technology-related high-frequency, high-pressure power transistor, high-frequency capacitor, switching diodes, switches and other core components of the transformer has been developed and produced, so that no frequency transformer switching regulator power has been the rapid development and was wid

5、ely used in computers, telecommunications, space, color television sets, and other fields, so that no frequency transformer switching power supply has become the leader in power. dc power supply to achieve truly high efficiency, small size, light weight advantages. application of this issue fan4803

6、chip dc power boost, buck or negative power conversion, the conversion can choose a form of dc-dc converters and switching power supply to the power requirements of the various performance indicators. design and production design and production of 240 w/12v dc switching power supply, the circuit can

7、 be applied to all types of electronic equipment and instruments. keyword: dc switching power supply, dc-dc, fan4803, the power light weight, high power efficiency.目 錄引 言41開關電源的原理及特點41.1工作原理41.2常用電路及其原理51.3特點92.fan4803的主要特點103.fan4803的結構原理114.引腳功能和主要參數124.1引腳功能124.2主要參數125直流開關電源電路及其保護135.1 240w12v直流

8、開關電源電路及電路圖135.2開關電源電路保護166.小結197.感謝語198.參考書目20引 言 隨著科學技術的發(fā)展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，因此直流開關電源開始發(fā)揮著越來越重要的作用，并相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了直流開關電源。同時隨著許多高新技術，包括高頻開關技術、軟開關技術、功率因數校正技術、同步整流技術、智能化技術、表面安裝技術等技術的發(fā)展，開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，這為直流開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。1 直流開關電源的原理及特點1.1工作原理直流開關電源由輸入

9、部分、功率轉換部分、輸出部分、控制部分組成。功率轉換部分是開關電源的核心，它對非穩(wěn)定直流進行高頻斬波并完成輸出所需要的變換功能。它主要由開關三極管和高頻變壓器組成。圖1.1畫出了直流開關電源的原理圖及等效原理框圖，它是由全波整流器，開關管v，激勵信號，續(xù)流二極管vp，儲能電感和濾波電容c組成。實際上，直流開關電源的核心部分是一個直流變壓器。圖1.1直流開關電源原理1.2 下面我重點介紹一下幾個經常用到的電路以及其原理1.2.1推挽電路:圖1.2 推挽電路圖工作過程: 推挽電路中兩個開關s1和s2交替導通,在繞組n1和n1兩端分別形成相位相反的交流電壓,改變占空比就可以改變輸出電壓. s1導通時

10、,二極管vd1處于通態(tài),電感l(wèi)的電流逐漸上升. s2導通時,二極管vd2處于通態(tài),電感l(wèi)的電流也逐漸上升. 當兩個開關都關斷時,vd1和vd2都處于通態(tài),各分擔一半的電流.s1和s2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為2倍ui. s1和s2同時導通,相當于變壓器一次側繞組短路,因此應避免兩個開關同時導通.1.2.2全橋電路原理圖:圖1.3全橋電路原理圖工作過程: 全橋逆變電路中,互為對角的兩個開關同時導通,同一側半橋上下兩開關交替導通,使變壓器一次側形成幅值為ui的交流電壓,改變占空比就可以改變輸出電壓。1.2.3橋電路原理圖圖1.4橋電路原理圖工作過程: s1與s2交替導通,使變壓器一次側形成幅值為ui

11、/2的交流電壓.改變開關的占空比,就可以改變二次側整流電壓ud的平均值,也就改變了輸出電壓uo. s1導通時,二極管vd1處于通態(tài),s2導通時,二極管vd2處于通態(tài), 當兩個開關都關斷時,變壓器繞組n1中的電流為零,vd1和vd2都處于通態(tài),各分擔一半的電流. s1或s2導通時電感l(wèi)的電流逐漸上升,兩個開關都關斷時,電感l(wèi)的電流逐漸下降.s1和s2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為ui. 由于電容的隔直作用,半橋電路對由于兩個開關導通時間不對稱而造成的變壓器一次側電壓的直流分量有自動平衡作用,因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和。1.2.4反激電路原理圖1.5反激電路原理圖反激電路中的變壓器起著儲能元

12、件的作用,可以看作是一對相互耦合的電感. 工作過程: s開通后,vd處于斷態(tài),n1繞組的電流線性增長,電感儲能增加; s關斷后,n1繞組的電流被切斷,變壓器中的磁場能量通過n2繞組和vd向輸出端釋放.s關斷后的電壓為:us=ui+n1*uo/n2 反激電路的工作模式: 電流連續(xù)模式:當s開通時,n2繞組中的電流尚未下降到零. 輸出電壓關系:uo/ui=n2*ton/n1*toff 電流斷續(xù)模式:s開通前,n2繞組中的電流已經下降到零. 輸出電壓高于上式的計算值,并隨負載減小而升高,在負載為零的極限情況下, ,因此反激電路不應工作于負載開路狀態(tài).電路的工作過程: 開關s開通后,變壓器繞組n1兩端

13、的電壓為上正下負,與其耦合的n2繞組兩端的電壓也是上正下負.因此vd1處于通態(tài),vd2為斷態(tài),電感l(wèi)的電流逐漸增長; s關斷后,電感l(wèi)通過vd2續(xù)流,vd1關斷.s關斷后變壓器的激磁電流經n3繞組和vd3流回電源,所以s關斷后承受的電壓為. 變壓器的磁心復位:開關s開通后,變壓器的激磁電流由零開始,隨著時間的增加而線性的增長,直到s關斷.為防止變壓器的激磁電感飽和,必須設法使激磁電流在s關斷后到下一次再開通的一段時間內降回零,這一過程稱為變壓器的磁心復位.圖1.6變壓器的磁心復位變壓器的磁心復位時間為: tist=n3*ton/n1 輸出電壓:輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下: uo/ui=n2*

14、ton/n1*t 磁心復位過程: 圖1.7磁心復位過程1.3特點為了適應用戶的需求，國內外各大開關電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是通過改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（mn-zn）材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度下獲得高的磁性能，同時smt技術的應用使得開關電源取得了長足的進展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關電源的輕、小、薄。因此直流開關電源的發(fā)展趨勢是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。直流開關電源的缺點是存在較為嚴重的開關干擾，適應惡劣環(huán)境和突發(fā)故障的能力較弱。由于國內微電子技術、阻容器件生產技術以及磁性材料技術與一些技術先進國家還有

15、一定的差距，因此直流開關電源的制作技術難度大、維修麻煩和造價成本較高，fan4803是為大功率直流開關電源應用而設計的控制芯片，該芯片將功率因數校正（pfc）和脈沖寬度調制pwm功能集成在一起，同時具有功能多、效率高、諧波失真小以及欠壓鎖定、過壓保護、峰值電流限制等功能，并可最大限度地減小emi電磁干擾。這里著重介紹fan4803的主要特點、引腳功能和內部結構，并給出了一個用pfc和pwm組合控制的 240w12v直流開關電源的實用電路。 2.fan4803的主要特點 fan4803是的帶有pfc和pwm功能的組合控制器。利用該芯片設計的直流大功率開關電源的啟動和操作電流都非常小。因為通過功率

16、因數校正（pfc）技術可以使用戶在設計較低電壓的直流大功率開關電源時使用小型低成本的濾波電容以減少電源紋波，更重要的是可以使用開關型場效應管來設計完全符合iec100032標準的開關電源。fan4803控制器的內部電路在其前沿采用平均電流引導型pfc操作，而在其后沿則執(zhí)行pwm功能操作模式。fan4803控制器有兩種型號，分別為fan48031和fan48032。其中fan48031芯片中的pfc和pwm采用67khz的相同頻率進行操作，而fan48032則自動將其pfc操作頻率設置在pwm操作頻率134khz的一半。也就是說，fan48032的pwm操作頻率是fan48031的2倍。這種較高

17、頻率的pwm操作可以使設計者通過較小的pwm電路成本來滿足最優(yōu)化的pfc頻率操作。由于fan4803內部帶有過壓比較器，它能在外部負載突然減小時關斷器件內的pfc電路。同時，由于fan4803內部pfc電路中也包含有電流峰值限制電路，因此， fan4803具有很高的可靠性。fan4803的工作溫度范圍為070，具有8腳pdip和soic兩種封裝形式。其主要特點如下：將同步的pfc和pwm功能集成在一個8引腳芯片內；采用獨特的專利型“單腳電壓型差分放大器”和先進的輸入電流波形技術；可用峰值電流或平均電流兩種形式連續(xù)推動前沿pfc（即輸入電流波形技術）； 采用高頻后沿電流型pwm模式；具有較低的電

18、源電流，fan4803的啟動電流典型值為150a，操作電流典型值為2ma； 具有同步的前、后沿調制方式；器件工作時，在器件的pfc和pwm兩部分之間，具有一定的存儲電容，而且這部分存儲電容可用于減小電路的紋波電流； 內含過壓、欠壓關斷保護電路；可通過pfc軟啟動實現pfc電源的過壓保護。 3. fan4803的結構原理fan4803的內部結構原理如圖3.1所示。由圖可見，該器件主要由單端誤差放大電路、前沿pfc電路和后沿pwm電路等三部分組成。圖3.1fan4803的內部結構原理圖單端誤差放大器是fan4803控制器的一大特點，該部分電路的主要作用是將pfc輸出的反饋信號通過pfc關斷比較器進

19、行比較處理，然后將處理后的信號送到pfc控制邏輯電路以保證pfc輸出的穩(wěn)定，同時，該部分電路還可用來完成過壓保護并為pfc限流比較器提供參考信號。前沿pfc電路部分主要由pfc限流比較器、pfcpwm欠壓鎖定保護電路、過壓比較器、pfc控制邏輯電路和電壓參考電路等組成。該部分電路的作用除完成電路的欠壓、過壓保護和限流控制以外，其最主要的作用是為fan4803組成的整個pfc電路提供穩(wěn)定的功率因數校正輸出。后沿pwm電路主要由pwm控制邏輯電路、器件軟啟動電路、直流限流比較器、pwm比較器、振蕩器和占空比限制電路等組成。該部分電路除主要完成 pwm輸出以外，同時還為整個器件提供pfc和pwm振蕩

20、時鐘及占空比控制。另外，fan4803的軟啟動功能也是由該部分中的軟啟動電路來完成的。 4.引腳功能和主要參數41引腳功能 fan4803的各引腳的功能說明如下：pfcout（1腳）：大電流pfc驅動輸出，能夠以大于1a的峰值電流直接驅動外部功率mosfet管。當為器件所提供的電源vcc低于欠壓鎖定門限電平時，該端輸出為低。gnd（2腳）：接地端。需要說明的是：該端應可靠地接到低阻抗地電平上，并應采用高頻接地技術。isense（3腳）：器件內部pfc限流比較器的電流檢測輸入。此端通常外接一個電阻或電流檢測變壓器以檢測pfc的輸入電流?？紤]到fan4803的接地問題，此端一般應為負極信號。vea

21、o（4腳）：pfc輸出電壓反饋輸入，內部接到單端誤差放大器的輸入端，以用于將pfc輸出調整到電路的設計值。通常在外部用一個電阻與電路的pfc輸出相連。 vdc（5腳）：pwm電壓反饋輸入。ilimit（6腳）：器件內部pwm限流比較器輸入，可通過一個外接限流檢測電阻與pwm輸出端所驅動的mosfet管的源極相連。vcc（7腳）：器件電源。pwmout：pwm驅動輸出，能夠以大于1a的峰值電流直接驅動功率mosfet管。當器件電源vcc低于欠壓鎖定門限時，該端輸出為低電平。42主要參數 fan4803的主要參數如下： 平均電源電流icc：40ma器件最高電源電壓vcc：183v 流檢測腳電壓范圍

22、：5v1v pfc輸出電流：1a pwm輸出電流：1a 器件過壓保護門限電壓典型值：163v pfc限流比較門限電壓典型值：1v 直流限流比較門限電壓：15v 片內振蕩器振蕩頻率：67khz pfc的占空比：095 pfc低電平輸出電壓：小于08v pfc高電平輸出電壓：大于145v pwm占空比范圍：050 器件電源鉗位電壓：175v軟啟動電流：02ma 操作電流：25ma 欠壓鎖定輸出極限電壓：12v欠壓鎖定輸出延遲電壓：29v5直流開關電源電路及其保護5.1 240w12v直流開關電源電路及電路圖圖3所示是由fan4803組成的一個 12v240w直流開關電源的實用電路。其中fan480

23、3的電源電壓vcc由r26、r27、r31、cr9、r21組成的分壓穩(wěn)壓電路和c6、 c27、c28組成的旁路濾波電路來提供，該網絡中的穩(wěn)壓管cr9可為fan4803提供175v的穩(wěn)定電壓。由于該直流開關電源電路的功率較大，因此，電路中的限流檢測電阻r3的額定功率應大于3w。同時，電路中還增加了一個限流電阻r4以保證電路和器件的安全。fan4803控制器的pwm輸出中的一路經r7、c7、t2以及q1和q4所構成的網絡驅動后，與經過l3和q2、q5復合驅動后的pfc輸出一起組成pfc和pwm復合輸出。pwm輸出中的另一路則經過q3、t1及其后邊的整流濾波電路處理后完成12v的大功率直流開關輸出。

24、fan4803的限流控制信號直接通過r11從q3的源極提取。而fan4803的pwm電壓反饋信號則通過u2開關控制器（rc431a）、u3光耦及其它元器件組成的反饋網絡后由r32饋入fan4803的vdc 腳。電路中的pfc反饋信號通過r12和r13取自電路的pfc輸出，同時在經過c15、r25、c8和一個70v的穩(wěn)壓二極管所組成的電路處理后由 veao腳饋入fan4803內部的單端運算放大器的輸入端。圖5.1電路中的pfc啟動電路由c23、cr16、r29、r19和c22等元件組成。pfc電路的軟啟動功能主要由c16來完成。通過改變c16電容值的大小可以對電路的pf軟啟動時間進行設定。圖5.

25、1帶有功率因數校正的12v/240w直流開關電源電路由于開關電源中控制電路比較復雜，晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差，在使用過程中給用戶帶來很大不便。為了保護開關電源自身和負載的安全，根據了直流開關電源的原理和特點，設計了過熱保護、過電流保護、過電壓保護以及軟啟動保護電路?；谥绷鏖_關電源的特點和實際的電氣狀況，為使直流開關電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，本文根據不同的情況設計了多種保護電路。5.2開關電源電路保護5.2.1過電流保護電路在直流開關電源電路中，為了保護調整管在電路短路、電流增大時不被燒毀。其基本方法是，當輸出電流超過某一值時，調整管處于反向偏置狀態(tài)，從而截

26、止，自動切斷電路電流。如圖1所示，過電流保護電路由三極管bg2 和分壓電阻r4、r5組成。電路正常工作時，通過r4與r5的壓作用，使得bg2 的基極電位比發(fā)射極電位高，發(fā)射結承受反向電壓。于是bg2 處于截止狀態(tài)（相當于開路），對穩(wěn)壓電路沒有影響。當電路短路時，輸出電壓為零，bg2 的發(fā)射極相當于接地，則bg2 處于飽和導通狀態(tài)（相當于短路），從而使調整管bg1 基極和發(fā)射極近于短路，而處于截止狀態(tài)，切斷電路電流，從而達到保護目的。圖5.2輸入過電流保護電路5.2.2過電壓保護電路直流開關電源中開關穩(wěn)壓器的過電壓保護包括輸入過電壓保護和輸出過電壓保護。如果開關穩(wěn)壓器所使用的未穩(wěn)壓直流電源（諸如

27、蓄電池和整流器）的電壓如果過高,將導致開關穩(wěn)壓器不能正常工作,甚至損壞內部器件,因此開關電源中有必要使用輸入過電壓保護電路。圖5.3為用晶體管和繼電器所組成的保護電路，在該電路中，當輸入直流電源的電壓高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值時，穩(wěn)壓管擊穿，有電流流過電阻r，使晶體管t導通，繼電器動作，常閉接點斷開，切斷輸入。輸入電源的極性保護電路可以跟輸入過電壓保護結合在一起,構成極性保護鑒別與過電壓保護電路。圖5.3輸入過電壓保護電路5.2.3 軟啟動保護電路開關穩(wěn)壓電源的電路比較復雜，開關穩(wěn)壓器的輸入端一般接有小電感、大電容的輸入濾波器。在開機瞬間,濾波電容器會流過很大的浪涌電流,這個浪涌電流可以為正常

28、輸入電流的數倍。這樣大的浪涌電流會使普通電源開關的觸點或繼電器的觸點熔化,并使輸入保險絲熔斷。另外，浪涌電流也會損害電容器,使之壽命縮短,過早損壞。為此,開機時應該接入一個限流電阻,通過這個限流電阻來對電容器充電。為了不使該限流電阻消耗過多的功率，以致影響開關穩(wěn)壓器的正常工作,而在開機暫態(tài)過程結束后，用一個繼電器自動短接它,使直流電源直接對開關穩(wěn)壓器供電，這種電路稱之謂直流開關電源的“軟啟動”電路 。如圖5.4(a)所示，在電源接通瞬間，輸入電壓經整流橋（d1d4）和限流電阻r1對電容器c充電，限制浪涌電流。當電容器c充電到約80額定電壓時，逆變器正常工作。經主變壓器輔助繞組產生晶閘管的觸發(fā)信

29、號，使晶閘管導通并短路限流電阻r1，開關電源處于正常運行狀態(tài)。為了提高延遲時間的準確性及防止繼電器動作抖動振蕩，延遲電路可采用圖5.4(b)所示電路替代rc延遲電路。圖5.4軟啟動保護電路5.2.4過熱保護電路直流開關電源中開關穩(wěn)壓器的高集成化和輕量小體積，使其單位體積內的功率密度大大提高，因此如果電源裝置內部的元器件對其工作環(huán)境溫度的要求沒有相應提高，必然會使電路性能變壞，元器件過早失效。因此在大功率直流開關電源中應該設過熱保護電路。圖5.5過熱保護電路本文采用溫度繼電器來檢測電源裝置內部的溫度，當電源裝置內部產生過熱時，溫度繼電器就動作，使整機告警電路處于告警狀態(tài)，實現對電源的過熱保護。如圖5.5(a)所示，在保護電路中將p型控制柵熱晶閘管放置在功率開關三極管附近，根據tt102的特性（由rr值確定該器件的導通溫度，rr越大，導通溫度越低），當功率管的管殼溫度或者裝置內部的溫度超過允許值時，熱晶閘管就導通，使發(fā)光二極管發(fā)亮告警。倘若配合光電耦合器，就可使整機告警電路動作，保護開關電源。該電路還可以設計成如圖5.5(b)所示，用作功率晶體管的過熱保護，晶體開關管的基極電流被n型控制柵熱晶閘管tt201旁路，開關