一種新型高精度開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1、一種新型高精度開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)一、目的1、提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；2、培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)應(yīng)用能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、文字表達(dá)能力等，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下良好的基礎(chǔ)；3、培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度。二、主要內(nèi)容1、介紹開(kāi)關(guān)電源的研究發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，闡述本文的研究意義；2、分析反激式、半橋式開(kāi)關(guān)電源的基本原理，以LD7535、L6599A為控制核心，設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路；3、考慮影響電源輸出精度的原因，并設(shè)計(jì)相關(guān)電路進(jìn)行改進(jìn)；4、實(shí)物制作，測(cè)試相關(guān)參數(shù)。課題的根據(jù)：1）設(shè)計(jì)方案（設(shè)計(jì)用到的主要工具、預(yù)期實(shí)現(xiàn)的功能及參數(shù)要求、主要功能模塊等）。 2）自己的見(jiàn)解（主要是對(duì)設(shè)計(jì)方案的制定、

2、設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決辦法、設(shè)計(jì)創(chuàng)新方面的思考）。1設(shè)計(jì)方案1.1設(shè)計(jì)用到的主要工具 本設(shè)計(jì)用到的主要工具為Altium Designer，它提供了唯一一款統(tǒng)一的應(yīng)用方案，其綜合電子產(chǎn)品一體化開(kāi)發(fā)所需的所有必須技術(shù)和功能。Altium Designer 在單一設(shè)計(jì)環(huán)境中集成板級(jí)和FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于FPGA和分立處理器的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)以及PCB版圖設(shè)計(jì)、編輯和制造。并集成了現(xiàn)代設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理功能,使得Altium Designer成為電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的完整解決方案一個(gè)既滿(mǎn)足當(dāng)前，也滿(mǎn)足未來(lái)開(kāi)發(fā)需求的解決方案。1.2預(yù)期實(shí)現(xiàn)的功能及參數(shù)要求目前，開(kāi)關(guān)電源發(fā)展迅速，已經(jīng)逐步代線(xiàn)性電源普及于各種電子產(chǎn)品領(lǐng)域。市

3、場(chǎng)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的要求也越來(lái)越高，從傳統(tǒng)的小體積、高效率發(fā)展到高精度，低功耗，高PF值。本設(shè)計(jì)正是基于以上要求設(shè)計(jì)的新型開(kāi)關(guān)電源，其主要具有以下優(yōu)勢(shì)及實(shí)際意義：（1）穩(wěn)壓范圍寬，線(xiàn)性調(diào)整率高： 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)的，輸出電壓由于輸入信號(hào)電壓的變化而引起的不穩(wěn)定，可以通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度或脈沖頻率來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。典型輸入電壓范圍為90V260V，在輸入工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí)，它仍能夠保證有非常穩(wěn)定的輸出電壓。因此，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源除具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)外，還具有穩(wěn)壓效果好和線(xiàn)性調(diào)整率高的優(yōu)點(diǎn)。（2）輸出精度高，紋波?。洪_(kāi)關(guān)電源輸出端中對(duì)波紋幅值的影響主要包括輸入電源的噪聲和高

4、頻信號(hào)噪聲。開(kāi)關(guān)電源中對(duì)直流輸入進(jìn)行高頻的斬波，然后通過(guò)高頻的變壓器進(jìn)行傳輸，在這個(gè)過(guò)程中，必然會(huì)摻入高頻的噪聲干擾。還有功率管器件在開(kāi)關(guān)的過(guò)程中引起的高頻噪聲。在輸出端采用型濾波的方式，可濾除高頻噪聲。在反饋環(huán)節(jié)中采用TL431與PC817組成的反饋回路，可以非常精確的控制輸出端電壓。（3）PF值高，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染：一般開(kāi)關(guān)電源的濾波電路是由單電容和電感組成的，由此引發(fā)出開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)低的問(wèn)題，原因是只有在正弦交流電壓的瞬時(shí)值高于直流電壓時(shí)，電網(wǎng)電壓才對(duì)濾波電容充電，充電時(shí)間短，充電電流是尖峰狀，偏離了正弦波。有源功率因數(shù)校正器以反激式為基本電路，采用雙環(huán)控制調(diào)節(jié)占空比使電路輸出電

5、壓穩(wěn)定，使輸入電流緊隨輸入電壓變化，功率因數(shù)達(dá)到或接近1的水平，效果非常明顯。（4）有較好的保護(hù)措施，待機(jī)功耗低：保護(hù)功能主要有，輸入端過(guò)壓保護(hù)、輸入端過(guò)流保護(hù)、輸出端過(guò)流保護(hù)、輸出端過(guò)壓保護(hù)、輸出端過(guò)載保護(hù)、輸出端短路保護(hù)等。1.3主要功能模塊（1）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源首先要考慮的是選用合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)型選擇與電源各個(gè)組成部分的布置有關(guān)，這種布置與電源可以在何種環(huán)境下安全工作以及可以給負(fù)載提供的最大功率密切相關(guān)。這也是設(shè)計(jì)中性能價(jià)格折中的關(guān)鍵點(diǎn)。每種拓?fù)涠加凶约旱膬?yōu)點(diǎn)，有的拓?fù)淇赡艹杀颈容^低，但輸出的功率受到限制；而有的可以輸出足夠的功率，但成本比較高等。（2）功率校正技術(shù)，傳統(tǒng)

6、的開(kāi)關(guān)電源存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)：功率因數(shù)低，一般只有0.450.75，而且其無(wú)功分量基本上為高次諧波。高次諧波的危害在很多電器設(shè)備中會(huì)造成致命的影響。區(qū)別于傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源，新型的開(kāi)關(guān)電源采用功率因數(shù)校正電路，以提高電路的效率，減小諧波的影響。常規(guī)開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)低的根源是整流電路后的濾波電容使輸出電壓平滑，使輸出電流變?yōu)榧饷}沖。如果整流電路后面不加濾波電路，僅為電阻性負(fù)載時(shí)，輸入電流即為正弦波，并且與電源電壓同相位，功率因數(shù)則為1。于是功率因數(shù)校正電路的基本思想是將整流器與濾波電容隔開(kāi)，使整流電路由電容性負(fù)載變?yōu)殡娮栊载?fù)載。（3）反饋電路，在過(guò)去的普通開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，通常采用將輸出電壓經(jīng)過(guò)誤差

7、放大后直接反饋到輸入端的模式。這種電壓控制的模式在某些應(yīng)用中也能較好地發(fā)揮作用，但隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今世界的電源制造業(yè)大多已采用一種有類(lèi)似拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方案。此類(lèi)結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)電源有以下特點(diǎn)：輸出經(jīng)過(guò)TL431(可控分流基準(zhǔn))反饋并將誤差放大，TL431的沉流端驅(qū)動(dòng)一個(gè)光耦的發(fā)光部分，而處在電源高壓主邊的光耦感光部分得到的反饋電壓，用來(lái)調(diào)整一個(gè)電流模式的PWM控制器的開(kāi)關(guān)時(shí)間，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓輸出。2本人見(jiàn)解開(kāi)關(guān)電源以其高效率、高功率密度、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，已成為工業(yè)領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)產(chǎn)品。但是目前開(kāi)關(guān)電源技術(shù)仍然存在精度不夠高，功率因數(shù)低，功率不夠大等問(wèn)題。本課題

8、設(shè)計(jì)的新型開(kāi)關(guān)電源同時(shí)采用反激式、半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有三路高精度輸出，額定功率達(dá)到130W。同時(shí)采用有源功率因數(shù)校正器，以期使電路更加完善，電源性能更加優(yōu)越，電源整機(jī)效率更高。本設(shè)計(jì)在前人設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上擬集反激式開(kāi)關(guān)電源技術(shù)和半橋諧振式開(kāi)關(guān)電源技術(shù)于一體，采用TL431與光耦構(gòu)成反饋電路，實(shí)現(xiàn)輸出的高精度控制，并且采用功率因數(shù)校正電路，對(duì)電源功率因數(shù)進(jìn)行校正，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、輸出端過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)等功能。將具有輸出精度高，穩(wěn)壓范圍寬，功率因數(shù)高，待機(jī)功耗小等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容:1、設(shè)計(jì)方案與方案認(rèn)證；2、選擇開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及主要控制芯片；3、設(shè)計(jì)輸入整流濾

9、波電路，并確定相關(guān)器件參數(shù)；4、設(shè)計(jì)輸出整流濾波電路，并確定相關(guān)器件參數(shù)；5、設(shè)計(jì)電壓反饋電路；6、具有過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)載保護(hù)保護(hù)功能；7、做出實(shí)物，對(duì)實(shí)物進(jìn)行調(diào)試和性能測(cè)試。主要參考資料：1 張占松, 蔡宣三. 開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)M. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004: 88-92.2 周凱. 反激DC-DC變換電路研究D. 華中科技大學(xué), 2008: 85-87. 3 康華光, 陳大欽, 張林. 電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 北京: 高等教育出版社, 2006: 80-150.4 韓新華. 反激式開(kāi)關(guān)電源的分析與研究J. 太原科技, 2010(1): 95-96.5 沙占友. EMI濾波器的設(shè)計(jì)原理

10、J. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2001, 13(6): 213-216.6 邱關(guān)源, 羅先覺(jué). 電路M. 北京: 高等教育出版社, 2006: 7-69.7 李宏凱. LLC諧振式DC/DC變換器的研究D. 西安理工大學(xué), 2010: 15-18.8 管春, 何豐, 張希. 開(kāi)關(guān)電源的PCB設(shè)計(jì)J. 印制電路信息, 2006, 13(2): 96-112.9 楊立杰. 多路輸出單端反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)J. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2007, 14(6): 15-18.10 孟建輝. 反激式開(kāi)關(guān)電源主電路參數(shù)選擇D. 大連交通大學(xué), 2011: 128-129.11 段新東. PWM控制電流模式的DC-DC變換器

11、設(shè)計(jì)D. 吉林大學(xué), 2007: 71-74.12 林曉偉. 單端反激開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)J. 電子工程師, 2007, 25(4): 29-33.13 Milanovic M, Korelic J. The RC-RCD clamp circuit for fly-back converter. ISIE. 2005: 27-31.14 William McMurray. Optimum snubbers for Power semiconductors. IEEE Transactions on Industry Applications. 2002: 15-19.15 M Abou El

12、Ela, J Roger. Optimization of the function of a photovoltaic array using a feedback control system. Solar. Cells. 1994:58-61.目 錄 摘要1關(guān)鍵詞1引言21 新型高精度開(kāi)關(guān)電源總體設(shè)計(jì)21.1 總體設(shè)計(jì)方案21.2 功能要求及技術(shù)指標(biāo)31.2.1 電源效率及功率因數(shù)31.2.2 輸出電壓及電流32 新型高精度開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)42.1 輸入電路42.1.1 輸入保護(hù)電路42.1.2 EMI濾波電路42.2 有源功率因數(shù)校正電路52.2.1 功率校正技術(shù)的原理52.2.2 L6

13、562應(yīng)用電路52.3 反激拓?fù)潆娐?2.4 半橋諧振電路72.5 功率變換電路72.5.1 MOSFET的主要特點(diǎn)72.5.2 脈沖寬度調(diào)制的原理82.6 輸出整流濾波電路82.7 反饋穩(wěn)壓電路93 新型高精度開(kāi)關(guān)電源電路圖及實(shí)物圖103.1 整體電路圖103.2 設(shè)計(jì)PCB圖123.3 實(shí)物圖134 性能測(cè)試144.1 整機(jī)效率以及功率因數(shù)143.2 交叉負(fù)載153.3 紋波及噪音153.4 輸出電壓過(guò)沖及爬升時(shí)間163.5 溫升測(cè)試17結(jié)論18參考文獻(xiàn)18致謝1917一種新型高精度開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)摘 要：設(shè)計(jì)了一種同時(shí)采用反激式、半橋諧振式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。基于信號(hào)流程和電路功能

14、模塊劃分，分析了新型開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理、各組成模塊的功能以及工作過(guò)程。利用三端穩(wěn)壓器TL431 配合LD7535和L6599 分別采用脈沖寬度調(diào)節(jié)和脈沖頻率調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源電壓的控制和穩(wěn)壓輸出。同時(shí)采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)，提高功率因數(shù)以期使電路更加完善，電源性能更加優(yōu)越。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的電源具有穩(wěn)壓性能好，紋波小，功率因數(shù)高，電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率高等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；反激式；半橋諧振式；APFC；高精度引言開(kāi)關(guān)電源是一種采用開(kāi)關(guān)方式控制的直流穩(wěn)壓電源，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的頻率或占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓，達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的1。它以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于幾乎所有的電子設(shè)備中

15、，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形式。與此同時(shí)，許多新的領(lǐng)域和新的要求也對(duì)開(kāi)關(guān)電源提出了更高的挑戰(zhàn)2。針對(duì)一般電源精度不夠高和功率因數(shù)低的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)提出了一種采用反激式和半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)閉環(huán)反饋控制，借助有源功率校正技術(shù)，旨在開(kāi)發(fā)一款具有高精度、高效率、高功率因數(shù)，無(wú)電網(wǎng)污染、無(wú)電磁干擾、省電節(jié)能的電源產(chǎn)品。與普通開(kāi)關(guān)電源相比，輸出電壓精度更高，功率因數(shù)更高，紋波更小，負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率更低，功率較大，帶負(fù)載能力更好，成本更低。1 新型高精度開(kāi)關(guān)電源總體設(shè)計(jì)1.1 總體設(shè)計(jì)方案開(kāi)關(guān)電源主要由輸入電路、功率因數(shù)校正電路、脈沖控制電路、功率變換電路、輸出電路、反饋電路等構(gòu)成

16、3。第一部分是輸入電路，220V交流電經(jīng)保護(hù)電路、EMI濾波和橋式整流后得到未穩(wěn)壓的直流電壓，此電壓送到第二部分進(jìn)行功率因數(shù)校正，其目的是提高功率因數(shù)，它的形式是保持輸入電流與輸入電壓同相。第三部分是功率轉(zhuǎn)換，即利用開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)作用把直流電壓變換成一定頻率的脈沖波形，通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器把能量傳遞到輸出端。第四部分是輸出電路，將高頻方波脈沖電壓整流濾波后變成直流電壓輸出。第五部分是反饋控制電路，輸出電壓經(jīng)過(guò)分壓、采樣后與電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較、放大。 使用精準(zhǔn)調(diào)整器TL431和光電耦合器PC817C設(shè)計(jì)反饋電路，反饋電路根據(jù)輸出電壓反饋到控制芯片，從而使控制芯片輸出PWM控制信號(hào)，達(dá)到高精確穩(wěn)定輸出

17、的目的4。圖1.1 總體設(shè)計(jì)方案1.2 功能要求及技術(shù)指標(biāo)1.2.1 電源效率及功率因數(shù)在特定的輸入電壓及溫度范圍條件下，下面表格描述了本電源輸出效率和功率因數(shù)的目標(biāo)范圍。整機(jī)效率為被測(cè)電源在額定輸入電壓輸出滿(mǎn)載時(shí)，輸出電流和輸出電壓的乘積得出該電源的輸出功率，然后與輸入端功率計(jì)顯示的輸入有功功率的百分比。功率因數(shù)為輸入有功功率與輸出實(shí)在功率的比值。表1.1 電源效率及功率因數(shù)輸入電壓范圍輸出負(fù)載效率PF值90VAC額定值84%98%264VAC額定值88%93%1.2.2 輸出電壓及電流在特定的輸入電壓及溫度范圍條件下，下面表格描述本電源各組輸出的電流、電壓范圍值及輸出紋波和噪音的目標(biāo)值。紋

18、波是出現(xiàn)在輸出端子間的一種與輸入頻率和開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換頻率同步的成分，用峰峰值表示，常規(guī)要求紋波應(yīng)在輸出電壓的0.5% 以下。噪聲是出現(xiàn)在輸出端子間的紋波以外的一種高頻噪聲成分，通常要求噪聲在輸出電壓的1%左右。表1.2 輸出電壓及電流項(xiàng)目V1V2V3V4輸出電壓+12V+24V+5V+5Vsb峰值電流2.5A5A3.5A1A額定電流2A4A3A0.5A電壓調(diào)整率±5%±5%±5%±5%紋波60mV180mV30mV30mV紋波及噪音120mV240mV50mV50mV2 新型高精度開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)2.1 輸入電路2.1.1 輸入保護(hù)電路輸入保護(hù)電路主要由保險(xiǎn)管、

19、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和壓敏電阻組成，熱敏電阻在開(kāi)關(guān)電源剛啟動(dòng)時(shí)，溫度低，電阻值高，瞬時(shí)能對(duì)充電電流加以限制。隨著電流通過(guò)發(fā)出熱量，熱敏電阻的阻值迅速減小，啟動(dòng)成功，功耗降低。壓敏電阻的作用是吸收從電網(wǎng)竄入的浪涌電壓。電網(wǎng)中的電壓由于受到其它用電設(shè)備或自然雷電的干擾，容易引起浪涌電壓。浪涌電壓往往都是在瞬間發(fā)生，并且電壓值會(huì)升得很高，它會(huì)使電源中的保險(xiǎn)絲和其它元器件燒壞。因此，在輸入電壓的兩端加上壓敏電阻，起到分壓的作用，吸收浪涌電壓，保護(hù)其后電路。圖2.1 輸入保護(hù)電路2.1.2 EMI濾波電路EMI濾波器設(shè)計(jì)的普遍做法是采用共模電感和濾波電容共同組成輸入濾波電路5。共模電感是在一個(gè)閉

20、合磁路的磁芯上繞制電感量相同的兩個(gè)繞阻。由于電源頻率分量所產(chǎn)生的磁通彼此的相位差為180度，此時(shí)它們的匝數(shù)相等而被相互抵消，對(duì)電源頻率分量的電感為零；而對(duì)于共模噪聲成分則呈現(xiàn)很高的有效導(dǎo)磁率，因而將得到很大的衰減。圖2.2 EMI濾波電路2.2 有源功率因數(shù)校正電路2.2.1 功率校正技術(shù)的原理功率因數(shù)是指有效功率與總耗電量（視在功率）的比值。在含有AC/DC變換器的電力電子裝置中，DC/DC變換器或DC/AC變換器的供電電源一般是由交流市電經(jīng)整流和大電容濾波后得到較為平直的直流電壓。濾波電容在使輸出電壓平滑的同時(shí)導(dǎo)致輸出電流變?yōu)榧饷}沖。如果整流電路后面不加濾波電路，僅為電阻性負(fù)載時(shí)，輸入電流

21、即為正弦波，并且與電源電壓同相位，功率因數(shù)則為1。于是功率因數(shù)校正電路的基本思想是將整流器與濾波電容隔開(kāi)，使整流電路由電容性負(fù)載變?yōu)殡娮栊载?fù)載6。2.2.2 L6562應(yīng)用電路常有兩大類(lèi)功率校正技術(shù)，一類(lèi)是無(wú)源功率校正技術(shù)，另一類(lèi)是有源功率校正技術(shù)。有源功率因數(shù)校正(APFC)電路主要是在整流器與輸出電容器之間串聯(lián)有源功率控制器，使AC/DC變換器的輸入電流和輸入電壓為同頻同相的正弦波，強(qiáng)迫輸入電流跟隨輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。有源功率因數(shù)校正技術(shù)的開(kāi)發(fā)，提高了開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)，既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又提高了開(kāi)關(guān)電源的整體效率。本設(shè)計(jì)運(yùn)用模擬集成電路L6562進(jìn)行功率校正。圖2.3

22、L6562應(yīng)用電路圖如圖2.3所示，APFC功率因數(shù)校正器的輸出電壓HV經(jīng)電阻采樣后，通過(guò)芯片腳INV輸入到誤差放大器的反相輸入端。內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)電壓，由同相端輸入，經(jīng)比較放大后，輸出至乘法器M2。由全橋整流的交流電壓被采樣電阻分壓器采樣，通過(guò)MULT腳輸入乘法器M1，乘法器的輸出電壓則正比于M1 和M2 的乘積。外接功率MOSFET的源極串聯(lián)電阻，將漏極的升壓電感器L的峰值電流取樣，由CS腳輸入電流誤差放大器，并與乘法器輸出電壓作參考。當(dāng)CS腳上的電壓達(dá)到門(mén)限值，也就是L中的電流達(dá)到峰值后，PWM比較器將停止驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極。2.3 反激拓?fù)潆娐贩醇な诫娐肥侵府?dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脈沖

23、變壓器原邊時(shí)，變壓器付邊不對(duì)負(fù)載供電，即原付邊交錯(cuò)通斷。但是，由于變壓器存在漏感，將在原邊形成電壓尖峰，可能擊穿開(kāi)關(guān)器件，需要設(shè)置RCD電壓鉗位電路予以保護(hù)。單端反激式可以滿(mǎn)足小功率高頻開(kāi)關(guān)電源的要求，同時(shí)由于反激式開(kāi)關(guān)電源中的變壓器起著電感和變壓器的雙重作用，反激式變換器只需要濾波電容的選擇，而不需要濾波電感的選擇且電路結(jié)構(gòu)不復(fù)雜。典型的隔離反激式變換電路結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖2.4 典型的隔離反激式電路結(jié)構(gòu)圖由電流模式脈寬調(diào)制控制器LD7535輸出PWM波控制MOSFET導(dǎo)通與截止。其工作頻率為50-130KHz，通過(guò)3腳到地接一只電阻設(shè)定工作頻率，一般為100K時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率為65KHZ。

24、電路的工作過(guò)程如下：當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，它在變壓器初級(jí)電感線(xiàn)圈中儲(chǔ)存能量，與變壓器次級(jí)相連接的二極管處于反偏壓狀態(tài)，所以二極管截止。在變壓器次級(jí)回路無(wú)電流流過(guò)，即沒(méi)有能量傳遞給負(fù)載。當(dāng)MOSFET截止時(shí)，變壓器次級(jí)電感線(xiàn)圈中的電壓極性反轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，使得二極管導(dǎo)通，給輸出電容充電，同對(duì)在負(fù)載上也有了電流。2.4 半橋諧振電路諧振式電源是新型開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向。它利用諧振電路產(chǎn)生正弦波，在正弦波過(guò)零時(shí)切換開(kāi)關(guān)管，控制半橋電路的MOS管交替地導(dǎo)通和截止，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率就能改變變壓器二次側(cè)整流輸出的平均電壓7。半橋諧振式拓?fù)浣Y(jié)合有源功率因數(shù)校正技術(shù)，功率因數(shù)可以達(dá)到0.95以上，從而大大抑制了對(duì)電網(wǎng)的

25、污染。L6599是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于諧振半橋拓?fù)潆娐返木_的雙端控制器，輸出180°異相信號(hào)，提供50%占空比。不同于PWM控制器，能量傳輸是由開(kāi)關(guān)器件的占空比來(lái)控制的，諧振半橋的占空比是固定的，能量傳輸是由開(kāi)關(guān)頻率來(lái)控制的，輸出電壓的調(diào)整是通過(guò)調(diào)整工作頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2.5所示，從4腳到地接一只電阻RF min，用于設(shè)置最低振蕩頻率。從4腳接一只電阻RF max，通過(guò)反饋環(huán)路控制光耦接地，用于調(diào)整控制器的振蕩頻率，調(diào)節(jié)輸出電壓。RF max是最高工作頻率設(shè)置電阻8。圖2.5 L6599應(yīng)用電路圖 2.5 功率變換電路2.5.1 MOSFET的主要特點(diǎn)MOSFET分P溝道耗盡型、P溝道增強(qiáng)

26、型、N溝道耗盡型和N溝道增強(qiáng)型4種類(lèi)型。增強(qiáng)型MOSFET具有應(yīng)用方便的“常閉”特性（即驅(qū)動(dòng)信號(hào)為零時(shí)，輸出電流等于零）9。在開(kāi)關(guān)電源中，用作開(kāi)關(guān)功率管的MOSFET幾乎全部都是N溝道增強(qiáng)型器件。這是因?yàn)镸OSFET是一種依靠多數(shù)載流子工作的單極型器件，不存在二次擊穿和少數(shù)載流子的儲(chǔ)存時(shí)間問(wèn)題，所以具有較大的安全工作區(qū)、良好的散熱穩(wěn)定性和非?？斓拈_(kāi)關(guān)速度。2.5.2 脈沖寬度調(diào)制的原理脈沖寬度調(diào)制(PWM)的原理是：電源在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過(guò)被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)PWM控制芯片的導(dǎo)通脈沖寬度，使它對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，使電源輸出電壓穩(wěn)定。2

27、20V交流輸入電壓經(jīng)過(guò)整流濾波后變?yōu)槊}動(dòng)直流電壓，供給功率開(kāi)關(guān)管作為驅(qū)動(dòng)電壓。MOS柵極由PWM控制器的脈沖驅(qū)動(dòng)。PWM控制器由基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器和PWM比較器組成，如圖2.6所示。開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較、放大，然后將其差值送到PWM比較器。脈寬調(diào)制的頻率是不變的，當(dāng)輸出電壓V0下降時(shí)，與基準(zhǔn)電壓比較的差值增加，經(jīng)放大后輸入到PWM比較器，加寬了脈沖寬度。寬脈沖經(jīng)開(kāi)關(guān)晶體管功率放大后，驅(qū)動(dòng)高頻變壓器，使變壓器初級(jí)電壓升高，然后耦合到次級(jí)，經(jīng)過(guò)肖特基整流和電容濾波后，輸出電壓上升，反之亦然10。圖2.6 脈沖寬度調(diào)制的原理框圖2.6 輸出整流濾波電路開(kāi)關(guān)電源經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器后，要

28、對(duì)輸出的開(kāi)關(guān)電壓進(jìn)行整流和濾波。肖特基二極管是以多數(shù)載流子工作的整流器件，具有很好的開(kāi)關(guān)特性。它的正向壓降小，且隨著溫度的升高而降低，可降低整流管導(dǎo)通損耗。在選取輸出整流管的參數(shù)時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：管子的額定工作電流至少為該路最大輸出電流的3倍；管子的最高反向工作電壓必須高于最低耐壓值。輸出濾波器把經(jīng)過(guò)整流以后的交流方波變換成直流。如圖2.7所示，整流后的波形直接接到濾波器的輸入端，先是大電容濾波，它將方波濾波成為較平滑的直流波形。L51與C55組成了后置濾波器使波形變得平穩(wěn)，減小紋波。圖2.7 輸出整流濾波電路圖2.7 反饋穩(wěn)壓電路本設(shè)計(jì)采用電壓環(huán)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出的，使用光

29、耦作為輸入采樣、反饋信號(hào)、輸出驅(qū)動(dòng)的隔離器件11。反饋電路的設(shè)計(jì)如圖2.8所示。TL431為精密穩(wěn)壓器，它的作用是使光耦合器PC817C的管腳2穩(wěn)定在2.5V的電壓。當(dāng)輸出24V電壓升高，管腳2的電壓不變，而管腳1的電壓升高，使發(fā)光器導(dǎo)通發(fā)光，受光器接受光線(xiàn)也導(dǎo)通，管腳4的電壓變低；反之，當(dāng)輸出24V電壓降低，受光器截止，管腳4的電壓為高。PC817C把管腳4的電壓高低狀態(tài)反饋到控制芯片，芯片調(diào)整PWM的占空比，使輸出電壓穩(wěn)定。R54和R56是輸出取樣電阻，兩者對(duì)輸出的分壓通過(guò)TL431的REF端來(lái)控制該器件從陰極到陽(yáng)極的分流。這個(gè)電流又是直接驅(qū)動(dòng)光耦的發(fā)光部分的。那么當(dāng)輸出電壓有變大趨勢(shì)時(shí)，

30、Vref隨之增大導(dǎo)致流過(guò)TL431的電流增大，于是光耦發(fā)光加強(qiáng)，感光端得到的反饋電壓也就越大?？刂菩酒诮邮苓@個(gè)變大反饋電壓后將改變MOSFET的開(kāi)關(guān)時(shí)間，輸出電壓隨改變而回落12。圖2.8 反饋電路的設(shè)計(jì)3 新型高精度開(kāi)關(guān)電源電路圖及實(shí)物圖3.1 整體電路圖整體電路主要包括設(shè)計(jì)總圖、輸入電路及功率因數(shù)校正單元、反激部分及半橋諧振三個(gè)部分，對(duì)應(yīng)電路圖分別如圖3.1、圖3.2、圖3.3及圖3.4所示：圖3.1 設(shè)計(jì)總圖圖3.2 輸入電路及功率因數(shù)校正單元圖3.3 反激部分圖3.4 半橋諧振部分3.2 設(shè)計(jì)PCB圖圖3.5 設(shè)計(jì)PCB圖3.3 實(shí)物圖圖3.6 頂層實(shí)物圖圖3.7 底層實(shí)物圖4 性能

31、測(cè)試開(kāi)關(guān)電源性能測(cè)試是檢驗(yàn)其性能好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，一般測(cè)試項(xiàng)目主要有：整機(jī)效率、功率因數(shù)、交叉負(fù)載、紋波及噪音、輸出電壓過(guò)沖及溫升等。本設(shè)計(jì)在進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)使用的主要儀器包括3KW AC自偶變壓器、CHROMA 650電子負(fù)載、TDS3032B示波器及P6021電流探頭等。以下測(cè)試數(shù)據(jù)均為本人實(shí)習(xí)期間使用公司測(cè)試儀器實(shí)際測(cè)試所得數(shù)據(jù)，由于學(xué)校不具備相應(yīng)測(cè)試設(shè)備，因此無(wú)法重新測(cè)試及拍攝相關(guān)測(cè)試視頻。4.1 整機(jī)效率以及功率因數(shù)檢測(cè)整機(jī)效率以及功率因數(shù)是否合乎規(guī)格要求。根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求，在AC220V/50HZ條件下，整機(jī)功率小于1500W的電源，其整機(jī)效率應(yīng)不小于85%，功率因數(shù)應(yīng)不小于0.921

32、3。表4.1 電源整機(jī)效率以及功率因數(shù)測(cè)試結(jié)果測(cè)試項(xiàng)目滿(mǎn)載（%）80%負(fù)載（%）半載（%）PF值效率PF值效率PF值效率90V99.7 86.01 99.7 86.90 99.6 86.87 120V99.5 88.24 99.6 88.45 99.3 88.10 160V99.5 89.22 99.2 89.40 98.3 88.68 220V98.3 89.98 97.7 89.99 96.8 89.03 264V96.7 90.16 95.2 90.21 94.3 89.03 圖4.1 電源整機(jī)效率以及功率因數(shù)測(cè)試折線(xiàn)圖由表4.1可知，在不同負(fù)載條件下，電源效率最小為86.01%，電源效

33、率最大為90.21%；功率因數(shù)最小為94.3%，最大達(dá)到為99.7%。性能優(yōu)越，完全符合設(shè)計(jì)要求。折線(xiàn)圖4.1反映出了開(kāi)關(guān)電源效率和功率因數(shù)在不同輸入電壓及不同負(fù)載下的變化關(guān)系。3.2 交叉負(fù)載交叉負(fù)載是考察電源在不均衡負(fù)載下，電壓的調(diào)節(jié)能力。在多組輸出電壓條件下，確認(rèn)輸出電壓調(diào)整隨輸出負(fù)載的變化改變，變化的電壓范圍是否超過(guò)該組電壓的規(guī)格值。表4.2 交叉負(fù)載測(cè)試結(jié)果5V12V24V5V12V24V0.1A0.3A0.2A5.16V11.97V24.22V0.1A0.3A4.0A5.16V12.04V23.91V0.1A2.0A0.2A5.15V11.88V24.63V3.0A0.3A0.2A

34、5.12V11.97V24.24V0.1A2.0A4.0A5.15V11.95V24.30V3.0A0.3A4.0A5.12V12.04V23.93V3.0A2.0A0.2A5.11V11.88V24.64V3.0A2.0A4.0A5.11V11.95V24.32V由表4.2可知，在輸出電壓5V、12V重載，24V輕載時(shí)，24V的實(shí)際輸出最大達(dá)到24.64V。反映出了多路輸出狀態(tài)下負(fù)載不平衡時(shí)，輸出電壓波動(dòng)較大的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)通過(guò)采用精密調(diào)諧器TL431進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，對(duì)此問(wèn)題有一定的改善作用。3.3 紋波及噪音檢查所有輸出電壓的紋波及噪音是否合乎規(guī)格要求。用示波器量測(cè)所有輸出，量測(cè)所有高頻和低頻

35、的紋波及噪音。在進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)試時(shí)需采用一個(gè)47uF的電容并上一個(gè)0.1uF的電容加在示波器電壓探頭上，同時(shí)選用帶寬20MHZ的交流檔測(cè)試。在輸入電壓240V、滿(mǎn)載條件下測(cè)試三路輸出紋波及噪音結(jié)果如下：表4.3 輸出紋波及噪音測(cè)試結(jié)果負(fù)載紋波紋波及噪音圖片5V3A09.6mv15.6mv圖4.212V2A37.8mv52.8mv圖4.324V4A117.0mv181.0mv圖4.4 圖4.2 5V紋波 圖4.3 12V紋波 圖4.4 24V紋波紋波是出現(xiàn)在輸出端子間的一種與輸入頻率和開(kāi)關(guān)頻率同步的成分，用峰-峰值表示，一般在輸出電壓的0.5%以下；噪聲是出現(xiàn)在輸出端子間的紋波以外的一種高頻成分，一

36、般在輸出電壓的1%左右。紋波噪聲是二者的合成，一般在輸出電壓的2%以下14。由表4.3可知，三路輸出紋波及噪音均符合設(shè)計(jì)要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。3.4 輸出電壓過(guò)沖及爬升時(shí)間輸出電壓過(guò)沖及爬升時(shí)間是指電源在開(kāi)機(jī)或關(guān)機(jī)時(shí)，引起直流電壓變化的最大峰峰值15。電源開(kāi)機(jī)的時(shí)候，用示波器直接記錄輸出電壓的過(guò)沖及爬升時(shí)間，在輸入電壓在輸入220V、滿(mǎn)載條件下測(cè)試輸出電壓過(guò)沖及爬升時(shí)間結(jié)果如下。圖4.4 輸出電壓過(guò)沖及爬升時(shí)間輸出電壓負(fù)載電流過(guò)沖爬升時(shí)間圖片+5VMAX0.000%01.6ms圖4.5+12VMAX3.840%06.8ms圖4.6+24VMAX2.789%05.6ms圖4.7 圖4.5 5V過(guò)沖 圖

37、4.6 12V過(guò)沖 圖4.7 24V過(guò)沖根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求電源產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)機(jī)過(guò)沖幅度最大不應(yīng)超過(guò)輸出電壓的±10%。由表4.4可知，過(guò)沖最大為3.84%，測(cè)試結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求。3.5 溫升測(cè)試檢測(cè)在額定負(fù)載條件下測(cè)試相關(guān)元件的溫升是否超過(guò)規(guī)格值。由下表可知，測(cè)試結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求。由于初級(jí)濾波電路采用三個(gè)等值電容并聯(lián)，其溫升測(cè)試結(jié)果非常理想。表4.5 溫升測(cè)試結(jié)果項(xiàng)目Test time:1hTest time:4h平均環(huán)境溫度44.644.144.4溫升1T61(LLC變壓器)73.580.076.832.02L81 (PFC電感)69.078.073.528.73BD1 (工頻橋整流)99.0104.8101.957.14D90 (PFC整流.)91.295.993.648.85Q81(PFC MOS)99.2104.0101.656.86D41 (5V整流)86.288.387.342.57D51 (12V整流)87.489.888.643.88D71 (24V整流)91.393.292.347.59T1(待機(jī)變壓器)74.575.775.130.310Q61(LLCMOS)67.274.070.625.811Q62(LLCMOS)66.573.570.025.212Q1(待機(jī)MOS)71.075.673.328.513D14(尖峰吸收