小型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作畢業(yè)設(shè)計(jì)論文doc

1、小型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) ABSTRACTThis paper mostly describes the whole design and debugging of the minitype switched voltage regulator power, which is composed of six parts. The second part wrote about the element and the third part wrote about the design step of minitipe switched power. The model includes import l

2、oop, output loop, feedback loop, control loop and the design of transformer. The latter includes hardware debugging and experiment results analyzing. After experimentation, I think out the relations among output voltage, import voltage, duty ratio and switched frequency and also the relations of imp

3、ort current, transformer coil ratio and the output current. In addition, I put forward relevant methods by myself for many problems which are met with during the course of the experimentation.Keywords: switched power regulated powertransformer 摘要本設(shè)計(jì)主要描述小型開(kāi)關(guān)電源的整個(gè)設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程,本文包括六個(gè)主要部分,第一部分介紹開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展?fàn)顩r第二部分

4、主要介紹其工作原理,第三部分介紹設(shè)計(jì)步驟主電路包括輸入輸出和反饋控制部分最后一部分主要是硬件部分的調(diào)試調(diào)試部分包括電路的焊接和調(diào)試,在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題的解決關(guān)鍵詞:開(kāi)關(guān)電源變壓器開(kāi)關(guān)管目 錄第一章 緒論 -21-1 概述 -21-2 開(kāi)關(guān)電源的新技術(shù) -41-3 開(kāi)關(guān)電源的基本構(gòu)成 -91-4 開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定度 -91-5 開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi) -11第二章 小型開(kāi)關(guān)電源原理 -142-1 RCC變換器的電路結(jié)構(gòu) -142-2 簡(jiǎn)單的RCC方式開(kāi)關(guān)電源 -18第三章 開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì) -24第四章 性能改善 -404-1 保護(hù)電路 -404-2 效率的提高 -414-3 浪涌及其吸收電路 -43

5、4-4 噪聲及其抑制 -544-5 功率FET在開(kāi)關(guān)電源中的幾個(gè)問(wèn)題 -57第五章 小型開(kāi)關(guān)電源主控元件 -595-1 二極管 -595-2 開(kāi)關(guān)電源中使用的磁性元件 -615-3 開(kāi)關(guān)電源中選用的電容器 -64第六章 硬件調(diào)試 -68第七章 結(jié)論 -70致謝 -71參考文獻(xiàn) -72附錄 - 74 第一章 概 論1-1 概述目前空間技術(shù)計(jì)算機(jī)通信雷達(dá)電視及家用電器中的電源逐漸被開(kāi)關(guān)電源取代現(xiàn)在一般應(yīng)用的串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源,是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源這種傳統(tǒng)的串聯(lián)穩(wěn)壓器,調(diào)整管總是工作于放大區(qū),流過(guò)的電流是連續(xù)的這種穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是承受過(guò)載和短路的能力差效率低,一般只有35 60%由于調(diào)整管上損耗較大

6、的功率,所以需要采用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器開(kāi)關(guān)電源的調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),功率損耗小,效率可高達(dá)70 95%,穩(wěn)壓器體積小重量輕,調(diào)整管功率損耗較小,散熱器也隨之減小此外,開(kāi)關(guān)頻率工作在幾十KHZ,濾波電感電容可用較小數(shù)值的元件,允許的環(huán)境溫度也可以大大提高但是,由于調(diào)整元件的控制電路比較復(fù)雜,輸出的紋波電壓較高,瞬間響應(yīng)較差所以開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用也受到一定限制電子裝置地小型輕量化關(guān)鍵是供電電源的小型輕量化,因此,需要盡可能地降低電源電路中的損耗開(kāi)關(guān)電源基本上是半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)工作,從原理上講是低損耗的,但是半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)工作也必然存在著開(kāi)關(guān)損耗,而且損耗隨著開(kāi)關(guān)頻率成比例地增加另一方面,

7、開(kāi)關(guān)電源中必須采用變壓器電抗器等磁性元件以及平滑濾波用地電容元件,開(kāi)關(guān)頻率高,可使這些元件小型化,然而,開(kāi)關(guān)頻率提高時(shí),這些元件地?fù)p耗也隨之增加目前市售的開(kāi)關(guān)電源中采用雙極型晶體管時(shí),開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)100KHZ;采用MOSFET時(shí),開(kāi)關(guān)頻率達(dá)500KHZ為提高開(kāi)關(guān)頻率必須減小開(kāi)關(guān)損耗,隨之需要采用高速開(kāi)關(guān)元件然而,電源高速開(kāi)關(guān)時(shí),電路存在的分布電感于電容,會(huì)由于二極管蓄積電荷的影響產(chǎn)生浪涌電壓于噪聲,不但影響周?chē)娮釉O(shè)備的工作,而且也使電源本身的可靠性顯著地降低為防止開(kāi)關(guān)工作產(chǎn)生地噪聲,需要用RC或LC吸收電路,對(duì)于二極管蓄積電荷產(chǎn)生地浪涌電壓要采用非晶體磁性矩形磁芯地磁吸收電路然而,對(duì)于MHZ

8、以上地開(kāi)關(guān)工作頻率可利用諧振電路,加在開(kāi)關(guān)兩端地電壓或通過(guò)開(kāi)關(guān)地電流為正弦波,這樣,減少開(kāi)關(guān)損耗地同時(shí)可抑制浪涌電壓這種工作方式稱(chēng)為諧振開(kāi)關(guān)方式,目前正在研制中諧振開(kāi)關(guān)方式可以極大地提高開(kāi)關(guān)速度,原理上開(kāi)關(guān)損耗為零,噪聲也很小,這是提高開(kāi)關(guān)電源工作頻率地一種最有效方式采用諧振開(kāi)關(guān)方式地幾MHZ變換器已實(shí)用化,美國(guó)已研制成功20MHZ以上工作頻率地變換器利用諧振現(xiàn)象使開(kāi)關(guān)損耗接近于零,消除電壓或電流浪涌,零電壓或零電流開(kāi)關(guān)諧振變換器也研制成功有效利用磁性元件對(duì)于提高開(kāi)關(guān)電源技術(shù)是極其重要的作為高可靠性控制元件是采用磁放大器,而非晶磁芯在次起著關(guān)鍵作用然而,開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到MHZ以上,期待著開(kāi)發(fā)幾厚膜

9、非晶磁材料開(kāi)關(guān)電源的高頻化也需要采用非晶磁芯的吸收電路另外,采用高頻鐵氧體磁芯與準(zhǔn)晶質(zhì)超急冷磁芯作為主變壓器的磁芯也需要研制開(kāi)關(guān)電源的集成化與小型化正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),目前正在研制開(kāi)發(fā)主開(kāi)關(guān)與控制電路集成于同一芯片的集成模塊然而,把功率開(kāi)關(guān)與控制電路包括反饋電路都集成于同一芯片上,必須解決電氣隔離與熱絕緣的問(wèn)題,這是今后一大課題目前,世界各國(guó)正在大力研制新型開(kāi)關(guān)電源,因這是節(jié)約能源的重大舉措為了趕上和超過(guò)世界先進(jìn)技術(shù)水平,國(guó)內(nèi)很多單位正在研制和應(yīng)用,不斷地向高頻化線路簡(jiǎn)單化和控制電路集成化方向發(fā)展開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)越性還表現(xiàn)在: 功耗小 由于開(kāi)關(guān)管功率損耗小,因而不需要采用大散熱器功耗小使得電子設(shè)備內(nèi)

10、溫升也低,周?chē)粫?huì)因長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫環(huán)境下而損壞,這有利于提高整個(gè)電子設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性穩(wěn)壓范圍寬 當(dāng)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸入的交流電壓在150 250 V范圍內(nèi)變化時(shí),都能達(dá)到很好的穩(wěn)壓效果,輸出電壓的變化在2%以下而且在輸入電壓發(fā)生變化時(shí),始終能保持穩(wěn)壓電路的高效率,因此,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源能適用于電網(wǎng)電壓波動(dòng)比較大的地區(qū)體積小重量輕 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源可將電網(wǎng)輸入的交流電壓直接整流,再通過(guò)高頻變壓器獲得各種不同交流電壓,這樣就可免去笨重的工頻變壓器,從而節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片,使電源體積縮小重量減輕安全可靠 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路一般都具有自動(dòng)保護(hù)電路當(dāng)穩(wěn)壓電路高壓電路負(fù)載等出現(xiàn)故障或短路使,能自動(dòng)切斷電源

11、,其保護(hù)功能靈敏可靠開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的主要問(wèn)題是電路比較復(fù)雜,輸紋波電壓較高,瞬態(tài)響應(yīng)差等因此,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的應(yīng)用受到一定的限制目前,世界各國(guó)正在大力研制開(kāi)發(fā)新型開(kāi)關(guān)電源,包括新的理論新型電路方案于新型功率器件等,以適應(yīng)各種電子設(shè)備的小型化高效率等的需要1-2 開(kāi)關(guān)電源的新技術(shù)微型化技術(shù) (1)開(kāi)關(guān)頻率與損耗決定開(kāi)關(guān)電源體積的主要因素是電抗器變壓器等磁性器件和平滑電容器若提高開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率,這些器件就會(huì)小型化然而,開(kāi)關(guān)頻率提高時(shí),不但有磁損耗,而且電路的損耗也會(huì)增大一般來(lái)說(shuō),損耗隨著開(kāi)關(guān)頻率成正比例地增加 (2)軟開(kāi)關(guān)的應(yīng)用與同步整流 諧振或者軟開(kāi)關(guān)等方式可有效降低伴隨著高頻化帶來(lái)地?fù)p耗這時(shí),

12、開(kāi)關(guān)損耗只不過(guò)時(shí)全部損耗中地一部分,若在高頻領(lǐng)域,磁性器件地?fù)p耗所占比例較大開(kāi)發(fā)低電壓地集成電路是一種趨勢(shì),因此,低壓大電流地電源顯得非常重要對(duì)于這樣地電源,二極管正向壓降引起的損耗幾乎占總損耗的一半為此,希望采用FET構(gòu)成同步整流方式然而,采用FET時(shí),由于管內(nèi)二極管的恢復(fù)特性與變壓器漏感等的影響,提高頻率是有限的,對(duì)于目前的技術(shù),開(kāi)關(guān)頻率為300KHZ左右除了損耗與開(kāi)關(guān)頻率以外決定開(kāi)關(guān)電源體積的還有構(gòu)成電源的元器件為了減少電源的元器件數(shù)目,需要開(kāi)發(fā)電源模塊,有效利用漏磁通的寄生參量另外,從節(jié)省能量來(lái)看,也需要在低電壓領(lǐng)域降低損耗,這樣一來(lái),控制電路的低電壓化便成為重要課題諧振軟開(kāi)關(guān)等方式的

13、開(kāi)關(guān)電源已實(shí)用化了,其中,可變頻率的電流諧振開(kāi)關(guān)電源已率先實(shí)用化在美國(guó),300KHZ到幾MHZ頻率范圍的開(kāi)關(guān)電源已普遍達(dá)到2W/cc,在日本,特別是低噪聲高效率的電視機(jī)電源已批量生產(chǎn)與此相適用的是已經(jīng)開(kāi)發(fā)的眾多的磁性元器件另外,作為電壓諧振的基本方式的部分諧振開(kāi)關(guān)電源,在日本市場(chǎng)特別引人注目其中,也有采用同步整流開(kāi)關(guān)頻率為300KHZ變換效率為90%輸出電壓為5V輸出功率為100W的開(kāi)關(guān)電源 (3)超薄型電源的研制成功 最近,通信與便攜式電子設(shè)備都要薄型化,其電源當(dāng)然需要采用薄型變壓器,正在研究采用薄膜技術(shù),但現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)用化的薄型變壓器是在鐵氧體磁芯上繞制銅片式狀繞組的變壓器然而,將來(lái)的技術(shù)期

14、望是用噴鍍等方法,在鐵氧體基片噴鍍金屬而制作薄型變壓器這時(shí),降低損耗的方法就是使通過(guò)基片磁芯的磁通和通過(guò)繞組的電流均勻另外,磁性薄膜的采用提高了占空因數(shù),如何解決薄膜化帶來(lái)的矯頑力增加是實(shí)用化的關(guān)鍵,為此,期望利用矯頑力增加較小的非晶型鐵氧體薄片諧波電流印制技術(shù) (1)扼流圈輸入方式 這種方式是在電源的輸入級(jí)增設(shè)扼流圈靜噪濾波器或電抗器等,所用元器件數(shù)量最少電路簡(jiǎn)單成本低,但體積大而且笨重,僅適用于一些對(duì)體積和重量沒(méi)有嚴(yán)格要求的產(chǎn)品不過(guò),可用于抑制諧波電流和電磁干擾兩者的混合小型扼流圈和小型電抗器以及專(zhuān)用諧波電流抑制的小型靜噪濾波器,目前正在開(kāi)發(fā)之中 (2)部分平滑方式 這種方式是利用無(wú)源元件

15、的組合來(lái)擴(kuò)展電流導(dǎo)通角,它本是為防止換流器照明閃爍而開(kāi)發(fā)的,當(dāng)用于處理功率的開(kāi)關(guān)電源時(shí),需要增設(shè)所用元器件數(shù)量以提高性能 (3)單變換器方式 這是最近各個(gè)生產(chǎn)廠家都積極進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)的方式,其電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,輸入級(jí)無(wú)需接入電抗器,交流輸入可以直接接至負(fù)載使用,PWM變換器不需要修改,只有增設(shè)若干元器件,就可以實(shí)現(xiàn)以往的雙變換器方式所具有的功能;穩(wěn)定直流輸出電壓,實(shí)現(xiàn)初次級(jí)的隔離,減少諧波電流,改善功率因數(shù) (4)雙變換器方式 這是一種傳統(tǒng)的電路方式采用兩個(gè)變換器分別用于穩(wěn)定直流輸出電壓和改善功率因數(shù),其變換器的設(shè)計(jì)自由度大,從減少諧波電流和改善功率因數(shù)的角度來(lái)說(shuō),是一種較理想的電路方式,而且這種電

16、路技術(shù)已經(jīng)成熟元器件性能的改善 (1)功率MOSFET 隨著電子設(shè)備的小型化,大規(guī)模機(jī)場(chǎng)電路的性能不斷提高,相應(yīng)地直流/直流變換器地輸出電壓也將降到1V以下這時(shí),用于直流/直流 變換器輸出端二極管需要采用低導(dǎo)通電阻的功率MOSFET,有可能降低損耗 (2)平滑電容 對(duì)于鋁電解電容,采用聚吡咯或有機(jī)半導(dǎo)體的固體電解質(zhì)技術(shù),已經(jīng)有所進(jìn)步而對(duì)于這類(lèi)電容器而言,縮小體積提高紋波電流和延長(zhǎng)壽命,則是永恒的課題在目前的市場(chǎng)上,用戶十分需求可耐高溫而壽命長(zhǎng)達(dá)7000 10000小時(shí)的品種和高度較低的品種 對(duì)于旦電容器,繼續(xù)在增加其單位體積的容量并降低阻抗,陰極材料采用聚吡咯的高分子型產(chǎn)品也已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功且被市

17、場(chǎng)所接受 對(duì)于薄膜電容器,用戶需要的是阻抗低承受紋波電流大而且體積小的品種,并且要求符合安全標(biāo)準(zhǔn)目前這種技術(shù)已取得相當(dāng)進(jìn)展引人注目的新技術(shù) (1)軟開(kāi)關(guān)方式 軟開(kāi)關(guān)方式包括零電流開(kāi)關(guān)方式零電壓開(kāi)關(guān)方式及兩者兼用的方式這種方式的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品體積小效率高噪聲小成本低作為實(shí)現(xiàn)這種軟開(kāi)關(guān)方式的手段,有諧振開(kāi)關(guān)電源技術(shù)和部分諧振型開(kāi)關(guān)電源技術(shù),而后者很可能會(huì)成為今后開(kāi)關(guān)電源采用的主流技術(shù) (2)組件化技術(shù) 所謂組件化技術(shù),就是預(yù)先將電源中所需使用的直流/直流變換器用于諧波電流抑制的功率因數(shù)改善電路整流平滑電路以及靜噪濾波電路等部分分別制成微型或薄型組件,再根據(jù)用戶需要制作半制定電源,或者根據(jù)用戶需求,和交

18、流/直流前端電路配合,構(gòu)成適應(yīng)大功率輸出或多路輸出等用途的系統(tǒng)電源利用預(yù)先制作的組件,可以縮短設(shè)計(jì)和制造周期,減少產(chǎn)品中所用元器件數(shù)量,降低維護(hù)費(fèi)用而隨著表面貼裝元件(SMD)和表面貼裝技術(shù)(SMT)的進(jìn)一步發(fā)展,組件的裝連密度會(huì)更加提高,體積會(huì)進(jìn)一步縮小,電源也會(huì)隨之更加小型化 (3)控制技術(shù) 在有些開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品中,以模擬方式控制輸出電壓,并以數(shù)字方式進(jìn)行開(kāi)關(guān),同時(shí)穩(wěn)定輸出電壓,而在于繼續(xù)擴(kuò)展應(yīng)用范圍,以實(shí)現(xiàn)節(jié)約電力放寬輸入電壓范圍(適應(yīng)各國(guó)不同的市÷電交流電壓)進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)應(yīng)控制等 利用數(shù)字控制技術(shù),可以根據(jù)發(fā)送/接受模式時(shí)負(fù)載變化量的大小,對(duì)升壓斬波器的通/斷控制進(jìn)行連續(xù)模式和不

19、連續(xù)模式的轉(zhuǎn)換,從而提高開(kāi)關(guān)電源的效率并延長(zhǎng)電池的壽命在其控制電路的記憶電路中,可將開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間等作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái) (4)交流適配器 便攜式電子設(shè)備的興起,使得交流適配器的市場(chǎng)越來(lái)越大以往的交流適配器采用降壓電路,體積大而且笨重,目前已有采用開(kāi)關(guān)方式的小型交流適配器上市 3W或5W的小功率開(kāi)關(guān)方式交流適配器,外形小巧扁薄,重量輕,使用時(shí)像插頭一樣,面向個(gè)人機(jī)的35 45W量級(jí)的開(kāi)關(guān)方式交流適配器,采用的是諧振換流器電路,也已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)有些廠家供應(yīng)的開(kāi)關(guān)方式交流適配器系列產(chǎn)品,其最大功率已高達(dá)60W左右1-3 開(kāi)關(guān)電源的基本構(gòu)成開(kāi)關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)元件,通過(guò)周期性通斷開(kāi)關(guān),控

20、制開(kāi)關(guān)元件的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓開(kāi)關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖1-1所示,其中DC/DC變換器進(jìn)行 圖1-1 開(kāi)關(guān)電源的基本構(gòu)成功率變換,它是開(kāi)關(guān)電源的核心部分,此外還有啟動(dòng)電路過(guò)流與過(guò)壓保護(hù)電路噪聲濾波器等組成部分反饋回路檢測(cè)其輸出電壓,并與基準(zhǔn)電壓比較,其誤差電壓通過(guò)放大器放大及控制脈寬調(diào)制電路,再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)地通斷時(shí)間比,從而調(diào)整輸出電壓的大小DC/DC變換器有多種電路方式,常用的有工作波形為方波的 脈寬調(diào)制(PWM)變換器以及工作波形為正弦波的 諧振型變換器1-4 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定度 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定度比串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源低,對(duì)于輸入電壓的變化,串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源的輸出電壓幾乎不

21、變,而開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出電壓的變化比串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源達(dá)倍左右圖1-2 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源穩(wěn)定度的說(shuō)明在圖1-2所示的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中,由于由于反饋放大器的作用,輸出電壓與輸入電壓變化之比為: 式中,A為放大器增益,其中包含電阻分壓器(與)引起的衰減量若A設(shè)為1000,這就意味著輸入電壓變化10V,輸出電壓就要變化10mV若在相同情況下,對(duì)于串聯(lián)線性穩(wěn)壓器,輸出電壓只變化開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出阻抗為:式中,為整流器的等效串聯(lián)電阻,為電抗器L的直流電阻輸出阻抗雖因整流器中二極管的額定電流不同而異,但二極管等效串聯(lián)電阻為幾十,電抗器L的串聯(lián)電阻也可能與此相等,若,A=1000,輸出阻抗為,在相同反饋放大器增益時(shí),

22、輸出阻抗也比串聯(lián)穩(wěn)壓電源低對(duì)于串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源,輸出對(duì)輸入的瞬間響應(yīng)特性由調(diào)整管的為晶體管基極接地工作方式的輸入反饋系數(shù),實(shí)用時(shí)此值可忽略不計(jì)然而,對(duì)于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源,輸入的瞬間變化全部表現(xiàn)在輸出端要減小這種變化,卻極大地影響著反饋放大器地增益與頻率特性,一般為ms數(shù)量級(jí)提高開(kāi)關(guān)頻率地同時(shí),反饋放大器地頻率特性得到改善,此問(wèn)題也由可能得到解決負(fù)載變化地串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源地瞬態(tài)響應(yīng),由反饋放大器地頻率地頻率特性以及輸出電容地容量與特性決定,而對(duì)于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源,瞬態(tài)響應(yīng)主要是輸出LC濾波器特性決定,因此,可以提高開(kāi)關(guān)工作頻率,降低輸出濾波器LC乘積地方法來(lái)改善其瞬態(tài)響應(yīng)特性1-5 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的分類(lèi)開(kāi)

23、關(guān)穩(wěn)壓電源地電路結(jié)構(gòu)有多種,分類(lèi)方法也很多,作如下說(shuō)明:1 按驅(qū)動(dòng)方式分有自激式與它激式2 按DC/DC變換器地工作方式分1） 隔離型有通/通方式通/斷方式中心抽頭方式半橋方式和全橋方式諧振方式2） 非隔離型有降壓型升壓型極性反轉(zhuǎn)型開(kāi)關(guān)電容型以及諧振型3 按控制方式分1） 脈寬控制方式有它激式與自激式2） 磁放大器地混合控制方式有電壓控制電流控制及并聯(lián)控制3） 脈寬控制與磁放大器地混合控制方式4 按控制信號(hào)的隔離方式分1） 采用光電耦合的隔離方式2） 采用變壓器的隔離方式3） 電壓/頻率變換頻率/電壓變換用變壓器隔離控制信號(hào)的方式4） 采用磁放大器的隔離方式5 按過(guò)流保護(hù)方式分有輸出電流檢測(cè)方

24、式與開(kāi)關(guān)電流檢測(cè)方式以上這些方式的組合可構(gòu)成多種方式的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源,因此,設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必弄清各種方式的特性,進(jìn)行有效的組合,設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源第二章 小型開(kāi)關(guān)電源原理一RCC變換器的電路結(jié)構(gòu)RCC變換器是Ringing Choke Converter的簡(jiǎn)稱(chēng),廣泛應(yīng)用50W以下的開(kāi)關(guān)電源中,它不需要自勵(lì)式振蕩電路,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,由輸入電壓與輸出電流改變頻率RCC的基本電路如圖2-1所示,電壓和電流波形如圖2-2所示在導(dǎo)通期間變壓器蓄積能量, 在下一此截止期間變壓器蓄積的能量釋放供給輸出負(fù)載 圖2-1 RCC基本電路 結(jié)束時(shí),變壓器電壓波形自由振蕩返回到0 V,見(jiàn)圖2-2(c)這電壓通過(guò)基極繞組加

25、到開(kāi)關(guān)晶體管的基極,因此, 晶體管觸發(fā)導(dǎo)通,一導(dǎo)通就進(jìn)入開(kāi)始下一個(gè)工作周期輸入電壓是輸入交流電壓經(jīng)整流的直流電壓時(shí)的等效電路如圖2-3(a)所示晶體管導(dǎo)通, 因此變壓器的初級(jí)線圈兩端加上輸入電壓 圖2-2 電源和電流波形圖2-3 RCC的等效電路另一方面,在變壓器次級(jí)側(cè)放電,供給輸出電流 這期間,輸出二極管中無(wú)電流,因此,變壓器初級(jí)側(cè)不產(chǎn)生相互作用中蓄積的能量為時(shí)等效電路如圖2-3(b)所示,因初級(jí)側(cè)無(wú)電流,所以,圖中未畫(huà)出時(shí)中蓄積的能量通過(guò)變壓器的次級(jí)側(cè)線圈釋放給次級(jí)側(cè)從轉(zhuǎn)換到瞬間,初級(jí)側(cè)線圈的安匝相等原理仍成立,因此,若變 壓器初級(jí)側(cè)能量全部傳遞 給次級(jí)側(cè),則: (21)匝比N為: (22

26、) 電感與之比是與繞組匝數(shù)平方成正比例,即: (23)傳遞給次級(jí)側(cè)能量就變?yōu)檩敵龉β蕡D2-4示出次級(jí)側(cè)電壓與電流之間關(guān)系圖2-4 次級(jí)側(cè)電壓與電流之間關(guān)系設(shè)變壓器輸出功率為,則: (24) (25)式中,為變壓器的效率但是,若變壓器的初級(jí)側(cè)能量不全部傳遞給次級(jí)側(cè),其一部分能量變?yōu)樽儔浩鞯臒岷?根據(jù)式,有: (26) (27) (28) 這些等式可改寫(xiě)為: (29) (210) (211)占空比,它是RCC設(shè)計(jì)時(shí)決定電路特性的重要參數(shù)開(kāi)關(guān)晶體管的集電極電流等于,因此,根據(jù)式, (212) 由圖2-6所示波形可知,時(shí),的集電極與發(fā)射極間所加電壓為 (213) 圖 2-5 晶體管電流和電壓與D之間關(guān)

27、系 圖 2-6 開(kāi)關(guān)晶體管的發(fā)射極與集電極間電壓Vce圖2-5示改變D時(shí),與相對(duì)值的變化D較大時(shí),較小,但較高,因此,務(wù)必選用高耐壓晶體管D較小時(shí),也較低,但增大另外,這與變壓器設(shè)計(jì)以及輸出二極管和輸出電容的選用也有關(guān)系輸入最低時(shí)D選為0.3 0.5進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)是適宜的二簡(jiǎn)單的RCC方式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源15V/3A的RCC方式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源,它由主開(kāi)關(guān)電路浪涌電壓吸收電路電壓檢測(cè)電路次級(jí)側(cè)整流平滑電路組成 工作原理簡(jiǎn)要說(shuō)明如下:主開(kāi)關(guān)電路是保證輸出電壓穩(wěn)定而通斷的直流電路,他是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的重要組成部分對(duì)于RCC方式,開(kāi)關(guān)晶體管的集電極電流峰值是決定電源的輸出功率之值,它由開(kāi)關(guān)晶體管基極電流與晶體管的

28、蓄積時(shí)間決定基極驅(qū)動(dòng)電路與電流波形如圖2-6所示圖2-6 開(kāi)關(guān)晶體管的基極電流與集電極電流(a)基極驅(qū)動(dòng)電路 (b)工作波形反饋線圖產(chǎn)生的正向電壓,使晶體管的基極電流按時(shí)間常數(shù)衰減若兩端電壓達(dá)到二極管的正向壓降時(shí),電流經(jīng)和流通的基極電流是這些電流的合成電流的集電極電流增加到基極電流的倍之后,在蓄積電荷期間,還繼續(xù)增加,若增加接近峰值時(shí),的基極有反偏置電流,因此,截止大小與電阻有關(guān),越小,就越大若這樣確定時(shí),即輸入電壓升高時(shí)或輸出電流下降時(shí),有必要使基極電流不需要的分量流經(jīng)其它電路這種電路如圖2-7所示,不需要的基極電流分量流經(jīng),對(duì)于輸入電壓與輸出電流變動(dòng)時(shí),保持輸出電壓恒定此電路中采用PNP型

29、晶體管,也有采用NPN型晶體管,但采用PNP型晶體管電路的過(guò)流保護(hù)電路簡(jiǎn)單電路中與是供給控制基極電流的光電耦合器的電源當(dāng)輸出電壓稍升高時(shí),光電耦合器中LED光量增加,光電晶體管 圖2-7開(kāi)關(guān)晶體管的基極的集電極電流增大,導(dǎo)致的集 電流與集電極電流電極電流增大,形成使的基極電流減小的負(fù)反饋閉環(huán)路 的基極電流一旦減小,集電極峰值電流也減小,但同時(shí)變短 另外,隨著輸入電壓的升高與輸出功率的減小而變短,因此,輸入電壓最高,輸出功率最小時(shí)應(yīng)最短若輸入電壓升高,輸出電流又下降,它作為最小值的輸入電壓與輸出電流的界限時(shí),就不能維持正常的振蕩,產(chǎn)生如圖2-8所示的間歇振蕩這樣,變壓器就會(huì)發(fā)出振動(dòng)聲響因此,必須

30、有最小負(fù)載電流,若負(fù)載不能保證不開(kāi)路時(shí),可在輸出端接入假負(fù)載電阻R如圖2-9所示,最小負(fù)載電流消耗在此電阻R中圖2-8 間歇振蕩實(shí)例圖2-9 防止間歇振蕩的電路主開(kāi)關(guān)電路中還有保護(hù)開(kāi)關(guān)晶體管的保護(hù)電路電源接通瞬間或輸出短路時(shí),光電耦合器停止工作,為截止?fàn)顟B(tài)為此,基極電流全部流經(jīng)的基極當(dāng)輸入電壓較高時(shí),基極電流與輸入電壓成比例增大,晶體管集電極電流峰值也成比例增大因整流平滑后的直流電壓變動(dòng)范圍為105-195V,195V時(shí)的集電極電流峰值時(shí)105時(shí)的2倍這樣,變壓器變成飽和狀態(tài),或破壞的安全工作區(qū),于是就需要加過(guò)流保護(hù)電路,防止集電極電流增大圖2-10是幾種過(guò)流保護(hù)實(shí)例最常用的是圖(a)所示電路

31、,采用專(zhuān)用的過(guò)流保護(hù)晶體管圖(b)電路是用兩個(gè)二極管替代晶體管電路圖(c)是基極電流控制晶體管兼有保護(hù)電路功能圖2-10 過(guò)電流保護(hù)電路實(shí)例此例中的過(guò)流保護(hù)電路如圖2-11所示,當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管的集電極電流增加時(shí),若過(guò)流檢測(cè)電阻R兩端電壓與的之和接近的與的正向壓降之和,則基極電流通過(guò)分流,從而減少基極電流,因此,限制了的集電極電流,到達(dá)保護(hù)目的 圖2-11 過(guò)電流保護(hù)電路及其工作波形圖2-12 吸收電路及其工作波形吸收電路的等效電路與工作波形如圖3-13所示,二極管導(dǎo)通期間,晶體管的集電極與發(fā)射極的電壓是輸入電壓和吸收電路中電容充電電壓之和流經(jīng)二極管的電流其峰值較大,如圖中所示,但平均電流小,選用

32、0.2A電流二極管即可,其耐壓等于或大于另外,由波形可知,電路中較大,因此選用噪聲性良好的二極管,圖3-6中的選FR,與其并聯(lián)的電容改善了二極管噪聲特性 圖2-13 輸出整流波形及其工作波形 輸出整流濾波電路是由整流二極管電解電容和扼流圈組成流經(jīng)二極管的電流如圖2-13所示,它與開(kāi)關(guān)晶體管集電極電流相反,線性下降有效電流為平均電流(輸出電流)的1.4 1.6倍二極管上加的反向電壓為輸出電壓的2 3倍此例中采用FD二極管電壓檢測(cè)電路是LED光量隨輸出電壓的微小變化,從而控制輸出電壓,使其穩(wěn)定的電路當(dāng)輸出電壓為8V以下時(shí),檢測(cè)電路采用可變串聯(lián)穩(wěn)壓器,如圖2-15(a)所示,輸出電壓當(dāng)輸出電壓為8V

33、以上時(shí),采用6.2V穩(wěn)壓管和晶體管組合的電路,如圖2-14(b)所示,輸出電壓 圖2-14 電壓檢測(cè)電路第三章 開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)一開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)步驟圖3-1所示是RCC的設(shè)計(jì)程序,現(xiàn)按程序說(shuō)明如下圖3-1 RCC設(shè)計(jì)程序1. 確定電源規(guī)格 輸入電壓: DC36V 輸入電壓變化范圍: ±20% 輸出電壓: DC15V 輸出電壓變化范圍: ±1% 輸出功率為; 45W2. 確定占空比D和頻率f 設(shè) 設(shè)最低振蕩頻率低于25KHZ的頻率即為音頻域,回發(fā)出刺耳的撥號(hào)音而提供就會(huì)增大開(kāi)關(guān)損耗RCC在輸出電流減小時(shí)頻率會(huì)增高,以致達(dá)200KHZ以上這樣就會(huì)因不能配合開(kāi)關(guān)晶體管的工作而致?lián)p耗

34、增加3. 輸入直流電壓的計(jì)算 =28.8V 43.2V4. 一次電流的峰值圈數(shù)比N和一次電感的計(jì)算現(xiàn)以輸出電壓最低輸出電流為過(guò)流保護(hù)設(shè)定點(diǎn)(的120%)的情況進(jìn)行計(jì)算RCC在該點(diǎn)時(shí)最大,f最小設(shè)=0.55V, =0.35V,=0.94,由=15V得=+ +=15 + 0.55 + 0.35 = 15.9 (V)變壓器的輸出功率因15V輸出電流是過(guò)流檢測(cè)點(diǎn),為3A×1.2,所以 = 15.9 × 3 × 1.2 = 57.24 (W) (A)ON時(shí)為: (S)一次和二次(5V線圈)圈數(shù)比N為: 一次線圈電感為: (mH)5.磁芯的選用磁芯選用EEC28L(TDK)圖

35、3-2和圖3-3是磁芯和繞線管的示意圖6. 匝數(shù)N1N2的確定二次線圈的匝數(shù)為: S:磁芯有效截面積 :最大磁通密度3000高斯(匝)一次線圈的匝數(shù)為: (匝)圖3-2 磁芯示意圖圖3-3 繞線管示意圖表3-1 磁芯尺寸(mm) 有效截面積為81.4ABCFl28.5516.99.911.421.8表3-2 饒線管尺寸(mm)ABC20.912.322.47. 變壓器的設(shè)計(jì)一定要檢驗(yàn)線圈能否容入所選的磁芯因此要先計(jì)算出通過(guò)線圈的電流電流在輸入電壓最低和輸出電流最大時(shí)最大,此時(shí)變壓器的輸出功率為: =15.9×3=47.7 (W) (A)電流波形變化如圖3-4所示有效值 (A)流入變壓

36、器15V線圈的電流的峰值可按下式從輸出電流求出 圖3-4 通過(guò)線圈的電流計(jì)算 (A)有效值為: (A)變壓器需要有供給晶體管的基極電流的基極線圈,因此要算出該線圈的匝數(shù)如圖3-5,即使輸入電壓V1最低時(shí),基極電路電壓也需5.5V,因此為:圖3-5 基極線圈的設(shè)計(jì) (匝)設(shè),則晶體管VT1基極電流為: (A)有效值 (A)下面談?wù)劥_定線圈用導(dǎo)線(漆包線)的線徑問(wèn)題縮小導(dǎo)線線經(jīng)無(wú)疑可嵌入繞組節(jié)距,但因線圈電阻部分發(fā)熱過(guò)大,可能不合適因此,作為確定導(dǎo)線線經(jīng)的指標(biāo),就要考慮導(dǎo)線的電流密度=導(dǎo)線的單位截面流過(guò)的電流(A/)=I/S I : 電流 S : 截面積然而,確定不是容易的變壓器的溫度容許度數(shù)取決

37、于磁芯的溫度特性和所用絕緣材料(繞線管和磁帶等)的最高使用溫度變壓器的環(huán)境溫度是氣溫加內(nèi)部上升溫度,而內(nèi)部上升溫度難以確切估計(jì)(尤其是安裝密度過(guò)大時(shí)),電流密度(或線圈的損耗)和變壓器的溫升的關(guān)系就更難成立其中采用自然冷卻還是風(fēng)扇冷卻就有很大差異因困難很大,所以要使用以往的經(jīng)驗(yàn)值自然冷卻時(shí)以1.54A/為宜,風(fēng)扇冷卻以3 6 A/為宜變壓器小時(shí),最好選較大值,變壓器大時(shí)則要選較小值確定最佳磁芯和線圈時(shí),只能通過(guò)實(shí)際工作測(cè)定變壓器的溫度這里按=4 A 進(jìn)行設(shè)計(jì)以下談?wù)劥_定線圈的導(dǎo)線尺寸(導(dǎo)線線經(jīng))問(wèn)題計(jì)算一次線圈所需截面積導(dǎo)線便覽里截面積比S大的最細(xì)導(dǎo)線為0.7mm,截面積為0.3848,一級(jí)漆

38、包線的外徑為0.776mm其它線圈同樣,其導(dǎo)線確定結(jié)果如表3-1所示同理,二次線圈采用三根并聯(lián) 表3-1線圈設(shè)計(jì)結(jié)果線 圈次 數(shù)Irms/A 導(dǎo)線IdA/mm層數(shù)一2.880.70.7760.38483.7 2 二7.90.7 0.7760.3848 4.2 1 B0.330.40.4560.12572.6初級(jí)線圈剩余注:1. 使用一級(jí)漆包線2.一二次線圈使用1根要加粗,故分別用2根三根并聯(lián)3. 基極線圈的尺寸于一次同,減少了導(dǎo)線種類(lèi)按所使用的磁性和饒線管計(jì)算線圈的繞組節(jié)距,由圖3-6可知高度為22.4mm厚度為4.59mm線圈的饒法會(huì)影響漏感(漏磁通)的變化,因此要使一次二次線圈的磁性耦合好

39、在安全上,確保一次二次線圈的絕緣很重要,各國(guó)安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)絕緣材料和絕緣距離也都有詳細(xì)規(guī)定這里采用將一次線圈和線圈交替重疊卷繞法以達(dá)到良好的磁性耦合為符合UL(美國(guó))CSA(加拿大)標(biāo)準(zhǔn),要在繞線管兩端裝上2mm的絕緣帶,以取沿面放電的最短距離因此,實(shí)際繞組節(jié)距的高度是22.4-2=20mm在一次二次間裝入3層絕緣膠帶,并規(guī)定一次和二次間的耐壓為1250V現(xiàn)計(jì)算繞組節(jié)距高20mm時(shí),各線圈層數(shù)設(shè)線圈外形為r,則一次線圈繞一層的匝數(shù)為: (匝)所以層數(shù)是: 圖3-6 繞組節(jié)距 (層) 因此,一次線圈為2層因線圈第二層線圈減少,所以將基極線圈加入該層空余部分同理,二次線圈層數(shù)為一層最后,要檢驗(yàn)線圈的厚

40、度是否達(dá)到繞組節(jié)具的厚度線圈的厚度d為: r:電線徑 l:層數(shù) dt:絕緣膠帶的厚度考慮到空余,將其按1.2倍處理如果不考慮該空余率,線圈即使繞好也會(huì)產(chǎn)生跟磁芯不符的問(wèn)題,設(shè)絕緣膠帶的厚度為0.05mm,總15張從表2-1可得:d=(0.776×2+0.776+0.05×15)×1.2=3.52< 4.45 結(jié)果跟磁芯相符此時(shí)如果跟磁芯不符,就要把磁芯改大再計(jì)算如顯得過(guò)緊時(shí),也可考慮稍增大電流密度的方法反之,在空余過(guò)大時(shí),會(huì)造成磁芯過(guò)大,因而要減磁芯尺寸后再進(jìn)行計(jì)算圖3-7所示為上述變壓器的設(shè)計(jì)程序 圖3-7 變壓器的設(shè)計(jì)程序 8.開(kāi)關(guān)晶體管的選用 設(shè)計(jì)晶體

41、管之前的變壓器時(shí),要檢查一下已計(jì)算的參數(shù)的情況,并按4項(xiàng)設(shè)定的輸入電壓最低15出電流為過(guò)流設(shè)定點(diǎn)輸出電流最大的調(diào)節(jié)進(jìn)行計(jì)算因圈數(shù)比為: 所以可分別得: (A) (µs) (µs) 因此: (KHZ) (高斯)就輸入電壓最高,輸出電流最大的情況加以計(jì)算.這時(shí)可由3項(xiàng)得=43.2V為: (W) (A) (µs) (µs)因此: KHZ 晶體管的電壓實(shí)際波形如圖3-8所示從轉(zhuǎn)換到時(shí),由于變壓器的漏磁通,致使一部分電量沒(méi)有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈,就是由這種電量導(dǎo)致的一種波形因漏電感得計(jì)算有困難,故這里按下式進(jìn)行設(shè)計(jì) 因 V,所以確定 V圖3-8 晶體管的圖3-

42、9 復(fù)位電路和浪涌電壓保護(hù)電路圖3-9所示是一次線圈的復(fù)位電路和減振電路在該設(shè)計(jì)例中設(shè)復(fù)位電路中得為33K,不過(guò)要邊觀察 工作時(shí)的 波形而定,使保持14.4V左右表示由一次電路的電感成分產(chǎn)生的浪涌電壓晶體管的兩端裝有CR,以控制峰值該CR值可參考設(shè)計(jì)例采用嘗試法確定 的集電極電壓的最高值是: (V) 集電極電流的峰值 (A) 決定選用2SC519A型晶體管表2-3 晶體管的特性 2SC519A參數(shù) 項(xiàng) 目符 號(hào)額 定 值單 位極限參數(shù)結(jié) 溫150集電極發(fā)射極電壓110V集 電 極電 流DC7A峰 值A(chǔ)電熱特性直流電流放大系數(shù)15集電極發(fā)射極飽和電壓2V基極飽和電壓2.5V熱 電 阻存 儲(chǔ) 時(shí)

43、間4.5µs上 升 時(shí) 間0.4µs下 降 時(shí) 間0.4µs下面計(jì)算晶體管的損耗:晶體管的電流波形從OFF轉(zhuǎn)移到ON時(shí),如圖3-10所示,就會(huì)有放電電流通過(guò)緩沖器的電容器該電流的峰值會(huì)按電容值變化, 這里設(shè)定為擴(kuò)大這時(shí)的和,即呈圖3-11(a)的狀態(tài)而從ON到OFF轉(zhuǎn)移時(shí),即呈圖(b)的狀態(tài)設(shè),則ON時(shí)的損耗和OFF時(shí)的損耗可分別按下式計(jì)算 圖3-10 晶體管的電流圖3-11 ONOFF時(shí)的晶體管的電流電流 on時(shí)的損耗 (W) off時(shí)的損耗 (W) 設(shè)的飽和電壓,則: 時(shí)損耗 (W) 的損耗 (W)9. 輸出二極管的選定通過(guò)二極的電流波形如同圖3-4的但實(shí)際上

44、一定要考慮時(shí)反向漏電流通過(guò)的問(wèn)題因時(shí)的反向電壓為: 所以其最大值(V)按該電壓可使用肖特基勢(shì)壘二極管,選擇F107 為確定散熱片的大小,要計(jì)算二極管的損耗,正向電流通過(guò)時(shí)的損耗為: W根據(jù)管殼和散熱器間的熱電阻和 設(shè)為100,在環(huán)境溫度為60,所需散熱器熱電阻為: 10.確定輸出電容通過(guò)電容的紋波電流 ,如圖3-12,有效值在輸入電壓最低, 圖3-12輸出電容的紋波電流輸出電壓最大時(shí)最大 = =4.9 (A) 作為15V輸出電容選紋波電流大于4.9A的電容,可以幾個(gè)電容并聯(lián) 僅此,輸出紋波電壓就很大,所以如電路圖的輸出上裝有LC濾波器,使其衰減L確定為數(shù),C確定為上述所選容量的1/4左右11. 復(fù)位電路和吸收電路參數(shù)確定圖3-12中電路是通過(guò)把磁能作為熱能進(jìn)行消耗的電路,ON時(shí),儲(chǔ)存在里的磁通為: 圖 3-12 復(fù)位電路設(shè)的電壓為,則消耗熱能為: = 加在上的峰值電壓為: = 式中是時(shí)的值,因?yàn)闉?00V,那么按80%使用率為320V 時(shí)間常數(shù)要絕對(duì)比周期T大,約為10倍左右 (µF)的漏極電流為: (A) 輸出變壓器一次線圈的等效負(fù)