畢業(yè)設(shè)計(jì)、 隔爆兼本安BUCK變換器的設(shè)計(jì)

1、編號(hào)： 字 號(hào)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 隔爆兼本安BUCK變換器設(shè)計(jì) 電氣工程自動(dòng)化08-3班題目： 二一一年六月畢業(yè)論文題目： 隔爆兼本安BUCK變換器的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文專(zhuān)題題目： 畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求：1.了解本質(zhì)平安理論及意義2.掌握BUCK電路的工作原理3.控制芯片的選擇及使用4.本質(zhì)平安變換器的設(shè)計(jì) 5.本質(zhì)平安變換器輸出保護(hù)電路6.轉(zhuǎn)換器的仿真7.完成與畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容相關(guān)的英文翻譯近三年的文獻(xiàn)，不少于3000漢字院長(zhǎng)簽字： 指導(dǎo)教師簽字： 摘 要開(kāi)關(guān)電源具有高效率、體積小、性能可靠、電路簡(jiǎn)單，等優(yōu)點(diǎn)，BUCK變換器是開(kāi)關(guān)電源一種根本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出電壓總是低于它的輸入電壓，在現(xiàn)代科學(xué)研究和工業(yè)

2、生產(chǎn)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。工作在含有爆炸性混合物環(huán)境的電子設(shè)備必須滿(mǎn)足防爆的要求，本質(zhì)平安型是最正確的防爆形式，本質(zhì)平安變換器是本質(zhì)平安電源的核心，因此研究本質(zhì)平安開(kāi)關(guān)變換器是研究本質(zhì)平安開(kāi)關(guān)電源的根底。本文首先介紹了本質(zhì)平安電路理論、背景及開(kāi)展史和電路放電的三種形式，并對(duì)BUCK變換器的原理及濾波電感的連續(xù)、斷續(xù)及臨界三種狀態(tài)進(jìn)行分析說(shuō)明。本文采用PWM電壓型控制芯片UC3573進(jìn)行控制，它可以使開(kāi)關(guān)電源的元器件數(shù)量大幅地減少，提高開(kāi)關(guān)電源的性能，使電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn) ,并對(duì)UC3573芯片的原理和各個(gè)管腳的功能做了詳細(xì)的介紹。對(duì)本質(zhì)平安BUCK變換器的保護(hù)原理進(jìn)行分析，并給出輸入、輸出過(guò)壓

3、保護(hù)電路和輸出過(guò)流、短路保護(hù)電路及原理分析。最后進(jìn)行仿真和試驗(yàn)研究，給出了相關(guān)實(shí)驗(yàn)波形并進(jìn)行了分析，結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。關(guān)鍵詞： 開(kāi)關(guān)電源； 本質(zhì)平安； BUCK變換器； UC3573AbstractSwitching power supply with high efficiency, small size, reliable performance, simple circuit, etc., BUCK converter is a basic topology switching power supply, the output voltage is always lower tha

4、n its input voltage, in modern scientific research and industrial production is more and more widely used.Work environment in the presence of an explosive mixture of electronic equipment must meet the requirements of explosion-proof, intrinsically safe is the best form of proof, intrinsically safe i

5、ntrinsically safe power supply converter is the core, the study of intrinsically safe switching converter is intrinsically safe switch power base.This paper introduces intrinsically is safe circuit theory, history and background and three forms of discharge circuit, and the BUCK converter and the fi

6、lter inductance principle of continuous, intermittent, and that the critical analysis of three states. In this paper, the control chip is UC3573 PWM voltage control, switching power supply which can reduce substantially the number of components is to improve the performance of switching power supply

7、, so that the advantages of simple circuit, and the UC3573 chip principle and function of each pin is detailed. BUCK converter on the nature of the protection of the safety analysis of the principle, and give input, output over-voltage protection circuit and output over-current, short circuit protec

8、tion circuit and principle.Finally, simulation and experimental is researched, experimental waveforms are given and analyzed, the results verify the feasibility of the design.朗讀顯示對(duì)應(yīng)的拉丁字符的拼音Keywords: switching power supply; intrinsically safe; BUCK converter; UC3573目 錄 TOC o 1-3 h z u TOC o 1-3 h z u

9、 HYPERLINK l _Toc295389514 1 緒論 PAGEREF _Toc295389514 h 1 HYPERLINK l _Toc295389515 1.1研究的意義 PAGEREF _Toc295389515 h 1 HYPERLINK l _Toc295389516 1.2本質(zhì)平安理論產(chǎn)生的背景 PAGEREF _Toc295389516 h 1 HYPERLINK l _Toc295389517 1.3本質(zhì)平安標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)理論開(kāi)展簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc295389517 h 1 HYPERLINK l _Toc295389518 1.4本質(zhì)平安開(kāi)關(guān)電源開(kāi)展與現(xiàn)狀

10、PAGEREF _Toc295389518 h 2 HYPERLINK l _Toc295389519 1.5本質(zhì)平安電路根本原理及電氣放電形式 PAGEREF _Toc295389519 h 3 HYPERLINK l _Toc295389520 本質(zhì)平安電路根本原理 PAGEREF _Toc295389520 h 3 HYPERLINK l _Toc295389521 電氣放電形式 PAGEREF _Toc295389521 h 3 HYPERLINK l _Toc295389522 1.6本質(zhì)平安防爆開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn) PAGEREF _Toc295389522 h 4 HYPERLINK

11、l _Toc295389523 1.7本質(zhì)平安開(kāi)關(guān)變換器的組成及原理 PAGEREF _Toc295389523 h 5 HYPERLINK l _Toc295389524 2 降壓型BUCK電路 PAGEREF _Toc295389524 h 7 HYPERLINK l _Toc295389525 2.1 BUCK型開(kāi)關(guān)電源原理 PAGEREF _Toc295389525 h 7 HYPERLINK l _Toc295389526 2.2降壓式變換電路Buck電路 PAGEREF _Toc295389526 h 7 HYPERLINK l _Toc295389527 開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，電

12、路的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程分析 PAGEREF _Toc295389527 h 8 HYPERLINK l _Toc295389528 電感電流連續(xù)模式下的工作過(guò)程分析 PAGEREF _Toc295389528 h 9 HYPERLINK l _Toc295389529 電感電流斷續(xù)模式下的工作過(guò)程分析。 PAGEREF _Toc295389529 h 12 HYPERLINK l _Toc295389530 電感電流臨界模式 PAGEREF _Toc295389530 h 13 HYPERLINK l _Toc295389531 3 電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295389531 h 15 H

13、YPERLINK l _Toc295389532 3.1控制IC的選擇 PAGEREF _Toc295389532 h 15 HYPERLINK l _Toc295389533 的性能及技術(shù)參數(shù) PAGEREF _Toc295389533 h 15 HYPERLINK l _Toc295389534 管腳引線(xiàn)功能介紹 PAGEREF _Toc295389534 h 17 HYPERLINK l _Toc295389535 3.2電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295389535 h 20 HYPERLINK l _Toc295389536 控制的BUCK主電路圖 PAGEREF _Toc29

14、5389536 h 20 HYPERLINK l _Toc295389537 主要參數(shù)的計(jì)算 PAGEREF _Toc295389537 h 20 HYPERLINK l _Toc295389538 4 保護(hù)電路 PAGEREF _Toc295389538 h 23 HYPERLINK l _Toc295389539 4.1本質(zhì)平安BUCK變換器輸出保護(hù)電路 PAGEREF _Toc295389539 h 23 HYPERLINK l _Toc295389540 4.2輸入、輸出過(guò)壓保護(hù)電路 PAGEREF _Toc295389540 h 25 HYPERLINK l _Toc29538954

15、1 4.3輸出過(guò)流、短路保護(hù)電路 PAGEREF _Toc295389541 h 25 HYPERLINK l _Toc295389542 4.4仿真結(jié)果 PAGEREF _Toc295389542 h 26 HYPERLINK l _Toc295389543 5 結(jié)論 PAGEREF _Toc295389543 h 29 HYPERLINK l _Toc295389544 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc295389544 h 30 HYPERLINK l _Toc295389545 英漢翻譯 PAGEREF _Toc295389545 h 32 HYPERLINK l _Toc29538

16、9546 英文原文 PAGEREF _Toc295389546 h 32 HYPERLINK l _Toc295389547 中文譯文 PAGEREF _Toc295389547 h 41 HYPERLINK l _Toc295389548 致 謝 PAGEREF _Toc295389548 h 52 1 緒論1.1研究的意義作為通訊、監(jiān)控、檢測(cè)、報(bào)警以及控制系統(tǒng)的供電設(shè)備，本質(zhì)平安電源主要應(yīng)用在石油、化工、紡織和煤礦等含有爆炸性混合物環(huán)境中。隨著電力電子技術(shù)的迅速的開(kāi)展以及現(xiàn)代化水平的不斷提高，自動(dòng)控制設(shè)備和儀器在煤礦井下的使用越來(lái)越廣泛，用電設(shè)備發(fā)生的漏電、短路、電火花等電氣事故，成為這些

17、危險(xiǎn)性環(huán)境可燃?xì)怏w或物質(zhì)爆炸的隱患。所以要求應(yīng)用于煤礦、石油等易燃、易爆危險(xiǎn)性環(huán)境的電氣設(shè)備必須滿(mǎn)足防爆的要求。防爆電源作為危險(xiǎn)環(huán)境下系統(tǒng)不可缺少的局部1。危險(xiǎn)環(huán)境的所以設(shè)備必須滿(mǎn)足防爆要求，根據(jù)防爆措施，可把防爆電氣設(shè)備分為本質(zhì)平安型、隔爆型、增安型、正壓型、油侵型等，其中應(yīng)用較多的是隔爆型和本質(zhì)平安型。本質(zhì)平安型電氣設(shè)備有很多優(yōu)點(diǎn)：平安程度高、體積小、攜帶維護(hù)方便、價(jià)格低廉。因此本質(zhì)平安電源將更為廣泛的應(yīng)用，所以對(duì)本質(zhì)平安的研究會(huì)越來(lái)越重要。當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)的開(kāi)展，大功率高速器件的出現(xiàn)，PWM芯片的性能越來(lái)越強(qiáng)大，使本質(zhì)平安電源具有更高的性能和優(yōu)越性。開(kāi)關(guān)電源對(duì)于實(shí)現(xiàn)本質(zhì)平安輸出最重要的優(yōu)勢(shì)

18、是隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，電源的輸出電感、電容可以很小，其所具有釋放的能量很小，更具有本質(zhì)平安性能，更平安。1.2本質(zhì)平安理論產(chǎn)生的背景1886年由普魯士瓦斯委員會(huì)委托亞琛Aachen工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了瓦斯爆炸方面的根底性試驗(yàn)，并在1898年的后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中得出了“任何電火花都能夠引起爆炸重要結(jié)論。1911和1913年英國(guó)威爾士Welsh和圣海德Senghenydd煤礦因電鈴信號(hào)線(xiàn)路產(chǎn)生放電火花先后發(fā)生瓦斯爆炸，造成數(shù)百人死亡的嚴(yán)重后果。為此，當(dāng)時(shí)任英國(guó)內(nèi)政部技術(shù)官員R.V.Wheeler教授開(kāi)始研究電鈴信號(hào)電火花的引燃特性，并設(shè)計(jì)了火花試驗(yàn)裝置。1915年W.M.Thoronton參與了該項(xiàng)研究工作

19、，在1916年提出了本質(zhì)平安電路設(shè)計(jì)方法和理論，這一理論的提出標(biāo)志著本質(zhì)平安理論正式創(chuàng)立1。1.3本質(zhì)平安標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)理論開(kāi)展簡(jiǎn)介隨著電子器件的更新和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，本質(zhì)平安電氣設(shè)備的種類(lèi)和形式發(fā)生了巨大的變化，英國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)于1945年再一次修訂BS1259：1958。1967年在IEC31G委員會(huì)布拉格會(huì)議期間，經(jīng)過(guò)對(duì)火花放電提交的不同試驗(yàn)結(jié)論比擬，決定采用聯(lián)邦德國(guó)西門(mén)子公司一組工作人員設(shè)計(jì)的火花試驗(yàn)裝置所作的試驗(yàn)結(jié)果，并將該試驗(yàn)裝置推選為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)火花試驗(yàn)裝置。1978年國(guó)際電工委員會(huì)IEC發(fā)布了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括“本質(zhì)平安和附屬設(shè)備的構(gòu)造和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)：IEC刊物79-11。

20、在此期間，歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織CENELEC也制定了一系列關(guān)于“可燃性環(huán)境中電氣設(shè)備的構(gòu)造與試驗(yàn)歐洲標(biāo)準(zhǔn)，本質(zhì)平安型標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為：EN50020。歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)委員會(huì)于1981年制定有關(guān)本質(zhì)平安系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測(cè)試的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，代號(hào)為：EN50039，與之相當(dāng)?shù)挠?guó)標(biāo)準(zhǔn)為：BS5501：1982年美國(guó)在本質(zhì)平安電路設(shè)計(jì)方面，先后制定了本質(zhì)平安國(guó)家電氣規(guī)程N(yùn)EC504-2條，1995年保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室UL913和美國(guó)儀表學(xué)會(huì)ISA，出版了用于檢驗(yàn)和安裝本質(zhì)平安設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ISA-PR12.6-1995。在本質(zhì)平安電器產(chǎn)品檢驗(yàn)方面，世界各國(guó)都有專(zhuān)門(mén)授權(quán)的防爆檢驗(yàn)部門(mén)從事本質(zhì)平安電路和電氣設(shè)備及其關(guān)聯(lián)設(shè)備的檢

21、驗(yàn)1。 目前，在全球范圍內(nèi)已廣泛接受的電氣設(shè)備防爆技術(shù)有：隔爆型 (Exd)、本質(zhì)平安型 (Exi)、正壓型 (Exp)、增安型 (Exe)、油浸型、充砂型、澆封型、n型、特殊型、粉塵防爆型等。以上每種方式都有其各自的優(yōu)點(diǎn)，其中隔爆型、本質(zhì)平安型和正壓型應(yīng)用較為廣泛。比擬三種主要防爆型式的優(yōu)缺點(diǎn)可知，本質(zhì)平安型電氣設(shè)備從電路的電氣參數(shù)上保證了防爆，省去了隔爆外殼，具有平安程度最高、體積最小、重量最輕、攜帶與維護(hù)最方便和造價(jià)最低廉的五大優(yōu)點(diǎn)。因此，用于爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所的電氣系統(tǒng)和電氣設(shè)備，但凡可以或有希望設(shè)計(jì)本錢(qián)質(zhì)平安型的，總是盡量設(shè)計(jì)本錢(qián)質(zhì)平安型，而不設(shè)計(jì)成隔爆型或其它類(lèi)型。直流電源是電子產(chǎn)品必

22、不可少的重要組成局部，也是功率較大的電子設(shè)備，因此其面臨的本質(zhì)平安問(wèn)題更為突出2。我國(guó)開(kāi)始從事本質(zhì)平安電路理論研究，雖然我國(guó)起步比擬晚，但是從目前國(guó)內(nèi)的開(kāi)展?fàn)顩r來(lái)看，無(wú)論在理論研究方面，還是本質(zhì)平安產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面開(kāi)展的速度都很快。特別是最近幾年國(guó)內(nèi)在本質(zhì)平安理論研究方面進(jìn)步很快，已經(jīng)接近國(guó)際水平。對(duì)電阻性電路的放電特性從理論上分析研究；在此根底上，通過(guò)大量的具體試驗(yàn)對(duì)電感電路先后進(jìn)行了全面的研究和分析；此后，一些專(zhuān)家和學(xué)者又對(duì)電容性電路以及復(fù)雜電路的放電特性與引燃特性做了深入的研究和理論分析，并且分別建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型3。1.4本質(zhì)平安開(kāi)關(guān)電源開(kāi)展與現(xiàn)狀自20世紀(jì)60年代得到開(kāi)展和應(yīng)用的DC/

23、DC功率變換技術(shù)是一種硬開(kāi)關(guān)技術(shù)。功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷是在電壓和電流不為零的狀態(tài)下進(jìn)行的，開(kāi)關(guān)損耗較大，頻率不易太高。為提高電源效率和開(kāi)關(guān)頻率，減小開(kāi)關(guān)損耗，在硬開(kāi)關(guān)技術(shù)開(kāi)展和應(yīng)用的同時(shí)，國(guó)內(nèi)外電力電子界和電源設(shè)計(jì)界不斷研究開(kāi)發(fā)高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。它應(yīng)用諧振原理，使開(kāi)關(guān)器件中電流或電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流或電壓自然過(guò)零時(shí)，使開(kāi)關(guān)管關(guān)斷或開(kāi)通，降低功率開(kāi)關(guān)器件的損耗，提高開(kāi)關(guān)頻率到MHz數(shù)量級(jí)。其損耗很小4。我國(guó)從七十年代起開(kāi)始研制本質(zhì)平安型穩(wěn)壓電源，提出基于非隔離Buck變換器的開(kāi)關(guān)型本質(zhì)平安電源。它由變壓器、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、保護(hù)電路組成，采用工頻變壓器與電網(wǎng)隔離，穩(wěn)壓電路應(yīng)用

24、了開(kāi)關(guān)變換器，使電源效率得到提高。國(guó)外雖然在普通環(huán)境下直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的研究上進(jìn)展迅速，新技術(shù)不斷出現(xiàn)，但在煤礦本安防爆直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的研究上根本與我國(guó)處在同一水平，然而開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源與線(xiàn)性穩(wěn)壓電源相比，雖然存在控制電路較為復(fù)雜，瞬態(tài)響應(yīng)差，射頻、電磁干擾大，可靠性略差等缺點(diǎn)，但是它體積小，重量輕，輸出電壓穩(wěn)定，效率高達(dá)85以上，特別是隨著VMOS管、肖特基勢(shì)壘二極管等新一代高頻大功率元件的出現(xiàn)及一些新穎的電路拓?fù)浜涂刂萍夹g(shù)的采用，使開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率向高頻化開(kāi)展，電源的體積和重量越來(lái)越小，而電氣性能指標(biāo)卻大幅度提高。所以開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源十分適合煤礦井下要求?？梢?jiàn)，開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用于煤礦井下、石化

25、行業(yè)或一些危險(xiǎn)的環(huán)境中有著廣闊的前景，因此，對(duì)本質(zhì)平安開(kāi)關(guān)電源的研究具有重要意義4。目前對(duì)本質(zhì)平安型電源的研究主要局限于對(duì)非隔離的本安型開(kāi)關(guān)電源的研究，而在實(shí)際中應(yīng)用最多的還是隔離型開(kāi)關(guān)電源。所以，目前的非隔離型本安型開(kāi)關(guān)電源遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足實(shí)際的需要，這就要求我們必須對(duì)隔離型本質(zhì)平安開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行研究。而隔爆兼本安開(kāi)關(guān)電源，主要用于給危險(xiǎn)環(huán)境的電氣設(shè)備提供適宜的工作電壓，其功率通常不是很大。所以對(duì)本質(zhì)平安型變換器的研究不僅具有重要的意義，更是進(jìn)行本質(zhì)平安開(kāi)關(guān)電源研究的進(jìn)一步拓展。此外，研究本課題有助于本質(zhì)平安技術(shù)的推廣應(yīng)用；有助于開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。在國(guó)內(nèi)、外對(duì)本領(lǐng)域的研究人員較少，而它的市場(chǎng)

26、潛力是很大的，因此具有相當(dāng)?shù)膶W(xué)術(shù)意義和經(jīng)濟(jì)效益。1.5本質(zhì)平安電路根本原理及電氣放電形式本質(zhì)平安就是通過(guò)限制電火花和熱教應(yīng)兩個(gè)可能的點(diǎn)燃源的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。試驗(yàn)說(shuō)明， 對(duì)應(yīng)于各種危險(xiǎn)氣體都有其最小點(diǎn)燃能量，當(dāng)點(diǎn)燃能量小于這個(gè)能量時(shí)，將不能引起點(diǎn)燃而產(chǎn)生爆炸5。1.5.1本質(zhì)平安電路根本原理本質(zhì)平安電路是指在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件包括正常工作和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的故障條件下產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。其特點(diǎn)是：電源電路內(nèi)部和引出線(xiàn)不管是在正常工作還是在故障狀態(tài)下都是平安的，所產(chǎn)生的電火花不會(huì)點(diǎn)燃周?chē)h(huán)境中的爆炸性混合物。本質(zhì)平安電氣設(shè)備防爆根本原理是：通過(guò)限制電氣設(shè)備電路的各種

27、參數(shù)或采取保護(hù)措施來(lái)限制電路的火花放電能量和熱能，使其在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃周?chē)h(huán)境的爆炸性混合物，從而實(shí)現(xiàn)電氣防爆。電火花和熱效應(yīng)是引起爆炸性危險(xiǎn)氣體爆炸的點(diǎn)燃源6。 1.5.2電氣放電形式本質(zhì)平安電路理論及檢測(cè)是與電氣放電密切相關(guān)的。正是被認(rèn)為可能發(fā)生短路、開(kāi)路或接地等危險(xiǎn)點(diǎn)在火花試驗(yàn)裝置電極上開(kāi)斷、閉合時(shí)，放電產(chǎn)生的能量假設(shè)超過(guò)氣體引爆能量就會(huì)造成氣體混合物的爆炸。所以應(yīng)首先研究電氣放電，分析放電形式及其規(guī)律。6根據(jù)氣體放電理論，電路在切換時(shí)的根本放電形式有三種：火花放電，電弧放電，輝光放電，以及由三種放電形式組成的混合放電7。1火花放電：火花放電是在

28、接通和斷開(kāi)電容電路時(shí)，擊穿放電間隙中的氣體而產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是低電壓大電流放電。火花放電的過(guò)程可分為三個(gè)主要階段：第一階段火花形成階段，以施加外電壓瞬間起至間隙被擊穿止，此時(shí)火花帶的電流小而加在放電間隙上的電壓較穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間短約為10-9秒，火花形成階段的最后形成一個(gè)導(dǎo)通帶，第二階段開(kāi)始，此時(shí)電容上的全部電荷將沿著所形成的火花帶流通，并使之加熱到10000-20000。間隙上的電壓迅速降到一個(gè)極小的數(shù)值，而電流卻可到達(dá)極大值102104安。直到此階段終了時(shí)，電容一直在放電，而放電間隙的電阻從最大初始值降到一個(gè)很小的終了值。第三階段衰減階段火花帶被破壞，這是由于高溫火花帶的熱輻射被周?chē)鷼怏w層所吸

29、收，使火花帶展寬而造成的。這三個(gè)過(guò)程約在10-610-8秒的極短時(shí)間內(nèi)完成?；鸹ǚ烹娝尫诺哪芰恐饕蓛删植拷M成，在放電電子束中散失的能量和電極外表傳導(dǎo)的能量。正是后者的大小決定著放電能否引燃爆炸性氣體混合物，十清楚顯，電極外表傳導(dǎo)的能量小而在放電電子束中散失的能量大的火花容易點(diǎn)燃。2電弧放電：電弧放電是由某種形式的不穩(wěn)定放電不斷轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的，如高壓擊穿時(shí)產(chǎn)生的放電形式，特點(diǎn)是：可以產(chǎn)生持續(xù)的電弧、電流密度大、放電能量集中、點(diǎn)燃周?chē)ㄐ曰旌衔锏哪芰?qiáng)，電感性電路放電形式屬弧光放電。在切換小電流、低電壓的本質(zhì)平安電路時(shí)，由于液態(tài)金屬橋的斷開(kāi)形成電弧放電。液態(tài)金屬橋的形成情況是這樣的：在觸點(diǎn)斷開(kāi)

30、瞬間，接觸壓力急劇地降低，電極接觸面減少，過(guò)渡電阻值增大。當(dāng)電極上電流、電壓到達(dá)與接觸點(diǎn)熔化相應(yīng)的數(shù)值時(shí)，在電極間便形成液態(tài)金屬滴。在電極繼續(xù)拉開(kāi)的過(guò)程中，液態(tài)金屬滴被拉長(zhǎng)為連接兩電極的電橋。隨著橋上電壓的增加，金屬沸2電容性電路放電特性研究8騰，并使橋爆炸般地?cái)嚅_(kāi)。熔點(diǎn)低的金屬容易形成液橋，熔點(diǎn)低的金屬沸騰溫度也低，使橋斷開(kāi)的電流也比難熔金屬要小。火花試驗(yàn)裝置中采用了熔點(diǎn)相當(dāng)?shù)偷逆k，很容易成弧。3輝光放電：在高電壓小電流的條件下產(chǎn)生的放電形式，其特點(diǎn)是：放電能量不集中、能量散失大、點(diǎn)燃周?chē)ㄐ曰旌衔锏哪芰Σ?。由于弧光放電是最危險(xiǎn)的放電形式，在電壓很高而電流較小時(shí)，可以產(chǎn)生輝光放電。它的陰極

31、電壓降比電弧放電要高，可達(dá)100400伏。所以放電能量根本上散失在電極上，而不是作為引燃爆炸危險(xiǎn)混合物的能量出現(xiàn)。另外，輝光放電在實(shí)際的平安電路非常少見(jiàn)，所以一般不考慮這種情況。通過(guò)對(duì)三種放電的分析可以看出，在本質(zhì)平安電路中，火花放電、電弧放電引爆可燃性混合物所需能量比輝光放電所需能量小得多。因此，在本質(zhì)平安電路中火花放電、電弧放電是主要的放電形式，也是引燃可燃性混合物爆炸的主要因素.因此電感性電路是研究本質(zhì)平安電路的重要內(nèi)容8。1.6本質(zhì)平安防爆開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)在爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境中，本質(zhì)平安防爆開(kāi)關(guān)電源與普通應(yīng)用型開(kāi)關(guān)電源相比，具有許多特殊性7。1輸出功率受限制本質(zhì)平安防爆直流開(kāi)關(guān)電源與普通直流

32、開(kāi)關(guān)電源相比，必須限制電路的火花放電能量。具體地說(shuō)，就是限制電路放電的電流、電壓和放電時(shí)間。在實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)上，就是要同時(shí)具有穩(wěn)壓或限壓、限流或恒流功能，對(duì)于輸出功率較大的本質(zhì)平安型直流開(kāi)關(guān)電源，還應(yīng)具有過(guò)流或短路和過(guò)壓快速切斷保護(hù)措施。2輸入、輸出端必須電氣隔離由于本質(zhì)平安直流開(kāi)關(guān)電源的輸入側(cè)為非本質(zhì)平安的交流高壓端，而輸出側(cè)為本質(zhì)平安型輸出，電路內(nèi)部是一個(gè)由非本質(zhì)平安向本質(zhì)平安過(guò)渡的過(guò)程，為防止非本質(zhì)平安輸入傳入本質(zhì)平安輸出，要求輸入、輸出必須采取電氣隔離，可以采用變壓器隔離或光電耦合隔離，并且必須具備規(guī)定的耐壓等級(jí)。3保護(hù)、隔離環(huán)節(jié)必須多重化本質(zhì)平安型電氣設(shè)備根據(jù)平安程度的不同分為ia和i

33、b兩個(gè)等級(jí)。ia等級(jí)：電路在正常工作，一個(gè)故障或兩個(gè)故障時(shí)均不能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物的電氣設(shè)備，為ia等級(jí)的電氣設(shè)備。正常工作，平安系數(shù)為2；一個(gè)故障，平安系數(shù)為1.5；兩個(gè)故障，平安系數(shù)為1.0。ib等級(jí)：ib等級(jí)的設(shè)備指在正常工作或一個(gè)故障時(shí)，不能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物的電氣設(shè)備。正常工作，平安系數(shù)為2；一個(gè)故障，平安系數(shù)為1.5。假設(shè)設(shè)備中正常工作有火花的觸點(diǎn)，如加隔爆外殼或氣密外殼保護(hù)，一個(gè)故障時(shí)，平安系數(shù)可取為12。因此，本質(zhì)平安直流開(kāi)關(guān)電源的保護(hù)、隔離元件或組件，要根據(jù)設(shè)計(jì)電源要求滿(mǎn)足本質(zhì)平安等級(jí)雙重化或多重化，以保證在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不引起周?chē)扇夹?/p>

34、氣體混合物燃燒或爆炸。4適應(yīng)較大范圍的電網(wǎng)波動(dòng)在如煤礦井下等危險(xiǎn)性環(huán)境中，電網(wǎng)供電質(zhì)量差，電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍大，可75%115%，遠(yuǎn)高于地面電網(wǎng)的波動(dòng)約10%，且在井下動(dòng)力設(shè)備功率大，供電距離遠(yuǎn)，大,本質(zhì)平安防爆直流開(kāi)關(guān)電源的研究多直接啟動(dòng)，而且往往處于反復(fù)開(kāi)停的運(yùn)行狀態(tài)。因此要求應(yīng)用在煤礦井下的本質(zhì)平安型直流開(kāi)關(guān)電源必須在75%115%的輸入電壓范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。同時(shí)煤礦井下交流供電有多種電壓等級(jí)，如36、60、127、220、380V等，一種開(kāi)關(guān)電源應(yīng)能盡可能多的適用于多種電壓等級(jí)，增強(qiáng)電源的通用性，因此需要開(kāi)關(guān)電源具有寬的輸入電壓范圍。5在滿(mǎn)足本質(zhì)平安防爆要求的前提下提高輸出功率在控制電源

35、輸出功率滿(mǎn)足本質(zhì)平安要求的前提下，還要努力改善電源的輸出特性，提高輸出功率，降低電源的使用數(shù)量。通常使用的本質(zhì)平安電源具有線(xiàn)性負(fù)載特性，用提高電源內(nèi)阻OR的方法，將短路電流maxI限制在本質(zhì)平安允許范圍內(nèi)。1.7本質(zhì)平安開(kāi)關(guān)變換器的組成及原理本質(zhì)平安型開(kāi)關(guān)電源是本質(zhì)平安防爆電源開(kāi)展的必然趨勢(shì)，其應(yīng)用前景十分的廣泛。對(duì)于功率變換環(huán)節(jié)的開(kāi)關(guān)變換器，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和元件的選擇，可以滿(mǎn)足本質(zhì)平安的要求。本質(zhì)平安開(kāi)關(guān)變換器是本質(zhì)平安開(kāi)關(guān)電源的核心，因此本質(zhì)平安變換器是本質(zhì)平安電源的根底。要使開(kāi)關(guān)變換器到達(dá)本質(zhì)平安要求，就必須使其在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體或

36、其混合物。即必須將其故障火花能量限制在一定的范圍內(nèi)9。本質(zhì)平安開(kāi)關(guān)變換器的組成如1-1圖所，示其中含有儲(chǔ)能元件電感和電容，電感的分?jǐn)嗪碗娙莸亩搪肪鶗?huì)產(chǎn)生放電火花，從而又可能點(diǎn)燃爆炸性氣體。對(duì)于輸出短路引起的放電火花能量，可來(lái)自三個(gè)局部：輸入電源、電感及輸出濾波電容，因此為了抑制輸出短路引起的電火花能量，除了對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)外，還必須在輸出發(fā)生短路時(shí)徹底關(guān)斷輸入電源10。圖1-1 本質(zhì)平安變換器結(jié)構(gòu)圖開(kāi)關(guān)變換器的輸出屬于電容性電路，因此對(duì)于變換器輸出本質(zhì)平安主要考慮輸出發(fā)生短路的情況。開(kāi)關(guān)變換器的輸出端接有濾波電容，當(dāng)發(fā)生輸出短路時(shí)，輸出端會(huì)產(chǎn)生火花放電。同樣，由于開(kāi)關(guān)變換器不能當(dāng)成簡(jiǎn)單

37、的電容性電路，其中含有電感，而且變換器還存在多種工作模式，因此，在分析和判斷開(kāi)關(guān)變換器的輸出本質(zhì)平安性能時(shí)，必須考慮短路時(shí)的最大電路輸出能量。但是，開(kāi)關(guān)變換器的輸出發(fā)生短路時(shí)的火花放電能量不僅來(lái)源于電容的儲(chǔ)能，還有電感的儲(chǔ)能，電感的儲(chǔ)能取決于電感的大小和流過(guò)電感的最大電流，而在輸出發(fā)生短路時(shí)，從電源傳輸?shù)捷敵龆搪诽幍媚芰?，主要取決于保護(hù)電路的動(dòng)作時(shí)間。為了便于分析，將僅滿(mǎn)足輸出本質(zhì)平安的變換器，稱(chēng)為輸出本質(zhì)平安型開(kāi)關(guān)變換器。2 降壓型BUCK電路2.1 BUCK型開(kāi)關(guān)電源原理開(kāi)關(guān)電源一般有BUCK型也叫降壓型，BOOST型也叫升壓，還有很少用到的BUCK-BOOST型也叫升降壓型，BUCK型開(kāi)

38、關(guān)電源就是降壓到自己需要的電壓，其根本構(gòu)造一般是大功率開(kāi)關(guān)管比方大功率MOS管，一般都用MOS管，還有專(zhuān)門(mén)的POWERMOS與負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成，BOOST型一般是與負(fù)載并聯(lián)而成，早期的開(kāi)關(guān)電源是利用開(kāi)關(guān)管的線(xiàn)性區(qū)，通過(guò)改變MOS管的導(dǎo)通電阻的大小來(lái)改變其上的壓差，根據(jù)電阻分壓原理，從而改變負(fù)載上的電壓，從輸出電壓端采樣電壓后反應(yīng)到前級(jí)來(lái)有效控制MOS管的導(dǎo)通電阻，從而來(lái)獲得穩(wěn)定的輸出電壓11。于是隨后出現(xiàn)了MOS管工作在非線(xiàn)性區(qū)即開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的開(kāi)關(guān)電源，正是MOS管的開(kāi)和斷，開(kāi)關(guān)電源才因此而得名，對(duì)于AC/DC的BUCK型開(kāi)關(guān)電源，前級(jí)還是要經(jīng)變壓器降壓，以及全波整流和濾波后得到Udc，此時(shí)Udc的

39、紋波還是較大，波動(dòng)范圍大概與電網(wǎng)電壓的波動(dòng)成線(xiàn)性比，大概在正負(fù)10%左右，假設(shè)MOS管導(dǎo)通的時(shí)間為T(mén)1，截止的時(shí)間為T(mén)2，那么T1比T1+T2的值就是占空比q，假設(shè)輸出電壓為Uo,那么理論上Uo=qUdc，在Udc與Uo之間需要加續(xù)流肖特基和LC濾波電路，以便得到尖峰和紋波更小的輸出電壓Uo,電感和電容的值不能太小，否那么開(kāi)關(guān)電源會(huì)設(shè)計(jì)失敗，在Uo輸出端需要加電阻來(lái)采樣電壓，然后反應(yīng)到誤差放大器，誤差放大器輸出的電壓與鋸齒波構(gòu)成電壓比擬器，輸出方波，然后加驅(qū)動(dòng)電路，也叫PWM驅(qū)動(dòng)電路，然后控制開(kāi)關(guān)管，來(lái)及時(shí)調(diào)節(jié)導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比，輸出穩(wěn)定的電壓12。這就是BUCK型開(kāi)關(guān)電源的根本工作原理，這種

40、電源的效率根本可以到達(dá)70%80%，如果能有效控制電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍，效率還可以提高，現(xiàn)在根本上比擬好的電源的電網(wǎng)電壓波動(dòng)可以做到正負(fù)5%這就涉及到變壓器技術(shù)。對(duì)于DC/DC的BUCK型開(kāi)關(guān)電源，效率可以更高。2.2降壓式變換電路Buck電路將一種直流電壓變換成另一種直流電壓稱(chēng)為DC/DC 變換。在DC/DC 轉(zhuǎn)換技術(shù)中，采用直流斬波技術(shù)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、地鐵等交通工具中，其優(yōu)點(diǎn)是可以獲得平穩(wěn)的加速、減速、快速響應(yīng)和節(jié)能效果，并且可以抑制電網(wǎng)諧波電流。所謂降壓BUCK變換器也就是將一輸入電壓變換成一較低的穩(wěn)定輸出電壓。輸出電壓Vout和輸入電壓Vin的關(guān)系為：Vout/Vin=占空因數(shù)Vi

41、nVout。直流變換器變換過(guò)程中都會(huì)存在諧波，使輸出紋波較大。因此在輸出端參加電感和電容進(jìn)行濾波。電感在電路中不僅起到濾波作用，還可以起到儲(chǔ)存能量，為變換器關(guān)斷時(shí)刻給負(fù)載提供能量。二極管在其中起到嵌位和形成回路的作用13。負(fù)載越大，那么輸出的電壓就越大，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，二極管截止(t=0DTs)，輸入電壓Vs向能量傳遞電感L充磁，同時(shí)提供能量給負(fù)載和電容；當(dāng)晶體管截止時(shí)，二極管導(dǎo)通(t=DTsTs)，電感把前一階段貯存的能量全部釋放給負(fù)載和電容。顯然，晶體管導(dǎo)通的時(shí)間越長(zhǎng)，即D越大，負(fù)截獲得的能量越多，輸出電壓越高BUC變換器的穩(wěn)態(tài)電壓變比永遠(yuǎn)小于1，所以BUCK變換器也稱(chēng)為降壓變換器開(kāi)關(guān)器件

42、導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，電路的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程分析10圖2-1 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通、關(guān)斷的等效電路圖當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)使開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)如2-1b圖，電容C開(kāi)始充電，輸出電壓加在負(fù)載上。電容C在充電過(guò)程中電感L的電流逐漸增加，儲(chǔ)存的能量也逐漸增加，此時(shí)續(xù)流二極管反向截止。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)使開(kāi)關(guān)管截止時(shí)如2-1c圖，L開(kāi)始釋放能量，L中的電流開(kāi)始減小，L產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使續(xù)流二極管導(dǎo)通，電流通過(guò)電感、續(xù)流二極管構(gòu)成回路給負(fù)載傳遞能量。當(dāng)負(fù)載電壓低于電容C兩端的電壓時(shí)，C開(kāi)始向負(fù)載釋放能量。驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)使開(kāi)關(guān)管周而復(fù)始的重復(fù)上述過(guò)程，從而使輸出電壓趨向一個(gè)定值。 BUCK變換器有三種工作模式：第一種是電感電流處于連續(xù)的工作模式。第二種時(shí)

43、電感電流處于斷續(xù)的工作模式。第三種是電感電流處于臨界的工作模式。所謂的臨界模式是，在開(kāi)關(guān)管截止到導(dǎo)通這個(gè)時(shí)間電感L中的能量剛好釋放完，也就是開(kāi)關(guān)管截止終止時(shí)電感電流剛好為零14。 等效的電路模型及根本規(guī)律12圖2-2等效電路模型圖1從電路可以看出，電感L和電容C組成低通濾波器，此濾波器設(shè)計(jì)的原那么是使 us(t) 的直流分量可以通過(guò)，而抑制 us(t) 的諧波分量通過(guò)；電容上輸出電壓 uo(t)就是us(t)的直流分量再附加微小紋波uripple(t) 。 2電路工作頻率很高，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電容充放電引起的紋波uripple(t) 很小，相對(duì)于電容上 輸出的直流電壓Uo有： 2-1電容上電壓宏

44、觀上可以看作恒定。電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸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(kāi)關(guān)電路穩(wěn)態(tài)分析中的小紋波近似原理。3一個(gè)周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時(shí)，電容電壓升高，導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過(guò)程的延續(xù)直至到達(dá)充放電平衡，此時(shí)電壓維持不變；反之，如果一個(gè)周期內(nèi)放電電荷高于充電電荷，將導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過(guò)程的延續(xù)直至到達(dá)充放電平衡，最終維持電壓不變14。這種過(guò)程是電容上電壓調(diào)整的過(guò)渡過(guò)程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電路到達(dá)穩(wěn)定平衡，電容上充放電也到達(dá)平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作

45、時(shí)的一個(gè)普遍規(guī)律。4開(kāi)關(guān)S置于1位時(shí)，電感電流增加，電感儲(chǔ)能；而當(dāng)開(kāi)關(guān)S置于2位時(shí)，電感電流減小，電感釋能。假定電流增加量大于電流減小量，那么一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量為： 2-2此增量將產(chǎn)生一個(gè)平均感應(yīng)電勢(shì)： 2-3此電勢(shì)將減小電感電流的上升速度并同時(shí)降低電感電流的下降速度，最終將導(dǎo)致一個(gè)周期內(nèi)電感電流平均增量為零；一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量小于零的狀況也一樣。這種在穩(wěn)態(tài)狀況下一個(gè)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(chēng)為：電感伏秒平衡。這也是電力電子電路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的又一個(gè)普遍規(guī)律。2.2.2電感電流連續(xù)模式下的工作過(guò)程分析12圖2-3電感電流連續(xù)工作模式電路圖電感電流連續(xù)時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)

46、通的等效電路如2-3圖a圖所示。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為，關(guān)斷時(shí)間為，在t=t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)加正脈沖導(dǎo)通，電感L上的電壓是Ui-UO且UiUO ，此時(shí)電感L上電流線(xiàn)性增加，其變化量為： 2-4當(dāng)t=時(shí)，電感電流到達(dá)最大值，其變換量為： 2-5當(dāng)t=時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管因基極驅(qū)動(dòng)脈沖變負(fù)而關(guān)斷，電感電流不能突變經(jīng)續(xù)流二極管、濾波電容、及負(fù)載形成回路。其等效電路如2-3圖b圖此時(shí)電感電流線(xiàn)性下降，其變化量為： 2-6當(dāng)t=TS時(shí)，電感電流到達(dá)最小值，此時(shí)電感中電流變化量為： 2-7電感電流連續(xù)的情況下，回路的電壓、電流波形圖如圖2-4。圖2-4電感電流連續(xù)波形圖電感電流的波形是一個(gè)三角波，一個(gè)周期內(nèi)從最大電感電流到最

47、小電感電流之間的變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通與截止期間的電流變化量相等。假定變換器損耗為零，那么輸入功率等于輸出功率，那么輸入電流平均值Ii與輸出電流平均值IO可表達(dá)為： 2-8 在電感電流連續(xù)下，其電感電流最大值為： 2-9電感電流連續(xù)下，其電感電流最小值為： 2-10電感電流斷續(xù)模式下的工作過(guò)程分析。 電感電流斷續(xù)是指開(kāi)關(guān)在截止時(shí)間終止前電感電流下降為零，直到下周期開(kāi)始一直為零，此時(shí)負(fù)載電流因電感所提供的電流為零而依靠電容所儲(chǔ)存的能量維持。其波形如2-5圖所示。圖2-5電感電流斷續(xù)波形圖 在電感電流斷續(xù)的情況下，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓為，電感電流線(xiàn)性增加可表示為: 2-11電感電流的最大值和最小值

48、有波形圖可知 2-12 2-13輸入平均功率與輸出功率相等 2-14輸出電壓可表示為 2-15 從上式可知，在電感電流斷續(xù)的情況下，輸出電壓與輸入電壓和占空比有關(guān)，還與輸出負(fù)載電流IO、電感L有關(guān)。2.2.4電感電流臨界模式 電感電流連續(xù)與斷續(xù)的邊界，就是臨界點(diǎn)，波形圖如2-6圖，開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間的終點(diǎn)，下一個(gè)周期的開(kāi)始時(shí)刻，電感電流剛好下降到零12。圖2-6電感電流臨界狀態(tài)時(shí)波形圖臨界點(diǎn)輸出電感電流表達(dá)式為： 2-16此時(shí)的負(fù)載電流為電感電流臨界的負(fù)載電流，用表示,欲使必須要求IO滿(mǎn)足 2-17上式就是保證變換器工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)的必要條件，那么臨界電感的電感量為 2-18在電感電流連續(xù)模式

49、工作狀態(tài)下，負(fù)載電流IO的下限受臨界電流所制約。輸出濾波電感考慮臨界電流和變換器輸出電流紋波的要求，輸出紋波電流峰峰值在最大負(fù)載電流時(shí)，其值小于30-50%時(shí)，輸出濾波電感為 2-19整理得 2-203 電路設(shè)計(jì)3.1控制IC的選擇UC3573是一個(gè)能構(gòu)成降壓式DCDC變換器的脈寬調(diào)PWM控制集成電路芯片，該芯片使用一個(gè)外部電感和一個(gè)外部PMOS功率開(kāi)關(guān)就可以構(gòu)成一個(gè)完善的BUCK型DCDC變換器。該芯片有一個(gè)高度的基準(zhǔn)源、一個(gè)以電壓模式工作的誤差放大器、一個(gè)振蕩器、一個(gè)具有邏輯觸發(fā)功能的PWM比擬器和一個(gè)具有0.2A峰值電流的柵極驅(qū)動(dòng)器組成。該芯片包含了一個(gè)欠壓封鎖電路和一個(gè)周期性脈沖限流電

50、路。限流電路能夠有效的監(jiān)視處于工作狀態(tài)的輸入電源電壓，從而構(gòu)成欠壓保護(hù)功能15。 電壓型控制的最顯著的特點(diǎn)就是誤差電壓信號(hào)被輸入到PWM比擬器，與振蕩器產(chǎn)生的三角波進(jìn)行比擬。電壓誤差信號(hào)升高或降低使輸出信號(hào)的脈寬增大或減小。要識(shí)別是不是電壓型控制IC，可以先找到RC振蕩器，然后看產(chǎn)生的三角波是不是輸入到比擬器，并與誤差電壓信號(hào)進(jìn)行比擬。 電壓型控制IC的過(guò)流保護(hù)有兩種形式，早期的方法是用平均電流反應(yīng)，在這種方法中，輸出電流時(shí)通過(guò)負(fù)載上串聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)檢測(cè)。電流信號(hào)可以放大后輸入到補(bǔ)償電流誤差放大器中，當(dāng)電流放大器檢測(cè)到當(dāng)輸出電流接近到原先設(shè)計(jì)的限定值時(shí)，就阻礙電壓誤差放大器的作用，從而把電流加以

51、限制，以免電流繼續(xù)增大。平均電流反應(yīng)作為電流保護(hù)有一個(gè)缺點(diǎn)，就是響應(yīng)速度很慢。當(dāng)輸出突然短路時(shí)，會(huì)來(lái)不及保護(hù)過(guò)功率開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致在很短的時(shí)間內(nèi)電流成指數(shù)上升而損壞功率開(kāi)關(guān)。 第二種過(guò)流保護(hù)的方法是，逐周過(guò)流保護(hù)，這種方法可以保證功率開(kāi)關(guān)工作在最大的平安電流范圍內(nèi)。在功率開(kāi)關(guān)管上串聯(lián)一個(gè)電流檢測(cè)電阻，這樣就可以檢測(cè)流過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的瞬時(shí)電流，當(dāng)這個(gè)電流超過(guò)原先設(shè)定的瞬時(shí)電流限制值時(shí)，就關(guān)斷功率開(kāi)關(guān)管。周期性脈沖限流電路能夠隨時(shí)監(jiān)測(cè)輸入電源電流，從而將輸入電源電流限定在用戶(hù)所規(guī)定的最大值上，另外當(dāng)輸入電壓低于欠壓封鎖電路門(mén)限電壓時(shí)，鑲嵌在欠壓封鎖電路中的一個(gè)睡眠比擬器就會(huì)將整個(gè)芯片關(guān)閉，使其處于休眠狀態(tài)

52、，從而使該芯片的輸入電源電流減小到50，使其采用電池供電變?yōu)榭赡?6。UC3573的性能及技術(shù)參數(shù)一主要性能：1可以構(gòu)成一個(gè)僅需一個(gè)小電感的BUCK型降壓式DCDC變換器2具有一個(gè)能夠驅(qū)動(dòng)外部PMOS功率開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)器3包含一個(gè)UVLO欠壓封鎖電路4包含一個(gè)周期性脈沖限流電路5具有50微安的睡眠工作狀態(tài)二技術(shù)參數(shù)1電性能參數(shù)，UC3573的點(diǎn)電性能參數(shù)見(jiàn)下表對(duì)于Ta=+70以及VCC=5V，Ct=680pF，Ta=Tj的條件下測(cè)得參數(shù)名稱(chēng)測(cè)試條件最小值典型值最大值單位 基準(zhǔn)電壓3Vref2.9433.06V線(xiàn)性調(diào)整率Vcc=4.7530V110mV負(fù)載調(diào)整率I3Vref=0 -5mA110mV振

53、蕩器振蕩器頻率Vcc=5V，30V85100115kHZ誤差放大器EAINVEAOUT=2V1.451.51.55VIcainvEAOUT=2V-0.2-1uAAVOLEAOUT=0.53V6590 dBEAOUTDU端輸入高電平EAINV=1.4VEAOUT=2V3.644.4VEAOUTDU端輸入低電平EAINV=1.6VEAOUT=2V0.10.2VEAOUT端輸出電流EAINV=1.4VEAOUT=2V-350-500uAEAINV=1.6VEAOUT=2V720mA單位增益帶寬Tj=25，F(xiàn)=10kHZ0.61MHz電流采樣比擬器門(mén)限電壓-0.39-0.43-0.47V輸入偏置電流C

54、S=Vcc1508000nVCS端延時(shí)時(shí)間欠壓封鎖電路啟動(dòng)門(mén)限電壓3.54.24.5V延時(shí)電壓100200300mV2UC3573重要參數(shù)的極限值見(jiàn)下表 參數(shù)名稱(chēng)極限值單位輸入電源電壓(Vcc)35VEAINV端輸入電壓-0.6 VccVEAOUT端輸入電流25mARAMP端輸入電壓-0.3 +4VCS端輸入電壓-0.3 VccVOUT端輸入電流-0.7+0.7A3Vref輸入電流-15mA儲(chǔ)存溫度-65 +150結(jié)點(diǎn)溫度-65+150注：表中電流正值為輸入電流，負(fù)值為吸收電流。管腳引線(xiàn)功能介紹1腳EAINV，誤差放大器的反相輸入端，輸出電壓的采樣反應(yīng)信號(hào)應(yīng)連接到該端，誤差放大器的正相輸入端電

55、壓被內(nèi)置成3Vref/2，當(dāng)該端的電壓被外置成高于2.6V的電壓時(shí)，該芯片進(jìn)入休眠省電狀態(tài)。2腳EAOUT，誤差放大器的輸出端。構(gòu)成應(yīng)用電路是該端與EAINV端應(yīng)通過(guò)外部連接一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)3腳CS峰值電流限制采樣輸入端。峰值電流采樣信號(hào)是來(lái)自于跨越在Vcc與PMOS功率開(kāi)關(guān)源極之間的電流采樣電阻上的電壓信號(hào)，當(dāng)該電壓信號(hào)超過(guò)0.4V時(shí)，該芯片的驅(qū)動(dòng)輸出端將輸出高電平，使PMOS功率開(kāi)關(guān)保持關(guān)斷狀態(tài)。4腳Vcc，輸入電源電壓端。其輸入電源電壓范圍是4.75V30V。構(gòu)成應(yīng)用電路時(shí)，為了增加可靠性和穩(wěn)定性，該端到地應(yīng)接一個(gè)等效串聯(lián)電阻和電感均較小的濾波電容，5腳(OUT)，柵極驅(qū)動(dòng)器輸出端。構(gòu)成電路

56、時(shí)，與一個(gè)外部PMOS功率開(kāi)關(guān)的柵極直接相連，外部PMOS功率開(kāi)關(guān)有可能連接于Vcc與反極電感之間，也可能連接與Vcc與GND之間6腳GND公共接地端7腳RAMP脈寬調(diào)制器的振蕩器和斜坡發(fā)生器的輸出端。構(gòu)成電路時(shí)，該端到GND端應(yīng)外接一個(gè)定時(shí)電容，該電容與振蕩頻率之間的關(guān)系式為 3-1振蕩器的頻率一般應(yīng)在10200kHZ之間選擇。8腳3Vref芯片內(nèi)部3V高精度基準(zhǔn)電壓的輸出端。構(gòu)成應(yīng)用電路時(shí)，該端到GND之間應(yīng)外接一個(gè)等效串聯(lián)電阻和電感均較小的濾波電容，容量應(yīng)在100nF以上，以消除內(nèi)部的高頻竄擾。UC3573的外形圖。圖3-1為UC3573外部管腳圖UC3573各引出端輸出波形時(shí)序圖。圖3

57、-2 UC3573各端輸出波形時(shí)序圖UC3573的內(nèi)部原理方框圖。圖3-3 UC3573內(nèi)部原理圖3.2電路設(shè)計(jì)UC3573控制的BUCK主電路圖圖3-4 IC UC3573 控制的BUCK主電路要求技術(shù)指標(biāo)： 輸入電壓：24V, 輸出電壓：12V, 輸出電流：2A，輸出電壓紋波值取1%, f=100kHZ主要參數(shù)的計(jì)算1電感量的計(jì)算式中為t0時(shí)刻儲(chǔ)能電感L中的電流。在t1時(shí)刻，也就是驅(qū)動(dòng)信號(hào)正半周要結(jié)束的時(shí)刻，儲(chǔ)能電感L中的電流上升到最大值，其最大值為： 3-1儲(chǔ)能電感L中電流的變化量為： 3-2在3-2式中當(dāng)t=t0時(shí)，儲(chǔ)能電感L中的電流變化量為最大，其最大變化量為： 3-3功率開(kāi)關(guān)管V的

58、截止期： 在tOFF=t2-t1期間，功率開(kāi)關(guān)管V截止，但在t1時(shí)刻，由于功率開(kāi)關(guān)管V剛剛截止，并且儲(chǔ)能電感L中的電流不能突變，于是L兩端產(chǎn)生了與原來(lái)電壓極性相反的自感電動(dòng)勢(shì)。此時(shí)續(xù)流二極管VD開(kāi)始正向?qū)?，?chǔ)能電感L所儲(chǔ)存的磁能將以電能的形式通過(guò)續(xù)流二極管VD和負(fù)載電阻RL開(kāi)始泄放。這里的二極管VD起著續(xù)流和補(bǔ)充電能的作用，這也正是它別成為續(xù)流二極管的原因。儲(chǔ)能電感L所泄放的電流IL2的波形就是鋸齒波中隨時(shí)間線(xiàn)性下降的那一段電流波形17。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將續(xù)流二極管VD的導(dǎo)通壓降忽略不計(jì)，因而儲(chǔ)能電感L兩端的電壓近似為U0,所通過(guò)的電流由下式計(jì)算。 3-4在t=t2時(shí)，儲(chǔ)能電感L中的電流到達(dá)最

59、小值IL max，其最小值有下式計(jì)算 3- 5有式3-4和3-5可以求出在功率開(kāi)關(guān)管V截止期間，儲(chǔ)能電感;L中的電流變化值為： 3- 6功率開(kāi)關(guān)管V導(dǎo)通期與截止期能量轉(zhuǎn)換的條件：只有當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管V導(dǎo)通期間tON內(nèi)儲(chǔ)能電感L增加的電流等于功率開(kāi)關(guān)管V截止期間tOFF內(nèi)減少的電流時(shí)功率開(kāi)關(guān)管V才能到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡，才能保證儲(chǔ)能電感L中一直有能量，才能保證源源不斷的向負(fù)載電路提供能量和功率。這就是構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)壓電源的根本條件，因此下面關(guān)系式一定成立 3- 7將3-7整理得到輸出電壓U0與輸入電壓Ui之間的關(guān)系為： 3- 8D為占空比。由于占空比D永遠(yuǎn)是一個(gè)小于1的常數(shù)，因此輸出電壓U0永遠(yuǎn)小于輸入電壓Ui

60、。這就是降壓型開(kāi)關(guān)電源輸入、輸出電壓之間的關(guān)系。由于臨界電感量的定義可知功率開(kāi)關(guān)截止的瞬間能使那么臨界電感量為： 3- 9要L工作在連續(xù)的狀態(tài)那么有： 3-102.輸出濾波電容的計(jì)算 3-113.功率開(kāi)關(guān)管的選擇(1)的導(dǎo)通飽和壓降Uces越小越好(2)功率開(kāi)關(guān)管截止時(shí)的反向漏電流Ico越小越好(3)功率開(kāi)關(guān)管的高頻特性要好(4)開(kāi)關(guān)時(shí)間短，也就是轉(zhuǎn)換時(shí)間快(5)功率管的輸出端連接的是儲(chǔ)能電感L，因此在V的截止期間，其基極-射極之間的反向耐壓就等于儲(chǔ)能電感上的反向電動(dòng)勢(shì)與輸出電壓值U0之和，近似等于2U018。因此所選擇的功率開(kāi)關(guān)管的反向擊穿電壓應(yīng)該滿(mǎn)足下式： 3-12功率開(kāi)關(guān)選用P溝道的功率