高低壓交流伺服系統(tǒng)電源設計論文

1、目錄第一章 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21.1 課題背景與研究意義.1.2 開關電源發(fā)展歷程. 1.3 本論文的主要工作.第二章 開關電源原理及各種拓撲. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1

2、 開關電源一般模型2.2 開關電源分類2.3 開關電源拓撲分析2.4 開關穩(wěn)壓電源中控制、驅動和保護電路第三章 電力電子器件認識和原理圖分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.1 基本的電力電子器件3.2 UC3843與TOP222Y3.3 磁學變壓器學習3.4 整個電路分析第四章 DXP繪制原理圖和PCB布線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3、 . . . . . . . . 54.1 Protel 2004綜述4.2 原理圖設計 4.2.1原理圖繪制結果4.2.2 重要元件及其封裝4.2.3生產原理圖報表4.3 PCB設計及參數設置第五章 電路調試及分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.1 5.2 第六章 總結與展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26.1 第一章 引言1.1 課題背景與研究意義隨著電力電子技術發(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，進入80年代計算機電源全面實現了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入電子、電器設備領域，通信、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛使用了開關電源。 近年來世界各國在高精度的速度和位置控制場合，都已經由交流電力傳動取代電液和直流傳動。交流伺服控制技術有了長足的發(fā)展，在交流伺服系統(tǒng)中同樣以開關電源作為供電

5、模塊。對交流伺服系統(tǒng)硬件的認識首先應從電源模塊開始，不管是電機轉動、還是控制電路運行，都離不開電源。電源模塊是否正常工作、是否長時穩(wěn)定運行，對整個伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定運作至關重要。學習交流伺服硬件知識開關電源是第一課，但是學好開關電源將能在所有電力電子設備中得到應用。在低壓伺服系統(tǒng)中常見的電源模塊是：采用Unitrode公司率先開發(fā)UC3843芯片，構成寬輸入恒壓大電流輸出有隔離或無隔離的DC-DC開關電源；高壓伺服系統(tǒng)中常見的電源模塊是：采用美國PI(Power Integration)公司開發(fā)的TOPSWitch作為高頻開關電源。開關電源具有電路簡單、能實現輸入輸出隔離、電源調節(jié)范圍寬、反激式拓

6、撲更能實現多路輸出，因此開關電源適合電力電子設備內的供電模塊。1.2 開關電源發(fā)展歷程線性電源與開關電源對比：優(yōu)點缺點線性電源1.電源穩(wěn)定度較高2.輸出紋波電壓較小3.瞬態(tài)響應速度較快4.線路結構簡單5.無高頻開關噪聲6.成本低7.工作可靠性較高1.轉換效率低（45%左右）2.體積大，重量重3.濾波效率低，需大電容4.線性調整率低5.輸出電壓不能高于輸入開關電源1.轉換效率高2.體積小，重量輕3.線性調整率高4.濾波效率高，電容小5.電路形式靈活多樣1.有開關噪聲和干擾2.電路結構復雜3.成本高，可靠性低 開關電源發(fā)展1955年美國的科學家羅耶（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的磁飽

7、和來進行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后，世界各地利用這一技術的各種形式的晶體管直流變換器不斷被研制出來，從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉換效率低的旋轉式和機械振子式換流設備。由于那時的微電子設備和技術十分落后，不能夠研制出耐壓較高、開關速度較快、功率較大的開關晶體管，因此這個時期的直流交換器只能采用低電壓輸入，而且轉換的速度也不能太高，工作頻率僅局限于千赫量級。另外，由于輸入電壓不能過高，因此當時的直流變換器中還含有工頻降壓變壓器。20世紀60年代末，高反壓、大電流的功率開關晶體管出現，工頻變壓器被省掉，開關穩(wěn)壓電源的體積和重量大幅度減少和降低，開關穩(wěn)壓電源才走上效率高 、體積小、重

8、量輕而被廣泛普及應用的道路。20世紀70年代以后，與這種技術有關的高頻率、高反壓、大電流的功率開關晶體管，高頻率、高溫電容，高反壓、大電流、快恢復肖特基二極管，高頻變壓器磁芯材料等元器件不斷被研制、生產出來，使無工頻變壓器開關穩(wěn)壓電源不斷得到完善和快速發(fā)展。目前從事開關穩(wěn)壓電源研究的科技人員設計和研制出了諧振式開關穩(wěn)壓電源，從根本上解決了由于功率開關管上的功耗大而導致開關穩(wěn)壓電源轉換效率低的問題，同時也從根本上解決了由于功率開關管上的電流和電壓應力大而導致開關穩(wěn)壓電源可靠性和穩(wěn)定性低的問題。另外，從事半導體技術和工藝研究的科技人員幾乎在同一時期也設計和研制出來具有零流關斷和零壓導通的復合功率開

9、關管IGBT。諧振式開關穩(wěn)壓電源電路結構再加上復合功率開關管IGBT，使開關穩(wěn)壓電源可以拓展到大功率和超大功率的應用場合。1.3 本論文的主要工作該論文的主要工作是介紹高低壓交流伺服系統(tǒng)電源模塊的開關電源設計。開關電源涉及許多學科，原理方面主要了解基本的電力電子器件、對于高頻變壓器了解基本磁學知識、對于UC3843/TOP管了解芯片內部結構，學習PWM調制知識、從總體上了解開關電源及其各種拓撲結構；對于原理圖，深入學習DXP 2004從原理圖到PCB布線，把原理做出電路，進行調試；調試電路時了解電源模塊輸出的對象（DSP、光耦、IPM等），要把電源模塊融入到伺服系統(tǒng)中。最后就調試的結果作簡單分

10、析，并對本次畢業(yè)設計的意義、收獲做總結。第二章 開關電源原理及各種拓撲2.1 開關電源一般模型2.2 開關電源分類2.3 開關電源拓撲分析2.4 開關穩(wěn)壓電源中控制、驅動和保護電路2.4.1 控制電路不論是哪中開關穩(wěn)壓電源，要能夠保證其正常工作，都需要有相應的、要求嚴格的控制信號來控制和調節(jié)驅動器所產生的驅動信號，從而使電路中的功率開關管能夠安全、可靠地按照我們對輸出電路的要求所對應的脈沖寬度或脈沖頻率來導通或者截至。產生這種控制信號的電路即為開關電源電路中的控制電路。常用的控制電路包括采樣、比較、基準源、振蕩器、脈寬調制器（PWM）或脈頻調制器（PFM）等電路。目前，新型的較為先進的開關穩(wěn)壓

11、電源電路中還包括有誤差檢測和誤差放大電路部分。它們均是把輸出端的不穩(wěn)定因素檢測出來并放大后輸送給調制電路，最后使調制電路通過調節(jié)驅動信號的脈沖寬度或者頻率來消除這些不穩(wěn)定因素的，整個電路形成一個具有自適應能力的自動控制反饋閉合環(huán)路，其等效原理框圖如圖 圖P342.4.2 驅動電路開關穩(wěn)壓電源電路中的功率開關管要求在關斷時能夠迅速關斷，并能維持關斷期間的漏電流近似等于零；在導通時要能夠迅速地導通，并能維持導通期間的管壓降近似等于零。功率開關管趨于關斷時的下降時間和趨于導通時的上升時間的長短是降低功率開關管損耗功率、提高開關穩(wěn)壓電源轉換效率的主要因素。要縮短這兩個時間，除選擇高反壓、高速度、大電流

12、功率開關管以外，主要還取決于加在功率開關管基極的驅動信號。對驅動信號的要求：1）驅動信號波形的上升沿一定要陡，幅度要大，盡量過驅動，以便減少功率開關管趨于導通的上升時間。2）驅動信號要具有一定的驅動功率。在維持導通期間內，要能夠保證功率開關管處于飽和導通狀態(tài)，以減少功率開關管的正向導通管壓降，從而降低導通期間功率開關管的集電極功率損耗。3）正向驅動結束時，驅動信號幅度的減少一定要快，以便使功率開關管能夠很快脫離飽和區(qū)，以減少關閉時間。4）驅動信號波形的下降沿一定要陡，幅度要大，盡量過驅動，以便減少功率開關管趨于截至時的下降時間。5）最為理想的基極驅動信號如圖 圖 p35 2.4.3 保護電路開

13、關電源能長時、安全給系統(tǒng)供電，就必須有必要的保護處理，即保護電路。一般保護電路有：過電流保護、過壓保護、欠壓保護等過流保護：當負載電路系統(tǒng)出現故障或短路現象而引起開關穩(wěn)壓電路輸出電流超過額定值時，能夠在很短的時間內將電源關閉，保證電源電路本身和負載系統(tǒng)電路不受損壞的一種電路稱為過流保護電路。目前出現的一些電流控制型PWM集成電路芯片不但具有能夠保護開關穩(wěn)壓電源電路本身，而且還具有能夠保護負載電路系統(tǒng)，同時保護速度快、無誤動作等優(yōu)點。過壓保護電路：過壓保護電路是一種由于穩(wěn)壓電源電路本身出現故障或者電路中的某些元器件參數變值或性能變差而導致輸出電源超出要求的額定能夠輸出電壓時，就能輸出一個控制信號

14、使電路中的功率開關管立即停止工作的電路。過壓保護電路不但能夠保護電源電路中的功率開關管或其他元器件，而且還能夠避免由于輸出電壓過高而使負載系統(tǒng)免遭損壞。實現過壓保護的電路很多，最常用的一種電路是采用穩(wěn)壓值與電源輸出額定值相符的穩(wěn)壓二極管直接并接于穩(wěn)壓電源的輸出端而形成的。這種形式的過壓保護電路結構簡單、安全可靠、成本較低，但不適用于在輸出電壓較高和輸出功率較大的穩(wěn)壓電源電路中使用。過壓保護電路的缺點是不能保護電源電路自身。欠壓保護電路：欠壓保護電路是一種由于穩(wěn)壓電源電路本身出現故障或者電路中的某些元器件參數變值或性能變差而導致輸出電壓低于所要求的額定的輸出電壓值時，就能輸出一個控制信號使電源電

15、路中的功率開關管立即停止工作的電路。第三章 電力電子器件認識和原理圖分析3.1 基本的電力電子器件3.2 UC3843與TOP222Y3.3 磁學變壓器學習3.4 整個電路分析3.4.1 低壓伺服系統(tǒng)中的DC-DC開關電源3.4.2 高壓伺服系統(tǒng)中的AC-DC開關電源反激式開關電路電路結構簡單、輸入輸出電氣隔離、電壓調節(jié)范圍寬、易于多路輸出等特點，因而適合于電力電子設備內的輔助開關電源。高壓伺服一般采用反激式開關電源作為輔助電源，通過220V交流供電，為系統(tǒng)內控制系統(tǒng)、驅動芯片提供所需的低壓電。為保證輸出電壓的穩(wěn)定性，采用閉環(huán)控制方式；為有效的減少系統(tǒng)體積，縮短設計周期，采用美國PI(Powe

16、r Integration)公司開發(fā)的TOPSWitch-II作為高頻開關電源；為了提高電源效率，減小變壓器內電流尖峰，設計的變壓器工作在電流連續(xù)模式（CCM）。工作原理單端反激式輔助電源系統(tǒng)的拓撲已經發(fā)展非常成熟，在此基礎上，系統(tǒng)采用的單端反激電源電路圖3.13 輔助電源電路圖220V市電經整流和電容濾波后，變成310V的直流電壓供給TOPSwitch-II芯片，TOPSwitch-II構成DC/DC變換器，它將輸入的直流高壓變成脈寬可調的高頻脈沖電壓，經高頻變壓器降壓后再進行半波整流和濾波，變成所需要的直流電壓輸出。阻塞二極管D25與瞬態(tài)電壓抑制器VR1組成吸收電路，吸收功率器件在關斷過程

17、中由于變壓器漏感產生的尖峰電壓，當功率管導通時，初級變壓器的電壓極性為上端正下端負，使D25截至，鉗位電路不起作用；功率管截止時，變壓器初級繞組變?yōu)橄露藶檎隙藶樨?，此時D25導通，尖峰電壓被VR1吸收。TL432的陰極與陽極之間并聯一只軟啟動電容C99。剛啟動時由于電容兩端壓降不能突變，使得TL431不工作。隨輸出電壓的增大，電容上電壓不斷升高，TL431逐漸轉入正常工作狀態(tài)。輸出電壓在延遲時間內緩慢上升，最終達到所需電壓穩(wěn)定值。Ic電流在26mA之間變化時，PWM呈線性變化。top型號的選擇表3.3 top型號選擇型號單電壓輸入110V230V寬范圍電壓輸入85265VTOP221Y12

18、W7WTOP222Y25W15WTOP223Y50W30WTOP224Y75W45WTOP225Y100W60WTOP226Y125W75WTOP227Y150W90W輸出功率為17.5W，寬輸入范圍，根據表3.3，選TOP223Y作為該電路的開關電源。電源濾波器的選擇電源濾波器作用一方面是濾除由電網傳來的雜波電壓，凈化輸入電源，另一方面也阻止高頻開關電源的振蕩電壓竄入電網，干擾其它電器。該輔助電源為小功率的高頻開關電源，綜合考慮其成本與影響，確定用一只濾波電容實現電源濾波，電容C117選擇為104/250VAC普通電容。輸出濾波電容的選取C108,C109,C110選用的電解電容，由于對輸出

19、紋波要求比較嚴格，所以再加一級LC濾波以小輸出紋波：L選3.3(電流小于1A時，可用有非晶合金磁性材料制成的磁珠；大電流時應選用磁環(huán)制成的扼流圈；為減小電感上壓降線圈的線徑宜大些)。C選220/25V的電解電容。由于偏置輸出的電壓較低，功率很小，所以選104的陶瓷電容就可滿足要求。有極性電容無法吸收加在它兩端的高頻電流分量，所以需要在調試過程中根據實際情況并聯高頻特性較好的陶瓷電容，選104。TOPSwitch外圍電路設計用于濾除TOP223Y內部MOSFET柵極充電電流的峰值，設置自動重啟動頻率與環(huán)路補償。選的電解電容,選。接地電容選陶瓷電容104。反饋電路的設計剛啟動時防止TL431控制極

20、和陰極之間電壓上升過快，損壞器件，C,K間接電容C99做保護，C99 選取陶瓷電容104。Ic電流應在26mA之間，PWM才會線性變化。 用于設置控制環(huán)路總增益；的作用是當輸出電壓偏低時給TL431提供偏置電流；電路利用輸出電壓與TL431構成的誤差比較器，通過光耦NFC2501線性關系的電流變化控制TOPSwitch的Ic，從而改變PWM寬度，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。從TOPSwicth的技術手冊可知流入控制腳C的電流Ic與占空比D成反比關系，如圖： 控制腳電流Ic(mA)圖3.15 TOPSwitch占空比與控制電流的關系若使PWM線性調節(jié)，控制腳電流Ic應在26mA之間，故流過光耦三極管

21、的電流Ice也應在這個范圍變化，而Ic是受光耦二極管電流If控制的，由于光耦NEC2501是線性光耦，控制二極管正向電流If即可控制Ic在預定的范圍內變化，從TL431的技術參數知，Vk (TL431陽極和陰極之間電壓)在2.537V變化時，Ika可以在1100mA內大范圍變化，當If最大時也要保證Vk >2.5V, Vk=15-Vf-(IfmaxR131)>2.5V, Ifmax 取5A，Vf為光耦二極管的正向壓降，典型值為1.2V。 R131<2.26 (取R131=2K)TL431要求至少有1mA的工作電流，即使R131電流降為0A,R132回路要提供續(xù)流，保證TL43

22、1正常工作，R132<=1.2K/1mA=1.2K(取R132為200/0.5W)R135的選取，考慮兩個因素：1)431參考輸入端的電流，一般為2左右，為避免此端電流影響分壓比和避免噪音的影響，一般取過流電阻R135為參考電流的100倍以上，所以此電阻要小于2.5V/200=12.5K.2)待機功耗的要求，如果由此要求，在滿足R135<=12.5K的情況下盡量取大值。取R135=10KRV1的阻值根據輸出電壓值確定，2.5V,得RV1=50K。第四章 DXP繪制原理圖和PCB布線4.1 Protel 2004綜述Protel 2004從功能上可分為以下幾部分：電子電路原理圖（SC

23、H）設計、電子電路原理圖（SCH）仿真、印制電路板（PCB）設計、電子電路實現前后的信號完整性分析和可編程邏輯器件（FPGA）設計等。該論文學習講述Protel 2004的原理圖與印制板設計，著重學習原理圖設計和印制電路板設計兩個系統(tǒng)工具的使用。Protel 2004將原理圖編輯、PCB圖繪制及打印等功能有機結合在一起，形成了一個集成的開發(fā)環(huán)境。在這個環(huán)境中，所謂的原理圖編輯，就是電子電路的原理圖設計，是通過原理圖編輯器來實現的，原理圖編輯器為用戶提供高速、智能的原理圖編輯手段，由它生成的原理圖文件為印制電路板的制作做準備工作。所謂PCB繪制，就是印制電路板的設計，它是通過PCB編輯器來實現的

24、，其生成的PCB文件將直接應用到印制電路板的生產中。4.2 原理圖設計電路原理圖設計主要是運用Protel 2004提供的原理圖編輯器繪制、編輯原理圖，目的是為PCB板設計提供網絡表等設計參數信息，也可以為其他用途提供標準的電路原理圖。原理圖的設計流程圖，如圖4-1所示： 開始進入原理圖編輯器設置圖紙規(guī)則原理圖的調整放置元件、導線等相關圖件設置原理圖編輯器系統(tǒng)參數報表輸出文件保存及打印輸出結束 圖4-1 原理圖設計流程圖4.2.1原理圖繪制結果72-5 DC-DC低壓伺服中電源模塊，如圖220VAC-15VDC 高壓伺服輔助電源模塊，如圖：4.2.2 重要元件及其封裝Protel 2004提供

25、了豐富的元件庫，幾乎覆蓋了所有電子元器件廠家的元件種類：提供強大的庫元件查詢功能。元件庫中沒有的元器件及其封裝制作，截圖：如圖UC3843元件及封裝:低壓中變壓器元件及封裝：高壓中變壓器元件及封裝：4.2.3 生成原理圖報表原理圖編輯器可以生成的報表主要有網絡表、材料清單報表、層次報表、元引用參考報表等，可用于存檔、對照、校對及交流。下面是本次畢設中使用的網絡報表和材料清單報表。網絡表是指電路原理圖中元件引腳等電氣點互相連接的關系列表。它的主要用途是為PCB制板提供元件信息和線路連接信息，同時它也為仿真提供必要的信息。有原理圖生成的網絡表進行比較，以檢驗制作是否正確。材料清單報表也稱為元件報表

26、或元件清單，主要報告項目中使用元器件的型號、數量等信息，也可以用作采購。4.3 PCB設計及參數設置4.4.1 印制電路板的結構印制電路板也稱做印刷電路板或印制板，就是通常所說PCB。印制板是通過一定的制作工藝，在絕緣非常高的基材上覆蓋一層導電性能良好的銅薄膜構成敷銅板，然后根據具體的PCB圖要求，在敷銅板上蝕刻出PCB圖上的導線，并鉆出印制板安裝定位孔，以及焊盤和導孔。根據電路板的結構可以分為單面板（Signal Layer PCB）、雙面板（Double Layer PCB）和多層板（Multi Layer PCB）三種。單面板只有一面敷銅，只有在敷銅的一面布線和焊接元件。只有電路非常簡單

27、是才采用單面板。雙面板包括頂層（Top Layer）和底層（Bottom Layer）的電路板。頂層一般為元件面，底層一般為焊接面。PCB中兩面都可以走線。多層板就是包含多個工作層面的電路板。最簡單的是4層，通常在“Top Layer層”和“Bottom Layer層”中間加上電源層和地線層。這樣處理，可以極大程度地解決電磁干擾問題，提高系統(tǒng)的可靠性，同時也可以提高布線率，縮小PCB的面積。通常在印制電路板上布上銅膜導線后，還要在上面印上一層防焊層（Solder Mask），防焊層留出焊點的位置，而將銅膜導線覆蓋住。防焊層不粘焊錫，甚至可以排開焊錫，可以防止焊錫溢出造成短路。防焊層有頂層防焊層

28、（Top SOlder Mask）和底層防焊層（Bottom Solder Mask）。 有時在印制電路板的正面或反面印上一些必要的文字，能印文字的一層為絲印層（Silkscreen Overlay），該層又分為頂層絲印層（Top Overlay）和底層絲印層（Bottom Overlay）。4.4.2 從原理圖導入PCB 校核4.4.3 PCB布線： P181 PCB板就是把設計好的原理圖變成一塊實實在在的PCB電路板，這一過程有很多原理上行得通的東西在工程中卻難以實現。微電子領域的兩大難點在于高頻信號和微弱信號的處理，在這方面PCB制作水平顯得很重要。做PCB板時是選用雙面板還是多面板，要看最高工作頻率和電路系統(tǒng)的復雜程度以及對組裝密度的要求來決定。在時鐘頻率超過200MHz時最好選用多層板。如果工作頻率超過350MHz，最好選用以聚四氟乙烯作為介質層的印制電路板，因為它的高頻損耗要小些，寄生電容要小些，傳輸