開關電源概念

學習園地：2.1開關電源概念2.1.1基本概念凡是用半導體功率器件作為開關，將一種電源形態(tài)轉變成為另外一形態(tài)的主電路叫做開關變換器電路。在轉變時，以自動控制穩(wěn)定輸出并有各種保護環(huán)節(jié)的電路，稱為開關電源。開關電源是進行AC/DC、DC/DC、DC/AC功率變換的裝置。這些變換由主回路和控制回路兩大部分完成。主回路將輸入的交流電傳遞給負載，它決定開關電路的結構形式，變換要求，功率大小，負載能力等?？刂苹芈钒摧斎?、輸出的條件來檢測、控制回路的工作狀況。推挽正激式開關電源由于輸出電感和續(xù)流二極管的作用。輸出電源是連續(xù)的。變換器在開關晶體管導通時經變換器向負載傳輸能量。輸出功率范圍較大。高頻變壓器既要起變壓器隔離和傳輸能量的作用。又起到電感線圈儲能的作用?？刂齐娐芬约傻腜WM脈寬調制電路為基礎組成。能十分方便實現穩(wěn)壓調節(jié)及過壓、欠壓、限流和關斷電源輸出等保護控制功能。該電源既能獨立使用。又可相互并聯使用。輸入可以是交流電壓。也可以是直流電壓。應用靈活、運行可靠、能長期穩(wěn)定地運行于工業(yè)環(huán)境中。2.1.2開關電源通常由六大部分組成圖2.1開關電源工作原理框圖如圖2.1所示，第一部分是輸入電路。它包含低通濾波和一次整流環(huán)節(jié)°220V交流電經低通濾波和橋式整流后得到未穩(wěn)壓的直流電壓VI，此電壓送到第二部分進行功率因數校正，其目的是提高功率因數。第三部分是功率轉換，它是由電子開關和高頻變壓器來完成的，是把功率因數的直流電壓變換成受控制的、符合設計要求的高頻方波脈沖電壓。第四部分是輸出電路，用于將高頻方波脈沖電壓經整流濾波后變成直流輸出。第五部分是控制電路，輸出經過分壓采樣后與電路基準電壓進行比較放大。第六部分是高頻振蕩發(fā)生器，它產生一種高頻波段信號，該信號與控制信號疊加進行脈寬調制達到脈沖寬度調制[8]2.2推挽式開關電源的優(yōu)缺點推挽式開關電源的優(yōu)點如下：推挽式開關電源輸出電流瞬態(tài)響應速度很高，電壓輸出特性很好。推挽式開關電源是所有開關電源中電壓利用率最高的開關電源。由于推挽式開關電源中的兩個控制開關輪流交替工作，其輸出電壓波形非常對稱，并且開關電源在整個周期之內都向負載提供功率的輸出，因此，其輸出電流瞬態(tài)響應速度很高，電壓輸出特性很好。推挽式開關電源是所有開關電源中電壓利用率最高的開關電源。它在輸入電壓很低的情況下，仍然能維持很大的輸出功率，所以推挽式開關電源被廣泛應用與低輸入電壓的DC\AC逆變器，和DC\DC轉換器電路中。推挽式開關電源是一個輸出電壓特性很好的開關電源。推挽式開關電源經橋式整流或全波整流后，其輸出電壓脈動系數和電流脈動系數都很小，因此，需要一個很小值的儲能濾波電容或儲能濾波電感就可以得到一個電壓紋波和電流紋波很小的輸出電壓。因此，推挽式開關電源是一個輸出電壓特性很好的開關電源。推挽式開關電源變壓器的漏感以及銅阻損耗都比單極性磁化極變壓器小很多，開關電源的工作效率高。推挽式開關電源的變壓器屬于雙極性磁化極，磁感應變壓范圍是單極性磁化極的兩倍多，并且變壓器鐵芯不需要氣隙，因此，推挽式開關電源變壓器鐵芯的磁導率比單極性磁化極的正激或反激開關電源的變壓器鐵芯的磁導率高很多倍，這樣推挽式開關電源變壓器的初級、次級的線圈的匝數可比單極性磁化極變壓器初級、次級的線圈的匝數少一倍以上。所以，推挽式開關電源變壓器的漏感以及銅阻損耗都比單極性磁化極變壓器小很多，所以開關電源工作效率很高。推挽式開關電源的缺點如下：推挽式開關電源的主要缺點主要是兩個開關器件需要很高的耐壓值，其耐壓值必須大于工作電壓的兩倍。因此，推挽式開關電源在220V交流供電設備中很少使用。另外，直流輸出電壓可調整式推挽開關電源輸出電壓的調整范圍比反激式開關電源輸出電壓的調整范圍小很多，并需要一個儲能濾波電感，因此，推挽式開關電源不宜用于要求負載電壓變化范圍太大的場合。推挽式轉換器可以看作兩個正激式轉換器的組合，在一個開關周期內，這兩個正激式轉換器交替的工作。若兩個正激式變換器不完全對稱或平衡時，就會出現直流偏磁的現象，經過幾個周期累計的偏磁，會使磁芯進入飽和狀態(tài)，并導致高頻變壓器的勵磁電流過大，甚至損壞開關管［4。2.3開關電源各部分電路基本原理2.3.1脈寬調制式開關電源的基本原理脈寬調制式開關電源的基本原理如圖2.2所示。交流220V輸入電壓經過整流濾波后變成直流電壓y1，再由功率開關管VT斬波、高頻變壓器T降壓，得到高頻矩形波電壓，最后通過輸出整流濾波器VD、C2,獲得所需要的直流輸出電壓Uo。脈寬調制器是這類開關電源的核心，它能產生頻率固定而脈沖寬度可調的驅動信號，控制功率開關管的通斷狀態(tài)，來調節(jié)輸出電壓的高低，達到耪壓目的。鋸齒波發(fā)生器提供時鐘信號。利用誤差放大器和PWM比較器構成閉環(huán)調節(jié)系統。假如由于某種原因致使Uo下降，脈寬調制器就改變驅動信號的脈沖寬度，亦即改變占空比D，使斬波后的平均值電壓升高，導致Uo升高。反之亦然。圖2.2脈寬調制式開關電源的基本原理2.3.2脈寬調制集成電路TL494簡述隨著電力電子技術的發(fā)展，各種大功率全控型器件相繼推出，其中MOS型功率晶體管發(fā)展非常迅速，由于它具有高耐壓、低驅動功率、良好的頻率響應特性和開關時間短等優(yōu)點，在許多方面可以替代雙極型品體管，其工作頻率可以達到200KHZ以上，常常在開關穩(wěn)壓電源和直流斬波電路中用作開關管，開關管的控制方式采用脈寬調制（PWM）方式。美國硅通用電氣公司設計了適用于高頻功率MOS管驅動的第二代集成電路脈沖寬度控制器，其中TL494可用于驅動N溝道的功率MOS管，可用于推挽、單端輸出的開關電源。其控制的半橋型開道穩(wěn)壓電源具有逆變頻率高，穩(wěn)壓性能好的特點。TL494電路具有如下特點:①TL494廣泛用于100-200W中功率開關電源中。可用于推挽、半橋單端輸出電路，它的適用性強，比較機動靈活；②TL494電路的工作頻率是由外部鋸齒波發(fā)生器（即振蕩器）上的定時元件Rt，Ct決定的，一旦定時元件固定后，電路輸出信號的工作頻率就固定不變了，它的最高工作頻率可以達到300KHz；③該電路具有5V過流，過電壓保護，輸入欠壓保護，5V欠壓保護以及12V過流保護等多種保護功能，電源可靠性高，運行安全，適用于微型計算機，屏幕顯示器和醫(yī)療器械。④工作溫度范圍寬為-20?85攝氏度。電源電壓從100V到240V都能適用[12]TL494電壓調節(jié)芯片內部結構如下：具體的引腳與內部結構如圖2.3與2.4所示。TL494是一塊脈寬調制集成電路，內含基準電壓產生電路，振蕩電路，低電壓停止電路，間歇期調準電路，PWM比較器，兩個誤差放大器和兩個輸出電路。圖中，腳14為TL494的基準電源輸出，輸出精度可達到5.1V左右，除誤差放大器外所有片內電路均由它供電。采用溫度補償，而且設有過電流保護電路。腳5,腳6內設有一個雙門限比較器，內電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構成TL494的振蕩器。腳1及腳2分別為芯片內誤差放大器的反向輸入端，同相輸入端。該放大器是一個兩級差分放大器，直流開環(huán)增益為70dB左右。根據系統的動態(tài)，靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳3和腳2之間一般要添加適當的反饋補償。圖2.3TL494引腳圖2.4TL494內部框圖2.3.3TL494各部分功能簡介基準電壓5V由14腳輸出，除誤差放大器外所有片內電路均由它供電。此外還用于確定限流值、控制死區(qū)范圍、軟啟動回路的電源。它在0~70攝氏度范圍內總變化率小于1%。6腳和5腳對地分別接入電阻Rt和電容Ct，便可產生鋸齒波自激振蕩Ct電容充電到3V時即開始放電，放電到零完成一個周期。振蕩頻率f=1\(RtCt),Ct選470pF?10uF，Rt選1.8?500K，頻率可調范圍為幾百至300KHz。由于誤差放大器采用單電源運算放大器工作方式，并由Vcc直接供電，故共模輸入電壓范圍可在-0.3V到(Vcc=2V)之間任意選擇。兩個性能相同的誤差放大器，一個作電壓控制，一個作電流控制。放大器輸出高電平，輸出脈沖方波變窄，反之輸出方波變寬。為防止輸入電壓尚未完全建立或電壓瞬時跌落引起TL494誤動作，片內設防止低輸入電壓誤動作電路。4腳死區(qū)時間控制端可用于確定死區(qū)寬度和軟啟動。死區(qū)時間控制是在4腳加入0?3V的電壓，此電壓從Vref接入。鋸齒波電壓與4腳電壓相比較，當鋸齒波電壓比4腳電壓低，輸出品體管截止，限制了輸出方波寬度的增大；當4腳對地電位為零時，輸出脈沖的死區(qū)時間的占空比固定為3%。軟啟動是在基準電壓Vref與死區(qū)控制端之間接入電容Cs，在電源接通瞬間，Vref通過Cs加到4腳，使輸出品體管的導通時間緩慢增加，輸出電壓Vo逐漸上升完成軟啟動。TL494有兩組輸出晶體管，其發(fā)射極和集電極均直接引出，可作射極跟隨或集電極輸出工作。每組輸出品體管工作電流可達200mA。2.3.4EMI濾波目前，隨著電子設備、計算機和家用電器的大量涌現與廣泛普及，電磁干擾正日益嚴重并形成一種公害。因為這種干擾可導致電子設備無法正常工作，特別是瞬態(tài)電磁干擾，其電壓幅度高、上升速度快、持續(xù)時間短、隨機性強，容易引起數字電路產生嚴重干擾，常使人們防不勝防，這已引起國內外電子界的高度重視。電源噪聲及其抑制方法電源噪聲是電磁干擾的一種，它屬于射頻干擾，其傳導噪聲的頻譜大致是為10KHz?30MHz,最高可達150MHz。根據傳播方向的不同，電源噪聲可以分為兩大類：一類是從電源進線引入的外界干擾；另一類是由電子設備產生并經電源線傳導出去的噪聲。這表明噪聲屬于雙向干擾信號，電子設備既是噪聲干擾對向，又是一個噪聲源。若從形式特點看，噪聲干擾分串模干擾與共模干擾兩種。串模干擾是兩條電源線之間的噪聲，共模干擾則是兩條電源線對大地的噪聲。因此，EMI濾波器應符合電磁兼容性的要求，也必須是雙向頻濾波器，一方面要濾除從交流電源線上引出的外部電磁干擾，另一方面還能避免本身設備向外部發(fā)出噪聲干擾，以免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設備的正常工作。電磁干擾濾波器亦稱電源噪聲濾波器，是近年來被推廣應用的一種組合器件，它能有效地抑制電網噪聲，提高電子設備的抗干擾能力及系統的可靠性。因此，被廣泛應用于開關電源、電子測量儀器、計算機機房設備等領域°EMI濾波器是由電容器、電感等元件組成的，其優(yōu)點是結構簡單，成本低廉，便于推廣應用。簡易電磁干擾濾波器的設計EMI濾波器的基本電路如圖2.5所示。該五端器件有兩個輸入端、兩個輸出端和一個接地端，使用時外殼應該接通大地。電路中包括共模扼流圈L、濾波電容器C1~C4OL對串模干擾不起作用，但當出現共模干擾時，由于兩個線圈的磁通方向相同，