功率電子的設(shè)計(jì)ppt課件

1、 2019年大學(xué)生電子競(jìng)賽培訓(xùn)功率電子電路設(shè)計(jì)功率電子電路設(shè)計(jì)主講：蔣主講：蔣 守守 光光電子實(shí)驗(yàn)中心電子實(shí)驗(yàn)中心第 五 部 份 開(kāi) 關(guān) 電 源 設(shè) 計(jì) 實(shí) 例2019年大學(xué)生電子競(jìng)賽培訓(xùn)開(kāi)關(guān)電源是具有最高功率密度的電源，按變換方式可分為以下四大類：1、第一大類：AC/DC開(kāi)關(guān)電源；2、第二大類：DC/DC開(kāi)關(guān)電源；3、第三大類：DC/AC開(kāi)關(guān)電源；4、第四大類：AC/AC開(kāi)關(guān)電源。但目前只將前兩類稱為開(kāi)關(guān)電源，而將后兩類分別稱為逆變器和變頻器。一、概 述 目前，開(kāi)關(guān)頻率已從20kHZ左右提高到幾百千赫至幾兆赫。與此同時(shí)，供開(kāi)關(guān)電源運(yùn)用的元器件也獲得長(zhǎng)足開(kāi)展。MOS功率開(kāi)關(guān)管(MOS-FET)

2、 ,肖特基二極管(SBD) ,超快恢復(fù)二極管(SRD),瞬態(tài)電壓制制器(TVS), 壓敏電阻器(VSR),熔斷電阻器(FR)、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲(RF),線性光耦合器、可調(diào)式精細(xì)并聯(lián)穩(wěn)壓器(TL431) ,電磁干擾濾波器(EMI Filter),高導(dǎo)磁率磁性資料、由非晶合金制成的磁珠magnetic bead )、三重絕緣線(Triple Insulated dire )、玻璃珠(glass beads )膠合劑等一大批新器件、新資料正被廣泛采用。一切這些，都為開(kāi)關(guān)電源的推行與普及提供了必要條件。 二、開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的根本任務(wù)原理二、開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的根本任務(wù)原理開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調(diào)寬式(P

3、WM)和調(diào)頻式(PFM)、混合調(diào)制方式。在實(shí)踐的運(yùn)用中，調(diào)寬式運(yùn)用得較多，在目前開(kāi)發(fā)和運(yùn)用的開(kāi)關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。 對(duì)于單極性矩形脈沖來(lái)說(shuō)，其直流平均電壓Uo取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓。可由公式計(jì)算， 即Uo=UmT1/T 式中Um為矩形脈沖最大電壓值；T為矩形脈沖周期；T1為矩形脈沖寬度。從上式可以看出，當(dāng)Um 與T 不變時(shí)，直流平均電壓Uo 將與脈沖寬度T1 成正比。這樣，只需我們?cè)O(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以到達(dá)穩(wěn)定電壓的目的。 三、開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的原理電路三、開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的原理電路 1、根本電路框圖

4、 實(shí)踐電路由進(jìn)線濾波器、整流器、功率要素校正電路 PFC 、 DC / DC 變換器等四部分組成。進(jìn)線濾波器的作用是不讓外線的開(kāi)擾進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源，同時(shí)也使開(kāi)關(guān)電源的高頻脈沖不能進(jìn)入外線，即應(yīng)具備雙向?yàn)V波功能。功率要素校正電路的主要作用是提高開(kāi)關(guān)電源的功率要素，由于開(kāi)關(guān)電源的功率要素較低，普通在 0.6 一 0.7 的范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò) PFC 電路的校正后，可到達(dá) 0. 95 以上。交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動(dòng)成份的直流電壓，該電壓進(jìn)人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枨蟮闹绷麟妷骸？刂齐娐窞橐幻}沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、

5、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開(kāi)關(guān)電源用集成電路。控制電路用來(lái)調(diào)整高頻開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間比例，以到達(dá)穩(wěn)定輸出電壓的目的。 單端反激式開(kāi)關(guān)電源 電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅任務(wù)在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激，是指當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1 導(dǎo)通時(shí)，高頻變壓器初級(jí)繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管VD1處于截止形狀，在初級(jí)繞組中儲(chǔ)存能量。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，變壓器初級(jí)繞組中存儲(chǔ)的能量，經(jīng)過(guò)次級(jí)繞組及VD1 整流和電容濾波后向負(fù)載輸出。 單端反激式開(kāi)關(guān)電源是一種本錢最低的電源電路，輸出功率為20100，可以同時(shí)輸出不同的電壓，且有較好的電壓調(diào)整率。獨(dú)一的缺陷

6、是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對(duì)固定的負(fù)載。 單端反激式開(kāi)關(guān)電源運(yùn)用的開(kāi)關(guān)管VT1 接受的最大反向電壓是電路任務(wù)電壓值的兩倍，任務(wù)頻率在20200kHz之間。單端正激式開(kāi)關(guān)電源 這種電路在方式上與單端反激式電路類似，但任務(wù)情形不同。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，VD2也導(dǎo)通，這時(shí)電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量，濾波電感儲(chǔ)存能量；當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管VD3 繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。 在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管VD1，它可以將開(kāi)關(guān)管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件，即磁通建立和復(fù)位時(shí)間應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于。由于這種電路在開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，經(jīng)過(guò)

7、變壓器向負(fù)載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出50200 的功率。電路運(yùn)用的變壓器構(gòu)造復(fù)雜，體積也較大，正由于這個(gè)緣由，這種電路的實(shí)踐運(yùn)用較少。自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源這是一種利用間歇振蕩電路組成的開(kāi)關(guān)電源，也是目前廣泛運(yùn)用的根本電源之一。 當(dāng)接入電源后在R1給開(kāi)關(guān)管VT1提供啟動(dòng)電流，使VT1開(kāi)場(chǎng)導(dǎo)通，其集電極電流Ic在L1中線性增長(zhǎng)，在L2 中感應(yīng)出使VT1 基極為正，發(fā)射極為負(fù)的正反響電壓，使VT1 很快飽和。與此同時(shí)，感應(yīng)電壓給C1充電，隨著C1充電電壓的增高，VT1基極電位逐漸變低，致使VT1退出飽和區(qū)，Ic 開(kāi)場(chǎng)減小，在L2 中感應(yīng)出使VT1 基極為負(fù)、發(fā)射極為正的電壓，使VT1 迅速

8、截止，這時(shí)二極管VD1導(dǎo)通，高頻變壓器初級(jí)繞組中的儲(chǔ)能釋放給負(fù)載。在VT1截止時(shí)，L2中沒(méi)有感應(yīng)電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng)R1給C1反向充電，逐漸提高VT1基極電位，使其重新導(dǎo)通，再次翻轉(zhuǎn)到達(dá)飽和形狀，電路就這樣反復(fù)振蕩下去。這里就像單端反激式開(kāi)關(guān)電源那樣，由變壓器的次級(jí)繞組向負(fù)載輸出所需求的電壓。自激式開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)管起著開(kāi)關(guān)及振蕩的雙重作用，也省去了控制電路。電路中由于負(fù)載位于變壓器的次級(jí)且任務(wù)在反激形狀，具有輸入和輸出相互隔離的優(yōu)點(diǎn)。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。推挽式開(kāi)關(guān)電源 它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯任務(wù)在磁滯回線的兩側(cè)。電路運(yùn)用兩個(gè)開(kāi)關(guān)管VT1和V

9、T2，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管在外鼓勵(lì)方波信號(hào)的控制下交替的導(dǎo)通與截止，在變壓器次級(jí)繞組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枨蟮闹绷麟妷骸?這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開(kāi)關(guān)管容易驅(qū)動(dòng)，主要缺陷是開(kāi)關(guān)管的耐壓要到達(dá)兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，普通在100-500 范圍內(nèi)。 降壓式開(kāi)關(guān)電源 當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1 導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1 截止，輸人的整流電壓經(jīng)VT1和L向充電，這一電流使電感中的儲(chǔ)能添加。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，經(jīng)負(fù)載RL和續(xù)流二極管VD1釋放電感中存儲(chǔ)的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在VT1基極上的脈沖寬度確定。這種電路運(yùn)用元件少，這種電路運(yùn)用元件少，它同下

10、面引見(jiàn)的另外它同下面引見(jiàn)的另外兩種電路一樣，只需兩種電路一樣，只需求利用電感、電容和求利用電感、電容和二極管即可實(shí)現(xiàn)。二極管即可實(shí)現(xiàn)。 升壓式開(kāi)關(guān)電源當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，電感儲(chǔ)存能量。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1 截止時(shí)，電感感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，構(gòu)成升壓式開(kāi)關(guān)電源。反轉(zhuǎn)式開(kāi)關(guān)電源這種電路又稱為升降壓式開(kāi)關(guān)電源。無(wú)論開(kāi)關(guān)管VT1之前的脈動(dòng)直流電壓高于或低于輸出端的穩(wěn)定電壓，電路均能正常任務(wù)。 當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，電感L 儲(chǔ)存能量，二極管VD1 截止，負(fù)載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感中的電流繼續(xù)

11、流通，并感應(yīng)出上負(fù)下正的電壓，經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，同時(shí)給電容充電。 以上引見(jiàn)了脈沖寬度調(diào)制式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的根本任務(wù)原理和各種電路類型，在實(shí)踐運(yùn)用中，會(huì)有各種各樣的實(shí)踐控制電路，但無(wú)論怎樣，也都是在這些根底上開(kāi)展出來(lái)的。四、開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)例如(一) ：UC3843 組成小功率開(kāi)關(guān)電源 1、UC3843的主要特性圖1是UC3842-UC3845的外形圖。UC3843是近年來(lái)問(wèn)世的新型脈寬調(diào)制集成電路，它具有功能全，任務(wù)頻率高，引腳少外圍元件簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，它的電壓調(diào)整率可達(dá)0.01%V，非常接近線性穩(wěn)壓電源的調(diào)整率。任務(wù)頻率可達(dá)500kHz，啟動(dòng)電流僅需1mA，所以它的啟動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單。UC384

12、3有4種封裝方式，一種是14pin雙列直插和SOP-14，另一種是8pin雙列直插和SOP-8。我們以最簡(jiǎn)的8pin封裝簡(jiǎn)述其任務(wù)原理。第(1)腳是補(bǔ)償端，外接電阻電容元件以補(bǔ)償誤差放大器的頻率特性。第(2)腳是反響端，將取樣電壓加至誤差放大器的反相輸入端，再與同相輸入端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)展比較，輸出誤差控制電壓。第(3)腳接過(guò)流檢測(cè)電阻,組成過(guò)流維護(hù)電路。RT/CT為鋸齒波振蕩器的定時(shí)電阻和電容的公共端，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為VREF=5V。輸入電壓Vi30V，輸出端電壓Vo取決于高頻變壓器的變壓比。2、UC3843的任務(wù)原理 UC3843是這個(gè)開(kāi)關(guān)的電源的中心元件，它產(chǎn)生脈寬可調(diào)而頻率固定的脈沖輸出，推

13、進(jìn)開(kāi)關(guān)功率管的導(dǎo)通和截止，經(jīng)過(guò)高頻變壓器換能將電壓輸出到次級(jí)繞組上，再經(jīng)整流和濾波向負(fù)載提供直流電源，電源兼反響繞組獲得的控制電壓同時(shí)輸入U(xiǎn)C3843的誤差放大器，與基準(zhǔn)電壓比較產(chǎn)生控制電壓，控制輸出脈寬的占空比，從而到達(dá)穩(wěn)壓目的。 3、UC3843的任務(wù)電路分析220V交流輸入電壓經(jīng)過(guò)EMI濾波電路進(jìn)入整流電路。EMI電路的作用有二，一是防止電源本身的電磁干擾脈沖經(jīng)過(guò)傳導(dǎo)或輻射方式干擾公共線路上的其他電器設(shè)備。二是防止公共線路上的電磁脈沖干擾電源本身的任務(wù)。這部分電路在開(kāi)關(guān)電源中是必需的，假設(shè)忽略這部分電路，將不能經(jīng)過(guò)電磁兼容性認(rèn)證如中國(guó)的“3C和歐洲的CE認(rèn)證。整流后的脈動(dòng)直流電由濾波電容

14、濾波后獲得約300V左右的直流電壓，經(jīng)過(guò)R4向UC3843提供約16V的啟動(dòng)電壓，其中Fuse是過(guò)流或短路保險(xiǎn)絲。 UC3843得到啟動(dòng)電壓后即開(kāi)場(chǎng)任務(wù)，輸出一定寬度的脈沖控制驅(qū)動(dòng)功率管的導(dǎo)通和截止。由繞組N2獲得的高頻電壓經(jīng)整流濾波后作為UC3843的任務(wù)電源，同時(shí)采樣電壓也取自這個(gè)繞組的電壓。從而省去了光電耦合的負(fù)反響控制電路，使電路更加簡(jiǎn)約。R2、C3用于改善誤差放大器的頻率呼應(yīng)，R1是斜波補(bǔ)償電容，R10和C5是UC3843的定時(shí)電阻和電容，假設(shè)R10=10k，C5=4700p，開(kāi)關(guān)頻率約為40KHz。R11是過(guò)流檢測(cè)電阻，R6是功率管柵極的限流電阻。4、元器件的選擇和制造 高頻變壓器

15、是開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵元件，其設(shè)計(jì)和繞制工藝很大程度上決議開(kāi)關(guān)電源的特性甚至制造的成敗，對(duì)于15W左右的開(kāi)關(guān)電源，可選取EE-20的磁芯，資料可選MXO-2000導(dǎo)磁率為u=2000H/m，飽和磁通密度bs=400mT，最高任務(wù)頻率可達(dá)500kHz，繞組參數(shù)參考電路圖中的標(biāo)注。漆包線的線經(jīng)及并繞股數(shù)普通應(yīng)視輸出電流而定，通常電流密度取J=2A/m2，但最大不超越2A/m2。防止出現(xiàn)磁飽和而燒毀開(kāi)關(guān)管，磁芯間隙應(yīng)有0.2-0.8mm，可采取墊上數(shù)層絕緣資料處理。開(kāi)關(guān)功率管可采用高頻特性好，低內(nèi)阻的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，由于開(kāi)關(guān)管任務(wù)于300V的電壓，思索到高頻變壓器的反向電動(dòng)勢(shì)約有200多伏，線圈漏感引起的尖

16、峰電壓約有200V，所以功率管的反向擊穿電壓應(yīng)選用大于800V的高反壓場(chǎng)效應(yīng)管，功率管的最大漏極電流應(yīng)思索整個(gè)電源的輸出功率，在這個(gè)電源中，輸出功率較小，可選用價(jià)廉的2Sk2067。同時(shí)功率管上應(yīng)安裝適宜的散熱器。 由于開(kāi)關(guān)電源的任務(wù)頻率較高，二極管應(yīng)選用高頻特性好的肖特基快恢復(fù)二極管，如UF4007、FR107等元件。濾波電容的容量根據(jù)電源的輸出功率而定。這里選22uF/400V電容即可，但必需選用質(zhì)量好的元件。 任務(wù)頻率不要選用太高，由于自制的高頻變壓器工藝難以保證，高頻特性欠佳，頻率太高能夠會(huì)導(dǎo)致電源無(wú)法任務(wù)。普通可選40KHz左右為宜。 調(diào)試時(shí)，可用示波器但需思索電源和設(shè)備間的共“地問(wèn)

17、題，以免發(fā)生短路景象察看UC3843的第40腳的波形，正常時(shí)應(yīng)有1.5Vp-p的矩形脈沖，占空比隨輸入電壓和帶負(fù)載情況而定。第(6)為占空比可變的矩形波，幅度約為16V。經(jīng)過(guò)察看這些引腳的電壓及波形，從而了解開(kāi)關(guān)電源的任務(wù)情況。四、開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)例如(二) ：UC3843 組成小功率開(kāi)關(guān)電源(TL431+光耦)設(shè)計(jì)步驟 設(shè)計(jì)步驟: 繪線路圖、PCB Layout. 變壓器計(jì)算. 零件選用. 設(shè)計(jì)驗(yàn)證. 祥見(jiàn)(word文檔)1 簡(jiǎn)易型開(kāi)關(guān)電源 由TEA1520系列構(gòu)成的簡(jiǎn)易型開(kāi)關(guān)電源電路四、開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)例如(三) ：TEA1520系列單片開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 為防止剛上電時(shí)輸入濾波電容的充電電流過(guò)大，在

18、交流電源輸入端串聯(lián)了一只負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻R1NTC。BR為整流橋。由C1、L和C2構(gòu)成型濾波器。交流電源電壓u經(jīng)過(guò)整流濾波后獲得直流高壓UI，給高頻變壓器一次側(cè)供電。由VDZ和VD1構(gòu)成的鉗位維護(hù)電路，可將漏感產(chǎn)生的尖峰電壓衰減到平安范圍內(nèi)，防止損壞芯片。二次繞組電壓經(jīng)過(guò)VD3、C5整流濾波后，獲得輸出電壓UO。反響繞組電壓UF分成兩路：第一路經(jīng)過(guò)VD2、R2、C3整流濾波后，給TEA1520提供電源電壓UCC，再經(jīng)過(guò)R3、R4分壓后得到反響電壓UREG，加至TEA1520的腳4；另一路那么經(jīng)過(guò)退磁電阻RAUX接腳5。R5和C4分別為振蕩電阻、振蕩電容。RI是過(guò)流檢測(cè)電阻，利用過(guò)流維護(hù)電路

19、可限制漏極電流不超越極限值。C6為平安電容。 2、 精細(xì)開(kāi)關(guān)電源 當(dāng)配80276V交流電源時(shí)，最大輸出功率可達(dá)7W。與簡(jiǎn)易電路相比主要有以下區(qū)別： 1電路中添加了由可調(diào)式并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431和光耦合器SFH61062組成的光耦反響式電路； 2輸出級(jí)采用兩級(jí)濾波器，第一級(jí)濾波器由C3構(gòu)成，第二級(jí)濾波器由L2、C4構(gòu)成，亦稱后置濾波器，可進(jìn)一步濾除紋波電壓； 3在UCC-REG端之間并聯(lián)一只反向擊穿電壓為22V的1N6008B型穩(wěn)壓管，一旦UCC22V，可起到鉗位維護(hù)作用。 一次側(cè)的鉗位維護(hù)電路由VDZ1和VD1所組成。其中，VDZ1為BZD27C160型瞬態(tài)電壓制制器，可直接用P6KE160或者

20、P6KE200來(lái)替代。阻塞二極管VD1實(shí)選BYD37J型600V1.5A快恢復(fù)二極管，亦可選UF4005型600V1A的超快恢復(fù)二極管，VD3采用STPS340U型400V3A的肖特基二極管。SFH61062型光耦合器亦可用PC817A來(lái)替代。高頻變壓器采用EE13型磁芯，一次繞組匝數(shù)NP=134匝，其電感量LP=1.8mH。二次繞組匝數(shù)NS=8匝，反響繞組匝數(shù)NF=22匝。 該電源具有良好的穩(wěn)壓性能。假設(shè)當(dāng)UO降低時(shí)，經(jīng)過(guò)R5、R6分壓后得到取樣電壓，與TL431內(nèi)部的2.50V基準(zhǔn)電壓進(jìn)展比較之后，使K點(diǎn)電位升高，LED的任務(wù)電流減小，再經(jīng)過(guò)光耦合器使UREG升高，令TEA1522T的輸出

21、占空比增大，迫使UO升高，恢復(fù)到穩(wěn)定值，從而到達(dá)了穩(wěn)壓的目的。RI為過(guò)流檢測(cè)電阻，RAUX為退磁電阻。R7和R8是LED的限流電阻。R7還與C8構(gòu)成濾波器，可濾除高頻干擾。C7可適當(dāng)降低誤差放大器在高頻端的增益，防止出現(xiàn)自激振蕩。R9和C10用以改善誤差放大器的瞬態(tài)呼應(yīng)。C11為平安電容，可以濾除由一次、二次繞組間分布電容產(chǎn)生的噪聲電壓。 當(dāng)u=75275V時(shí)，實(shí)測(cè)空載時(shí)的待機(jī)功耗PD與電源電壓u的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖1可見(jiàn)，PD最大不超越63mW，遠(yuǎn)低于100mW，這是TEA1520系列產(chǎn)品的一大特點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電源輸出功率PO與開(kāi)關(guān)頻率f的關(guān)系曲線如圖2所示，不難看出，在小功率輸出時(shí)，開(kāi)關(guān)頻

22、率隨著輸出功率的減小而迅速降低，這是此系列產(chǎn)品的另一顯著特點(diǎn)。 圖1 待機(jī)功耗與電源電壓的關(guān)系曲線 圖2 輸出功率與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系曲線 五、2019年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽 E題一開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)1、框圖：主要包含2個(gè)部分:DC -DC變換，MCU控制。 采用帶變壓器的開(kāi)關(guān)電源，由于采用了變壓器，可以做到輸入輸出電壓寬，占空比適宜。由于思索功率和效率，采用雙管推挽自耦變壓器，兩管輪番導(dǎo)通，這樣對(duì)開(kāi)關(guān)器件的要求就會(huì)降低，且全波整流紋波系數(shù)低，推挽任務(wù)應(yīng)選用有雙輸出的TL 494芯片。2、整機(jī)電路六、進(jìn)線濾波器 1、進(jìn)線濾波器 電磁干擾濾波器亦稱 EMI濾波器，電網(wǎng)干擾噪聲可分為兩大類：一類是從電源進(jìn)

23、線引入的外界干擾，另一類是由電子設(shè)備產(chǎn)生并經(jīng)電源線傳導(dǎo)出去的干擾噪聲。這闡明它屬于雙向干擾信號(hào)，電子設(shè)備既是噪聲干擾的對(duì)象，又是一個(gè)噪聲源。假設(shè)從構(gòu)成特點(diǎn)看，噪聲干擾分差模干擾與共模干擾兩種。差模干擾是兩條電源線之間簡(jiǎn)稱線對(duì)線的噪聲，共模干擾那么是兩條電源線對(duì)大地簡(jiǎn)稱線對(duì)地的噪聲。因此，電磁干擾濾波器應(yīng)符合電磁兼容性 EMC 的要求，也必需是雙向射頻濾波器，一方面要濾除從交流電源線上引入的外部電磁干擾，另一方面還能防止本身設(shè)備向外部發(fā)出噪聲干擾，以免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常任務(wù)。此外，電磁干擾濾波器應(yīng)對(duì)差模、共模干擾都起到抑制造用。進(jìn)線干擾 開(kāi)關(guān)電源兩根交流進(jìn)線上存在共模干擾兩根交

24、流進(jìn)線上接納到的干擾信號(hào)，相對(duì)參考點(diǎn)大小相等、方向一樣，如電磁感應(yīng)和差模干擾兩根交流進(jìn)線上接納到的干擾信號(hào)相對(duì)參考點(diǎn)大小相等、方向相反，如電網(wǎng)電壓瞬時(shí)動(dòng)搖。兩種干擾以不同比例同時(shí)存在。開(kāi)關(guān)電源中，整流電路、開(kāi)關(guān)晶體管的電流電壓快速上升或下降，電感、電容的電流也迅速變化，這些都構(gòu)成電磁干擾源。為了減少干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)電網(wǎng)影響其他電子設(shè)備的正常任務(wù)，也為了減少干擾信號(hào)對(duì)本機(jī)音視頻信號(hào)的影響，需求在交流迸線側(cè)加裝進(jìn)線濾波器。濾波器由電感電容構(gòu)成。開(kāi)關(guān)電源的進(jìn)線濾波器下頁(yè)圖所示。2、電路分析 電路中 LF1 、 LF2 是共模扼流圈，在一個(gè)閉合高導(dǎo)磁率鐵芯上，繞制兩個(gè)繞向一樣的線圈。共模電流以一樣方向同時(shí)

25、流過(guò)兩個(gè)線圈時(shí)，兩線圈產(chǎn)生的磁通是一樣方向的，有相互加強(qiáng)的作用，使每一線圈的共模阻抗提高，共模電流大大減弱，對(duì)共模干擾有強(qiáng)的抑制造用。在差模干擾信號(hào)作用下，干擾電流產(chǎn)生方向相反的磁通，在鐵芯中相互抵消，使線圈電感幾乎為零，對(duì)差模信號(hào)沒(méi)有抑制造用。 LF1 、 LF2 與電容 CY1、 CY2 構(gòu)成共模干擾抑制網(wǎng)絡(luò)。 在差模干擾信號(hào)作用下，干擾電流產(chǎn)生方向相反的磁通，在鐵芯中相互抵消，使線圈電感幾乎為零，對(duì)差模信號(hào)沒(méi)有抑制造用。 LF1 、 LF2 與電容 CY1 、 CY2 構(gòu)成共模干擾抑制網(wǎng)絡(luò)。電路中 L1 是差模扼流圈，在高導(dǎo)磁率鐵芯上獨(dú)立繞線構(gòu)成，對(duì)高頻率差模電流和浪涌電流有極高的阻抗，

26、對(duì)低頻工頻電流的阻抗極小。電容 CX1 、 CX2 濾去差模電流，與L 1 構(gòu)成差模干擾抑制網(wǎng)絡(luò)。 R1 是 CX2 、 CX2 的放電電阻平安電阻，用于防止電源線拔插時(shí)電源線插頭長(zhǎng)時(shí)間帶電。平安規(guī)范規(guī)定，當(dāng)正在任務(wù)之中的電氣設(shè)備電源線被拔掉時(shí)，在兩秒鐘內(nèi)，電源線插頭兩端帶電的電壓或?qū)Φ仉娢槐匦栊∮谠瓉?lái)電壓的 30 。 需求特別提示，電容 CX 、 CY 為平安電容，必需經(jīng)過(guò)平安檢測(cè)部門認(rèn)證并標(biāo)有平安認(rèn)證標(biāo)志。 CY 電容普通采用耐壓為 AC275V 的陶瓷電容，但其真正的直流耐壓高達(dá) 4000V 以上。 C X電容普通采用聚丙烯薄膜介質(zhì)的無(wú)感電容，耐壓為 AC250v 或 AC275v ，但

27、其真正的直流耐壓達(dá) 2000V 以上，也不能隨意用 AC250V 或 AC400V 之類的電容來(lái)代用。 電容 C1 、 C2 的作用是濾去整流二極管兩端的高頻諧波電壓，高頻諧波電壓被 50 / 60HZ 信號(hào)調(diào)制后會(huì)對(duì)負(fù)載(伴音和圖像)呵斥干擾。 F1保險(xiǎn)絲， ZV1 是防雷擊元件。 根據(jù)電工學(xué)知識(shí)，在正弦交流電路中電阻上的電壓和電流同相，即波形一樣，電壓的幅度是電流幅度的 R 倍，電阻上耗費(fèi)的有功功率 P = Ul 。但是在電感或電容上的電壓和電流波形除了幅度不一致外，相位復(fù)原有 90 o 的相位差，它們耗費(fèi)的有功功率 P = 0 ，也就是說(shuō)它們?cè)陔娐分衅饍?chǔ)能作用并不耗能。對(duì)于電感線圈，當(dāng)經(jīng)

28、過(guò)其電流添加時(shí)，其所儲(chǔ)磁能也添加；當(dāng)經(jīng)過(guò)其電流減少時(shí)，向外電路放出磁場(chǎng)能量；對(duì)于電容器，當(dāng)其兩端電壓添加時(shí)，其所儲(chǔ)電能也添加，當(dāng)其兩端電壓流減小時(shí)，向外電路放出所儲(chǔ)電能。我們用無(wú)功功率 Q =UI，來(lái)表示電感或電容元件在電路中能量的交換作用。七、有源功率要素校正電路1 、功率因數(shù)的根本定義 對(duì)任一無(wú)源線性二端網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)電路的等效變換原理，總可以等效為一個(gè)電阻和一個(gè)電抗電感或電容元件相串聯(lián)的電路，即阻抗 Z = R + jX 。其中， R 為電阻， X 為電抗，設(shè)其上加的正弦電壓為 u ( t ) ，流過(guò)的正弦電流為 i ( t ) ，那么此正弦電壓和電流波形必然產(chǎn)生相位差 , 那么該電路的的有

29、功功率 P 和無(wú)功功率 Q 分別定義為 P = UICOS ， Q = UISIN，功率因數(shù) PF ( Power Factor 的根本定義是 PF = cos 式中，是正弦電流波形相對(duì)于電壓波形的相位差。只需當(dāng)負(fù)載呈電阻性時(shí)，電壓與電流波形同相， PF =1 。感性或容性負(fù)載時(shí) PF 小于 1 , 且負(fù)載的電抗成分愈大，功率因數(shù)值愈小。實(shí)踐工業(yè)用電中為了提高功率因數(shù)，常運(yùn)用補(bǔ)償法。如日光燈電路加接電容器來(lái)抵消鎮(zhèn)流器的電感分量，工廠的配電房，另配電容器柜來(lái)抵消眾多電機(jī)的的感性分量。這種方法稱為功率因數(shù)無(wú)源校正法。 下面引見(jiàn)的另一種情況，如常用的電子整流器，由于運(yùn)用了二極管的非線性整流和大容量的

30、電容濾波，使二極管的導(dǎo)通角大大小于 180o，只在電壓最大值附近導(dǎo)通，如圖 以下圖 所示。這樣就產(chǎn)生了大量的電流諧波成分，不僅功率因數(shù)低，而且還能夠經(jīng)過(guò)電源對(duì)其它用電器產(chǎn)生干擾。2、低功率因數(shù)電源存在的問(wèn)題 如有一家用電器實(shí)踐耗費(fèi)功率 220W ，因市電電壓額定值是 220 伏，當(dāng)功率要素 PF = 1 時(shí)，那么I= 1A ，這樣，從交流市電線路流入的電流為 1 安培。當(dāng)功率因數(shù) PF = 0.7 時(shí)，代人 P = Ulcos 式中，那么得到I=1.43A ，即此時(shí)從交流市電線路流入的電流為 1.43 安培，比原來(lái)的電流添加了 43 %。我們?cè)偎阋幌率须妭鬏斁€中的損耗：設(shè)傳輸線路電阻 ro =

31、 1 . 2 ，根據(jù)公式 P=I2 R ，當(dāng)功率要素 PF = 1 時(shí)，線路損耗是 1.2w ；當(dāng)功率要素 PF = 0.7 時(shí)，線路損耗是 2.4w ，線路損耗添加了一倍。可見(jiàn)功率要素提高電路對(duì)節(jié)約能源的重要作用。3 、有源功率要素校正根本原理 假設(shè)我們使橋式整流器的輸出電流的平均值和電壓的波型一樣，功率要素即可為 1 。如以下圖 所示的升壓轉(zhuǎn)換器得到了廣泛的采用。開(kāi)封鎖合使電流流入電感器，升壓電感儲(chǔ)能，負(fù)載電流由濾波電容供應(yīng)。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，升壓電感電流經(jīng)升壓二極管輸出到負(fù)載，并對(duì)濾波電容充電。由于電容經(jīng)過(guò)電感電流充電。此時(shí)的輸出電壓應(yīng)是橋式整流器輸出電壓與升壓電感壓降之和。使 FC 電路輸出電

32、壓比輸入電壓更高，且經(jīng)過(guò)升電感的電流由不延續(xù)變?yōu)檠永m(xù)，這樣就改動(dòng)了原來(lái)電流導(dǎo)通角小存在的問(wèn)題，并且使電流導(dǎo)通角的大小跟隨電壓的變化規(guī)律。 升壓型功率因數(shù)校正 PFC 原理表示圖需求闡明是：有源功率需求闡明是：有源功率因數(shù)校正電路構(gòu)造有降因數(shù)校正電路構(gòu)造有降壓式和升壓式兩種，因壓式和升壓式兩種，因降壓式功率大，很少采降壓式功率大，很少采用。用。4、功率因數(shù)校正 IC 一 MC33262 IC 一 MC33262 功率要素控制芯片，內(nèi)部有欠壓鎖定，過(guò)壓過(guò)流維護(hù)功能。對(duì)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)管有過(guò)流維護(hù)。可使功率要素大于 0 . 99 。 引腳功能圖 芯片 M33262 的任務(wù)原理 起動(dòng)電源由 R6 和芯片 8

33、 腳內(nèi)部電路分壓供應(yīng)，芯片任務(wù)后高頻電壓經(jīng)過(guò)干極管 D6 整流， C4 濾波后供應(yīng)。任務(wù)原理是：時(shí)鐘定時(shí)器加電后，開(kāi)場(chǎng)振蕩，輸出定時(shí)脈沖進(jìn)入 RS 鎖存器，其他各路控制信號(hào)也送入鎖存器，正常情況下鎖存器輸出脈沖使與門任務(wù)，輸出反相對(duì)稱脈沖，經(jīng)過(guò) Qa 和 Qb 放大后，從 7 腳輸出高頻驅(qū)動(dòng)脈沖，使 MOSFET 開(kāi)關(guān)管任務(wù)。 PFC 控制：是雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)是電流控制由 T 次感應(yīng)的電流從芯片 5 腳輸入，加到 RS 鎖存器輸入端；外環(huán)控制由 1 腳輸入 PFC 的反響信號(hào)和 3 腳輸入的整流器輸出的 100 赫茲脈動(dòng)直流電壓在乘法器內(nèi)相乘后加到電流檢測(cè)比較器的反相端，其電流檢測(cè)比較器的同相端

34、是從 4 腳輸入的鋸齒波電壓，電流檢測(cè)比較器的輸出決議于兩輸入端的相對(duì)電壓，只需當(dāng)反相端輸入電壓大于同相端的鋸齒波電壓才干有輸出，這樣 RS 鎖存器的轉(zhuǎn)換時(shí)間就得到了控制，即實(shí)現(xiàn)了 PFC 控制。 維護(hù)電路：欠壓鎖定：當(dāng)電源電壓很低時(shí)，使 8 腳的電壓低于 8V 時(shí)，進(jìn)入欠壓鎖定形狀，即欠壓放大器的輸入信號(hào)極性反轉(zhuǎn)，其輸出到與門，使與門輸出被鎖定，驅(qū)動(dòng)級(jí)因此無(wú)輸出；當(dāng) 8 腳電壓回到 13V 時(shí)，與門鎖定被解除。過(guò)壓維護(hù)： PFC 電路輸出電壓經(jīng)過(guò) R1 和 R2 分壓，從 1 腳進(jìn)入，當(dāng)過(guò)壓比較器的輸入電壓大于 1 . 08 時(shí)，輸出信號(hào)使芯片進(jìn)入過(guò)壓維護(hù)形狀，過(guò)流維護(hù)形狀：誤差信號(hào)取自 R

35、7 上的壓降，當(dāng)其大于 1 . 5V 時(shí)，電流檢測(cè)比較器的輸出經(jīng)過(guò) RS 鎖存器和與門，使芯片 7 腳無(wú)輸出。 PFC 電路 Tl 的初級(jí)是升壓電感， DS 是升壓二極管， C3 是濾波電容器， Q1 是 MOSFET 開(kāi)關(guān)二極管。第 六 部 份 功 率 放 大 器 設(shè) 計(jì)數(shù)字音頻(D類)功率放大器2019年大學(xué)生電子競(jìng)賽培訓(xùn)一、放大器的分類一 Class-A (甲類)放大器:效率約為20%一、放大器的分類二 Class-B (乙類)放大器:效率約為50%一、放大器的分類三 Class-AB (甲乙類)放大器:效率約為50%一、放大器的分類四 Class-A (甲類)放大器失真最小，靜點(diǎn)任務(wù)電

36、流最大，效率最低 Class-B (乙類)放大器失真較大，靜點(diǎn)任務(wù)電流最小，效率較高 Class-AB (甲乙類)放大器失真中等，靜點(diǎn)任務(wù)電流中等，效率中等 Class-C (丙類)放大器失真極大，主要用在射頻調(diào)諧放大器中 Class-D (D類)放大器或丁類放大器，不是任務(wù)點(diǎn)的不同，而是任務(wù)原理完全不同的新型放大器，也有人稱之為數(shù)字放大器二、D類放大器的任務(wù)原理 PWM脈寬調(diào)制的任務(wù)原理1、D類放大器的構(gòu)成鋸齒波發(fā)生器比較器輸入信號(hào)功放低通濾波脈寬調(diào)制信號(hào)2、D類放大器的原理圖一 單端輸出2、D類放大器的原理圖二 加負(fù)反響的D類放大器2、D類放大器的原理圖三 橋式輸出的D類放大器3、音頻D類

37、功放設(shè)計(jì) 1、鋸齒波發(fā)生器高速精細(xì)電壓比較器LM311與滿幅運(yùn)放TLC4502構(gòu)成的方波、三角波發(fā)生器 2、比較器： LM311單電源運(yùn)放，產(chǎn)生PWM信號(hào)。 3、前置放大器： TLC4502運(yùn)放。 4、驅(qū)動(dòng)：CD40106施密特觸發(fā)器將PWM信號(hào)整形，并將信號(hào)延時(shí)反相組成兩路分別送給兩組互補(bǔ)對(duì)稱射隨器由2sc8050(NPN)、2sc8550 (PNP)組成，構(gòu)成驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。 5、功放：H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路。用VMOSFET對(duì)管IRFD120，IRFD9120 6、低通濾波：Butterworth(兩級(jí)LC：22uH、1uF; 47uH、0.68uF) 請(qǐng)參考：P228242三、D類放大器的

38、性能極高的任務(wù)效率，在二十瓦以內(nèi)不需求散熱器最少的外部任務(wù)元件很小的總諧波失真THDN無(wú)外部濾波器時(shí)利用喇叭線圈作為濾波器會(huì)產(chǎn)生電磁波輻射干擾四、D類放大器的效率(一)末級(jí)晶體管任務(wù)于開(kāi)關(guān)形狀理想開(kāi)關(guān)效率為100截止時(shí)的損耗可以忽略主要為導(dǎo)通時(shí)的電阻Ron效率RL/(2Ron+RL)四、D類放大器的效率二主要由末級(jí)導(dǎo)通電阻值Ron決議假設(shè)負(fù)載電阻為4歐姆，導(dǎo)通電阻為0.1歐姆，那么效率為95假設(shè)導(dǎo)通電阻增大至0.3歐姆，負(fù)載電阻不變，那么效率降低為87四、D類放大器的效率三四、D類放大器的效率四由于放大器大多數(shù)時(shí)間任務(wù)于低輸出功率的形狀，所以D類放大器的效率平均比AB類放大器的效率高2.5到3

39、倍。這種高效率的特點(diǎn)決議了D類放大器特別適宜用于便攜式設(shè)備延伸電池壽命，不需求散熱器而減小體積和特大功率設(shè)備減小功耗中。五、D類放大器的失真一主要思索非線性失真或總諧波失真THDN。其產(chǎn)生是由于：采樣時(shí)的脈寬誤差和量化誤差驅(qū)動(dòng)管的死區(qū)和延時(shí)功放管的導(dǎo)通時(shí)間和體二極管恢復(fù)輸出濾波電感和電容的非線性六、D類放大器的失真二12/09/04 09:36:36THD+N vs Output Power (4 ohms,1kHz)THD+N_Po_4.at2cColorSweepTraceLine StyleThickDataAxisComment11RedSolid1Anlr.THD+N RatioLe

40、ftThe Analog Analyzer Function meter is in THD+N ratio mode. At low levels the noise floor accounts for the high percentage readings. As the signal level goes up the curve continues to fall if the DUT is noise limited or flattens out (usually with variation) if the DUT is distortion limited. An abru

41、pt upward kink at high levels indicates the onset of clipping.0.011000.020.050.10.20.5125102050%600u31m2m5m10m20m50m100m 200m500m12W典型的典型的THDN和輸出功率的關(guān)系和輸出功率的關(guān)系8歐姆，歐姆，1kHz,6V七、D類放大器的濾波一 末級(jí)晶體管輸出的是脈寬調(diào)制的矩形波 必需經(jīng)過(guò)低通濾波才干濾出音頻信號(hào) 動(dòng)圈式喇叭本身具有電感 假設(shè)采用較高的矩形波頻率就很容易濾除高頻七、D類放大器的濾波二 過(guò)高的矩形波頻率會(huì)導(dǎo)致效率降低，失真加大 無(wú)濾波器方案會(huì)在放大器和喇叭之間

42、的引線上引起較大的射頻輻射干擾 簡(jiǎn)單的濾波器就可以很好地處理射頻干擾問(wèn)題還可以提高效率七、D類放大器的濾波三開(kāi)關(guān)頻率開(kāi)關(guān)頻率1MHzL=10 uH, C=0.146uF開(kāi)關(guān)頻率開(kāi)關(guān)頻率1MHzL=5 uH, C=0.146uF八、D類放大器的芯片九、D類放大器的運(yùn)用手機(jī)極其有限的電池壽命極其有限的空間要求不高的音質(zhì)單聲道但必需防止射頻干擾九、D類放大器的運(yùn)用MP3播放器電池壽命短音質(zhì)要求高空間極其有限無(wú)射頻部分要有立體聲LCDDisplayCPUDSPUSBBatteryChargerBatteryDACNANDFlashVoltageRegulatorsClass-DAudioAmp.SDO

43、rCFUser keyWhiteLEDBacklight九、D類放大器的運(yùn)用便攜式DVD播放機(jī)有限電池壽命有限空間中等音質(zhì)要求立體聲無(wú)射頻部分MPEGDecoderDVDDriverCVBSProgressiveTV EncoderS-VideoFrame BufferROMAudio ProcessingClass-DAudioAmp.BatteryChargerBatteryVoltageRegulators九、D類放大器的運(yùn)用便攜式電視機(jī)模擬或數(shù)字式有限電池壽命有限空間音質(zhì)要求中等要有立體聲(喇叭或耳機(jī)有射頻部分To LCD PanelDigital YUV SignalAudio D/AMPEGDecoderRF TVTunerQAM/DMB-T/QPSKScaler