v開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、摘 要 隨著開(kāi)關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應(yīng)用, 人們對(duì)其需求量日益增長(zhǎng), 并且對(duì)電源的效率、體積、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。開(kāi)關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源。電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速發(fā)展，將開(kāi)關(guān)電源的工作頻率提高到相當(dāng)高的水平，使其具有高穩(wěn)定性和高性價(jià)比等特性。開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的主要用途之一是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)，信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)電源技術(shù)又提出了更高的要求，從而促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展。本次設(shè)計(jì)采用典型的正激式開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，以(RCC)作為控制核心器件，運(yùn)用

2、脈寬調(diào)制的基本原理，并采用輔助電源供電方式為其供電，有利于增大主電源的輸出功率。采用場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)器件，其導(dǎo)通和截止速度很快，導(dǎo)通損耗小，這就為開(kāi)關(guān)電源的高效性提供保障。同時(shí)，電路中輔以過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路，為系統(tǒng)的安全工作提供保障，本電路注意改善負(fù)載調(diào)整率,降低了電磁串?dāng)_，達(dá)到綠色環(huán)保的目的。輸出電壓可調(diào)，使其可適用于不同場(chǎng)合。關(guān)鍵詞 高頻變壓器 ； 場(chǎng)效應(yīng)管 ；正激式變換器 ； 脈寬調(diào)制 Abstract With the wide application of switching power supply in the computer, communications, aerospace

3、, instrumentation and electrical appliances and so on, the growing demand for its people, and has put forward higher requirements for power efficiency, volume, weight and reliability.Switching power supply with its high efficiency, small size, light weight and other advantages in many respects gradu

4、ally replaced the linear power supply, low efficiency, heavy and bulky. The development of power electronic technology, especially the rapid development of the high-power IGBT devices and MOSFET, increasing the working frequency of the switching power supply to a very high level, which has high stab

5、ility and high performance characteristics. One of the main purposes of switching power supply technology is serves for the information industries, the development of information technology on power technology and put forward higher requirements, so as to promote the development of switch power supp

6、ly. This design is excited by the switching power supply design of the structure of typical, with (RCC) as the core control device, using the basic principle of pulse width modulation, and auxiliary power supply by way of its power, is conducive to the output power increase of the main power supply.

7、 FET used as a switching device, the conducting and closing fast, conduction loss is small, which guarantee the high efficiency switching power supply. At the same time, the circuit with over-voltage and over-current protection circuit, providing security for the safe operation of system, the attent

8、ion of the circuit to improve load regulation, reducing the electromagnetic crosstalk, to achieve the purpose of environmental protection. The output voltage is adjustable, so that it can be suitable for different occasionsKeywords:High frequency transformer; MOSFET; forward converter; pulse width m

9、odulation目 錄1 諸論11.1 開(kāi)關(guān)電源的基本概念11.2 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展11.2.1 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展史22 電路的比較方案32.1 方案一、反激式變換器32.2 方案二、半橋變換器32.3 方案三、正激式變換器43 各部分電路工作原理63.1 單相橋式整流電路63.1.2 參數(shù)計(jì)算73.2 功率變換電路83.2.1 MOS管工作原理8肖特基二極管123.4 高頻變壓器的設(shè)計(jì)133.4.1 變壓器的設(shè)計(jì)133.4.2 控制電路工作原理163.5 L431的功能163.6 短路保護(hù)電路183.6.1 輸入保護(hù)器件18輸入瞬間電壓保護(hù)184、電路的總結(jié)構(gòu)20附錄27附錄一27附錄二29參

10、考文獻(xiàn)30致 謝311 諸論電是工業(yè)的動(dòng)力，是人類生活的源泉。電源是生產(chǎn)電的裝置，表示電源特性的參數(shù)有功率、電壓、電流、頻率等；在同一參數(shù)要求下，又有重量、體積、效率和可靠性等指標(biāo)。我們用的電，一般都需經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換才能適合使用的需要，例如交流轉(zhuǎn)換成直流，高電壓變成低電壓，大功率變換為小功率等。按照電子理論，所謂AC/DC就是交流轉(zhuǎn)化為直流；AC/AC稱為交流變交流，即為改變頻率；DC/AC稱為逆變；DC/DC為直流變交流后再變?yōu)橹绷?。為了達(dá)到轉(zhuǎn)換的目的，電源變換的方法是多樣的。 自20世紀(jì)60年代，人們研發(fā)出了二極管、三極管半導(dǎo)體器件后，就用半導(dǎo)體器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所以，凡是用半導(dǎo)體功率器件作開(kāi)關(guān)，將

11、一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的電路，叫做開(kāi)關(guān)變換電路。在轉(zhuǎn)換時(shí)，以自動(dòng)控制穩(wěn)壓輸出并有各種保護(hù)環(huán)節(jié)的電路，稱為開(kāi)關(guān)電源（Switching Power Supply）。1.1 開(kāi)關(guān)電源的基本概念 開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)電路控制開(kāi)關(guān)管進(jìn)行高速的導(dǎo)通與截止。利用開(kāi)關(guān)功率器件并通過(guò)功率變換技術(shù)而制成的直流穩(wěn)壓電源。它具有體積小、重量輕、效率高、對(duì)電網(wǎng)電壓及頻率的變化適應(yīng)性強(qiáng)、輸出電壓穩(wěn)定、有利于計(jì)算機(jī)信息保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源。開(kāi)關(guān)電源又被稱為高效能節(jié)能電源，內(nèi)部電路工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)化為高頻交流電的原因是高頻交

12、流在變壓器變壓電路中的效率要比50Hz高很多，自身消耗的能量很低，電源效率可達(dá)80%左右，比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍。目前生產(chǎn)的無(wú)工頻變壓器式中，開(kāi)關(guān)電源采用脈沖寬調(diào)制器PWM或脈沖頻率調(diào)制器PFM1.2 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展。特別是微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的開(kāi)發(fā)利用，孕育了電子系統(tǒng)的新一代產(chǎn)品。顯然，那種體積大而笨重的使用工頻變壓器的線性調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源已經(jīng)過(guò)時(shí)。取而代之的是小型化、重量輕、效率高的隔離式開(kāi)關(guān)電源。隔離式開(kāi)關(guān)電源的核心是一種高頻電源變換電路。它使交流電源高效率地產(chǎn)生一路或多路經(jīng)調(diào)整的穩(wěn)定直流電壓 ,開(kāi)關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器

13、等方面的廣泛應(yīng)用, 人們對(duì)其需求量日益增長(zhǎng), 并且對(duì)電源的效率、體積、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。開(kāi)關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源。電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速發(fā)展，將開(kāi)關(guān)電源的工作頻率提高到相當(dāng)高的水平，使其具有高穩(wěn)定性和高性價(jià)比等特性。在轉(zhuǎn)換時(shí)，以自動(dòng)控制穩(wěn)壓輸出并有各種保護(hù)環(huán)節(jié)的電路，稱為開(kāi)關(guān)電源（Switching Power Supply）。1.2.1 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展史 自20世紀(jì)60年代，人們研發(fā)出了二極管、三極管半導(dǎo)體器件后，就用半導(dǎo)體器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所以，凡是用半導(dǎo)體功率器件作開(kāi)關(guān)，

14、將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的電路，叫做開(kāi)關(guān)變換電路。在70年代，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成化的開(kāi)關(guān)電源就已被廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、彩色電視機(jī)、衛(wèi)星通信設(shè)備、程控交換機(jī)、精密儀表等電子設(shè)備。這是由于開(kāi)關(guān)電源能夠滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)多種電壓和電流的需求。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的高度發(fā)展，高反壓快速開(kāi)關(guān)晶體管使無(wú)工頻變壓器的開(kāi)關(guān)電源迅速實(shí)用化。而半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展又為開(kāi)關(guān)電源控制電路的集成化奠定了基礎(chǔ)，適應(yīng)各類開(kāi)關(guān)電源控制要求的集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)運(yùn)而生，其功能不斷完善，集成化水平也不斷提高，外接元件越來(lái)越少，使得開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和調(diào)整工作日益簡(jiǎn)化，成本也不斷下降。目前己形成了各類功能完善

15、的集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器系列。近年來(lái)高反壓MOS大功率管的迅速發(fā)展，又將開(kāi)關(guān)電源的工作頻率從20kHz提高到150-200kHz，其結(jié)果是使整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的體積更小，重量更輕，效率更高。開(kāi)關(guān)電源的性能價(jià)格比達(dá)到了很高的水平，使它在與線性電源的競(jìng)爭(zhēng)中具有先導(dǎo)之勢(shì)。當(dāng)然開(kāi)關(guān)電源能被工業(yè)所接受，首先是它在體積、重量和效率上的優(yōu)勢(shì)。在70年代后期，功率在100w以上的開(kāi)關(guān)電源是有競(jìng)爭(zhēng)力的。到1980年，功率在50w以上就具有競(jìng)爭(zhēng)力了。隨著開(kāi)關(guān)電源性能的改善，到80年代后期，電子設(shè)備的消耗功率在20w以上，就要考慮使用開(kāi)關(guān)電源了。過(guò)去，開(kāi)關(guān)電源在小功率范圍內(nèi)成本較高，但進(jìn)入90年代后，其成本下降非常顯著，當(dāng)然這包

16、括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促進(jìn)開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的因素之一。 2 電路的比較方案2.1 方案一、反激式變換器反激式變換器開(kāi)關(guān)電源工作原理比較簡(jiǎn)單，輸出電壓控制范圍比較大，因此，在一般電器設(shè)備中應(yīng)用廣泛。所謂反激式變換器開(kāi)關(guān)電源，是指當(dāng)變換器的初級(jí)線圈被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變換器的次級(jí)線圈沒(méi)有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變換器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后，才向負(fù)載提供功率輸出，這種變換器開(kāi)關(guān)電源稱為反激式開(kāi)關(guān)電源。 圖2-1反激式變換器工作原理圖Ui是開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓，T是高頻變壓器，K是控制開(kāi)關(guān)，C是儲(chǔ)能濾波電容，R是負(fù)載電阻。圖 2-1（b）是反激式變換器

17、開(kāi)關(guān)電源的電壓輸出波形。2.2 方案二、半橋變換器為了減小開(kāi)關(guān)三極管的承受電壓，可以采用半橋式變換器，它是開(kāi)關(guān)電源比較好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電容C1、C2與開(kāi)關(guān)晶體管VT1、VT2組成變換器，如圖2-2所示。橋的對(duì)角線接高頻變壓器TR的初級(jí)繞組。如果C1、C2容量、耐壓均相等，在某一只開(kāi)關(guān)晶體管導(dǎo)通時(shí)，繞組上的電壓只有電源電壓Vin的一半。在穩(wěn)定的條件下，VT1導(dǎo)通，C1上的電壓1/2 Vin加在變壓器的初級(jí)線圈上。由于初級(jí)繞組和漏感的作用，電流繼續(xù)流入初級(jí)繞組黑點(diǎn)標(biāo)示端。如果變壓器初級(jí)繞組漏感儲(chǔ)存的電能足夠大，二極管VD6導(dǎo)通，鉗位電壓進(jìn)一步變負(fù)。在VD6導(dǎo)通的過(guò)程中，反激能量對(duì)C2進(jìn)行充電。連結(jié)點(diǎn)

18、A的電壓在阻尼電阻的作用下，以振蕩形式最后回到中間值。如果這時(shí)VT2的基極有觸發(fā)脈沖，則VT2導(dǎo)通，初級(jí)繞組黑點(diǎn)標(biāo)示端電壓變負(fù)，Ip電流加上磁化電流流經(jīng)初級(jí)繞組和VT2，然后重復(fù)前面的過(guò)程。不同的是Ip變換了方向。二極管VD5對(duì)三極管VT1的導(dǎo)通鉗位，反激能量再對(duì)電容C1進(jìn)行充電。 圖2-2半橋式變換器工作原理圖    該電源采用半橋式變換電路，如圖6所示，其工作頻率50kHz，在初級(jí)一側(cè)的主要部分是Q4和Q5功率管及C34和C35電容器。Q4和Q5交替導(dǎo)通、截止，在高頻變壓器初級(jí)繞組N1兩端產(chǎn)生一幅值為U1/2的正負(fù)方波脈沖電壓。能量通過(guò)變壓器傳遞到輸出端，Q4

19、和Q5采用IRFP460功率MOS管。功率變壓器的設(shè)計(jì)1）工作頻率的設(shè)定 工作頻率對(duì)電源的體積、重量及電路特性影響很大。工作頻率高，輸出濾波電感和電容體積減小，但開(kāi)關(guān)損耗增高，熱量增大，散熱器體積加大。因此根據(jù)元器件及性價(jià)比等因素，將電源工作頻率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本例為fs=50kHz。T=1/fs=1/50kHz=20s2）磁芯選用選取磁芯材料和磁芯結(jié)構(gòu)    選用R2KB鐵氧體材料制成的EE型鐵氧體磁芯。其具有品種多，引線空間大，接線操作方便，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。確定工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm      R2KB軟磁鐵氧體材料

20、的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=0.47T，考慮到高溫時(shí)Bs會(huì)下降，同時(shí)為防止合閘瞬間高頻變壓器飽和，選定Bm=1/3Bs=0.15T。計(jì)算并確定磁芯型號(hào)    磁芯的幾何截面積S和磁芯的窗口面積Q與輸出功率Po存在一定的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于半橋變換器，當(dāng)脈沖波形近似為方波時(shí)為SQ=（1）式中：效率；j電流密度，一般取300500A/cm2；Kc磁芯的填充系數(shù)，對(duì)于鐵氧體Kc=1；Ku銅的填充系數(shù)，Ku與導(dǎo)線線徑及繞制的工藝及繞組數(shù)量等有關(guān)，一般為0.10.5左右。各參數(shù)的單位是：PoW，Scm2，Qcm2，BmT，fsHz，jA/cm2。取Po=640W，Ku=0.3,j=30

21、0A/cm2,=0.8,Bm=0.15T,代入式（1）得SQ=4.558cm4由廠家手冊(cè)知，EE55磁芯的S=3.54cm2,Q=3.1042cm2,則SQ=10.9cm4，EE55磁芯的SQ值大于計(jì)算值，選定該磁芯。3)計(jì)算原副邊繞組匝數(shù)    按輸入電壓最低及輸出滿載的情況（此時(shí)占空比最大）來(lái)計(jì)算原副邊繞組匝數(shù)，已知Umin=176V經(jīng)整流濾波后直流輸入電壓Udmin=1.2×176=211.2V。對(duì)于半橋電路、功率變壓器初級(jí)繞組上施加的電壓等于輸入電壓的一半,即Upmin=Udmin/2=105.6V，設(shè)最大占定比Dmax=0.9，則tonmax=

22、×T×Dmax=×20×0.9=9.0s    一種輸出電壓416V開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)Upmin×tonmax×104=105.6×9.0×106×104代入公式N1=8.9匝    次級(jí)匝數(shù)計(jì)算時(shí)取輸出電壓最大值Uomax=16V。次級(jí)電路采用全波整流，Us為次級(jí)繞組上的感應(yīng)電壓，Uo為輸出電壓，Uf為整流二極管壓降，取1V。Uz為濾波電感等線路壓降，取0.3V，則Us=19.22VN2=×N1=×8.9=1.8匝，為了便于

23、變壓器繞制，次級(jí)繞組取為2匝，則初級(jí)繞組校正為：N1=×N2=10匝輔助電源的設(shè)計(jì)    輔助電源采用RCC變換器（RingingChokeConverter），見(jiàn)圖3。其輸入電壓為交流220V整流濾波電壓，輸出直流電壓為12.5V，輸出直流電流為0.5A。電路中Q8和變壓器初級(jí)繞組線圈N1與反饋繞組線圈N3構(gòu)成自激振蕩。R72為啟動(dòng)電阻。Q9、R77構(gòu)成輔助電源初級(jí)過(guò)流保護(hù)。D20、C81、ZD1、Q11、R75、R76構(gòu)成電壓檢測(cè)與穩(wěn)壓電路，控制Q8的基極電流的直流分量，從而保持輸出電壓恒定，變壓器采用EE19、LP3材質(zhì)構(gòu)成。初級(jí)180匝，反饋繞組

24、5.5匝，次級(jí)11匝，初級(jí)電感量是2.6mH，磁芯中間留有間隙0.4mm。2.3 方案三、正激式變換器正激式變換器開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性和輸出電壓負(fù)載特性，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較好，因此，工作比較穩(wěn)定，輸出電壓不容易產(chǎn)生抖動(dòng)，在一些對(duì)輸出電壓參數(shù)要求比較高的場(chǎng)合，經(jīng)常使用。 圖 2-3正激式變換器工作原理圖正激式變換器開(kāi)關(guān)電源工作原理：所謂正激式變換器開(kāi)關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正在被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈正好有功率輸出。圖2-3是正激式變換器開(kāi)關(guān)電源的簡(jiǎn)單工作原理圖，圖2-3中Ui是開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓，T是高頻變壓器，K是控制開(kāi)關(guān)，L是儲(chǔ)能濾波電感，C是儲(chǔ)能濾波電容，D2是續(xù)流二

25、極管，D3是削反峰二極管，R是負(fù)載電阻。需要特別注意的是高頻變壓器初、次級(jí)線圈的同名端。如果把高頻變壓器初線圈或次級(jí)線圈的同名端弄反，圖 2-3就不再是正激式變換器開(kāi)關(guān)電源了。3 各部分電路工作原理3.1 單相橋式整流電路 單相橋式整流電路可分為單相橋式全控整流電路和單相橋式半控整流電路，它們所連接的負(fù)載性質(zhì)不同就會(huì)有不同的特點(diǎn)。下面分析兩種單相橋式整流電路在帶電感性負(fù)載的工作情況。 單相橋式半控整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便。弱點(diǎn)是：輸出電壓脈動(dòng)沖大，負(fù)載電流脈沖大電阻性負(fù)載時(shí)，且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相橋式全控整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小

26、，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波，沒(méi)有直流磁化問(wèn)題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。單相橋式全控整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍，在相同的負(fù)載下流過(guò)晶閘管的平均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半。單相橋式半波相控整流電路因其性能較差，實(shí)際中很少采用，在中小功率場(chǎng)合采用更多的是單相橋式全控整流電路。 根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相橋式全控整流電路，負(fù)載為阻感性負(fù)載在生產(chǎn)實(shí)踐中，除了電阻性負(fù)載外， 最常見(jiàn)的負(fù)載還有電感性負(fù)載， 如電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，整流電路中串入的濾波電抗器等。 為了便于分析和計(jì)算， 在電路圖中將電阻和電感分開(kāi)表示。 當(dāng)整流電路帶電感性負(fù)載時(shí)，整流工作的物理過(guò)

27、程和電壓、 電流波形都與帶電阻性負(fù)載時(shí)不同。因?yàn)殡姼袑?duì)電流的變化有阻礙作用，即電感元件中的電流不能突變，當(dāng)電流變化時(shí)電感要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而阻礙其變化，所以，電路電流的變化總是滯后于電壓的變化。電路波形圖中： (b) 電源電壓； (c) 觸發(fā)脈沖； (d) 輸出電壓； (e) 輸出電流；(f) 晶閘管V1 , V4上的電流； (g) 晶閘管V -2 , V -3上的電流；(h) 變壓器副邊電流； (i) 晶閘管V1 , V4上的電壓。 圖3-1 單相全控橋式整流電路電感性負(fù)載及其波形3.1.2 參數(shù)計(jì)算 負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，整流電壓平均值可按下式計(jì)算：輸出電流波形因電感很大，平波效果很好而呈一條水平

28、線。兩組晶閘管輪流導(dǎo)電，一個(gè)周期中各導(dǎo)電180°， 且與無(wú)關(guān)， 變壓器二次繞組中電流i2的波形是對(duì)稱的正、負(fù)方波。負(fù)載電流的平均值Id和有效值I相等，其波形系數(shù)為1。在這種情況下： 當(dāng)=0°時(shí)，Ud=0.9U2； 當(dāng)=90°時(shí)，Ud=0，其移相范圍為90°。 晶閘管承受的最大正、反向電壓都是。流過(guò)每個(gè)晶閘管的電流平均值和有效值分別為。流過(guò)負(fù)載的脈動(dòng)電壓中包含有直流分量和交流分量，可將脈動(dòng)電壓做傅里葉分析。此時(shí)諧波分量中的二次諧波幅度最大，最低次諧波的幅值與平均值的比值稱為脈動(dòng)系數(shù)S。3.2 功率變換電路3.2.1 MOS管工作原理NMOS的特性是Vgs大

29、于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。開(kāi)機(jī)后，交流電通過(guò)整流濾波后一路通過(guò)變壓器初級(jí)加到開(kāi)關(guān)管Q2漏極(D極，另一路通過(guò)啟動(dòng)電阻R2、R3加到Q2柵極(G極)，從而使開(kāi)關(guān)管Q2導(dǎo)通.導(dǎo)通后,變壓器T1原邊產(chǎn)生上正下負(fù)(1正2負(fù))的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于互感，T1輔助繞組也產(chǎn)生相應(yīng)的下正上負(fù)(3正4負(fù))的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。于是T1的3腳上的正脈沖電壓通過(guò)C5、R5加到Q2的G極與S極之間，從而使Q2的漏極電流進(jìn)一步增大，于是開(kāi)關(guān)管Q2在正反饋雪崩過(guò)程的作用下迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)。二氧化硅來(lái)作為閘門(mén)極下的絕緣體。這種晶體管稱為金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體

30、管，或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET。因?yàn)镸OS管更小更省電，所以他們已經(jīng)在很多應(yīng)用場(chǎng)合取代了雙極型晶體管。 首先考察一個(gè)更簡(jiǎn)單的器件MOS電容能更好的理解MOS管。這個(gè)器件有兩個(gè)電極，一個(gè)是金屬，另一個(gè)是襯底，他們之間由一薄層二氧化硅分隔開(kāi)圖 3-1 A。金屬極就是閘門(mén)，而半導(dǎo)體端就是柵極。他們之間的絕緣氧化層稱為閘門(mén)電壓來(lái)說(shuō)明。圖3-1A中的MOS電容的閘門(mén)電位是0V。金屬閘門(mén)和半導(dǎo)體柵極在差異的電介質(zhì)（氧化層的上下）上產(chǎn)生了一個(gè)小電場(chǎng)。圖示的器件中，這個(gè)電場(chǎng)使金屬電子少了，故閘門(mén) 電介質(zhì)。圖示中的器件有一個(gè)輕摻雜P型硅做成柵極。這個(gè)MOS電容的電特性能通過(guò)把柵極接地，閘門(mén)接不同的極

31、帶正電），P型硅負(fù)電位（相對(duì)電子多了。這個(gè)電場(chǎng)把硅中底層的電子吸引到表面來(lái)，它同時(shí)把空穴排斥出表面。這個(gè)電場(chǎng)太弱了，所以載流子濃度的變化非常小，對(duì)器件整體的特性影響也非常小。 圖3-1中是當(dāng)MOS電容的閘門(mén)相對(duì)于柵極正偏置（PN結(jié)）時(shí)發(fā)生的情況。穿過(guò)閘門(mén) 電介質(zhì)的電場(chǎng)加強(qiáng)了，有更多的電子從襯底被拉了上來(lái)。同時(shí)，空穴被排斥出表面。隨著閘門(mén)電壓的升高，會(huì)出現(xiàn)表面的電子比空穴多的情況。由于過(guò)剩的電子，硅表層看上去就像N型硅。摻雜極性的反轉(zhuǎn)被稱為"反型"，反轉(zhuǎn)的硅層叫做溝渠(N Pmos的命名就是根據(jù)這里來(lái)的)。隨著閘門(mén)電壓的持續(xù)不斷升高，越來(lái)越多的電子在表面積累， 溝渠變成了強(qiáng)反

32、轉(zhuǎn)。 溝渠形成時(shí)的電壓被稱為閾值電壓Vt。當(dāng)閘門(mén)和柵極之間的電壓差小于閾值電壓時(shí)，不會(huì)形成 溝渠。當(dāng)電壓差超過(guò)閾值電壓時(shí)，溝渠就出現(xiàn)了。（其實(shí)還有個(gè)亞閾值狀態(tài)柵極電壓,此時(shí)也有載流子，也有電子通道，不過(guò)很小一般忽略，此時(shí)耗盡層的負(fù)電荷占據(jù)主要，以映像柵上的電壓)。圖 3-1 MOS電容（A）未偏置（VBG0V），（B）反轉(zhuǎn)（VBG3V），（C）積累（VBG-3V）。 圖3-1C中是當(dāng)MOS電容的閘門(mén)相對(duì)于柵極是負(fù)電壓時(shí)的情況（就好像給二極管的PN結(jié)加上正電壓）。電場(chǎng)反轉(zhuǎn)，往表面吸引空穴排斥電子。硅表層看上去更重的摻雜了，這個(gè)器件被認(rèn)為是處于電荷積累狀態(tài)了。 MOS電容的特性能被用來(lái)形成MOS管

33、。圖 3-1 A是最終器件的截面圖。閘門(mén)，電介質(zhì)和柵極保持原樣。在閘門(mén)的兩邊是兩個(gè)額外的選擇性摻雜的區(qū)域。其中一個(gè)稱為源極，另一個(gè)稱為漏極。假設(shè)源極和柵極都接地，漏極接正電壓。只要閘門(mén)對(duì)柵極的電壓仍舊小于閾值電壓，就不會(huì)形成 溝渠。漏極和柵極之間的PN結(jié)反向偏置，所以只有很小的電流從漏極流向柵極。如果閘門(mén)電壓超過(guò)了閾值電壓，在閘門(mén)電介質(zhì)下就出現(xiàn)了 溝渠。這個(gè) 溝渠就像一薄層短接漏極和源極的N型硅。由電子組成的電流從源極通過(guò) 溝渠流到漏極?？偟膩?lái)說(shuō)，只有在閘門(mén)對(duì)源極電壓V超過(guò)閾值電壓Vt時(shí)，才會(huì)有漏極電流。圖3-2 MOSFET晶體管的截面圖NMOS（A）。在圖中，S源極，G=閘門(mén),D=漏極。雖

34、然柵極圖上也有，但沒(méi)有說(shuō)明。MOS管的源極和漏極是可以對(duì)調(diào)的，他們都是在P型柵極中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的，即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱的。在對(duì)稱的MOS管中，對(duì)源極和漏極的標(biāo)注有一點(diǎn)任意性。定義上，載流子流出源極，流入漏極。因此源極和漏極的身份就靠器件的偏置來(lái)決定了。有時(shí)晶體管上的偏置電壓是不定的，兩個(gè)引線端就會(huì)互相對(duì)換角色。這種情況下，電路設(shè)計(jì)師必須指定一個(gè)是漏極另一個(gè)則是源極。源極和漏極不同摻雜不同幾何形狀的就是非對(duì)稱MOS管。制造非對(duì)稱晶體管有很多理由，但所有的最終結(jié)果都是一樣的。一個(gè)引線端被優(yōu)化作為漏極，另一個(gè)被優(yōu)化作為源極。如果漏極

35、和源極對(duì)調(diào)，這個(gè)器件就不能正常工作了。圖 3-2 A中的晶體管有N型 溝渠所有它稱為N- 溝渠 MOS管，或NMOS。如果這個(gè)晶體管的閘門(mén)相對(duì)于柵極正向偏置，電子就被吸引到表面，空穴就被排斥出表面。硅的表面就積累，沒(méi)有 溝渠形成。如果閘門(mén)相對(duì)于柵極反向偏置，空穴被吸引到表面， 溝渠形成了。由于NMOS管的閾值電壓是正的，PMOS的閾值電壓是負(fù)的，所以工程師們通常會(huì)去掉閾值電壓前面的符號(hào)。一個(gè)工程師可能，從0.6V上升到0.7V”，實(shí)際上PMOS的Vt是從-0.6V下降到-0.7V。 極帶輕微的正電位是因?yàn)橄旅嬉r底是P型的空穴多，電子少，故需要從別處"搶來(lái)"電子，所以氧化物處

36、。 圖 3-2 功率變換電路工作原理:圖3-2的R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2組成緩沖器，和開(kāi)關(guān)MOS管并接，使開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力減少，EMI減少，不發(fā)生二次擊穿。在開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，變壓器的原邊線圈易產(chǎn)生尖峰電壓和尖峰電流，這些元件組合一起，能很好地吸收尖峰電壓和電流。從R3測(cè)得的電流峰值信號(hào)參與當(dāng)前工作周波的占空比控制，因此是當(dāng)前工作周波的電流限制。當(dāng)R5上的電壓達(dá)到1V時(shí)，UC3842停止工作，開(kāi)關(guān)管Q1立即關(guān)斷 。 R1和Q1中的結(jié)電容CGS、CGD一起組成RC網(wǎng)絡(luò)，電容的充放電直接影響著開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)速度。R1過(guò)小，易引起振蕩，電磁干擾也會(huì)很大；R1過(guò)大，會(huì)降低開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)速度。

37、Z1通常將MOS管的GS電壓限制在18V以下，從而保護(hù)了MOS管。 Q1的柵極受控電壓為鋸形波，當(dāng)其占空比越大時(shí)，Q1導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，變壓器所儲(chǔ)存的能量也就越多；當(dāng)Q1截止時(shí)，變壓器通過(guò)D1、D2、R5、R4、C3釋放能量，同時(shí)也達(dá)到了磁場(chǎng)復(fù)位的目的，為變壓器的下一次存儲(chǔ)、傳遞能量做好了準(zhǔn)備。IC根據(jù)輸出電壓和電流時(shí)刻調(diào)整著腳鋸形波占空比的大小，從而穩(wěn)定了整機(jī)的輸出電流和電壓。 C4和R6為尖峰電壓吸收回路。 3.3正激式變換電路設(shè)計(jì)正激式是指變壓器的初級(jí)與次級(jí)同相位。正激式變換器的優(yōu)點(diǎn)是銅損低，因?yàn)槭褂脽o(wú)氣隙磁芯，電感量較高，變壓器的峰值電流比較小，輸出電壓紋波低；缺點(diǎn)是電路較為復(fù)雜，所用元器

38、件多，如果有假負(fù)載存在，效率將降低。它適用于低電壓、大電流的開(kāi)關(guān)電源，多用于150W以下的小功率場(chǎng)合。它還具有多臺(tái)電源并聯(lián)使用而互不受影響的特點(diǎn)，而且可以自動(dòng)均衡，而反激式卻不能做到這點(diǎn)。C19是開(kāi)關(guān)晶體管鉗位消噪電路；VD8是肖特基整流二極管，它的作用非常重要，差不多40%的功耗損失在整流二極管上。3.3.1肖特基二極管肖特基二極管SBD是一種N型半導(dǎo)體器件，工作在低電壓、大電流狀態(tài)下，反向恢復(fù)時(shí)間短，只有納秒，正向?qū)▔航禐?.4V，而整流電流達(dá)數(shù)百安。它是最近在開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用得最多的一種器件。區(qū)分肖特基二極管和超快速恢復(fù)二極的方法是二者的正向壓降不同，肖特基二極管的正向壓降為0.3V，超

39、快速恢復(fù)二極管的正向壓降啊0.6V。值得注意的是：肖特基二極管的最高反向工作電壓一般不超過(guò)100V，它適合用在低電壓、大電流的開(kāi)關(guān)電源中。因此，在本設(shè)計(jì)中肖特基二極管的采用為MBR1045。肖特基二極管MBR1045參數(shù)如下：型號(hào)：MBR1045；反向峰值電壓Vrm：45；平均整流電流Id：10A；反向恢復(fù)時(shí)Trr：<10ns。3.4 高頻變壓器的設(shè)計(jì)3.4.1 變壓器的設(shè)計(jì)正激式變換器的占空比不得大于0.5，工作頻率應(yīng)低于100KHz，這對(duì)高頻變壓器的和開(kāi)關(guān)功率管來(lái)說(shuō)比較有利。輸入：85V265V，AC,50Hz。輸出：24V/10A，DC。（2） 工作頻率的確定工作頻率的確定，輸出電

40、壓高，響應(yīng)速度快，調(diào)整范圍大，但是場(chǎng)效應(yīng)管、整流二極管以及變壓器等發(fā)熱多。損耗大，噪聲大?，F(xiàn)選用100kHz，電源效率取80%。工作周期為：（3） 最大導(dǎo)通時(shí)間Ton（max）的確定正激式變壓器的占空比D（max）應(yīng)該低于0.5 ，現(xiàn)選用D（max）=0.45 ，D（min）=0.2，得：（4） 變壓器次級(jí)輸出電壓（Vs）的計(jì)算這公式中Vo為肖特基二極管的正向壓降，取值0.6V，VL為濾波電感器的壓降，取值為0.4V。（5） 變壓器匝數(shù)比（n）的計(jì)算變壓器初級(jí)的最低直流電壓為，一般設(shè)。（6） 輸入功率的計(jì)算 表1 輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系尺寸磁芯型號(hào)A/H（max）B/h（max）C（max）

41、D（max）有效截面積（mm2）輸出功率Po（W）窗口面積Be（mm2）50kHz100kHz150kHz200kHzEE1616/812/644.51881216189EE1919/714/645201520304012.5EE2222/1119/866362030508019.5EE2525/1719/13764240559013018EE2828/1720/87.510.278509014020031.9EE3038/2121/171110.51159513021026052.9EE3535/2028/18111011012017030044042.5EE4040/2735/211211

42、.513819029042055066.15EE4545/3038/23131215622035051065075根據(jù)輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系（見(jiàn)表1），選用EE35，其有效截面積。（7） 變壓器次級(jí)匝數(shù)的計(jì)算Bm為磁通密度，實(shí)際應(yīng)用磁芯的最高溫度為100，可以選用0.3T以下。對(duì)于正激式變壓器，它是單向勵(lì)磁?？紤]到剩磁問(wèn)題和工作頻率，現(xiàn)選用為0.2T。（8） 反饋繞組的計(jì)算的最低啟動(dòng)電壓為16V，正常工作電壓為20V，加上整流二極管的管壓降0.6V，所以反饋繞組的供電電壓為20.8V。（9） 重新確定是否達(dá)到要求占空比： 占空比符合要求，未超過(guò)設(shè)計(jì)范圍，匝數(shù)成立，假設(shè)可行。（10） 扼流圈電

43、感的計(jì)算扼流圈在電路中起著平滑濾波的作用，它的大小對(duì)輸出波紋電壓的大小似乎起不到很大的作用，但它對(duì)于維持負(fù)載最小電流卻起著很大的作用。中的電流在連續(xù)和斷續(xù)兩種模式下工作，不論哪種模式，只要輸入輸出電壓不變，電流波形的斜率不會(huì)因負(fù)載電流的增大或減小的改變。 實(shí)踐表明，在不連續(xù)工作狀態(tài)下，為達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定，占空比調(diào)節(jié)量的大小是由負(fù)載和輸入電壓變化量的大小同決定的。 當(dāng)輸出電流因負(fù)載變化而降低時(shí)，占空比較小，調(diào)節(jié)輸出電壓不變；如果電路負(fù)載恒定，占空比下降，這時(shí)輸出電壓也會(huì)下降。這種現(xiàn)象是非常不好的，這是因?yàn)橹鬏敵龆罅魅﹄姼胁皇翘幱谶B續(xù)狀態(tài)。 增大扼流圈的電感，輸出回路雖然可以在工作連續(xù)模式下，但對(duì)

44、電源的效率、體積以及安裝都會(huì)帶來(lái)限制，同時(shí)輸出電流變化率將出現(xiàn)較大的變化。認(rèn)真計(jì)算和調(diào)試選用扼流圈非常重要。流經(jīng)扼流圈的電流一般是輸出電流的20%： 扼流圈的電感量L為：要求輸出紋波電壓應(yīng)小于輸出電壓的1%。 （11） 計(jì)算變壓器初級(jí)電感量初級(jí)有效電流： 初級(jí)最大電流： 初級(jí)電感量： 求磁芯氣隙3.4.2 控制電路工作原理圖3-4給出實(shí)際應(yīng)用最多的RCC方式的基本電路圖。為簡(jiǎn)化穩(wěn)態(tài)分析，可做如下近似；1、忽略變壓器漏感對(duì)主管1rT的集射極電壓CEV的影響，實(shí)際使用時(shí)需要RCD箝位； 2、主電路輸出電容足夠大，輸出繞組電壓箝位于輸出電壓OV；3、穩(wěn)態(tài)時(shí)電容2C上的電壓保持不變；4、穩(wěn)態(tài)時(shí)電阻gR

45、的作用可以忽略。 圖3-4 RCC工作基本原理圖 3.5 L431的功能TL431是一個(gè)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(gè)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，典型動(dòng)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(kāi)關(guān)電源等等。 圖3-5該器件的電路符號(hào)。3個(gè)引腳分別為：陰極（CATHODE）、陽(yáng)極（ANODE）和參考端（REF）。圖 3-5 TL431電路符號(hào)和等效電路由圖3-5可以看到，VI是一個(gè)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

46、近VI（2.5V）時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過(guò)，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過(guò)三極管圖4-2的電流將從1mA到100mA變化。當(dāng)然，該圖絕不是TL431的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡(jiǎn)單地用這種組合來(lái)代替它。但如果在設(shè)計(jì)、分析應(yīng)用TL431的電路時(shí)，這個(gè)模塊圖對(duì)開(kāi)啟思路，理解電路都是很有幫助的。 圖 3-6TL431 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.6 短路保護(hù)電路 輸入保護(hù)器件 隔離式開(kāi)關(guān)電源在加電時(shí)會(huì)產(chǎn)生極高的浪涌電流設(shè)計(jì)者必須在電源的輸入端采取一些限流措施才能有效地將浪涌電流減小到允許的范圍之內(nèi)。浪涌電流主要是由濾波電容充電引起的在開(kāi)關(guān)管開(kāi)始導(dǎo)通的瞬間電容對(duì)交流呈現(xiàn)出很低的阻抗。如果不采取任

47、何保護(hù)措施浪涌電流可接近幾百安培。 通常廣泛采用的措施有兩種。一種方法是利用電阻一雙向可控硅并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。另一種方法是采用負(fù)溫度系數(shù)(NTc)的熱敏電阻。用以增加對(duì)交流線路的阻抗，把浪涌電流減小到安全值。 電阻雙向可控硅技術(shù)。采用此項(xiàng)浪涌電流限制技術(shù)時(shí)，將電阻與交流輸入線相串聯(lián)。當(dāng)輸入濾波電容充滿電后。由于雙向可控硅和電阻是并聯(lián)的，可以把電阻短路，對(duì)其進(jìn)行分流。這種電路結(jié)構(gòu)需要一個(gè)觸發(fā)電路，當(dāng)某些預(yù)定的條件滿足后，觸發(fā)電路把雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通。設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真地選擇雙向可控硅的參數(shù)，并加上足夠的散熱片，因?yàn)樵谒鼘?dǎo)通時(shí)，要流過(guò)全部的輸入電流。 熱敏電阻技術(shù)。這種方法是把NTc(負(fù)溫度系數(shù))的熱敏電阻串聯(lián)

48、在交流輸入端或者串聯(lián)在經(jīng)過(guò)橋式整流后的直流線上。由于阻值較大。它就限制了浪涌電流，當(dāng)電容開(kāi)始充電時(shí)，充電電流流過(guò)熱敏電阻開(kāi)始對(duì)其加熱。由于熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，隨著電阻的加熱。其電阻值開(kāi)始下如果熱敏電阻選擇得合適在負(fù)載電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其阻值應(yīng)該是最小。這樣就不會(huì)影響整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的效率。 輸入瞬間電壓保護(hù) 在一般情況下交流電網(wǎng)上的電壓為115v或230v左右。但有時(shí)也會(huì)有高壓的尖峰出現(xiàn)。比如電網(wǎng)附近有電感性開(kāi)關(guān)，暴風(fēng)雨天氣時(shí)的雷電現(xiàn)象，都是產(chǎn)生高尖峰的因素。受?chē)?yán)重的雷電影響，電網(wǎng)上的高壓尖峰可達(dá)5kv。 雖然電壓尖峰持續(xù)的時(shí)間很短但是它確有足夠的能量使開(kāi)關(guān)電源的輸入濾波器、開(kāi)關(guān)晶體管等造成

49、致命的損壞。所以必須要采取措施加以避免。用在這種環(huán)境中最通用的抑制干擾器件是金局氧化物壓敏電阻(VDR)瞬態(tài)電壓抑制器。壓敏電阻起到一個(gè)可變阻抗的作用。也就是說(shuō)，當(dāng)高壓尖峰瞬間出現(xiàn)在壓敏電阻兩端時(shí)，它的阻抗急劇減小到一個(gè)低值，消除了尖峰電壓使輸入電壓達(dá)到安全值。瞬間的能量消耗在壓敏電阻上。1、 短路保護(hù):當(dāng)輸出短路時(shí),輔助繞組3腳電位跟著抬升，從而使Z1擊穿,使Q3導(dǎo)通關(guān)斷Q2柵極 電位，從而關(guān)斷震蕩,起到保護(hù)作用。2、過(guò)流保護(hù):當(dāng)輸出功率增大時(shí),輸出電壓下掉,經(jīng)過(guò)431反射,使光耦導(dǎo)通程度加強(qiáng)，也即通過(guò)光耦次級(jí)流到R8的電流增加，當(dāng)加在R8上的電壓>=Q3的B-E導(dǎo)通電壓時(shí),Q3導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。圖4-1開(kāi)關(guān)電源的工作原理 4、電路的總結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)電源的工作原理如圖4-1所示，輸入電壓為AC85-256V,50Hz的交流電，經(jīng)過(guò)濾波，再由整流橋整流后變?yōu)橹绷?，通過(guò)控