小功率多路隔離開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 電氣工程專業(yè)

1、小功率多路隔離開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)摘 要 電源是確保電氣設(shè)置可靠、正常穩(wěn)定工作的主要構(gòu)成部件。其中，開(kāi)關(guān)管電源以環(huán)保節(jié)能，穩(wěn)定高效，輕便簡(jiǎn)捷等特點(diǎn)成為現(xiàn)代電源研究領(lǐng)域的熱門(mén)。本文研究小功率多路隔離開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)電源主要是由以下幾個(gè)電路構(gòu)成的，分別為電源的輸入電路、功率開(kāi)關(guān)管控制電路、輸出電路。輸入端的交流電經(jīng)過(guò)整流后轉(zhuǎn)換成直流電提供輸入電源，電力電子元器件將整流濾波之后的直流電源經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)變換器轉(zhuǎn)換成高精度多路隔離直流電源，采用比例積分(PI)控制器控制輸出端的直流電壓，并對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，本文的主要研究?jī)?nèi)容包括： (1) 直流電控制系統(tǒng)的總圖的設(shè)計(jì)； (2) IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)； (3)

2、最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)； (4) 功率電路的設(shè)計(jì)； 系統(tǒng)的調(diào)試和測(cè)試。 最后通過(guò)調(diào)制占空比來(lái)控制IBGT的開(kāi)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制，對(duì)多路輸出電壓的進(jìn)行調(diào)壓。 關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源，IGBT，脈寬調(diào)制ABSTRACT The power supply isan important part to ensurereliable the normal and stable operation ofthe indispensable.Theswitching power supply withenergy saving,high efficiency,lightand other advantages be

3、come the hot spot of research.A completeswitching power supply systemis mainly composed of a switchconverter,input circuit,a transformer and a control circuitand an output circuit,Completion of theinput ACpower intoDCpower electronicequipment needed.Switching power supply isthealternating current in

4、todirect current device，The main circuitis the firstelectricity afterfilter,rectifiercircuitDCis rough,and then through theDC DCconverter(DC-DC)is eventually convertedto dcaccuracy,In this paper, we study low-power multi-channel isolation switch power supply design mainly includes:(1)The general lay

5、out design of dc control system(2)Design of IGBT drive circuit(3)The design ofthe minimum systemcircuit(4)The design of the powercircuit(5)The system debugging and testingFinally, through the modulation ratio of IGBT for open air control and shutdown, so as to realize the output voltage.Key words :S

6、witching power supply ; IGBT ; Pulse width modulation目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc22773 第一章 緒論 PAGEREF _Toc22773 2 HYPERLINK l _Toc7960 1.1 引言 PAGEREF _Toc7960 3 HYPERLINK l _Toc13067 1.2 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展?fàn)顩r PAGEREF _Toc13067 3 HYPERLINK l _Toc12685 1.3 課題研究的背景及其優(yōu)點(diǎn) PAGEREF _Toc12685 4 HYPERLINK l _Toc32423

7、 1.4 本文主要的研究?jī)?nèi)容 PAGEREF _Toc32423 5 HYPERLINK l _Toc5732 第二章 開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及分析 PAGEREF _Toc5732 6 HYPERLINK l _Toc1852 2.1 開(kāi)關(guān)電源的工作原理 PAGEREF _Toc1852 6 HYPERLINK l _Toc11517 2.2 四種基本的電路拓?fù)?PAGEREF _Toc11517 8 HYPERLINK l _Toc12690 2.2.1 Buck變換器 PAGEREF _Toc12690 8 HYPERLINK l _Toc26168 2.2.2 Boost 功率變換器 P

8、AGEREF _Toc26168 9 HYPERLINK l _Toc21826 2.2.3 Buck-Boost功率變換器 PAGEREF _Toc21826 10 HYPERLINK l _Toc9382 2.2.4 uk功率變換器 PAGEREF _Toc9382 11 HYPERLINK l _Toc22181 2.3 常用的直流隔離變換器 PAGEREF _Toc22181 12 HYPERLINK l _Toc16149 2.3.1單端正激式隔離變換器 PAGEREF _Toc16149 12 HYPERLINK l _Toc11689 2.3.2單端反激式隔離變換器 PAGERE

9、F _Toc11689 13 HYPERLINK l _Toc16564 2.3.3推挽式功率隔離變換器 PAGEREF _Toc16564 13 HYPERLINK l _Toc10222 2.3.4 全橋式功率隔離變換器 PAGEREF _Toc10222 14 HYPERLINK l _Toc6946 2.3.5半橋式功率隔離變換器 PAGEREF _Toc6946 15 HYPERLINK l _Toc26894 2.4 正激式電路優(yōu)點(diǎn) PAGEREF _Toc26894 15 HYPERLINK l _Toc25122 2.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc25122 16 HY

10、PERLINK l _Toc525 第三章 開(kāi)關(guān)電路圖的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc525 17 HYPERLINK l _Toc9678 3.1 MATLAB軟件以及Simulink平臺(tái)介紹 PAGEREF _Toc9678 17 HYPERLINK l _Toc306 3.2 MATLAB下仿真圖的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc306 17 HYPERLINK l _Toc26493 3.3 輸入電源整流部分 PAGEREF _Toc26493 18 HYPERLINK l _Toc18103 3.4 控制電路和輸出電路 PAGEREF _Toc18103 21 HYPERLINK l

11、_Toc77 3.5 反饋電路的分析和相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 PAGEREF _Toc77 23 HYPERLINK l _Toc12011 3.5.1 IGBT的工作特性 PAGEREF _Toc12011 25 HYPERLINK l _Toc17055 3.5.2 占空比的計(jì)算以及輸出功率的計(jì)算 PAGEREF _Toc17055 26 HYPERLINK l _Toc21451 3.5.3 比例積分調(diào)節(jié)器的作用 PAGEREF _Toc21451 26 HYPERLINK l _Toc31397 3.6 本章小結(jié) PAGEREF _Toc31397 26 HYPERLINK l _Toc310

12、85 第四章 在Protel DXP下的原理圖設(shè)計(jì)和分析 PAGEREF _Toc31085 28 HYPERLINK l _Toc23490 4.1 Protel DXP 的介紹 PAGEREF _Toc23490 28 HYPERLINK l _Toc11948 4.2 TMS320F28335芯片的介紹 PAGEREF _Toc11948 29 HYPERLINK l _Toc18014 4.3電源電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc18014 31 HYPERLINK l _Toc4961 4.4 JTAG接口電路 PAGEREF _Toc4961 32 HYPERLINK l _To

13、c24513 4.5 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc24513 32 HYPERLINK l _Toc20825 4.6 晶振電路 PAGEREF _Toc20825 33 HYPERLINK l _Toc26004 4.7 IGBT驅(qū)動(dòng)電路 PAGEREF _Toc26004 33 HYPERLINK l _Toc26187 4.8 存儲(chǔ)器 PAGEREF _Toc26187 34 HYPERLINK l _Toc677 4.9 本章小結(jié) PAGEREF _Toc677 35 HYPERLINK l _Toc3596 第五章 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc3596 36 HY

14、PERLINK l _Toc22183 5.1 全文總結(jié) PAGEREF _Toc22183 36 HYPERLINK l _Toc22484 5.2 展望 PAGEREF _Toc22484 36 HYPERLINK l _Toc12542 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc12542 38 HYPERLINK l _Toc1630 致謝 PAGEREF _Toc1630 40 HYPERLINK l _Toc16086 附錄A: 小功率多路隔離輸出電源仿真圖 PAGEREF _Toc16086 41 HYPERLINK l _Toc6675 附錄B：Protel DXP下的整體原理圖 PA

15、GEREF _Toc6675 42第一章 緒論1.1引言低電壓低功率多路輸出開(kāi)關(guān)電源不單單要求其可以提供各種不同級(jí)別的低電壓和低功率，而且還要確保供電的質(zhì)量和可靠的開(kāi)關(guān)電源電壓。電源還是電子設(shè)備以確?？煽亢头€(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)部分，開(kāi)關(guān)電源擁有環(huán)保節(jié)能，高效，簡(jiǎn)捷等益處并且今后將會(huì)成為研究的熱門(mén)。從本20世紀(jì)70年代起首,多路輸出高頻開(kāi)關(guān)變換器就廣闊地應(yīng)用于工業(yè)、商貿(mào)、軍事及航空航天設(shè)備的電子系統(tǒng)中。而現(xiàn)在，隨著個(gè)人數(shù)字助理、移動(dòng)電話等便攜式設(shè)備對(duì)其需求的增長(zhǎng)，多路輸出技術(shù)再次獲得廣泛的關(guān)注1。依據(jù)最新的研究報(bào)告可知，尤其是在需求電源提供電能的移動(dòng)便攜式配置中，普遍都使用多路輸出電源提供電能

16、來(lái)進(jìn)一步的消減電能的消耗。從中可見(jiàn)，對(duì)多路輸出技術(shù)的研究是十分重要的。在電源發(fā)展早起的時(shí)候，研究人員通常把幾個(gè)單獨(dú)的DC/DC變換器拼裝在一起從而獲得了多路輸出電源，但這種形式促使電源的體積變大和本錢的增長(zhǎng)，并且用此方式還帶來(lái)了拍頻干擾。因此人們開(kāi)始主要研究多路輸出電源的技術(shù)，本文主要研究小功率多路開(kāi)關(guān)電源。1.2開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展?fàn)顩r自第二十世紀(jì)50年代，美國(guó)宇航局對(duì)發(fā)射火箭所攜帶的開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展研究主要是以小型輕量化為目的，在這之后的許多年間開(kāi)關(guān)電源的研究漸漸成為了國(guó)內(nèi)外電源研究的大熱門(mén)。由原先的具有缺陷相控穩(wěn)壓電源發(fā)展到現(xiàn)在所用的開(kāi)關(guān)電，之前的電源體積偏大而且在工作時(shí)功率開(kāi)關(guān)頻率低，適用范圍

17、狹窄。但是隨著電源電路的飛速發(fā)展，直到開(kāi)關(guān)電源的問(wèn)世有了翻天覆地的變化。到了二十世紀(jì)七十年代，整流器件、開(kāi)關(guān)器件以及功率開(kāi)關(guān)管的發(fā)展改變了開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用局面，使得開(kāi)關(guān)電源的使用場(chǎng)合得到了擴(kuò)大，與之前的傳統(tǒng)電源相比較不僅提高了工作時(shí)的工作頻率、電壓的調(diào)整率，體積變得更小，質(zhì)量變得更輕，而且更趨向集成化數(shù)字化。在這方面海外的研究人員首先研制出了開(kāi)關(guān)頻率在一兆赫茲的高速芯片，從而完成對(duì)中型小型的功率開(kāi)關(guān)電源的單片集成化。緊接著在之后的研究中美國(guó)的電源公司在世界首先研究出了三端隔離式的開(kāi)關(guān)電源。之后又隨著IT技術(shù)的急速發(fā)展對(duì)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)提出了更高的要求，不僅對(duì)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展有著正面積極的影響，同時(shí)

18、也幫助信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了有力的支持。從每個(gè)家庭最普通的日常生活直到每個(gè)國(guó)家的最頂尖科學(xué)科技我們都與開(kāi)關(guān)電源技術(shù)形影不離，他更是衡量一個(gè)國(guó)家的勞動(dòng)生產(chǎn)率水平和能耗產(chǎn)出的重要指標(biāo)之一，有著舉足輕重的地位。與海外發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，我國(guó)在開(kāi)關(guān)電源研究方面的工作起步較晚水平較低，直到二十世紀(jì)七十年代末期國(guó)內(nèi)才開(kāi)始對(duì)開(kāi)關(guān)電源的工作進(jìn)行研究和發(fā)展。之前的開(kāi)關(guān)電源的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要是由國(guó)外的先進(jìn)品牌所霸占著，他們籠蓋著中小型功率開(kāi)關(guān)電源的絕大部分市場(chǎng)，之后隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及我國(guó)電力電子技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)品的創(chuàng)新，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，最終國(guó)產(chǎn)品科技的進(jìn)步和大規(guī)模的生產(chǎn)，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品漸漸取代了國(guó)外品牌。與此同時(shí)國(guó)內(nèi)不

19、僅僅對(duì)開(kāi)關(guān)電源相關(guān)的元器件原材料的發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行研究，還不斷吸取國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)如薄膜工藝、集成化工藝等等，使得可以生產(chǎn)出世界上一流的電源產(chǎn)品2-4。近些年來(lái)在我國(guó)開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)上其總體的銷售總額每年都達(dá)到了上百億元，而且銷售額的增長(zhǎng)幅度可高達(dá)十幾個(gè)百分點(diǎn)，開(kāi)關(guān)電源的市場(chǎng)不僅與我國(guó)各行各業(yè)的的發(fā)展有著密切的關(guān)系，還與我國(guó)的國(guó)家經(jīng)濟(jì)調(diào)控有關(guān)，呈現(xiàn)著穩(wěn)步向前的趨勢(shì)。所以開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)的發(fā)展也呈現(xiàn)出飛速增長(zhǎng)的狀態(tài)。在這個(gè)期間，在各個(gè)領(lǐng)域如通訊行業(yè)，辦公行業(yè)，個(gè)人消費(fèi)行業(yè)，石油鐵路等行業(yè)所用到的直流電源都是開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)的重要銷售對(duì)象。 開(kāi)關(guān)電源的成長(zhǎng)發(fā)展與磁性元件以及半導(dǎo)體材料的發(fā)展有著緊密的關(guān)聯(lián)，為了完成對(duì)

20、開(kāi)關(guān)電源的高頻化就需求相對(duì)應(yīng)的優(yōu)秀性能的高頻電磁原件。提高其開(kāi)關(guān)頻率改進(jìn)次原件設(shè)計(jì)方法及結(jié)構(gòu)等等對(duì)開(kāi)關(guān)電源小型化產(chǎn)生著重要的推動(dòng)作用，而效率更高，穩(wěn)定的輸出和可靠性高是今后電源的主要發(fā)展趨勢(shì)5。1.3課題研究的背景及其優(yōu)點(diǎn)開(kāi)關(guān)電源有幾十年的歷史。初期的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)頻率是非常低的，性價(jià)比十分低，僅有極少數(shù)的領(lǐng)域范疇才會(huì)使用到比如衛(wèi)星電源等。晶閘管相控開(kāi)關(guān)電源是在第二十世紀(jì)60年代出現(xiàn)的，而70年代是由各種開(kāi)關(guān)電源分立元件，不僅因?yàn)殡娫丛诠ぷ鲿r(shí)開(kāi)關(guān)的頻率低，其效率值不高以及電路的構(gòu)成不夠簡(jiǎn)捷在系統(tǒng)調(diào)試的方面也十分的困難等等原由使它很難得到廣泛應(yīng)用。自從70年代以后的時(shí)期，緊跟著集成電路設(shè)計(jì)發(fā)

21、展水平的提升，各類別的開(kāi)關(guān)電源專用芯片大批地研究出現(xiàn)，才使得開(kāi)關(guān)電源有了更進(jìn)一步的發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源由原來(lái)的20千赫茲提高到現(xiàn)在的幾百千赫茲。在這同時(shí)其他行的電力電子元器件，新的電磁材料以及新的控制理論和軟件的出現(xiàn)運(yùn)用到開(kāi)關(guān)電源，使得開(kāi)關(guān)電源具備了小型化，輕量化，高可靠性等特點(diǎn)，使得其得到了極為迅猛的發(fā)67。 使用雙極型晶體功率管能是開(kāi)關(guān)的電源頻率達(dá)到幾十千赫茲，所以目前市場(chǎng)上所用到的主要是這種功率開(kāi)關(guān)管。而選用電力MOSFET開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率則可以達(dá)到幾百千赫茲。電源就像是一個(gè)部隊(duì)總指揮官，是指揮所用元器件工作的總動(dòng)力，沒(méi)有了它其他的各部分電路就無(wú)法正常工作，但是他有著許許多多的缺點(diǎn)和不足，列

22、如開(kāi)關(guān)的頻率偏低，體積和工作時(shí)產(chǎn)生噪音較大以及成本的昂貴，直到種類繁多的開(kāi)關(guān)電源問(wèn)世，原先電源的不足統(tǒng)統(tǒng)得到了改善。開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的研究和追求以及發(fā)展趨勢(shì)可以用一下四點(diǎn)來(lái)概括，分別是以下幾點(diǎn)。體積小、重量輕、頻率高：原先的電源體積較大主要是因?yàn)樗渲械拇鎯?chǔ)設(shè)備的質(zhì)量較大導(dǎo)致的，所以當(dāng)我們?nèi)缃癜央娫粗械拇鎯?chǔ)設(shè)備的質(zhì)量大大減小后，即開(kāi)關(guān)電源的體積也大大的縮小了，減小了內(nèi)部空間的占用率；而開(kāi)關(guān)頻率的提高對(duì)開(kāi)關(guān)電源也有著舉足輕重的作用；他不僅可以抑制在電源工作過(guò)程中產(chǎn)生的干擾還可以減小元器件對(duì)整個(gè)電源的空間占有率，更可以一定條件下有效的提高整個(gè)體統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，所以開(kāi)關(guān)頻率的高頻率化發(fā)展是現(xiàn)在電源的重

23、要發(fā)展方向和目標(biāo)。高效率：開(kāi)關(guān)電源之所以效率能夠提高主要是因?yàn)樵谄渲惺褂玫母鱾€(gè)元件等等工作時(shí)間相比電源的工作時(shí)間少了好幾倍，又是因?yàn)殡娫措娐防锏碾娙莨怆婑詈掀鞯仍骷氖褂脮r(shí)長(zhǎng)的增加從而有效的延長(zhǎng)了電源的使用時(shí)間；所以我們不光要以為地減小電源中各個(gè)元器件的體積也要相應(yīng)地減少其中的個(gè)數(shù)，也就是提高整個(gè)電源的集成度；這樣不僅能夠大大提升電源的效率還能有效地保護(hù)所有元器件，使其電路變得更加簡(jiǎn)捷，一旦當(dāng)電源出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，檢查電路發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)間也會(huì)縮短?？煽啃愿呓档驮胍簦涸陔娫吹墓ぷ鲿r(shí)不可避免的就是在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪音。單獨(dú)的高頻噪聲地增加同時(shí)也會(huì)使噪音的分貝增加；選取部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)。有人認(rèn)為降低

24、了噪音就會(huì)使開(kāi)關(guān)電源的工作效率降低，其實(shí)在理論是可以達(dá)到提高工作效率的同時(shí)也可以降低噪音，由于噪音對(duì)人們的工作生活有很大的負(fù)面影響，所以低噪音是今后電源發(fā)展的熱門(mén)研究方向。開(kāi)關(guān)電源的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是一種最新的省時(shí)的設(shè)計(jì)工具，在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)和研究方面起著重要的作用；在設(shè)計(jì)之前都要對(duì)開(kāi)關(guān)電路的模型進(jìn)行仿真計(jì)算并研究，將所需的電路模型如輸入電路模型，控制電路模型等建模設(shè)計(jì)；最后提高了開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的效率，為所需用戶節(jié)省不少的時(shí)間和精力7-10。1.4本文主要的研究?jī)?nèi)容開(kāi)關(guān)電源具有體型不大，工作效率高的特點(diǎn)，被稱為高效環(huán)保節(jié)能電源。其已經(jīng)成為重要的電力供應(yīng)產(chǎn)品。開(kāi)關(guān)電源日趨綜合化，智能

25、化方向發(fā)展。集成度高，功能強(qiáng)大的是開(kāi)關(guān)電源的主要發(fā)展方向。本文主要研究圍繞通過(guò)脈寬調(diào)制來(lái)調(diào)節(jié)小功率多路輸出電源的電壓值。主要工作內(nèi)容如下。1) 首先介紹了電源早期的發(fā)展歷史以及國(guó)內(nèi)國(guó)外的研究進(jìn)展和方向，之后講解了電源經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展有了質(zhì)的飛躍并說(shuō)明了開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)特點(diǎn)。提煉出本文的要點(diǎn)，給出本文的結(jié)構(gòu)安排和大體分析。2) 重點(diǎn)介紹了開(kāi)關(guān)電源所用到的基本電路并對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，首先講解了四種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并主要介紹正激式電路的特點(diǎn)及其優(yōu)點(diǎn)，再介紹了電路中所用的開(kāi)關(guān)元器件，最后根據(jù)具體需要確定整體的電路方案。3) 設(shè)計(jì)出合適的開(kāi)關(guān)電路圖，并在Matlab中進(jìn)行仿真。4) 對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行

26、整體的仿真和分析，對(duì)輸出的電壓計(jì)各個(gè)波形圖的分析，以及輸出功率和占空比的計(jì)算和分析。5) 最后總結(jié)，對(duì)本篇文章進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)文中可以做到而沒(méi)有做到的部分進(jìn)行闡述展望，對(duì)未來(lái)開(kāi)關(guān)電源的憧憬。1.5 本章小結(jié) 本章主要介紹了開(kāi)關(guān)電源的背景和發(fā)展趨勢(shì)，并介紹了該課題的研究背景和研究方向。在本章的結(jié)尾部分闡述了本課題的最主要工作內(nèi)容和安排。 第二章 開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及分析2.1 開(kāi)關(guān)電源的工作原理它的工作原理是將輸入的電流經(jīng)過(guò)二極管整流橋整流和濾波電容濾波之后得到一個(gè)平滑穩(wěn)定的高壓直流電，在用功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止時(shí)間和高頻變壓器的作用把之前的高壓直流電轉(zhuǎn)換成高頻脈沖電壓，在這之后這些電壓又由于整

27、流二極管和濾波電容的作用，從而將輸出穩(wěn)定的直流電壓為其他設(shè)備提供電能。而把最后輸出的直流電壓隔離分成多路達(dá)到多路輸出的目的，這樣不僅提高了工作效率還能為我們普通的日常生活中提供了不少的便利，節(jié)省許多的人力物力1112。如圖2.1為開(kāi)關(guān)電源典型工作框圖，其主要是由四個(gè)主要部分組成，電源輸入電路，電壓輸出電路，功率變換電路以及控制電路13。圖2.1開(kāi)關(guān)電源典型電路框圖電源輸入電路：保護(hù)電路主要是由其中的保險(xiǎn)絲和壓敏電阻組成的，當(dāng)電路中產(chǎn)生故障時(shí)，電流的實(shí)際值將超過(guò)其最大的額定值，在此時(shí)保險(xiǎn)絲可以將電流通路切斷用來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路的安全運(yùn)行；壓敏電阻是用來(lái)吸收電網(wǎng)內(nèi)竄入的浪涌電壓，從而對(duì)電路進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)

28、；利用輸入單向?qū)щ娦阅芏O管，通過(guò)過(guò)濾到含有較小的交流分量的直流電壓的高頻交流電壓的初級(jí)側(cè)整流電路。 2）控制電路：由反饋電路和保護(hù)電路組成。反饋電路把取樣的電壓與基準(zhǔn)電壓拿來(lái)比較之后把產(chǎn)生的誤差信號(hào)送入控制芯片；之后通過(guò)芯片電路產(chǎn)生PWM波來(lái)控制開(kāi)關(guān)管一個(gè)周期的開(kāi)通與關(guān)斷從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的控制。功率變換電路：他是由功率開(kāi)關(guān)管與高頻開(kāi)關(guān)變壓器構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源的重要組成部分。 4) 輸出電路：其主要是由整流電路和濾波電路構(gòu)成,把頻率較高的脈沖電壓整流濾波為系統(tǒng)輸出要求的直流電，其工作的原理和輸入整流濾波電路大致相同。2.2四種基本的電路拓?fù)溆捎陂_(kāi)關(guān)電源的的不斷的發(fā)展，其種類也是越來(lái)越繁多，漸漸組成了

29、不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和激勵(lì)方式。本小節(jié)我們就來(lái)介紹Buck、Boost、Buck-Boost和uk這四種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)14。在開(kāi)關(guān)電源中我們常常用到的正激變換器和反激變換器就是由Buck和Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)推演并加隔離變壓器后得到的。2.2.1 Buck變換器Buck變換器又被稱為降壓變換器，串聯(lián)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源以及三端關(guān)型降穩(wěn)壓器。由電源電壓Vs，用占空比控制開(kāi)通與關(guān)斷的晶體管Q，二極管D1，電感L，電容C和電阻R構(gòu)成的，通過(guò)控制晶體管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間的比值,就可以把直流輸入電壓Vs最終降壓為輸出電壓Vo。Buck變換器電路結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示。圖2.2 變換器電路結(jié)構(gòu)圖Buck功率變換器工作

30、過(guò)程：在圖2.3(a)中，當(dāng)晶體管Q導(dǎo)通時(shí)，電感L上電流會(huì)持續(xù)的增加在其沒(méi)有達(dá)到飽和狀態(tài)之前并且其大小與輸入電流is的值相同，此時(shí)電阻R上的電流值為IG，電阻R兩端的電壓值為Vq，當(dāng)iLIo時(shí),電容C進(jìn)行充電，這時(shí)的二極管D1被反向截止，電壓為上正下負(fù)。在圖2.3(b)中,晶體管Q截止后。為了維持電感電流iL大小保持不變，通過(guò)電感L里磁場(chǎng)的作用，電感線圈L兩端電壓的極性被改變。當(dāng)iLIo時(shí),電容C的工作狀態(tài)則由充電改為放電,用來(lái)維持輸出電壓和電流的大小保持不改變。此時(shí)二極管D1為正向?qū)ǎ潆妷簽樯险仑?fù)，由于正向?qū)üぷ鲿r(shí)電感電流iL提供通路，所以二極管D1被稱為續(xù)流二極管15。圖2.3 B

31、uck功率變換器工作過(guò)程原理圖2.2.2 Boost 功率變換器Boost功率變換器又稱為升壓變換器。它是由晶體開(kāi)關(guān)管Q，二極管D1，電容C以及電感L組合而成的。晶體開(kāi)關(guān)管由脈沖信號(hào)即占空比D來(lái)調(diào)制。從而實(shí)現(xiàn)低電壓輸出升壓到高電壓輸出的功能。Boost功率變換器電路圖如圖2.4所示。圖2.4 Boost功率變換器電路圖Boost功率變換器工作過(guò)程：在圖2.5(a)中，當(dāng)晶體管開(kāi)通時(shí)，電感L上的感應(yīng)電流it呈現(xiàn)逐漸線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。并且由磁能的形式儲(chǔ)存在電感L中，此時(shí)負(fù)載R的電流由電容C來(lái)提供，負(fù)載R上的電流為Iq，其兩端的電壓為Vq，由于二極管的陽(yáng)極連接著電源負(fù)極，所以二極管D1的工作狀態(tài)為反向

32、截止?fàn)顟B(tài)。而在圖2.5(b)中，晶體管關(guān)斷時(shí)，為了維持線圈上的電流iL不變，電感中的磁場(chǎng)會(huì)使他兩端的電壓極性發(fā)生變化，而后電感中的電磁能會(huì)轉(zhuǎn)化成電壓V1和輸入電壓Vs串聯(lián)后一起向電容和負(fù)載R提供電流。對(duì)電路進(jìn)行分析過(guò)后可知，VL和VS一同為輸出負(fù)載供電，所以當(dāng)輸出電壓比輸入電壓高時(shí)該電路被稱為升壓變換器。當(dāng)電感電壓與輸入電源電壓之和大于輸入電壓時(shí)，電容上就會(huì)有充電的電流流過(guò)；當(dāng)而當(dāng)電感電壓與輸入電源電壓之和等于輸入電壓時(shí)，則電容就會(huì)停止充電此時(shí)流過(guò)的電流為零；最后當(dāng)輸出電壓逐漸發(fā)生下降時(shí)，電容就會(huì)開(kāi)始向輸出負(fù)載R放電，以此來(lái)維持輸出電壓的穩(wěn)定16。圖2.5 Boost變換器電路工作過(guò)程2.2.

33、3 Buck-Boost功率變換器Buck-Boost功率變換器又被稱為降壓-升壓變換器。他是在Buck功率變換器后面串聯(lián)一個(gè)Boost功率變換器從而組成的電路。如圖2.6為該等效變化后的電路。圖2.6等效的簡(jiǎn)化Buck-Boost功率變換器電路圖 Buck-Boost功率變換器工作過(guò)程：在圖2.7(a)中晶體管在開(kāi)通過(guò)程中，電流is流經(jīng)過(guò)電感，電感L存儲(chǔ)能量，同時(shí)電容向輸出負(fù)載R提供能電流，這時(shí)二極管的工作狀態(tài)為反向截止。當(dāng)晶體開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，其工作過(guò)程為圖2.7(b)所示，當(dāng)電感電流逐漸減小時(shí)，為了維持電流大小不變，電感就會(huì)產(chǎn)生反向的自感電勢(shì)，使得電感的兩端電壓上正下負(fù)。當(dāng)當(dāng)二極管的工作狀態(tài)

34、為正向開(kāi)通時(shí)，電阻R兩端就會(huì)輸出電壓，電容會(huì)存儲(chǔ)電能，用來(lái)在晶體開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)釋放電荷來(lái)維持輸出的電壓恒定。又因?yàn)檩斎攵说碾妷号c負(fù)載端電壓極性正好相反，所以被稱為反號(hào)功率變換器17。圖2.7 Buck-Boost功率變換器工作過(guò)程2.2.4 uk功率變換器uk功率變換器又稱為Boost-Buck功率串聯(lián)變換器，該變換器是由升壓變功率換器和降壓功率變換器一起串聯(lián)并且經(jīng)過(guò)等效變換后等到的。由開(kāi)關(guān)晶體管Q和二極管D1組成的uk功率變換器的電路結(jié)構(gòu)圖如下圖2.8所示。圖2.8 uk功率變換器電路圖uk功率變換器的工作過(guò)程：在圖2.9(a)里，開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通的狀況下，輸入輸出回路閉合，二極管的工作狀態(tài)為反向

35、截止，輸入端電流ir流經(jīng)電感Li，電感中存儲(chǔ)能量18。電容C1放電，給負(fù)載R和電感L2提供電壓電流，晶體管Q中流經(jīng)的電流則為i1和i2的和。在圖2.9(b)里，開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，二極管的工作狀態(tài)為正向?qū)?，使得輸入輸出回路也處在閉合狀態(tài)下。在電容提供充電的同時(shí)電源輸入電流和電感L1的釋能電流，在電感L2上的釋能電流為負(fù)載R提供電量，輸入電流i1和輸入電流i2的總和就等于通過(guò)二極管D1的電流。圖2.9 uk功率變換器的工作過(guò)程圖2.3常用的直流隔離變換器比較常用的開(kāi)關(guān)電源變換器都具有變壓器隔離。根據(jù)上文所介紹的四種基本變換器拓?fù)渫ㄟ^(guò)一些組合分類得來(lái)這些隔離變換器，按輸出來(lái)可分為單端：正激、反激；雙端

36、：推挽式、半橋式和全橋式19。其主要特點(diǎn)為輸入輸出隔離，可升壓亦可降壓。2.3.1單端正激式隔離變換器單端正激式隔離變換器與Buck功率變換器的電路相比較其中多了增加了隔離變壓器和開(kāi)關(guān)二極管，其工作的原理圖如下圖2.10所示。這種變換器的主要特點(diǎn)則是可靠性能高以及在電路的設(shè)計(jì)上比較簡(jiǎn)單。而如今這種正激式隔離變換器主要在100W-200W的輸出功率場(chǎng)合下應(yīng)用20。圖2.10正激式隔離變換電路當(dāng)晶體開(kāi)關(guān)管Q開(kāi)通時(shí)，電源電壓全部施加在一次繞組N1上，在去磁繞組N1上產(chǎn)生了感應(yīng)電壓讓二極管D1反向截止21。由于二次繞組N2生成的感應(yīng)電壓使二極管D2開(kāi)通，輸出回路閉合，這時(shí)線圈電感，電容和負(fù)載一同獲得輸

37、入電流的電量，變壓器上生成了磁化電流。當(dāng)晶體開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)，在繞組N1上存儲(chǔ)的能量會(huì)通過(guò)N1以及二極管D1重新回到電源中，而此時(shí)的二極管D2的工作狀態(tài)為反向截止，電感上電壓的極性為上負(fù)下正，續(xù)流二極管的工作狀態(tài)為正向?qū)?，?fù)載通過(guò)二極管D3持續(xù)得到能量從而來(lái)保持正常工作狀態(tài)22。在開(kāi)關(guān)管Q再次開(kāi)通之前，變壓器T上的能量必須完全得到釋放，不然變換器就會(huì)飽和，導(dǎo)致晶體開(kāi)關(guān)管Q被毀壞。所以為了防止變壓器T飽和，晶體開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通時(shí)間不能大于截止工作的時(shí)間。2.3.2單端反激式隔離變換器反激式隔離變換器不僅電路很簡(jiǎn)單，而且能夠極大限度的提供多路的輸出，他的適用場(chǎng)合主要是在100W左右的小功率輸出場(chǎng)合23

38、。單端反激式隔離變換器的電路圖如下2.11所示。他是有基本的Buck-Boost功率變換器變化得來(lái)的，反激式隔離變換器中的變壓器是用來(lái)代替Buck-Boost功率變換器中的電感，其不僅能完成變壓的工作，同時(shí)也可以完成輸入輸出端的電氣隔離并有效的減少干擾。圖2.11 反激式隔離變換電路當(dāng)晶體開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)變壓器開(kāi)始存儲(chǔ)能量，應(yīng)為變壓器的次級(jí)繞組N2與初級(jí)繞組N1同名端一正一負(fù)，所以二極管D2的工作狀態(tài)為反向截止，負(fù)載上的電能由電容C提供，保持電壓V0不變24。當(dāng)晶體開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)，變壓器上的次級(jí)繞組N2的極性變?yōu)樯县?fù)下正，二極管D2的工作狀態(tài)為正向?qū)?，為?fù)載R提供電能，與此同時(shí)電容也在進(jìn)行充電過(guò)

39、程。2.3.3推挽式功率隔離變換器推挽式功率隔離變換電路的電路原理圖如下圖2.12所示。兩個(gè)晶體開(kāi)關(guān)管Q1和Q2在工作時(shí)相互交替開(kāi)通或關(guān)斷。當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都導(dǎo)通時(shí)，變壓器的初級(jí)繞組會(huì)流過(guò)相應(yīng)的感應(yīng)電流，這時(shí)的變壓器次級(jí)則會(huì)有功率輸出25。圖2.12推挽式功率隔離變換器電路當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1開(kāi)通，開(kāi)關(guān)管Q2關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q2集射兩端的電壓為2VDC，當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1和開(kāi)關(guān)管Q2都關(guān)斷后，他們兩端的電壓則為輸入的直流電壓。所以晶體開(kāi)關(guān)管Q1和Q2的耐壓值應(yīng)不小于2VDC，所以這種隔離變換器只能在輸入電壓比較小的開(kāi)關(guān)電源電路里應(yīng)用。2.3.4 全橋式功率隔離變換器全橋式功率隔離變換器的電路圖如下圖2.13所示，

40、這種電路是由四個(gè)開(kāi)關(guān)Q1、Q2、Q3、Q4組成，四個(gè)橋臂的中間連接著變壓器，兩對(duì)功率開(kāi)關(guān)管Q1 Q4和Q2 Q3交替開(kāi)通和關(guān)斷，讓變壓器的次級(jí)功率輸出，提供電能給負(fù)載，該電路大多用在大功率隔離變換電路里26。圖2.13全橋式功率隔離變換電路當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管Q1和Q4開(kāi)通時(shí)，功率開(kāi)關(guān)管Q2和Q3關(guān)斷，這時(shí)開(kāi)關(guān)管Q2和Q3兩端所施加的電壓為輸入電壓VDC27。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管短時(shí)間里關(guān)斷時(shí)，因?yàn)閮?chǔ)能元件是變壓器T，這之間儲(chǔ)存的能量和輸入電壓疊加則會(huì)給功率開(kāi)關(guān)管施加一個(gè)較大的電壓，我們把這種電壓稱為沖擊電壓。一般在功率開(kāi)關(guān)管Q1、Q2、Q3和Q4的集電極個(gè)發(fā)射極之中依次反接上二極管D1、D2、D3、D4，通

41、過(guò)這些二極管就可以限制功率開(kāi)關(guān)管上的電壓在安全范圍內(nèi)，從而來(lái)降低電流的沖擊對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的影響，就可以有效地保護(hù)開(kāi)關(guān)管。最后還可以提高開(kāi)關(guān)電源的效率。2.3.5半橋式功率隔離變換器半橋式功率隔離變換器電路和全橋式功率隔離變換器的電路基本相類似。只要用全橋式功率隔離變換電路中的功率開(kāi)關(guān)管Q3和Q4用電容容量相等的C1和C2替代，就成為半橋式功率隔離變換器28。如下圖2.14所示，電容C1和電容C2構(gòu)成分壓電路，讓他們連接的電壓Va的大小為輸入電壓的一半。圖2.14 半橋式功率隔離變換器當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管Q1開(kāi)通時(shí)，Q2關(guān)斷時(shí)，電流的流動(dòng)方向是沿著途中虛線的方向流動(dòng)，此時(shí)的電容C2狀態(tài)為充電，變壓器上的次

42、級(jí)繞組的電壓極性是左邊為負(fù)右邊為正。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷，Q2開(kāi)通時(shí)，電流的流動(dòng)方向是沿著圖中實(shí)線的方向流動(dòng)，此時(shí)的電容C1的狀態(tài)為充電，變壓器上的得到了合理完全的使用，可以提供很大的輸出功率。半橋是功率隔離變換器主要在高電壓輸出和大功率輸出場(chǎng)合中應(yīng)用。2.4正激式電路優(yōu)點(diǎn)在上文中介紹了幾種基本常用的開(kāi)關(guān)電源電路，在本畢業(yè)設(shè)計(jì)中采用的是正激式多路輸出電路。其電路的主要優(yōu)點(diǎn)如下。正激式變壓器開(kāi)關(guān)電源的工作原理很簡(jiǎn)單，就是當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)電源電壓施加在初級(jí)繞組上并產(chǎn)生電感電壓使變壓器左端的二極管關(guān)斷右側(cè)的二極管導(dǎo)通，同時(shí)為了在關(guān)斷開(kāi)關(guān)時(shí)反之反擊電動(dòng)勢(shì)損壞了開(kāi)關(guān)器件需要在變壓器的右端再增加一個(gè)二極管保

43、護(hù)電路。工作時(shí)變壓器次級(jí)線圈對(duì)負(fù)載提供電壓。僅在晶體開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，功率的輸出是由儲(chǔ)能的電感線圈和電容一同來(lái)供給。提到開(kāi)關(guān)電源的特性不得不說(shuō)在輸出時(shí)的動(dòng)態(tài)控制特性和輸出電壓負(fù)載特性。在這兩個(gè)方面正激式變壓器性能較好。他能使在電路工作中不會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)的電壓，讓電壓輸出更加穩(wěn)定。在許多場(chǎng)合都得到了廣泛的應(yīng)用29。2.5本章小結(jié) 本章主要介紹了開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理以及常用的四種基本的電路拓分別是降壓功率變換器，升壓功率變換器，降壓-升壓功率變換器，降壓升壓串聯(lián)功率變換器。還介紹了常用的直流隔離變換器，因?yàn)楸疚碾娐酚玫秸ざ嗦犯綦x輸出開(kāi)關(guān)電源電路，最后闡述了正激多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源電路相比于其他幾種電路

44、的優(yōu)點(diǎn)。 第三章 開(kāi)關(guān)電路圖的設(shè)計(jì)3.1 MATLAB軟件以及Simulink平臺(tái)介紹 MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Laboratory)的之意。除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真的實(shí)時(shí)控制等功能。開(kāi)放性使MATLAB廣受用戶歡迎，出去內(nèi)部函數(shù)外，所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通過(guò)對(duì)源程序的修改或加入自己編寫(xiě)程序構(gòu)造新的專用工具包。 Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展，他是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與MATLAB語(yǔ)言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于電腦系統(tǒng)的模型化圖形輸入，其結(jié)果

45、是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語(yǔ)言的編程上30。3.2 MATLAB下仿真圖的設(shè)計(jì) 本課題總體電路仿真圖如下圖3.1所示。 3.1 小功率多路隔離輸出電源仿真圖設(shè)計(jì)3.3輸入電源整流部分整流電路就是將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，主要是利用二極管的單向?qū)щ娦詠?lái)完成的。小功率多路隔離開(kāi)關(guān)電源通常使用橋式整流電路，他是用四個(gè)整流二極管連接在一起組成電橋的形式，由交流電的輸出波形可以看出其是一個(gè)正弦波形，此時(shí)由于整流橋中的二極管的特性為單項(xiàng)導(dǎo)電，可將正弦波Y軸負(fù)半軸的波形翻到Y(jié)軸的正半軸上，最后再經(jīng)過(guò)電容的穩(wěn)壓濾波后就可以得到個(gè)波形平滑的直流電壓31。本文采用成品整流橋，整流橋

46、是由四個(gè)整流二極管封裝構(gòu)成，共有四個(gè)端口，其中兩個(gè)端口為交流輸入端口，兩個(gè)端口為直流輸出端口，如下圖3.2所示。圖3.2 整流橋電路結(jié)構(gòu)圖 本設(shè)計(jì)將輸入311V的交流電壓，其電壓圖像如下圖3.3中呈現(xiàn)的正弦波，而經(jīng)過(guò)整流橋整流之后再用電壓表及示波器測(cè)量其電壓圖像為下圖3.4。圖3.3 電源輸出交流電壓圖圖3.4 經(jīng)過(guò)整流橋后的直流電壓圖 經(jīng)觀察兩個(gè)圖之后可分析在輸入的311V的輸入電壓波形為正弦波，而經(jīng)過(guò)整流橋整流之后原本在縱軸負(fù)半軸的圖像全部翻到了上面的正半軸上。即由輸入的交流電壓整流之后得到了直流電壓。圖3.5 輸入端電流上圖為變壓器左側(cè)示波器2中的輸入端電流值，由圖可知電流值的大小為48

47、A。圖3.6 輸入端電壓 上圖為變壓器左側(cè)示波器5中的電壓波形圖，有圖可知經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓濾波后的電壓大約在300V。3.4 控制電路和輸出電路本課題是將輸入的311V交流電壓經(jīng)過(guò)整流再經(jīng)過(guò)變壓器最后隔離輸出三路24V的直流電壓。輸出電路圖如下圖3.7所示。圖3.7 輸出電路圖上圖為輸出端電路圖，主要工作狀態(tài)為：當(dāng)有電壓輸入時(shí)二極管正向?qū)?，電容工作狀態(tài)為充電狀態(tài)，電壓輸出在24V；當(dāng)沒(méi)有電壓輸入時(shí)電容此時(shí)開(kāi)始放電，向輸出端負(fù)載R提供電能維持輸出穩(wěn)定，而二極管的工作狀態(tài)為方向截止。圖3.8 示波器1的輸出電壓波形圖圖3.9 示波器4的輸出電壓波形圖圖3.10 示波器6的輸出電壓波形圖 上文三張圖片分別

48、為示波器1、4、6輸出端的輸出電壓波形，由圖可知在經(jīng)過(guò)大約0.02秒的超調(diào)最終輸出波形穩(wěn)定都在24V。3.5 反饋電路的分析和相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 圖3.11 反饋電路圖反饋電路在這個(gè)電路中起著重要的作用，將輸出端的采樣電壓與24相減，得到的差值經(jīng)過(guò)比例積分調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后將放大的誤差放入圖3.12中進(jìn)行比較，也就是將放大的誤差信號(hào)與固定頻率的三角波進(jìn)行比較得到輸出的占空比如圖3.13所示，最后由輸出占空比信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)關(guān)管的基極，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的工作和截止時(shí)間長(zhǎng)短，來(lái)維持輸出端的電壓值為24V不變。圖3.12 輸出誤差與三角波比較圖圖3.13 占空比調(diào)制圖通過(guò)這兩張圖的分析可知，將輸入誤

49、差與三角鋸齒波進(jìn)行比較，誤差波形高于鋸齒三角波的地方輸出高電平，反之輸出低電平。再結(jié)合圖3.12可知當(dāng)輸出高電平時(shí)與或門(mén)輸出1，即開(kāi)關(guān)導(dǎo)通并輸出占空比信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)晶體管IGBT的基極使其開(kāi)始工作；當(dāng)誤差波形低于鋸齒三角波時(shí)輸出的占空比為低電平，不會(huì)使開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，IGBT就不會(huì)工作。照此原理，通過(guò)輸出誤差與鋸齒三角波的比較輸出占空比信號(hào)從而來(lái)控制功率開(kāi)關(guān)管IGBT的導(dǎo)通與截止并實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓值的大小和維持輸出電壓的穩(wěn)定不變。圖3.14 開(kāi)關(guān)管PWM波形圖 圖3.14為反饋電路中最后輸出的PWM波形圖，由此PWM波控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷來(lái)維持三路輸出電壓穩(wěn)定在24V。3.5.1 IGBT的工作特性

50、IGBT是電力MOSFET 和雙極晶體開(kāi)關(guān)管的組合開(kāi)關(guān)元器件，它的工作原理與電力MOSFET 工作原理大體相同，重點(diǎn)使是用電壓控制器件，驅(qū)動(dòng)功率小。然而，IGBT柵極和發(fā)射極以及集電極之間存在結(jié)電容，發(fā)射極電路存在漏電感，因?yàn)檫@些分布參數(shù)的影響，使IGBT的驅(qū)動(dòng)波形和理想的波形有很大的改變，對(duì)IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷有著不良的影響。IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷是用柵極電壓來(lái)掌控的。如果是在柵極通上一個(gè)正向電壓后，電力MOSFET里會(huì)構(gòu)成溝道，并提供一個(gè)PNP晶體管的基極電流，此時(shí)IGBT的工作狀態(tài)為導(dǎo)通。如果是在柵極上施加一個(gè)反向電壓時(shí)MOSFET 中的溝道消失，PNP 晶體管和基極電流被關(guān)斷，這時(shí)IGB

51、T截止。3.5.2 占空比的計(jì)算以及輸出功率的計(jì)算圖3.15 Buck降壓變換器電路結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)圖3.15 Buck降壓變換器結(jié)構(gòu)電路圖可知電壓電源VS通過(guò)調(diào)節(jié)占空比通知開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止，最后把電源電壓降為輸出電壓VO。通過(guò)公式UO = DUSK (1)其中US為輸入電壓，UO為輸出電壓，K為變壓器的變比。因?yàn)樵娐分凶儔浩骶€圈匝數(shù)之比為 N1:N2:N3:N4 = 300:60:60:60 (2)所以變比K的值為 K= = 0.2 (3) 由之前示波器測(cè)出US為300V，UO為24V，即占空比根據(jù)公式(1)可算出值為0.4。輸出功率的計(jì)算根據(jù)以下公式 P = (4) 其中UO為輸出電壓，R

52、為輸出端負(fù)載電阻。最后可得輸出功率為57.6W。3.5.3 比例積分調(diào)節(jié)器的作用 比例積分(PI)調(diào)節(jié)器是根據(jù)給定量與反饋量的偏差來(lái)進(jìn)行比例和積分運(yùn)算，將比例和微分運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行線性組合后來(lái)控制輸出，使得系統(tǒng)的輸出朝著偏差不斷減小的方向變化，達(dá)到實(shí)際輸出與理想輸出不斷接近的目的。 3.6 本章小結(jié) 本章首先簡(jiǎn)單介紹了MATLAB軟件及MATLAB下的附加軟件Simulink，之后介紹了在MATLAB下的小功率多路隔離開(kāi)關(guān)電源電路圖的設(shè)計(jì)，主要對(duì)輸入電源的者流部分，IGBT控制電路，反饋電路以及輸出電路進(jìn)行了分析和各方面介紹。重點(diǎn)介紹了IGBT的工作特性和通過(guò)比例積分調(diào)節(jié)并放大誤差和鋸齒三角波比較

53、輸出占空比控制IGBT的導(dǎo)通與截止控制電壓穩(wěn)定在24V，最后進(jìn)行了參數(shù)的計(jì)算，計(jì)算出了本電路的輸出功率以及占空比。第四章 在Protel DXP下的原理圖設(shè)計(jì)和分析4.1 Protel DXP 的介紹 Protel DXP是Altium公司在二十一世紀(jì)推出的一套電腦輔助設(shè)計(jì)(CAD)新型軟件，是用早些時(shí)候Protel 99SE的原理基礎(chǔ)上創(chuàng)新改革而得來(lái)的，集聚了硬件工程師在硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中用到的大部分的工具，其中具備了原理圖的設(shè)計(jì)工具、PCB設(shè)計(jì)工具、電路仿真工具、FPGA設(shè)計(jì)工具、硬件描述語(yǔ)句(VHDL、VERILOG)仿真與完整信號(hào)的分析工具和CAM文件輸出及編輯等多項(xiàng)功能。其啟動(dòng)界面如

54、圖4.1。圖4.1 DXP 開(kāi)機(jī)界面這之后打開(kāi)一個(gè)已建的項(xiàng)目或者新建一個(gè)新的項(xiàng)目，如下圖 4.2所示。4.2 新建的項(xiàng)目圖4.2 TMS320F28335芯片的介紹 TMS320F28335選用的是176引腳LQFP四邊形封裝，其主要的性能如下。 TMS320F2812芯片是國(guó)外某公司研究出的一塊最新的32位DSP芯片，它的功能強(qiáng)大可靠性高而且價(jià)格合理，其應(yīng)用方面廣泛，主要應(yīng)用在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)以及電機(jī)控制等領(lǐng)域。它還有許多的優(yōu)點(diǎn)，例如在信號(hào)處理方面，工作時(shí)的頻率可以達(dá)到上百兆赫茲，所以保證芯片的快速性和準(zhǔn)確性。與其他的DSP芯片相比較，這種芯片的集成度性價(jià)比更高，在功率消耗方面更小并且存儲(chǔ)量十分

55、巨大，從而受到廣大人群的青睞。 TMS320F2835芯片選用1. 9 V 和3. 3 V的雙電源為其他各個(gè)元器件提供電能。如下面電源電路的設(shè)計(jì)一樣，在芯片提供電能的時(shí)候還需要滿足一定的時(shí)序，只有這樣才能保證芯片內(nèi)部的各個(gè)板塊能夠快速正常復(fù)位。4.3 TMS320F28335芯片圖4.3電源電路的設(shè)計(jì)圖4.4 電源電路設(shè)計(jì)圖上圖即為該電路的電源設(shè)計(jì)圖，圖中所用芯片是TI公司推新推出的雙路低壓差電源調(diào)整器,可以看出PS767D301芯片左端有兩個(gè)輸入電壓并且都為5V。再將引腳3、4和9、10接地，即使能端接地。在經(jīng)過(guò)芯片就可以得到輸出為1.9V和3.3V的電壓，其中引腳17、18、23、24為輸

56、出引腳，而25引腳為采樣電壓，若采樣電壓低于輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓時(shí)，此時(shí)的芯片將會(huì)復(fù)位。芯片上方的網(wǎng)絡(luò)接口接上后就會(huì)導(dǎo)通5V電源電壓并轉(zhuǎn)換成5V數(shù)字電壓使得發(fā)光二極管D1一直導(dǎo)通并發(fā)光。最后右側(cè)小電容都是起著濾波的作用。4.4 JTAG接口電路圖4.5 JTAG電路JTAG主要是下載程序，主要測(cè)試時(shí)鐘輸入；數(shù)據(jù)輸入；數(shù)據(jù)輸出；模式輸出等。其標(biāo)準(zhǔn)的接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。其中TRST為復(fù)位輸入引腳，低電平有效。4.5 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)圖4.6 復(fù)位電路設(shè)計(jì)圖圖4.6為復(fù)位電路設(shè)計(jì)圖,圖中所用的74HC08芯片主要是由四組兩輸入端與門(mén)組成，1A

57、-4A以及1B-4B八個(gè)引腳為輸入端，1Y-4Y四個(gè)引腳為輸出端。當(dāng)A引腳和B引腳都輸出高電平時(shí)，輸出端Y才會(huì)輸出高電平。由電路圖左上部分可知RST、RST2、RS都通上了高電平，在下圖中2A與1Y相連都為高電平,當(dāng)開(kāi)關(guān)S1在沒(méi)按下前2B、2Y輸出高電平使得3Y輸出高電平，DSP芯片維持原來(lái)的工作狀態(tài)。但是當(dāng)按下S1后2B為低電平，2Y、3Y也將輸出低電平最終使得DSP芯片完成復(fù)位工作。4.6 晶振電路4.7 晶振電路圖上圖為晶振電路圖，它由30M赫茲的晶振和兩個(gè)24pf的電容配合使用，為系統(tǒng)提供精確的參考源。4.7 IGBT驅(qū)動(dòng)電路 圖4.8 IGBT驅(qū)動(dòng)電路圖 上圖為IGBT驅(qū)動(dòng)電路，此電

58、路采用了HCPL-3120芯片，此芯片是光電耦合器非常適用于IGBT和MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路上，其驅(qū)動(dòng)的是IGBT的柵極，工作原理圖如下4.9所示。圖4.9 HCPL-3120芯片工作原理圖其中陽(yáng)極一直導(dǎo)通5V電壓，陰極則輸入由DSP芯片產(chǎn)生的PWM波，當(dāng)陰極輸入低電平時(shí)光電耦合器導(dǎo)通，輸出端有電壓輸出。最后輸出端電壓經(jīng)過(guò)G1端接在變壓器的輸入端。4.8 存儲(chǔ)器圖4.10 存儲(chǔ)器圖上圖中左側(cè)芯片為IS61LV51216芯片，該芯片是一個(gè)高速的采用3.3V電源CMOS靜態(tài)RAM內(nèi)部存儲(chǔ)芯片，擁有很多優(yōu)秀的性能特點(diǎn)如：存儲(chǔ)時(shí)間段，功率消耗低，內(nèi)存易擴(kuò)展。右側(cè)芯片為SST39VF800芯片，該芯片為

59、8兆位多用途閃存，特點(diǎn)為可靠性能高，低功耗，快速讀取訪問(wèn)時(shí)間短。4.9 本章小結(jié)本章主要給出了在 Protel DXP下的整體原理圖的設(shè)計(jì)，首先對(duì)該軟件以及TMS320F28335芯片進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，之后分別介紹了該電路中的JTAG接口電路、復(fù)位電路、晶振電路以及IGBT驅(qū)動(dòng)電路，不光對(duì)當(dāng)中的電路進(jìn)行了介紹還對(duì)其中所用到的各個(gè)芯片的功能進(jìn)行了闡述?？偨Y(jié)與展望5.1 全文總結(jié) 本文設(shè)計(jì)了一款基于TMS320F28335芯片的單端正激式多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源，電源能夠提供三路直流電壓輸出，其中三路都輸出直流電壓并且穩(wěn)壓于24V。輸入為311V交流電壓，其中輸出功率為57.6W。其中主要完成工作如下

60、。 根據(jù)任務(wù)書(shū)所給的設(shè)計(jì)要求來(lái)缺點(diǎn)需要設(shè)計(jì)電源的基本特性和功能。對(duì)小功率多路開(kāi)關(guān)電源初始的設(shè)計(jì)，主要包括以下幾點(diǎn)：電路拓?fù)涞倪x擇，反饋電路的設(shè)計(jì)，變壓器的設(shè)計(jì)。最后來(lái)確定整個(gè)電路的基本結(jié)構(gòu)框架。 根據(jù)開(kāi)關(guān)電源電路的整個(gè)結(jié)構(gòu)框架對(duì)該電路的各模塊進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，包括對(duì)DSP芯片TMS320F28335的選擇和介紹以及輸入輸出電路反饋電路等等的設(shè)計(jì)和分析，最終給出該電路在Protel DXP下的整體原理圖。 在MATLAB下繪制原理圖，首先將電源電壓即311V的交流電壓通過(guò)二級(jí)管組成的整流橋進(jìn)行整流，整流后經(jīng)過(guò)濾波穩(wěn)壓后得到300V直流電壓，再通過(guò)高頻變壓器得到三路隔離的24V直流輸出電壓。重點(diǎn)在反