開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)-畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 摘 要穩(wěn)壓電源是實(shí)現(xiàn)電能變換和功率傳遞的主要設(shè)備。在信息時代,農(nóng)業(yè)、能 源、交通運(yùn)輸、通信等領(lǐng)域迅猛發(fā)展,對電源產(chǎn)業(yè)提出個更多、更高的要求, 如節(jié)能、節(jié)材、減重、環(huán)保、安全、可靠等。這就迫使電源工作者不斷的探索 尋求各種鄉(xiāng)關(guān)技術(shù),做出最好的電源產(chǎn)品,以滿足各行各業(yè)的要求。開關(guān)電源 是一種新型的電源設(shè)備,較之于傳統(tǒng)的線性電源,其技術(shù)含量高、耗能低、使 用方便,并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。本文在介紹了開關(guān)電源的各種工作方式、其優(yōu)劣勢、設(shè)計(jì)方法及未來發(fā)展 方向等的基礎(chǔ)上,對開關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)分為三個模塊進(jìn)行,分別為 輔助電源模塊、 PWM 控制模塊、 升壓電路部分,其中 PWM 控制電路為電源

2、設(shè) 計(jì)的核心。確定電路設(shè)計(jì)方案后,使用 Multisim 10對電路進(jìn)行仿真,并對電路 的參數(shù)進(jìn)行配比,盡量使電路的參數(shù)達(dá)到最佳、使輸出電壓趨于穩(wěn)定,從而達(dá) 到設(shè)計(jì)要求。關(guān) 鍵 詞 :開 關(guān) 電 源 , 穩(wěn) 壓 , 脈 寬 調(diào) 制 , 功 率 ABSTRACATPower is to achieve power conversion and power transmission major equipment. In the information age, agriculture, energy, transportation, communications and other areas

3、Power of the source industry make a greater and higher requirements, such as energy, materials, weight reduction, environmental protection, safety and reliability. This has forced the power workers have been exploring the technology for a variety of rural customs, the power to make the best products

4、 to meet the requirements of all walks of life. Switching power supply is a new type of power supply, compared to traditional linear power supply, high technology, low energy consumption, easy to use, and has achieved good economic results.This paper describes the various switching power supply work

5、s, its advantages and disadvantages, design and direction of future development, based on the design of the switching power supply. Design is divided into three modules, namely, auxiliary power module, PWM control module, boost circuit part, which PWM control circuit for the power supply design of t

6、he core. Determine the circuit design, the use of Multisim 10 simulate the circuit, and the ratio of the circuit parameters, circuit parameters as far as possible to achieve the best, to stabilize the output voltage to achieve the design requirements.KEY WORDS: Switching Power Supply, , PWM , power

7、, 目 錄第一章 開關(guān)電源簡介 . 5 1.1 開關(guān)電源的發(fā)展背景 . 5 1.2 開關(guān)電源的基本原理與組成特點(diǎn) . 5 1.2.1 開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理 . 5 1.2.2 開關(guān)電源的基本原理 . 6 1.2.3 開關(guān)電源的特點(diǎn) . 7 1.3 開關(guān)穩(wěn)壓電源的發(fā)展 . 7 1.3.1 國際發(fā)展史狀況 . 7 1.3.2 國內(nèi)發(fā)展情況 . 9 1.4 開關(guān)電源的分類 . 9 1.5 穩(wěn)壓開關(guān)電源的發(fā)展趨勢 . 12 1.6 開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)與基本設(shè)計(jì)要求 . 14 第二章 開關(guān)變換電路 . 16 2.1 濾波電路 . 16 2.2 反饋電路 . 16 2.2.1 電流反饋電路 . 16

8、 2.2.2 電壓反饋電路 . 17 2.3 電壓保護(hù)電路 . 17 第三章 UC3842. 19 3.1 UC3842簡介 . . 19 3.1.1 UC3842的引腳及其功能 . 19 3.1.2 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu) . 20 3.1.3 UC3842的使用特點(diǎn) . 21 3.2 UC3842的典型應(yīng)用電路 . . 22 3.2.1 反激式開關(guān)電源 . 22 3.2.2 UC3842控制的同步整流電路 . 23 3 .2.3 升壓型開關(guān)電源 . 25 第四章 利用 UC3842設(shè)計(jì)開關(guān)穩(wěn)壓電源 . 27 4.1 電源設(shè)計(jì)指標(biāo) . 27 4.2 具體電路設(shè)計(jì) . 27 4.2.1 啟動電

9、路 . 27 4.2.2 PWM 脈沖控制驅(qū)動電路 . 29 4.2.3 電路輸出部分的設(shè)計(jì) . 32 4.3 電路整體分析 . 37 第五章 電源的測試及仿真 . 38 5.1 仿真軟件 Multisim 10概述 . 38 5.2 電路測試 . 38 5.3 仿 真 結(jié) 果 . 40 5.4 設(shè) 計(jì) 問 題 及 解 決 方 法 . 42 總 結(jié) . 43 參考資料 . 44 致 謝 . 45 第一章 開關(guān)電源簡介1.1 開關(guān)電源的發(fā)展背景電源 power supply; power source 向電子設(shè)備提供功率的裝置。 把其他形式 的能轉(zhuǎn)換成電能的裝置叫做電源。發(fā)電機(jī)能把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電

10、能,干電池能把 化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能 . 發(fā)電機(jī) . 電池本身并不帶電 , 它的兩極分別有正負(fù)電荷 , 由正負(fù) 電荷產(chǎn)生電壓 (電流是電荷在電壓的作用下定向移動而形成的 , 電荷導(dǎo)體里本來 就有 , 要產(chǎn)生電流只需要加上電壓即可 , 當(dāng)電池兩極接上導(dǎo)體時為了產(chǎn)生電流而 把正負(fù)電荷釋放出去 , 當(dāng)電荷散盡時 , 也就電荷流 (壓 消了 . 干電池等叫做電源。 通 過變壓器和整流器,把交流電變成直流電的裝置叫做整流電源。能提供信號的 電子設(shè)備叫做信號源。晶體三極管能把前面送來的信號加以放大,又把放大了 的信號傳送到后面的電路中去。晶體三極管對后面的電路來說,也可以看作是 信號源。整流電源、信號源有時也

11、叫做電源。電子設(shè)備都離不開可靠的電源, 進(jìn)入 80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電 源化,率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代,進(jìn)入 90年代開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、 電器設(shè)備領(lǐng)域,程控交換機(jī)、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已 廣泛地使用了開關(guān)電源,更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。電力電子技術(shù)的發(fā)展 , 特別是大功率器件 IGBT 和 MOSFET 的迅速發(fā)展 , 將開 關(guān)電源的工作頻率提高到相當(dāng)高的水平 , 使其具有高穩(wěn)定性和高性價比等特性。 開關(guān)電源技術(shù)的主要用途之一是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù),信息技術(shù)的發(fā)展對電源技術(shù) 又提出了更高的要求 , 從而促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展。1.2 開關(guān)電源的基本原理與

12、組成特點(diǎn)1.2.1 開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理開關(guān)式穩(wěn)壓電源的控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種 , 實(shí)際應(yīng)用中 , 調(diào)寬 式使用的較多 , 在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中 , 絕大多數(shù)也為脈寬 調(diào)制型。調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理如圖 1-1所示。 圖 1-1. 調(diào) 寬 式 開 關(guān) 電 源 的 基 本 原 理對于單極性矩形脈沖來說 , 其直流平均電壓 U0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。其中有 :U0=UmT1/T式中 , Um 為矩形脈沖 的最大電壓值 ; T 為矩形脈沖周期 , T1為矩形脈沖寬度。由此可知 , 當(dāng) Um 與 T 不變時 , 直流平均電

13、壓 U0將與脈沖寬度 T1成正比。這樣 , 只要設(shè)法使脈沖寬 度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄 , 就可以達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。1.2.2 開關(guān)電源的基本原理開關(guān)穩(wěn)壓電源(簡稱開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開關(guān)管開 通和關(guān)斷的時間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源一般多采用脈 沖寬度調(diào)制(PWM 控制方式。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新,開關(guān)電源逐 步向高頻化方向發(fā)展。高頻化使開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn), 因此,研究、開發(fā)高質(zhì)量的開關(guān)電源就變得十分必要,尤其在節(jié)約能源、節(jié)約 資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。開關(guān)穩(wěn)壓電源具有, 效率高, 輸出功率大, 輸入電壓變化范圍

14、寬, 節(jié) 約能耗等優(yōu)點(diǎn), 而被廣泛使用在各個行業(yè)和領(lǐng)域中。 開關(guān)電源的工作原理就是 通過改變開關(guān)器件的開通時間和工作周期的比值即占空比來改變輸出電壓, 通 常有三種調(diào)制方式 : 脈沖寬度調(diào)制 ( P W M 、脈沖頻率調(diào)制 ( P F M 和混合調(diào) 制。 P W M調(diào)制是指開關(guān)周期恒定, 通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式, 因?yàn)橹芷诤愣? 濾波電路的設(shè)計(jì)容易,是應(yīng)用最普遍的調(diào)制方式。開關(guān)穩(wěn)壓電 源的主回路框圖如圖 1-2 所示, 由隔離變壓器產(chǎn)生一個 1 8 V 的交流, 經(jīng)過 整流濾波成一個直流, 然后再進(jìn)行 D C - D C 變換, 有 P W M 的驅(qū)動電路, 去控制開關(guān)電源管的導(dǎo)通

15、和截止, 而產(chǎn)生出一個穩(wěn)定的電壓源,如圖 1-2。 圖 1-2.1.2.3 開關(guān)電源的特點(diǎn)開關(guān)電源具有如下特點(diǎn):(1 效率高。開關(guān)電源的功率開關(guān)調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài),所以調(diào)整管的功 耗小,效率高,一般在 80%90%,高的可達(dá) 90%以上;(2 重量輕。由于開關(guān)電源省掉了笨重的電源變壓器,節(jié)省了大量的漆包線 和硅鋼片,從而使其重量只有同容量線性電源的 1/5,體積也大大縮小了; (3 穩(wěn)壓范圍寬。 開關(guān)電源的交流輸入電壓在 90270 V內(nèi)變化時, 輸出電壓 的變化在 2%以下。合理設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路,還可使穩(wěn)壓范圍更寬并保證開關(guān) 電源的高效率;(4安全可靠。在開關(guān)電源中,由于可以方便地設(shè)置各種

16、形式的保護(hù)電路, 因此當(dāng)電源負(fù)載出現(xiàn)故障時,能自動切斷電源,保障其功能可靠;(5 功耗小。 由于開關(guān)電源的工作頻率高, 一般在 20 kHz以上, 因此濾波元 件的數(shù)值可以大大減小,從而減小功耗;特別是,由于功率開關(guān)管工作在開關(guān) 狀態(tài),損耗小,不需要采用大面積散熱器,電源溫升低,周圍元件不致因長期 工作在高溫環(huán)境而損壞,因此采用開關(guān)電源可以提高整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。1.3 開關(guān)穩(wěn)壓電源的發(fā)展1.3.1 國際發(fā)展史狀況(1發(fā)展史1955年美國的科學(xué)家羅耶 (G .H.Royer 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

17、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)式和機(jī)械振子式換流設(shè)備。由于晶體管直流變換器中的 功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài),所以由此而制成的穩(wěn)壓電源輸出的組數(shù)多、極性 可變、效率高、體積小、重量輕,因而當(dāng)時被廣泛地應(yīng)用于航天及軍事電子設(shè) 備上。由于那時的微電子設(shè)備及技術(shù)十分落后,不能制作耐壓較高、開關(guān)速度 較高、功率較大的晶體管,所以這個時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,不再需要有工頻變壓器了。 從而極大地擴(kuò)大了它的應(yīng)用范圍,并且

18、在此基礎(chǔ)上誕生了無工頻降壓變壓器的 開關(guān)穩(wěn)壓電源。 省掉了工頻變壓器, 又使開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量大為減小。 開關(guān)穩(wěn)壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。70年代以后,于這種技術(shù)有關(guān)的高頻、高反壓的功率晶體管,高頻電容, 開關(guān)二極管,開關(guān)變壓器鐵心等元器件也不斷地被研制和生產(chǎn)出來,使無工頻 變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源得到了飛速發(fā)展,并且被廣泛應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、 航天、彩色電視機(jī)等領(lǐng)域中,從而使無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源成為各種電源 中的佼佼者。(2目前正在克服的困難隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子的高速發(fā)展、集成度高、功能強(qiáng)的大規(guī)模集成電 路的不斷出現(xiàn),使得電子設(shè)備的體積在不斷的縮小,重量在不斷的減輕

19、。所有 從事這方面研究和生產(chǎn)的人們對開關(guān)穩(wěn)壓電源中的開關(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、體積更小、重量更輕的開關(guān)變壓器或者 通過別的途徑來取代開關(guān)變壓器,使之能夠滿足電子儀器和設(shè)備為小型化的需 要。這是從事開關(guān)穩(wěn)壓電源研制的科技人員目前正在克服的第一個困難。 開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率是與開關(guān)管的變換速度成正比的,并且開關(guān)穩(wěn)壓電源 中由于采用了開關(guān)變壓器以后,才能使之有一組輸入得到極性、大小各不相同 得多組輸出。 要進(jìn)一步提高開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率, 就必須提高電源的工作頻率。 但是,當(dāng)頻率提高以后,對整個電路中的元件又有了新的要求。例如,高頻電 容、開關(guān)管、開關(guān)變壓器、儲能電感等

20、都會出現(xiàn)新的問題。進(jìn)一步研制適應(yīng)高 頻率工作的有關(guān)電路元器件,是從事開關(guān)穩(wěn)壓電源研制的科技人員要解決的問 題。工作在線性狀態(tài)的穩(wěn)壓電源,具有穩(wěn)壓和濾波的雙重作用因而串聯(lián)閑心穩(wěn) 壓電源不產(chǎn)生開關(guān)干擾,且波紋電壓輸出較小。但是,在開關(guān)穩(wěn)壓電源中的開 關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài),其交變電壓和電流會通過電路中的元器件產(chǎn)生較強(qiáng)的尖 峰干擾和諧振干擾。這些干擾就會污染市電電網(wǎng),影響鄰近的電子儀器及設(shè)備 的正常工作。隨著愛管穩(wěn)壓電源電路和抑制干擾措施的不斷改進(jìn),開關(guān)穩(wěn)壓電 源的這一缺點(diǎn)得到進(jìn)一步地克服,可以達(dá)到不妨礙一般的電子儀器、設(shè)備和家 用電器正常工作的程度。所以,克服開關(guān)穩(wěn)壓電源的這一缺點(diǎn),進(jìn)一步提高它 的使

21、用范圍,司從事開關(guān)穩(wěn)壓電源研制科技人員要解決的第三個問題。1.3.2 國內(nèi)發(fā)展情況我國的晶體管直流變換器及開關(guān)穩(wěn)壓電源研制工作始于 60年代初期。到 60年代中期進(jìn)入了實(shí)用階段, 70年代初期開始研制無工頻降壓變壓器開關(guān)穩(wěn)壓 電源。 1974年研制成功了工作頻率為 10kHz 、輸出電壓為 5V 的無工頻降壓變 壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源。近 10多年來,我國的許多研究所、工廠及高等院校已研制 出多種型號的工作頻率在 20KHz 左右、輸出在功率在 1000W 一下的無工頻降 壓變氣開關(guān)穩(wěn)壓電源,并應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、電視等方面,取得了較好 的效果。工作頻率為 100KHz200KHz的高頻開關(guān)穩(wěn)壓

22、電源于 80年代初期就 已開始試制, 90年代初期就已試制成功。目前正走在向?qū)嵱秒A段和再進(jìn)一步提 高工作頻率。許多年來,雖然我國在無工頻將開關(guān)穩(wěn)壓電源方面做了巨大的努 力,并取得了可喜的成果,但是,目前我國的開關(guān)穩(wěn)壓電源技術(shù)與一些先進(jìn)的 國家相比仍然有角的差距。此外,這些年來,我國雖然把無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn) 壓電源的工作頻率從數(shù)十 KHz 提高到數(shù)百 KHz , 把輸出功率由數(shù)十瓦提高到數(shù) 千瓦,但是,由于我國半導(dǎo)體技術(shù)與工藝跟不上時代的發(fā)展,導(dǎo)致我們自己研 制和生產(chǎn)出的無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源中的開關(guān)管大部分采用的仍是進(jìn)口的 晶體管。所以我國的開關(guān)穩(wěn)壓電源事業(yè)要發(fā)展,要趕超世界先進(jìn)水平,最根本

23、 的是要提高我國的半導(dǎo)體技術(shù)和工藝。1.4 開關(guān)電源的分類現(xiàn)在,電子技術(shù)和應(yīng)用迅速的發(fā)展,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,不斷地增加;在使用上,自動化程度要越來越 高;在體積上,要日趨小型化。這是采用具有眾多優(yōu)點(diǎn)的開關(guān)電源就顯得更加 重要了。所以,開關(guān)穩(wěn)壓電源在計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩色電視機(jī)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)穩(wěn)壓電源的發(fā) 展,從事這方面研究和生產(chǎn)的人員也在不斷的增加,開關(guān)穩(wěn)壓電源的品種和類 型也越來越多。常見的開關(guān)穩(wěn)壓電源分類方法有下列幾種: (1按激勵方式劃分i 他激式電路中專設(shè)激勵信號產(chǎn)生的振蕩器ii 自激式開

24、關(guān)管兼作振蕩器中的振蕩管(2按調(diào)制方式劃分i. 脈寬調(diào)制振蕩頻率保持不變, 通過改變脈沖寬度來改變和調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。 有時 通過取樣電路、耦合電路等構(gòu)成反饋閉環(huán)回路,來穩(wěn)定輸出電壓的幅度。 ii. 頻率調(diào)整型占空比保持不變,通過改變振蕩器的振蕩頻率來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的幅 度。iii. 混合型通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間的振蕩頻率來完成調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓幅度的目的。 (3按開關(guān)管電流的工作方式劃分i. 開關(guān)型用開關(guān)晶體管把直流變成高頻標(biāo)準(zhǔn)方波。ii. 諧振型開關(guān)晶體管與 LC 諧振回路將直流變成標(biāo)準(zhǔn)的正弦方波電路形式是類是與它 激式(4晶體管的類型劃分i. 晶體管型采用晶體管作為開關(guān)管ii. 可 控

25、硅 型采用可控硅作為開關(guān)管。這種電路的特點(diǎn)是直接輸入交流電不需要一次整 流部分。(5負(fù)載的連接方式劃分i. 串聯(lián)型儲能電感串聯(lián)在輸入與輸出電壓之間 。ii. 并聯(lián)型儲能電感并聯(lián)在輸入與輸出之間。(6 按 晶 體 管 的 連 接 方 式 劃 分i. 單端式 僅使用一個晶體管作為電路中的開關(guān)管。這種電路的特點(diǎn)是價格低、電路 結(jié)構(gòu)簡單,單輸出功率不能提高。ii. 推挽式使用兩個開關(guān)晶體管,將其連接成推挽功率放大器形式。這種電路的特點(diǎn) 是開關(guān)變壓器必須具有中心抽頭。iii. 半橋式使用兩個開關(guān)晶體管, 將其連接成半橋的形式。 它的特點(diǎn)是適應(yīng)于輸入電壓 較高的場合。iv. 全橋式使用四個開關(guān)晶體管。將其

26、連接成全橋式。它的特點(diǎn)是輸出功率較大。 (7按輸入與輸出電壓的大小劃分i. 升壓式輸 出 電 壓 比 輸 入 電 壓 高 。 實(shí) 際 上 就 是 并 聯(lián) 型 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 。 ii. 降壓式輸出電壓比輸入電壓低。實(shí)際上就是串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源。(8按工作方式劃分i. 可控整流型所謂可控整流型開關(guān)穩(wěn)壓電源,是指采用可控硅整流元件作為調(diào)整開關(guān), 可由交流市電電網(wǎng)直接供電, 也可采用變壓器變壓后供電。 (這種供電方式在開 關(guān)穩(wěn)壓電源剛興起的初期常常采用,目前基本上不太采用。 在工作的半波內(nèi), 截去正弦曲線的前一部分,這一部分所占角度稱為截止角,導(dǎo)通的正弦曲線的 后一部分稱為導(dǎo)通角,依靠調(diào)節(jié)導(dǎo)

27、通角的大小,可達(dá)到天界輸出電壓和穩(wěn)定輸 出電壓的目的。ii. 斬波型斬波型開關(guān)穩(wěn)壓電源是指直流供電,輸入直流電壓加到開關(guān)電路上,在開 關(guān)電路的輸出端得到單向的脈動直流,經(jīng)過濾波得到與輸入電壓不同的直流輸 出電壓。電路還從輸出電壓取樣,經(jīng)過比較、放大,控制脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的 脈沖信號, 用以控制調(diào)節(jié)開關(guān)的導(dǎo)通時間和截止時間的長短或開關(guān)的工作頻率, 最后達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。電路的過壓保護(hù)也是依據(jù)這一部分所提供的取 樣信號來進(jìn)行的。iii. 隔離型這種形式的開關(guān)電源是在輸入回路與逆變電路之間,經(jīng)過高頻變壓器(也 可稱為開關(guān)變壓器 ,利用磁場的變化實(shí)現(xiàn)能量傳遞,沒有電流間的直接流通。 隔離型開關(guān)穩(wěn)

28、壓電源采用直流供電,經(jīng)過開關(guān)電路,將直流電變成頻率很高的 交流電,在經(jīng)過變壓隔離器、變壓(升壓或降壓 ,然后經(jīng)整流器整流,最后就 可以得到新的、 極性和數(shù)值各不相同的多組直流輸出電壓。 電路從輸出點(diǎn)取樣, 經(jīng)放大器后反饋到開關(guān)控制器,控制驅(qū)動電路的工作,最后達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓 的目的。(9按電路結(jié)構(gòu)劃分i. 散件式整個開關(guān)穩(wěn)壓電源電路都是采用分立式元器件組成的,它的電路結(jié)構(gòu)較為 復(fù)雜,可靠性差。ii. 集成電路式整個開關(guān)穩(wěn)壓電源或電路的一部分是由集成電路組成的。 這種集成電路通常 為厚膜電路。有的厚膜集成電路中包括可開關(guān)晶體管,有的則不包括開關(guān)晶體 管。這種電源的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、可

29、靠性高。以上五花八門的開關(guān)穩(wěn)壓電源的品種都是站在不同的角度,以開關(guān)穩(wěn)壓電 源不同的特點(diǎn)命名的。盡管各種電路的激勵方法、輸出直流電壓的調(diào)節(jié)方式。 儲能電感的連接方式、開關(guān)管的器件類型以及串并聯(lián)的結(jié)構(gòu)等各不相同,但是 他們最后總可以歸結(jié)為串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源和并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源這兩大類。1.5 穩(wěn)壓開關(guān)電源的發(fā)展趨勢隨著穩(wěn)壓開關(guān)電源的發(fā)展,技術(shù)日益成熟,發(fā)展的方向也各不相同,但總 的有以下四種方向。(1高頻化理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明 , 電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與 供電頻率的平方根成反比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻 50Hz 提高到 20kHz, 提高 400倍的話 , 用電設(shè)備的體積重量大

30、體下降至工頻設(shè)計(jì)的 5 l 0 % 。無論是逆 變式整流焊機(jī) , 還是通訊電源用的開關(guān)式整流器 , 都是基于這一原理。同樣 , 傳 統(tǒng) 整流行業(yè) 的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電等各種直流電源也可以 根據(jù)這一原理進(jìn)行改造 , 成為 開關(guān)變換類電源 , 其主要材料可以節(jié)約 9 0 % 或更高 , 還可節(jié)電 3 0 % 或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高 , 促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化 , 帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約 材料的經(jīng)濟(jì)效益 , 更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價值。 (2模塊化模塊化有兩方面的含義 , 其一是指功率器件的模塊化 , 其二是指電源單元 的模塊化。我們常見的器件

31、模塊 , 含有一單元、兩單元、六單元直至七單元 , 包 括開關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管 , 實(shí)質(zhì)上都屬于 標(biāo)準(zhǔn) 功率模塊 ( S P M 。 近年 , 有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動保護(hù)電路也裝到功率模塊中去 , 構(gòu)成了 智能化 功率模塊 ( I P M , 不但縮小了整機(jī)的體積 , 更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制 造。 實(shí)際上 , 由于頻率的不斷提高 , 致使引線寄生電感、 寄生電容的影響愈加嚴(yán) 重 , 對器件造成更大的電應(yīng)力 ( 表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺 。為了提高系統(tǒng)的 可靠性 , 有些制造商開發(fā)了 用戶專用 功率模塊 (ASPM, 它把一臺整機(jī)的幾 乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中 , 這

32、樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格、合 理 的 熱 、 電 、 機(jī) 械 方 面 的 設(shè) 計(jì) , 達(dá) 到 優(yōu) 化 完 美 的 境 地 。 由 此 可 見 , 模 塊 化 的 目 的 不 僅 在 于 使 用 方 便 , 縮 小 整 機(jī) 體 積 , 更 重 要 的 是 取 消 傳 統(tǒng) 連 線 , 把 寄 生 參 數(shù) 降 到 最 小 , 從 而 把 器 件 承 受 的 電 應(yīng) 力 降 至 最 低 , 提 高 系 統(tǒng) 的 可 靠 性 。(3數(shù)字化在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中 , 控制部分是按模擬信號來設(shè)計(jì)和工作的。在六、 七十年代 , 電力電子技術(shù)完全是建立在模擬電 路 基 礎(chǔ) 上 的 。 但 是 , 現(xiàn) 在 數(shù) 字 式 信 號

33、 、 數(shù) 字 電 路 顯 得 越 來 越 重 要 , 數(shù) 字 信 號 處 理 技 術(shù) 日 趨 完 善 成 熟 , 顯 示 出 越 來 越 多 的 優(yōu) 點(diǎn) : 便 于 計(jì) 算 機(jī) 處 理 控 制 、 避 免 模 擬 信 號 的 畸 變 失 真 、 減 小 雜 散 信 號 的 干 擾 ( 提 高 抗 干 擾 能 力 、 便 于 軟 件 包 調(diào) 試 和 遙 感 遙 測 遙 調(diào) , 也 便 于 自 診 斷 、 容 錯 等 技 術(shù) 的 植 入 。 所 以 , 在 八 、 九 十 年 代 , 對 于 各 類 電 路 和 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 來 說 , 模 擬 技 術(shù) 還 是 有 用 的 , 特 別 是 :

34、 諸 如 印 制 版 的 布 圖 、電 磁 兼 容 (EMC 問 題 以 及 功 率 因 數(shù) 修 正 (PFC等 問 題 的 解 決 , 離 不 開 模 擬 技 術(shù) 的 知 識 , 但 是 對 于 智 能 化 的 開 關(guān) 電 源 , 需 要 用 計(jì) 算 機(jī) 控 制 時 , 數(shù) 字 化 技 術(shù) 就 離 不 開 了 。 (4綠色化電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義 : 首先是顯著節(jié)電 , 這意味著發(fā)電容量的節(jié) 約 , 而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因 , 所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染 ; 其次這些電源不能 ( 或少 對電網(wǎng)產(chǎn)生污染 , 國際電工委員會 ( I E C 對此制定 了一系列標(biāo)準(zhǔn) , 如 IEC

35、555、 IEC917、 IECl000等。事實(shí)上 , 許多功率電子節(jié)電設(shè) 備 , 往往會變成對電網(wǎng)的污染源 : 向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流 , 使總功率因 數(shù)下降 , 使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰 , 甚至出現(xiàn)缺角和畸變。 2 0 世紀(jì)末 , 各 種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生 , 有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些 為 21世紀(jì)批量生產(chǎn)各種綠色開關(guān)電源產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)?？偠灾?, 開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實(shí)現(xiàn) , 將標(biāo)志著 開關(guān)電源技術(shù)的成熟 , 實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。 這幾年 , 隨著通信 行業(yè)的發(fā)展 , 以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開關(guān)電源 , 吸引了國

36、內(nèi)外一大批 科技人員對其進(jìn)行開發(fā)研究。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨 , 因此 , 同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動 , 并 將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源 正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。1.6 開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)與基本設(shè)計(jì)要求直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)可以分為兩大類:一類是特性指標(biāo),反映直流穩(wěn) 壓電源的固有特性,如輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍; 另一類是質(zhì)量指標(biāo),反映直流穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣,包括穩(wěn)定度、等效內(nèi)阻(輸出 電阻 、紋波電壓及溫度系數(shù)等。(1特性指標(biāo)i .輸出電壓范圍符合直流穩(wěn)壓電源工作條件情況下,能夠正常

37、工作的輸出電壓范圍。該指 標(biāo)的上限是由最大輸入電壓和最小輸入-輸出電壓差所規(guī)定,而其下限由直流 穩(wěn)壓電源內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓值決定。ii .最大輸入-輸出電壓差該指標(biāo)表征在保證直流穩(wěn)壓電源正常工作條件下,所允許的最大輸入-輸 出之間的電壓差值, 其值主要取決于直流穩(wěn)壓電源內(nèi)部調(diào)整晶體管的耐壓指標(biāo)。 iii. 最小輸入-輸出電壓差該指標(biāo)表征在保證直流穩(wěn)壓電源正常工作條件下,所需的最小輸入-輸出 之間的電壓差值。iv. 輸出負(fù)載電流范圍輸出負(fù)載電流范圍又稱為輸出電流范圍, 在這一電流范圍內(nèi), 直流穩(wěn)壓電源 應(yīng)能保證符合指標(biāo)規(guī)范所給出的指標(biāo)。(2質(zhì)量指標(biāo)i. 電壓調(diào)整率 SV電壓調(diào)整率是表征直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)

38、壓性能的優(yōu)劣的重要指標(biāo),又稱為穩(wěn)壓 系數(shù)或穩(wěn)定系數(shù), 它表征當(dāng)輸入電壓 VI 變化時直流穩(wěn)壓電源輸出電壓 VO 穩(wěn)定 的程度,通常以單位輸出電壓下的輸入和輸出電壓的相對變化的百分比表示。 電壓調(diào)整率公式見圖 2-2-1。ii .電流調(diào)整率 SI電流調(diào)整率是反映直流穩(wěn)壓電源負(fù)載能力的一項(xiàng)主要自指標(biāo), 又稱為電流穩(wěn) 定系數(shù)。它表征當(dāng)輸入電壓不變時,直流穩(wěn)壓電源對由于負(fù)載電流(輸出電流 變化而引起的輸出電壓的波動的抑制能力,在規(guī)定的負(fù)載電流變化的條件下, 通常以單位輸出電壓下的輸出電壓變化值的百分比來表示直流穩(wěn)壓電源的電流 調(diào)整率。iii .紋波抑制比 SR紋波抑制比反映了直流穩(wěn)壓電源對輸入端引入的

39、市電電壓的抑制能力, 當(dāng)直 流穩(wěn)壓電源輸入和輸出條件保持不變時,紋波抑制比常以輸入紋波電壓峰-峰 值與輸出紋波電壓峰-峰值之比表示,一般用分貝數(shù)表示,但是有時也可以用 百分?jǐn)?shù)表示,或直接用兩者的比值表示。iv .溫度穩(wěn)定性 K集成直流穩(wěn)壓電源的溫度穩(wěn)定性是以在所規(guī)定的直流穩(wěn)壓電源工作溫度 Ti 最大變化范圍內(nèi)(TminTiTmax 直流輸 出 電 壓 的 相 對 變 化 的 百 分 值 。(3極限指標(biāo)i .最大輸入電壓 是保證直流穩(wěn)壓電源安全工作的最大輸入電壓。 ii .最大輸出電流 是保證穩(wěn)壓器安全工作所允許的最大輸出電流。 第二章 開關(guān)變換電路2.1 濾波電路輸入濾波電路具有雙向隔離作用,

40、它可抑制從交流電網(wǎng)輸入的干擾信號, 同時也防止開關(guān)電源工作時產(chǎn)生的諧波和電磁干擾信號影響交流電網(wǎng)。圖 2-1所示濾波電路是一種復(fù)合式 EMI 濾波器, L1、 L2和 C1構(gòu)成第一級濾波,共模 電感 L3和電容 C2、 C3進(jìn)行第二級濾波。圖 2-1輸 入 濾 波 電 路C1用于濾除差模干擾, 選用高頻特性較好的薄膜電容。 電阻 R 給電容提供 放電回路, 避免因電容上的電荷積累而影響濾波器的工作特性。 C2、 C3跨接在 輸出端, 能有效地抑制共模干擾。 為了減小漏電流, C2、 C3宜選用陶瓷電容器。2.2 反饋電路2.2.1 電流反饋電路電流反饋電路采用電流互感器,通過檢測開關(guān)管上的電流

41、作為采樣電流, 原理如圖 2-2所示。電流互感器的輸出分為電流瞬時值反饋和電流平均值反饋 兩路, R2上的電壓反映電流瞬時值。 開關(guān)管上的電流變化會使 UR2變化, UR2接入 UC3842的保護(hù)輸入端腳,當(dāng) UR2=1V 時, UC3842芯片的輸出脈沖將 關(guān)斷。通過調(diào)節(jié) R1、 R2的分壓比可改變開關(guān)管的限流值,實(shí)現(xiàn)電流瞬時值的 逐周期比較,屬于限流式保護(hù)。輸出脈沖關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)對電流平均值的保護(hù),屬 于截流式保護(hù)。兩種過流保護(hù)互為補(bǔ)充,使電源更為安全可靠。采用電流互感 器采樣,使控制電路與主電路隔離,同時與電阻采樣相比降低了功耗,有利于 提高整個電源的效率。 圖 2-2電流反饋電路2.2.2

42、 電壓反饋電路電壓反饋電路如圖 2-3所示。輸出電壓通過集成穩(wěn)壓器 TL431和光電耦合 器反饋到 UC3842的腳,調(diào)節(jié) R1、 R2的分壓比可設(shè)定和調(diào)節(jié)輸出電壓,達(dá) 到較高的穩(wěn)壓精度。如果輸出電壓 UO 升高,集成穩(wěn)壓器 TL431的陰極到陽極 的電流增大, 使光電耦合器輸出的三極管電流增大, 即 UC3842腳對地的分流 變大, UC3842的輸出脈寬相應(yīng)變窄,輸出電壓 UO 減小。同樣如果輸出電壓 UO 減小,可通過反饋調(diào)節(jié)使之升高。 圖 2-3電壓反饋電路2.3 電壓保護(hù)電路圖 2-4所示為輸出過電壓保護(hù)電路。 穩(wěn)壓管 VS 的擊穿, 電壓稍大于輸出電 壓額定值,輸出正常時, VS

43、不導(dǎo)通,晶閘管 V 的門極電壓為零,不導(dǎo)通。當(dāng) 輸出過壓時, VS 擊穿, V 受觸發(fā)導(dǎo)通,使光電耦合器輸出三極管電流增大,通 過 UC3842控制開關(guān)管關(guān)斷。 圖 2-4輸出過電壓保護(hù)電 第三章 UC38423.1 UC3842簡介繼 MC1394、 AN5900之后, 人們又開發(fā)出功能更完善的它激單端輸出驅(qū)動 集成電路。其特點(diǎn)是除內(nèi)部 PWM 系統(tǒng)外,還設(shè)有多路保護(hù)輸入和穩(wěn)定的基準(zhǔn) 電壓發(fā)生器,同時還具有小電流啟動功能。典型的 UC3842就是其中的代表, 它功能完善,性能可靠,目前廣泛被各種普通電源采用,還被用于有源因數(shù)改 善電路和高壓升壓式開關(guān)電源中。 UC3842是美國 Unitro

44、de 公司 14生產(chǎn)的一種 高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片。UC3842為 8腳雙列直插式封裝, 其內(nèi)部原理框圖如圖 1所示。 主要由 5.0V 基準(zhǔn)電壓源、用來精確地控制占空比調(diào)定的振蕩器、降壓器、電流測定比較器、 PWM 鎖存器、高增益 E/A誤差放大器和適用于驅(qū)動功率 MOSFET 的大電流推 挽輸出電路等構(gòu)成。端 1為 COMP 端;端 2為反饋端;端 3為電流測定端;端 4接 Rt 、 Ct 確定鋸齒波頻率;端 5接地;端 6為推挽輸出端,有拉、灌電流的 能力;端 7為集成塊工作電源電壓端,可以工作在 840V ;端 8為內(nèi)部供外用 的基準(zhǔn)電壓 5V ,帶載能力 50mA

45、。3.1.1 UC3842的引腳及其功能 Vcc7VrefRt/CtVfb Comp 653圖 3-1 UC3842的引腳UC3842的引腳如圖 3-1所示 ,其中:腳為內(nèi)部誤差放大器輸出端,外接阻容元件可改善誤差放大器的增益和 頻率特性 ;腳為誤差放大器的取樣電壓輸入端,此腳電壓與誤差放大器同相端的 2.5V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,產(chǎn)生誤差電壓,而控制脈沖寬度;腳為 PWM 比較器的另一輸入端, 當(dāng)檢測電壓超過 l V時停止脈沖輸出使 電源處于間歇工作狀態(tài);腳為定時電容 CT 端,內(nèi)部振蕩器工作頻率由外接的阻容時間常數(shù)決定, f=1.8/(RT C T ;腳為接地端。腳為推挽輸出端 ,內(nèi)部為圖騰

46、柱式,上升、下降時間僅為 50ns 驅(qū)動能 力為 l A;腳為啟動 /工作電壓輸入端腳是直流電源供電端, 具有欠、 過壓鎖定功能, 芯片功耗為 15mW 。 腳 為 內(nèi) 部 5V 基 準(zhǔn) 電 壓 輸 出 端 , 有 50mA 的 負(fù) 載 能 力 。3.1.2 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)UC3842為雙列 8腳單端輸出的它激式開關(guān)電源驅(qū)動集成電路, 其內(nèi)部電路 包括振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、 PWM 鎖存電路、 5VC 基準(zhǔn)電源、 欠壓鎖定電路、圖騰柱輸出電路、輸出電路等,見圖 3-2。 圖 3-2UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(1 5v 的基準(zhǔn)電源 :內(nèi)部電源 , 經(jīng)衰減得到 2.5v 作為誤差

47、比較器的比較基準(zhǔn) . 該電源還可以提供外部 5v/50mA.(2 振蕩器 :產(chǎn)生波振蕩 .R T 接在 4RET 8腳之間 ,C T 接 4GND5之間 . 頻率 f=1.8/CT R T , 最大為 500kHz.(3 誤差放大器:由 VFB 端輸入的反饋電壓和 2.5V 做比較,誤差電壓 COMP 用于調(diào)節(jié)脈沖寬度。 Comp 端引出接外部 RC 網(wǎng)絡(luò) , 以改變增益和頻率特 性 .(4 輸出電路:圖騰柱輸出結(jié)構(gòu),電路 1A ,驅(qū)動 MOS 管及雙極型晶體 管。(5 電流取樣比較器:腳 ISENSE 用于檢測開關(guān)管電流,可以用電阻 或電流互感器采樣,當(dāng) VISENSE1V時,關(guān)閉輸出脈沖,

48、使開關(guān)管關(guān)斷。這實(shí) 際上是一個過流保護(hù)電路。(6 欠壓鎖定電路 VVLO :開通閾值 16V ,關(guān)閉閾值 10V 。具有滯回特 性。(7 PWM 鎖存電路:保證每一個控制脈沖作用不超過一個脈沖周期, 即 所謂逐脈沖控制。另外, VCC 與 GND 之間的穩(wěn)壓管用于保護(hù),防止器件損壞。3.1.3 UC3842的使用特點(diǎn)UC3842的使用方便簡單,其使用特點(diǎn)如下:(1 采用單端圖騰柱式 PWM 脈沖輸出,輸出驅(qū)動電流為 200mA ,峰值可 達(dá) 1A 。(2 啟動電壓大于 16 V, 啟動電流僅 1 mA即可進(jìn)入工作狀態(tài)。 處于正常工 作狀態(tài)時,工作電壓在 1034 V之間,負(fù)載電流為 15 mA

49、。超出此限制,開關(guān) 電源呈欠電壓或過電壓保護(hù)狀態(tài),無驅(qū)動脈沖輸出。(3 內(nèi)設(shè) 5 V(50 mA基準(zhǔn)電壓源,經(jīng) 2 1分壓后作為取樣基準(zhǔn)電壓。(4輸出電流為 200 mA ,峰值為 1 A ,既可驅(qū)動雙極型三極管也可驅(qū)動 MOSFET 管。若驅(qū)動雙極型三極管,應(yīng)加入開關(guān)管截止加速 RC 電路,同時將 內(nèi)部振蕩器的頻率限制在 40 kHz 以下。若驅(qū)動 MOSFET 管,振蕩頻率由外接 RC 電路設(shè)定,工作頻率最高可達(dá) 500 kHz。(5 內(nèi)設(shè)過流保護(hù)輸入 (3腳 和誤差放大輸入 (1腳 兩個 PWM 控制端。 誤差 放大器輸入構(gòu)成主 PWM 控制系統(tǒng), 可使負(fù)載變動在 30%100%時輸出負(fù)載調(diào) 整率在 8 %以下,負(fù)載變動在 70%100%時負(fù)載調(diào)整率在 3%以下。 (6 過流檢測輸入端可對每個脈沖進(jìn)行控制, 直接控制每個周期的脈寬, 使 輸出電壓調(diào)整率達(dá)到 0.01%/V 。如果腳電壓大于 1 V或腳電壓小于 1 V, PWM 比較器輸出高電平使鎖存器復(fù)位, 直到下一個脈沖到來時才重新置位。 利 用腳和腳的電平關(guān)系,在外電路