開關(guān)電源設(shè)計(jì)

開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作辛云宏2007國賽：設(shè)計(jì)并制作如下圖所示的

開關(guān)穩(wěn)壓電源。在電阻負(fù)載條件下，使電源滿足下述要求：

1．基本要求：輸出電壓UO可調(diào)范圍：30V～36V；最大輸出電流IOmax：2A；U2從15V變到21V時(shí)，電壓調(diào)整率SU≤2%（IO=2A）；IO從0變到2A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SI≤5%（U2=18V）；輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；DC-DC變換器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；具有過流保護(hù)功能，動作電流IO（th）=2.5±0.2A；2．發(fā)揮部分進(jìn)一步提高電壓調(diào)整率，使SU≤0.2%（IO=2A）；進(jìn)一步提高負(fù)載調(diào)整率，使SI≤0.5%（U2=18V）；進(jìn)一步提高效率，使效率≥85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；排除過流故障后，電源能自動恢復(fù)為正常狀態(tài)；能對輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，步進(jìn)值1V，同時(shí)具有輸出電壓、電流的測量和數(shù)字顯示功能。電源簡介由于線性調(diào)節(jié)器式直流穩(wěn)壓電源，存在諸多缺點(diǎn)，如體積大，很難小型化、損耗大、效率低、輸出與輸入之間有公共端，不易實(shí)現(xiàn)隔離，只能降壓，不能升壓，很難在輸出大于5A的場合應(yīng)用。因此開關(guān)電源得到廣泛利用，凡采用半導(dǎo)體功率開關(guān)器件作為開關(guān)管，通過對開關(guān)管的高頻開通與關(guān)斷控制，將一種電能形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種電能形態(tài)的裝置，叫做開關(guān)轉(zhuǎn)換器。以開關(guān)轉(zhuǎn)換器為主要組成部分，用閉環(huán)自動控制來穩(wěn)定輸出電壓，并在電路中加入保護(hù)環(huán)節(jié)的電源，叫做開關(guān)電源。開關(guān)電源組要組成部分是DC-DC功率變換器，因?yàn)樗寝D(zhuǎn)換的核心。高頻開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。分類多，應(yīng)用廣。開關(guān)電源參數(shù)有額定輸出電壓、額定輸出電流、輸出電壓的穩(wěn)定范圍，輸出電流的變化范圍和輸出電壓的紋波。開關(guān)電源應(yīng)具有輸出過壓、欠壓、過流和過熱保護(hù)功能，還應(yīng)具有較高的電能轉(zhuǎn)換效率、低的轉(zhuǎn)換損耗、低的噪聲、好的電磁兼容和絕緣性等。直流電源(DC/DC)變換器按其輸入與輸出是否進(jìn)行電氣上隔離，可分非隔離式變換器電路和隔離式變換器電路。兩者除了均有變壓功能外，后者還有輸入電量與輸出電量在電氣上的隔離，以滿足某些場合的需要。在非隔離式變換器中，有降壓型變換器、升壓型變換器、電壓極性反轉(zhuǎn)型變換器的電路結(jié)構(gòu)。在隔離式變換器中，應(yīng)用雙極型晶體管作為開關(guān)且開關(guān)管自身起著振蕩元器件作為的自激式變換器與他激PWM變換器。自激式變換器主要是RCC變換器和Reyer變換器，他激式變換器主要有單端反激式、單端正激式、推挽、半橋、全橋變換電路結(jié)構(gòu)。非隔離式變換器——降壓型（Buck）變換器降壓型（Buck）變換器原圖降壓型（Buck）變換器將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，再將脈沖電壓經(jīng)LC濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓。輸入電壓Uin是未經(jīng)穩(wěn)壓直流電壓；晶體VT1為調(diào)整管，即開關(guān)管UB為矩形波是控制開關(guān)管的工作狀態(tài)；電感L與電容C組成濾波電路，而VD1為續(xù)流二極管。a）VT1導(dǎo)通等效電路圖(b)VT1關(guān)斷等效電路圖（c）VT1關(guān)斷后電流為零等效電路圖降壓型變換器有兩種基本工作方式，一種是電感電流處于連續(xù)的工作模式；一種是電感電流處于斷續(xù)的工作模式，還有一種是電感電流處于臨界連續(xù)模式；非隔離式變換器——升壓型（Boost）變換器主電路由串聯(lián)在回路中的儲能電感L1，開關(guān)管VT1及整流二極管VD1、濾波電容C1。它是一種可以獲得輸出電壓高于輸入電壓的DC—DC變換器。升壓型（Boost）變換器原理圖有兩種基本工作方式：電感電流連續(xù)工作模式和電感電流斷續(xù)工作模式。（c）T1

關(guān)斷電感電流為零（a）VT1導(dǎo)通等效電路（b）VT1

截止等效電路非隔離式變換器——極性反轉(zhuǎn)型(Buck—Boost)變換器主電路所用元器件與Buck、Boost變換器相同，由開關(guān)管VT1、儲能電感L1、整流二極管VD1及濾波電容C1等元器件組成。這種電路具有Buck變換器降壓與Boost變換器升壓的雙重作用。升壓還是降壓取決于PWM驅(qū)動脈沖的占空比D.極性反轉(zhuǎn)型(Buck—Boost)變換器原理圖

（c）VT1關(guān)斷時(shí)電感電流為0效電路圖(b)VT1截止等效電圖（a）VT1導(dǎo)通等效電路圖

非隔離式變換器——Cuk變換器

Cuk變換器是Buck—Boost串聯(lián)變換器它是針對Buck—Boost升降壓變換器存在輸入電流和輸出電流脈動值大的缺點(diǎn)。主要電路如下圖所示，它由開關(guān)管VT1、儲能電容器C1、輸入儲能電感L1、輸出儲能電感L2、續(xù)流二極管VD1及輸出濾波電容器C2等元器件組成，開關(guān)管VT1由PWM驅(qū)動電路控制的，二極管VD1將輸入回路和輸出回路分開，左半部分是輸入回路，右半部分是輸出回路。

Cuk變換器原理圖

(b)VT1截止等效電路圖（a）VT1導(dǎo)通等效電路

（c)電流斷續(xù)等效電路圖芯片介紹

MC34063,AZ34063TheAZ34063AisamonolithicswitchingregulatorcontrolcircuitwhichcontainstheprimaryfunctionsrequiredforDC-DCconverters.Thisdeviceconsistsofinternaltemperaturecompensatedreference,voltagecomparator,controlleddutycycleoscillatorwithactivecurrentlimitcircuit,driverandhighcurrentoutputswitch.TheAZ34063AisspecificallydesignedasageneralDC-DCconvertertobeusedinStep-Down,Step-UpandVoltage-Invertingapplicationswithaminimumnumberofexternalcomponents.TheAZ34063Aisavailablein2packages:SOIC-8andDIP-8.Features?Operationfrom3.0Vto36VInput?LowStandbyCurrent?CurrentLimiting?OutputSwitchCurrentto1.5A?OutputVoltageAdjustable?OperationFrequencyupto180KHz?Precision2%Reference隔離式變換器——推挽變換器

推挽變換器是一種相當(dāng)兩個(gè)正激變換器的組合。它由逆變器（DC-AC）和高頻整流濾波電路（AC-DC）兩部分主電路及控制驅(qū)動電路組成。推挽變換器電路原理圖如下：推挽變換器原理圖推挽式升壓原理：

根據(jù)變壓器得變壓比：變壓器兩組線圈圈數(shù)分別為N1和N2，N1為初級，N2為次級，在初級線圈上加一交流電壓，在次級線圈兩端就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)N2>N1時(shí)，其感應(yīng)電動勢要比初級所加得電壓還要高，這種變壓器稱為升壓變壓器；當(dāng)N2<N1時(shí)，為降壓變壓器。這種電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：對稱性結(jié)構(gòu)，脈沖變壓器原邊是兩個(gè)對稱線圈，兩只開關(guān)管接成對稱關(guān)系，輪流通斷。優(yōu)點(diǎn)：高頻變壓器磁芯利用率高、輸出功率大、驅(qū)動電路簡單….DC-DC變換器的實(shí)際電路結(jié)構(gòu)器件的選擇：控制芯片：KA3525,SG3525,TL494開關(guān)管：

IRF640，IFR540系列MOS場效應(yīng)管；IRF640,18A,200V，Rds(on)=0.180歐，所以不會擊穿同時(shí)導(dǎo)通損耗也比較小。

選用臺灣KA3525PWM調(diào)變IC來作此推挽式轉(zhuǎn)換的控制IC，此IC具有振蕩器，利用改變RT與CT之值，就可以設(shè)定PWM的切換頻率；此外尚有兩組PWM輸出、軟啟動及完全截止的功能。KA3525采用電壓模式控制方法。占空比為0-100%，考慮到死區(qū)時(shí)間，最大占空比通常為90-95%。其采用分頻器，可以得到兩路互補(bǔ)的占空比分別為0-50%的PWM信號，同樣，考慮到死區(qū)時(shí)間的存在，最大占空比通常為45%-47.5%。這樣的PWM信號試用于半橋、全橋、推挽等雙端電路的控制。KA3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳功能…。軟啟動：

由于次級通常有大濾波電容，所以開關(guān)電源在啟動時(shí)不以額定功率啟動，否則相當(dāng)于短路。因此，只能小電流充滿大濾波電容以后再正常工作。這就是軟啟動。KA3525自帶軟啟動功能，在第8腳處接5uF電容，充電完成后再振蕩。設(shè)定開關(guān)管工作頻率為50KHz，初級采用抽頭的形式根據(jù)法拉第定律,取原線圈為4匝+4匝。設(shè)原邊最小輸入電壓為16V，副邊最大輸出電壓為42V，所以原副匝比2:6，副線圈為12匝。實(shí)際上由于繞制變壓器工藝的限制，我們的變壓器的原邊線圈是以繞滿一層為止，前提是匝數(shù)不小于4，副線圈的匝數(shù)按匝數(shù)比來繞制.骨架的選擇應(yīng)選用高頻變壓器骨架，目前常使用的有金屬錳鋅鎂銅等，繞制時(shí)應(yīng)使初、次級線圈緊密地耦合在一起，這樣可以減少變壓器漏感，因?yàn)槿绻└羞^大，將會造成較大的尖峰脈沖，從而擊穿開關(guān)管。因此在繞制高頻變壓器線圈時(shí)，應(yīng)盡量使初、次級線圈之間的距離近些。漆包線線徑的選擇，要使電流大，那么線徑要大，但過大會產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，使電流減小。所以可以多組并繞。包膠帶變壓器設(shè)計(jì)繞制前級電路設(shè)定與穩(wěn)壓開環(huán)穩(wěn)壓通過改變輸出PWM波的占空比，來調(diào)節(jié)輸出電壓的大??；在實(shí)際電路中，DA設(shè)定值接在誤差放大器的同相輸入端上，設(shè)定輸出電壓，輸出電壓的采樣電壓加在誤差放大器的反相輸入端上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時(shí)，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時(shí)間變長，PWM瑣存器輸出高電平的時(shí)間也變長，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。

緩沖電路輸出電壓有較大尖峰，這是由于開關(guān)管的高頻開關(guān)造成的，尤其是關(guān)斷時(shí)，由于電路有寄生電感，瞬間電路的切斷會在電感兩端出現(xiàn)沖擊電壓，因此對開關(guān)管加緩沖電路，并上R、C改善關(guān)斷性能。驅(qū)動問題后級電路輸出為全橋整流，四個(gè)整流二極管均并上R、C，因?yàn)楫?dāng)輸入停止的時(shí)候，會有反動電動勢；在輸出端接上加假負(fù)載,如圖R19和R20組成。因?yàn)樨?fù)載開路時(shí)，輸入電感照常周期性地不斷儲能和釋放能量，而能量沒有被負(fù)載消耗，電容將持續(xù)升高即多余的能量都存儲到電容極板間，很快導(dǎo)致電容擊穿。因此接上假負(fù)載，也就說，當(dāng)檢測到電源處于空載轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)，自動投入一個(gè)輕負(fù)載，這個(gè)負(fù)載電阻值較大，即能維持輸出電壓為給定值、本身功率損耗又較小。過流保護(hù)電路

當(dāng)電路輸出電流過大，或者負(fù)載短路時(shí)，將對負(fù)載造成傷害，因此過流保護(hù)是必須的。

我們把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號放大后，經(jīng)電壓比較器比較。其中采樣電阻為康銅絲或大功率低阻值電阻，所采集的電流信號經(jīng)放大后，輸出比較器的同相輸入端，當(dāng)負(fù)載過流時(shí)候，比較器輸出高電平。Shutdown（引腳10）上的信號為高電平，PWM瑣存器將立即動作，禁止KA3525的輸出，對電路及負(fù)載起了保護(hù)作用，同時(shí)，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動過程。

過流保護(hù)電路注意:在每個(gè)模塊都能正常工作的情況下，整機(jī)連調(diào)的時(shí)候會出現(xiàn)“共地”問題，導(dǎo)致整機(jī)會有一個(gè)100Hz的工頻干擾。改進(jìn)措施是系統(tǒng)地線不能出現(xiàn)環(huán)路，所有地線