開關(guān)穩(wěn)壓電源-文獻綜述

開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計與實現(xiàn)摘要：本文主要介紹開關(guān)電源的概述，開關(guān)電源的類型，開關(guān)電源的開展方向及類型，單片開關(guān)電源的原理及應(yīng)用。本設(shè)計主要是利用3端單片開關(guān)電源芯片TOP223Y,進行小功率的開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計與制作，主要是用開關(guān)電源芯片TOP223Y的脈寬調(diào)制技術(shù)控制開關(guān)管，來調(diào)制輸出電壓，以到達穩(wěn)定輸出的目的，最終設(shè)計的電路，主要有輸入整流濾波、TOP223Y脈寬調(diào)制、高頻變壓器、電壓反應(yīng)整流濾波、輸出整流濾波五局部組成。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源/TOP223Y/脈寬調(diào)制技術(shù)一、引言隨著電子設(shè)備的高速開展,電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切.任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源,他們對電源的要求也越來越高.電子設(shè)備的小型化和低本錢化使電源以輕、薄、小和高效率為開展方向.20世紀80年代,計算機全面實現(xiàn)了開關(guān)電源化,率先完成計算機的電源換代.20世紀90年代,開關(guān)電源在電子、電器設(shè)備、家電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,開關(guān)電源技術(shù)進入快速開展時期。開關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最正確性能指標、能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源等優(yōu)點。它于90年代中、后期相繼問世后，便顯示出強大的生命力，目前它成為國際上開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。由它構(gòu)成的開關(guān)電源，在本錢上與同等功率的線性穩(wěn)壓電源相當，而電源效率顯著提高，體積和重量那么大為減小。這就為新型開關(guān)電源的推廣與普及，創(chuàng)造了良好條件。開關(guān)電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)，它運用功率變換器進行電能變換，經(jīng)過變換電能，可以滿足各種用電要求。由于其高效節(jié)能可帶來巨大經(jīng)濟效益，因而引起社會各方面的重視而得到迅速推廣。隨著ＰＷＭ技術(shù)的不斷開展和完善，開關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用，以往開關(guān)電源的設(shè)計通常采用控制電路與功率管相別離的拓撲結(jié)構(gòu)，但這種方案存在本錢高、系統(tǒng)可靠性低等問題。美國功率集成公司。PowerIntegrationInc開發(fā)的TOPSwitch系列新型智能高頻開關(guān)電源集成芯片解決了這些問題，該系列芯片將自啟動電路、功率開關(guān)管、ＰＷＭ控制電路及保護電路等集成在一起，從而提高了電源的效率，簡化了開關(guān)電源的設(shè)計和新產(chǎn)品的開發(fā)，使開關(guān)電源開展到一個新的時代。文中介紹了一種用TOPSwitch的第三代產(chǎn)品TOP249Y開發(fā)變頻器用多路輸出開關(guān)電源的設(shè)計方法。二、開關(guān)穩(wěn)壓電源的概況開關(guān)電源問世后，在很多領(lǐng)域逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電源。早期出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關(guān)電源，其主電路拓撲與線性電源相仿，但功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)。隨著脈寬調(diào)制〔PWM〕技術(shù)的開展，PWM開關(guān)電源問世，它的特點是用20kHz的載波進行脈沖寬度調(diào)制，電源的效率可達65%~70%，而線性電源的效率只有30％~40％。因此，用開關(guān)電源替代線性電源，可大幅度節(jié)約能源，從而引起了人們的廣泛關(guān)注，在電源技術(shù)開展史上被譽為20kHz革命。隨著超大規(guī)模集成〔ultra-large-scale-integrated-ULSI〕芯片尺寸的不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；而航天、潛艇、軍用開關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備〔如手提計算機、移動等〕更需要小型化、輕量化的電源。因此，對開關(guān)電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量也要小。此外，還要求開關(guān)電源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。這一切高新要求便促進了開關(guān)電源的不斷開展和進步。40多年來，開關(guān)電源經(jīng)歷了三個重要開展階段。第一個階段是功率半導(dǎo)體器件從雙極型器件〔BPT、SCR、GT0〕開展為MOS型器件〔功率MOS-FET、IGBT、IGCT等〕，使電力電子系統(tǒng)有可能實現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導(dǎo)通損耗，電路也更為簡單。第二個階段自20世紀80年代開始，高頻化和軟開關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開關(guān)技術(shù)是過去20年國際電力電子界研究的熱點之一。第三個階段從20世紀90年代中期開始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊技術(shù)開始開展，它是當今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。[2]我國的晶體管直流變換器及開關(guān)穩(wěn)壓電源研制工作開始于60年代初期，到60年代中期進入實用階段，70年代初期開始研制無工頻降壓變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源。1974年研制成功了工作頻率為10kHz、輸出電壓為5V的無工頻降壓變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源。近10多年來，我國的許多研究所、工廠及高等院校已研制出多種型號的工作頻率在20kHz左右，輸出功率在1000W以下的無工頻降壓變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源，并應(yīng)用于電子計算機、通信、電視等方面，取得了較好的效果。工作頻率為100kHz—200kHz的高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源于80年代初期就已開始試制，90年代初期就已試制成功。目前正在走向?qū)嵱秒A段和再進一步提高工作頻率。許多年來，雖然我國在無工頻降壓開關(guān)穩(wěn)壓電源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我國的開關(guān)穩(wěn)壓電源技術(shù)與一些先進的國家相比仍有較大的差距。此外，這些年來，我國雖然把無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率從數(shù)十kHz提高到了數(shù)百kHz，把輸出功率由數(shù)十瓦提高到了數(shù)百瓦甚至數(shù)千瓦，但是，由于我國半導(dǎo)體技術(shù)與工藝跟不上時代的開展，導(dǎo)致我們自己研制和生產(chǎn)出的無工頻變壓器開關(guān)電源中的開關(guān)管大局部采用的仍是進口的晶體管。所以我國的開關(guān)穩(wěn)壓電源事業(yè)要開展，要趕超世界先進水平，最根本的是要提高我國的半導(dǎo)體技術(shù)和工藝。三、TOP223Y開關(guān)電源的設(shè)計本次設(shè)計主要是利用三端開關(guān)電源芯片TOP223Y，它的PWM技術(shù)控制開關(guān)的占空比來調(diào)整輸出電壓的，以到達穩(wěn)定輸出的目的。圖1能看出芯片TOP223Y的三個引出端分別是控制端C、源級S、漏極D，控制端利用控制電流Ic的大小來調(diào)節(jié)占空比D。利用反應(yīng)電流Ic來調(diào)節(jié)占空比D，到達穩(wěn)壓目的。當輸入電壓時，經(jīng)過光耦反應(yīng)電路使得↑→↓→↓,最終使得不變。由于TOP223Y芯片集成度高，設(shè)計工作主要是外圍電路的設(shè)計。外圍電路主要分為輸入整流濾波電路、鉗位保護電路、高頻變壓器的設(shè)計、輸出整流濾波電路、反應(yīng)電路的5局部組成。3.1輸入整流濾波電路的設(shè)計

整流濾波電路包括輸入交流濾波、整流局部、濾波電容穩(wěn)壓三局部組成。圖1TOP223Y內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

首先輸入電壓220V，經(jīng)過四個電容和一個濾波電感，它們起到了共模濾波的作用，如電路原理圖2所示電容、主要是去除差模干擾，電容、主要是去除共模干擾，濾波電感來抑制EMI噪聲對其它設(shè)備的干擾，使整流濾波電路的直流電更加平穩(wěn)，濾波電感一般采用鐵氧體材料，它采用的是雙線繞并繞，然后，四個整流二極管d1、d2、d3、d4和極性電容構(gòu)成整流濾波電路，整流電路的作用是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，交流電是指大小和方向都發(fā)生變化的電流，而濾波電路的作用是把直流電處理成平滑的直流電。利用二極管的單相導(dǎo)電性可實現(xiàn)整流，電容濾波是利用電容的充電和放電來使直流電變成平穩(wěn)的直流電。3.2鉗位保護電路的設(shè)計當TOP223Y的MOSFET管關(guān)斷時，高頻變壓器的繞組上會產(chǎn)生尖峰電壓，它是高頻變壓器漏感形成的，然后鉗位保護電路對它們進行鉗位吸收，防止場效應(yīng)管過壓而損壞。如圖2中所示電阻和電容的大小=220、=0.0022nF。在圖中可以看出鉗位管、、還有二極管和變壓器形成一個回路，形成保護電路，以防止尖峰電壓對此芯片的損害。圖2TOP223Y單片開關(guān)電源電路原理圖3.3輸出整流濾波電路的設(shè)計輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成，此整流二極管選用的是肖特基二極管IN5819，電容為=100uF，如圖2所示。系統(tǒng)總開關(guān)損耗的1/6才是輸出整流二極管的開關(guān)損耗，它包括反向恢復(fù)和正向?qū)〒p耗，它是影響開關(guān)電源損耗的主要因素。因為，肖特基二極管反向恢復(fù)時間少，降低反向恢復(fù)損耗和消除紋波方面有性能優(yōu)勢，所以用肖特基二極管，最重要是根據(jù)最大反向峰值電壓。3.4反應(yīng)電路的設(shè)計此反應(yīng)電路主要是采用的可調(diào)式并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431，加線性光藕PC817A構(gòu)成的反應(yīng)電路。此反應(yīng)電路的電壓調(diào)整率到達0.1%，在電路中穩(wěn)壓器TL431和輸出電壓構(gòu)成誤差比擬器，它主要是通過光耦PC817A線性關(guān)系的電流變化控制芯片TOP223Y的，改變了脈寬調(diào)制的寬度，到達穩(wěn)定輸出電壓的目的。占空比D和流入TOP223Y控制腳C的電流成正比的。下面的高頻變壓器和整流二極管IN4148、濾波電容組成的電路對線性光耦進行供電，從高頻變壓器出來的電，經(jīng)過整流濾波后，進入線性光耦PC817，到達對它供電的目的。高頻變壓器的設(shè)計一次繞組上有變流電流和電壓流入，交流磁通與二次繞組匝鏈。二次繞組能感應(yīng)出電勢是通過磁通的交變作用。繞組的感應(yīng)電勢與安的匝數(shù)成正比依據(jù)電磁感應(yīng)定律，然而，只能改變二次繞組的匝數(shù)，就能改變電勢的數(shù)值，要是二次繞組接上電設(shè)備就有電壓輸出，這就是變壓器的工作原理。設(shè)計它首先從磁芯開始，大局部它使用的是軟磁材料在低磁場下使用，它有電阻率低、磁導(dǎo)率高、矯頑力低等性能，它能承受較高的外加電壓是經(jīng)過比擬小的激磁電流，這個的前提是在一定匝數(shù)下，所以，有一定的輸出功率，能減小磁芯體積，磁芯的體積小，那么它的磁芯矯頑力低，磁滯面積小，那么鐵耗也少。高的電阻率，那么渦流小、鐵耗小。鐵氧材料有較大的電阻率，它是復(fù)合氧化物的燒結(jié)體一般用在高頻狀態(tài)下，通常用在開關(guān)電源上由于它的值小。四、結(jié)論由于TOP223Y芯片內(nèi)部集成有ＰＷＭ控制器、功率開關(guān)ＭＯＳＦＥＴ以及多種保護電路，所以采用該芯片設(shè)計出的開關(guān)電源具有本錢低、外圍線路簡單、體積小、效率及可靠性高等特點，因而在中功率電子設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景。本文設(shè)計的開關(guān)電源已應(yīng)用于某變頻器的控制電路中，且取得了較好的應(yīng)用效果。參考文獻[1]王兆安,劉進軍.電力電子技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社.2023,7.53-61.[2]沙占友,王彥鵬.單片開關(guān)電源的最新應(yīng)用技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社.2002,9.4-16.[3]王水平,田慶安.開關(guān)穩(wěn)壓電源[M].西安電子科技大學(xué)出版社.1997,3.2-12.[4]馬瑞卿.一種基于TOP223Y的單片開關(guān)電源設(shè)計[J].計算機測量與控制.2007,15.[5]沙占友.新型單片開關(guān)電源的設(shè)計與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社.2001,6.10-16.[6]潘騰,李強.基于TOP224Y芯片的單端反激式開關(guān)電源[J].東南大學(xué).2003,4.12-13.[7]楊素行.模擬電子技術(shù)根底簡明教程[M].高等教育出版社.995,4.25-32.[8]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)根底簡明教程[M].高等教育出版社.1984,7.22-31.[9]張成,由永峰.TOPSwitch芯片單端反激式開關(guān)電源的工作原理以及設(shè)計方法[J].楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報.2007,3.2-4..[10]張占松,蔡宣三.開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理與設(shè)計[M].電子工業(yè)出版社.1998,5.45-52.[11]王小雙.基于TOP227Y的單片反激電源設(shè)計[J].微電機.2023，4.3-6.[12]翁嘉民,陶春鳴.單片機應(yīng)用開發(fā)技術(shù)[