集成開關(guān)電源設(shè)計任務(wù)書指導(dǎo)書

1、 1 集成開關(guān)電源設(shè)計任務(wù)書要完成好電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)，除掌握必要的電氣設(shè)計基礎(chǔ)知識外，還必須經(jīng)過反復(fù)實踐，深入生產(chǎn)現(xiàn)場，將不斷積累的經(jīng)驗應(yīng)用到設(shè)計中來。課程設(shè)計正是為這一目的而安排的實踐性教學環(huán)節(jié)，它是一項初步的工程訓(xùn)練。通過課程設(shè)計，了解一般電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計要求、設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計方法。電氣設(shè)計包含原理設(shè)計和工藝設(shè)計兩個方面，不能忽視任何一面，對于應(yīng)用型人才更應(yīng)重視工藝設(shè)計。課程設(shè)計屬于練習性質(zhì)，不強調(diào)設(shè)計結(jié)果直接用于生產(chǎn)。1.1原始參數(shù)1.1.1交流輸入電壓及范圍 AC 9 0 v 130 v;180v260 v兩種。1.1.2直流輸出DC,+5 v,2A ;+12 v,2A,功率：3

2、0w,45 w.。1.1.3 波紋系數(shù)1% 100mv1.1.4電壓調(diào)整率0.5%1.1.5 保護功能，過熱、過流、短路、欠壓。1.2設(shè)計要求1.2.1利用GTO或GTR開關(guān)管作為開關(guān)電源的核心器件，設(shè)計輸入、輸出端具有電隔離功能的開關(guān)電源。1.2.2應(yīng)用PWM控制技術(shù)作為開關(guān)電源的控制調(diào)節(jié)器。1.2.3可方便轉(zhuǎn)換兩種交流輸入的轉(zhuǎn)換。1.2.4盡量采用各種被實踐證明已獲成功的理論和技術(shù)。1.2.5符合有關(guān)電源的電氣安全標準。1.2.6編寫設(shè)計說明書、畫出電路原理圖。 2集成開關(guān)電源設(shè)計大綱2.1開關(guān)電源概述2.1.1開關(guān)電源的產(chǎn)生與發(fā)展穩(wěn)壓電源通常分為線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源是

3、指電壓調(diào)整功能的器件始終工作在線性放大區(qū)的直流穩(wěn)壓源，在性能上雖具有良好的紋波及動態(tài)響應(yīng)特性，但體積龐大，損耗大，效率低，過載能力差等不足而不能被廣泛應(yīng)用。開關(guān)電源是指起電壓調(diào)整功能的器件始終以開關(guān)方式工作的一種直流穩(wěn)壓電源。隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，特別是微處理器和半導(dǎo)體存儲器的開發(fā)利用，線性電源已被淘汰，取而代之的是小型化、重量輕、效率高的隔離式開關(guān)電源。隔離式開關(guān)電源的核心是一種高頻電源變換電路，它使交流電源高效地產(chǎn)生一路或多路經(jīng)調(diào)整的穩(wěn)定直流電壓。廣泛使用在電子計算機、彩電、衛(wèi)星通信設(shè)施、精密儀表等現(xiàn)代電子設(shè)備。輸入、輸出隔離的開關(guān)電源原理框圖介紹。市電50Hz單相交流電

4、壓或三相交流220 v/380v電壓經(jīng)EMI防電磁干撓電源濾波器濾除電網(wǎng)高次諧波，經(jīng)整流、濾波后形成的脈動直流電壓經(jīng)變換電路變換為數(shù)十或數(shù)百千Hz的高頻方波或準方波電壓,通過高頻變壓器隔離并降壓（或升壓）后，再經(jīng)高頻整流濾波電路，輸出直流電壓，通過取樣，比較，放大及控制驅(qū)動電路，控制變換器中功率開關(guān)的占空比,便能得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。其內(nèi)部原理如框圖1-1所示圖1-1 2.1.2 開關(guān)電源的優(yōu)缺點1優(yōu)點：1）功能小，效率高n = 90% 95% 2）體積小，重量輕3）穩(wěn)壓范圍寬4）電路形式多樣。2缺點：存在開關(guān)噪聲干撓如不能采取措施抑制在干撓，其它電子設(shè)備的同時，還影響本機的正常工作。 2.

5、2 輸入電路設(shè)計 2.2.1壓倍壓整流技術(shù)隔離式開關(guān)電源是直接對輸入的交流電壓進行整流，而不需要低頻線性隔離變壓器，同時為滿足國際市場需求，通常的交流電壓輸入范圍為90v130 v和180v260 v兩種，為實現(xiàn)兩種輸入電源的轉(zhuǎn)換，要利用倍壓整流技術(shù)。電路如圖2-1所示圖2-1圖中：S1電源切換開關(guān)，根據(jù)電源容量合理選擇 Vs雙向可控硅，電路起動完畢工作 R1限流電阻，浪涌電流保護 Rv壓敏電阻，輸入瞬間電壓保護 VD1VD4整流二極管 C1,C2輸入濾波電容 R4,R5為C1,C2提高放電回路。電路的工作過程：通過S1的切換使115v或230v交流輸入電壓經(jīng)VD1VD4整流后作用C1或C2，

6、并可在C1和C2上充電至交流電壓峰值(約為161v+161v=322v 左右)2.2.2元件選擇和電路設(shè)計1輸入整流器1）最大正向整流電流：IF(AV)由開關(guān)電源設(shè)計的輸出功率確定PO=V0I0 I0= PO/V0 整流平均值IFD = I0按二倍安全裕量考慮，選擇IF(AV) = 2IFD 2）峰值反向截止電壓URRM(PIV)一般應(yīng)在600v以上。3）要有能承受較大浪涌電流的能力，浪涌電流是由開關(guān)電源中開關(guān)管導(dǎo)通時的峰值電流所產(chǎn)生的。2輸入濾波電容 輸入濾波電容將影響直流電源輸出端的低頻交流紋波電壓和輸出電壓保持時間等性能指標，一般情況下，高質(zhì)量的電解電容的ESR（等效串聯(lián)電阻）越低，其濾

7、除交流波紋電壓的能力越強。電容器工作電壓的額定值至少在200v以上。計算濾波電容的公式如下 C = Iot /U ( F)式中：Io/負載電流(A) ；t電容提供電流的時間（S）（以交流電半周期算）；U所允許的峰-峰紋波電壓（V）選擇標稱值因為在倍壓整流結(jié)構(gòu)中=取C1= C2，故C1= C2=2C3輸入保護器件1）浪涌電流的限制，隔離式開關(guān)電源在加電時，會產(chǎn)生極高的流浪涌電流，主要是由濾波電容所引起，如不采取保護措施，其值可達幾百安培。為此可采取以下措施。措施一：電阻，雙向可控硅并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。起動時，電阻串入，起動結(jié)束，由雙向可控硅VS旁路。措施二：輸入端接負溫系數(shù)（NTC）的熱敏電阻RT1,RT

8、24輸入瞬間電壓保護電網(wǎng)因受雷擊或感性負載等因素的影響，尖峰電壓可達5000V左右，時間雖短，但其能量足以將濾波器、開關(guān)晶體管等器件損壞。在這種環(huán)境下，最通用的抑制干撓器是并聯(lián)在輸入端的金屬氧化物壓敏電阻RV所組成的瞬態(tài)電壓抑制器，其中的壓敏電阻RV起到可變阻抗的作用，瞬間高壓作用時，陰抗急劇減小，瞬間能量消耗在電阻上。選擇步驟：1壓敏電阻的額定電壓應(yīng)比最大的電路電壓穩(wěn)定值大10%20% 2計算或估計電路所要承受的最大能量焦耳數(shù)3查明器件所需承受的最大尖峰電流。 2.3 高頻電源變換器的類型及結(jié)構(gòu)設(shè)計高頻電源變換器直流變換器的一種，其作用原理：經(jīng)可控的開關(guān)（開關(guān)管），將較為穩(wěn)定的直流電變換成脈

9、寬可調(diào)的脈動直流。2.3.1 基本類型：1單端反激式變換器，輸出、輸入極性相反，S閉合時，L吸收電能S斷開時，L經(jīng)VD向負載RL釋放電能。圖2-22單端正激式變換器；輸出、輸入極性相同，S閉合時Uin經(jīng)SL向RL提供電能。S斷開時,L經(jīng)VD向RL續(xù)能，輸入反激、正激式變換器中，輸出電流連續(xù)，輸入電流為脈動。3推挽式變換器：由兩個單端正激式變換器工作在“推挽”方式下圖2-3優(yōu)缺點比較：1）驅(qū)動電路簡單，不需要隔離。2）晶體開關(guān)管承受兩倍的峰值電壓。3）極易發(fā)生變壓器鐵芯的“磁飽和”現(xiàn)象，故該電路使用較少。4半橋式變換電路。圖2-4在半橋式變換器中，S1、S2輪流導(dǎo)通C1、C2上的電壓Uin/2正

10、反向加在變壓器的T1初級上，使其在整個周期都有電流流過。鐵芯得到充分利用，同時功率開關(guān)管S1、S2的耐壓降低，濾波電容的電壓也降低，克服了推挽電路的缺點。但由于高頻變壓器上施加的電壓，只有輸入電壓的一半，與推挽電路相比較，在輸出功率相同下，開關(guān)管必須流過兩倍的電流，使S1、S2的電流定額增加。5全橋式變換電路對于半橋式這換電路，開關(guān)管的電流定額增大二倍，是其主要缺點，為解決這一問題，可采用全橋式變換器，即將半橋中的電容C1、C2以開關(guān)管代替，S1S3、 S2S4輪流導(dǎo)通和截止，使得加在高頻變壓器初級上的電壓在+Uin和-Uin之間變化，而開關(guān)管上流過的電流是同等半橋式變換器電路的一半。不足之處

11、是需要用四只開關(guān)管，并需要四組相互隔離的基極驅(qū)動電路，成本增加。6新型的零波紋輸出變換器上述討論的各種變換器的輸出都不同程度地含有一定量的波紋電壓，尤其是電流不能連續(xù)的情況下，電路出入端的電流是脈動的，諧波會使電路的變換效率降低，產(chǎn)生的高次諧波形成的輻射，干撓周圍的電子設(shè)備。庫克(CuR)電路 圖2-5，實現(xiàn)了零波紋輸出。圖2-5電路中L1、L2為儲能電感，VD是快速恢復(fù)二極管，C1是傳送能量的耦合電容，C2為濾波電容。該電路的特點是，輸出和輸入電壓相反，輸入和輸出端的電流紋波小，輸出直流電壓平穩(wěn)，降低了對外部濾波器的要求。在忽略所有元器件損耗前提下，電路及工作波形如圖2-6所示。在ton期間

12、，開關(guān)S導(dǎo)通，電容C1上的電壓Uc1使二極管VD反偏而截止，輸入直流電壓Uin向電感L輸送能量，L1中的電流iL1線性增加。同時原儲存在C1中的能量向負載和C2、L2釋放，負載獲得反極性電壓，其等效電路如圖2-6所示。圖2-6( a、b)在toff期間S關(guān)斷，L1中的感應(yīng)電動勢UL1改變方向，使二極管D正偏而導(dǎo)通 L1經(jīng)C1D對電容C1充電儲能。在此期間L2向負載釋放電能。為使輸入和輸出具有電隔離，將上述cuk電路進行改型，可以使cuk變換器實現(xiàn)隔離功能。1） 將C1分成兩個串聯(lián)的電容CA、CB。2） C1、 C2間接一大電感L。3） 利用大電感L形成初次級的耦合變壓器T1 電路如圖2-7。

13、圖2-7在整個周期T = ton+toff中，電容CA從輸入端向的初級傳送電能，只要選擇合適的L1、L2、CA和CB則可保證輸入、輸出電流是平穩(wěn)的，在忽略所有元件上的損耗時，CA、CB上的電壓基本不變。經(jīng)推導(dǎo)分析得知，電路的輸出電壓U0和輸出電流分別為U0 = IO=式中D = ，為開關(guān)管UT1工作占空比 2.3.2 功率開關(guān)管的選擇1變壓器初級電流的峰值Ip = 式中P0ut -電源輸出功率(w)Uinmin最小直流輸入電壓Uinmin = Uatmin(90V)×1.41UU|直流波紋電壓和整流壓降約20V 電源變換器的最大占空比，取0452采用VDMOS管（MOSFET）時，其

14、最大峰值開關(guān)電流IcmIsc = 1.3Ip 峰值漏極電壓 UdssUacmmin×1.4×(2 3)900V。選UDMOS的型號為MTPXNXX可滿足要求 2.3.3高頻變換器類型的確定及電路結(jié)構(gòu)框圖分析1確定類型由上述對變換器電路結(jié)構(gòu)的類型功能比較得知，在開關(guān)功率不大，輸出直流以紋要求不高的情況下，單端反激式變換器結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，可作為首選結(jié)構(gòu)之一。2電路結(jié)構(gòu)功能框圖分析 輸入的交流電壓經(jīng)EMI噪聲濾波器后直接作用整流濾波電路，獲得Uin= 1.4UAC的直流高壓，當該電壓通過高頻開關(guān)作用高頻變壓器時，次級可得到較低的輸出電壓。高頻開關(guān)由集成脈寬控制器控制的高反壓V

15、MOS管VTS來充任。集成電路的工作電源電壓，先由電阻和電容Cin提供，待進入工作狀態(tài)后，由變壓器附加繞組LC提供。當VTS導(dǎo)通時，輸出線圈的整流二極管VD反偏截止，VTS關(guān)閉時，LP的電壓極性反向，VD導(dǎo)通，整流濾波后的電壓，供給集成電路。在變壓器次級，由誤差放大器對輸出誤差進行取樣，并由光電耦合器放大后，送給控制器進行脈沖寬度調(diào)整，并使輸出電壓穩(wěn)定。由于采用了光電耦合器件隔離，輸出部分和輸入部分線路完全實現(xiàn)了隔離。當負載加重或開關(guān)管過流時，電阻RS上的壓降會相應(yīng)增大，如果采用電流型控制器件UC3842，則它能自動根據(jù)電感線圈的電流峰值調(diào)節(jié)振蕩脈沖寬度或進行逐個脈沖間的控制保護，這種PWM控

16、制器提高了整個電源的可靠性。由此可見，設(shè)計電路的主要內(nèi)容是設(shè)計和計算起動電阻RIN，電容C2，晶體管VT3的緩沖保護元件及低壓整流部分的輸出整流濾波電路。2.3.4啟動電阻和電容的計算1啟動電阻RIN當直流輸入電壓達到250v以上時（220v±20 v）×1.4集成脈寬調(diào)制器UC3840應(yīng)啟動開始工作。啟動電阻RIN應(yīng)由線路直流電壓和啟動所需電流來確定。RIN =式中 Uln = 250v UccUC3840的工作壓降16 V。I0起動電流總和約為1.8mA2啟動電容C2起動完成后，UC3840的消耗電流將近隨著對VDMO的驅(qū)動而增至100mA左右（主要隨著負載的變化）該電

17、流由電容器C2在啟動時儲存的電荷量來提供。這時C2上的電壓會發(fā)生跌落，VC2=10 v，VC3840為保持工作的下限值。以開關(guān)管的工作頻率20KHz為準(T= 5ms)則 C2 = (F)式中IoUC3840的工作電流100Ma Ton5ms Ucc= 16v 10vC2容量的增加，會使啟動過程減慢，可達到軟啟動電路的目的。2.3.5緩沖保護電路的設(shè)計為了限制開關(guān)管VT1由飽和轉(zhuǎn)向關(guān)斷過程中，在高頻變壓器漏感上所引起的尖峰電壓，由R2 、C4 、VD5組成緩沖網(wǎng)絡(luò)。C4 =式中Le漏感。一般Le= 40100H, Uerst 反電勢，其值約為120 VUPP漏感電動勢的峰值，其值約為100 v

18、 R2 C4= 0.63T() R2C4的放電電阻。二極管VD5的作用是在開關(guān)管關(guān)閉期間為電感線圈向C4充電提供通路，開關(guān)管導(dǎo)通時，可以阻止電容C4經(jīng)UD5放電。2.4電力晶體管的基極驅(qū)動電路及保護（參見教材電力電子技術(shù)2.2.3節(jié)）2.5開關(guān)電源的控制電路目前的開關(guān)電源大多采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)，這一技術(shù)主要是在主這換器工作周期不這的情況下，通過改變開關(guān)管的導(dǎo)通和載止時間，以控制輸出電壓穩(wěn)定在確定的電壓值上。方式提供了優(yōu)越的性能，有良好的線性，負載調(diào)整率高以及在溫度變化過和中具有較高的穩(wěn)定性。隔離式開關(guān)電源的任務(wù)有兩個方面，首先，它必須提供高穩(wěn)定度的若干組低壓輸出，為負載提供充足的供

19、電能量，另一方面，它必須在輸入和輸出之間提供很好的隔離特性，以保持用電器免受高壓及擊電流引起的電氣短路危害。2.5.1 PWM控制下的開關(guān)電源電路圖2-8輸入輸出由功率傳輸變壓器T1及光電耦合器隔離圖2-9輸入輸出由功率傳輸變壓器T1及光電耦合器隔離2.5.2 PWM控制器的選擇1由分主元件構(gòu)成的單端PWM控制電路，如圖2-10。圖2-10用分立元件構(gòu)成的單端反激式PWM控制電路電路的工作原理如下：IC1產(chǎn)生的方波脈沖經(jīng)R1和C1微分電路后形成鋸齒波，控制晶體管UY1,經(jīng)UY1反向后的負脈沖經(jīng)反相形成正向脈沖，組成低阻抗驅(qū)動器控制，主開關(guān)UY5的導(dǎo)通和截止。使變壓器將電能變換送到變換器的輸出端

20、。由R9和Rw構(gòu)成的分壓器，取部分輸出電壓和固定參數(shù)改電壓Uref比較。當線路或負載引起輸出電壓發(fā)生變化時，運放將變化量放大，并驅(qū)動光耦器中的發(fā)光二極管，調(diào)制其發(fā)光強度，通過改變光敏三極管的集電極電流調(diào)整，微分電路的時間常數(shù)鋸齒波底寬改變，進面使UY1 UY2 UY3 UY4的導(dǎo)通時得到改變。UY5的占空比發(fā)生變化，輸出電壓得到調(diào)整。2集成電路構(gòu)成的PWM控制器現(xiàn)代集成技術(shù)的發(fā)展和完善，在一塊芯片上制成并包含了PWM開關(guān)電源所需要的所為功能，使開關(guān)電源用一片集成電路和若干附加元件即可制成。如圖2-11 圖2-11電路的工作過程：誤差放大器將從電源輸出端引入的取樣信號與固定參改電壓比較放大后。再

21、與一固定頻振蕩器發(fā)出的鋸齒波比較，其輸出信號U0。蕩器的鋸齒波信號同時送到翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器(F/F)，并產(chǎn)生方波輸出Q和，U0和Q作為與門A、B的輸入，輸出端產(chǎn)生PWM調(diào)制信號。圖 2-12|Ua|U0變窄U0的方波輸出波形變窄，UTr的關(guān)斷時間變長，U0增大。由波形圖可知，當誤差信號變化時，A或B輸出的脈寬發(fā)生變化，從而達到脈寬調(diào)制的目的。常見的PWM集成控制器TL494,UC3840、UC1842、2842、3842、SG3525A等，其中UC3842 PWM控制器，為可編程控制器，主要為單端反激式及單端正激式變換器電路設(shè)計的高頻率控制器。其典型功能：1）調(diào)節(jié)外接參數(shù)RC可對工作頻率的范圍調(diào)整。

22、2）具有可變斜率的斜波發(fā)生器。3）設(shè)有低電流啟動開關(guān)，并具有直接隔離偏置。4）設(shè)有精確的參考電源產(chǎn)生器，并具有內(nèi)部過壓保護措施。5）具有完善的輸入過壓保護欠壓保護，輸出過流保護及程序控制的電路關(guān)閉和重新起動的功能。6）具有大電流快速驅(qū)動和快速關(guān)斷外操開關(guān)管的軾能，千分適合構(gòu)成單端PWM控制。7）實現(xiàn)對直流電源序列的邏輯控制功能。3UC3842.PWM控制器及管腳功能.UC3842系列是單端輸出電路。它是一種高性能的固定頻率電流型控制器電路，能很好地應(yīng)用在隔離式單端開關(guān)電源的設(shè)計中，其最大優(yōu)點是外接元件少，外電路裝配簡單，成本低等，工作原理如圖2-13所示。圖2-13它有兩個閉環(huán)控制回路，一個是輸出電壓反饋回誤差放大器，用于同基準電壓比較后產(chǎn)生誤差電壓，另一個是變壓器初級電感中的電流在上產(chǎn)生的電壓與誤差電壓進行比較后產(chǎn)生調(diào)制脈沖寬度的脈沖信號，由于誤差信號實際控制著峰值電感電流，故稱之為電流型.脈沖寬度調(diào)制器，該電路具有以下特點：1）良好的線性調(diào)整率，能達到2）可明顯改善負載調(diào)整率。3）誤差放大器外電路補償網(wǎng)絡(luò)得到簡化。4）電流限制電路得到簡化5）控制器設(shè)有欠壓鎖定電路，開啟閾值16v，關(guān)閉閾值設(shè)在10 v6）振蕩器的頻率由外接RTCT按下式確定f = UC3842 PWM