畢業(yè)設(shè)計：一種開關(guān)型時穩(wěn)壓電源設(shè)計

1、xx學(xué)院畢業(yè)論文目 錄摘 要3第1章 緒 論41.1 開關(guān)電源的發(fā)展歷史41.2我國開關(guān)電源歷程51.3開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展動向8第2章 pwm開關(guān)電源的基本原理112.1 pwm開關(guān)電源的組成模塊112.2 pwm開關(guān)電源的基本原理12第3章 設(shè)計思想與方案論證153.1 設(shè)計思想153.2方案論證153.2.1方案選擇153.2.2方案論證19第4章 系統(tǒng)設(shè)計224.1技術(shù)指標(biāo)224.2輸入整流電路和濾波電路設(shè)計224.3變壓器274.4自激振蕩電路組成304.5輸出整流和濾波電路304.5.1 輸出直流電壓的形成314.5.2半波整流電路314.5.3電容濾波344.6穩(wěn)壓電路設(shè)計344.6

2、.1 穩(wěn)壓電路的組成354.6.2 tl431特性及應(yīng)用354.6.3 穩(wěn)壓過程374.7過電流限制功能設(shè)計38第5章 設(shè)計成果395.1 電路原理圖395.2 pcb板圖395.3調(diào)試過程405.4故障分析與排除41結(jié)束語42附錄1 元件清單43附錄2 裝配圖45附錄3 實物圖45參考文獻(xiàn)46摘 要電源是電路設(shè)計的基礎(chǔ)，設(shè)計開關(guān)電源必須綜合考慮成本、解決方案、尺寸、電源大小與所需輸出功率等因素，在使用開關(guān)電源的過程中要運(yùn)用正確的方法并注意安全。這篇文章主要介紹了在開關(guān)電源設(shè)計與使用過程中的一些體會，即如何選用設(shè)計所需元件，實現(xiàn)開關(guān)電源功能過程中的幾點注意及使用開關(guān)電源中的注意事項，并通過實例

3、進(jìn)行說明。關(guān) 鍵 字開關(guān)電源，自激振蕩，穩(wěn)壓summarythe power supply is the foundation of the electric circuit design.the switch power supply should be considered the cost, solution, size,value ,power and so on in the design. this article mainly introduces the experience of the design and use of the switch power supply, t

4、hat is how to choose the component that design need, and attentions we should pay to the use and the realization of the functions of the switch power supply,and then it is explained through an example.keyword switch power supply，autoexcitation,regulators第1章 緒 論隨著全球?qū)δ茉磫栴}的重視，電子產(chǎn)品的耗能問題將愈來愈突出，如何降低其待機(jī)功耗，

5、提高供電效率成為一個急待解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但它存在著效率低（只有40%50%）、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點。為了提高效率，人們研制出了開關(guān)式穩(wěn)壓電源，它的效率可達(dá)85%以上，穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。正因為如此，開關(guān)式穩(wěn)壓電源已廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。1.1 開關(guān)電源的發(fā)展歷史開關(guān)穩(wěn)壓電源（以下簡稱開關(guān)電源）取代晶體管線性穩(wěn)壓電源（以下簡稱線性電源）已有30多年歷史，最早出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關(guān)電源，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，但功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)后，脈寬調(diào)制（pwm

6、）控制技術(shù)有了發(fā)展，用以控制開關(guān)變換器，得到pwm開關(guān)電源，它的特點是用20khz脈沖頻率或脈沖寬度調(diào)制pwm開關(guān)電源效率可達(dá) 6570，而線性電源的效率只有3040。在發(fā)生世界性能源危機(jī)的年代，引起了人們的廣泛關(guān)往。線性電源工作于工頻，因此用工作頻率為20khz的pwm開關(guān)電源替代，可大幅度節(jié)約能源，在電源技術(shù)發(fā)展史上譽(yù)為20khz革命。 隨著ulsi芯片尺寸不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；航天，潛艇，軍用開關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備（如手提計算機(jī)，移動電話等）更需要小型化，輕量化的電源。因此對開關(guān)電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量要小。此外要求開關(guān)電源效

7、率要更高，性能更好，可靠性更高等。1.2我國開關(guān)電源歷程從我國開關(guān)電源的發(fā)展過程可以了解國際開關(guān)電源發(fā)展的一個側(cè)面，雖然一般說來，我國技術(shù)發(fā)展水平與國際先進(jìn)水平平均有510年差距。 70年代起，我國在黑白電視機(jī)，中小型計算機(jī)中開始應(yīng)用5v，20-200a，20khz acdc開關(guān)電源。80年代進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用階段，并開發(fā)研究0.55mhz準(zhǔn)諧振型軟開關(guān)電源。80年代中，我國通信（如程控交換機(jī)）電源在acdc及dcdc開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域中所占比重還比較低。80年代末我國通信電源大規(guī)模更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的鐵磁穩(wěn)壓-整流電源和晶閘管被相控穩(wěn)壓電源為大功率（48v， 6kw） acdc開關(guān)電源（通信

8、系統(tǒng)中常稱為開關(guān)型整流器smr）所取代；并開始在辦公自動化設(shè)備中得到應(yīng)用。工業(yè)應(yīng)用方面，在鍋爐火焰控制，繼電保護(hù)，激光，彩色tv，離子管燈絲發(fā)射電流調(diào)節(jié)，離子注射機(jī)，鹵鎢燈控制等系統(tǒng)中均有應(yīng)用。 90年代我國又研制開發(fā)了一批新型專用開關(guān)電源，典型例子如下： 1.衛(wèi)星開關(guān)電源。東方紅三號通信衛(wèi)星、風(fēng)云一號、二號氣象衛(wèi)星均應(yīng)用了開關(guān)電源。特點是：多路輸出，不可維修性，要求長期不改變性能，設(shè)置冗余模塊，可靠性高，emc 滿足空間環(huán)境條件，高效，輕小。 2.遠(yuǎn)程火箭控制系統(tǒng)的dcdc開關(guān)電源，要求發(fā)射過程中高度可靠。 3. 1000kw牽引變流器4500v1200a gto門控250w開關(guān)電源。 4.

9、 40kw固體脈沖激光器的軟開關(guān)電源。用4臺10kw全橋多諧振zvs變換器并聯(lián)。 5.焊機(jī)用雙igbt管正激車電壓轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制（zvtpwm）軟開關(guān)電源。輸出20kw， 500a，開關(guān)頻率40khz，效率92。特點是負(fù)載大范圍變化頻繁，工作環(huán)境惡劣。要求電源沖擊電流小，動態(tài)特性好，負(fù)載不影響軟開關(guān)性質(zhì)。 6.變電所在流操作系統(tǒng)開關(guān)電源。供繼電保護(hù)和自動裝置及蓄電池充電用。代替晶閘管調(diào)壓系統(tǒng)，輸出10a，180286v。主開關(guān)管用igbt或功率mosfet。 7.單相和三相高功率因數(shù)整流器（有源功率因數(shù)校正器）?？梢钥闯?030年中，我國開關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)性能有很大進(jìn)展，這與國家基礎(chǔ)工業(yè)和

10、國力增強(qiáng)有密切關(guān)系，也和國際先進(jìn)開關(guān)電源技術(shù)影響有關(guān)。充分顯示了中國電源技術(shù)人員的聰明才智和艱苦奮斗的創(chuàng)業(yè)精神。 90年代，中小型（500w以下）acdc和dc-dc開關(guān)電源的特點是：高頻化（開關(guān)頻率達(dá)300400khz）以達(dá)到高功率密度，體小量輕；力求高效和高可靠；低成本；低輸出電壓（3v）；ac輸入端高功率因數(shù)等。在今后5年內(nèi)仍然將沿這些方向發(fā)展。 主要技術(shù)標(biāo)志 從技術(shù)上看，幾十年來推動開關(guān)電源性能和技術(shù)水平不斷提高的主要標(biāo)志是： 1.新型高頻功率半導(dǎo)體器件的開發(fā)使實現(xiàn)開關(guān)電源高頻化有了可能。 如功率mosfet和igbt已完全可代替功率晶體管和晶閘管，從而使中小型開關(guān)電源下作頻率可達(dá)到4

11、00khz（acdc）和1mhz（dc-dc）的水平。超快恢復(fù)功率二極管，mosfe同步整流技術(shù)的開發(fā)也為高效低電壓輸出（例如3v）開關(guān)電源的研制有了可能?，F(xiàn)正在探索研制耐高溫的高性能碳化磚功率的導(dǎo)體器件。 2.軟開關(guān)技術(shù)使高效率高頻開關(guān)變換器的實現(xiàn)有了可能。 pwm開關(guān)電源按硬開關(guān)模式工作（開關(guān)過程中電壓下降上升和電流上升下降波形有交疊），因而開關(guān)損耗大。開關(guān)電源高頻化可以縮小體積重量，但開關(guān)損耗卻更大了（功耗與頻率成正比）。為此必須研究開關(guān)電比電流波形的交更的技術(shù)，即所謂零電壓（zvs）本電流（zcs）開關(guān)技術(shù)，或稱軟開關(guān)技術(shù)（相對于pwm硬開關(guān)技術(shù)而言），小功率軟開關(guān)電源效率可提高到80

12、85。 70年代諧振開關(guān)電源奠定了軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)。以后新的軟開關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如準(zhǔn)諧振（80年代中）全橋移相zvspwm，恒頻zvspwmzcspwm（80年代末）zvs pwm有源鉗位；zvtpwmzct-pwm（90年代初）全橋移相 zvzcspwm（90年代中）等。我國已將最新軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于6kw通信電源中，效率達(dá)93%。 3.控制技術(shù)研究的進(jìn)展。如電流型控制及多環(huán)控制，電荷控制，一周期控制，功率因數(shù)控制，dsp控制；及相應(yīng)專用集成控制芯片的研制成功等，使開關(guān)電源動態(tài)性能有很大提高，電路也大幅度簡化。 4.有源功率因校正技術(shù)（apfc）的開發(fā)，提高了acdc開關(guān)電源功率因數(shù)。 由于輸

13、入端有整流電容元件，acdc開關(guān)電源及一大類整流電源供電的電子設(shè)備（如逆變器，ups）等的電網(wǎng)測功率因數(shù)僅為0.65，80年代用apfc技術(shù)后可提高到0.95 0.99，既治理了電網(wǎng)的諧波“污染”，又提高了開關(guān)電源的整體效率。單相apfc是dc dc開關(guān)變換器拓?fù)浜凸β室驍?shù)控制技術(shù)的具體應(yīng)用，而三相apfc則是三相pwm整流開關(guān)拓?fù)浜涂刂萍夹g(shù)的結(jié)合。 5.磁性元件新型磁材料和新型變壓器的開發(fā)。 如集成磁路，平面型磁芯，超薄型（low profile）變壓器；以及新型變壓器如壓電式，無磁芯印制電路（pcb）變壓器等，使開關(guān)電源的尺寸重量都可減少許多。 6.新型電容器和emi濾波器技術(shù)的進(jìn)步，使開

14、關(guān)電源小型化并提高了emc性能。 7.微處理器監(jiān)控和開關(guān)電源系統(tǒng)內(nèi)部通信技術(shù)的應(yīng)用，提高了電源系統(tǒng)的可靠性。 90年代末又提出了新型開關(guān)電源的研制開發(fā)，這也是新世紀(jì)開關(guān)電源的發(fā)展遠(yuǎn)景。如：用一級acdc開關(guān)變換器實現(xiàn)穩(wěn)壓或穩(wěn)流，并具有功率因數(shù)校正功能，稱為單管單級或4s高功率因數(shù)acdc開關(guān)變換器；輸出1v， 50a的低電壓大電流dcdc變換器，又稱電壓調(diào)節(jié)模塊vrm，以適應(yīng)下一代超快速微處理器供電的需求；多通道（multichannel或multiphase）dcdc開關(guān)變換器；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（server）的開關(guān)電源可攜帶式電子設(shè)備的高頻開關(guān)電源等。1.3開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展動向1. 小型、薄型、

15、輕量化由于電源輕、小、薄的關(guān)鍵使高頻化，因此，國外目前都在致力于同步開發(fā)新型元器件，特別使改善二次整流管的損耗、變壓器及電容小型化，并同時采用表面安裝（smt）技術(shù)在電路板兩面布置元器件以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。2. 高效率開關(guān)電源高頻化使傳統(tǒng)的pwm開關(guān)（硬開關(guān)）功耗加大，效率降低，噪聲也增大了，達(dá)不到高頻、高效的預(yù)期效益，因此，實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷的軟開關(guān)技術(shù)將成為開關(guān)電源未來的主流。采用軟開關(guān)技術(shù)可以使效率達(dá)到8588。3. 高可靠性可用模塊電源使用的元器件比線性工作電源多數(shù)十倍，因此，降低了可靠性。追求壽命的延長要從設(shè)計方面著手，而不是從使用方面著想。4. 模塊化可用模塊電源組

16、成分布式電源系統(tǒng)；可以設(shè)計成n+1余電源系統(tǒng)，從而提高可靠性；可以做成插入式，實現(xiàn)熱交換，從而在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時能快速更換模塊插件；多臺模塊并聯(lián)可實現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)。此外，還可以在電源系統(tǒng)建成后，根據(jù)發(fā)展需要不斷擴(kuò)大容量。5. 低噪聲開關(guān)電源又一缺點時噪聲大，單純追求電源高頻化，噪聲也隨之增大。采用部分諧振變換技術(shù)，在原理上說明可以高頻化，又可以低噪聲。但諧振變換技術(shù)也有其難點，如果難準(zhǔn)確地控制開關(guān)頻率、諧振時增大了 元器件負(fù)荷、場效應(yīng)管的寄生電容易引起短路損耗元器件熱應(yīng)力轉(zhuǎn)向開關(guān)管等問題難以解決。6. 抗電磁干擾（emi）當(dāng)開關(guān)電源在高頻下工作時，其噪聲通過電源線產(chǎn)生對其他電子設(shè)備干擾，世界

17、各國已有抗emi的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。7. 電源系統(tǒng)的管理和控制應(yīng)用微處理器或微機(jī)集中控制和管理，可以及時反映開關(guān)電源環(huán)境的各種變化。中央處理單元實現(xiàn)智能控制，可自動診斷故障，減少維護(hù)工作量，確保正常運(yùn)行。8. 計算機(jī)輔助設(shè)計（cad） 利用計算機(jī)對開關(guān)電源進(jìn)行cad設(shè)計和模擬試驗，十分有效，是最為快速經(jīng)濟(jì)的設(shè)計方法。9. 產(chǎn)品更新加快目前開關(guān)電源產(chǎn)品要求輸入電壓通用（使用世界各國電網(wǎng)電壓規(guī)模），輸出電壓范圍擴(kuò)大（入計算機(jī)和工作站需要增加3.3v這一擋電壓，程控需要增加直流150v電壓），輸入端公里因數(shù)進(jìn)一步提高，具有安全、過壓保護(hù)等功能。第2章 pwm開關(guān)電源的基本原理2.1 pwm開關(guān)電源的組成模

18、塊開關(guān)電源的電路組成方框圖如下：一、主電路 是從交流電網(wǎng)輸入、直流輸出的全過程，包括：1.輸入電磁干擾濾波器（emi）：其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時也阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。2輸入整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級變換。3.功率變換電路：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。4.輸出整流濾波電路：根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。二、保護(hù)和控制電路指主電路以外的部分，包括：穩(wěn)壓電路、pwm控制器電路、保護(hù)電路等。1. 穩(wěn)壓電路：從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制逆變器。2.

19、 pwm控制器電路：是一個利用誤差電壓控制輸出脈沖寬度的反饋電路。該電路通過檢測輸出電壓的變化產(chǎn)生一個誤差電壓，并將該誤差電壓反饋到逆變器去控制開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時間，以改變輸出脈沖的寬度，從而維持輸出電壓的穩(wěn)定。脈寬調(diào)制電路通常由光耦合器和pwm控制器組成。光耦合器將輸出電路中取出的誤差電壓反饋到pwm控制器，再由pwm控制器控制開關(guān)晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷。當(dāng)輸出電壓升高時，反饋到pwm控制器的電流增大，pwm控制器使開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時間縮短，也就是使輸出脈沖的寬度變窄，從而導(dǎo)致輸出電壓下降，維持了輸出電壓的穩(wěn)定。3. 保護(hù)電路：由過電流保護(hù)電路、過電壓保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路和浪涌吸收電路等組成。

20、串聯(lián)在開關(guān)晶體管發(fā)射極上的電阻組成過電流保護(hù)電路，用于防止開關(guān)電源啟動時開關(guān)管出現(xiàn)過電流。并聯(lián)在變壓器初級繞組上的電阻、電容組成浪涌吸收電路，用于泄放積蓄在變壓器漏感上的能量，保護(hù)開關(guān)管不被擊穿。2.2 pwm開關(guān)電源的基本原理開關(guān)電源的工作過程相當(dāng)容易理解。在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，pwm開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)。在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏安乘積總是很小的（在導(dǎo)通時，電壓低，電流大；關(guān)斷時，電壓高，電流?。９β势骷系姆渤朔e就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。與線性電源相比，pwm開關(guān)電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把

21、輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。脈沖的占空比是開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來生高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓?？刂破鞯闹饕康氖奖３州敵鲭妷悍€(wěn)定，其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能模塊電壓參考和誤差放大器，可以設(shè)計成與線性調(diào)節(jié)器相同。它們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅(qū)動功率管之前要經(jīng)過一個電壓脈沖轉(zhuǎn)換單元。開關(guān)電源有兩種主要的工作方式：正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很少，但是工作過程相差

22、很大，在特定的場合下個有優(yōu)點。正激式變換器的優(yōu)點式：輸出電壓的紋波峰峰值比升壓式變換器低，同時可以輸出比較高的功率，正激式變換器可以提供數(shù)千瓦的功率。升壓式變換器中峰值電流較高，因此只適合功率不大于150w的應(yīng)用場合，在所有拓?fù)渲?，這類變換器所用的元器件最小，因而在中小功率的應(yīng)用場合中和流行。開關(guān)電源的工作原理是：1. 交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流；2. 通過高頻pwm(脈沖寬度調(diào)制)信號控制開關(guān)管,將那個直流加到開關(guān)變壓器初級上；3. 開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載；4. 輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制pwm占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。第3章 設(shè)計思想與方案論

23、證3.1 設(shè)計思想pwm開關(guān)電源在使用時比線性電源具有更高的效率和靈活性。我們可以在航空和自動化產(chǎn)品、儀器儀表、離線式產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)它們的蹤影，它們通常應(yīng)用于要求效率和多組電源電壓輸出的場合。開關(guān)電源的重量要比線性電源輕的多。因為對于相同的輸出功率，開關(guān)電源的散熱器要小的多。但是開關(guān)電源的成本較高。所以pwm開關(guān)電源的的成本和效率是設(shè)計的主要問題?；谶@些問題，所以在本設(shè)計中，我們著重作了考慮。3.2方案論證在開始設(shè)計開關(guān)電源時，主要考慮的是采用何種基本拓?fù)?。開關(guān)電源設(shè)計中，拓?fù)漕愋团c電源各個組成部分的布置有關(guān)。這種布置與電源可以在何種環(huán)境下安全工作以及可以給負(fù)載提供的最大功率密切相關(guān)。這也是設(shè)計

24、中性能價格折中的關(guān)鍵點。3.2.1方案選擇1. 方案一正激式電路構(gòu)成的開關(guān)電源，其電路結(jié)構(gòu)特點為功率管之后或變壓器二次側(cè)輸出整流器之后緊跟lc濾波器。圖31是一種簡單正激式變換器電路，即所謂的buck變換器。包括pwm開關(guān)電源的拓?fù)?、主要波形和一些估計的參?shù)。 圖31 buck電路電路的工作可以看作一個機(jī)械飛輪和單活塞發(fā)動機(jī)，電路的lc濾波器就是飛輪，存儲從驅(qū)動器輸出的脈沖功率。lc濾波器（扼流輸入濾波器）的輸入就是經(jīng)過斬波以后的電壓。lc濾波器平均了占空比調(diào)制的脈沖電壓。lc濾波器的作用可用下式表示： （式3-1）式中 d占空比通過控制電路改變占空比，即可保持輸出電壓恒定。buck變換器之所

25、以被稱作降壓式變換器，是因為它的輸出電壓必須低于輸入電壓。我們可以把buck電路的工作過程分成兩個階段。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，輸入電壓加到lc濾波器的輸入端，電感上的電流以固定斜率線性上升。在這個階段，電感存儲能量。輸入的能量就存儲在電感鐵心材料的磁通中。當(dāng)開關(guān)斷開時，由于電感上的電流不能突變，電感電流就通過二極管d續(xù)流，該二極管稱為續(xù)流二極管，這樣就實現(xiàn)了對原先流過開關(guān)管電流的續(xù)流，同時電感中存儲的一部分能量向負(fù)載釋放。續(xù)流電流環(huán)包括：二極管電感負(fù)載。在這個階段，電流波形時一條斜率為負(fù)的斜線。當(dāng)開關(guān)再次導(dǎo)通時，二極管迅速關(guān)斷，電流從輸入電源和開關(guān)管流過。在開關(guān)導(dǎo)通前瞬間，電感上的電流 就是開關(guān)管通過

26、的初始電流。直流輸出的負(fù)載電流在最大值和最小值之間波動。在典型應(yīng)用中，電感電流的最大值為負(fù)載電流的150，最小值為負(fù)載電流的50。2. 方案二反激式變壓器。反激式則指當(dāng)功率mosfet導(dǎo)通時，就將電能儲存在高頻變壓器的初級繞組上，僅當(dāng)mosfet關(guān)斷時，才向次級輸送電能。其拓?fù)?、主要波形和一些估計參?shù)，如圖32。 圖32 反激式電路3. 方案三半橋電路。其拓?fù)?、主要波形和一些估計參?shù)，如圖33。 圖33 半橋電路3.2.2方案論證1. 方案一在正激式電路拓?fù)渲?，即本方案一中的buck變換器中。輸出電壓的紋波峰峰值比升壓式變換器低，同時可以輸出比較高的功率，正激式變換器可以提供數(shù)千瓦的功率。另外

27、buck變換器的輸出電壓必須低于輸如電壓。2 .方案二 反激式電路拓?fù)洌捎诰哂惺褂迷骷?、本身固有效率比較高的特點，在功率低于100150w的場合非常受歡迎。但是，反激式電路的電流峰值比正激式電路高很多，因此在相當(dāng)?shù)椎妮敵鲭妷合拢部赡艹鲩_關(guān)管的soa。3. 方案三在150500w范圍內(nèi)，半橋電路比較常用。它使用的元器件比較多，但還是可以接受的。半橋電路輸入電壓只有一半加在變壓器一次惻，這導(dǎo)致電流峰值增加。因此半橋電路只在500w或更低輸出功率場合下使用。每種拓?fù)涠加凶约旱膬?yōu)缺點，有的拓?fù)淇赡艹杀颈容^底，但輸出的功率受到限制；而有的可以輸出足夠的功率，但成本比較高等。在一種應(yīng)用場合下，有

28、好幾種拓?fù)淇梢怨ぷ?，但只有一種是在要求的成本范圍內(nèi)性能最好的。表31是各種各樣拓?fù)浼捌湎鄳?yīng)的優(yōu)點。表31 pwm開關(guān)電源拓?fù)涞谋容^拓?fù)涔β史秶?wvin（de） 范圍/v輸入輸出隔離典型效率（%）相對成本buck電路01000540無701.0boost電路0150540無801.0buck-boost電路0150540無801.0正激式電路01505500有781.4反激式電路01505500有801.2推挽式電路1001000501000有752.0半橋電路100500501000有752.2全橋電路4002000+501000有732.5總結(jié)上面各個電路的拓?fù)涞谋容^，如果設(shè)計一個小功率的

29、開關(guān)電源，選擇反激式電路拓?fù)浼捶桨付潜容^好的。第4章 系統(tǒng)設(shè)計在本文中，是設(shè)計一個管道煤氣泄漏報警電路的pwm開關(guān)電源。這種開關(guān)電源可用于av200240v輸入的電子產(chǎn)品中。這種特殊的開關(guān)電源可以提供2w的輸出功率，可以用在手機(jī)充電器等產(chǎn)品中。4.1技術(shù)指標(biāo)輸入電壓范圍： ac200240v，50/60hz。輸出： dc+5v，額定電流200ma，最小電流50ma dc+24v，額定電流40ma，最小電流20ma 輸出精度： +5v， 最大5% +24v,最大5% 低電壓輸入限制：該電源產(chǎn)品允許最低輸入電壓為ac200（5%）v4.2輸入整流電路和濾波電路設(shè)計1.單相橋式整流電路單相橋式式整

30、流電路適用與1kw以下的整流電路中。完成這一電路主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔茫虼硕O管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。(1).工作原理 單相橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，因為是由四只整流二極管d1d4接成電橋的形式，所以稱為橋式整流電路。如圖4.1（a）所示。為了更清楚的解釋其工作原理，我將橋式整流電路的輸出直接接一個負(fù)載。在分析整流電路工作原理時，整流電路中的二極管是作為開關(guān)運(yùn)用，具有單向?qū)щ娦?。根?jù)圖4.1（a）的電路圖可知：（a）橋式整流電路 （b）波形圖 圖4.1 單相橋式整流電路當(dāng)正半周時，二極管d1、d3導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周。電流由tr次級上端經(jīng)d1rl

31、d3回到tr次級下端，在負(fù)載rl上得到一半波整流電壓，如圖4.2所示。當(dāng)負(fù)半周時，二極管d2、d4導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。電流由tr次級的下端經(jīng)d2rld4回到tr次級上端，在負(fù)載rl上也得到一半波整流電壓，如圖4.2所示。在負(fù)載電阻上正、負(fù)半周經(jīng)過合成，得到的是同一個方向的單向脈動電壓。單相橋式整流電路的波形圖見圖4.1（b）。（2）.參數(shù)計算 根據(jù)圖4.1（b）可知，輸出電壓是單相脈動電壓，通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為: （式4-1）流過負(fù)載的平均電流為: （式4-2）流過二極管的平均電流為: （式4-3）二極管所承受的最大反向電壓 （式4-4）二級管的選擇

32、應(yīng)主要考慮以上兩個因素。在這次設(shè)計中，我選用的是二級管in4007。2.電容濾波電路 濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現(xiàn)濾波。電容器c對直流開路，對交流阻抗小，所以c應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。 (1)電容濾波電路結(jié)構(gòu) 現(xiàn)結(jié)合單相橋式整流和電容濾波電路為例來說明。電容濾波電路如圖2所示，在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個濾波電容c。圖43 電容濾波電路 (2)濾波原理 若v2處于正半周，二極管d1、d3導(dǎo)通，變壓器次端電壓v2給電容器c充電。此時c相當(dāng)于并聯(lián)在v2上，所以輸出

33、波形同v2 ，是正弦波。當(dāng)v2到達(dá)wt=p/2時，開始下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷，電容c就要以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載l放電。指數(shù)放電起始點的放電速率很大。在剛過wt=p/2時，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過wt=p/2時二極管仍然導(dǎo)通。在超過wt=p/2后的某個點，正弦曲線下降的速率越來越快，當(dāng)剛超過指數(shù)曲線起始放電速率時，二極管關(guān)斷。所以在t2到t3時刻，二極管導(dǎo)電，充電，vi=vo按正弦規(guī)律變化；t1到t2時刻二極管關(guān)斷，vi=vo按指數(shù)曲線下降，放電時間常數(shù)為rlc。電容濾波過程見圖4.4。 圖. 電容濾波電路波形(3)外特性 整流濾波電路中，輸出直流電壓vo隨負(fù)載電流io的變化關(guān)系曲線如圖4.5

34、所示。 圖4.5 電容濾波外特性曲線 (4).電容濾波電路參數(shù)的計算 負(fù)載平均電壓vl升高，紋波減少，且rlc越大，電容放電速率越慢，則負(fù)載電壓中的紋波成分越小，負(fù)載平均電壓越高。為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般取： （式4-5） 在本設(shè)計中，我采用ad400v的4.7f電容。電容濾波電路的計算比較麻煩，因為決定輸出電壓的因素較多。一般常采用以下近似估算法： rlc =（35） 的條件下，近似認(rèn)為vo=1.2v2。4.3變壓器變壓器不論工作頻率高低，都是通過電磁感應(yīng)來傳輸能量的。傳輸能量的大小，與變壓器所用的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和工作頻率有關(guān)。如果傳輸?shù)哪芰繛槎ㄖ担ぷ黝l率高，在一定時間內(nèi)傳輸能量的次

35、數(shù)多，每一次傳輸?shù)哪芰靠梢陨伲瑒t變壓器用的材料少，結(jié)構(gòu)尺寸小。用脈寬調(diào)制（pwm）方式改變變壓器傳輸能量和電壓大小，是一種外加控制方法。使用條件包括兩方面內(nèi)容：可靠性和電磁兼容性。 可靠性是指在具體的使用條件下，高頻電源變壓器能正常工作到使用壽命為止。一般使用條件對高頻電源變壓器影響最大的是環(huán)境溫度。其磁通密度，磁導(dǎo)率和損耗都隨溫度發(fā)生變化，故除正常溫度25外，還要給出60，80，100時的各種參考數(shù)據(jù)。電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產(chǎn)生對外界的電磁干擾，又能承受外界的電磁干擾。電磁干擾包括可聞的音頻噪聲和不可聞的高頻噪聲。高頻電源變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因之一是磁芯的磁致伸縮。磁致伸縮大

36、的軟磁材料，產(chǎn)生的電磁干擾大。屏蔽是防止電磁干擾，增加高頻電源變壓器電磁兼容性的好辦法。但是為了阻止高頻電源變壓器的電磁干擾傳播，在磁芯結(jié)構(gòu)和繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計也采取了相應(yīng)的措施。高頻電源變壓器完成功能有3個：功率傳送，電壓變換和絕緣隔離。功率傳送有兩種方式。第一種是變壓器功率的傳送方式，加在原繞組上的電壓，在磁芯中產(chǎn)生磁通變化，使副繞組感應(yīng)電壓，從而使電功率從原邊傳送到副邊。在功率傳送過程中，磁芯又分為磁通單方向變化和雙方向變化兩種工作模式。單方向變化工作模式，磁通密度從最大值bm變化到剩余磁通密度br，或者從br變化到bm。磁通密度變化值b=bmbr。為了提高b，希望bm大，br小。雙方向變化工

37、作模式磁通度從bm變化到bm，或者從bm變化到bm。磁通密度變化值b=2bm，為了提高b，希望bm大，但不要求br小，不論是單方向變化工作模式還是雙方向變化工作模式，變壓器功率傳送方式都不直接與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān)。第二種是電感器功率傳送方式，原繞組輸入的電能，使磁芯激磁，變?yōu)榇拍軆Υ嫫饋恚缓笸ㄟ^去磁使副繞組感應(yīng)電壓，變成電能釋放給負(fù)載。傳送功率決定于電感磁芯儲能，而儲能又決定于原繞組的電感。電感與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān)，磁導(dǎo)率高，電感量大，儲能多，而不直接與磁通密度有關(guān)。雖然功率傳送方式不同，要求的磁芯參數(shù)不一樣，但是在高頻電源變壓器設(shè)計中，磁芯的材料和參數(shù)的選擇仍然是設(shè)計的一個主要內(nèi)容。 電壓變換通過

38、原邊和副邊繞組匝數(shù)比來完成。不管功率傳送是哪一種方式，原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數(shù)比，只要不改變匝數(shù)比，就不影響電壓變換。但是，繞組匝數(shù)與高頻電源變壓器的漏感有關(guān)。 絕緣隔離通過原邊和副邊繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來完成。為了保證繞組之間的絕緣，必須增加兩個繞組之間的距離，從而降低繞組間的耦合程度，使漏感增大。還有，原繞組一般為高壓繞組，匝數(shù)不能太少，否則，匝間或者層間電壓相差大，會引起局部短路。這樣，匝數(shù)有下限，使漏感也有下限。高頻電源變壓器，遵守變壓器基本原理：1）遵守變壓器的同名端原理。2）理想變壓器原副邊理論上功率相等。3）原副邊電壓比正比于線圈軋數(shù)比，電流比則反比于線圈軋數(shù)比。4

39、）電感線圈的交流電特性是，電流不能突變，相位上電壓超前電流90度。反激式變壓器的工與正激式變壓器不同。正激式變壓器兩邊的繞組是同時流過電流的，而反激式變壓器先是通過一次繞組把能量存儲在磁芯材料中，一次側(cè)關(guān)斷后在把能量傳到二次回路。因此，典型的變壓器阻抗折算和一次、二次繞組匝數(shù)比關(guān)系不能在這里直接使用。這里的主要物理量是電壓、時間、能量。圖4.6是反激式變壓器二次繞組的安排。 圖4.6 反激式開關(guān)變壓器繞組的安排4.4自激振蕩電路組成 在本電路中，l13、l24、q1、c5、r4組成間歇振蕩器，產(chǎn)生矩形脈沖電壓。其振蕩過程為： 當(dāng)接通電源時，r6提供q1的基極正偏電壓，q1導(dǎo)通，ic1通過l13

40、，l24產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢上負(fù)下正，經(jīng)c5、r4加到q1的基極，使ic1增大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的正反饋，使q1很快進(jìn)入飽和。在q1進(jìn)入飽和狀態(tài)后， l24的感應(yīng)電動勢通過r4、q1的be極、r3對c5進(jìn)行充電，完成脈沖的平頂期。三極管q1完全進(jìn)入飽和后，開關(guān)管的集電極電流很大，在r3上產(chǎn)生上為正下為負(fù)的壓降，該電壓的正極通過r2加至q2的基極，負(fù)極加至q2的發(fā)射極，使q2導(dǎo)通，從而使q1的基極電流減小，q1的集電極電流減小，儲能電感l(wèi)13產(chǎn)生上為負(fù)下為正的感生電動勢，經(jīng)過變壓器t1的耦合，在l24電感上產(chǎn)生上為正下為負(fù)的感生電動勢，該電動勢經(jīng)c5耦合，負(fù)極通過c5、r4耦合至q1，使q1基極電流進(jìn)一步減

41、小，該過程形成一個強(qiáng)烈的正反饋，使q1迅速由飽和狀態(tài)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。這時l13上產(chǎn)生上為負(fù)下為正的電壓，經(jīng)t1耦合，在t1的次級線圈l57、l67兩端產(chǎn)生上為正下為負(fù)的電壓，脈沖整流二極管d7、d8導(dǎo)通，開關(guān)變壓器在開關(guān)管q1飽和時以磁能形式積蓄的能量轉(zhuǎn)換成電流的形式向負(fù)載端釋放，該電壓經(jīng)d8、d7整流后對c7、c8c6充電，隨著充電過程的進(jìn)行，兩路充電電流線性減小，d7、d8截止，脈沖二極管由導(dǎo)通到截止的這段時間，即為激勵脈沖間歇期。從而完成一個周期的振蕩。4.5輸出整流和濾波電路經(jīng)過高頻開關(guān)變壓器降壓后的脈動電壓同樣要使用二極管和電容進(jìn)行整流和濾波，只是此時整流時的工作頻率很高，必須使用具有

42、快速恢復(fù)功能的肖特基整流二極管（本電路使用的分別是fr102和sr160），普通的整流二極管難當(dāng)此任，而整流部分使用的電容也不能有太大的交流阻抗，否則就無法濾除其中的高頻交流成分，因此選擇的電容不但容量要大，還要有較低的交流電阻才行（本電路使用了100 uf/35v、100uf/16v、470uf/10v的電容）。4.5.1 輸出直流電壓的形成本電源有兩組直流穩(wěn)壓輸出：+24v,+5v。d8,c7和d7,c8,l1,c6分別為對應(yīng)的整流濾波電路。當(dāng)q1導(dǎo)通時，繞組l13上的感生電動勢上為正下為負(fù)，由于t1的各繞組的同名端的設(shè)置，繞組l57、l67上的感生電動勢為上為負(fù)下為正，使d7、d8反向偏

43、置，均處于截止，t1處于儲能狀態(tài)。當(dāng)q1截止時，繞組l13上的感生電動勢上為負(fù)下為正，由于t1的各繞組的同名端的設(shè)置，繞組l57、l67上的感生電動勢為上為正下為負(fù)，使d7、d8正向偏置，均處于導(dǎo)通狀態(tài)，其導(dǎo)通電流向濾波電容充電。在短暫的時間內(nèi)各濾波電容正極就形成穩(wěn)定的電壓輸出。4.5.2半波整流電路半波整流電路如圖4.7（a）所示。它由電源變壓器tr整流二極管d和負(fù)載電阻rl組成，變壓器的初級接交流電源，次級所感應(yīng)的交流電壓為： （式4-6）其中u2m為次級電壓的峰值，u2為有效值。電路的工作過程是：在u2 的正半周（t = 0），二極管因加正向偏壓而導(dǎo)通，有電流il流過負(fù)載電阻rl。由于將

44、二極管看作理想器件，故rl上的電壓 ul與u2的正半周電壓基本相同。在u2的負(fù)半周（t =2），二極管d因加反向電壓而截止，rl上無電流流過，rl 上的電壓ul = 0?？僧嫵稣鞑ㄐ稳鐖D4.5.2（b）所示?？梢?，由于二極管的單向?qū)щ娮饔茫沽鬟^負(fù)載電阻的電流為脈動電流，電壓也為一單向脈動電壓，其電壓的平均值（輸出直流分量）為 （式4-7）流過負(fù)載的平均電流為 （式4-8）流過二極管d的平均電流（即正向電流）為 （式4-9）加在二極管兩端的最高反向電壓為 選擇整流二極管時，應(yīng)以這兩個參數(shù)為極限參數(shù)。半波整流電路簡單，元件少，但輸出電壓直流成分?。ㄖ挥邪雮€波），脈動程度大，整流效率低，僅適用于

45、輸出電流小、允許脈動程度大、要求較低的場合。4.5.3 電容濾波半波整流電容濾波電路如圖4.8所示。其濾波原理如下：電容c并聯(lián)于負(fù)載 rl的兩端，uluc。在沒有并入電容c之前，整流二極管在u2的正半周導(dǎo)通，負(fù)半周截止，輸出電壓ul的波形如圖中所示。并入電容之后，設(shè)在t=0時接通電源，則當(dāng)u2由零逐漸增大時，二極管d導(dǎo)通，除有一電流il流向負(fù)載以外還有一電流ic向電容c充電，充電電壓uc的極性為上正下負(fù)。如忽略二極管的內(nèi)阻，則uc 可充到接近u2的峰值u2m。在u2達(dá)到最大值以后開始下降，此時電容器上的電壓uc也將由于放電而逐漸下降。當(dāng)u2uc時，d因反偏而截止，于是c以一定的時間常數(shù)通過rl

46、 按指數(shù)規(guī)律放電，uc下降。直到下一個正半周，當(dāng) u2 uc時，d又導(dǎo)通。如此下去，使輸出電壓的波形如圖中線所示。顯然比未并電容c前平滑多了。為了得到更為平滑的直流電，在本電路+5v的整流濾波電路中采用由l1、c6、c8組成的lc型濾波。4.6穩(wěn)壓電路設(shè)計電壓反饋環(huán)的唯一功能就是使輸出電壓保持在一個固定值。即通過控制器件控制端的電流來調(diào)節(jié)占空比，以達(dá)到穩(wěn)壓的目的。但考慮負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)輸出精度及輸入隔離輸出等方面，電壓反饋的設(shè)計就變得很復(fù)雜了。4.6.1 穩(wěn)壓電路的組成本電源的穩(wěn)壓電路由d6、r7、r8、c4、pc817c、r9、r10、r11、r12、c9、tl431組成，電路見附圖。其中d6、

47、r7、r8、c4構(gòu)成整流和濾波電路，給光耦供電；r9、r10、r11、c9、tl431提供基準(zhǔn)電位，r12為取樣電路，兩者比較的結(jié)果通過光耦反饋到q2的基極實現(xiàn)對脈沖寬度的調(diào)制。4.6.2 tl431特性及應(yīng)用（1）、特性tl431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從vref（2.5v）到36v范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。圖4.9 三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管圖4.9是該器件的符號。3個引腳分別為：陰極（cathode）、陽極（anode）

48、和參考端（ref）。tl431的具體功能可以用如圖4.10的功能模塊示意。圖4.10 tl431內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖由圖可以看到，vi是一個內(nèi)部的2.5v基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)ref端（同相端）的電壓非常接近vi（2.5v）時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著ref端電壓的微小變化，通過三極管的電流將從1到100ma變化。（2）應(yīng)用圖4.11 精密5v穩(wěn)壓器前面提到tl431的內(nèi)部含有一個2.5v的基準(zhǔn)電壓，所以當(dāng)在ref端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖4.11所示的電路，當(dāng)r1和r2的阻值確定時，兩者對vo

49、的分壓引入反饋，若v o增大，反饋量增大，tl431的分流也就增加，從而又導(dǎo)致vo下降。顯見，這個深度的負(fù)反饋電路必然在vi等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定，此時vo=(1+r1/r2)vref。選擇不同的r1和r2的值可以得到從2.5v到36v范圍內(nèi)的任意電壓輸出，特別地，當(dāng)r1=r2時，vo=5v。需要注意的是，在選擇電阻時必須保證tl431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1 ma 。4.6.3 穩(wěn)壓過程本電源電路是一種高精度的直流穩(wěn)壓電源。電壓反饋環(huán)要與輸入電壓和控制器隔離，采用光隔離器進(jìn)行隔離。光藕合器在開關(guān)電源的主振回路使輸入回路與輸出回路進(jìn)行電氣隔離，并為電源的穩(wěn)壓控制電路提供信號通路。它主要有光源（即發(fā)光二極管）和光敏器件組成。最通用的光電耦合器是把一個發(fā)光二極管led合一個光敏三極管vt封裝在一個完全與外界隔離的外殼中。其工作工作過程簡述如下：當(dāng)有電流流過發(fā)光二極管時，便產(chǎn)生一個光源，光的強(qiáng)度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的光敏三極管vt上后，控制vt產(chǎn)生一個與發(fā)光二極管正向電流成比例的集電極電流。為了減少光隔離器漂移的影響，二次惻要用到一個誤差放大器，這個誤差放大器采用tl431。因為在tl431的內(nèi)部含有一個2.5v的基準(zhǔn)電壓，r11和r10為固定電阻，兩者串聯(lián)對+5v的輸出電壓進(jìn)行分壓取樣，在r10上得到取