低功耗小功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1開關(guān)電源簡介

小功率開關(guān)電源以其諸多優(yōu)良的性能，在測控儀器儀表、通信設(shè)備、學(xué)習(xí)與消遣等諸多電子產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。隨著環(huán)境和能源問題日益突出，人們對電子產(chǎn)品的環(huán)保要求不斷提高，對電子產(chǎn)品的能源效率更加關(guān)注。設(shè)計(jì)無污染、低功耗、高效率的綠色模式電源已成為開關(guān)電源技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

本文研究一種中小功率開關(guān)電源，應(yīng)用過渡模式有源功率因數(shù)校正、準(zhǔn)諧振變頻功率隔離變換控制和同步整流等多種先進(jìn)的電源控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)綠色開關(guān)電源設(shè)計(jì)的目的。

1.1開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)

所有事物都要遵循能量守恒定律，開關(guān)電源也不例外，實(shí)際上，開關(guān)電源也要通過以能量形式傳遞完成的。從能量上看，開關(guān)電源可以分為直流開關(guān)電源模式和交流開關(guān)電源模式，直流開關(guān)電源模式主要是輸出為直流信號電能，而交流開關(guān)電源模式主要是輸出為交流信號電能。直流開關(guān)電源模式為當(dāng)前的主流模式，該開關(guān)電源模式的基本組成結(jié)構(gòu)框圖如下圖1.1所示：

交流輸入橋式整流濾波LC組成濾波器DC/DC變換器轉(zhuǎn)換輸出整流濾波占空比控制電路DC直流輸出放大電路控制電路圖1.1開關(guān)電源基本組成結(jié)構(gòu)框圖

由上圖中可知：開關(guān)電源主要由整流濾波、DC/DC變換電路、開關(guān)占空比控制電路以及控制電路等模塊組成。

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交直流輸入電壓經(jīng)LC濾波器，再通過橋式整流與母線電解電容平滑后變?yōu)橹绷麟妷?，再?jīng)DC/DC變換器轉(zhuǎn)換，再經(jīng)二極管整流和電解電容的濾波至輸出，為了能使電路成為一個閉環(huán)工作，在輸出端引出一個控制電路再經(jīng)放大電路到占空比控制電路至DC/DC變換器轉(zhuǎn)換器形成一個閉環(huán)。占空比控制電路中占空比的表示方法如下圖1.2所示：

圖1.2占空比示意圖

由上圖中可知：占空比D=Toff/(TOff+Ton)，周期T=Ton+Toff，頻率f=1/T。

1.2傳統(tǒng)開關(guān)電源的缺陷

傳統(tǒng)開關(guān)電源基本上采用的都是傳統(tǒng)電路，傳統(tǒng)電路大部分采用的電路芯片都為PWM控制的KA38系列芯片，這當(dāng)中也要用到開關(guān)MOSFET管，還有就是也要加個啟動電阻，根據(jù)P=U*U/R可知該電路上的待機(jī)功耗至少要大于0.5W，而低功耗的要求待機(jī)功耗至少要小于0.5W，甚至有些要小于0.3W。假使功耗大，對人口密集的中國來說，電能的損耗無疑是巨大的。另外傳統(tǒng)電源存在著某些有害物質(zhì)，根據(jù)我國CCC標(biāo)準(zhǔn)中的《關(guān)于在電氣電子設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指令》，從而沒能達(dá)到環(huán)保的功能。

1.3綠色開關(guān)電源的發(fā)展方向

由于傳統(tǒng)電源存在著諸多的缺陷，為了能量的有效利用，人們從而提出了綠色開關(guān)電源，綠色開關(guān)電源產(chǎn)品主要向高頻、高效率、低功耗、小型化、集成化、模塊化、智能化、高可靠性、滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)保等諸多方向不斷發(fā)展。由于開關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國外各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率比鐵氧化體（MnZn）材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和交大磁通密度（Bs）下獲得提高的磁性能，而電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。以下幾個方面將是開關(guān)電源發(fā)展的方向：

（1）小型化、薄型化、輕量化。開關(guān)電源的體積、重量主要是由儲能元件（磁性元件和電容）決定的，因此開關(guān)電源的小型化實(shí)質(zhì)上就是盡可能減小其中

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儲能元件的體積。

（2）高頻化。在一定范圍內(nèi)，開關(guān)頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，因此高頻化是開關(guān)電源的主要發(fā)展方向。

（3）高可靠性。開關(guān)電源比連續(xù)工作電源使用的元器件多數(shù)十倍，因此降低了可靠性。從壽命角度出發(fā)，點(diǎn)解電容、光耦合器及排風(fēng)扇等器件的壽命決定著電源的壽命。所以，要從設(shè)計(jì)方面著眼，盡可能使用較少的器件，提高集成度，采用模塊化技術(shù)可以滿足分布式電源系統(tǒng)的需要，提高系統(tǒng)的可靠性。

（4）低噪聲。開關(guān)電源的缺點(diǎn)之一是噪聲大，單純地追求高頻化，噪聲也會隨之增大。采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲，所以，盡可能降低噪聲影響是開關(guān)電源的又一發(fā)展方向。

（5）采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制。采用CAA和CDD技術(shù)設(shè)計(jì)最新變換拓?fù)浜妥钫_參數(shù)，使開關(guān)電源具有最簡結(jié)構(gòu)和最正確工況。在電路中引入微機(jī)監(jiān)測和控制，可構(gòu)成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時監(jiān)測、記錄并自動報警等。

開關(guān)電源被譽(yù)為高效能電源，它袋包著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。采用了高頻變壓器和控制集成電路的開關(guān)電源更具有效率高、輸出穩(wěn)定、可靠性高等特性，是今后電源的發(fā)展趨勢。

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2低功耗小功率開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)方案的選擇

在進(jìn)行變換器的任何設(shè)計(jì)工作之前，首先要選擇電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是一項(xiàng)十分重要的工作。由于電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在現(xiàn)在多達(dá)上百種，所以，開關(guān)電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以選擇為二種方案，第一種方案是采用單端正激式變換器的開關(guān)電源設(shè)計(jì)，其次種方案是采用單端反激式變換器的開關(guān)電源設(shè)計(jì)。

2.1.1單端正激式變換器

有隔離變換器的DC/DC變換器依照鐵芯磁化方式，可分為雙端變換器（全橋、半橋、推挽等）和單端變換器（正激式、反激式等）和雙端變換器比較，單端變換器線路簡單、無功率管共導(dǎo)通問題、也不存在高頻變換器單向偏磁和瞬間飽和問題，但由于高頻變換器只工作在磁滯回線一側(cè)，利用率低。因此，它只適用于小功率輸出場合。

單端正激變換器是一個隔離開掛變換器，隔離型變換器的一個根本特點(diǎn)是有一個用于隔離的高頻變壓器，所以可以用于高電壓的場合。由于引入了高頻變壓器極大的增加了變換器的種類，豐富了變換器的功能，也有效的擴(kuò)大了變換器的使用范圍。單端正激變換器拓?fù)湟云浣Y(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉而被廣泛應(yīng)用于獨(dú)立的離線式中小功率電源設(shè)計(jì)中。

單端正激式開關(guān)電源由于輸出電感和續(xù)流二極管的作用，輸出電流式連續(xù)的。開關(guān)晶體管截止時，降在其上的最大電壓Vcemax為2Vin。變換器在開關(guān)晶體管導(dǎo)通時經(jīng)變壓器向負(fù)載傳輸能量，輸出功率范圍較大，高頻變壓器既要起變壓器隔離和傳輸能量的作用，又起到電感線圈儲能的作用?？刂齐娐芬岳^承的PWM脈寬調(diào)制電路為基礎(chǔ)組成，能十分便利實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓調(diào)理及過壓、欠壓、限流和關(guān)斷電源輸出等保護(hù)控制功能。

2.1.2單端反激式變換器

反激式開關(guān)電源采用了穩(wěn)定性很好的雙環(huán)路反饋（輸出直流電壓隔離取樣反饋外環(huán)回路和初級線圈充磁值電流取樣反饋內(nèi)回路）控制系統(tǒng)，就可以通過開關(guān)電源的PWM（脈沖寬度調(diào)制器）迅速調(diào)整脈沖電壓和初級線圈充磁峰值電流進(jìn)行有效調(diào)理，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。這種反饋控制電路的最大特點(diǎn)是：在輸入

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電壓和負(fù)載電流變化較大時，具有更快的動態(tài)響應(yīng)速度，自動限制負(fù)載電流，補(bǔ)償電路簡單。

2.1.3設(shè)計(jì)方案

我所要做的綠色開關(guān)電源為小功率且比較小型化，這就不需要高成本且繁雜的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這也是有利于市場上銷售，所以對此小功率開關(guān)電源選用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為隔離反激式變換器電路拓?fù)?。此電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對小功率、小體積開關(guān)電源是比較適合的，而要實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源功能則需要在電路上做一系列的設(shè)計(jì)了。

2.2橋式整流濾波電路和LC組成濾波器設(shè)計(jì)

由圖1.1圖中可知開關(guān)電源基本上由六大部分組成的，本設(shè)計(jì)的輸入電壓

Vin為AC165V~AC264V，輸出電壓Vo為DC12V，輸出額定電流Io為3A，橋式整流濾波電路和LC組成濾波器如圖2.1所示：

圖2.1橋式整流濾波電路和LC組成濾波器

由于元器件要看它本身的耐壓值，所以在輸入為AC264V時，經(jīng)過整流橋DF06的電壓是最大的，一般整流出來的直流電壓乘以（1.45~1.55）可得出經(jīng)過整流橋的最大耐壓