多用途小功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書目錄1 緒論21.1 引言21.2開關(guān)電源市場(chǎng)情況21.3 開關(guān)電源的技術(shù)性能31.4 設(shè)計(jì)的指標(biāo)52 開關(guān)電源電路的工作原理62.1 開關(guān)電源的電路組成62.2 輸入電路的原理及常見電路62.3 功率變換電路72.4 輸出整流濾波電路92.5 穩(wěn)壓環(huán)路原理102.6 短路保護(hù)電路112.7 輸出端限流保護(hù)143 基于TL494開關(guān)電源的實(shí)現(xiàn)153.1 芯片選擇153.2 整個(gè)控制電路的設(shè)計(jì)183.3 整個(gè)系統(tǒng)框圖274 可靠性分析284.1 影響開關(guān)電源可靠性的因素284.2 可靠性設(shè)計(jì)的原則304.3 可靠性設(shè)計(jì)314.4 電源的熱設(shè)計(jì)325 總結(jié)34參考文獻(xiàn)35

2、1 緒論1.1 引言 隨著電力電子技術(shù)的告訴發(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)備都離不開可靠的電源，進(jìn)入80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代，進(jìn)入90年代開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)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，更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。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(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng)，但二者增長(zhǎng)速

3、率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。    開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。1.2 開關(guān)電源市場(chǎng)情況據(jù)FrostSaullivan公司的資料顯示，1999年，全球開關(guān)電源市場(chǎng)的規(guī)模從1992年的

4、84億美元猛增至166億美元，平均年增長(zhǎng)率為10。這是由于作為電源和開關(guān)電源最主要用戶的計(jì)算機(jī)及其外轉(zhuǎn)設(shè)備市場(chǎng)的不斷發(fā)展，以通訊通信業(yè)的異軍突起，促進(jìn)了開關(guān)電源市場(chǎng)的日益增長(zhǎng)，使全球開關(guān)電源市場(chǎng)呈現(xiàn)出十分美好的前景。 目前，在計(jì)算機(jī)、電子儀器儀表和通信設(shè)備中應(yīng)用得最多的開關(guān)電源，有ACDC、DCDC兩種。到2000年，ACDC產(chǎn)品所占的市場(chǎng)份額，將從1992年的80%減少為76%，而DCDC產(chǎn)品所占的市場(chǎng)份額，將從1992年的20增長(zhǎng)為24de。開關(guān)電源除了主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通信領(lǐng)域之外，還普遍應(yīng)用在通用工業(yè)和消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域。 開關(guān)電源產(chǎn)品的主要特點(diǎn)是體積小、重量輕、效率高，正在向

5、著模塊化、擴(kuò)大輸出電壓范圍、提高輸人端功率因數(shù)、抗電磁干擾性強(qiáng)以及附加備用電池的方向發(fā)展。在開關(guān)電源領(lǐng)域，正在開展一系列的技術(shù)革新，例如功率系數(shù)的校正、相位調(diào)制、高頻電源、零電壓和零電流轉(zhuǎn)換以及單片式轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器等，所有這些改進(jìn)，都使開關(guān)電源的性能和效率大為提高，使其應(yīng)用范圍大大拓寬，尤其在新興的通信領(lǐng)域大有用武之地。1998年上半年，世界上生產(chǎn)開關(guān)電源的廠商已達(dá)600多家。雖然開關(guān)電源的廠商不少，但是由于業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，目前還沒有哪一家廠商能獨(dú)家壟斷市場(chǎng)。 日本和美國(guó)的電子工業(yè)和通信業(yè)很發(fā)達(dá)，因此對(duì)開關(guān)電源的需求量非常大。日本約占全球市場(chǎng)的50%；美國(guó)約占29%；歐洲約占11；亞洲（除日本

6、以外）約占5。雖然亞洲目前在全球開關(guān)電源市場(chǎng)上所占比例尚小，但是，據(jù)FrostSullivan公司預(yù)測(cè)，到2000年，由于亞洲通信業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)開關(guān)電源的需求也將與日俱增，其需求量在全球市場(chǎng)上的比例將翻一番，上升至10，并且這個(gè)比例還將在對(duì)世紀(jì)初期繼續(xù)增長(zhǎng)，從而成為世界上最有發(fā)展?jié)摿Φ拈_關(guān)電源市場(chǎng)之一。1.3 開關(guān)電源的技術(shù)性能開關(guān)電源產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向是高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和實(shí)現(xiàn)模塊化。小型、薄型、輕運(yùn)化。由于電源輕、小、薄的關(guān)鍵是高頻化，因此國(guó)外目前都在致力于同步開發(fā)新型高智能元器件，特別是改善二次整流管的損耗、變壓器電容器小型化，并同時(shí)采用SMT技術(shù)在電路板兩面布置元件以確保

7、開關(guān)電源的輕、小、薄。高效率：為了使開關(guān)電源較、小、薄，高頻化（開關(guān)頻率達(dá)兆赫級(jí)）是必然發(fā)展趨勢(shì)。而高頻化又必然使傳統(tǒng)的PWM開關(guān)（屬硬開關(guān)）功耗加大，效率降低，噪聲也提高了，達(dá)不到高頻、高效的預(yù)期效益，因此實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、本電流關(guān)斷的軟開關(guān)技術(shù)將成為開關(guān)電源產(chǎn)品未來的主流。采用軟開關(guān)技術(shù)可使效率達(dá)到8588%。據(jù)悉，美國(guó)WICOR開關(guān)電源公司設(shè)計(jì)制造了多種ECZ較開關(guān)DCDC變換器，其最大輸出功率有800W、600W、300W等，相應(yīng)的功率密度為6.2、10、17wcm3，效率為8090%；日本NemicLambda公司剛推出一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列（日本人稱這種技術(shù)為“

8、部分諧振”），開關(guān)頻率為200300kHz，功率密度為27Wcm3，用同步整流器（即用MOSFER代替肖特基二級(jí)管）使整個(gè)電路效率提高到90%。 高可靠：開關(guān)電源比連續(xù)工作電源使用的元器件多數(shù)十倍，因此降低了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器及排風(fēng)扇等器件的壽命決定著電源的壽命。追求壽命的延長(zhǎng)要從設(shè)計(jì)方面著眼，而不是從使用方面著想。美國(guó)一公司通過降低給溫、減少器件的電應(yīng)力、降低運(yùn)行電流等措施使其DCDC開關(guān)電源系列產(chǎn)品的可靠性大大提高，產(chǎn)品的MTBF高達(dá)100萬小時(shí)以上。 模塊化：無論是ACDC或是DCDC或是變換器都是朝模塊化方向發(fā)展。其特點(diǎn)是：可以用模塊電源組成分布式電源系統(tǒng)；可以

9、設(shè)計(jì)成N1冗余電源系統(tǒng)，從而提高可行性；可以做成插入式，實(shí)現(xiàn)熱更換，從而在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)能高速更換模塊插件；多臺(tái)模并聯(lián)可實(shí)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)充容量。 低噪聲：開關(guān)電源的又一缺點(diǎn)是噪聲大，單純追求高頻化，噪聲也隨之增大，采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以高頻化，又可以低噪聲。但諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)也有其難點(diǎn)，如很難準(zhǔn)確地控制開關(guān)頻率、諧振時(shí)增大了器件負(fù)荷、場(chǎng)效應(yīng)管的寄生電容易引起短路損耗、元件熱應(yīng)力轉(zhuǎn)向開關(guān)管等問題難以解決。日本把變壓器設(shè)計(jì)成初次級(jí)分離阻燃密封，自身具備對(duì)體噪聲功能的共模無噪聲隔離變壓器，既節(jié)省了噪聲濾波器，又減少了噪聲。 抗電磁干

10、擾（EMI）：當(dāng)開關(guān)電源在高頻下開關(guān)時(shí)，其噪聲通過電源線產(chǎn)生對(duì)其它電子設(shè)備的干擾，世界各國(guó)已有抗EMI的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)的FCC、德國(guó)的VDE等，研究開發(fā)抗EMI的開關(guān)電源日益顯行生要。 電源系統(tǒng)的管理和控制：應(yīng)用微處理器或微機(jī)集中控制與管理，可以及時(shí)反映開關(guān)電源環(huán)境的各種變化，中內(nèi)處理單元實(shí)現(xiàn)智能控制，可自動(dòng)診斷故障、減少維護(hù)工作量，確保正常運(yùn)行。 計(jì)算機(jī)輔助計(jì)（CAD）：利用計(jì)算機(jī)對(duì)開關(guān)電源系統(tǒng)、穩(wěn)定性分析、電路仿真、印刷電路板、熱傳導(dǎo)分析、EMI分析以及可靠性等進(jìn)行CAD設(shè)計(jì)和模擬試驗(yàn)，十分有效，是最為快速經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方法。 產(chǎn)品更新加快：目前的開關(guān)電源產(chǎn)品要求輸入電壓通用（適用世界各國(guó)

11、電網(wǎng)電壓規(guī)模）、輸出電壓范圍擴(kuò)大（如計(jì)算機(jī)和工作站需要增加3.3V這一檔電壓、程控需要增加DC150V這一電壓）、輸人端功率因數(shù)進(jìn)一步提高（最有效的方法是加一級(jí)“有源功率因數(shù)校正器APFC”），并具有安全、過壓保護(hù)等功能。1.4 設(shè)計(jì)的指標(biāo)1） 交流輸入電壓AC220V± 20 ；2） 直流輸出電壓416V可調(diào)； 3） 輸出電流040A；4） 輸出電壓調(diào)整率 1 ； 5） 紋波電壓Up 50mV；2 開關(guān)電源電路的工作原理2.1 開關(guān)電源的電路組成開關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成

12、。輔助電路有輸入過欠壓保護(hù)電路、輸出過欠壓保護(hù)電路、輸出過流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。 開關(guān)電源的電路組成方框圖如下：圖2.1開關(guān)電源的電路組成方框圖圖2.2 輸入整流、濾波電路2.2 輸入電路的原理及常見電路2.2.1 AC輸入整流濾波電路原理 防雷電路：當(dāng)有雷擊，產(chǎn)生高壓經(jīng)電網(wǎng)導(dǎo)入電源時(shí)，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1組成的電路進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時(shí)，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流過大，F(xiàn)1、F2、F3會(huì)燒毀保護(hù)后級(jí)電路。 輸入濾波電路：C1、L1、C2、C3組成的雙型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)

13、行抑制，防止對(duì)電源干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。當(dāng)電源開啟瞬間，要對(duì)C5充電，由于瞬間電流大，加RT1（熱敏電阻）就能有效的防止浪涌電流。因瞬時(shí)能量全消耗在RT1電阻上，一定時(shí)間后溫度升高后RT1阻值減?。≧T1是負(fù)溫系數(shù)元件），這時(shí)它消耗的能量非常小，后級(jí)電路可正常工作。 整流濾波電路：交流電壓經(jīng)BRG1整流后，經(jīng)C5濾波后得到較為純凈的直流電壓。若C5容量變小，輸出的交流紋波將增大。2.3 功率變換電路2.3.1 MOS管的工作原理目前應(yīng)用最廣泛的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管是MOSFET（MOS管），是利用半導(dǎo)體表面的電聲效應(yīng)進(jìn)行工作的。也稱為表面場(chǎng)效應(yīng)器件。由于它的柵極處于不導(dǎo)電

14、狀態(tài)，所以輸入電阻可以大大提高，最高可達(dá)105歐姆，MOS管是利用柵源電壓的大小，來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。2.3.2 常見的原理圖圖2.3 功率轉(zhuǎn)換電路2.3.3 工作原理R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2組成緩沖器，和開關(guān)MOS管并接，使開關(guān)管電壓應(yīng)力減少，EMI減少，不發(fā)生二次擊穿。在開關(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，開關(guān)管Q1立即關(guān)斷 。R1和Q1中

15、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關(guān)管的開關(guān)速度。R1過小，易引起振蕩，電磁干擾也會(huì)很大；R1過大，會(huì)降低開關(guān)管的開關(guān)速度。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。2.4 輸出整流濾波電路2.4.1 正

16、激式整流電路 圖2.4.1 正激式整流電路T1為開關(guān)變壓器，其初極和次極的相位同相。D1為整流二極管，D2為續(xù)流二極管，R1、C1、R2、C2為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感，C4、L2、C5組成型濾波器。圖2.4.2 反激式整流電路2.4.2 反激式整流電路 T1為開關(guān)變壓器，其初極和次極的相位相反。D1為整流二極管，R1、C1為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感，R2為假負(fù)載，C4、L2、C5組成型濾波器。2.5 穩(wěn)壓環(huán)路原理2.5.1 反饋電路原理圖 圖2.5.1 電壓反饋環(huán)路原理圖2.5.2 工作原理 當(dāng)輸出U0升高，經(jīng)取樣電阻R7、R8、R10、VR1分壓后，U1腳電壓升高，當(dāng)其超過U1腳基準(zhǔn)電

17、壓后U1腳輸出高電平，使Q1導(dǎo)通，光耦OT1發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導(dǎo)通，UC3842腳電位相應(yīng)變低，從而改變U1腳輸出占空比減小，U0降低。 當(dāng)輸出U0降低時(shí)，U1腳電壓降低，當(dāng)其低過U1腳基準(zhǔn)電壓后U1腳輸出低電平，Q1不導(dǎo)通，光耦OT1發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管不導(dǎo)通，UC3842腳電位升高，從而改變U1腳輸出占空比增大，U0降低。周而復(fù)始，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調(diào)節(jié)VR1可改變輸出電壓值。反饋環(huán)路是影響開關(guān)電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯(cuò)、漏、虛焊等，會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，故障現(xiàn)象為：波形異常，空、滿載振蕩，輸出電壓不穩(wěn)定等。2.6 短路保護(hù)電路1、在輸出端短路的情況下，PWM控

18、制電路能夠把輸出電流限制在一個(gè)安全范圍內(nèi)，它可以用多種方法來實(shí)現(xiàn)限流電路，當(dāng)功率限流在短路時(shí)不起作用時(shí)，只有另增設(shè)一部分電路。 2、短路保護(hù)電路通常有兩種，下圖是小功率短路保護(hù)電路，其原理簡(jiǎn)述如下：圖2.6.1 小功率短路保護(hù)電路當(dāng)輸出電路短路，輸出電壓消失，光耦OT1不導(dǎo)通，UC3842腳電壓上升至5V左右，R1與R2的分壓超過TL431基準(zhǔn)，使之導(dǎo)通，UC3842腳VCC電位被拉低，IC停止工作。UC3842停止工作后腳電位消失，TL431不導(dǎo)通UC3842腳電位上升，UC3842重新啟動(dòng)，周而復(fù)始。當(dāng)短路現(xiàn)象消失后，電路可以自動(dòng)恢復(fù)成正常工作狀態(tài)。 3、下圖是中功率短路保護(hù)電路，其原理簡(jiǎn)

19、述如下： 圖2.6.2 中功率短路保護(hù)電路當(dāng)輸出短路，UC3842腳電壓上升,U1 腳電位高于腳時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)腳輸出高電位，給C1充電，當(dāng)C1兩端電壓超過腳基準(zhǔn)電壓時(shí)U1腳輸出低電位，UC3842腳低于1V，UCC3842停止工作，輸出電壓為0V，周而復(fù)始，當(dāng)短路消失后電路正常工作。R2、C1是充放電時(shí)間常數(shù)，阻值不對(duì)時(shí)短路保護(hù)不起作用。圖2.6.3 限流、短路保護(hù)電路4、 上圖是常見的限流、短路保護(hù)電路。其工作原理簡(jiǎn)述如下： 當(dāng)輸出電路短路或過流，變壓器原邊電流增大，R3兩端電壓降增大，腳電壓升高，UC3842腳輸出占空比逐漸增大，腳電壓超過1V，UC3842關(guān)閉無輸出。 5、下圖是用電流互

20、感器取樣電流的保護(hù)電路，圖2.6.4 互感器取樣保護(hù)電路有著功耗小，但成本高和電路較為復(fù)雜，其工作原理簡(jiǎn)述如下：輸出電路短路或電流過大，TR1次級(jí)線圈感應(yīng)的電壓就越高，當(dāng)TL494腳超過1伏，UC3842停止工作，周而復(fù)始，當(dāng)短路或過載消失，電路自行恢復(fù)。圖2.7 輸出端限流保護(hù)2.7 輸出端限流保護(hù) 上圖是常見的輸出端限流保護(hù)電路，其工作原理簡(jiǎn)述如上圖：當(dāng)輸出電流過大時(shí)，RS（錳銅絲）兩端電壓上升，U1腳電壓高于腳基準(zhǔn)電壓，U1腳輸出高電壓，Q1導(dǎo)通，光耦發(fā)生光電效應(yīng)，UC3842腳電壓降低，輸出電壓降低，從而達(dá)到輸出過載限流的目的。3 基于TL494開關(guān)電源的實(shí)現(xiàn)3.1 芯片選擇此次設(shè)計(jì)中

21、采用的TL494電源管理芯片，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的要求。其主要特性如下：    主要特征：  1、集成了全部的脈寬調(diào)制電路。  2、片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè)（一個(gè)電阻和一個(gè)電容）。  3、內(nèi)置誤差放大器。  4、內(nèi)止5V參考基準(zhǔn)電壓源。  5、可調(diào)整死區(qū)時(shí)間。  6、內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動(dòng)能力。  

22、7、推或拉兩種輸出方式。    工作原理簡(jiǎn)述：    TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：            輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)

23、期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減小。參見圖2。    控制信號(hào)由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mV的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時(shí)，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的電壓（范圍在03.3V之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。圖3.1 TL494的控制波形脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到3.5時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死

24、區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降到零。兩個(gè)誤差放大器具有從-0.3V到（Vcc-2.0）的共模輸入范圍，這可能從電源的輸出電壓和電流察覺得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進(jìn)行“或”運(yùn)算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。 圖3.2 TL494的內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)比較器CT放電，一個(gè)正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端，受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)停止輸出管Q1和Q2的工作。若輸出控制端連接到參考電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個(gè)輸出晶體管，輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于50%時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別從晶體管Q1或

25、Q2取得。輸出變壓器一個(gè)反饋繞組及二極管提供反饋電壓。在單端工作模式下，當(dāng)需要更高的驅(qū)動(dòng)電流輸出，亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時(shí)，需將輸出模式控制腳接地以關(guān)閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。    TL494內(nèi)置一個(gè)5.0V的基準(zhǔn)電壓源，使用外置偏置電路時(shí)，可提供高達(dá)10mA的負(fù)載電流，在典型的070溫度范圍50mV溫漂條件下，該基準(zhǔn)電壓源能提供±5%的精確度。表3.1 名稱代號(hào)極限值單位 工作電壓Vcc42V 集電極輸出電壓Vc1,Vc242V 集電極輸出電流Ic1,Ic250

26、0mA 放大器輸入電壓范圍VIR-0.3V+42V 功耗PD1000mW 熱阻RJA80/W 工作結(jié)溫TJ125 工作環(huán)境溫度 TL494B TL494C TL494I NCV494BTA -40+1250+70-40+85-40+125 額定環(huán)境溫度TA40圖3.3 TL494的應(yīng)用電路TL494脈寬調(diào)制控制電路3.2 整個(gè)控制電路的設(shè)計(jì)  該電源的原理框圖如下圖所示  EMI濾波電路整流濾波電路半橋式變換器輸出整流濾波電路反饋電路控制電路輔助電路圖3.2 主體電

27、路220交流電壓經(jīng)過EMI濾波及整流濾波后，得到約300V的直流電壓加到半橋變換器上，用脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生的雙列脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)功率MOS管，通過功率變壓器的耦合和隔離作用在次級(jí)得到準(zhǔn)方波電壓，經(jīng)整流濾 波反饋控制后可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。 3.2.1 交流EMI濾波及整流濾波電路交流EMI濾波及整流濾波電路如圖所示。 圖3.2.1 交流EMI濾波及整流濾波電路電子設(shè)備的電源線是電磁干擾（EMI）出入電子設(shè)備的一個(gè)重要途徑， 在設(shè)備電源線入口處安裝電網(wǎng)濾波器可以有效地切斷這條電磁干擾傳播 途徑，本電源濾波器由帶有IEC插頭電網(wǎng)濾波器和PCB電源濾波器組成。 IE插頭電網(wǎng)濾波器

28、主要是阻止來自電網(wǎng)的干擾進(jìn)入電源機(jī)箱。PCB電源 濾波器主要是抑制功率開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲。  交流輸入220V時(shí)，整流采用橋式整流電路。如果將JTI跳線短連時(shí)， 則適用于110V交流輸入電壓。由于輸入電壓高，電容器容量大， 因此在 接通電網(wǎng)瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌沖擊電流，一般浪涌電流值為穩(wěn)態(tài)電流 的數(shù)十倍。這可能造成整流橋和輸入保險(xiǎn)絲的損壞，也可能造成高頻變壓器磁芯飽和損壞功率器件，造成高壓電解電容使用壽命降低等。所以在整 流橋前加入由電R1和繼電器K1組成的輸入軟啟動(dòng)電路。 3.2.2 半橋式功率變換器   該電源采用半橋式變換電路，如圖

29、 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。能量通過變壓器傳遞到輸出端，Q4和 Q5采 用IRFP460功率MOS管。 3.2.3 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)

30、，本設(shè)計(jì)為fs=50kHz。     T=1/fs=1/50kHz=20 s     2） 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

31、時(shí)為防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)為式中： 效率 ；          j 電流密度，一般取300 500A/cm2；          Kc 磁芯的填充系數(shù)，對(duì)

32、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0.1 0.5左右。    由廠家手冊(cè)知，EE55磁芯的S=3.54cm2,Q= 3.1042 cm2,則 SQ=10.9 cm4， 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）來計(jì)算原副邊繞組匝數(shù) ，已知Umin=176V

33、經(jīng)整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，     次級(jí)匝數(shù)計(jì)時(shí)取輸出電壓最大值Uomax=16V 次級(jí)電路采用波整流。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，     4） 選定導(dǎo)線線徑     在選用繞組的導(dǎo)線，

34、要考慮導(dǎo)線的集膚效應(yīng)，一般要求導(dǎo)線線徑小于兩倍穿 透深度 。     變壓器工作頻率50kHz，在此頻率下銅導(dǎo)線的穿透深度為=0.2956mm， 因此繞組線徑必須是直徑小于0.59mm的銅線 。另外考慮到銅線電流密度一般取36A/mm2，故這里選0.56mm的漆包線8股并聯(lián)繞制初級(jí)共10匝 ，次級(jí)選用厚0.15mm扁銅帶繞制2匝 。 3.2.4 輔助電源的設(shè)計(jì)    輔助電源采用RCC變換器（Ringing Choke Converter），見圖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，

35、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。圖3.2.2 RCC輔助電源3.2.5 驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。TL494輸出50kHz的脈沖信號(hào)，通過高頻脈沖變壓器耦合去驅(qū)動(dòng)功率MOS管。次級(jí)脈沖電壓為正時(shí)，MOS管導(dǎo)通，在此期間Q

36、7截止，由其構(gòu)成的泄放電路不工作。當(dāng)次級(jí)脈沖電壓為零時(shí)，則Q導(dǎo)通，快速泄放MOS管柵級(jí)電荷，加速M(fèi)OS管截止。R70是用于抑制驅(qū)動(dòng)脈沖的尖峰 ，R68、D15、R67可以加速驅(qū)動(dòng)并防止驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生振蕩。D17和與它相連的脈沖變壓器繞組共同構(gòu)成去磁電路。圖3.2.3 驅(qū)動(dòng)電路3.2.6 PWM控制電路控制電路采用通用脈寬調(diào)制器TL494，具有通用性和成本低等優(yōu)點(diǎn)，TL494芯片的資料已經(jīng)在上面介紹了，V2、RV1、R41進(jìn)行分壓采樣，經(jīng)R5阻抗匹配后送到TL494腳1。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，將R41，RV1，R41的值設(shè)置好，因?yàn)镽V1設(shè)置在面板上，從而可以通過對(duì)RV1的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)

37、節(jié)電壓實(shí)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了輸出的可調(diào)。R103和C14將輸出電感L1前信號(hào)采樣，經(jīng)R5送到TL494腳1，用于提高電源穩(wěn)定度。圖3.2.4 PWM控制電路3.2.7 過流保護(hù)電路為增強(qiáng)電源可靠性，此電源采用初、次級(jí)兩級(jí)過流保護(hù)。初級(jí)采用電流互感器CT1檢測(cè)初級(jí)變壓器電流，檢測(cè)出的電流信號(hào)經(jīng)R60轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)后，再經(jīng) D2 D4，C9整流濾波后，經(jīng)過電器RV3分壓，反相器N3反相后加在Q1管基極。當(dāng)初級(jí)電流超過正常時(shí)，反相器反轉(zhuǎn)，Q1管導(dǎo)通，將VREF=5V的高 電平加在TL494腳 4上（腳為TL494區(qū)控制腳、高電平關(guān)斷），TL494關(guān)斷 。     輸出

38、直流總線上過流保護(hù)，采用R45 R56電阻做為采樣電阻，當(dāng)輸出電流增加時(shí)腳15電平變低，當(dāng)輸出電流大于40A的105時(shí)，TL494的內(nèi)部運(yùn)放動(dòng)作，腳3電平升高，限制輸出脈寬增加，電源處于限流狀態(tài) 。 3.2.8 EMI的抑制負(fù)載電流越大，續(xù)流結(jié)束時(shí)流經(jīng)整流二極管的電流也越大，二極管反向恢復(fù)的時(shí)間也越長(zhǎng)，則尖峰電流的影響也越大。采用多個(gè)整流二極管并聯(lián)來分擔(dān)負(fù)載電流，可以降低短路尖峰電流的影響。開關(guān)電源必須屏蔽，采用模塊式全密封結(jié)構(gòu)，建議用1mm以上厚度的鍍鋅鋼板，屏蔽層必須良好接地。在高頻脈沖變壓器初、次級(jí)之間加一屏蔽層并接地，可以抑制干擾的電場(chǎng)耦合。將高頻脈沖變壓器、輸出濾波電感等磁

39、性元件加上屏蔽罩，可以將磁力線限制在磁阻小的屏蔽體內(nèi)。根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，對(duì)輻射干擾超過標(biāo)準(zhǔn)限值20dB左右的某開關(guān)電源，采用了一些在實(shí)驗(yàn)室容易實(shí)現(xiàn)的措施，進(jìn)行了如下的改進(jìn)：在所有整流二極管兩端并470pF電容；在開關(guān)管G極的輸入端并50pF電容，與原有的39電阻形成一RC低通濾波器；在各輸出濾波電容（電解電容）上并一0.01F電容；在整流二極管管腳上套一小磁珠；改善屏蔽體的接地。經(jīng)過上述改進(jìn)后，該電源就可以通過輻射干擾測(cè)試的限值要求。3.3 整個(gè)系統(tǒng)框圖 圖3.3 4 可靠性分析開關(guān)電源是各種系統(tǒng)的核心部分。開關(guān)電源的需求越來越大，同時(shí)對(duì)可靠性提出了越來越高的要求。涉及系統(tǒng)可靠性的因素很多。目

40、前，人們認(rèn)識(shí)上的主要誤區(qū)是把可靠性完全（或基本上）歸結(jié)于元器件的可靠性和制造裝配的工藝,忽略了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和環(huán)境溫度對(duì)可靠性的決定性的作用。設(shè)計(jì)及元器件（元器件的選型，質(zhì)量級(jí)別的確定，元器件的負(fù)荷率）的原因造成的故障，在開關(guān)電源故障原因中占80左右。減少這兩方面造成的開關(guān)電源故障，具有重要的意義?？傊?，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者而言，需要明確建立“可靠性”這個(gè)重要概念，把系統(tǒng)的可靠性作為重要的技術(shù)指標(biāo)，認(rèn)真對(duì)待開關(guān)電源可靠性的設(shè)計(jì)工作，并采取足夠的措施提高開關(guān)電源的可靠性，才能使系統(tǒng)和產(chǎn)品達(dá)到穩(wěn)定、可靠的目標(biāo)。在此就對(duì)開關(guān)電源的可靠性做一些分析。4.1 影響開關(guān)電源可靠性的因素4.1.1 環(huán)境溫度對(duì)半導(dǎo)體的影

41、響硅三極管以PD/PR=0.5使用負(fù)荷設(shè)計(jì)，則環(huán)溫度對(duì)可靠性的影響，如表1所示。表1 由上表可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20增加到80時(shí)，失效率增加了30倍。4.1.2 環(huán)境溫度對(duì)電容器的影響 以UD/UR=0.65使用負(fù)荷設(shè)計(jì) 則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表2所示。表2       從上表可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20增加到80時(shí)，失效率增加了14倍。4.1.3 環(huán)境溫度對(duì)電阻器的影響以PD/PR=0.5使用負(fù)荷設(shè)計(jì)，則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表所示。表3       從上表可知，當(dāng)環(huán)

42、境溫度Ta從20增加到80時(shí)，失效率增加了4倍。4.1.4 負(fù)荷率對(duì)半導(dǎo)體的影響當(dāng)環(huán)境溫度為50時(shí)，PD/PR對(duì)失效率的影響如表所示。表4       由上表可知，當(dāng)PD/PR=0.8時(shí)，失效率比0.2時(shí)增加了1000倍。4.1.5 負(fù)荷率對(duì)電阻的影響負(fù)荷率對(duì)電阻的影響如表所示。表5       從上表可以看出，當(dāng)PD/PR=0.8時(shí)，失效率比PD/PR=0.2時(shí)增加了8倍。4.2 可靠性設(shè)計(jì)的原則我們可以從上面的分析中得出開關(guān)電源的可靠性設(shè)計(jì)原則：可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)包含定量的

43、可靠性要求。 可靠性設(shè)計(jì)與器件的功能設(shè)計(jì)相結(jié)合，在滿足器件性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，盡量提高器件的可靠性水平。應(yīng)針對(duì)器件的性能水平、可靠性水平、制造成本、研制周期等相應(yīng)制約因素進(jìn)行綜合平衡設(shè)計(jì)。在可靠性設(shè)計(jì)中盡可能采用國(guó)、內(nèi)外成熟的新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新工藝和新原理。對(duì)于關(guān)鍵性元器件，采用并聯(lián)方式，保證此單元有足夠的冗佘度。原則上要盡一切可能減少元器件使用數(shù)目。在同等體積下盡量采用高額度的元器件。選用高質(zhì)量等級(jí)的元器件。原則上不選用電解電容。對(duì)電源進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)，控制環(huán)境溫度，不致溫度過高，導(dǎo)致元器件失效率增加。盡量選用硅半導(dǎo)體器件，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。應(yīng)選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件，禁止

44、選用塑料封裝的器件。4.3 可靠性設(shè)計(jì)4.3.1 負(fù)荷率的設(shè)計(jì)由于負(fù)荷率對(duì)可靠性有重大影響，故可靠性設(shè)計(jì)重要的一個(gè)方面是負(fù)荷率的設(shè)計(jì)，跟據(jù)元器件的特性及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，元器件的負(fù)荷率在下列數(shù)值時(shí)，電源系統(tǒng)的可靠性及成本是較優(yōu)的。4.3.2 半導(dǎo)體元器件半導(dǎo)體元器件的電壓降額應(yīng)在0.6以下，電流降額系數(shù)應(yīng)在0.5以下。半導(dǎo)體元器件除負(fù)荷率外還有容差設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，應(yīng)適當(dāng)放寬半導(dǎo)體元器件的參數(shù)允許變化范圍，包括制造容差、溫度漂移、時(shí)間漂移、輻射導(dǎo)致的漂移等。以保證半導(dǎo)體元器件的參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，開關(guān)電源仍能正常工作。4.3.3 電容器電容器的負(fù)荷率（工作電壓和額定電壓之比）最好在0.5左右，

45、一般不要超過0.8，并且盡量使用無極性電容器。而且，在高頻應(yīng)用的情況下，電壓降額幅度應(yīng)進(jìn)一步加大，對(duì)電解電容器更應(yīng)如此。應(yīng)特別注意，電容器有低壓失效的問題，對(duì)于普通鋁電解電容器和無極性電容的電壓降額不低于0.3，但鉭電容的電壓降額應(yīng)在0.3以下。電壓降額不能太多，否則電容器的失效率將上升。4.3.4 電阻器、電位器電阻器、電位器的負(fù)荷率要小于0.5,此為電阻器設(shè)計(jì)的上限值；但是大量試驗(yàn)證明，當(dāng)電阻器降額數(shù)低于0.1時(shí)，將得不到預(yù)期的效果，失效率有所增加，電阻降額系數(shù)以0.1為可靠性降額設(shè)計(jì)的下限值。    總之，對(duì)各種元器件的負(fù)荷率只要有可能，一般應(yīng)保持

46、在0.3左右。最好不要超過0.5。這樣的負(fù)荷率，對(duì)電源系統(tǒng)造成不可靠的機(jī)率是非常小的。4.4 電源的熱設(shè)計(jì)愷關(guān)電源內(nèi)部過高的溫升將會(huì)導(dǎo)致溫度敏感的半導(dǎo)體器件、電解電容等元器件的失效。當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。有統(tǒng)計(jì)資料表明，電子元器件溫度每升高2，可靠性下降10%；溫升50時(shí)的壽命只有溫升25時(shí)的1/6。除了電應(yīng)力之外，溫度是影響開關(guān)電源可靠性的最重要的因素。高頻開關(guān)電源有大功率發(fā)熱器件，溫度更是影響其可靠性的最重要的因素之一，完整的熱設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：一 如何控制發(fā)熱源的發(fā)熱量；二 如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去。使開關(guān)電源的溫升控制在允許的范圍之內(nèi)，以保證開關(guān)電源的可靠性。下面

47、將從這兩個(gè)方面論述。4.4.1 控制發(fā)熱量的設(shè)計(jì)開關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開關(guān)管、功率二極管、高頻變壓器、濾波電感等。不同器件有不同的控制發(fā)熱量的方法。功率管是高頻開關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一，減小它的發(fā)熱量，不僅可以提高功率管的可靠性，而且可以提高開關(guān)電源的可靠性，提高平均無故障時(shí)間（MTBF）。開關(guān)管的發(fā)熱量是由損耗引起的，開關(guān)管的損耗由開關(guān)過程損耗和通態(tài)損耗兩部分組成，減小通態(tài)損耗可以通過選用低通態(tài)電阻的開關(guān)管來減小通態(tài)損耗；開關(guān)過程損耗是由于柵電荷大小及開關(guān)時(shí)間引起的，減小開關(guān)過程損耗可以選擇開關(guān)速度更快、恢復(fù)時(shí)間更短的器件來減少。但更為重要的是通過設(shè)計(jì)更優(yōu)的控制方式和緩沖技術(shù)來減小損耗，如采用軟開關(guān)技術(shù)，可以大大減小這種損耗。減小功率二極管的發(fā)熱量，對(duì)交流整流及緩沖二極管，一般情況下不會(huì)有更好的控制技術(shù)來減小損耗，可以通過選擇高質(zhì)量的二極管來減小損耗。對(duì)于變壓器二次側(cè)的整流可以選擇效率更高的同步整流技術(shù)來減小損耗。對(duì)于高頻磁性材料引起