《大學(xué)生電子競賽設(shè)計與實踐》第二講-駱雅琴

1、大學(xué)生電子設(shè)計競賽大學(xué)生電子設(shè)計競賽 設(shè)計與實踐設(shè)計與實踐 （第二講）（第二講）電氣信息學(xué)院電工學(xué)教研室駱雅琴2011.3.252011.3.25內(nèi)容內(nèi)容開關(guān)電源的介紹開關(guān)電源的介紹09年全國電子設(shè)計競賽安徽賽區(qū)一等獎年全國電子設(shè)計競賽安徽賽區(qū)一等獎09年全國電子設(shè)計競賽一等獎年全國電子設(shè)計競賽一等獎電子設(shè)計競賽培訓(xùn)作業(yè)電子設(shè)計競賽培訓(xùn)作業(yè)2什么是電源什么是電源電源電源-電子設(shè)備的心臟電子設(shè)備的心臟電流電流-輸送動力和信息輸送動力和信息什么是開關(guān)電源什么是開關(guān)電源 兩類電源：兩類電源：線性穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓電源-工作在線性放大區(qū)工作在線性放大區(qū)開關(guān)穩(wěn)壓電源開關(guān)穩(wěn)壓電源-工作在開關(guān)狀態(tài)工作在開關(guān)狀

2、態(tài)變換效率低，一般變換效率低，一般35%60%變換效率高，一般變換效率高，一般70%95%開關(guān)電源的發(fā)展開關(guān)電源的發(fā)展 隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源。都離不開可靠的電源。 進入進入80年代計算機電源全面實現(xiàn)了開關(guān)電源年代計算機電源全面實現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計算機的電源換代；化，率先完成計算機的電源換代； 進入進入90年代開關(guān)電源相繼進入各種電子、電年代開關(guān)電源相繼進入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機、通訊、電子檢測設(shè)備電器設(shè)備領(lǐng)域，

3、程控交換機、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源，源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源，更促進了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。更促進了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開關(guān)電源的組成：開關(guān)電源的組成：一、主電路一、主電路1、輸入濾波器：、輸入濾波器：其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時也阻礙本機產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。，同時也阻礙本機產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。2、整流與濾波：整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級變換?；闹绷麟姡怨┫乱患壸儞Q。3、逆變：逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這將整

4、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。量與輸出功率之比越小。4、輸出整流與濾波：輸出整流與濾波：根據(jù)負載需要，提供穩(wěn)定可根據(jù)負載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。靠的直流電源。二、控制電路二、控制電路 一方面從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)定標準進行一方面從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)定標準進行比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達到輸出穩(wěn)定；，達到輸出穩(wěn)定； 另一方面，根據(jù)測試電路提供的資料，經(jīng)另一方面，根據(jù)測試電路提供的資料，經(jīng)保護電路鑒別，提供控制電路對整機進行各種保

5、護電路鑒別，提供控制電路對整機進行各種保護措施。保護措施。三、檢測電路三、檢測電路 除了提供保護電路中正在運行的各種參數(shù)除了提供保護電路中正在運行的各種參數(shù)外，還提供各種顯示儀表資料。外，還提供各種顯示儀表資料。四、輔助電源四、輔助電源提供所有單一電路的不同要求電源提供所有單一電路的不同要求電源開關(guān)穩(wěn)壓電源開關(guān)穩(wěn)壓電源 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。種電源。 開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制）控制IC和和M

6、OSFET。開關(guān)控制穩(wěn)壓原理開關(guān)控制穩(wěn)壓原理 開關(guān)開關(guān)K以一定的時間間隔重復(fù)地接通和斷開。以一定的時間間隔重復(fù)地接通和斷開。 在開關(guān)在開關(guān)K接通時，輸入電源接通時，輸入電源E通過開關(guān)通過開關(guān)K和濾波和濾波電路提供給負載電路提供給負載RL，在整個開關(guān)接通期間，電源，在整個開關(guān)接通期間，電源E向負載提供能量；向負載提供能量； 當(dāng)開關(guān)當(dāng)開關(guān)K斷開時，輸入電源斷開時，輸入電源E便中斷了能量的便中斷了能量的提供。提供。 可見，輸入電源向負載提供能量是斷續(xù)的，為可見，輸入電源向負載提供能量是斷續(xù)的，為使負載能得到連續(xù)的能量提供，開關(guān)穩(wěn)壓電源必須使負載能得到連續(xù)的能量提供，開關(guān)穩(wěn)壓電源必須要有一套儲能裝置，

7、在開關(guān)接通時將一部份能量儲要有一套儲能裝置，在開關(guān)接通時將一部份能量儲存起來，在開關(guān)斷開時，向負載釋放。存起來，在開關(guān)斷開時，向負載釋放。儲能元件儲能元件 由電感由電感L、電容、電容C2和二極管和二極管D組成的電路組成的電路，就具有這種功能。，就具有這種功能。 電感電感L用以儲存能量，在開關(guān)斷開時，儲存用以儲存能量，在開關(guān)斷開時，儲存在電感在電感L中的能量通過二極管中的能量通過二極管D釋放給負載，使負釋放給負載，使負載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量，因二極管載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量，因二極管D使負載電使負載電流連續(xù)不斷，所以稱為續(xù)流二極管。流連續(xù)不斷，所以稱為續(xù)流二極管。電壓平均值電壓平均值EAB 在在A

8、B間的電壓平均值間的電壓平均值EAB可用下式表示：可用下式表示： E EABAB=TON/T=TON/T* *E E 式中式中TON為開關(guān)每次接通的時間，為開關(guān)每次接通的時間，T為開關(guān)通斷的為開關(guān)通斷的工作周期（即開關(guān)接通時間工作周期（即開關(guān)接通時間TON和關(guān)斷時間和關(guān)斷時間TOFF之和之和）。）。 由式可知，改變開關(guān)接通時間和工作周期的比例，由式可知，改變開關(guān)接通時間和工作周期的比例，AB間電壓的平均值也隨之改變，因此，隨著負載及輸間電壓的平均值也隨之改變，因此，隨著負載及輸入電源電壓的變化自動調(diào)整入電源電壓的變化自動調(diào)整TON和和T的比例便能使輸出的比例便能使輸出電壓電壓V0維持不變。改變

9、接通時間維持不變。改變接通時間TON和工作周期比例亦和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比，這種方法稱為即改變脈沖的占空比，這種方法稱為“時間比率控制時間比率控制”（Time Ratio Control,縮寫為縮寫為TRC）。）。TRC控制原理控制原理按按TRC控制原理，有三種方式：控制原理，有三種方式： 一、一、脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation,縮寫為縮寫為PWM）開關(guān)周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空）開關(guān)周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式。比的方式。 二、二、脈沖頻率調(diào)制脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation,縮縮

10、寫為寫為PFM）導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過改變開關(guān)工作頻率）導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過改變開關(guān)工作頻率來改變占空比的方式。來改變占空比的方式。 三、三、混合調(diào)制混合調(diào)制導(dǎo)通脈沖寬度和開關(guān)工作頻率均不固定，彼此都能改變導(dǎo)通脈沖寬度和開關(guān)工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的混合。的方式，它是以上二種方式的混合。典型電路典型電路降壓式變換電路（降壓式變換電路（BuckBuck電路）電路） 開關(guān)導(dǎo)通時等效電路 開關(guān)關(guān)斷時等效電路 BUCK電路基本結(jié)構(gòu)電路基本結(jié)構(gòu) 等效的電路模型及基本規(guī)律等效的電路模型及基本規(guī)律 （1）從電路可以看出，電感）從電路可以看出，電感L和電容和電容C組成低通濾波器

11、，此組成低通濾波器，此濾濾 波器設(shè)計波器設(shè)計 的原則是使的原則是使 us(t)的直流分量可以通過，而抑制的直流分量可以通過，而抑制 us(t) 的諧波分量通過；電容上輸出電壓的諧波分量通過；電容上輸出電壓uo(t)就是就是 us(t) 的直流分量再的直流分量再附加微小紋波附加微小紋波uripple(t) 。 （2）電路工作頻率很高，一個開關(guān)周期內(nèi)電容充）電路工作頻率很高，一個開關(guān)周期內(nèi)電容充 放電引起放電引起的紋波的紋波uripple(t) 很小，相對于電容上輸出的直流電壓很小，相對于電容上輸出的直流電壓Uo有：有： 電容上電壓宏觀上可以看作恒定。電容上電壓宏觀上可以看作恒定。 電路穩(wěn)態(tài)工作時

12、，輸電路穩(wěn)態(tài)工作時，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，宏出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，宏觀上可以看作是恒定直流，這就是開關(guān)電路穩(wěn)態(tài)分析中觀上可以看作是恒定直流，這就是開關(guān)電路穩(wěn)態(tài)分析中的小紋波近似原理。的小紋波近似原理。 （3）在開關(guān)過程中，電容電壓有過渡過程，在電）在開關(guān)過程中，電容電壓有過渡過程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時，電路達到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達路穩(wěn)態(tài)工作時，電路達到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達到平衡。到平衡。 （4）開關(guān)）開關(guān)S置于置于1位時，電感電流增加，電感儲能位時，電感電流增加，電感儲能；而當(dāng)開關(guān)；而當(dāng)開關(guān)S置于置于2位時，電感電流減小，電感釋能。假位

13、時，電感電流減小，電感釋能。假定電流增加量大于電流減小量，則一個開關(guān)周期內(nèi)電感定電流增加量大于電流減小量，則一個開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量為：上磁鏈增量為： 此增量將產(chǎn)生一個平均感應(yīng)電勢：此增量將產(chǎn)生一個平均感應(yīng)電勢： 此電勢將減小電感電流的上升速度并同時降低電感此電勢將減小電感電流的上升速度并同時降低電感電流的下降速度，最終將導(dǎo)致一個周期內(nèi)電感電流平均電流的下降速度，最終將導(dǎo)致一個周期內(nèi)電感電流平均增量為零。這種在穩(wěn)態(tài)狀況下一個周期內(nèi)電感電流平均增量為零。這種在穩(wěn)態(tài)狀況下一個周期內(nèi)電感電流平均增量（磁鏈平均增量）為零的現(xiàn)象稱為：電感伏秒平衡增量（磁鏈平均增量）為零的現(xiàn)象稱為：電感伏秒平衡。這是

14、。這是電力電子電路電力電子電路穩(wěn)態(tài)運行時的一個普遍規(guī)律。穩(wěn)態(tài)運行時的一個普遍規(guī)律。 想設(shè)計一個想設(shè)計一個MPPT控制器，用的是控制器，用的是BUCK電路，但不知道電路電路，但不知道電路中的電感和電容參數(shù)如何選擇？中的電感和電容參數(shù)如何選擇？答案答案 只要是輸出電壓低于輸入電壓都可以使用只要是輸出電壓低于輸入電壓都可以使用BUCK電路。電感的取值取決于最大脈沖寬度。也就是脈沖寬電路。電感的取值取決于最大脈沖寬度。也就是脈沖寬度越大，所取的電感量也越大。電容器主要起平波作用度越大，所取的電感量也越大。電容器主要起平波作用，與脈沖頻率和負載的阻抗，與脈沖頻率和負載的阻抗R有關(guān)，可以取有關(guān)，可以取RC

15、10倍脈倍脈沖周期左右，具體看對輸出紋波的要求。沖周期左右，具體看對輸出紋波的要求。電感和電容的取值需要根據(jù)開關(guān)頻率計算電感和電容的取值需要根據(jù)開關(guān)頻率計算技術(shù)論壇技術(shù)論壇開關(guān)電源集成控制器開關(guān)電源集成控制器開關(guān)電源主要由主回路和控制回路組成。開關(guān)電源主要由主回路和控制回路組成。主回路主回路-將交流電網(wǎng)的電能傳遞給負載。將交流電網(wǎng)的電能傳遞給負載?？刂苹芈房刂苹芈?將按輸入條件控制主回路的工作狀態(tài)。將按輸入條件控制主回路的工作狀態(tài)。將控制回路集成化即稱為將控制回路集成化即稱為開關(guān)電源集成控制器。開關(guān)電源集成控制器。SG3525開關(guān)電源集成控制器功能：開關(guān)電源集成控制器功能：控制主回路控制主回路

16、-把交流電壓變換成符合設(shè)計要求的把交流電壓變換成符合設(shè)計要求的高頻方波脈沖電壓。高頻方波脈沖電壓。電壓調(diào)整電壓調(diào)整-穩(wěn)壓控制。穩(wěn)壓控制。提供保護提供保護-對電源和負載。對電源和負載。.常用開關(guān)電源集成控制器是脈寬調(diào)制型常用開關(guān)電源集成控制器是脈寬調(diào)制型-SG3525SG3525應(yīng)用應(yīng)用 雙端輸出驅(qū)動雙端輸出驅(qū)動MOS功率管的電路功率管的電路 圖示圖示SG3525輸出驅(qū)動輸出驅(qū)動MOS功率管的電路。功率管的電路。該電路十分簡單，輸出可以直接接一個變壓器。此該電路十分簡單，輸出可以直接接一個變壓器。此變壓器初級不用中心抽頭，它既能使次級電平移動變壓器初級不用中心抽頭，它既能使次級電平移動，又能與主

17、變換器的電路隔離。，又能與主變換器的電路隔離。開關(guān)電源設(shè)計開關(guān)電源設(shè)計 開關(guān)電源設(shè)計已成為電力電子學(xué)最重要的開關(guān)電源設(shè)計已成為電力電子學(xué)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，開關(guān)電源的原理看似簡單，但應(yīng)用領(lǐng)域。然而，開關(guān)電源的原理看似簡單，但實際上想要設(shè)計一個好的電源，要涉及半導(dǎo)體物實際上想要設(shè)計一個好的電源，要涉及半導(dǎo)體物理、控制理論、磁學(xué)等眾多學(xué)科，對設(shè)計者的專理、控制理論、磁學(xué)等眾多學(xué)科，對設(shè)計者的專業(yè)要求很高，因此許多初學(xué)者歷經(jīng)艱苦，仍然不業(yè)要求很高，因此許多初學(xué)者歷經(jīng)艱苦，仍然不得其門而入。得其門而入。0909年年全國電子設(shè)計競賽全國電子設(shè)計競賽安徽賽區(qū)一等獎安徽賽區(qū)一等獎光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置（光

18、伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置（09年年A題）題）【本科組本科組】一、任務(wù)一、任務(wù) 安工大測控安工大測控06、自動化、自動化06， 系統(tǒng)總框圖系統(tǒng)總框圖 圖圖-12 -12 數(shù)字示波器實測數(shù)字示波器實測變壓器輸出波形圖變壓器輸出波形圖圖圖-13 -13 模擬示波器實測模擬示波器實測變壓器輸出波形圖變壓器輸出波形圖光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置摘要摘要本系統(tǒng)以本系統(tǒng)以ST7單片機為核心，由具有最大功率點跟蹤的單片機為核心，由具有最大功率點跟蹤的前級電路和產(chǎn)生高正弦度的逆變電路組成。本系統(tǒng)高頻前級電路和產(chǎn)生高正弦度的逆變電路組成。本系統(tǒng)高頻能量傳輸環(huán)節(jié)短，工作穩(wěn)定性高，特性易于控制，逆變能量傳輸環(huán)節(jié)短，工作穩(wěn)定性高，特性易于控制，逆變電路的工作狀態(tài)好，系統(tǒng)效率高。系統(tǒng)中的高頻開關(guān)管電路的工作狀態(tài)好，系統(tǒng)效率高。系統(tǒng)中的高頻開關(guān)管采用了隔離驅(qū)動，具有抗干擾能力強、輸出穩(wěn)定。本系采用了隔離驅(qū)動，具有抗干擾能力強、輸出穩(wěn)定。本系統(tǒng)具有頻率、相位跟蹤；具有輸入欠壓保護，輸出過流統(tǒng)具有頻率、相位跟蹤；具有輸入欠壓保護，輸出過流保護，過熱保護等功能，還具有波形失真度小、帶載能保護，過熱保護等功能，還具有波形失真度小、帶載能力強