PWM開關(guān)電源設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

摘要開關(guān)電源舍棄了傳統(tǒng)電源采用工頻變壓器，電源中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，使整機(jī)效率很高。由于它具有體積小、重量輕和效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展非常迅速，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。本論文是結(jié)合當(dāng)前開關(guān)電源的發(fā)展趨勢設(shè)計(jì)完成的，搭建了反激式變換器主電路，設(shè)計(jì)了輸入整流器/濾波器部分、控制器、輸出整流和濾波電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、啟動(dòng)和集成供電電路和保護(hù)電路，再把這幾個(gè)部分結(jié)合起來，完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這個(gè)電路設(shè)計(jì)具有成本低、精度高的特點(diǎn)。UC3845是高性能固定頻率電流模式控制器。該集成電路的特點(diǎn)是，具有振蕩器、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器、電流取樣比較器和大電流圖騰柱輸出，是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的理想器件。這種開關(guān)電源可用于AV85～240V輸入的電子產(chǎn)品中。這種特殊的開關(guān)電源可以提供25～150W的輸出功率，可以用在辦公室小型分組交換機(jī)（PBX）等產(chǎn)品中。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；PWM；反激變換器AbstractTheswitchingpowersupplyhascancelledtheconversiondepressorthattraditionalpowersourcesadopt.Inpowersupply,electronicdeviceworksinsoftswitchcondition,sotheentireefficiencytobeveryhigh.Becausethevolumeissmall,theweightislightandtheefficiencyhighthusitdevelopsextremelyrapidly,theapplicationofthesoftswitchingpowersupplyexpandsdaybyday.Thispaperisacombinationofcurrenttrendsswitchingpowersupplydesigniscompleted,thepaperismainlybuiltusingfly-backconvertermaincircuit.Thedesignconsistsofsixparts:inputrectifier/filtersection,controller,outputrectifierandfiltercircuit,feedbacknetwork,start-upandintegratedpowersupplycircuitandprotectioncircuit,thenthesepartstogethertocompletethesystemdesign.Thecircuitdesignoflowcostandhighaccuracy.UC3845isahighperformancefixedfrequencycurrentmodecontroller.TheICfeatures,withtheoscillator,temperaturecompensatedreference,highgainerroramplifier,currentcomparatorandhighcurrentsamplingtotempoleoutput,isidealfordrivingpowerMOSFETdevices.ThisswitchingpowersupplycanbeusedforAV85~240Vinputofelectronicproducts.Thisparticularswitchingpowersupplycanprovide25~150Woutputpower,canbeusedintheofficeofsmallpacketswitches(PBX)andotherproducts.KeyWord：SwitchPowerSupply；PWM；Fly-backconverter目錄1緒論..............................................................................................................11.1開關(guān)電源的發(fā)展?fàn)顩r..........................................................................11.2我國開關(guān)電源歷程..............................................................................31.3開關(guān)電源的技術(shù)發(fā)展趨勢..................................................................41.4本文研究的目的..................................................................................62開關(guān)電源原理分析......................................................................................82.1開關(guān)電源基本工作原理......................................................................82.2開關(guān)電源的分類..................................................................................92.3開關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)............................................................................112.3.1開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)........................................................................112.3.2開關(guān)電源的缺點(diǎn)........................................................................122.4PWM開關(guān)電源的基本原理..................................................................133方案選擇與經(jīng)濟(jì)性分析............................................................................153.1電容充電器的種類介紹..................................................................153.2反激變換器工作原理........................................................................163.2.1DCM模式下的反激變換器原理與基本關(guān)系..............................183.2.2CCM模式下的基本原理與基本關(guān)系..........................................223.3其他各種隔離式變換器的工作原理與比較....................................243.3.1正激電路....................................................................................243.3.2推挽電路....................................................................................263.3.3半橋電路....................................................................................284電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)............................................................................................314.1技術(shù)指標(biāo)及主要參數(shù)計(jì)算................................................................314.2輸入整流器/濾波器部分的設(shè)計(jì)......................................................354.2.1EMI濾波器..................................................................................354.2.2浪涌抑制部分............................................................................364.2.3單相橋式整流電路和電容濾波電路........................................374.3控制器................................................................................................414.4反饋網(wǎng)絡(luò)............................................................................................474.5啟動(dòng)和集成供電電路的設(shè)計(jì)............................................................494.6保護(hù)電路............................................................................................50結(jié)論................................................................................................................53致謝................................................................................................................54參考文獻(xiàn)........................................................................................................551緒論1.1開關(guān)電源的發(fā)展?fàn)顩r開關(guān)電源屬于電力電子技術(shù)，他運(yùn)用功率變換器進(jìn)行電能變換，經(jīng)過變換電能，他可以滿足各種用電要求。開關(guān)電源是美國NASA用于宇宙火箭搭載電源目的而開發(fā)的。與線性電源相比開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制裝置、產(chǎn)業(yè)機(jī)械、通信裝置等各個(gè)領(lǐng)域。特別是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，開關(guān)電源的需求量不斷擴(kuò)大。隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，尤其是高性能的全控器件的產(chǎn)生，開關(guān)電源迎來了一個(gè)生機(jī)勃勃的春天。1955年美國的科學(xué)家羅耶首先研制成功了利用磁芯的飽和來進(jìn)行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后,利用這一技術(shù)的各種形式的晶體管直流變換器不斷地被研制和涌現(xiàn)出來,從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉(zhuǎn)換效率低的旋轉(zhuǎn)式或機(jī)械振子式的換流設(shè)備。由于變換器中的功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài),所以由此而制成的開關(guān)電源輸出的組數(shù)多、極性可變、效率高、體積小、重量輕,在當(dāng)時(shí)被廣泛地應(yīng)用于航天及軍事電子設(shè)備上。由于那時(shí)的微電子技術(shù)十分落后,不能制作出耐壓高、速度快、功率大的晶體管,所以這個(gè)時(shí)期的直流變換器只能采用低電壓輸入,并且轉(zhuǎn)換的速度也不能太高。60年代末,由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展,高反壓的晶體管出現(xiàn)了,從此以后直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流濾波后輸入,不再需要有降壓變壓器了,從而極大地?cái)U(kuò)大了開關(guān)電源的應(yīng)用范圍,并在此基礎(chǔ)上誕生了無工頻降壓變壓器開關(guān)電源,省掉了工頻降壓變壓器,使開關(guān)電源的體積和重量大為減小。開關(guān)穩(wěn)壓電源才真正做到效率高、體積小、重量輕。70年代以后,與該技術(shù)有關(guān)的高頻高反壓的大功率晶體管、場效應(yīng)管、高頻電容、肖特基二極管、高頻磁芯材料等元器件也不斷地被研制和生產(chǎn)出來,使這一技術(shù)得到了飛速的發(fā)展,并且被廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩色電視等領(lǐng)域中,從而使無工頻變壓器開關(guān)電源成為各種電源中的佼佼者。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展,集成度高、功能性強(qiáng)的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn),使得電子設(shè)備的體積在不斷地縮小,重量在不斷地減輕,所以從事這方面研究和生產(chǎn)的人們對電源中的開關(guān)變壓器還感到不是十分理想,他們正致力于研制出效率更高、體積和重量更小的開關(guān)變壓器或通過別的途徑來取代它,使之能滿足電子儀器和設(shè)備微小型化的要求。這就是從事開關(guān)電源研究的科技人員目前正在克服的第一個(gè)困難。開關(guān)電源的效率是與開關(guān)管的變換速度成正比的,并且由于采用了開關(guān)變壓器以后,才能使之由一組輸入得到極性、大小各不相同的多組輸出。要進(jìn)一步提高其效率,就必須提高其工作頻率。但是當(dāng)頻率提高以后,對整個(gè)電路中的元器件又有了新的要求。例如:高頻電容、開關(guān)管、開關(guān)變壓器、儲(chǔ)能電感、快速整流二極管等都會(huì)出現(xiàn)新的問題。進(jìn)一步研制出適應(yīng)高頻工作的有關(guān)電路元器件是從事開關(guān)電源研制的科技人員要解決的第二個(gè)問題。線性電源中的功率調(diào)整管具有穩(wěn)壓和電子濾波的雙重作用,因而串聯(lián)線性電源不產(chǎn)生開關(guān)干擾,且輸出波紋電壓小。但是開關(guān)電源中的開關(guān)管是工作在開關(guān)狀態(tài),所以就會(huì)產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾。這些干擾就會(huì)污染市電電網(wǎng),影響鄰近的電子儀器和設(shè)備的正常工作。隨著開關(guān)電源電路和抑制干擾措施的不斷增加和完善,它的這一缺點(diǎn)得到了進(jìn)一步的克服,可以達(dá)到不妨礙一般電子儀器和設(shè)備正常工作的程度。但在一些精密電子儀器中,由于這一缺點(diǎn),卻使開關(guān)電源不能得到應(yīng)用。所以,克服這一缺點(diǎn),進(jìn)一步提高開關(guān)電源的使用范圍是從事開關(guān)電源研制人員要解決的第三個(gè)問題。目前,在開關(guān)電源方面急需解決的最后一個(gè)問題,是開關(guān)管的二次擊穿問題。要解決這一問題,首先要將其產(chǎn)生的原因分析清楚,而目前人們對此還沒有完全掌握,還只能從“熱點(diǎn)”的角度進(jìn)行解釋,所以這方面還需人們?nèi)プ龃罅康难芯亢吞剿鞴ぷ鳌?.2我國開關(guān)電源歷程從我國開關(guān)電源的發(fā)展過程可以了解國際開關(guān)電源發(fā)展的一個(gè)側(cè)面，雖然一般說來，我國技術(shù)發(fā)展水平與國際先進(jìn)水平平均有5～10年差距。70年代起，我國在黑白電視機(jī)，中小型計(jì)算機(jī)中開始應(yīng)用5V，20～200A，20kHZAC－DC開關(guān)電源。80年代進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用階段，并開發(fā)研究0.5～5MHz準(zhǔn)諧振型軟開關(guān)電源。80年代中，我國通信（如程注交換機(jī)）電源在AC－DC及DC－DC開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域中所占比重還比較低。80年代末我國通信電源大規(guī)模更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的鐵磁穩(wěn)壓-整流電源和晶閘管被相控穩(wěn)壓電源為大功率（48V，6kw）AC－DC開關(guān)電源（通信系統(tǒng)中常稱為開關(guān)型整流器SMR—操作系統(tǒng)開關(guān)電源。供繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置及蓄電池充電用。代替晶閘管調(diào)壓系統(tǒng)，輸出10A，180～286V。主開關(guān)管用IGBT或功率MOSFET。7.單相和三相高功率因數(shù)整流器（有源功率因數(shù)校正器）?？梢钥闯?0～30年中，我國開關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)性能有很大進(jìn)展，這與國家基礎(chǔ)工業(yè)和國力增強(qiáng)有密切關(guān)系，也和國際先進(jìn)開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展影響有關(guān)。充分顯示了中國電源技術(shù)人員的聰明才智和艱苦奮斗的創(chuàng)業(yè)精神。90年代，中小型（500W以下）AC－DC和DC-DC開關(guān)電源的特點(diǎn)是：高頻化（開關(guān)頻率達(dá)300－400kHZ）以達(dá)到高功率密度，體積小，重量輕；力求高效和高可靠；低成本；低輸出電壓（≤3V）；AC輸入端高功率因數(shù)等。在今后5年內(nèi)仍然將沿這些方向發(fā)展。1.3開關(guān)電源的技術(shù)發(fā)展趨勢1.小型化由于電源小型化的關(guān)鍵是高頻化，因此國外目前都在致力于同步開發(fā)新型元器件，特別是改善二次整流的損耗，變壓器電容器小型化，同時(shí)采用SMT技術(shù)在電路板兩面布置元器件以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。開關(guān)電源高頻化使傳統(tǒng)的PWM開關(guān)（硬開關(guān)）功耗加大，效率降低，噪聲也提高了，達(dá)不到高頻、高效的預(yù)期效益，因此實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、零電壓關(guān)斷的軟開關(guān)技術(shù)將成為開關(guān)電源產(chǎn)品未來的主流。采用軟開關(guān)技術(shù)可使效率達(dá)到85%～88%。據(jù)悉，美國VICOR開關(guān)電源公司設(shè)計(jì)制造了多種ECZ軟開關(guān)DC/DC變換器，其最大輸出功率有800W、600W、300W等，相應(yīng)的功率密度為6.2、10、17W/cm，效率為80%～90%；日本Nemic-Lambda公司目前推出一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列，開關(guān)頻率為200～300kHz，功率密度27W/cm，用同步整流器（即用MOS—FET代替肖特基二極管）使整個(gè)電路效率提高到90%。開關(guān)電源使用的元器件比連續(xù)工作電源多數(shù)十倍，因此降低了可靠性。追求壽命的延長要從設(shè)計(jì)方面著手，而不是從使用方面著想。美國一公司通過降低節(jié)溫、減少器件的電應(yīng)力、降低運(yùn)行電流等措施使其DC/DC開關(guān)電源系列產(chǎn)品的可靠性大大提高，產(chǎn)品的MTBF高達(dá)100萬時(shí)以上?？梢杂媚K電源組成分布式電源系統(tǒng)；可以設(shè)計(jì)成N+1冗余電源系統(tǒng)，從而提高可靠性；可以做成插入式，實(shí)現(xiàn)熱交換，從而在運(yùn)行中出現(xiàn)鼓掌時(shí)能高速更換模塊插件；多臺(tái)模塊并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)。此外，還可以在電源系統(tǒng)建成后，根據(jù)發(fā)展需要不斷擴(kuò)充容量。開關(guān)電源的又一缺點(diǎn)是噪聲大，單純追求高頻化，噪聲也隨之增大，采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以高頻化，又可以低噪聲。但諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)也有其難點(diǎn)如果很難準(zhǔn)確的控制開關(guān)頻率，諧振時(shí)增大了器件負(fù)荷、場效應(yīng)管的寄生電容易引起短路損耗、元件熱應(yīng)力轉(zhuǎn)向開關(guān)管等問題難以解決。日本把變壓器設(shè)計(jì)成一二次分離阻燃密封，自身具備對付噪聲功能的共模無噪聲隔離變壓器，既節(jié)省了噪聲濾波器，又減少了噪聲。6.抗電磁干擾（EMI）當(dāng)開關(guān)電源在高頻下工作時(shí)，其噪聲通過電源線產(chǎn)生對其他電子設(shè)備的干擾，世界各國已經(jīng)有了抗EMI的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。7.電源系統(tǒng)的管理和控制應(yīng)用微處理器或微機(jī)集中控制與管理，可以及時(shí)反映開關(guān)電源環(huán)境的各種變化，中央處理單元實(shí)現(xiàn)智能控制，可自動(dòng)診斷故障，減少維護(hù)工作量，確保正常運(yùn)行。8.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）利用計(jì)算機(jī)對開關(guān)電源進(jìn)行CAD設(shè)計(jì)和模擬試驗(yàn)十分有效，是最為快速經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方法。目前的開關(guān)電源產(chǎn)品要求輸入電壓通用（適用世界各國電網(wǎng)電壓規(guī)范），出電壓規(guī)范擴(kuò)大（如計(jì)算機(jī)和工作站需要增加3.3V這一電壓）、輸入端功率因數(shù)進(jìn)一步提高，并具有安全、過壓保護(hù)等方面的功能。1.4本文研究的目的本論文是結(jié)合當(dāng)前開關(guān)電源的發(fā)展趨勢完成的。在本文中，設(shè)計(jì)了一個(gè)65W通用交流輸入多路輸出反激式變換器的PWM開關(guān)電源。這種開關(guān)電源可用于AV85～240V輸入的電子產(chǎn)品中。這種特殊的開關(guān)電源可以提供25～150W的輸出功率，可以用在辦公室小型分組交換機(jī)（PBX）等產(chǎn)品中。通過完成本論文希望完成以下目的：1．在系統(tǒng)學(xué)習(xí)開關(guān)電源原理的基礎(chǔ)上，自己獨(dú)立設(shè)計(jì)一臺(tái)開關(guān)電源，了解開關(guān)電源的主要設(shè)計(jì)過程及其相關(guān)方法；2．在整個(gè)過程中不斷學(xué)習(xí)、消化、掌握各種類型開關(guān)電源的主要特點(diǎn)和性能，重點(diǎn)掌握反激式變壓器的PWM開關(guān)電源；3．在設(shè)計(jì)過程中掌握開關(guān)電源的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主電路、輸入/輸出電路、反激式變換器、反饋裝置和保護(hù)電路；4．通過對開關(guān)電源的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，了解電源的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢，從而明確自己今后努力的方向，爭取在電源的設(shè)計(jì)和制造等工作中加以應(yīng)用。2開關(guān)電源原理分析2.1開關(guān)電源基本工作原理開關(guān)K以一定的頻率重復(fù)的接通或斷開。在開關(guān)K接通時(shí)，輸入電源通過開關(guān)K和濾波電路向負(fù)載R提供能量；當(dāng)開關(guān)K斷開時(shí)，輸入電源便中斷了能量的供給。開關(guān)電源的示意圖如圖2-1所示。為了使負(fù)載能夠得到連續(xù)的能量，開關(guān)電源就必須有一套儲(chǔ)能裝置，以便在開關(guān)K接通時(shí)將一部分能量儲(chǔ)存起來，當(dāng)開關(guān)K斷開后再將儲(chǔ)存的能量提供給負(fù)載。圖2-1中的電感L、電容C和二級管D組成的電路就具有這樣的功能。當(dāng)開關(guān)K接通時(shí)，電感L用以儲(chǔ)存能量，開關(guān)K斷開時(shí)，儲(chǔ)存在電感L中的能量通過二級管D釋放給負(fù)載，從而使負(fù)載得到連續(xù)而又穩(wěn)定的能量。當(dāng)電子開關(guān)K按一定的頻率開關(guān)時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間越長，輸出電壓越高；導(dǎo)通時(shí)間越短，輸出電壓越低。通常，開關(guān)電源就是這樣在開關(guān)頻率一定的情況下，通過調(diào)整開關(guān)時(shí)間的長短?？刂戚敵鲭妷旱母叩?。目前，也有的開關(guān)電源采用開關(guān)時(shí)間長短恒定，通過改變開關(guān)頻率來改變輸出電壓的高低。圖2-1開關(guān)電源示意圖2.2開關(guān)電源的分類在電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天,對電子儀器和設(shè)備的要求是,在性能上更加安全可靠,在功能上不斷增加,在使用上自動(dòng)化程度要越來越高,在體積上日趨小型化。這使具有眾多優(yōu)點(diǎn)的開關(guān)電源就顯得更加重要。所以,開關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩電等方面都得到了越來越廣泛的應(yīng)用,發(fā)揮了巨大的作用,這大大促進(jìn)了開關(guān)電源的發(fā)展,從事這方面研究和生產(chǎn)的人員也在不斷地增加,開關(guān)電源的品種和類型也越來越多。常見的開關(guān)電源的分類方法有下列幾種:1.按激勵(lì)方式劃分分為他激式和自激式。他激式開關(guān)電源電路中專設(shè)激勵(lì)信號振蕩器；自激式開關(guān)功率管兼作振蕩管。該形式的開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)簡單,元器件少,可以做成低成本的開關(guān)電源。2.按調(diào)制方式劃分分為脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)整型和混合調(diào)整型。脈寬調(diào)制型保持振蕩頻率保持不變,通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來改變輸出電壓的大?。活l率調(diào)整型保持占空比保持不變(脈沖寬度保持不變),通過改變振蕩頻率來改變輸出電壓大??；混合調(diào)整型是脈沖寬度和振蕩頻率均可進(jìn)行調(diào)節(jié)的開關(guān)電源。3．按開關(guān)管電流的工作方式劃分分開關(guān)型和諧振型。開關(guān)型用開關(guān)晶體管把直流變成高頻標(biāo)準(zhǔn)方波,其電路形式類似于他激式；諧振型用開關(guān)晶體管與LC諧振回路將直流變成標(biāo)準(zhǔn)正弦波,其電路形式類似于自激式開關(guān)電源。4．按開關(guān)晶體管的類型劃分分為晶體管型和可控硅型。晶體管型采用晶體管(包括場效應(yīng)管)作為開關(guān)功率管；可控硅型采用可控硅作為開關(guān)功率管。這種電路的特點(diǎn)是直接輸入交流電壓,不需要一次整流部分。5．按儲(chǔ)能電感與負(fù)載的連接方式劃分分串聯(lián)型和并聯(lián)型。串聯(lián)型儲(chǔ)能電感串聯(lián)在輸入與輸出電壓之間；并聯(lián)型儲(chǔ)能電感并聯(lián)在輸入與輸出電壓之間。6．按晶體管的連接方法劃分分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式。單端式僅使用一個(gè)晶體管作為電路中的開關(guān)管。這種電路的特點(diǎn)是價(jià)格低、電路結(jié)構(gòu)簡單,但輸出功率不能提高；推挽式使用兩個(gè)功率開關(guān)管,將其連接成推挽功率放大器的形式。這種電路的特點(diǎn)是可以工作在電源電壓較低的場合,一般逆變器多采用這種形式的電路,但它的缺點(diǎn)是開關(guān)變壓器的初級必須具有中心抽頭；半橋式使用兩個(gè)功率開關(guān)管,將其連接成半橋形式。它的特點(diǎn)是適應(yīng)于輸入電壓較高的場合；全橋式使用四個(gè)功率開關(guān)管,將其連接成全橋的形式。它的特點(diǎn)是輸出功率較大。7．按電路結(jié)構(gòu)劃分分為散件式和集成電路式。散件式整個(gè)開關(guān)電源電路都是采用分立式元器件組成的。這種電路的缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；集成電路式整個(gè)開關(guān)電源電路或電路的一部分是由集成電路組成的。這種集成電路通常被稱為厚膜電路,有的厚膜集成電路中包括功率開關(guān)管,有的則不包括。這種形式的電源的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、可靠性高。這種電路被廣泛地應(yīng)用于彩色電視中。以上五花八門的開關(guān)電源品種都是站在不同的角度,以開關(guān)電源不同的特點(diǎn)命名和劃分的。不論是激勵(lì)方法、輸出直流電壓的調(diào)節(jié)手段、儲(chǔ)能電感的連接方法、功率開關(guān)管的器件種類以及串并聯(lián)結(jié)構(gòu),還是其他的電路形式,它們最后總可以歸結(jié)為串聯(lián)型和并聯(lián)型開關(guān)電源這兩大類。2.3開關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)2.3.1開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)1．功耗小、效率高開關(guān)電源結(jié)構(gòu)原理方框圖中的晶體管在激勵(lì)信號的驅(qū)動(dòng)下,其工作狀態(tài)處于導(dǎo)通—截止和截止—導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài),轉(zhuǎn)換速度很快,頻率一般為50kHz左右。在一些技術(shù)先進(jìn)的國家,可以做到幾百或者上千kHz。晶體管V飽和導(dǎo)通時(shí),雖然電流較大,但管壓降很小;截止斷開時(shí),雖然管壓降很大,但通過的電流幾乎為零。這就使得開關(guān)晶體管V在其整個(gè)工作過程中的功耗很小,電源的效率可以大幅度地提高。2．體積小、重量輕沒有了笨重的工頻降壓變壓器。由于調(diào)整管上的耗散功率大幅度地降低,因而省去了體積和重量都較大的散熱片。由于這兩方面的原因,故開關(guān)電源的體積小、重量輕。3．穩(wěn)壓范圍寬開關(guān)電源的輸出電壓是通過激勵(lì)信號的占空比來調(diào)節(jié)的,輸入電壓的波動(dòng)變化,可以通過改變占空比的方式來進(jìn)行補(bǔ)償,這樣在輸入電壓變化或波動(dòng)較大時(shí),它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以,開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬,穩(wěn)壓效果較好。此外,改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)制型和混合調(diào)制型三種。這樣開關(guān)電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn),而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多較靈活,設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要和要求,靈活選用各種形式的穩(wěn)壓方法。4．濾波效率高,不需要較大容量的濾波電容開關(guān)電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz左右,是線性電源的1000倍,這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加電容濾波,效率也提高了500倍。在相同波紋輸出電壓的要求下,采用開關(guān)電源時(shí),濾波電容的容量只是線性電源中濾波電容容量的1/500～1/1000。濾波電容容量減小以后,整個(gè)電源的體積和重量也相應(yīng)地有所減小。例如：有自激式和他激式；有調(diào)寬型和調(diào)頻型;有單端式和雙端式;有開關(guān)元件為晶體管式和開關(guān)元件為可控硅式等等。設(shè)計(jì)者可以發(fā)揮各種類型電路的特長,設(shè)計(jì)出能滿足各種不同應(yīng)用場合的開關(guān)電源。2.3.2開關(guān)電源的缺點(diǎn)開關(guān)電源最為突出的缺點(diǎn)就是開關(guān)干擾較為嚴(yán)重。開關(guān)電源中的開關(guān)功率管是工作在開關(guān)狀態(tài)下,它產(chǎn)生的交流電壓和電流會(huì)通過電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾,這些干擾如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制、消除、屏蔽和隔離,就會(huì)嚴(yán)重地影響整機(jī)的正常工作。此外,由于開關(guān)電源中沒有了工頻降壓變壓器的隔離,振蕩器所產(chǎn)生的高頻干擾如果不加以消除,就會(huì)串入工頻電網(wǎng),使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴(yán)重的干擾。目前,由于國內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與一些技術(shù)先進(jìn)的國家還有一定的差距,因此開關(guān)電源的造價(jià)不能進(jìn)一步降低,也影響到可靠性的進(jìn)一步提高。所以,在我國的電子儀器以及機(jī)電一體化儀器中,開關(guān)電源還不能得到普及使用。特別是無工頻變壓器開關(guān)電源中的高壓電容、高反壓大功率開關(guān)管、開關(guān)變壓器的磁性材料等元件,我國還處于研究和開發(fā)階段。一些先進(jìn)的國家,雖然有了一定的發(fā)展,但是在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題,不能令人十分滿意。這就暴露出了開關(guān)電源的又一個(gè)缺點(diǎn),那就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高、維修麻煩、成本高。對此,如果設(shè)計(jì)者和制造者不予以充分重視,則會(huì)直接影響開關(guān)穩(wěn)壓電源的推廣應(yīng)用。2.4PWM開關(guān)電源的基本原理采用PWM技術(shù)的開關(guān)電源原理機(jī)構(gòu)如圖2-2所示，從電網(wǎng)將能量傳遞給負(fù)載的回路稱為主回路，其余稱為控制回路。工頻電網(wǎng)交流電壓經(jīng)過輸入整流濾波電路，得到高波紋未調(diào)直流電壓，在經(jīng)功率轉(zhuǎn)換電路，變換成符合要求的矩形波脈動(dòng)電壓，最后經(jīng)過整流濾波電路將其平滑成連續(xù)的低波紋直流電壓。輸入整流濾波功率轉(zhuǎn)換輸入整流濾波功率轉(zhuǎn)換輸出整流濾波驅(qū)動(dòng)電路過壓過流保護(hù)時(shí)鐘震蕩器V/W電路檢測放大直流輸出220V交流輸入圖2-2PWM方式開關(guān)電源框圖控制回路在提供高壓開關(guān)T管基極驅(qū)動(dòng)脈沖的同時(shí)，需要完成輸出電壓穩(wěn)壓的控制，而且還必須能對電源或負(fù)載提供保護(hù)。它通常由檢測比較放大電路、電壓-脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路（V/W電路）、時(shí)鐘震蕩電路，以及自用電壓源等基本電路構(gòu)成。對于PWM方式而言，將頻率固定的震蕩源稱為時(shí)鐘震蕩器，這種電源利用檢測電路反映輸出電壓值，通過和給定參考電壓比較并產(chǎn)生誤差信號，在經(jīng)過V/W電路調(diào)制脈沖寬度——調(diào)節(jié)輸出電壓。例如，由于某種原因（負(fù)載電流減小或電網(wǎng)電壓上升）使高頻變壓器副邊輸出電壓的平均值增大，電源輸出電壓也將隨之提高，反饋檢測電路將提高了輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并產(chǎn)生負(fù)積極性的誤差電壓，V/W電路根據(jù)該誤差電壓及時(shí)減小輸出脈寬，這樣使輸出電壓平均值減小，接近原來的數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的作用。3方案選擇與經(jīng)濟(jì)性分析3.1電容充電器的種類介紹電容充電器形式與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇直接影響到了電容的充電效率與整體設(shè)備的可靠性。目前電容充電器分為三大種類：帶充電電阻器的高壓直流電源、諧振充電電源、高壓變換器充電電源。(1)帶充電電阻器的高壓直流電源:電源相當(dāng)于一個(gè)恒壓電源如圖3-1，為了限制給電容充電時(shí)的短時(shí)的短路電流效應(yīng)必須要在線路中加上限流電阻R。當(dāng)電容器C的電壓等于電源的輸出電壓時(shí)，充電結(jié)束。此充電器結(jié)構(gòu)簡單、可靠、成本低。但是效率特別低下，在理想狀態(tài)下，充電過程中消耗在充電電阻上的能量與電容器的儲(chǔ)存能量相同，因此只有50％。高壓高壓直流電源脈沖負(fù)載RC圖3-1高壓直流電源(2)諧振充電電源：如圖3-2所示。諧振充電電源的原理是交流輸入電源利用變壓器升壓，經(jīng)過整流后被電容器濾波，產(chǎn)生高壓直流電壓。晶閘管出發(fā)后電流經(jīng)過電感L和二極管，從向傳遞能量。該技術(shù)簡單有效，但是對于高電壓可能需要多個(gè)晶閘管串聯(lián)，大容量的會(huì)提高成本。輸出電壓也會(huì)受到電容器漏電的影響與漂移。C1C1圖3-2諧振充電電源（3）高頻變換器充電電源：高頻變換器是利用一連串的脈沖或者是脈沖鏈給電容充電，而不是單一的信號。因此它的輸出電壓穩(wěn)定度得到良好的提高。變換器也可以工作在開關(guān)狀態(tài)，技術(shù)先進(jìn)而且損耗小、諧波分量小、頻率高、儲(chǔ)能元件體積小。對于以上電源類型的分析和總結(jié)，選擇高頻變換器充電電源。3.2反激變換器工作原理在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，有必要分析并確定開關(guān)電源的各類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中電源的作用是電容充電之用，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，分析電容充電過程的原理也是十分重要的。圖3-3給出了反激式變換器的主電路及波形圖，它是由開關(guān)管V、整流二極管、濾波電容和隔離變壓器構(gòu)成的。開關(guān)管V按照PWM的方式進(jìn)行工作。變壓器有兩個(gè)繞組，初級繞組和次級繞組，兩個(gè)繞組是緊密耦合的。圖中的開關(guān)管V導(dǎo)通時(shí)，變壓器儲(chǔ)存能量，負(fù)載電流由輸出濾波電容提供；開關(guān)管V管關(guān)斷時(shí)，變壓器將儲(chǔ)存的能量傳送到負(fù)載和輸出濾波電容，以補(bǔ)償電容單獨(dú)提供負(fù)載電流時(shí)所消耗的能量。D1D1圖3-3反激變換器原理圖及波形圖同許多電源拓?fù)湫问揭粯?，反激變換器有兩種基本工作方式，即電感電流連續(xù)模式（CCM）和電感電流斷續(xù)模式(DCM)工作方式。自感電流連續(xù)是指輸出濾波電感的電流總是大于零，電流斷續(xù)是指在開關(guān)管關(guān)斷期間有一段時(shí)間自感的電流為零。在這兩種工作方式之間有一個(gè)工作邊界，稱為電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)，即在開關(guān)管關(guān)斷末期，自感的電流剛好降為零。這兩種工作模式有完全不同的工作特性和應(yīng)用場合。3.2.1DCM模式下的反激變換器原理與基本關(guān)系(1)DCM模式下的反激變換器原理①開關(guān)模式1(0～)；見圖3-4圖3-4反激變換器的開關(guān)模式1在t=O瞬間，開關(guān)管V導(dǎo)通，電源電壓加在變壓器初級繞組上，此時(shí)，在次級繞組中的感應(yīng)電壓為，其極性“*”端為正，使二極管截止，負(fù)載電流由濾波電容提供。此時(shí)，變壓器的次級繞組開路，只有初級繞組工作，相當(dāng)于一個(gè)電感，其電感量為，因此初級電流從最小值開始線性增加，其增加率為：(3-1)t=時(shí)，電流達(dá)到最大值。(3-2)在此過程中，變壓器的鐵心被磁化，其磁通的增加量為：(3-3)②開關(guān)模式2(～)；見圖3-5圖3-5反激變換器的開關(guān)模式2(a)在t=時(shí)，開關(guān)管V關(guān)斷，初級繞組開路，次級繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢反向，其極性“*”端為負(fù)，使二極管導(dǎo)通儲(chǔ)存在變壓器磁場中的能量通過二極管釋放，一方面給電容充電；另一方面也向負(fù)載供電。此時(shí)只有變壓器的次級繞組工作，相當(dāng)于一個(gè)電感，其電感量為。次繞組上的電壓為，次級電流從最大值線性下降，其下降速度為：(3-4)在某一時(shí)刻，t='時(shí)，電流下降到0。在時(shí)刻t=(’～)時(shí)，下降到零，輸出電流由電容提供。如圖3-6圖3-6反激變換器的開關(guān)模式2(b)在此過程中，變壓器鐵心去磁，其磁通也線性減小。磁通的減小量為：(3-5)(2)DCM模式下的基本關(guān)系在V導(dǎo)通時(shí)，所有繞組同名端的電壓相對于異名端為負(fù)；輸出整流管D反偏，單獨(dú)向負(fù)載供電。V導(dǎo)通期間，的電壓恒定，其電流線性上升，斜率為。此時(shí)變壓器儲(chǔ)存的能量為：(3-6)V關(guān)斷時(shí)，勵(lì)磁電感的電流使各繞組電壓反向，則由于電感電流不能突變。在V關(guān)斷的瞬間，變壓器次級電流幅值為：(3-7)幾個(gè)開關(guān)周期后，次級直流電壓上升到。V關(guān)斷時(shí)，同名端電壓為正，電流從該端流入并線性下降，斜率為。其中，為次級電感。若次級電流在V再次導(dǎo)通之前降到零，則變壓器儲(chǔ)存的能量在V再次導(dǎo)通前已全部傳送到負(fù)載端，變壓器工作與不連續(xù)模式。由于一個(gè)周期(秒)內(nèi)傳送的能量E即輸入功率(瓦)，一個(gè)周期T內(nèi)直流母線電壓提供的功率為：(3-8)又因，，則有：(3-9)從上式可見，只要反饋環(huán)保持恒定，即可保持輸出恒定。假設(shè)變換器的效率是80％，則有：(3-10)從上式可見，最大導(dǎo)通時(shí)間出現(xiàn)在輸入電壓最低的時(shí)候，因此，且有：(3-11)3.2.2CCM模式下的基本原理與基本關(guān)系(1)CCM模式下的基本原理①開關(guān)模式1(0～)；見圖3-4在t=O瞬間，開關(guān)管V導(dǎo)通，電源電壓加在變壓器初級繞組上，其過程與DCM的模式相同。其斜率亦為：。由于CCM是工作在電感電流始終存在的狀態(tài)，因此在1開關(guān)模式伊始，變壓器中便會(huì)有剩磁，在此期間與DCM模式不同的是模式1變壓器中的電流最大值為：(3-12)②開關(guān)模式2(～)；見圖3-5在t=時(shí)，開關(guān)管V關(guān)斷，初級繞組開路，次級繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢反向，其極性“*"端為負(fù)，使二極管導(dǎo)通儲(chǔ)存在變壓器磁場中的能量通過二極管釋放。一方面給電容充電；另一方面也向負(fù)載供電。同DCM模式一樣，繞組上的電壓，次級電流從最大值線性下降，其下降速度亦為：(3-13)在某一時(shí)刻，t=時(shí)，電流下降到最小值。在此過程中，變壓器鐵心去磁，其磁通也線性減小。磁通的減小量為：(3-14)（2）CCM模式下的基本關(guān)系在V導(dǎo)通時(shí)，所有繞組同名端的電壓相對于異名端為負(fù)；輸出整流管D反偏，單獨(dú)向負(fù)載供電。V導(dǎo)通期間；的電壓恒定，其電流線性上升，此時(shí)變壓器儲(chǔ)存的能量為：(3-15)V關(guān)斷時(shí)，勵(lì)磁電感的電流使各繞組電壓反向，則由于電感電流不能突變。在V關(guān)斷的瞬間，變壓器次級電流幅值為：(3-16)(3-17)又因，，則有：(3-18)兩種工作模式有完全不同的工作特性和應(yīng)用場合。不連續(xù)模式電路的響應(yīng)更快且負(fù)載電流或輸入電壓突變引起的輸出電壓尖峰更低。而連續(xù)模式的不足之處在于其必須大幅度減小誤差放大器的帶寬才能使反饋環(huán)穩(wěn)定。但是在兩種模式下的關(guān)斷時(shí)間相等的條件下，不連續(xù)模式的三角波峰值會(huì)明顯比連續(xù)模式下的梯形波峰值高很多。綜合考慮以上優(yōu)缺點(diǎn)，不連續(xù)模式本身的變壓器勵(lì)磁電壓高并且響應(yīng)快，且輸出負(fù)載電流和輸入電壓突變時(shí)，輸出電壓瞬態(tài)尖峰小。作為容性負(fù)載，當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)必須有足夠的相應(yīng)速度。在輸入電壓不高，輸出電流小選擇不連續(xù)模式對容性負(fù)載更為有利。3.3其他各種隔離式變換器的工作原理與比較3.3.1正激電路正激電路原理圖如圖3-7所示。VD1VD1圖3-7正激電路原理圖電路的工作過程：開關(guān)S開通后，由于原邊電壓的方向，變壓器繞組兩端的電壓為上正下負(fù)；從變壓器是同名端位置可以看出，副邊繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)。此時(shí)處于通態(tài)，為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長關(guān)斷后，電感L通過續(xù)流，關(guān)斷，關(guān)斷后承受的壓為:(3-19)變壓器的磁芯復(fù)位：開關(guān)S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨著時(shí)間的增加而線性的增長，直到S關(guān)斷。S關(guān)斷后，初級繞組和次級繞組沒有電流流過，此時(shí)變壓器通過復(fù)位繞組進(jìn)行磁復(fù)位，勵(lì)磁電流從復(fù)位繞組經(jīng)過二極管反饋到輸入電源中去，變壓器的磁芯復(fù)位時(shí)間為：(3-20)輸出電壓在電感電流連續(xù)的情況下的表達(dá)式：(3-21)輸出電感電流不連續(xù)時(shí)，輸出電壓將高于上式的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下，輸出電壓為：(3-22)圖3-8正激電路電壓波形基于此變換器的工作原理與特點(diǎn)，該電路存在一些固有的缺陷：變壓器體積大，損耗大；開關(guān)器件電壓應(yīng)力高，而且在高壓下，正激變換電路在輸出濾波電感要承受高電壓，這會(huì)帶來很多問題。3.3.2推挽電路推挽電路如圖3-9所示。VD1S1VD1S1圖3-9推挽電路原理圖電路的工作過程：推挽電路中、兩個(gè)開關(guān)交替導(dǎo)通，在繞組和兩端分別形成相位相反的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。導(dǎo)通時(shí)，二極管處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。導(dǎo)通時(shí)，二極管處于通態(tài)，電感L的電流也逐漸上升。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，和都處于通態(tài),各分擔(dān)一半的電流。和斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為2倍。和同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于變壓器一次側(cè)繞組短路，因此應(yīng)避免兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)濾波電感L電流連續(xù)時(shí)，輸出電壓：(3-23)當(dāng)輸出電感電流不連續(xù)時(shí)，輸出電壓將高于上式的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下，輸出電壓：(3-24)推挽式變換器結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)變壓器磁芯利用率高，推挽電路工作時(shí)，兩只對稱的功率開關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，導(dǎo)通損耗小。但是，變壓器帶有中心抽頭，而且開關(guān)管的承受電壓較高；由于變壓器原邊漏感的存在，功率開關(guān)管關(guān)斷的瞬間，漏源極會(huì)產(chǎn)生較大的電壓尖峰；另外，推挽式變換器容易產(chǎn)生偏磁現(xiàn)象。3.3.3半橋電路半橋變換電路如圖3-10所示圖3-10半橋電路原理圖電路的工作過程：開關(guān)管導(dǎo)通，截止時(shí)，上的加在原邊繞組上，使電源電壓從跳至。電源經(jīng)變壓器的原邊繞組向電容充電。由于出現(xiàn)在兩端電壓不能躍變，這樣，就會(huì)在中形成的感應(yīng)壓降。在此時(shí)向充電的電流線性增長。在此器件，變壓器副邊繞組的電動(dòng)勢也均是上正下負(fù)，故整流二極管，反偏置截止。這樣感生電壓通過向負(fù)載供電。同樣當(dāng)導(dǎo)通，截止，副邊的感生電壓使正偏，向負(fù)載供電。這樣兩只管子輪流導(dǎo)通，如此循環(huán)往復(fù)的工作。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意管子的死區(qū)時(shí)間，即、同時(shí)導(dǎo)通，這將引起短路：半橋變換器的輸出電壓：(3-25)橋式拓?fù)涞囊淮蠊餐瑑?yōu)點(diǎn)是，能將變壓器初級側(cè)的漏感劍鋒電壓鉗位于直流母線電壓，并將漏感儲(chǔ)存的能量歸還到輸入母線，而不是消耗在電阻與原件。由于它的管壓低，高通流量，高占空比使橋式拓?fù)溥m合應(yīng)用在高功率場合。圖3-11半橋電路波形每種拓?fù)涠加凶约旱膬?yōu)缺點(diǎn)，有的拓?fù)淇赡艹杀颈容^底，但輸出的功率受到限制；而有的可以輸出足夠的功率，但成本比較高等。在一種應(yīng)用場合下，有好幾種拓?fù)淇梢怨ぷ?，但只有一種是在要求的成本范圍內(nèi)性能最好的。表3-1是各種各樣拓?fù)浼捌湎鄳?yīng)的優(yōu)點(diǎn)。表3-1PWM開關(guān)電源拓?fù)涞谋容^拓?fù)涔β史秶?WVin（de）范圍/V輸入輸出隔離典型效率（%）相對成本正激式電路0～1505～500有78反激式電路0～1505～500有80推挽式電路100～100050～1000有75半橋電路100～50050～1000有75全橋電路400～2000+50～1000有73從上表可以看出反激和正激式變換器處在適合的功率范圍內(nèi)，推挽、半橋與全橋拓?fù)鋺?yīng)用在大功率，而且電路龐大，造價(jià)高。正激變換電路在輸出濾波電感必須要承受高電壓，而在輸出為400V的電壓下，這會(huì)帶來很多問題。另外考慮到給電容充電應(yīng)該選擇恒流源而不是恒壓源。以上拓?fù)涑朔醇ぷ儞Q器外均可看為恒壓源，恒壓源為大容量電容充電時(shí)電路中電流大，相當(dāng)于短路，充電過程緩慢，且易損壞。綜合考慮，反激式變換器為最優(yōu)選擇。同時(shí)選擇反激式變換器的優(yōu)勢還有：(1)反激開關(guān)電源器件少，省去了輸出濾波電感；(2)反激式變換器適合應(yīng)用在功率為100W左右的開關(guān)電源，效率高，達(dá)到80％；(3)反激變換器不需要高壓續(xù)流二極管，使它在高壓場合下應(yīng)用更為有利：(4)電能通過反激變壓器將能量傳遞給副邊，對于原邊相當(dāng)于恒流充電，效率高，安全性好?？偨Y(jié)上面各個(gè)電路的拓?fù)涞谋容^，如果設(shè)計(jì)一個(gè)65W的開關(guān)電源，選擇反激式電路拓?fù)涫潜容^好的。4電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)采用單相式整流電路和電容濾波電路將交流市變換成直流電壓。再采用PWM控制開關(guān)管的通斷，使直流變成高頻交流電壓。并取高頻脈沖一定的占空比來控制輸出電壓的高低。高頻交流電壓通過一定砸數(shù)比的高頻變壓器變成所需要的交流電壓。交流電壓再經(jīng)整流、濾波提供電視機(jī)所需要的各種直流電壓。電源系統(tǒng)簡化電路圖如下所示。圖4-1電源系統(tǒng)主簡化電路4.1技術(shù)指標(biāo)及主要參數(shù)計(jì)算輸入電壓范圍：AC90～240V，50/60Hz。輸出：DC+5V，額定電流1A，最小電流750mADC+12V，額定電流1A，最小電流100mADC－12V，額定電流1A，最小電流100mA輸出電壓紋波：+5V，+12V：最大100mV（峰峰值）+24V：最大250mV（峰峰值）輸出精度：+5V，±12V：最大±5%+24V：最大±10%低電壓輸入限制：該電源產(chǎn)品允許最低輸入電壓為AC85（1±5%）V微處理器掉電信號：該電源系統(tǒng)在+5V輸出端電壓低于4.6（1±5%）V時(shí)，提供一個(gè)集電極輸出開路的信號。1.基本參數(shù):交流輸入電壓最小值=90V,交流輸入電壓最大值=240V,電網(wǎng)頻率=50Hz，開關(guān)頻率f：常用50kHz～200kHz，輸出電壓=512V，輸出功率=65W，損耗分配系數(shù)Z：一般取0.5，電源效率k=80%:對于寬范圍交流輸入（85～265Vac），的比例系數(shù)取2～3，即每輸出1W功率，對應(yīng)3uF電容量,這里選用200uF的電容:(4-1)其中：為整流橋的響應(yīng)時(shí)間，一般為3ms:對于寬范圍交流輸入（85～265Vac），初級感應(yīng)電壓取135V:對于寬范圍交流輸入（85～265Vac），鉗位二極管反向擊穿電壓取200V:取典型值67%與初級峰值電流的比值:對于寬范圍交流輸入（85～265Vac），最小值（連續(xù)模式）0.4，最大值（不連續(xù)模式）1.0。設(shè)計(jì)成連續(xù)模式，初級電路中的交流成分要比不連續(xù)模式少，可減小MOSFET和高頻變壓器的損耗，提高電源效率。8.計(jì)算初級波形的參數(shù):輸入電流的平均值(4-2)初級峰值電流(4-3)初級紋波電流(4-4)初級有效值電流(4-5)(uH)：uH(4-6):對于寬范圍交流輸入（85～265Vac），取8(4-7)其中：:=取88(4-8):單位uH/匝匝(4-9)13.確定次級參數(shù)：次級峰值電流(4-10)次級有效電流(4-11)連續(xù)工作模式下輸出紋波電流的有效值(4-12)：(4-13)4.2輸入整流器/濾波器部分的設(shè)計(jì)輸入整流器/濾波器電路在開關(guān)電源中不被人重視。典型的輸入整流器/濾波器電流由三到四個(gè)部分組成：EMI濾波器、浪涌抑制器、整流級（離線應(yīng)用場合）和輸入濾波電容。許多交流輸入離線式電源要求有功率因數(shù)校正（PFC）。其電路圖如圖4-2。圖4-2輸入整流濾波電路4.2.1EMI濾波器隨著電子計(jì)算機(jī)與家用電器的大量涌現(xiàn)和廣泛普及，電網(wǎng)噪聲干擾日益嚴(yán)重并形成一種公害。特別是瞬態(tài)噪聲干擾，其上升速度快、持續(xù)時(shí)間短、電壓振幅度高（幾百伏至幾千伏）、隨機(jī)性強(qiáng)，對微機(jī)和數(shù)字電路易產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，常使人防不勝防，這已引起國內(nèi)外電子界的高度重視。電磁干擾濾波器（EMI

Filter）是近年來被推廣應(yīng)用的一種新型組合器件。它能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性，可廣泛用于電子測量儀器、計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)備、開關(guān)電源、測控系統(tǒng)等領(lǐng)域。輸入濾波的前級是EMI濾波器。這個(gè)電感流過的是相對較大的直流電流，并且要防止高頻開關(guān)噪聲進(jìn)入輸入電源端。在交流離線應(yīng)用場合，經(jīng)常用共模扼流圈，在本設(shè)計(jì)中，EMI濾波器選用二階共模濾波器。EMI濾波器的主要作用是濾除開關(guān)噪聲和由輸入線引起的諧波。EMI濾波器要盡可能靠近電源里的供電線輸入端。如果濾波器前的線太長，從外面引入的傳導(dǎo)EMI會(huì)干擾開關(guān)電源的工作。相反，開關(guān)電源里面的長導(dǎo)線也會(huì)產(chǎn)生RFI（射頻干擾），并向外發(fā)射，這樣無法通過電源EMI檢測。4.2.2浪涌抑制部分浪涌抑制部分要放在EMI濾波電感后，但在整流（離線式）和輸入濾波電容（直流輸入）前。所有浪涌抑制器都要用EMI濾波電感和串連阻抗來防止超過它們額定的瞬時(shí)能量。EMI電感極大地減少了瞬時(shí)電壓峰值，并在時(shí)間上把它延長，這樣提高了抑制器的工作壽命。但是，不同的浪涌抑制器技術(shù)所串連的內(nèi)部電阻特性也不一樣。浪涌電壓抑制器件基本上可以分為兩大類。第一種類為橇棒（Crowbar）器件，另一類為箝位保護(hù)器，即保護(hù)器件在擊穿后，其兩端電壓維持在擊穿電壓上不再上升，以箝位的方式起到保護(hù)作用。常用的箝位保護(hù)器是氧化鋅壓敏電阻MOV，瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）等。在本文中，選擇的是金屬氧化物變阻器（MOV），發(fā)生浪涌時(shí)，抑制器的電阻會(huì)影響到加在它上面的額外電壓。4.2.3單相橋式整流電路和電容濾波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?qū)щ娮饔?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。工作原理：單相橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，因?yàn)槭怯伤闹徽鞫O管～接成電橋的形式，所以稱為橋式整流電路。如圖4-3（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(gè)負(fù)載。在分析整流電路工作原理時(shí)，整流電路中的二極管是作為開關(guān)運(yùn)用，具有單向?qū)щ娦?。根?jù)圖4-3（a）的電路圖可知：(a)橋式整流電路（b)波形圖圖4-3單相橋式整流電路當(dāng)正半周時(shí)，二極管、導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周。電流由次級上端經(jīng)→→回到次級下端，在負(fù)載上得到一半波整流電壓。當(dāng)負(fù)半周時(shí)，二極管、導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。電流由次級的下端經(jīng)→→在負(fù)載電阻上正、負(fù)半周經(jīng)過合成，得到的是同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓。單相橋式整流電路的波形圖見圖4-3(b)。參數(shù)計(jì)算根據(jù)圖4-3(b)可知，輸出電壓是單相脈動(dòng)電壓，通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為:(4-14)流過負(fù)載的平均電流為:(4-15)流過二極管的平均電流為:(4-16)二極管所承受的最大反向電壓:(4-17)二級管的選擇應(yīng)主要考慮以上兩個(gè)因素。在這次設(shè)計(jì)中，我選用的是二級管IN4004。濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。經(jīng)過濾波電路后，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(dòng)系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。(1).電容濾波電路結(jié)構(gòu)現(xiàn)結(jié)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4-4所示，在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容C。圖4-4電容濾波電路(2).濾波原理若處于正半周，二極管、導(dǎo)通，變壓器次端電壓給電容器C充電。此時(shí)C相當(dāng)于并聯(lián)在上，所以輸出波形同,是正弦波。當(dāng)?shù)竭_(dá)時(shí)，開始下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷，電容C就要以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載放電。指數(shù)放電起始點(diǎn)的放電速率很大。在剛過時(shí)，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過時(shí)二極管仍然導(dǎo)通。在超過后的某個(gè)點(diǎn)，正弦曲線下降的速率越來越快，當(dāng)剛超過指數(shù)曲線起始放電速率時(shí)，二極管關(guān)斷。所以在到時(shí)刻，二極管導(dǎo)電，Ｃ充電，按正弦規(guī)律變化；到時(shí)刻二極管關(guān)斷，按指數(shù)曲線下降，放電時(shí)間常數(shù)為。電容濾波過程見圖4-5。圖4-5電容濾波電路波形(3).外特性整流濾波電路中，輸出直流電壓隨負(fù)載電流的變化關(guān)系曲線如圖4-6所示。圖4-6電容濾波外特性曲線(4).電容濾波電路參數(shù)的計(jì)算負(fù)載平均電壓升高，紋波減少，且越大，電容放電速率越慢，則負(fù)載電壓中的紋波成分越小，負(fù)載平均電壓越高。為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般?。?4-18)在本設(shè)計(jì)中，我采用AD250V的100μF電容。電容濾波電路的計(jì)算比較麻煩，因?yàn)闆Q定輸出電壓的因素較多。一般常采用以下近似估算法：的條件下，近似認(rèn)為4.3控制器控制的主要目的就是要保持輸出電壓一定，而負(fù)載電流可以有很大的變化范圍，這就是要通過負(fù)反饋來達(dá)到這個(gè)目的。所有的電源控制器，無論線性電源還是開關(guān)電源，都要檢測輸出電壓。選擇控制IC極其重要，如果選擇不正確，會(huì)使電源工作不穩(wěn)定而浪費(fèi)寶貴的時(shí)間?？傮w上說，正激式拓?fù)溆秒妷盒涂刂破?，升壓式拓?fù)渫ǔＳ秒娏餍涂刂?。但這也不是一成不變的規(guī)則，因?yàn)槊恳环N控制方法都可以用到各種拓?fù)渲腥ィ皇堑玫降慕Y(jié)果不一樣而已。各種控制方法見表4－1。表4-1PWM控制器控制方法控制方法最適宜的拓?fù)湔f明具有輸出平均電流反饋的電壓型控制正激式電路輸出電流反饋太慢，會(huì)使功率開關(guān)失效具有輸出電流逐周限制的電壓型控制正激式電路具有很好的輸出電流保護(hù)功能，通常檢測高壓側(cè)電流電流滯環(huán)控制正激式和升壓式電路有很多專利限制，控制IC少電流型控制，由時(shí)鐘脈沖導(dǎo)通Boot電路和反激式電路具有很好的輸出電流保護(hù)功能，控制IC很多，通常采用GND驅(qū)動(dòng)開關(guān)在這個(gè)電路中，影響電源控制器IC選擇的主要因素是：需要有MOSFET驅(qū)動(dòng)（圖騰柱驅(qū)動(dòng)），單極性輸出，能把占空比限制50%內(nèi)，電流型控制，器件數(shù)目少，欠電壓封鎖，低成本。所以選擇UC3845系列。UC3845是高性能固定頻率電流模式控制器。專為離線和直流至直流變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。該集成電路的特點(diǎn)是，具有振蕩器、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖肌⒏咴鲆嬲`差放大器、電流取樣比較器和大電流圖騰柱輸出，是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的理想器件。其它的保護(hù)特性包括帶滯后的輸入和帶滯后的參考欠壓鎖定、逐周電流限制、單個(gè)脈沖測量鎖存，以及每隔一個(gè)振蕩周期將輸出消隱的觸發(fā)器，允許將輸出靜區(qū)定為50%至70%。這些器件可提供8管腳雙列直插塑料封裝和14管腳塑料表面貼裝（SO-14）封裝。SO-14封裝的圖騰柱式輸出級有分離的電源和接地管腳。UC3845專為低壓應(yīng)用設(shè)計(jì)的，欠壓鎖定門限為8.5伏（通）和7.6伏（斷）。電流模式工作達(dá)500KHz輸出開關(guān)頻率輸出靜區(qū)時(shí)間從50%至70%可調(diào)自動(dòng)前饋補(bǔ)償鎖存脈寬調(diào)制，用于逐周期限流內(nèi)部微調(diào)的參考源，帶欠壓鎖定大電流圖騰柱輸出輸入欠壓鎖定，帶滯后低啟動(dòng)和工作電流直接與安森美半導(dǎo)體的SENSEFET產(chǎn)品接口1818273645COMPVFBISENSERT/CTREFVccOUTPUTGND圖4-7UC38458腳封裝UC3845的引腳功能簡介如下：①COMP(引腳1)：誤差放大器輸出端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，根據(jù)需要，可在該端與引腳2之間接入不同功能的反饋網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成比例、積分、比例積分等類型的閉環(huán)調(diào)節(jié)器；在開環(huán)系統(tǒng)中，該端直接接給定信號。②(引腳2)：誤差放大器反相輸入端。該端用于施加輸入電壓控制信號。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該端接輸出電壓反饋信號。③ISENSE(引腳3)：電流檢測比較器輸入端。該端接電流或電壓檢測信號，以實(shí)現(xiàn)過電流和過電壓保護(hù)，也可接閉環(huán)調(diào)節(jié)器的給定信號。④(引腳4)：振蕩器定時(shí)原件接入端。⑤GROUND(引腳5)：信號地。使用中該端與供電電源地端相連。⑥OUTPUT(引腳6)：輸出端。該端通過外接電阻與功率MOSFET的柵極相連，直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET。⑦(引腳7)：偏置電源輸入端。該端通過外接電阻接主回路整流輸出正端。⑧(引腳8)：基準(zhǔn)電源輸出端。該端可提供溫度穩(wěn)定性極好的基準(zhǔn)電壓。UC3845系列是專門設(shè)計(jì)用于離線和直流到直流變換器應(yīng)用的高性能，固定頻率，電流模式控制器，為設(shè)計(jì)者提供使用最小外部元件的高性能價(jià)格比的解決方案。代表性方框圖如圖4-8所示。圖4-8UC3845內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(1).振蕩器振蕩器頻率由定時(shí)元件和選擇值決定。電容充電，充至約2.8V，再由一個(gè)內(nèi)部的電流宿放電至1.2V。在放電期間，振蕩器產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部消隱脈沖保持“或非”門的中間輸入為高電平，這導(dǎo)致輸出為低狀態(tài)，從而產(chǎn)生了一個(gè)數(shù)量可控的輸出靜區(qū)時(shí)間。UC3845有一個(gè)內(nèi)部觸發(fā)器，它通過保持“或非”門的一個(gè)輸入為高電壓，每隔一個(gè)時(shí)鐘周期關(guān)閉一次輸出。這與的放電周期相結(jié)合，是輸出靜區(qū)時(shí)間可以從50%調(diào)節(jié)到70%。(2).誤差放大器提供一個(gè)有可訪問反相輸入和輸出的全補(bǔ)償誤差放大器。此放大器具有90dB的典型直流增益和具有57°μA，它將導(dǎo)致輸出電壓誤差，后者等于輸入偏置電流和等效輸入分壓器源電阻的乘積。誤差放大器輸出（管腳1）用于外部回路補(bǔ)償。輸出電壓因兩個(gè)二極管壓降而失調(diào)（≈1.4V），保證在輸出（管腳6）不出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)脈沖。這發(fā)生在電源正在工作并且負(fù)載不取消時(shí)，或者在軟啟動(dòng)過程的開始。(3).電流取樣比較器和脈寬調(diào)制鎖存器UC3845作為電流模式控制器工作，輸出開關(guān)的導(dǎo)通由振蕩器起始，當(dāng)峰值電感電流到達(dá)誤差放大器輸出/補(bǔ)償（管腳1）建立的門限電平時(shí)中止。這樣在逐周基礎(chǔ)上誤差信號控制峰值電感電流。所用的電流取樣比較器脈寬調(diào)制鎖存配置確保在任何給定的振蕩器周期內(nèi)，僅有一個(gè)單脈沖出現(xiàn)在輸出端。電感電流通過插入一個(gè)與輸出開關(guān)的源極串聯(lián)的以地為參考取樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓。此電壓由電流取樣輸入（管腳3）監(jiān)視并與來自誤差放大器的輸出電平相比較。在正常的工作條件下，峰值電感電流由管腳1上的電壓控制，其中：(4-19)當(dāng)電源輸出過載或者如果輸出電壓取樣丟失時(shí)，異常的工作條件將出現(xiàn)。在這些條件下，電流取樣比較器門限將被內(nèi)部箝位至1.0V。因此最大峰值開關(guān)電流為：(4-20)通常在電流波形的前沿可以觀察到一個(gè)窄尖脈沖，當(dāng)輸出負(fù)載較輕時(shí)，它可能會(huì)引起電源不穩(wěn)定。這個(gè)尖脈沖的產(chǎn)生是由于電源變壓器匝間電容和輸出整流恢復(fù)時(shí)間造成的。在電流取樣輸入端增加一個(gè)RC濾波器，使它的時(shí)間常數(shù)接近尖脈沖的持續(xù)時(shí)間，通常將消除不穩(wěn)定性。(4).欠壓鎖定采用了兩個(gè)欠壓鎖定比較器來保證在輸出級被驅(qū)動(dòng)之前，集成電路已完全可用。正電源端（VCC）和參考輸出（Vret）個(gè)由分離的比較器監(jiān)視。每個(gè)都具有內(nèi)部的滯后，以防止通過他們各自的門限時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出動(dòng)作。V比較器上下門限分別為：UC38458.4V/7.6V，Vret比較器高低門限為3.6V/3.4V。大滯后和小啟動(dòng)電流使得，UC3845準(zhǔn)備應(yīng)用于更低電壓直流到直流變換器中的。一個(gè)36V的齊納二極管作為并聯(lián)穩(wěn)壓管，從VCC連接至地。它的作用是保護(hù)集成電路免受系統(tǒng)啟動(dòng)期間產(chǎn)生的過高電壓破壞。最小工作電壓（VCC）：UC3845為8.2V。(5).輸出UC3845有一個(gè)單圖騰柱輸出級，是專門設(shè)計(jì)用來直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的，在1.0nF負(fù)載時(shí)，它能提供達(dá)±1.0A的峰值驅(qū)動(dòng)電流和典型值為50ns的上升、下降時(shí)間。還附加了一個(gè)內(nèi)部電路，使得任何時(shí)候只要欠壓鎖定有效，輸出就進(jìn)入灌模式，這個(gè)特性使外部的下拉電阻不在需要。(6).參考電壓=25℃時(shí)調(diào)整誤差至±2.0%（對UC3845），它首要的目的是為振蕩騎定時(shí)電容提供充電電流。參考部分具有保護(hù)功能并能向附加控制電路提供超過20mA的電流。4.4反饋網(wǎng)絡(luò)電壓反饋環(huán)的唯一功能就是使輸出電壓保持在一個(gè)固定值。即通過控制器件控制端的電流來調(diào)節(jié)占空比，以達(dá)到穩(wěn)壓的目的。但考慮負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)輸出精度多路輸出隔離輸出等方面，電壓反饋的設(shè)計(jì)就變得很復(fù)雜了。電壓反饋環(huán)的核心部分是一個(gè)稱為誤差放大器的高增益運(yùn)算放大器，這部分僅僅是個(gè)高增益的放大器而已，它把兩個(gè)的誤差放大，并產(chǎn)生電壓誤差信號。在電壓系統(tǒng)中，這兩個(gè)電壓一個(gè)是參考電壓，而另一個(gè)則是輸出電壓。輸出電壓在輸入到誤差放大器之前先進(jìn)行分壓，分壓的比例為電壓參考值與額定輸出電壓的比值。這樣，在額定輸出電壓時(shí)，誤差放大器產(chǎn)生一個(gè)“零誤差”點(diǎn)。如果輸出偏離額定值，放大器的輸出誤差電壓就會(huì)明顯地改變，電源系統(tǒng)用改該誤差電壓來校正脈寬，從而使輸出電壓回到額定值。電壓反饋環(huán)要與輸入電壓和控制器IC隔離，可以用光隔離器進(jìn)行隔離。光藕合器在開關(guān)電源的主振回路使輸入回路與輸出回路進(jìn)行電氣隔離，并為電源的穩(wěn)壓控制電路提供信號通路。它主要有光源（即發(fā)光二極管）和光敏器件組成。最通用的光電耦合器是把一個(gè)發(fā)光二極管LED合一個(gè)光敏三極管VT封裝在一個(gè)完全與外界隔離的外殼中。工作過程簡述如下：當(dāng)有電流流過LED時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)光源，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的光敏三極管VT上后，控制VT產(chǎn)生一個(gè)與LED正向電流成比例的集電極電流。為了減少光隔離器漂移的影響，二次惻要用到一個(gè)誤差放大器，這個(gè)誤差放大器可以用TL431CP。TL431是2.50～3.6V精密電壓調(diào)節(jié)器。其性能優(yōu)良，價(jià)格低廉，可廣泛用于開關(guān)電源或線性穩(wěn)壓電源中。此外，TL431還能構(gòu)成電壓比較器、電源電壓監(jiān)視器、延時(shí)電路精密恒流源等。目前在開關(guān)電源中普遍用它來構(gòu)成外部誤差放大器，在與線性光電偶合器組成隔離式光偶反饋電路。TL431有多種型號，它屬于三端可調(diào)式器件，利用兩只外部電阻可設(shè)定2.50～36V范圍內(nèi)的任何基準(zhǔn)電壓值。TL431的電壓溫度系數(shù)30×10-6/℃Ω。陰極工作電壓的允許范圍是2.5～36V，陰極工作電流為1～100mA。TL431內(nèi)部主要是由誤差放大器、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓、NPN晶體管和保護(hù)二極管組成。圖4-9給出了反饋電路的拓?fù)?。圖4-9電壓反饋電路為了改善輸出交叉調(diào)整性能，可以對每個(gè)正極性輸出端都進(jìn)行檢測，這樣可以有效地提高每個(gè)輸出端在負(fù)載變化時(shí)的響應(yīng)特性。這部分的設(shè)計(jì)從控制