穩(wěn)壓電源論文

1、摘要：介紹了穩(wěn)壓電源的具體分類和穩(wěn)壓電源中的開關(guān)穩(wěn)壓電源電路各組成局部的工作原理.關(guān)鍵詞：開關(guān)穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)開關(guān)管濾波電容儲(chǔ)能電感一、引言穩(wěn)壓電源就是其輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定,它與人們的日常生活密切相關(guān),也稱為穩(wěn)定電源、穩(wěn)壓器等.隨著電子技術(shù)開展,電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛,電子設(shè)備的種類也越來(lái)越多,對(duì)穩(wěn)壓電源的要求更加靈活多樣.電子設(shè)備的小型化和低本錢化,使穩(wěn)壓電源朝輕、薄、小和高效率的方向開展.設(shè)計(jì)上,穩(wěn)壓電源也從傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源向高效率、體積小、重量輕的開關(guān)型穩(wěn)壓電源迅速開展.日常工作中,電子工程師通常根據(jù)穩(wěn)壓電源中穩(wěn)壓器的穩(wěn)定對(duì)象,把穩(wěn)壓器分為直流穩(wěn)壓器和交流穩(wěn)壓器兩種,

2、并且直流穩(wěn)壓器輸出電壓是直流,交流穩(wěn)壓器輸出電壓是交流,兩者一般都用市電供電.因此,就可以把穩(wěn)壓電源按穩(wěn)壓器的類型可分為直流穩(wěn)壓電源和交流穩(wěn)壓電源兩大類.以下是對(duì)這兩大類穩(wěn)壓電源進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹見表1.見表1類型類別1類別2優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)交流穩(wěn)壓電源自耦調(diào)整型穩(wěn)壓電源機(jī)械調(diào)整型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低,輸出波形失真小.容易燒毀,電壓調(diào)整速度慢.改變抽頭型電路簡(jiǎn)單,穩(wěn)壓范圍寬,價(jià)格低.穩(wěn)壓精度低,工作壽命短.大功率補(bǔ)償型抗干擾性能好,穩(wěn)壓精度高、響應(yīng)快電路簡(jiǎn)單.輸入電流失真度大,源功率因數(shù)較低；輸出電壓對(duì)輸入電壓有相移.參數(shù)調(diào)整型穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高,抗干擾水平強(qiáng).能耗大、噪聲大、笨重、造價(jià)高.開關(guān)型穩(wěn)壓

3、電源穩(wěn)壓性好,限制功能強(qiáng).電路復(fù)雜,價(jià)格較Hj0苜流穩(wěn)壓電源化學(xué)電源小巧,靈活.供電水平缺乏,污染環(huán)境.線性電源穩(wěn)定性高,紋波小,可靠性高.體積功耗大,轉(zhuǎn)換效率低.開關(guān)型電源AC/DC電源體積小,重量輕,穩(wěn)定可靠.紋波較大.DC/DC電源通信電源電臺(tái)電源模塊電源特種電源交流穩(wěn)壓電源分類和特點(diǎn)能夠提供一個(gè)穩(wěn)定的交流電壓和頻率的電源稱為交流穩(wěn)壓電源,市面上的交流穩(wěn)壓電源大致分為以下幾種：2.1 參數(shù)調(diào)整諧振型這類穩(wěn)壓電源,穩(wěn)壓的根本原理是LC串聯(lián)諧振,早期出現(xiàn)的含有磁飽和型穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓電源就屬于這一類.它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,所需元器件較少,穩(wěn)壓范圍相當(dāng)寬,可靠性高,抗干擾和抗過載水平強(qiáng).缺點(diǎn)是能耗大

4、、噪聲大、笨重且造價(jià)高.2.2 自耦(變比)調(diào)整型2.2.1 機(jī)械調(diào)壓型以伺服電機(jī)帶動(dòng)炭刷在自耦變壓器的的繞組滑動(dòng)面上移動(dòng),改變輸出電壓(Vo)對(duì)輸入電壓(Vi)的比值,以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電源輸出電壓的調(diào)整和穩(wěn)定.它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低,輸出波形失真小.但由于炭刷滑動(dòng),接點(diǎn)易產(chǎn)生電火花,造成電刷損壞以至燒毀而失效,且電壓調(diào)整速度慢.2.2.2 改變抽頭型將自耦變壓器做成多個(gè)固定抽頭,通過繼電器或可控硅(固態(tài)繼電器)做為開關(guān)器控件,自動(dòng)改變抽頭位置,從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定.這種類型的穩(wěn)壓電源,優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,穩(wěn)壓范圍寬(130V-280V),效率高(A95%),價(jià)格低.缺點(diǎn)是穩(wěn)壓精度低(±

5、810%)工作壽命短,它適用于家庭給空調(diào)器供電.2.2.3 大功率補(bǔ)償型凈化型穩(wěn)壓器(含精密型穩(wěn)壓器)此種穩(wěn)壓電源用補(bǔ)償環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定,易實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制.它的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性能好,穩(wěn)壓精度高(w土1%)、響應(yīng)快(4060ms)、電路簡(jiǎn)單、工作可靠.缺點(diǎn)是帶計(jì)算機(jī)、程控交換機(jī)等非線性負(fù)載時(shí)有低頻振蕩現(xiàn)象；輸入端電流失真度大,源功率因數(shù)較低；輸出電壓對(duì)輸入電壓有相移.由于具有穩(wěn)壓,抗干擾,響應(yīng)速度快,價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用比擬廣泛.2.3 開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源它應(yīng)用于高頻脈寬調(diào)制技術(shù),與一般開關(guān)電源的區(qū)別是它的輸出量必須是與輸入端同上頻、同相的交流電壓.它的輸出電壓波形有準(zhǔn)方波、梯型波、正弦波等.

6、市場(chǎng)上的不間斷電源UPS抽掉其中的蓄電源和充電器,就是一臺(tái)開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源.開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓性好,限制功能強(qiáng),易于實(shí)現(xiàn)智能化,是非常具有前途的交流穩(wěn)壓電源.但因其電路復(fù)雜,價(jià)格較高,所以推廣較慢.三、直流穩(wěn)壓電源分類和特點(diǎn)直流穩(wěn)壓電源按習(xí)慣可分為化學(xué)電源、線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)型穩(wěn)壓電源,下面我們將具體介紹這幾類電源.3.1 化學(xué)電源我們平常所用的干電池、鉛酸蓄電池、銀鎘、銀氫、鋰離子電池均屬于化學(xué)電源,各有其優(yōu)缺點(diǎn).隨著科學(xué)技術(shù)的開展,又產(chǎn)生了智能化電池；在充電電池材料方面,美國(guó)研制人員發(fā)現(xiàn)鎰的一種碘化物,用它可以制造出廉價(jià)、小巧、放電時(shí)間長(zhǎng),屢次充電后仍保持性能良好的環(huán)保型充電電池.

7、3.2 線性直流穩(wěn)壓電源LPS線性直流穩(wěn)壓電源指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源.線性直流穩(wěn)壓電源主要包括工頻變壓器、輸出整流濾波器、限制電路、保護(hù)電路等見圖1線性直流穩(wěn)壓電源是先將交流電經(jīng)過變壓器變壓,再經(jīng)過整流電路整流濾波得到未穩(wěn)定的直流電壓,要到達(dá)高精度的直流電壓,必須經(jīng)過電壓反應(yīng)調(diào)整輸出電壓,可以到達(dá)很高的穩(wěn)定度,波紋也很小,而且沒有開關(guān)穩(wěn)壓電源具有的干擾與噪音.但是它的缺點(diǎn)是需要龐大而笨重的變壓器,所需的濾波電容的體積和重量也相當(dāng)大,而且電壓反應(yīng)電路是工作在線性狀態(tài),調(diào)整管上有一定的電壓降,在輸出較大工作電流時(shí),致使調(diào)整管的功耗太大,轉(zhuǎn)換效率低,還要安裝很大的散熱片.3.3 開關(guān)

8、型直流穩(wěn)壓電源開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),限制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源.它的電路形式主要有單端反激式,單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式等.根本的開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源主要包括輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、逆變器、輸出整流濾波器、限制電路、保護(hù)電路如圖2.開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)是體積小,重量輕,穩(wěn)定可靠.缺點(diǎn)相對(duì)于線性直流穩(wěn)壓電源的紋波較大一般w1%VP-P.下面分類介紹幾種開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源：3.3.1 AC/DC電源該類型電源也稱一次電源,它自電網(wǎng)取得能量,經(jīng)過高壓整流濾波得到一個(gè)直流高壓,供DC/DC變換器在輸出端獲得一個(gè)或幾個(gè)穩(wěn)定的直流電

9、壓,功率從幾瓦幾千瓦均有產(chǎn)品,用于不同場(chǎng)合.3.3.2 DC/DC電源在通信系統(tǒng)中也稱二次電源,它是由一次電源或直流電池組提供一個(gè)直流輸入電壓,經(jīng)DC/DC變換以后在輸出端獲得一個(gè)或幾個(gè)直流電壓.3.3.3 通信電源通信電源其實(shí)質(zhì)上就是DC/DC變換器式電源,只是它一般以直流48V或24V供電,并用后備電池作DC供電備份,將DC供電電壓變換成電路工作電壓.一般又分中央供電、分層供電和單板供電三種,單板供電可靠性最高.3.3.4 電臺(tái)電源電臺(tái)電源輸入AC220V/110V,輸出DC13.8V,功率由所供電臺(tái)功率而定.為預(yù)防AC電網(wǎng)斷電影響電臺(tái)工作,而需要電池組作為備份,所以此類電源除輸出一個(gè)13

10、.8V直流電壓外,還具有對(duì)電池充電自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能.3.3.5 模塊電源隨著科學(xué)技術(shù)飛速開展,對(duì)電源可靠性、容量、體積比要求越來(lái)越高,模塊電源越來(lái)越顯示其優(yōu)越性,它工作頻率高、體積小、可靠性高,便于安裝和組合擴(kuò)容,所以越來(lái)越被廣泛采用.3.3.6 特種電源電流電源、400Hz輸入的AC/DC電源等,可歸于此類,可根據(jù)特殊需要選用.四、開關(guān)穩(wěn)壓電源的開展4.1開關(guān)穩(wěn)壓電源開關(guān)穩(wěn)壓電源問世后,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?fù)渑c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(diǎn)是用20kHz的

11、載波進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制,電源的效率可達(dá)65%70%,而線性電源的效率只有30%40%.因此,用工作頻率為20kHz的PWM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(yù)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(jì)算機(jī)、移動(dòng)等)更需要小型化、輕量化的電源.因此,對(duì)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

12、一切高新要求便促進(jìn)了開關(guān)穩(wěn)壓電源的不斷開展和進(jìn)步.4.2開關(guān)穩(wěn)壓電源的三個(gè)重要開展階段40多年來(lái),開關(guān)穩(wěn)壓電源經(jīng)歷了三個(gè)重要開展階段.第一個(gè)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(shí)現(xiàn)高頻化,并大幅度降低導(dǎo)通損耗,電路也更為簡(jiǎn)單.第二個(gè)階段自20世紀(jì)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(guó)際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一.第三個(gè)階段從20世紀(jì)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IPEM技術(shù)開始開展,它是當(dāng)今國(guó)際電力

13、電子界亟待解決的新問題之一.五、開關(guān)穩(wěn)壓電源技術(shù)的亮點(diǎn)5.1功率半導(dǎo)體器件性能1998年,Infineon公司推出冷MOS管,它采用“超級(jí)結(jié)Super-Junction結(jié)構(gòu),故又稱超結(jié)功率MOSFET.工作電壓600800V,通態(tài)電阻幾乎降低了一個(gè)數(shù)量級(jí),仍保持開關(guān)速度快的特點(diǎn),是一種有開展前途的高頻功率半導(dǎo)體器件.IGBT剛出現(xiàn)時(shí),電壓、電流額定值只有600V、25A.很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),耐壓水平限于12001700V,經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的探索研究和改良,現(xiàn)在IGBT的電壓、電流額定值已分別到達(dá)3300V/1200A和4500V/1800A,高壓IGBT單片耐壓已到達(dá)6500V,一般IGBT的工作頻率上

14、限為2040kHz,基于穿通PT型結(jié)構(gòu)應(yīng)用新技術(shù)制造的IGBT,可工作于150kHz硬開關(guān)和300kHz軟開關(guān).IGBT的技術(shù)進(jìn)展實(shí)際上是通態(tài)壓降,快速開關(guān)和高耐壓水平三者的折中.隨著工藝和結(jié)構(gòu)形式的不同,IGBT在20年的開展進(jìn)程中,有以下幾種類型：穿通PT型、非穿通NPT型、軟穿通SPT型、溝漕型和電場(chǎng)截止FS型.碳化硅SiC是功率半導(dǎo)體器件晶片的理想材料,具優(yōu)點(diǎn)是禁帶寬、工作溫度高可達(dá)600C、熱穩(wěn)定性好、通態(tài)電阻小、導(dǎo)熱性能好、漏電流極小、PN結(jié)耐壓高等,有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導(dǎo)體器件.可以預(yù)見,碳化硅將是21世紀(jì)最可能成功應(yīng)用的新型功率半導(dǎo)體器件材料.5.2開關(guān)電源功率密度

15、提升開關(guān)電源的功率密度,使之小型化、輕量化,是人們不斷追求的目標(biāo).這對(duì)便攜式電子設(shè)備如移動(dòng),數(shù)字相機(jī)等尤為重要.使開關(guān)電源小型化的具體方法有以下幾種.一是高頻化.為了實(shí)現(xiàn)電源高功率密度,必須提升PWM變換器的工作頻率、從而減小電路中儲(chǔ)能元件的體積重量.二是應(yīng)用壓電變壓器.應(yīng)用壓電變壓器可使高頻功率變換器實(shí)現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度.壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的“電壓-振動(dòng)變換和“振動(dòng)-電壓變換的性質(zhì)傳送能量,具等效電路如同一個(gè)串并聯(lián)諧振電路,是功率變換領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一.三是采用新型電容器.為了減小電力電子設(shè)備的體積和重量,須設(shè)法改良電容器的性能,提升能量密度,并研究開發(fā)適合于電力電子及電源

16、系統(tǒng)用的新型電容器,要求電容量大、等效串聯(lián)電阻ESR小、體積小等.5.3高頻磁性元件電源系統(tǒng)中應(yīng)用大量磁元件,高頻磁元件的材料、結(jié)構(gòu)和性能都不同于工頻磁元件,有許多問題需要研究.對(duì)高頻磁元件所用的磁性材料,要求其損耗小、散熱性能好、磁性能優(yōu)越.適用于兆赫級(jí)頻率的磁性材料為人們所關(guān)注,納米結(jié)晶軟磁材料也已開發(fā)應(yīng)用.5.4軟開關(guān)技術(shù)高頻化以后,為了提升開關(guān)電源的效率,必須開發(fā)和應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù).它是過去幾十年國(guó)際電源界的一個(gè)研究熱點(diǎn).PWM開關(guān)電源按硬開關(guān)模式工作開/關(guān)過程中電壓下降/上升和電流上升/下降波形有交疊,因而開關(guān)損耗大.高頻化雖可以縮小體積重量,但開關(guān)損耗卻更大了.為此,必須研究開關(guān)電壓

17、/電流波形不交疊的技術(shù),即所謂零電壓開關(guān)ZVS/零電流開關(guān)ZCS技術(shù),或稱軟開關(guān)技術(shù),小功率軟開關(guān)電源效率可提升到800%85%.上世紀(jì)70年代諧振開關(guān)電源奠定了軟開關(guān)技術(shù)的根底.隨后新的軟開關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn),如準(zhǔn)諧振上世紀(jì)80年代中全橋移相ZVS-PWM,恒頻ZVS-PWM/ZCS-PWM上世紀(jì)80年代末ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM/ZCT-PWM上世紀(jì)90年代初全橋移相ZV-ZCS-PWM上世紀(jì)90年代中等.我國(guó)已將最新軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于6kW通信電源中,效率達(dá)93%.5.5同步整流技術(shù)對(duì)于低電壓、大電流WJ出的軟開關(guān)變換器,進(jìn)一步提升其效率的舉措是設(shè)法降低開關(guān)的通態(tài)損耗.例如同步整

18、流SR技術(shù),即以功率MOS管反接作為整流用開關(guān)二極管,代替蕭特基二極管SBD,可降低管壓降,從而提升電路效率.5.6功率因數(shù)校正PFC變換器由于AC/DC變換電路的輸入端有整流器件和濾波電容,在正弦電壓輸入時(shí),單相整流電源供電的電子設(shè)備,電網(wǎng)側(cè)交流輸入端功率因數(shù)僅為0.6-0.65.采用功率因數(shù)校正PFC變換器,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可提升到0.950.99,輸入電流THD<10%.既治理了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染,又提升了電源的整體效率.這一技術(shù)稱為有源功率因數(shù)校正APFC,單相APFC國(guó)內(nèi)外開發(fā)較早,技術(shù)已較成熟；三相APFC的拓?fù)漕愋秃拖拗撇呗噪m然已經(jīng)有很多種,但還有待繼續(xù)研究開展.高功率因數(shù)AC/

19、DC開關(guān)電源,由兩級(jí)拓?fù)浣M成,對(duì)于小功率AC/DC開關(guān)電源來(lái)說,采用兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總體效率低、本錢高.如果對(duì)輸入端功率因數(shù)要求不特別高時(shí),將PFC變換器和后級(jí)DC/DC變換器組合成一個(gè)拓?fù)?構(gòu)成單級(jí)高功率因數(shù)AC/DC開關(guān)電源,只用一個(gè)主開關(guān)管,可使功率因數(shù)校正到0.8以上,并使輸出直流電壓可調(diào),這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為單管單級(jí)PFC變換器.5.7全數(shù)字化限制電源的限制已經(jīng)由模擬限制,模數(shù)混合限制,進(jìn)入到全數(shù)字控制階段.全數(shù)字限制是開展趨勢(shì),已經(jīng)在許多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用全數(shù)字限制的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)字信號(hào)與混合模數(shù)信號(hào)相比可以標(biāo)定更小的量,芯片價(jià)格也更低廉；對(duì)電流檢測(cè)誤差可以進(jìn)行精確的數(shù)字校正,電壓檢測(cè)也更精

20、確；可以實(shí)現(xiàn)快速,靈活的限制設(shè)計(jì).近兩年來(lái),高性能全數(shù)字限制芯片已經(jīng)開發(fā),費(fèi)用也已降到比較合理的水平,歐美已有多家公司開發(fā)并制造出開關(guān)變換器的數(shù)字限制芯片及軟件.5.8電磁兼容性高頻開關(guān)電源的電磁兼容EMC問題有其特殊性.功率半導(dǎo)體器件在開關(guān)過程中所產(chǎn)生的di/dt和dv/dt,將引起強(qiáng)大的傳導(dǎo)電磁干擾和諧波干擾,以及強(qiáng)電磁場(chǎng)通常是近場(chǎng)輻射.不但嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境,對(duì)附近的電氣設(shè)備造成電磁干擾,還可能危及附近操作人員的平安.同時(shí),電力電子電路如開關(guān)變換器內(nèi)部的限制電路也必須能承受開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的EMI及應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)電磁噪聲的干擾.上述特殊性,再加上EMI測(cè)量上的具體困難,在電力電子的電磁兼容領(lǐng)域里

21、,存在著許多交叉學(xué)科的前沿課題有待人們研究.國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)均開展了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性問題的研究,并取得了不少可喜成果.5.9設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)建模、仿真和CAD是一種新的設(shè)計(jì)研究工具.為了仿真電源系統(tǒng),首先要建立仿真模型,包括電力電子器件、變換器電路、數(shù)字和模擬限制電路以及磁元件和磁場(chǎng)分布模型等,還要考慮開關(guān)管的熱模型、可靠性模型和EMC模型.各種模型差異很大,建模的開展方向是數(shù)字一模擬混合建模、混合層次建模以及將各種模型組成一個(gè)統(tǒng)一的多層次模型等.電源系統(tǒng)的CAD,包括主電路和限制電路設(shè)計(jì)、器件選擇、參數(shù)最優(yōu)化、磁設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、EMI設(shè)計(jì)和印制電路板設(shè)計(jì)、可靠性預(yù)估、計(jì)算機(jī)輔助綜

22、合和優(yōu)化設(shè)計(jì)等.用基于仿真的專家系統(tǒng)進(jìn)行電源系統(tǒng)的CAD,可使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能最優(yōu),減少設(shè)計(jì)制造費(fèi)用,并能做可制造性分析,是21世紀(jì)仿真和CAD技術(shù)的開展方向之一.此外,電源系統(tǒng)的熱測(cè)試、EMI測(cè)試、可靠性測(cè)試等技術(shù)的開發(fā)、研究與應(yīng)用也是應(yīng)大力開展的.5. 10系統(tǒng)集成技術(shù)電源設(shè)備的制造特點(diǎn)是非標(biāo)準(zhǔn)件多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、本錢高、可靠性低等,而用戶要求制造廠生產(chǎn)的電源產(chǎn)品更加實(shí)用、可靠性更高、更輕小、本錢更低.這些情況使電源制造廠家承受巨大壓力,迫切需要開展集成電源模塊的研究開發(fā),使電源產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可制造性、規(guī)模生產(chǎn)、降低本錢等目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn).實(shí)際上,在電源集成技術(shù)的開展進(jìn)程中,

23、已經(jīng)經(jīng)歷了電力半導(dǎo)體器件模塊化,功率與限制電路的集成化,集成無(wú)源元件包括磁集成技術(shù)等開展階段.近年來(lái)的開展方向是將小功率電源系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上,可以使電源產(chǎn)品更為緊湊,體積更小,也減小了引線長(zhǎng)度,從而減小了寄生參數(shù).在此根底上,可以實(shí)現(xiàn)一體化,所有元器件連同限制保護(hù)集成在一個(gè)模塊中.六、弁聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源開關(guān)穩(wěn)壓電源分為串、并聯(lián)型二種,下面注重并聯(lián)型.6. 1結(jié)構(gòu)并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖如圖61所示.它是由開關(guān)晶體管V和二級(jí)管Vd及儲(chǔ)能電感L、濾波電容C組成的.除此以外,通常還有較為復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)節(jié)電路、保護(hù)電路、基準(zhǔn)電路以及構(gòu)成閉環(huán)回路中的取樣電路、放大電路和耦合電路等各個(gè)局部,如

24、VIAt%A.ht-口qL1一一一_-A._J1cCC一圖61并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源原理圖及波形圖集電極輸出型;(b)發(fā)射極輸出型;(c)發(fā)射極輸出型電路的電流、電壓波形用來(lái)對(duì)輸出電壓的在大小以及特性進(jìn)行限制和調(diào)節(jié).圖61(a)是集電極輸出式并聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖.圖6-1(b)是發(fā)射極輸出式并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖,從形式看,它們之間的差別只是把圖中的開關(guān)晶體管V與儲(chǔ)能電感L的位置進(jìn)行互換.從輸出特性上看,它們的輸出電壓的極性剛好相反.以上只畫出了發(fā)射極輸出型電路各點(diǎn)的電流、電壓波形圖；下面講述并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理.6. 2工作原理設(shè)開關(guān)晶體管V的開關(guān)轉(zhuǎn)換周期T,導(dǎo)通期的時(shí)間為to

25、n,截止期的時(shí)間為toff,占空比為5(S=ton/T).其工作原理如下：當(dāng)開關(guān)晶體管V處于導(dǎo)通期間,輸出電壓Ui加到儲(chǔ)能電感L的兩端,忽略V的飽和和壓降,二極管Vd因被反向偏置截止.在此期間流過L的電流iL為近似線性地增加的鋸齒波電流如6-1(C),并以磁能的形式儲(chǔ)存在L中.在這期間電流iL的變化值為當(dāng)開關(guān)晶體管V截止時(shí),儲(chǔ)能電感L兩端的電壓極性相反,此時(shí)二極管Vd被正向偏置而導(dǎo)通.儲(chǔ)存在L中的能量通過二極管Vd輸送給負(fù)載電阻Rl和濾波電容C.在此期間,L中的泄放電流iL是鋸齒波電流的線性下降局部,如出6-1(b),這期間電流iL的變化值為同理,當(dāng)開關(guān)晶體管V導(dǎo)通期間在儲(chǔ)能電感L中增加的電流

26、數(shù)值應(yīng)該等于開關(guān)管V截止期間在儲(chǔ)能電感L中減少的電流值.只有這樣才能到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡,才能給負(fù)載電阻Rl提供一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓,因此就有將ton=TS和toff=T(1-S)代入得(1) 限制開關(guān)晶體管V基極鼓勵(lì)脈沖的占空比S,就可以克服由于電網(wǎng)電壓或輸入電壓的變化或其它參數(shù)的變化而對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出電源輸出電壓的影響,能夠起到降低輸出電壓波紋,穩(wěn)定輸出電壓的作用.從后面的實(shí)用電路中可以看到,它們都是采用取樣、放大、比擬、反應(yīng)等環(huán)節(jié)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)占空比S的限制的.(2) 由于以上式中的占空比S總是小于1的,所以輸出電壓U總是大于輸入電壓Ui,這樣就形成了升壓式開關(guān)穩(wěn)壓電源.(3) 在串

27、聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理中,有三種方法可以改變占空比S,而在并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源中也可以采用這三種方法對(duì)占空比S進(jìn)行調(diào)節(jié).所以,并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源同樣也調(diào)寬型、調(diào)頻型和混合型三種形式.(4) 在吞并穩(wěn)壓電源的工作原理中,不管是串聯(lián)還是并聯(lián)型電路,它們的工作都是靠開關(guān)晶體管V基極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)使開關(guān)晶體管V啟動(dòng),而工作于導(dǎo)通與截止的開關(guān)狀態(tài)的.這樣,我們就可以在其輸出端加一取樣電路,將輸出電流Io和電壓Uo的變化量取出,再進(jìn)行放大、比擬后,形成一個(gè)與輸出電流和電壓有關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)限制和驅(qū)動(dòng)開關(guān)晶體管V的工作.如果輸出端出現(xiàn)短路而造成過流現(xiàn)象或者由于其它原因而造成輸出端過壓現(xiàn)象時(shí),可以使加于開關(guān)晶體管

28、V基極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)將開關(guān)管V關(guān)斷,并處于截止?fàn)顟B(tài),使開關(guān)穩(wěn)壓電源停止工作.這樣既保護(hù)開關(guān)穩(wěn)壓電源本身免遭損壞,又保護(hù)了供電負(fù)載系統(tǒng)免受損壞.七、弁聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)教程是相同的,也是討論對(duì)開關(guān)晶體管V、二極管VD、儲(chǔ)能電感L和濾波電容C的選擇.7. 1開關(guān)晶體管V的選擇7. 1.1集電極電壓的選擇從圖61所示的并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖中可見,開關(guān)晶體管V上所承受的最大電壓Uie又從輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系式為Ui=Uo(1-S)/S.考慮到輸入電壓有10%的波動(dòng),電感L的反峰尖刺電壓為穩(wěn)壓值的20%.開關(guān)晶體管V上所承受的電壓實(shí)際為1

29、.1*1.2Ui=1.3Ui.通常選擇管子時(shí)要有一定的裕量,所以取其工作電壓80%的額定電壓值,那么有1.32Ui=0.8Uceio得到Uceo為L(zhǎng)32“H匚力1.65113)卬=飛下"'=1'65乜=&這就是設(shè)計(jì)并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí),選擇開關(guān)晶體管V的集電極電壓Uceo值應(yīng)遵循的關(guān)系式.7. 1.2集電極電流的計(jì)算從并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理可見：在晶體管導(dǎo)通期間,流過開關(guān)晶體管V的電流也就是在高度該期間流過儲(chǔ)能電感L中的電流,也就是輸入電流I.如果不考慮電路中的其它耗散功率的話,那么就會(huì)有：1*/.1-/在選擇管子時(shí),也要留有一定的裕量,應(yīng)把工作電流取為

30、80%的額定電流值,這樣式改為0.st=/,=/*IfA/f25/,噴=1德曰7.1.3集電極耗散Pc的計(jì)算.開關(guān)晶體管在導(dǎo)通期間的直流平均損耗功率為在截止期間.由于集電極電流很小,可以認(rèn)為這個(gè)時(shí)期的集電極損耗功率是零.在開與關(guān)的轉(zhuǎn)換過程中,各種重疊損耗是直流平均損耗,因此就可以得到開關(guān)晶體管V的集電極功耗為-=-17-=r7.2二極管VD的選擇7.2.1 反向電壓的計(jì)算.在開關(guān)晶體管V導(dǎo)通期間,二極管VD因反向偏置而截止,此時(shí)VD上所承受的電壓為輸出電壓UV的正向飽和壓降被忽略.此外,在選擇二極管時(shí),都留有一定的裕量,一般留20%的裕量,所以二極管VD的反向耐壓應(yīng)為1"25Uu7.

31、2.2 正向?qū)娏鱅d的計(jì)算在開關(guān)晶體管V截止期間,二極管VD導(dǎo)通,流過二極管VD的電流Id正好就是輸入電流Ie,也就是在這期間流過儲(chǔ)能電感L的電流Il,因而/乩“r.考慮到二極管VD為發(fā)熱器件,同時(shí)二極管的發(fā)熱溫度與流過的大小關(guān)系很大,所以,在選擇二極管的工作電流應(yīng)留有較大的裕量,通常選裕量為50%,因而有0-*77='U.1d解式可得出二極管VD的正向?qū)娏鱅d為一一前一人1一萬(wàn)7.3濾波電容C的選擇7.3.1 電容量的計(jì)算并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源到達(dá)穩(wěn)態(tài)后,輸出電壓穩(wěn)定在所設(shè)計(jì)的恒定電壓值Uo上,輸出直流電流為Io.由于在開關(guān)管V導(dǎo)通期間全部負(fù)載電阻Rl上的電流Io都是由電容C供應(yīng)的,所以這時(shí)這時(shí)電容C上的電流就等于電源的輸出電流Iv,并且在這期間電容C上的電壓變化量為輸出電壓的波紋電壓值A(chǔ)U.,此時(shí)就有如下關(guān)系式僅廠=區(qū)="x"CC從上式就能計(jì)算出所選擇的濾