電壓可調(diào)開關(guān)電源的研發(fā)畢業(yè)設(shè)計

1、湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）題目電壓可調(diào)開關(guān)電源的研發(fā)作者羅宵學(xué)院信息與電氣工程學(xué)院專業(yè)自動化學(xué)號0904020105指導(dǎo)教師吳新開二零一三年六月三日湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書信息與電氣工程學(xué)院院自動化系（教研室）系（教研室）主任:（簽名）年月日學(xué)生姓名:羅宵學(xué)號:0904020105 專業(yè): 自動化1 設(shè)計（論文）題目及專題：電壓可調(diào)開關(guān)電源的研發(fā)2 學(xué)生設(shè)計（論文）時間：自 2013 年 2 月 25 日開始至 2013 年 6 月 8 日止3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：（2）電力電子技術(shù)；（2）開關(guān)電源；（3）單片機(jī)與應(yīng)用技術(shù)；（4）智能檢測技術(shù)；（5）自動控制理論；（6）

2、有關(guān)可調(diào)開關(guān)電源裝置的參考文獻(xiàn)。4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：（1）電壓可調(diào)開關(guān)電源的應(yīng)用意義；（2）電壓可調(diào)開關(guān)電源的硬件設(shè)計；（3）電壓可調(diào)開關(guān)電源的軟件設(shè)計；（4）電壓可調(diào)開關(guān)電源的仿真；（5）電壓可調(diào)開關(guān)電源的發(fā)展前景。5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：（1）畢業(yè)設(shè)計論文字?jǐn)?shù)在1.5萬字以上，原理、方框圖符合規(guī)范，表格符合規(guī)范要求；（2）嚴(yán)格按畢業(yè)設(shè)計論文規(guī)范打印與裝訂；（3）按0號或1號圖紙準(zhǔn)備好答辯圖紙；（4）按時交畢業(yè)設(shè)計論文。6 發(fā)題時間： 2013 年 2 月 24 日指導(dǎo)教師：（簽名）學(xué)生：（簽名）目錄第一章緒論11.1 高頻開關(guān)電源的誕生11.

3、2高頻開關(guān)電源的分類11.3高頻開關(guān)電源的研發(fā)現(xiàn)狀21.4 課題研究的意義41.5論文主要工作4第二章高頻開關(guān)電源方案的確定52.1方案的的分析和選擇52.2 方案的確定72.3 正激式（Forward）PWM轉(zhuǎn)換器82.3本章小結(jié)9第三章系統(tǒng)設(shè)計103.1輸入AC/DC電路設(shè)計103.1.1 輸入EMI濾波器設(shè)計103.1.2 整流濾波器設(shè)計113.2 功率場效應(yīng)管MOSFET的設(shè)計123.2.1 功率場效應(yīng)管MOSFET的工作原理123.2.2 參數(shù)計算及型號選擇133.3 變壓器的設(shè)計14磁心選擇153.3.2 視在功率PT的確定153.3.3 計算的值173.3.4 匝數(shù)及繞組導(dǎo)線直徑

4、的確定173.4 輸出級的設(shè)計18輸出濾波電感的設(shè)計18輸出濾波電容的設(shè)計193.5隔離驅(qū)動電路設(shè)計193.6 A/D轉(zhuǎn)換模塊203.7本章小結(jié)22第四章系統(tǒng)的控制及仿真234.1系統(tǒng)的控制234.1.1 脈寬調(diào)制的實現(xiàn)234.1.2 PID算法的實現(xiàn)234.1.3 軟件流程圖244.2 Pspice仿真274.2.1 變壓器建模274.2.2 Pspice中變壓器的模型分析284.2.3 主電路仿真304.3本章小結(jié)31第五章結(jié)論325.1 論文結(jié)論325.2 本設(shè)計存在的問題和進(jìn)一步工作設(shè)想325.3 高頻開關(guān)電源的發(fā)展展望32致謝34參考文獻(xiàn)35附錄A36附錄B39附錄C40第一章緒論1

5、.1 高頻開關(guān)電源的誕生在開關(guān)電源的誕生以前，人們主要采取的是開關(guān)調(diào)節(jié)器式直流穩(wěn)壓電源和線性調(diào)節(jié)器式直流穩(wěn)壓電源，這類直流電源有只能降壓不能升壓、體積大、功耗大、散熱難等缺點，又由于其輸出和輸入之間有公共端，需要外加電路來實現(xiàn)輸入與輸出的隔離等等，這都不適應(yīng)電路小型化的趨勢。十九世紀(jì)六十年代年，NEC發(fā)表了兩篇具有指導(dǎo)性的文章：一篇為“用高頻技術(shù)使AC變DC電源小型化”，另一篇為“脈沖調(diào)制用于電源小型化”。這兩篇文章為直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展提供了方向。到了七十年代，美國摩托羅拉公司發(fā)表了一篇題為：“觸發(fā)起20kHz的革命”由此正式揭開了高頻開關(guān)電源的發(fā)展序幕，高頻化使得電源不但減小體積更重要的是減

6、小了功耗，節(jié)約了大量的能源。在高頻開關(guān)電源的發(fā)展過程中先后出現(xiàn)的典型轉(zhuǎn)換器有：Buck轉(zhuǎn)換器、Boost轉(zhuǎn)換器、Buck-Boost轉(zhuǎn)換器、Zeta轉(zhuǎn)換器、Cuk轉(zhuǎn)換器、SEPIC轉(zhuǎn)換器，其后又有正激式（Forward）轉(zhuǎn)換器、反激式（Flyback）轉(zhuǎn)換器、推挽式（Push-Pull）轉(zhuǎn)換器、半橋式（Half-Bridge）轉(zhuǎn)換器、全橋式（Full-Bridge）轉(zhuǎn)換器、雙管正激式（Switchces Forward）轉(zhuǎn)換器等等。1.2高頻開關(guān)電源的分類現(xiàn)代開關(guān)電源有直流開關(guān)電源和交流開關(guān)電源兩種類型。本文要介紹的只是直流開關(guān)電源，其功能是將市電（粗電）轉(zhuǎn)換成精度要求較高的電壓以滿足各種設(shè)備

7、對電壓的要求。DC/DC轉(zhuǎn)換器是直流開關(guān)電源的核心，也正因為如此，大多數(shù)直流開關(guān)電源是根據(jù)DC/DC轉(zhuǎn)換器而進(jìn)行分類的。直流DC/DC轉(zhuǎn)換器按輸入與輸出之間是否有電隔離可為兩類：其一是隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，其二是非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的轉(zhuǎn)換器個數(shù)來分類。單管的DC/DC轉(zhuǎn)換器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）兩種，本文重點研究單管正激式（Forward）。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器有雙管正激式（Doubel Transistor Forward Converter）、雙管反激式（Double-Transistor-Flyback Co

8、nverter）、推挽式(Push-Pull Converter)和半橋式（Half-Bridge Converter）四種。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器就是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器（Full-Bridge-Converter）。非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的個數(shù)分為單管、雙管和四管三類。單管DC/DC轉(zhuǎn)換器共有：降壓式（Buck）DC/DC轉(zhuǎn)換器，升壓式（Boost） DC/DC轉(zhuǎn)換器、升降壓式（Buck-Boost）DC/DC轉(zhuǎn)換器、Cuk DC/DC轉(zhuǎn)換器、Zeta DC/DC轉(zhuǎn)換器、SEPIC DC/DC轉(zhuǎn)換器。這幾種單管DC/DC轉(zhuǎn)換器中，Buck和Boost式是最基本的，Buc

9、k-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC轉(zhuǎn)換器都是從中派生出來的。雙管轉(zhuǎn)換器有雙管串接的升壓式（Buck-Boost）DC/DC轉(zhuǎn)換器。四管的則是全橋式（Full-Bridge Converter）DC/DC轉(zhuǎn)換器。1.3高頻開關(guān)電源的研發(fā)現(xiàn)狀目前市場上開關(guān)電源中功率管大多采用的是雙極型晶體管，其開關(guān)頻率可以達(dá)到幾十千赫茲；而采用MOSFET的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換頻率可以達(dá)到幾百千赫，想要提高開關(guān)的頻率就必須采用快速開關(guān)器件。對于兆赫以上的開關(guān)電源可以利用諧振電路，這種工作方式被稱為諧振開關(guān)方式。諧振開關(guān)方式可以最大限度地提高開關(guān)的速度，降低開關(guān)管的損耗，其噪聲也很小，這是提高開關(guān)工作

10、頻率的一種方式。目前采用諧振開關(guān)方式的研究已經(jīng)進(jìn)入到實用階段1。開關(guān)電源電路器件電力電子技術(shù)的進(jìn)步必須依靠新型的電力電子器件。功率場效應(yīng)管（MOSFET）為單極性導(dǎo)電，大大地縮短了開關(guān)時間，可以很容易達(dá)到1的頻率。制造半導(dǎo)體的材料從硅材料到砷化鎵、半導(dǎo)體金剛石、碳化硅，SiC功率MOSFET的導(dǎo)通壓降已經(jīng)降到了1以下，關(guān)斷時間小于10。電壓達(dá)300的SiC肖特基二極管的反向漏電壓小于0.1，而反向恢復(fù)時間也幾乎降低到了零。新型平面變壓器近幾年的發(fā)展也有效地推動了開關(guān)電源的發(fā)展，它具有能量密度高、體積小、頻率高、漏感低、電磁干擾低等優(yōu)點。軟開關(guān)技術(shù)與高頻化2 20世紀(jì)中葉開始得到發(fā)展和應(yīng)用的PW

11、M DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)，是一種硬開關(guān)技術(shù)。硬開關(guān)動作時開關(guān)上的電壓和電流都不為零，開關(guān)在開通和關(guān)斷過程中，電壓和電流會產(chǎn)生一個交疊區(qū)產(chǎn)生損耗，被稱為開關(guān)損耗。轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗與開關(guān)的頻率成正比，開關(guān)頻率越高，總的損耗越大，這不但降低了轉(zhuǎn)換器的效率，也浪費了大量的能量。這種硬開關(guān)技術(shù)限制了轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的提高，從而限制了轉(zhuǎn)換器的小型化和輕量化。軟開關(guān)技術(shù)在這種背景下應(yīng)運而生了，軟開關(guān)技術(shù)就是指開關(guān)上的電壓電流都為零，或者其中一個為零的自然開關(guān)過程。在開關(guān)過程中沒有電壓和電流的交疊，如零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switch-ing，ZVS）和零電流開關(guān)（Zero Current Sw

12、itching，ZCS），有時也近似的把ZVS和ZCS叫做軟開關(guān)。軟開關(guān)技術(shù)是在不斷認(rèn)識與提高中得到發(fā)展的，在以高頻的促使下，以諧振技術(shù)和PWM技術(shù)為基礎(chǔ)的發(fā)展條件下提出來的，是使常規(guī)PWM技術(shù)與諧振技術(shù)相結(jié)合，并吸收兩者的優(yōu)點，由此產(chǎn)生了軟開關(guān)PWM技術(shù)，目前此類技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外多種PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器中得到廣泛應(yīng)用。PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器的軟開關(guān)技術(shù)大致可以分為以下幾類：（1）全諧振轉(zhuǎn)換器，也被稱為諧振轉(zhuǎn)換器（Resonant Converters）。（2）準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器（Quasi-Resonant Converters，QRCs）和多諧振轉(zhuǎn)換器（Multi-Resonant Con

13、verters，MRCs）。（3）零開關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器（Zero Switching PWM converter）（4）零轉(zhuǎn)換PWM轉(zhuǎn)換器（Zero Transition Converters）。高頻開關(guān)電源的功率因素校正3 由于諧波電流對電網(wǎng)有極大的危害：（1）諧波的“二次效應(yīng)”，即電流流過線路阻抗而造成諧波降壓，反過來使電網(wǎng)波形發(fā)生畸變。（2）由諧波電流引起的電路故障，會損壞設(shè)備。（3）在三相四線制電路中，三次諧波與中性線中的電流同位，合成電流很大，可能超過相電流，可能導(dǎo)致中性線過熱，引起火災(zāi)導(dǎo)致電氣設(shè)備的損壞。（4）諧波電流對產(chǎn)生諧波電流的設(shè)備及同一系統(tǒng)中的其他電子設(shè)備產(chǎn)生極大的影響。因此

14、，如何抑制諧波，提高功率因素已經(jīng)成為當(dāng)今國內(nèi)外電源界研究的重要課題。常用功率因素校正的方法有：多脈沖整流、無源濾波、有源功率因素校正等。電路集成和系統(tǒng)集成及封裝工藝模塊化、集成化和智能化是開關(guān)電源的發(fā)展方向，各種專用功能芯片在近幾年內(nèi)發(fā)展迅速，如功率因素校正（PFC）電路用的芯片，并聯(lián)均流控制芯片，電流反饋控制芯片。功率半導(dǎo)體器件件則把驅(qū)動、控制、檢測、保護(hù)電路封裝在一個模塊中。電路集成則是朝系統(tǒng)集成化方向進(jìn)一步發(fā)展，近幾年已經(jīng)推出模塊化內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二代電源模塊，已達(dá)到全面微控化和高度集成化。第二代產(chǎn)品的變壓器也得到很大改良，采用了屏蔽式結(jié)構(gòu)和鍍銅磁芯，共模噪聲和寄生電容得到降低，變壓器的處理功

15、率密度大幅提高。系統(tǒng)集成改變了現(xiàn)在的半自動化、半人工化的組裝工藝而達(dá)到完全自動化生產(chǎn)，有利于成本的降低和這項技術(shù)的推廣。英特處理器的工作電壓，已經(jīng)降到了1以下，處理速度也大幅提升，有關(guān)專家提出了將開關(guān)電源和微處理器結(jié)合在一起的構(gòu)想，而英特公司也在努力促成此事，但這樣的開關(guān)電源的大小就得與微處理器相近，但是如今的開關(guān)電源仍然要比微處理器大幾十倍甚至更多，如何進(jìn)一步減小體積則是面臨的新問題。低壓大電流DC/DC變換技術(shù)的發(fā)展動態(tài)低壓大電流高功率DC/DC變換技術(shù)，已從前些年的3.3降至現(xiàn)在的1.0左右，電流目前已可達(dá)到幾十安到幾百安等，同時電源的輸出指標(biāo)，如紋波、精度、效率、欠沖、等技術(shù)指標(biāo)也得到

16、進(jìn)一步的提高3。這一技術(shù)將成為今后一段時間內(nèi)電力電子界內(nèi)的熱點，它的研究內(nèi)容非常廣泛，有負(fù)載大信號動態(tài)問題，有控制技術(shù)研究，有電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究等等。同時，低壓大電流DC/DC變換技術(shù)也面臨著許多挑戰(zhàn)。低壓大電流DC/DC變換技術(shù)的關(guān)鍵是尋找到合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)似的變壓器的副邊波形能直接驅(qū)動代替二極管的同步整流MOSFET，這樣既能保持簡單性又能實現(xiàn)高效率。在低壓大電流輸出的電源中，副邊整流環(huán)節(jié)的損耗占整個損耗的極大部分。最好的肖特基二極管也有0.25正向壓降，將產(chǎn)生巨大的導(dǎo)通損耗，所以整流器件的唯一選擇是用同步整流MOSFET，副邊的研究便主要集中在如何驅(qū)動這些同步整流MOSFET上。一種辦法是采

17、用外部控制電路，產(chǎn)生合適時序的驅(qū)動信號，去驅(qū)動這些同步整流MOSFET，簡稱外驅(qū)動技術(shù)；另一種辦法便是選擇拓?fù)?，直接用副邊波形來?qū)動這些同步整流MOSFET，這種技術(shù)被稱為自驅(qū)動技術(shù)。目前與自驅(qū)動同步整流技術(shù)相匹配的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只有兩種，一是有源鉗位正激變換器，二是互補驅(qū)動半橋電路。文獻(xiàn)4介紹了高頻開關(guān)電源的EMC設(shè)計，包括輸入濾波器的EMC設(shè)計、高頻逆變電路的EMC設(shè)計、輸出整流電路的EMC設(shè)計和輸出直流濾波電路的EMC設(shè)計，為抑制高頻開關(guān)電源的電磁干擾提供了解決方案。高頻開關(guān)電源電磁兼容預(yù)設(shè)計分析和研究5針對開關(guān)電源的電磁兼電源容問題，系統(tǒng)地分析轉(zhuǎn)換器EMI的作用機(jī)理，運用專業(yè)軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真

18、，提出合適的電磁兼也容設(shè)計方法。隨著各領(lǐng)域?qū)τ秒婋妷汉碗娏骶鹊牟粩嗵岣?，對開關(guān)電源的要求也愈來愈高。一個開關(guān)電源的品質(zhì)除了電性能指標(biāo)外，還有看許多其他指標(biāo)，如環(huán)境溫度、外形尺寸、EMI要求、抗震動要求、可靠性指標(biāo)、集成度和美觀性等，總體來說開關(guān)電源的研發(fā)方向是高頻率、高效率、小體積。1.4 課題研究的意義本課題主要研究的是輸出電壓可調(diào)高頻開關(guān)電源，目前開關(guān)電源界的發(fā)展欣欣向榮，其頻率已達(dá)到百兆級，各類開關(guān)電源的研發(fā)能滿足輸出電壓從低壓到高壓，輸出電流從小電流到大電流，紋波較小的要求。但是對于輸出電壓可調(diào)的高頻開關(guān)電源的研究不多，市場上的電壓可調(diào)開關(guān)電源成品也很少，針對這個現(xiàn)象，本文在分析了各

19、種高頻開關(guān)電源的基礎(chǔ)上，主要著手中小功率電壓可調(diào)開關(guān)電源的研發(fā)并充分考慮其經(jīng)濟(jì)性與總體性能，本論文設(shè)計的高頻開關(guān)電源是基于單片機(jī)控制的，利用高頻脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），主電路拓?fù)洳扇≌な诫娐?，實現(xiàn)開關(guān)電源的輸出電壓可調(diào)，具有較高的實用價值。1.5論文主要工作本文詳細(xì)分析了單端正激式開關(guān)電源的工作原理和使用單片機(jī)實現(xiàn)輸出電壓可調(diào)的基本工作原理，即使用軟件算法實現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制；分析了EMI濾波原理；重點分析了變壓器的設(shè)計方法和使用AP法完成高頻變壓器的設(shè)計；分析設(shè)計了功率場效應(yīng)管MOSFET的參數(shù)；使用Pspice仿真軟件進(jìn)行仿真，驗證了系統(tǒng)的可行性。本文的具體行文結(jié)構(gòu)安排如下：第一章緒論第二

20、章系統(tǒng)方案的確定第三章系統(tǒng)的設(shè)計第四章控制及仿真第五章結(jié)論及展望第二章高頻開關(guān)電源方案的確定2.1方案的的分析和選擇相關(guān)技術(shù)指標(biāo)：輸入電壓：交流輸出電壓：直流輸出功率：頻率要求：紋波要求：按照上述參數(shù)要求，分析多種多種高頻開關(guān)電源的主電路拓?fù)浜推淇刂品绞?，大概提出以下四種總設(shè)計方案。方案一：整流濾波正激轉(zhuǎn)換器調(diào)整方波整流濾波隔離反饋AC單片機(jī)控制驅(qū)動電路DCCCCC圖 2.1 正激式本方案采用單管正激式轉(zhuǎn)換器作為主電路，用單片機(jī)軟件算法的方式實現(xiàn)PWM波形的控制以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，其系統(tǒng)方框圖如圖2.1所示。正激式轉(zhuǎn)換器中高頻變壓器實現(xiàn)了輸入與輸出之間的電器隔離，變壓器采用增加復(fù)位繞組的方式

21、實現(xiàn)磁復(fù)位。單管正激式轉(zhuǎn)換器開關(guān)管承受的電壓為（為輸入電壓）。正激式轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動電路較為簡單、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性較高，適合各種中小功率的電源。方案二：本方案采用半橋式轉(zhuǎn)換器作為主電路拓?fù)?，系統(tǒng)方框圖如圖2.2所示，半橋式實際上就是兩個正激式PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)合，每個正激式轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0.5，因此，其開關(guān)管承受的電壓為，其工作原理與正激式轉(zhuǎn)換器相似。半橋式轉(zhuǎn)換器的變壓器雙向勵磁，沒有變壓器偏磁問題，適合各種工業(yè)用電源和計算機(jī)用電源，但其驅(qū)動電路較復(fù)雜，有直通問題。整流濾波半橋轉(zhuǎn)換器輸出濾波隔離驅(qū)動電路單片機(jī)控制隔離反饋ACCDC圖 2.2 半橋式方案三：本方案的系統(tǒng)方框圖如圖2.4

22、所示，以全橋轉(zhuǎn)換器做為主電路，它是由四只開關(guān)管V1V4，和其反并聯(lián)二極管D1D4，以及變壓器其T組成的。變壓器T的初級繞組接于兩橋臂的中點，全橋逆變器的控制方式有：雙極性控制方式、有限雙極性控制方式以及移相控制方式。圖2.3 全橋轉(zhuǎn)換器主電路圖整流濾波全橋轉(zhuǎn)換器輸出濾波隔離驅(qū)動電路單片機(jī)控制隔離反饋ACCDC圖 2.4 全橋式圖2.3是全橋式轉(zhuǎn)換器主電路模型，開關(guān)管V1V4采用PWM控制方式。在單個周期內(nèi)內(nèi)，前半個周期V1和V4導(dǎo)通，導(dǎo)通時間為；后半個周期V2和V3導(dǎo)通，導(dǎo)通時間同為。調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通時間，即調(diào)節(jié)占空比以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的目的，本方案設(shè)計電路較為復(fù)雜，成本高，適合大功率工

23、業(yè)用電源。方案四：整流濾波推挽式轉(zhuǎn)換器調(diào)整方波整流濾波隔離反饋AC單片機(jī)控制驅(qū)動電路DCCCCC圖2.5 推挽式本方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.5所示，其主電路采用推挽式轉(zhuǎn)換器。推挽式PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以看成是兩個正激式轉(zhuǎn)換器的組合，兩個開關(guān)管輪流導(dǎo)通。兩個開關(guān)管的輪流導(dǎo)通是變壓器的鐵心交替地磁化和去磁，以完成電能從初級繞組到次級繞組的傳輸。由于兩個開關(guān)管的導(dǎo)通絕對時間可能不同，會產(chǎn)生直流偏磁問題。推挽式轉(zhuǎn)換器適合低壓輸入電源。2.2 方案的確定各方案的分析比較如下表2.1所示，結(jié)合本論文設(shè)計的參數(shù)要求最終選用方案一，即選用正激式為主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用單片機(jī)通過軟件算法的方式產(chǎn)生設(shè)定頻率

24、的PWM波形，通過脈寬調(diào)制技術(shù)對占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到輸出電壓在設(shè)定范圍內(nèi)可調(diào)的目的。表2.1 各方案優(yōu)缺點比較方案優(yōu)點缺點功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域一電路簡單，成本較低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單變壓器單向勵磁，利用率較低幾百瓦幾千瓦適合各種中小功率電源二變壓器雙向勵磁，沒有變壓偏磁問題，開關(guān)較少，成本低有直通問題，可靠性較低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動電路幾百瓦幾千瓦適合各種工業(yè)用電源，計算機(jī)用電源三變壓器雙向勵磁，容易達(dá)到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問題，可靠性較低，需要負(fù)載的多組隔離驅(qū)動電路幾百瓦幾千瓦適合大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等四變壓器雙向勵磁，驅(qū)動較為簡單有磁偏問題幾百瓦幾千瓦適合低輸入電

25、壓的電源2.3 正激式（Forward）PWM轉(zhuǎn)換器正激式轉(zhuǎn)換器是典型的帶有隔離變壓器的直流PWM轉(zhuǎn)換器，其實際上就是在Buck降壓式PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器中再加入了一個隔離變壓器構(gòu)成的，圖2.6給出了正激式PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器的主電路。開關(guān)管按照PWM方式工作，二極管是輸出整流二極管、是續(xù)流二極管，電感是輸出濾波電感，電容是輸出濾波電容。隔離變壓器帶有三個繞組：初次繞組、次級繞組和復(fù)位繞組。圖中繞組標(biāo)有“·”符號的一端表示是繞組的始端。二極管是復(fù)位繞組串聯(lián)的二極管。正激式PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器變壓器的磁芯復(fù)位的方法有：增加復(fù)位繞組法、RCD復(fù)位法、LCD復(fù)位法和有源鉗位等磁

26、復(fù)位方法。在這里采取的是在輸入端接復(fù)位繞組的方法。圖2.6 正激轉(zhuǎn)換器原理圖當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，變壓器次級整流二極管導(dǎo)通，續(xù)流二極管關(guān)斷，直流電源功率是通過變壓器傳送到負(fù)載的，同時濾波電感儲能；當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，變壓器次級整流二極管關(guān)斷，續(xù)流二極管導(dǎo)通，濾波電感的儲能向負(fù)載釋放。繞組的極性與初級繞組相反，一般情況下=，與整流二極管串聯(lián)后并接于直流輸入電源的正極上。開關(guān)導(dǎo)通時，回路中的二極管阻斷，因此沒有電流流過，磁心從原始狀態(tài)被磁化（Magnetization）。當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，復(fù)位繞組的電流使磁心去磁（Demagneti-onzation）。當(dāng)勵磁電流下降到零時，磁心復(fù)位到原始磁狀態(tài)，以便下一個開關(guān)周

27、期磁心重復(fù)勵磁。如果變壓器沒有復(fù)位措施，經(jīng)過若干個周期后，磁心就會不斷被勵磁并逐漸進(jìn)入飽和狀態(tài)時，這樣轉(zhuǎn)換器就不能正常工作了。因此，在正激轉(zhuǎn)換器中變壓器復(fù)位十分重要，為確保鐵心復(fù)位，在開關(guān)管導(dǎo)通時，鐵心的磁通增加量應(yīng)等于開關(guān)關(guān)斷時磁通的減少量。在電流連續(xù)模式（CCM）條件下，正激式轉(zhuǎn)換器的輸出/輸入的電壓轉(zhuǎn)換比為：（2.1）其中=/，、分別為變壓器的一次繞組匝數(shù)和二次繞組匝數(shù)，為開關(guān)管的占空比。正激式電路由于接入了隔離變壓器，從而實現(xiàn)了電源側(cè)與負(fù)載側(cè)之間的電氣隔離，這使得轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可以高于或低于輸入電源的電壓，這也可以方便地實現(xiàn)多路輸出。而且開關(guān)的占空比可以在設(shè)定的范圍內(nèi)變化以實現(xiàn)輸出電

28、壓在一定范圍內(nèi)變化。正激式（Forward）轉(zhuǎn)換器可以在電感電流連續(xù)的條件下工作，也可以在電感電流斷續(xù)的條件下工作。這時二極管和的反向恢復(fù)條件可以得到改善，同時也改善了開關(guān)管的開通條件。2.3本章小結(jié)本章主要是按照設(shè)計的相關(guān)參數(shù)要求，考慮了幾種可行的方案并對各方案的優(yōu)缺點進(jìn)行分析。根據(jù)分析結(jié)果最終確定使用單管正激式轉(zhuǎn)換器作為本設(shè)計的主電路并對其工作原理進(jìn)行了分析。第三章系統(tǒng)設(shè)計本文關(guān)于電壓可調(diào)開關(guān)電源的設(shè)計主要包括：主電路的選擇、變壓器的設(shè)計、輸出整流濾波器的設(shè)計、功率開關(guān)管的選擇、驅(qū)動電路的設(shè)計、控制器的選擇、以及輸出反饋的設(shè)計等。本文設(shè)計的高頻開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的主要元器件有功率開關(guān)管（MOSF

29、ET管）、變壓器、電感和電容等。其中，電感和電容是互為對偶的儲能元件，理想條件下電感和電容都是無損，并且所儲能也是單一形式的，即電感儲存磁場能，電容儲存電場能。但實際上電感和電容都有寄生電阻的存在，高頻情況下要考慮渦流、集膚效應(yīng)等因素，這些都會產(chǎn)生損耗。另外電感和電容的性質(zhì)也會受到頻率的影響，例如，當(dāng)頻率高到甚高頻，電感可能會表現(xiàn)出電容的性質(zhì)；電容也可能會表現(xiàn)出電感的性質(zhì)。在開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，磁性元件的應(yīng)用是十分廣泛的，如濾波電感、諧振電感、吸收電路中的限流電感、隔離變壓器等。對高頻電磁現(xiàn)象的分析需要考慮的因素很多，包括：電壓、電流、頻率、能量、匝數(shù)、漏磁、磁心氣隙、溫度、加工工藝等。與此相對應(yīng)的

30、對高頻磁性元件的綜合是比較困難的，同樣的分析可能有不同的綜合，因此在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)結(jié)合體積、成本、效率等因素，選擇合適的設(shè)計方案。對于功率開關(guān)管，PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器常用的開關(guān)管包括：功率場效應(yīng)管MOSFET、絕緣柵雙極晶體管IGBT。這兩類開關(guān)管都能進(jìn)行快速關(guān)斷、快速開通，考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素，本設(shè)計采用功率場效應(yīng)管MOSFET作為高頻開關(guān)。驅(qū)動電路和控制電路的好壞也會影響到系統(tǒng)的整體性能，在設(shè)計中也需要謹(jǐn)慎考慮之。3.1輸入AC/DC電路設(shè)計3.1.1 輸入EMI濾波器設(shè)計濾波是抑制干擾的一種較為有效措施，特別是對開關(guān)電源EMI信號的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，在電源線上的傳導(dǎo)干擾都可以用差模信號與

31、共模信號來表示，把EMII信號控制在有關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)的極限電平下，最有效的方法便是在開關(guān)電源的輸入電路中加裝EMI濾波器。本設(shè)計采用的濾波器電路如圖3.1所示。圖中是用來消除共模干擾的，其對裝在N-G和L-G之間，被稱為Y電容。則安裝在L和N之間，用來消除差模干擾，常選用高容量的金屬皮膜電容，被稱為X電容。濾波器是用來抑制共模電流噪聲的電感，由于電感線圈對稱地繞在同一個螺旋管上，因此在正常工作電流范圍內(nèi)，對稱電流產(chǎn)生的磁性是相互抵消的，因而對差模電流和電源電流呈現(xiàn)低阻抗，不會有衰減的效果。結(jié)合各項參數(shù)，本設(shè)計最終選用DOREXS公司的DAA1-10A的單相交流電源濾波器。圖 3.1 輸入濾波電路

32、3.1.2 整流濾波器設(shè)計本設(shè)計采用單相橋式整流電路將經(jīng)過EMI濾波后的交流電進(jìn)行整流，其電路原理圖如圖3.2（a）所示，圖3.2（b）是其簡化的畫法。（a）單相橋式整流電路原理圖（b）簡化畫法圖3.2 單相橋式整流電路單相橋式整流后的的電壓平均值為：（3.1）單相橋式整流電路波形圖如圖3.3所示，經(jīng)過整流橋后的直流電流值為： （3.2）在橋式整流電路中二極管、和、是輪流導(dǎo)通的，所以，流過每個二極管的平均電流為0.5；每個二極管承受的最大反向電。圖3.3 單相橋式整流電路波形圖結(jié)合本設(shè)計的參數(shù)要求最終選擇RS2006M整流橋作為整流器，經(jīng)過整流后的最大電壓約為310，實際運用中當(dāng)考慮留有一定的

33、裕量，所以濾波電容耐壓值選擇400V以上的電解電容。電容容量應(yīng)滿足式（3.3）6.(3.3)其中T為交流周期，此處為20，為負(fù)載電阻，考慮到最大電流為10，可假定負(fù)載為1000歐，那么估算出電容容值應(yīng)當(dāng)大于500。同時，濾波電容又不能過大導(dǎo)致電源的瞬態(tài)響應(yīng)變差。本設(shè)計采用560的電解電容并聯(lián)一只0.47的小電容，以平滑輸出和濾除高頻波的作用。3.2 功率場效應(yīng)管MOSFET的設(shè)計3.2.1 功率場效應(yīng)管MOSFET的工作原理功率場效應(yīng)管MOSFET可分為N溝道MOSFET和P溝道MOSFET，本設(shè)計采用的是N溝道增強型MOSFET，其結(jié)構(gòu)如圖3.4所示，它是一種場控器件，類似 NPN型晶體管。

34、漏極d相當(dāng)于集電極c，源極s相當(dāng)于發(fā)射極e，柵極g相當(dāng)于基極b。其主要區(qū)別在于MOSFET管是電壓型控制器件，即柵源電壓控制漏極電流。功率MOSFET是有大量細(xì)小的元包并聯(lián)組成的，采用垂直導(dǎo)電溝道可以減小通態(tài)電阻，源漏極在溝道兩側(cè)擴(kuò)散而成，柵極與溝道之間用二氧化硅進(jìn)行絕緣。場控的原理：當(dāng)柵源之間外加控制電壓時，柵極和型襯底相當(dāng)于平板電容器，在柵源電壓的作用下產(chǎn)生一個由柵極指向型襯底的電場，這個電場有排斥空穴和吸收電子的作用，這使得型襯底中的電子被吸引到柵極下的襯底表面，從而形成了型導(dǎo)電溝道，原來被型襯底隔開的兩個+型區(qū)就被這個導(dǎo)電溝道連通了。因此，此時若有漏源電壓，則會有漏極電流產(chǎn)生。我們一般

35、把在漏源電壓作用下開始導(dǎo)通時的柵源電壓叫做開啟電壓。圖 3.4 N溝道增強型MOSFET結(jié)構(gòu)3.2.2 參數(shù)計算及型號選擇（1）開關(guān)晶體管的電流定額通常在較大電流的情況下，應(yīng)該選擇具有大電流增益和飽和特性較好的晶體管作為功率開關(guān)管。 本設(shè)計中假設(shè)當(dāng)市電為最小線電壓輸入時，=217.4，假定開關(guān)管的效率為75%，則輸入功率為：=1300在導(dǎo)通占空比最大（min）=0.5時，應(yīng)該為平均功率=（max）（34）=12考慮到磁化電流和紋波電流的斜率，應(yīng)該留有10%的裕量。=12×1.1=13.2為了提高可靠性及考慮到在調(diào)整電感量大小時電流有可能失控，因此在實際選定管子電流容量時應(yīng)當(dāng)留有一定的

36、裕量。（2）開關(guān)晶體管的電壓定額本設(shè)計中假定市電電壓向上波動18%，經(jīng)過整流橋后的電壓上限值為：由于能量再生繞組工作時開關(guān)晶體管所承受的電壓為2，同時有一定的漏電感存在，一般會在電壓最高值上出現(xiàn)一個尖峰，尖峰的大小隨制造工藝的優(yōu)劣而不同，一般在電源電壓的10%考慮，故；查相關(guān)參數(shù)表，最終采用型號為SPW17N80C3的MOSFET管，其電壓定額為800V。（3）開關(guān)管的緩沖電路設(shè)計緩沖電路即吸收電路如圖3.5所示，它的作用是抑制電力電子器件過壓、過大、或者過電流和過大，以達(dá)到減少開關(guān)器件的損耗的目的。圖 3.5 開關(guān)管的緩沖電路在無緩沖電路的情況下，MOSFET管開通時電流會迅速上升，即很大；

37、在關(guān)斷時很大，并且出現(xiàn)很高的過電壓，這都會給開關(guān)管造成很大的壓力。而在有緩沖電路的情況下，開通時，由于有緩沖電容的存在，緩沖電容先通過向開關(guān)管放電，此時電流先上升一段，后因抑制電路的作用，的上升速度開始減慢。、是關(guān)斷時為中的磁場能量釋放電路而設(shè)置的。在開關(guān)管關(guān)斷時，負(fù)載中的電流通過向電容進(jìn)行分流，從而減小了開關(guān)管的負(fù)擔(dān)，抑制了和過電壓。但是因為開關(guān)管關(guān)斷時電路中電感和布線產(chǎn)生的電感的能量需要釋放，因此，一定的過電壓是不可避免的，但上述開關(guān)管的電壓定額設(shè)計已充分考慮之。3.3 變壓器的設(shè)計變壓器是一種利用互感耦合的電感器件，它由磁心和繞組組成，磁心起導(dǎo)磁作用，磁心的較高的導(dǎo)磁率提高了變壓器的電性

38、能，變壓器的初級繞組接輸入端的，初級繞組起到激磁和從輸入端獲取電能的作用，并通過它將輸入的電能轉(zhuǎn)換為磁場能的形態(tài)。變壓器的次級繞組接輸出端，它完成能量由磁場能向電能的轉(zhuǎn)換并將能量傳遞給負(fù)載。高頻變壓器是轉(zhuǎn)換器中的核心元件，變壓器使得轉(zhuǎn)換器的輸入與輸出之間電氣隔離，可以實現(xiàn)升壓和降壓，也可以方便的實現(xiàn)多路輸出。變壓器由于勵磁電流的存在會產(chǎn)生勵磁電感，當(dāng)磁心有氣隙時變壓器的漏磁通增大，此時變壓器的初、次級繞組不完全耦合，部分磁通只通過了變壓器的一個繞組，這個繞組的磁通即是漏磁通，它在繞組中產(chǎn)生漏感。漏感是磁性元件中的一種寄生電感，一般情況下應(yīng)當(dāng)比勵磁電感小很多。常用減少漏感的方法：（1）采用多股絞

39、合銅線或?qū)挶〉你~箔片，使得到較高的銅占因子。（2）采用細(xì)長型的繞組設(shè)計方法，以達(dá)到減少漏感的目的。因為變壓器的繞組越厚、漏感就越大。（3）把次級繞組繞在初級繞組的中間，或把次級繞組繞在初級繞組的外部，使得初次級繞組緊密耦合。高頻變壓器設(shè)計方法最常用的有兩種，第一種是先求出磁芯窗口面積與磁心的有效截面積的乘積 (=×，稱為磁心面積乘積)，稱為法，根據(jù)值查相關(guān)的參數(shù)表可找出所需磁性材料和磁心的型號；第二種是在上述方法中加入了滿足一定電壓調(diào)整率的改進(jìn)方法，稱為調(diào)整率體積法。本設(shè)計采用法進(jìn)行設(shè)計。磁心選擇功率鐵氧體，因在高頻條件下具有很高的電阻率，而渦流損耗又低加上經(jīng)濟(jì)性能較好，因此是高頻變

40、壓器首選條件。但是由于它的磁導(dǎo)率通常比較低，所以需要的磁化電流較大。對于合金材料磁芯，如鉆基非晶合金和微晶合金等，雖然具有較高的電阻率，通常情況下可以軋成很薄的帶料，因此能用在較高頻率。但是實際應(yīng)用中有價格等因素的考慮，除了用在溫度高和沖擊、振動大的地方，需要采用合金材料磁心外，一般情況下變壓器磁心還是以鐵氧體為主。磁心材料要考慮的最主要因素是它在工作頻率處的損耗和應(yīng)用的磁通密度。本設(shè)計根據(jù)電源的工作頻率選擇鎳鋅鐵氧體材質(zhì)的鐵心，允許溫升為50攝氏度，各磁心的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3.1所示，其次，在選擇磁心時也要考慮磁通密度。磁通密度的選擇涉及到轉(zhuǎn)換器工作的穩(wěn)定性、功率損耗、散熱、銅損、鐵損等較多問題

41、，因此要反復(fù)設(shè)計才能完善，其基本要求如下：（1）必須小于飽和磁通密度：鐵氧體的的溫度系數(shù)比較大，好的功率鐵氧體在室溫條件下大約為0.5，要減小勵磁電流，應(yīng)該選在0.67以下。（2）當(dāng)頻率達(dá)到一定的范圍以上時，由高頻變化的引起的鐵心損耗較大，發(fā)熱也嚴(yán)重。因此，為了使磁心溫度不超過限定值，應(yīng)當(dāng)減小，一般在（0.330.67）以下。（3）應(yīng)當(dāng)考慮到合閘時的沖擊，若大于，在合閘的第一個周期會產(chǎn)生大的和勵磁電流的沖擊。電流型控制能在一定程度上限制沖擊電流。3.3.2 視在功率PT的確定變壓器的視在功率PT隨轉(zhuǎn)換器主電路結(jié)構(gòu)的不同而有不同的表達(dá)式。對于如圖3.6（a）圖所示的電路，在狀態(tài)下實際上變壓器是有

42、損耗的（即小于1），表3.1 各磁心的結(jié)構(gòu)常數(shù)磁心種類損耗KjXKsKwtKv罐形磁心銅損鐵損632-0.1733.84814.5鐵粉磁心銅損 =鐵損590-0.1232.558.813.1疊片磁心銅損 =鐵損534-0.1241.368.219.7C型鐵心銅損 =鐵損468-0.1439.266.617.9單線圈銅損鐵損569-0.1444.576.625.6帶繞鐵心銅損= 鐵損365-0.1350.982.325對于如圖3.6（b）所示的電路，考慮變壓器損耗的情況下，（a）（b）（c）圖 3.6 視在功率與主電路的結(jié)構(gòu)關(guān)系在本對于如圖3.6（c）所示電路，考慮變壓器有損耗情況下，設(shè)計中假設(shè)

43、用肖特基二極管整流，其正向壓降=0.6V，那么：=(60+0.6) 13=30003.3.3 計算的值鐵心的有效截面積與窗口面積之積是法設(shè)計的最為關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其計算公式為：（3.5）由上式算出后，可以查相關(guān)參數(shù)表得出所用磁心的型號。在確定的值時需要確定、的值。窗口使用系數(shù)是體現(xiàn)變壓器或電感器窗口面積中銅線的實際占有的面積量。它由導(dǎo)線截面積、匝數(shù)、層數(shù)、絕緣漆厚度及線圈紋距等綜合因素決定的。其主要是由導(dǎo)線的直徑和繞組數(shù)決定的，一般情況下=0.20.4，導(dǎo)線直徑小于0.2毫米或者多股并繞及繞組數(shù)較大時取較小的值，本設(shè)計中取其典型值0.4。取=0.4 =4.44（正弦波）=0.3=40由表3-4查得型

44、磁心的=468，=-0.14, 用式3.4計算=243.3.4 匝數(shù)及繞組導(dǎo)線直徑的確定（1）確定原邊繞組數(shù)，計算原邊繞組公式13：（3.6）查得3-75EI的磁心的Ac值為10.89，再代入其他參數(shù)得： =89（2）根據(jù)原邊匝數(shù)計算副邊匝數(shù)：=54（3）導(dǎo)線直徑的確定由于集膚效應(yīng)限制，對最大漆包線的直徑和截面積有一定的要求。特別是對于轉(zhuǎn)換器，由于集膚效應(yīng)的作用，使得導(dǎo)線的交流電阻增大，電流密度在導(dǎo)線界面上分布不均勻。在越靠近導(dǎo)線的中心位置，電流密度就越小，在導(dǎo)線的表面電流密度較大，這就使導(dǎo)線的等效導(dǎo)電截面積減小了，導(dǎo)致功率損耗的增大。通常采用較細(xì)的導(dǎo)線可以在一定程度上減小集膚效應(yīng)的影響，參考

45、表3.2，本設(shè)計應(yīng)當(dāng)選擇直徑為1.4mm的導(dǎo)線繞組。表3.2 按集膚效應(yīng)選擇導(dǎo)線直徑1020501002001.40.930.590.410.303.4 輸出級的設(shè)計輸出濾波電感的設(shè)計（1）電感值的確定正激式開關(guān)電源中的輸出濾波電感的作用是減小負(fù)載電流波動，本設(shè)計中正激式轉(zhuǎn)換器工作在電流連續(xù)模式下，電感電流可以近似為三角波，其平均值為，最大值為，最小值為，=-。設(shè)整流二極管的正向壓降為0.5。= maxmin= =1.22已知=0.45，可以得出min=0.451.22=0.37=（1-min）Ts=0.63×100 =63（3.7）由的計算公式（）=(60+0.6)×63

46、×10-64=0.85（2）導(dǎo)線直徑的選擇：考慮到集膚效應(yīng)的影響，導(dǎo)線的直徑應(yīng)當(dāng)做到小于2，為滲透深度（Penetration depth）（）。=（3.8）值與溫度有關(guān)，100攝氏度時，銅的電阻率=，為空氣磁導(dǎo)率，為電流頻率，表3.3為計算所得的幾個典型的頻率的值,從表中查得本設(shè)計的導(dǎo)線直徑應(yīng)該不大于1.5。表 3.3 典型頻率的值50Hz10kHz100kHz1MHz/cm0.700.0750.0240.0075輸出濾波電容的設(shè)計正激式和升壓式輸出級的輸出濾波電容的計算式是相同的，它可以近似地由所輸出紋波電壓峰值決定。這個輸出紋波電壓即為疊加在輸出直流電壓上的交流三角波。對于正激

47、式變換器，紋波的典型值是50 (峰峰值)，而對于升壓式變換器中，200的峰峰值則是比較典型的，本設(shè)計的紋波要求1，公式表達(dá)為：（3.9）式中為輸出端的額定電流值，單位為，為在高輸入電壓輕載條件下所估計的占空比(估計值為05是比較合理的)，是期望的輸出電壓紋波峰峰值，單位為。因此，60V輸出電容值為：=3.5隔離驅(qū)動電路設(shè)計開關(guān)管的柵源之間的絕緣層是絕緣的二氧化硅結(jié)構(gòu)，在柵源之間形成了一個柵極電容，有隔斷直流的作用，因此在低頻靜態(tài)的驅(qū)動功率約為零。然而，在高頻的交替導(dǎo)通和關(guān)斷時就需要一個動態(tài)的驅(qū)動功率，而單片機(jī)的輸出端無法滿足此要求10。開關(guān)管的基極驅(qū)動電路是控制電路和主電路之間的接口，對整個系

48、統(tǒng)的性能有較大的影響，一般對驅(qū)動電路的要求有以下幾點：（1）提供柵極驅(qū)動電壓和功率，保證功率管的正常導(dǎo)通和關(guān)斷。（2）保證驅(qū)動電路的波形，以避免出現(xiàn)振蕩。（3）實現(xiàn)主電路與控制電路之間的電氣隔離。本設(shè)計采用IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動芯片來驅(qū)動功率MOSFET，IR2110是雙通道、柵極驅(qū)動、高速高壓、單片式集成的功率驅(qū)動模塊，它的體積?。ǚ庋b形式為DIP14）、集成度高、響應(yīng)很快（小于200）、隔離電壓較高（達(dá)到500）、驅(qū)動能力較強、外部保護(hù)封鎖口8。在高頻開關(guān)電源的設(shè)計中應(yīng)用IR2110可以大大地降低外圍電路的復(fù)雜度，同時也降低了成本、提高系統(tǒng)的可靠性。如圖3.7為IR2110芯片的電

49、路圖，其中VDD和VSS分別連接芯片的邏輯輸入電源和地，HIN、LIN和SD是邏輯電平輸入。而VB是高端懸浮置供電電壓，Vs是高端懸浮供電偏移電壓，HO為高端輸出電壓，LO低端輸出電壓，Vcc是低端固定供電電壓，COM是低端偏移供電電壓。圖 3.7 IR2110原理圖由于驅(qū)動電路與主電路共地，且對于控制電路來說主電路是強電，會影響控制系統(tǒng)的性能，為了防止強電對控制系統(tǒng)的干擾，因此必須在驅(qū)動中設(shè)置隔離電路。在本設(shè)計中，考慮到開關(guān)信號頻率達(dá)到10kHz，常用的光耦合芯片難以滿足其要求，本電源設(shè)計采用高速光耦芯片6N136,其最大延時僅為0.8us。高壓側(cè)輸出電流平均值應(yīng)當(dāng)小于8mA，因此在VCC接

50、+12V電壓的情況下，GND極需要接一個2k歐的電阻用來限流。本電源設(shè)計的光電耦合電路如圖3.8所示，在這里通過R2上的分壓為IR2110輸入端提供信號。圖 3.8光電耦合隔離電路3.6 A/D轉(zhuǎn)換模塊本設(shè)計采用ADC0809芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將采樣回來的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號再輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理。ADC0809是一種8路模擬信號輸入、8位逐次逼近法A/D，它的轉(zhuǎn)換時間在典型的時鐘頻率下是100us。ADC0809的各個引腳功能介紹如下所示12：IN0IN7：表示8路模擬量輸入線。D0D7：表示8位三態(tài)數(shù)據(jù)輸出線。A、B、C：表示模擬通道選擇線。ALE：表示通道鎖存控制信號輸入線，ALE

51、電平在正跳變的可以鎖存A、B、C上的地址信息，經(jīng)過譯碼后控制IN0IN7中哪一路模擬電壓送入比較器。CLOCK：表示轉(zhuǎn)換時鐘輸入線，CLOCK的頻率范圍為10kHz1200kHz，一般情況下取640kHz（此時的轉(zhuǎn)換速度為100us）。START：表示啟動轉(zhuǎn)換控制信號的輸入線，其上升沿清除內(nèi)部寄存器，下降沿則啟動控制電路并開始A/D轉(zhuǎn)換。EOC：表示轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的輸出線，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后EOC則輸出一個寬為8各CLK周期的正脈沖。OE：表示輸出允許控制信號輸出線，OE為高電平時吧轉(zhuǎn)換的結(jié)果送到數(shù)據(jù)線，當(dāng)OE為低電平時，輸出為浮空狀態(tài)。VCC：表示主電源+5V。GND：表示數(shù)字地。VREF+：表示參

52、考電壓的輸入線，通常情況下VREF+VCC。VREF-：表示參考電壓的輸入線，通常情況下VREF-GND。圖3.9 ADC0809與單片機(jī)的接線圖。由于ADC0809具有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)總線，故可以與51單片機(jī)總線直接接口，圖3.9給出了ADC0809與單片機(jī)的接線圖。3.7本章小結(jié)在高頻開關(guān)電源的設(shè)計中主要的難點是系統(tǒng)中各主要磁性元件的選擇，這也是本章中就系統(tǒng)設(shè)計解決的主要問題，本章主要完成了AP法設(shè)計高頻變壓器及按要求完成了輸入級和輸出級的設(shè)計、開關(guān)管的設(shè)計和驅(qū)動電路設(shè)計等。第四章系統(tǒng)的控制及仿真4.1系統(tǒng)的控制電源控制部分的設(shè)計在很多程度上決定了整個系統(tǒng)的好壞，控制電路的主要任務(wù)根據(jù)要求產(chǎn)生

53、設(shè)定的SPWM脈沖，根據(jù)采樣回的電壓信號而調(diào)節(jié)脈沖寬度。4.1.1 脈寬調(diào)制的實現(xiàn)最初的脈寬控制技術(shù)是基于模擬電路，將載波與控制信號送到比較器進(jìn)行比較而實現(xiàn)的?；谠摲椒ǖ膽?yīng)用，出現(xiàn)許多能發(fā)生PWM波的控制芯片，如TL494、UC3842，后又出現(xiàn)數(shù)字集成式芯片如HEF4752、MA818。但這些方法與微機(jī)控制技術(shù)相比具有外圍電路復(fù)雜、調(diào)試不方便等缺點。本設(shè)計采用AT89C51單片機(jī)，采用軟件計算的實時PWM控制策略，該策略對硬件要求低、受外界干擾較小。常用的產(chǎn)生SPWM波形的軟件設(shè)計方法有：（1）自然采樣法，該方法調(diào)制信號是正弦波，調(diào)制信號與等腰三角形載波相比較，在自然交點處控制開關(guān)管的導(dǎo)通

54、與關(guān)斷。自然采樣法能準(zhǔn)確地反映脈沖通斷時刻，產(chǎn)生的波形是最接近正弦波的。但是由于軟件確定開關(guān)時刻需要求解超越方程，并且需要進(jìn)行多次三角函數(shù)及乘法運算，這給實時控制帶來麻煩，該方法一般只用與模擬電路的產(chǎn)生。（2）規(guī)則采樣法，為在微機(jī)中實現(xiàn)SPWM算法，可以對正弦控制信號進(jìn)行周期采樣，依據(jù)采用值與載波信號比較來確定PWM脈沖的前后沿，有多種形式實現(xiàn)該方法，包括：對稱采樣、非對稱采樣、平均規(guī)則采樣。該方法不論在采樣時刻正弦與三角載波是不是相交，這雖會帶來一點誤差，但可以控制在可行范圍內(nèi)。（3）面積等效法，該方法是基本思路是控制相同時間間隔內(nèi)的PWM波形的面積，使之與調(diào)制波面積相等，當(dāng)調(diào)制波為正弦時的

55、調(diào)制原理圖如圖4.1所示。圖中Tpi和Tgi分別為開關(guān)管的關(guān)斷與導(dǎo)通時間。假設(shè)單個周期內(nèi)的PWM波的脈沖個數(shù)為2N，即將參考正弦波的整個周期T分成2N等分，每份時間T為T2N，在第i段區(qū)間內(nèi)的正弦波面積為：（4.1）本設(shè)計運用單片機(jī)的定時器采用軟件計算的方法產(chǎn)生PWM波形，可以方便地對PWM波占空比進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)輸出電壓可調(diào)，具體程序源代碼見附錄A。4.1.2 PID算法的實現(xiàn)（1）控制技術(shù)概述PID算法具有結(jié)構(gòu)較為簡單、穩(wěn)定性與可靠性較高、調(diào)試方便等優(yōu)點，因此在各圖 4.1 面積等效原理種應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，特別是結(jié)合微處理器，PID控制算法能夠得到很好的實現(xiàn)。除了PID控制外用于電源變壓控制技術(shù)還包括：無差拍控制、重復(fù)控制、模糊控制等，但由于它們的各種不足，如模糊控制雖然在理論上可一任意精度逼近非線性函數(shù)，但是受到目前模糊控制研究水平的限制，