開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1、基于555定時(shí)器的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)design of the switching power supplybased on 555-timer王秀霞 孫明霞 張健毅 楊濟(jì)民 xiu-xia wang , ming-xia sun, jian-yi zhang, ji-min yang摘要 本開關(guān)電源是用555定時(shí)器等組成的脈寬調(diào)整電路構(gòu)成穩(wěn)壓源。主要介紹了開關(guān)電源的主要組成部分的原理圖及設(shè)計(jì)、555定時(shí)器及有其組成的脈寬調(diào)整電路和功率mosfet管。此電源電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗小，控制線性好，穩(wěn)壓范圍寬，能實(shí)現(xiàn)較好的控制，輸出電壓在（320）v連續(xù)可調(diào)，電流05a。關(guān)鍵詞 開關(guān)電源、dc-dc電源變

2、換器、pwm、555定時(shí)器、功率mosfet1、引言 隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源，進(jìn)入80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)控制功率開關(guān)管（mosfet ,igbt）開通和關(guān)斷的時(shí)間比率來穩(wěn)定輸出電壓的一種新型穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng)，但二者增長(zhǎng)速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)

3、展空間。當(dāng)今市場(chǎng)上的開關(guān)電源琳瑯滿目，有分離的，也有單片的，等等，但大都存在電路復(fù)雜，功耗大，靈敏度差，控制范圍窄，不能實(shí)現(xiàn)很好的控制等缺點(diǎn)。用555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗小，控制線性好，穩(wěn)壓范圍寬，能實(shí)現(xiàn)較好的控制等優(yōu)點(diǎn)。2、 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 開關(guān)電源主要有以下幾部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。dc-dc變換器濾波取樣pwm控制器開關(guān)管整流、濾波輸入濾波 器 圖1：開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖市電經(jīng)整流濾波和功率因數(shù)校正后得到高壓直流電，然后通過dc/dc變換電路將直流電變?yōu)樗枰闹绷麟妷?，控制回路從輸出端取樣并與設(shè)定基準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變功率開關(guān)管的導(dǎo)通頻率或?qū)?截止

4、時(shí)間進(jìn)行輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)檢測(cè)電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，利用控制電路對(duì)整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)控制。一、主電路· 從交流電網(wǎng)輸入、直流輸出的全過程，包括：（一）、輸入濾波器：其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時(shí)也阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。其主要原理圖如圖2所示。 圖2：輸入濾波器原理圖（二）、整流與濾波：電路大都采用橋式整流加電容濾波電路，將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級(jí)變換。（三）、dc-dc電源變換器：其作用是將一種直流電壓變換成另外一種或幾種直流電壓。dc-dc電源變換器主要有13種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)采用降壓式變換器（buck converter）其電

5、原理圖和工作過程如下：（1） 電原理圖它由開關(guān)管q、儲(chǔ)能電感l(wèi)、續(xù)流二極管vd所組成。圖4：buck型dc-dc變換器原理圖（2）工作過程：當(dāng)開關(guān)管q導(dǎo)通時(shí)，ui向v0供電，多余電能存儲(chǔ)在l中，在電感l(wèi)兩端形成左正右負(fù)的電壓，二極管vd處于反偏而截止，電流通過儲(chǔ)能電感l(wèi)將電能轉(zhuǎn)換成磁能存在儲(chǔ)能電感l(wèi)中，；當(dāng)開關(guān)管q截止時(shí)，儲(chǔ)能電感l(wèi)兩端的電壓極性顛倒，電壓變?yōu)樽筘?fù)右正，二極管vd處于正偏而導(dǎo)通，給儲(chǔ)能電感l(wèi)和電源ui提供放電回路，電流流經(jīng)續(xù)流二極管vd至負(fù)載和濾波電容c。（四）、輸出整流與濾波：根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。二、控制電路控制電路是開關(guān)電源的核心。通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間

6、來控制輸出電壓的大小，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，輸出電壓越高；反之，輸出電壓越低。開關(guān)型穩(wěn)壓電源按穩(wěn)壓的控制方式分，有脈寬寬度調(diào)制式（pwm型）、脈沖頻率調(diào)制式（pfm型）和pwm、pfm混合型。一般開關(guān)電源的控制電路主要有檢測(cè)比較放大電路、電壓脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路(或電壓頻率轉(zhuǎn)化電路)、時(shí)鐘振蕩器（或恒脈寬發(fā)生器）、基極驅(qū)動(dòng)電路、過壓過流保護(hù)電路以及輔助電源等電路組成。存在著電路復(fù)雜，功耗大，靈敏度差，控制范圍窄，不能實(shí)現(xiàn)很好的控制等缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用pwm（pulse width modulation) 式，是一種開關(guān)周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的控制方式。1、555定時(shí)器的結(jié)構(gòu)圖555定時(shí)

7、器的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。它由比較器c1和c2，基本rs觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管td三部分組成。圖3：555定時(shí)器的結(jié)構(gòu)圖555 定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。555定時(shí)器能在很寬的電源電壓范圍內(nèi)工作，并可承受較大的負(fù)載電流。一般用雙極性工藝制作的稱為 555，可在 5v16v 工作，最大負(fù)載電流達(dá)用200ma ；用cmos 工藝制作的稱為 7555， 可在 318v 工作，但最大負(fù)載電流在4ma以下，因而其輸出可與 ttl、cmos 或者模擬電路電平兼容。2、 利用555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)寬范圍脈寬調(diào)整器 圖4：利用555定時(shí)器構(gòu)成的寬范圍脈寬調(diào)整器的電路圖利用555定時(shí)器構(gòu)成

8、的寬范圍脈寬調(diào)整器的電路如圖4所示。ic1及其外圍元件組成占空比可調(diào)的時(shí)鐘電路由于在電路中中接入了二極管d1和d2，電容c1的充電電流和放電電流流經(jīng)不同的路徑，充電電流只流經(jīng)r1，放電電流只流經(jīng)r2，因此電容c1的充電時(shí)間為t1 = r1，c12而放電時(shí)間為 t2 = r2，c12振蕩周期為t = t1+t2 = (r1，+r2，)c2振蕩頻率為f = 1/t = 1/(r1，+r2，)c12圖中設(shè)計(jì)的頻率大概為30khz。輸出脈沖的占空比為 q = t1/t2 = r1，/(r1，+r2，)調(diào)節(jié)電路中的電位器rw可以調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比，圖中設(shè)計(jì)的占空比可調(diào)范圍為（1：4）（3：4）。ic2

9、及其外圍元件則組成pwm電路。pwm調(diào)整允許一個(gè)可變的輸出電壓。可通過ic2的vc終端(引腳5)的反饋來調(diào)節(jié)電壓。一個(gè)超過調(diào)節(jié)閾值限制的輸出電壓將提前結(jié)束基于周期循環(huán)的pwm信號(hào)，以維持輸出電壓的穩(wěn)定。三、開關(guān)電源中的關(guān)鍵元器件功率mosfet “mosfet”是英文metal oxide semiconductor field effect transistor的縮寫，譯成中文是“金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管”。它是由金屬、氧化物(sio2或sin)及半導(dǎo)體三種材料制成的器件。所謂功率mosfet(power mosfet)是指它能輸出較大的工作電流(幾安到幾十安)，用于功率輸出級(jí)的器件。為防止

10、mosfet接電感負(fù)載時(shí)，在截止瞬間產(chǎn)生感應(yīng)電壓與電源電壓之和擊穿mosfet，一般功率mosfet在漏極與源極之間內(nèi)接一個(gè)快速恢復(fù)二極管，如圖8所示。功率mosfet的特點(diǎn)功率mosfet與雙極型功率管相比具有如下特點(diǎn)：1、mosfet是電壓控制型器件(雙極型是電流控制型器件)，因此在驅(qū)動(dòng)大電流時(shí)無需推動(dòng)級(jí)，電路較簡(jiǎn)單；2、輸入阻抗高，可達(dá)108以上；3、工作頻率范圍寬，開關(guān)速度高(開關(guān)時(shí)間為幾十納秒到幾百納秒)，開關(guān)損耗??；4、有較優(yōu)良的線性區(qū)，并且mosfet的輸入電容比雙極型的輸入電容小得多，所以它的交流輸入阻抗極高；噪聲也小，最合適制作hi-fi音響；5、功率mosfet可以多個(gè)并聯(lián)

11、使用，增加輸出電流而無需均流電阻.四、保護(hù)電路開關(guān)電源的保護(hù)電路很多，這里討論對(duì)此采取的兩種保護(hù)措施。（一）輸入軟啟動(dòng)電路開關(guān)電源的輸入電路大都采用整流加電容濾波電路，在輸入電路合閘瞬間，由于電容器上的初始電壓為零，會(huì)形成很大的瞬時(shí)沖擊電流，如此大的沖擊電流，往往會(huì)導(dǎo)致輸入熔斷器燒斷，甚至將合閘開關(guān)的觸點(diǎn)燒壞，輕者也會(huì)使空氣開關(guān)合不上閘。在整流電路和濾波電路之間加一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻rt，在電源接通瞬間，熱敏電阻的阻值較大，達(dá)到限制沖擊電流的作用。當(dāng)較大電流流過熱敏電阻后，電阻發(fā)熱而使其阻值變小，其上壓降很小，這時(shí)它消耗的能量非常小，后級(jí)電路可正常工作。此設(shè)計(jì)中采用村田公司生產(chǎn)的品名為nt

12、pan3r0ldkb0引線型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，此電阻器可有效抑制開關(guān)電源調(diào)節(jié)器打開時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流。圖5：基于555定時(shí)器的開關(guān)電源的電原理圖（二）、輸出過載保護(hù)電路 一個(gè)簡(jiǎn)單的限流型過載保護(hù)電路，主要有串接在輸出回路中的檢流電阻r4和保護(hù)三極管t1。r4的阻值很小，一般為1歐姆。開關(guān)電源正常工作時(shí)，負(fù)載電流不超過穩(wěn)定值，電流在r4上的壓降很小，故三極管t截止，保護(hù)電路不起作用。當(dāng)負(fù)載電流超過某一臨界值后，r4上的壓降使t導(dǎo)通。由于t流過一個(gè)集電極電流，將使開關(guān)管q的輸入電流被分流掉一部分，于是限制了開關(guān)管q中電流的增長(zhǎng)，保護(hù)了開關(guān)管。3、 開關(guān)電源的穩(wěn)壓過程開關(guān)電源的電原理圖如圖5所示。由

13、于電網(wǎng)波動(dòng)或者負(fù)載變化使輸出電壓uo升高，三極管t2的集射電壓ube2升高，基極電流ib2升高，集電極電流ic2升高，pwm電路的輸出波形的占空比減小，開關(guān)管q的導(dǎo)通時(shí)間減小，輸出電壓uo降低，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。由于某種原因使輸出電壓uo降低時(shí)，其穩(wěn)壓過程與此相反。4、結(jié)束語本開關(guān)電源是用555定時(shí)器等組成的脈寬調(diào)整電路構(gòu)成穩(wěn)壓源。電路的控制線性和對(duì)稱性較好，效率約為67%。輸出電壓在（320）v連續(xù)可調(diào)，電流05a,電壓穩(wěn)定度15%，紋波電壓vp-p25mv。參考文獻(xiàn)1、候振義、夏崢、柏雪倩等.直流開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用.-北京：電子工業(yè)出版社，2007.4；2、沙占友、馬洪濤、王書海等.特種集成電源設(shè)計(jì)及應(yīng)用.-北京：中國(guó)電力出版社，2007；3、閻石主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）.清華大學(xué)電子學(xué)教研組編.-4版.-北京：高等教育出版社.1998.12（2004重?。?；4、康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)：模擬