854611284ACDC開關電源設計畢業(yè)設計

1、課題名稱 ac-dc 開關電源 設計 課題參數(shù)或研究 方向組數(shù) 3 課題類型 工程實際 模擬工程 實際科研開發(fā) 研究論文 調 查報告 課題來源工程實際課題起止日期2008.4 2008.6 指導教師職 稱所在教研室指導班級 專 業(yè)指導學生數(shù) 辛伊波教授自動化自動化10 段春霞助教 課題主要 內容 1.分析負載對電源的特殊要求，說明電源設計的主要指標； 2.說明串聯(lián)，并聯(lián)式開關穩(wěn)壓電源的工作原理。畫出串聯(lián)，并聯(lián)式 開關穩(wěn)壓電源原理圖； 3.以開關電源為例，分析主要組成部分及功能： （1）整流濾波電路； （2）自激振蕩電路； （3）高頻脈沖整流電路； （4）誤差取樣放大電路； （5）脈寬調制； （

2、6）保護電路。 4.分析電源常見故障現(xiàn)象，提出解決辦法。 學生完成 課題目標 任務及主 要工作量 1.按學校對畢業(yè)設計要求，獨立完成設計任務； 2.設計說明書附前言，目錄； 3.各部分章節(jié)分配合理，插圖標準；字數(shù)不少于 9000 字；4.二號圖 紙1 張，計算機出圖，圖紙規(guī)范、標準； 課題進度 安排 第一周第三周：查找資料，了解對ac-dc 電源的特殊 求及有關指標； 第四周第七周：電路設計，主要元件參數(shù)計算和選擇； 第八周第十周：撰寫畢業(yè)論文，列出答辯提綱。 目目錄錄 摘 要.1 abstract.2 前 言.3 第一章 開關電源設計.7 1.1 開關電源電氣可靠性設計.7 1.2 電磁兼容

3、性(emc)設計.9 1.3 安全性設計.9 第二章 開關電源.10 2.1 自激串聯(lián)調寬式開關電源.10 2.2 串聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源.11 2.3 并聯(lián)開關穩(wěn)壓電源.12 2.4 他激并聯(lián)調寬式開關電源工作原理.17 2.5 目前抑制干擾的幾種措施.22 第三章 脈寬調制系統(tǒng)pwm.25 3.1 模擬電路.25 3.2 數(shù)字控制.26 3.3 硬件控制器.27 3.4 通信與控制.28 第四章 uc3842 芯片.29 4.1 uc3842 簡介.29 4.2 uc3842 的保護電路設計.31 4.3 uc3842 保護電路的缺陷.32 第五章 開關穩(wěn)壓電源常見故障及維修.37 5.1 開

4、關電源維修.37 5.2 故障實例.38 結束語.40 謝 辭.41 參考文獻.42 附 錄.43 摘摘 要要 電源是電子設備的心臟部分，其質量好壞直接影響著電子設備的可靠性能，而且 設備故障的百分之六十來之與電源。因此，電源越來越受到人們的重視?，F(xiàn)代電子產 品的使用的電源大致有開關穩(wěn)壓電源和線性穩(wěn)壓電源兩大類。所謂線性穩(wěn)壓電源，就 是其調整管工作在線性放大區(qū)，這種穩(wěn)壓電源的缺點是變換效率低，一般只有 35%- 60%；開關穩(wěn)壓電源的調整管工作在開關狀態(tài)，主要的優(yōu)越性就是變換效率高，可達 70%-95%。因此，目前空間技術、計算機、通信、雷達、電視及家用電器眾多采 用穩(wěn)壓電源。 開關穩(wěn)壓電源的

5、優(yōu)越性還表現(xiàn)在： 功耗小 由于開關管功率損耗小，因而不需要采用大散熱器。功耗小時的電 子設備內穩(wěn)升也低，周圍元件不會因為長期工作在高溫環(huán)境下而損壞，這就有利于 提高電子鏟平的可靠性和穩(wěn)定性。 穩(wěn)壓范圍寬 當開關穩(wěn)壓電源輸入的電流電壓在150250v 的范圍內變化時 都能達到很好的穩(wěn)壓，輸出電壓變化在2%以下。而且在輸入電壓發(fā)生變化始終能保 持穩(wěn)壓電路的高效率，因此開關穩(wěn)壓電源能適應于電網(wǎng)電壓波動比較大的地方。 體積小、重量輕 開關穩(wěn)壓電源可將電網(wǎng)輸入的交流電壓直接整流，再通過高 頻變壓器獲得各種不同交流電壓，這樣就可以免去笨重的工頻變壓器，從而節(jié)省了 大量的漆包線和硅鋼片，使電源體積減小，重量

6、減輕。 安全可靠 開關穩(wěn)壓電路一般都具有自動保護電路。當穩(wěn)壓電路、高壓電路、 戶在等出現(xiàn)故障或短路時，能自動切斷電源，起保護功能靈敏可靠。 關關鍵鍵詞詞： 開關電源優(yōu)越性 穩(wěn)定性 保護電路 abstract the power suppply is the heart part of the electronics equipments ,its quantity affects the credibility of the electronics equipments directly ,and 60% of breakdown of the equipment come from the

7、power supply , therefore ,the power supply is value by the peopie more and more .the so-called line is steady to press the power supply , be it adjusts the tube to woke the on-line enlarges the erea .therefore , currently space technique ,calculater , correspondence, radar, television and wen yas po

8、wer supply in the home appliance repiace. switching power supply superiority in performance: the consume small because the switch tube power exhaust small ,as a result do not need to adopt to spread the hot machine greatly. steady press the scope breadth when the switch is steady to press the cxchan

9、ges electric voltage of the power supply importantion within the scope of 150-250v variety, can attain good and steady press the result ,output the variety of the electric voltage beloe 2%. the physical volume is small ,the light switch is steady to press the exchang eselectric voltages that the pow

10、er supply can input charged barded wire net to commutate directly, then acquire various dissimilarity exchanges clectric voltage through a high transformer of ,can avoid the bulky work thansformer , thus saving a great deal of paint to wrap the line and the steel slices ,making the power supply phys

11、ical volume comtract , the weight eased. the safe and rependable switch iis stead to press the electric circuit to all have the automatic protection electric circuit generally. the switch is steady p have ress the key probiem of the power of supply is an electric circuit more complicated ,an electri

12、c voltage of the outputs ia higher. keywords： superiority of switching power supply stability protection circuit 前前 言言 隨著電力電子技術的高速發(fā)展 ,電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密 切,而電子設備都離不開可靠的電源 ,開關電源高頻化是其發(fā)展的方向 ,高頻化使開關 電源小型化,并使開關電源進入更廣泛的應用領域 ,特別是在高新技術領域的應用 ,推 動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié) 約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。 1 1 開

13、開關關電電源源的的分分類類 人們在開關電源技術領域是邊開發(fā)相關電力電子器件 ,邊開發(fā)開關變頻技術 ,兩 者相互促進推動著開關電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、 高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關電源可分為 ac/dc 和dc/dc 兩大類,dc/dc 變換器現(xiàn) 已實現(xiàn)模塊化,且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化 ,并已得到用戶的認 可,但ac/dc 的模塊化,因其自身的特性使得在模塊化的進程中 ,遇到較為復雜的技術 和工藝制造問題。以下分別對兩類開關電源的結構和特性作以闡述。 d dc c/ /d dc c 變變換換 dc/dc 變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電

14、壓 ,也稱為直流斬波。斬波 器的工作方式有兩種 ,一是脈寬調制方式ts 不變,改變ton(通用),二是頻率調制方式 , ton 不變,改變ts（易產生干擾）。其具體的電路由以下幾類： （1）buck 電路降壓斬波器,其輸出平均電壓u0 小于輸入電壓ui,極性相同。 （2）boost 電路升壓斬波器,其輸出平均電壓u0 大于輸入電壓ui,極性相同。 （3）buckboost 電路降壓或升壓斬波器 ,其輸出平均電壓u0 大于或小于輸入 電壓ui,極性相反,電感傳輸。 （4）cuk 電路降壓或升壓斬波器 ,其輸出平均電壓u0 大于或小于輸入電壓ui,極 性相反,電容傳輸。 a ac c/ /d dc

15、 c 變變換換 ac/dc 變換是將交流變換為直流 ,其功率流向可以是雙向的 ,功率流由電源流向負 載的稱為“整流”,功率流由負載返回電源的稱為 “有源逆變”。ac/dc 變換器輸入 為50/60hz 的交流電,因必須經(jīng)整流、濾波 ,因此體積相對較大的濾波電容器是必不 可少的,同時因遇到安全標準（如ul、ccee 等）及emc 指令的限制（如 iec、fcc、csa）,交流輸入側必須加emc 濾波及使用符合安全標準的元件 ,這樣就 限制ac/dc 電源體積的小型化 ,另外,由于內部的高頻、高壓、大電流開關動作 ,使得 解決emc 電磁兼容問題難度加大 ,也就對內部高密度安裝電路設計提出了很高的

16、要求 , 由于同樣的原因,高電壓、大電流開關使得電源工作損耗增大 ,限制了ac/dc 變換器模 塊化的進程,因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意 程度。 ac/dc 變換按電路的接線方式可分為 ,半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為 , 單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。 2 2 開開關關電電源源的的選選用用 開關電源在輸入抗干擾性能上 ,由于其自身電路結構的特點（多級串聯(lián)） ,一般的 輸入干擾如浪涌電壓很難通過 ,在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術指標上與線性電源相比具 有較大的優(yōu)勢,其輸出電壓穩(wěn)定度可達 (0.51）。開關電源模塊作為一

17、種電力電 子集成器件,在選用中應注意以下幾點： 輸輸出出電電流流的的選選擇擇 因開關電源工作效率高 ,一般可達到80以上,故在其輸出電流的選擇上 ,應準確 測量或計算用電設備的最大吸收電流 ,以使被選用的開關電源具有高的性能價格比 ,通 常輸出計算公式為： is=kif 式中：is開關電源的額定輸出電流 ; if用電設備的最大吸收電流 ; k裕量系數(shù),一般取1.51.8; 接接地地 開關電源比線性電源會產生更多的干擾 ,對共模干擾敏感的用電設備 ,應采取接 地和屏蔽措施,按ice1000、en61000、fcc 等emc 限制,開關電源均采取emc 電磁兼容 措施,因此開關電源一般應帶有emc

18、 電磁兼容濾波器。如利德華福技術的ha 系列開關 電源,將其fg 端子接大地或接用戶機殼 ,方能滿足上述電磁兼容的要求。 保保護護電電路路 開關電源在設計中必須具有過流、過熱、短路等保護功能 ,故在設計時應首選保 護功能齊備的開關電源模塊 ,并且其保護電路的技術參數(shù)應與用電設備的工作特性相 匹配,以避免損壞用電設備或開關電源。 3 3 開開關關電電源源技技術術的的發(fā)發(fā)展展動動向向 開關電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于 開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化 ,因此國外各大開關電源制造商都致力于同 步開發(fā)新型高智能化的元器件 ,特別是改善二次整流器件的損耗 ,并在功

19、率鐵氧體 （mnzn)材料上加大科技創(chuàng)新 ,以提高在高頻率和較大磁通密度（ bs)下獲得高的磁 性能,而電容器的小型化也是一項關鍵技術。 smt 技術的應用使得開關電源取得了長 足 的進展,在電路板兩面布置元器件 ,以確保開關電源的輕、小、薄。開關電源的高 頻化 就必然對傳統(tǒng)的pwm 開關技術進行創(chuàng)新 ,實現(xiàn)zvs、zcs 的軟開關技術已成為開關 電源 的主流技術,并大幅提高了開關電源的工作效率。對于高可靠性指標 ,美國的開關電源 生產商通過降低運行電流 ,降低結溫等措施以減少器件的應力 ,使得產品的可靠性大大 提高。 模塊化是開關電源發(fā)展的總體趨勢 ,可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng) ,

20、可 以設計成n1 冗余電源系統(tǒng),并實現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴展。針對開關電源運行噪聲 大這一缺點,若單獨追求高頻化其噪聲也必將隨著增大 ,而采用部分諧振轉換電路技術 ,在 理論上即可實現(xiàn)高頻化又可降低噪聲 ,但部分諧振轉換技術的實際應用仍存在著技術 問題,故仍需在這一領域開展大量的工作 ,以使得該項技術得以實用化。 第第一一章章 開開關關電電源源設設計計 電子產品，特別是軍用穩(wěn)壓電源的設計是一個 系統(tǒng)工程，不但要考慮電源本身 參數(shù)設計，還要考慮電氣設計、 電磁兼容設計、熱設計、安全性設計、三防設計等 方面。因為任何方面那怕是最微小的疏忽，都可能導致整個電源的崩潰，所以我們 應充分認識到電源產品可靠性

21、設計的重要性。 1.1 開開關關電電源源電電氣氣可可靠靠性性設設計計 1 1. .1 1. .1 1 供供電電方方式式的的選選擇擇 集中式供電系統(tǒng)各輸出之間的偏差以及由于傳輸距離的不同而造成的壓差降低 了供電質量，而且應用單臺電源供電，當電源發(fā)生故障時可能導致系統(tǒng)癱瘓。分布 式供電系統(tǒng)因供電單元靠近負載，改善了動態(tài)響應特性，供電質量好，傳輸損耗小， 效率高，節(jié)約能源，可靠性高，容易組成 n1 冗余供電系統(tǒng)，擴展功率也相對比較 容易。所以采用分布式供電系統(tǒng)可以滿足高可靠性 設備的要求。 1 1. .1 1. .2 2 電電路路拓拓撲撲的的選選擇擇 開關電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激

22、式、雙單端正激式、雙 正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓撲。單端正激式、單端反激式、雙單端正激 式、推挽式的開關管的承壓在兩倍輸入 電壓以上，如果按60降額使用，則使開關 管不易選型。在推挽和全橋拓撲 中可能出現(xiàn)單向偏磁飽和，使開關管損壞，而半橋 電路因為具有自動抗不平衡能力，所以就不會出現(xiàn)這個問題。雙管正激式和半橋電 路開關管的承壓僅為電源的最大輸入電壓，即使按 60降額使用，選用開關管也比 較容易。在高可靠性工程上一般選用這兩類電路拓撲。 1 1. .1 1. .3 3 控控制制策策略略的的選選擇擇 在中小功率的電源中，電流型pwm 控制是大量采用的方法，它較電壓控制型有 如下優(yōu)點：逐周期

23、電流限制，比電壓型控制更快，不會因過流而使開關管損壞，大 大減小過載與短路的保護；優(yōu)良的電網(wǎng)電壓調整率；迅捷的瞬態(tài)響應；環(huán)路穩(wěn)定，易 補償；紋波比電壓控制型小得多。 生產實踐表明電流控制型的50w 開關電源的輸出紋 波在25mv 左右，遠優(yōu)于電壓控制型。 硬開關技術因開關損耗的限制，開關頻率一般在 350khz 以下，軟開關技術是應用諧 振原理，使開關器件在零電壓或零電流狀態(tài)下通斷，實現(xiàn)開關損耗為零，從而可將 開關頻率提高到兆 赫級水平，這種應用軟開關技術的變換器綜合了 pwm 變換器和諧振變換器兩者的優(yōu)點， 接近理想的特性，如低開關損耗、恒頻控制、合適的儲能 元件尺寸、較寬的控制范圍 及負載

24、范圍，但是此項技術主要應用于大功率電源，中小功率電源中仍以 pwm 技術為 主。 1 1. .1 1. .4 4 元元器器件件的的選選用用 （1)制造質量問題 （2)元器件可靠性問題 電阻在室溫下按技術條件進行100測試，剔除不合格品。 普通電容器在室溫下按技術條件進行100測試，剔除不合格品。 接插件按技術條件抽樣檢測各種參數(shù)。 （3)設計問題 盡量選用硅半導體器件，少用或不用鍺半導體器件。 多采用集成電路，減少分立器件的數(shù)目。 開關管選用mosfet 能簡化驅動電路，減少損耗。 輸出整流管盡量采用具有軟恢復特性的二極管。 應選擇金屬封裝、陶瓷封裝、 玻璃封裝的器件。禁止選用 塑料封裝的器件

25、。 集成電路必須是一類品或者是符合milm38510、mils19500 標準b1 以上質量等級的軍品。 設計時盡量少用繼 電器，確有必要時應選用接觸良好的密封繼電器。 原則上不選用電位器，必須保留的應進行固封處理。 吸收電容器與開關管和輸出整流管的距離應當很近，因流過高頻電流，故易 升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。 （4)損耗問題 損耗引起的元器件失效取決于工作時間的長短，與工作應力無關。鋁電解電容 長期在高頻下工作會使電解液逐漸損失，同時容量亦同步下降，當電解液損失 40時， 容量下降20；電解液損失0時，容量下降40，此時電容器芯子已基本干涸， 不能再予使用。為防止

26、發(fā)生故障，一般情況下應在圖紙上標明鋁電解電容器更換的 時間，到期強迫更換。 1 1. .1 1. .5 5 保保護護電電路路的的設設置置 為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，應設置多種保護電路，如防浪涌沖 擊、 過壓、欠壓、過載、短路、過熱等保護電路。 1.2 電電磁磁兼兼容容性性(emc)設設計計 開關電源因采用脈沖寬度調制 (pwm)技術，其脈沖波形呈矩形，上升沿與下降沿 均包含大量的諧波成分，另外輸出整流管的反向恢復也會產生電磁干擾 (emi)，這是 影響可靠性的不利因素，因而使電磁兼容性成為系統(tǒng)的重要問題。 產生電磁干擾有三個必要條件：干擾源、傳輸介質、敏感的接收單元， emc 設計

27、 就是破壞這三個條件中的一個。 良好的布局和布線技術也是控制噪聲的一個重要手段。為減少噪聲的發(fā)生和防 止由噪聲導致的誤動作，應注意以下幾點： 盡量縮小由高頻脈沖電流所包圍的面積。 緩沖電路盡量貼近開關管和輸出整流二極管。 脈沖電流流過的區(qū)域遠離輸入輸出 端子，使噪聲源和出口分離。 控制電路和功率電路分開，采用單點接地方式，大面積接地容易 引起天線作用，所以建議不要采用大面積接地方式。 必要時可以將輸出濾波電感安置在地回路上。 采用多只低esr（等效串聯(lián)電阻）的電容并聯(lián)濾波。 采用銅箔進行低感低阻配線。 相鄰印制線之間不應有過長的平行線，走線盡量避免平行，采用 垂直交叉方式，線寬不要突變，也不要

28、突然拐角。禁止環(huán)形走線。 濾波器的輸入和輸出線必須分開。禁止將開關電源的輸入線和輸 出線捆扎在一起。 1.3 安安全全性性設設計計 對于電源而言，安全性歷來被確定為最重要的性能之一，不安全的產品不但不 能完成規(guī)定的功能，而且還有可能發(fā)生嚴重事故，造成機毀人亡的巨大損失。為保證 產品具有相當高的安全性，必須進行安全性設計。電源產品安全性設計的內容主要是 防止觸電和燒傷。 三三防防設設計計 三防設計是指防潮設計、防鹽霧設計和防霉菌設計。 第第二二章章 開開關關電電源源 2.1 自自激激串串聯(lián)聯(lián)調調寬寬式式開開關關電電源源 自激串聯(lián)調寬式開關電源主要由脈沖變壓器，開關管、 rc 定時電路和啟動 電路

29、等組成。如圖所示。 t1 為脈沖變壓器，c1 為濾波電容，vd1 為續(xù)流二極管。 該開關電源的脈沖變壓器t1 串聯(lián)在電源輸入電壓u 與主負載電壓+b 電路之中， 同時取樣電壓直接取自負載兩端，開關管串接在輸入電路和輸出電路之間。 當脈沖調寬電路輸出正脈沖時， v1 飽和導通，輸入電壓u 經(jīng)v1、t1 給負載rl 供電，同時對c1 充電。在v1 導通時，整流后的直流電流向轉換磁能的變壓器供電， 將轉換的磁能儲存在變壓器中。 當脈沖調寬電路輸出的正脈沖消失之后， v1 截止，u1 不能加到t1 上，此時t1 產生的電動勢維持它不變，釋放儲存的磁能，轉變?yōu)殡娏髁鬟^ rl，通過續(xù)流二極管 vd1 構成

30、回路。 從取樣、比較放大和基準電壓電路取出一個反映出 +b 電壓大小的控制電壓，加 到脈寬電路，用來控制脈沖寬度。當 +b 電壓增高時，使脈沖變窄， v1 導通時間縮短， +b 電壓降低，當+b 電壓減小時使脈沖變寬， v1 導通時間增長，+b 電壓增大，從而 達到輸出穩(wěn)定的+b 電壓的目的。 脈沖調寬 行逆程脈沖 取樣 電路 基準電壓 v vd1 t1 c1 +b ui 圖2-1 自激串聯(lián)調寬式開關電源結構圖 2.2 串串聯(lián)聯(lián)型型開開關關穩(wěn)穩(wěn)壓壓電電源源 2.2.1 基基本本調調整整管管電電路路 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，負載電流最大變化范圍等于穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流和 最小穩(wěn)定電流之差，即（ izm-

31、iz）。 擴大負載電流的最簡單方法是：利用晶體管的電流放大作用，將穩(wěn)壓管 穩(wěn)定電路的輸出電流放大后，再作為負載電流。電路采用射極輸出形式，因 而引入了電壓負反饋，可以穩(wěn)定輸出電壓。 調整管：晶體管的調節(jié)作用使uo穩(wěn)定，晶體管稱為調整管。要使調整管起到調 整作用，必須使它工作在放大狀態(tài)。 串聯(lián)穩(wěn)壓電源：由于調整管與負載相串聯(lián)，故稱這類電路為串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。 線性穩(wěn)壓電源：由于調整管工作在線性區(qū)，故稱這類電路為線性穩(wěn)壓電源。 2.2.2 具具有有放放大大環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的串串聯(lián)聯(lián)穩(wěn)穩(wěn)壓壓電電路路 1 電路構成 基本調整管穩(wěn)壓電路的輸出電壓不可調，且輸出電壓因 ube的變化而變，穩(wěn)定性 較差。為了使輸出電

32、壓可調，加深電壓負反饋，可在基本調整管穩(wěn)壓電路的基礎上 引入放大環(huán)節(jié)。 電路由調整管、基準電壓電路、取樣電路和比較放大電路組成。 2 穩(wěn)壓原理 電網(wǎng)電壓波動（或負載電阻的變化）使輸出電壓 uo上升時，取樣電壓un增大， 由于穩(wěn)壓管的電壓uz不變，運放的輸入電壓unp(=un-up=un-uz)增大，使a 的輸出 減?。凑{整管的基極電位降低），而使調整管 t 的c-e 壓降低增大，從而調節(jié)輸出 電壓uo（=ui-uce）減小。使輸出電壓得到穩(wěn)定。 可見，電路是靠引入深度電壓負反饋來穩(wěn)定輸出電壓。 3 輸出電壓的可調范圍 當電位器r2的滑動端在最上端時，輸出電壓最小為 （2.-1 ） 當電位器r

33、2的滑動端在最下端時，輸出電壓最大為 （2- 2） 若r1=r2=r3=300，uz=6v，則輸出電壓9vuo18v。 4調整管的選擇 在串聯(lián)型穩(wěn)壓電路中，調整管是核心元件，它的安全工作是電路正常工作的保 證。調整管一般為大功率管，因而選用原則與功率放大電路中的功放管相同，主要 考慮其極限參數(shù)icm、u（br）ceo和pcm 1) icm的選取 調整管中流過的最大集電極電流為 icmax=ilmax+i r1 (2-3) 其中ilmax為負載電流最大額定值， ir1為取樣、比較放大和基準環(huán)節(jié)所消耗的電 流，通常r1上的電流可忽略，所以 icmilmax ( 2-4) 2)擊穿電壓的選取 當電網(wǎng)

34、電壓波動10%時，穩(wěn)壓電路輸入電壓ui到最大值uimax，同時輸出電壓 又最低時，調整管承受的管壓降最大，所以要求調整管擊穿電壓為 u（br）ceo uimax -uomin (2-5) 3)功率pcm的選取 調整管可能承受的最大集電極功耗為 pcmax=ucemax icmax=（uimax -uomin）icmax (2-6) uimax是考慮到電網(wǎng)電壓波動 10%時，穩(wěn)壓電路輸入電壓的最大值， uomin是輸 出電壓的最小額定值。所以要求pcm (uimax -uomin)ilmax 2.2.3 串串聯(lián)聯(lián)型型穩(wěn)穩(wěn)壓壓電電路路的的方方框框圖圖 根據(jù)分析，實用的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源至少包含調整管、

35、基準電壓電路、取樣電路 和比放大電路四個部分。 調整管 保護 電路取 樣 電 路 比較放大 器 基準電壓 電路 u1 u2 2.3 并并聯(lián)聯(lián)開開關關穩(wěn)穩(wěn)壓壓電電源源 2.3.1 自自激激并并聯(lián)聯(lián)調調頻頻式式開開關關電電源源工工作作原原理理 激并聯(lián)調頻式開關電源電路如圖所示。 v1、v2 構成脈沖調制電路，脈沖變壓 器t 的1 端產生感應電動勢加到r2、c1、r4 組成的積分電路，將圖中正極性矩形 脈沖變成尖頂向下的尖頂脈沖，到v1 的基極，經(jīng)v1 放大后，從其集電極輸出尖頂 脈沖向上的脈沖，再加到v1 的基極，從發(fā)射極輸出。由于發(fā)射極的射隨作用， v2 發(fā) 射極也輸出同v1 集電極相同的脈沖波

36、形，該脈沖信號加到開關管的基極，當尖峰 脈沖出現(xiàn)時，開關管導通，當尖峰脈沖消失時，開關管截止，因此，自激并聯(lián)調頻 式開關電源的電壓輸出大小也是由開關管導通時間的長短開決定的，而開關管導通 時間的長短有時又尖峰脈沖出現(xiàn)的頻率來決定。故稱作調頻式開關電源。 開關管 v2 t c2 r1 r2 c2 r4 r3 v1 圖2-5 自激并聯(lián)調寬式開關電源工作原理 自激并聯(lián)調寬式開關電源時目前電視機中應用最多的一種電源，其電路 如圖所示，它時通過在開關電源的輸入電路與負載電路之間串人脈沖變壓器，將 開關管串聯(lián)在脈沖變壓器的二次側，利用逆程脈沖觸發(fā)開關管的基極或柵極，使開關 管的周期斌率不變，通過取樣信號來

37、調制開關管的導通和截止時間。 脈沖調寬 取樣電路 比較放大 其準電壓 行逆程脈沖 t1 vt1 ui c1 rl 圖2-6.自激并聯(lián)調寬式開關電源結構結構圖 圖中v1 為開關管，t1 為脈沖變壓器，c1 為濾波電容，vd1 為續(xù)流二極管。rl 為負載，由于該電路沒有專門設置振蕩器，而是由開關管與脈沖變壓器自身構成一 個自激振蕩器，產生開關管導通電壓，開關管工作后，行掃描電路啟動工作，產生 行逆程脈沖，由行逆程脈沖觸發(fā)開關管，使開關管導通和截止。 該電源采用調寬方式來調制開關管的導通和截止時間，即保持開關管導通和截 止一個周期的總時間不變，而通過調寬電路改變脈沖的寬度，來改變開關管的導通 和截止

38、時間，當開關管導通時，由濾波電容向負載供電。當開關管截止時，由脈沖 變壓器儲存的磁能向主濾波電容和負載供電。 從圖中可以看出，電源中的開關管與脈沖變壓器并聯(lián)在輸入電路與負載電路之 間，其取樣電壓來自負載兩端，通過取樣電路，從負載電路電壓中取出一個反映輸 出電壓+b 變化規(guī)律的控制電壓，加到脈沖調寬電路。對開關管在一個周期內的導通 和截止時間經(jīng)行調制，通過改變開關管的導通和截止時間，從而使脈沖變壓器二次 輸出穩(wěn)定的交流電壓 . 2.3.2 自自激激并并聯(lián)聯(lián)多多路路控控制制式式開開關關電電源源工工作作原原理理 自激并聯(lián)多路控制式開關電源時目前使用比較廣泛且有一定的代表的典型電 路之一。該類開關電源

39、是一種由分立元件組成的多環(huán)路控制自激 并聯(lián)開關電源。它在傳統(tǒng)開關電源的基礎上進行了技術改進，擴展了使用功能， 可輸入90280v 交流電壓，輸出127396v 的大范圍直流電壓。 該開關電源在傳統(tǒng)開關電源基礎上的主要技術改進有以下兩點： （1）將傳統(tǒng)開關電源中的一路自激振蕩系統(tǒng)擴展為二路正反饋電路的自激振 蕩系統(tǒng)。由于采用基極定時的振蕩電路利用反饋電壓對定時電容充電的電流，限制 了維持飽和導通的開關穩(wěn)壓電源電路的穩(wěn)壓范圍只能在 180240v 內變化，因此在電 壓低于150v 時，整流后的直流電壓僅為175v 左右，其反饋繞組產生的感應電動勢 也會降低，在這種情況下，采用調整壓控電阻器來增大充

40、電阻值，延長充電時間常數(shù)， 增加開關管導通時間，提高占空比，從理論上講可以使輸出電壓不變。但實際上，維 持開關管飽和導通的充電電流會使感應電動勢降低，充電阻值增加而減小，導致開 關管出現(xiàn)欠飽和導通狀態(tài)，難以維持輸出電壓的穩(wěn)定。 8 vs1 v1 t v2 r c 7 9 圖2-7 自激振蕩系統(tǒng) 擴展為二路正反饋電路的自激振蕩系統(tǒng)如圖 2-12 所示，其電路工作原理是：脈 沖變壓器t 正反饋 79 繞組輸出的反饋脈沖電壓分成兩路，第一路反饋到大功率開 關管v1 的b 極，此路為正反饋， v1 的導通時間較短，在電壓的上限280 v 時，v1 不會產生過激。第二路經(jīng)r 反饋到v2 的b 極。當電壓

41、過低時變壓器的9 端輸出的反 饋脈沖電壓幅度也較低，穩(wěn)壓管vs 截止v2 處以正常放大狀態(tài)，使開關管v1 有足夠 的激勵脈沖。當電壓升高時， t 的9 腳輸出的反饋脈沖電壓幅度升高，當電壓大于 7.5 v（峰-峰值）時，穩(wěn)壓二極管vs 將其鉗位在7.5 v，使正反饋電流不再隨電壓升高 而不超過峰-峰值7.5v,構成“恒流驅動”電路。 （2）將單一的脈寬控制擴展為pwm 主控制環(huán)路和副脈寬控制環(huán)路的多環(huán)路控 制系統(tǒng)。由于普通開關電源采用一路取樣，一般是對負載 -行電路經(jīng)行取樣，反饋后， 實現(xiàn)對開關管的通斷經(jīng)行控制，假若該部分電路出現(xiàn)故障了，導致開關管失控，輸 出電壓就不會穩(wěn)定。而多路控制式開關電

42、源一方面采用 pwm 主控制環(huán)路對負載電壓 經(jīng)行控制，另一方面采用副脈寬控制環(huán)路對波動較大的副電壓經(jīng)行取樣，并對副電 壓經(jīng)行調制，它實際上又構成了開關電源的另一路穩(wěn)壓電源系統(tǒng)。由于 pwm 主控制 環(huán)路和副脈寬控制環(huán)路同時控制開關電源的輸出電壓。當電壓發(fā)生變化引起部分輸 出電壓不正常時，只要兩路控制環(huán)路不是同時損壞，開關電源仍能正常工作，使輸 出電壓保持穩(wěn)定。 2 2. .3 3. .3 3 并并聯(lián)聯(lián)型型開開關關電電源源原原理理及及電電路路圖圖 圖k-3 是并聯(lián)型開關電源的最基本電路圖 ,q 為開關輸出管,t 為脈沖變壓器,d 為整流二極管,c 是濾波電容,r 為負載電阻,因開關管q 與輸入直

43、流電壓e1 并接,所以 屬并聯(lián)型開關電路 , 圖2-8 并聯(lián)型開關電路 脈沖變壓器耦合開關電路有正向激勵和反向激勵兩種形式 ,正向激勵方式- 開關管導通期間,次級脈沖整流二極管也導通 ,而在截止期間,開關管q 與二極管d 都 截止. 反向激勵方式-開關管導通期間d 截止,而q 截止期間d 導通 該電路的工作過程與行輸出電路類似 ,開關脈沖信號加至晶體管q 的基極,當輸入 脈沖為正時,q 飽和,此時初級線圈上的電壓特性為上正下負 ,次級感應電壓則是上負 下正,d 反偏截止, 當q 基極輸入負脈沖時 ,晶體管q 截止,q 的集電極電位上升為高電平 ,此時t 的次 級感應電壓是上正下負 ,d 正向偏

44、置而導通,電容c 充電,取得直流輸出電壓e0,t 在這 里可看作儲能元件 ,當開關晶體管q 導通,但二極管d 截止時,初級線圈儲存能量 ,當q 截止時,t 則釋放能量,此時二極管d 導通. 這里我們需要說明一個問題 ,當q 截止時,t 的初級電流躍變?yōu)榱?,并失去回路,次 級如何有電壓輸出 ?線圈的電流不是不能躍變的嗎 ?這一問題我們可從能量不能躍 變 這一概念來理解,因電感中的能量是以磁能形成存在的 ,一般的電感只有一個繞組 ,而 脈沖變壓器有初,次級兩個繞組,在開關晶體管q 從導通變?yōu)榻刂箷r的瞬間 ,初級線圈 電流突變?yōu)榱?而t 便將能量轉移到次級 ,這時二極管導通,次級線圈有感應電流產生

45、 , 感應電流所產生的磁通與轉換瞬間前的相同 ,而保持磁通量不變 .輸出電壓e2 有以下 關系式: e2=e12/1tc/t0,2 和1 是初次級匝數(shù),tc 是晶體管導通時間 ,to 是 截止時間.為此我們可以通過控制tc/to 比使來調輸出電壓e2 的高低. 下面我們以電路實例來對此種電路加以分析說明 ,圖k-4 是一種彩電的實際開關 電源電路. 電路工作過程如下 :開機后,整流濾波電路建立的直流電壓e1 經(jīng)電阻上r302 加至 q304 基極,隨之使q304 導通,產生集電極電流,該電流在初級繞組產生感應電壓 ,極性 是8 腳正,1 腳負,在次級繞組9-10 腳形成感應電壓使q304 基極

46、電位更正,從而使集電 極電流上升,這是一個正反饋過程使q304 通過進入飽和導通 ,這一線性上升的電流 ,流 過q304 發(fā)射極電阻r313 產生相應的線性上升鋸齒波電壓降 ,此壓降經(jīng)r312 及電容 c310(隔直電容)耦合至q303 基極,與此同時變壓器11-12 腳的繞組輸出的方波脈沖經(jīng) d306 整流,c312 濾波建立了一取樣電壓en 經(jīng)r304,vr301,r305 分壓加至q301 基極, 使 q301 集電極上保持與其有關的直流電壓 ,再經(jīng)r30 準,r309 分壓加至q302 基極,因 此q302 基極加有一直流電壓并疊加上鋸齒波電壓 ,q302,q303 是開關頻率控制電路

47、 ,它 工作在兩個狀態(tài),一是一齊導通,二是一齊截止,在q304 截止期間,t301 的10-9 腳繞組 感應得到的方波脈沖電壓是10 腳為正,此電壓經(jīng)d307 整流在c314 上充有電荷.在 q304 導通期間在r313 上的鋸齒波電壓使 q303 導通后,c314 上的電壓加到q304 的基 極與發(fā)射極之間,使q 304 趨向截止,q304 截止后導通期間脈沖變壓器所儲存的能量 通過次級繞組開始釋放 ,經(jīng)變壓器耦合使 d320 導通,c321 濾波輸出獲得穩(wěn)定的直流輸 出電壓.當次級繞組能量釋放至很小時 ,初次級電路均不導通 ,電路處在高阻狀態(tài) ,初級 繞組電感與分布電容c 組成的并聯(lián)諧振電

48、路產生諧振 ,諧振所產生的感應電壓經(jīng)脈沖 變壓器的反饋繞組 (10-9 腳)又使q304 基極有正電位而導通 ,從而進入飽和導通狀態(tài) , 開關電路進入下一個新的振蕩周期 . 2.4.他他激激并并聯(lián)聯(lián)調調寬寬式式開開關關電電源源工工作作原原理理 2.4.1 他他激激并并聯(lián)聯(lián)調調寬寬式式開開關關電電源源結結構構 他激并聯(lián)調寬式開關電源結構如下圖所示，由集成塊與開關管、脈沖變壓器及 有關阻容元件構成。利用檢測電路與邏輯運算電路相結合，根據(jù)負載的需要形成驅 動脈沖，以補充電能的方法來調整控制脈沖的寬度。 他激并聯(lián)調寬式開關電源的振蕩器有獨立的電源供電，產生的開關脈沖經(jīng)脈寬 調制電路控制放大后去驅動開關

49、管。同時各種保護電路也對振蕩器或脈寬調制器進 行控制，電源中的振蕩器和控制系統(tǒng)由外設的小電流穩(wěn)壓器供電，電源電壓的變化 只改變開關管的開關電壓，對其余的電路的工作均無影響。 保護 振蕩器pwm 線路濾波 器 功率放大脈沖放大 整流輸出隔離 圖2-9 他激并聯(lián)調寬式開關電源結構圖 他激并聯(lián)調寬式開關電源與自激并聯(lián)調寬式開關電源的本質區(qū)別是啟動方式不 同。自激并聯(lián)調寬式開關電源是利用本身的開關管、脈沖變壓器及相關的阻容元件 構成的振蕩電路產生開關管的導通電壓；他激并聯(lián)調寬式開關電源是在電路中另設 一個振蕩器來產生開關管的導通電壓。 由于他激并聯(lián)調寬式開關電源采用集成電路且另設振蕩器，因此其電路復雜

50、， 目前還沒有得到廣泛的應用。 6.橋式開關電源工作原理 橋式開關電源的結構如同橋式整流電路一樣，及采用四只開關管與脈沖變壓器 及充電電容連接而成。各開關管在不同時序的激勵脈沖調制下輪流導通和截止，不 斷改變脈沖變壓器的電流方向，從而將脈沖直流電壓變成穩(wěn)定交流電壓 2.4.2 零零開開關關準準諧諧振振式式開開關關電電源源工工作作原原理理 零開關準諧振式開關電源是一種新型的開關電源。與傳統(tǒng)開關電源不 同的是：傳統(tǒng)開關電源的脈沖寬度是直接加到開關管的基極，用脈沖寬度來控 制開關管的導通與截止，而零開關準諧振式開關電源是通過采用頻率控制技術改變 諧振電路輸出電壓的方式控制開關管的導通和截止。即由脈沖

51、變壓器和串聯(lián)在變壓 器一次側的電容組成回路，諧振頻率不等于開關脈沖頻率，當諧振電流過零時開關 管即被截止。由于是將脈沖寬度直接反饋給諧振回路，使之產生準正玄波，它比傳 統(tǒng)的脈寬調節(jié)中的諧波含量明顯減?。煌瑫r用諧波電流來控制開關管的截止和導通， 使開關管的截止更加徹底有效地提高了開關電源的穩(wěn)定性。 零開關準諧振式開關電源已經(jīng)在背投彩電中應用，該開關電源的應用前景較 為廣泛。 1.單相橋式整流電路 單相橋式式整流電路適用與1kw 以下的整流電路中。 完成這一電路主要是靠二極 管的單向導電作用，因此二極管是構成整流電路的關鍵元件。 （a）橋式整流電路 （b）波形圖 圖2-10 單相橋式整流電路 a)

52、 工作原理 單相橋式整流電路是最基本的將交流轉換為直流的電路，因為是由四只整 流二極管d1d4 接成電橋的形式，所以稱為橋式整流電路。如圖 1（a）所示。 為了更清楚的解釋其工作原理，我將橋式整流電路的輸出直接接一個負載。在 分析整流電路工作原理時，整流電路中的二極管是作為開關運用，具有單向導電性。 根據(jù)圖1（a）的電路圖可知： 當正半周時，二極管d1、d3導通，在負載電阻上得到正弦波 的正半周。電流由tr 次級上端經(jīng)d1 rl d3 回到tr 次級下 端，在負載rl 上得到一半波整流電壓。 如圖4 當負半周時，二極管d2、d4導通，在負載電阻上得到正弦波的負半周。 電流由 tr 次級的下端經(jīng)

53、d2 rl d4 在負載電阻上正、負半周經(jīng)過合成，得到的是同一 個方向的單向脈動電壓。單相橋式整流電路的波形圖見圖 1（b）。 參數(shù)計算 根據(jù)圖1（b）可知，輸出電壓是單相脈動電壓，通常用它的平均值與直流電壓 等效。輸出平均電壓為 : （2-7） 流過負載的平均電流為 : （2-8） 流過二極管的平均電流為 : （2-9） 二極管所承受的最大反向電壓 （2-10） 二級管的選擇應主要考慮以上兩個因素。在這次設計中，我選用的是二級管 in4004。 2 電容濾波電路 濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現(xiàn)濾波。電容器c對直流開 路，對交流阻抗小，所以c應該并聯(lián)在負載兩端。經(jīng)過濾波電路后

54、，既可保留直流 分量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系 數(shù)，改善了直流電壓的質量。 (a) 電容濾波電路結構 現(xiàn)結合單相橋式整流和電容濾波電路為例來說明。電容濾波電路如圖 2 所示，在 負載電阻上并聯(lián)了一個濾波電容c。 圖2-11 電容濾波電路 (b) 濾波原理 若v2處于正半周，二極管d1、d3導通，變壓器次端電壓v2給電容器c充電。此 時c相當于并聯(lián)在v2上，所以輸出波形同v2 ，是正弦波。 當v2到達t=/2 時，開始下降。先假設二極管關斷，電容c就要以指數(shù)規(guī)律向 負載l放電。指數(shù)放電起始點的放電速率很大。在剛過t=/2 時，正弦曲線下降的 速率很慢。所

55、以剛過t=/2 時二極管仍然導通。在超過t=/2 后的某個點，正弦曲 線下降的速率越來越快，當剛超過指數(shù)曲線起始放電速率時，二極管關斷。所以在t2 到t3時刻，二極管導電，充電，vi=vo按正弦規(guī)律變化；t1到t2時刻二極管關斷， vi=vo按指數(shù)曲線下降，放電時間常數(shù)為rlc。電容濾波過程見圖3。 圖2-12 電容濾波電路波形 (c) 外特性 整流濾波電路中，輸出直流電壓vo隨負載電流io的變化關系曲線如圖4 所示。 圖2-13 電容濾波外特性曲線 (d) 電容濾波電路參數(shù)的計算 負載平均電壓vl升高，紋波減少，且rlc 越大，電容放電速率越慢，則負載電 壓中的紋波成分越小，負載平均電壓越高

56、。為了得到平滑的負載電壓，一般?。?（ 2-11） 在本設計中，我采用ad250v 的100f 電容。 電容濾波電路的計算比較麻煩，因為決定輸出電壓的因素較多。一般常采用以 下近似估算法： rlc =（35） 的條件下，近似認為vo=1.2v2。 2.5 目目前前抑抑制制干干擾擾的的幾幾種種措措施施 形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備。因而 ,抑制電磁干擾也 應該從這三方面著手。首先應該抑制干擾源 ,直接消除干擾原因 ;其次是消除干擾源和 受擾設備之間的耦合和輻射 ,切斷電磁干擾的傳播途徑（見圖2）;第三是提高受擾設 備的抗擾能力,減低其對噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本

57、上都是用切斷 電磁干擾源和受擾設備之間的耦合通道，它們確是行之有效的辦法。常用的方法是屏 蔽、接地和濾波。 采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾。例如 ,功率開關管和輸 出二極管通常有較大的功率損耗 ,為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底 板上。器件安裝時需要導熱性能好的絕緣片進行絕緣 ,這就使器件與底板和散熱器之 間產生了分布電容 ,開關電源的底板是交流電源的地線 ,因而通過器件與底板之間的分 布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產生共模干擾 ,解決這個問題的辦法是采用兩層 絕緣片之間夾一層屏蔽片 ,并把屏蔽片接到直流地上 ,割斷了射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播 的途徑。為了抑制開關

58、電源產生的輻射 ,電磁干擾對其他電子設備的影響 ,可完全按照 對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩 ,然后將整個屏蔽罩與系統(tǒng)的機殼和地連接為一體 ,就 能對電磁場進行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。 例如,靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場的干擾 ;電磁屏蔽用的導體原則上可以不接地 ,但 不接地的屏蔽導體時常增強靜電耦合而產生所謂 “負靜電屏蔽”效應,所以仍以接地 為好,這樣使電磁屏蔽能同時發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點與大地相連,可 為信號回路提供穩(wěn)定的參考電位。因此 ,系統(tǒng)中的安全保護地線、屏蔽接地線和公共 參考地線各自形成接地母線后 ,最終都與大地相連 . 在電路系統(tǒng)

59、設計中應遵循 “一點接地”的原則,如果形成多點接地 ,會出現(xiàn)閉合 的接地環(huán)路,當磁力線穿過該回路時將產生磁感應噪聲 ,實際上很難實現(xiàn)“一點接地”。 因此,為降低接地阻抗,消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地 ,利用一個導電 平面(底板或多層印制板電路的導電平面層等 )作為參考地,需要接地的各部分就近接 到該參考地上。為進一步減小接地回路的壓降 ,可用旁路電容減少返回電流的幅值。 在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中 ,應分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單 獨連接后,再連接到公共參考點上。 濾波是抑制傳導干擾的一種很好的辦法。例如 ,在電源輸入端接上濾波器 ,可以 抑制開關電源產生并向電網(wǎng)反

60、饋的干擾 ,也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵 害。在濾波電路中 ,還采用很多專用的濾波元件 ,如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體 磁環(huán),它們能夠改善電路的濾波特性。恰當?shù)卦O計或選擇濾波器 ,并正確地安裝和使用 濾波器,是抗干擾技術的重要組成部分。 圖2-14 emi 濾波器 圖2-15 emi 濾波器接入前后電路 emi 濾波技術是一種抑制尖脈沖干擾的有效措施 ,可以濾除多種原因產生的傳導 干擾。圖3 是一種由電容、電感組成的emi 濾波器,接在開關電源的輸入端。電路中 , c1、c5 是高頻旁路電容,用于濾除兩輸入電源線間的差模干擾 ;l1 與c2、c4;l2 與 c3、c4 組成共模干