開關電源設計

1、2014電子競賽培訓陜西師范大學物理學院信息技術學院開關穩(wěn)壓電源的設計與制作辛云宏陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓2007國賽：設計并制作如下圖所示的開關穩(wěn)壓電源。陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓在電阻負載條件下，使電源滿足下述要求： 1 1基本要求： 輸出電壓UO可調范圍：30V36V；最大輸出電流IOmax：2A；U2從15V變到21V時，電壓調整率SU2%（IO=2A）；IO從0變到2A時，負載調整率SI5%（U2=18V）；輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP1V（U2=18V, UO=36V, IO=2A）；DC-DC變換器的效率70%（U2=18

2、V,UO=36V,IO=2A）；具有過流保護功能，動作電流IO（th）=2.50.2A；陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓2 2發(fā)揮部分發(fā)揮部分進一步提高電壓調整率，使SU0.2%（IO=2A）；進一步提高負載調整率，使SI0.5%（U2=18V）；進一步提高效率，使效率 85%（U2=18V, UO=36V, IO=2A）；排除過流故障后，電源能自動恢復為正常狀態(tài)；能對輸出電壓進行鍵盤設定和步進調整，步進值1V，同時具有輸出電壓、電流的測量和數(shù)字顯示功能。陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓電源簡介電源簡介由于線性調節(jié)器式直流穩(wěn)壓電源，存在諸多缺點，如體積大

3、，很難小型化、損耗大、效率低、輸出與輸入之間有公共端，不易實現(xiàn)隔離，只能降壓，不能升壓，很難在輸出大于5A的場合應用。因此開關電源得到廣泛利用，凡采用半導體功率開關器件作為開關管，通過對開關管的高頻開通與關斷控制，將一種電能形態(tài)轉換成另一種電能形態(tài)的裝置，叫做開關轉換器。以開關轉換器為主要組成部分，用閉環(huán)自動控制來穩(wěn)定輸出電壓，并在電路中加入保護環(huán)節(jié)的電源，叫做開關電源。開關電源組要組成部分是DC-DC功率變換器功率變換器，因為它是轉換的核心。高頻開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。分類多，應用廣。開關電源參數(shù)有額定輸出電壓、額定輸出電壓、額定輸出電流、輸出電壓的穩(wěn)

4、定范圍，輸出電流的變化范圍和輸額定輸出電流、輸出電壓的穩(wěn)定范圍，輸出電流的變化范圍和輸出電壓的紋波出電壓的紋波。開關電源應具有輸出過壓、欠壓、過流和過熱保開關電源應具有輸出過壓、欠壓、過流和過熱保護功能，還應具有較高的電能轉換效率、低的轉換損耗、低的噪護功能，還應具有較高的電能轉換效率、低的轉換損耗、低的噪聲、好的電磁兼容和絕緣性等聲、好的電磁兼容和絕緣性等。陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓直流電源(DC/DC)變換器按其輸入與輸出是否進行電氣上隔離，可分非隔離式變換器電路和隔離式變換器電路。兩者除了均有變壓功能外，后者還有輸入電量與輸出電量在電氣上的隔離，以滿足某些場合的

5、需要。在非隔離式變換器中，有降壓型變換器、升壓型變換器、電壓極性反轉型變換器的電路結構。在隔離式變換器中，應用雙極型晶體管作為開關且開關管自身起著振蕩元器件作為的自激式變換器與他激PWM變換器。自激式變換器主要是RCC變換器和Reyer變換器，他激式變換器主要有單端反激式、單端正激式、推挽、半橋、全橋變換電路結構。陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓非隔離式變換器降壓型（Buck）變換器降壓型（Buck）變換器原圖降壓型（Buck）變換器將輸入的直流電壓轉換成脈沖電壓，再將脈沖電壓經LC濾波轉換成直流電壓。輸入電壓Uin是未經穩(wěn)壓直流電壓；晶體VT1為調整管，即開關管UB為矩形

6、波是控制開關管的工作狀態(tài)；電感L與電容C組成濾波電路，而VD1為續(xù)流二極管。陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓a） VT1導通等效電路圖(b) VT1關斷等效電路圖（c）VT1關斷后電流為零等效電路圖降壓型變換器有兩種基本工作方式，一種是電感電流處于連續(xù)的工作模式；一種是電感電流處于斷續(xù)的工作模式，還有一種是電感電流處于臨界連續(xù)模式；陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓非隔離式變換器升壓型（Boost）變換器 主電路由串聯(lián)在回路中的儲能電感L1，開關管VT1及整流二極管VD1、濾波電容C1。它是一種可以獲得輸出電壓高于輸入電壓的DCDC變換器。升壓型（Boos

7、t）變換器原理圖陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓有兩種基本工作方式：電感電流連續(xù)工作模式和電感電流斷續(xù)工作模式。（c）T1 關斷電感電流為零（a） VT1導通等效電路 （b）VT1 截止等效電路陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓非隔離式變換器極性反轉型 (BuckBoost)變換器 主電路所用元器件與Buck、Boost變換器相同，由開關管VT1、儲能電感L1、整流二極管VD1及濾波電容C1等元器件組成。這種電路具有Buck變換器降壓與Boost變換器升壓的雙重作用。升壓還是降壓取決于PWM驅動脈沖的占空比D.極性反轉型 (BuckBoost)變換器原理圖

8、陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓 （c）VT1關斷時電感電流為0效電路圖(b)VT1截止等效電圖（a）VT1導通等效電路圖 陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓非隔離式變換器 CukCuk變換器變換器 Cuk變換器是BuckBoost串聯(lián)變換器它是針對BuckBoost升降壓變換器存在輸入電流和輸出電流脈動值大的缺點。主要電路如下圖所示，它由開關管VT1、儲能電容器C1、輸入儲能電感L1、輸出儲能電感L2、續(xù)流二極管VD1及輸出濾波電容器C2等元器件組成，開關管VT1由PWM驅動電路控制的，二極管VD1將輸入回路和輸出回路分開，左半部分是輸入回路，右半部分是

9、輸出回路。 Cuk變換器原理圖陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓 (b) VT1截止等效電路圖 （a）VT1導通等效電路 （c) 電流斷續(xù)等效電路圖陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓芯片介紹 MC34063, AZ34063 The AZ34063A is a monolithic switching regulator control circuit which contains the primary functions required for DC-DC converters. This device consists of internal tem

10、perature compensated reference, voltage comparator, controlled duty cycle oscillator with active current limit circuit, driver and high current output switch. The AZ34063A is specifically designed as a general DC-DC converter to be used in Step-Down, Step-Up and Voltage-Inverting applications with a

11、 minimum number of external components. The AZ34063A is available in 2 packages: SOIC-8 and DIP-8.Features Operation from 3.0V to 36V Input Low Standby Current Current Limiting Output Switch Current to 1.5A Output Voltage Adjustable Operation Frequency up to 180KHz Precision 2% Reference陜西師范大學物理學院信息

12、技術學院2014電子競賽培訓隔離式變換器推挽變換器推挽變換器 推挽變換器是一種相當兩個正激變換器的組合。它由逆變器（DC-AC）和高頻整流濾波電路（AC-DC）兩部分主電路及控制驅動電路組成。推挽變換器電路原理圖如下：推挽變換器原理圖陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓推挽式升壓原理：推挽式升壓原理： 根據變壓器得變壓比：根據變壓器得變壓比：變壓器兩組線圈圈數(shù)分別為N1和N2，N1為初級，N2為次級，在初級線圈上加一交流電壓，在次級線圈兩端就會產生感應電動勢，當N2N1時，其感應電動勢要比初級所加得電壓還要高，這種變壓器稱為升壓變壓器；當N2N1時，為降壓變壓器。這種電路結構特

13、點是：這種電路結構特點是：對稱性結構，脈沖變壓器原邊是兩個對稱線圈，兩只開關管接成對稱關系，輪流通斷。優(yōu)點：優(yōu)點：高頻變壓器磁芯利用率高、輸出功率大、驅動電路簡單.陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓DC-DC DC-DC 變換器的實際電路結構變換器的實際電路結構陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓器件的選擇：器件的選擇：控制芯片： KA3525, SG3525, TL494開關管： IRF640，IFR540 系列 MOS 場效應管；IRF640, 18A, 200V，Rds (on) =0.180歐，所以不

14、會擊穿同時導通損耗也比較小。陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓 選用臺灣KA3525 PWM調變IC來作此推挽式轉換的控制IC，此IC具有振蕩器，利用改變RT與CT之值，就可以設定PWM的切換頻率；此外尚有兩組PWM輸出、軟啟動及完全截止的功能。 KA3525采用電壓模式控制方法。占空比為0-100%，考慮到死區(qū)時間，最大占空比通常為90-95%。其采用分頻器，可以得到兩路互補的占空比分別為0-50%的PWM信號，同樣，考慮到死區(qū)時間的存在，最大占空比通常為45%-47.5%。這樣的PWM信號試用于半橋、全橋、推挽等雙端電路的控制。 陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電

15、子競賽培訓KA3525內部結構陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓引腳功能。軟啟動： 由于次級通常有大濾波電容，所以開關電源在啟動時不以額定功率啟動，否則相當于短路。因此，只能小電流充滿大濾波電容以后再正常工作。這就是軟啟動。KA3525自帶軟啟動功能，在第8腳處接5uF電容，充電完成后再振蕩。陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓設定開關管工作頻率為50KHz，初級采用抽頭的形式根據法拉第定律,取原線圈為4匝+4匝。設原邊最小輸入電壓為16V，副邊最大輸出電壓為42V，所以原副匝比2:6，副線圈為12匝。實際上由于繞制變壓器工藝的限制，我們的變壓器的原邊線圈是以

16、繞滿一層為止，前提是匝數(shù)不小于4，副線圈的匝數(shù)按匝數(shù)比來繞制. 骨架的選擇應選用高頻變壓器骨架，目前常使用的有金屬錳鋅鎂銅等，繞制時應使初、次級線圈緊密地耦合在一起，這樣可以減少變壓器漏感，因為如果漏感過大，將會造成較大的尖峰脈沖，從而擊穿開關管。因此在繞制高頻變壓器線圈時，應盡量使初、次級線圈之間的距離近些。漆包線線徑的選擇，要使電流大，那么線徑要大，但過大會產生趨膚效應，使電流減小。所以可以多組并繞。包膠帶變壓器設計繞制陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓前級電路陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓設定與穩(wěn)壓開環(huán)穩(wěn)壓 通過改變輸出PWM波的占空比，來調節(jié)輸出

17、電壓的大??；在實際電路中，DA設定值接在誤差放大器的同相輸入端上，設定輸出電壓，輸出電壓的采樣電壓加在誤差放大器的反相輸入端上實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)。當輸出電壓因輸入電壓的升高或負載的變化而升高時，誤差放大器的輸出將減小，這將導致PWM比較器輸出為正的時間變長，PWM瑣存器輸出高電平的時間也變長，因此輸出晶體管的導通時間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。 緩沖電路輸出電壓有較大尖峰，這是由于開關管的高頻開關造成的，尤其是關斷時，由于電路有寄生電感，瞬間電路的切斷會在電感兩端出現(xiàn)沖擊電壓，因此對開關管加緩沖電路，并上R、C改善關斷性能。驅動問題陜西師范大學物理學院信息技術學院201

18、4電子競賽培訓后級電路陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓輸出為全橋整流，四個整流二極管均并上R、C，因為當輸入停止的時候，會有反動電動勢；在輸出端接上加假負載,如圖R19和R20組成。因為負載開路時，輸入電感照常周期性地不斷儲能和釋放能量，而能量沒有被負載消耗，電容將持續(xù)升高即多余的能量都存儲到電容極板間，很快導致電容擊穿。因此接上假負載，也就說，當檢測到電源處于空載轉態(tài)時，自動投入一個輕負載，這個負載電阻值較大，即能維持輸出電壓為給定值、本身功率損耗又較小。陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓過流保護電路 當電路輸出電流過大，或者負載短路時，將對負載造成傷害

19、，因此過流保護是必須的。 陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓 我們把電流信號轉換成電壓信號放大后，經電壓比較器比較。其中采樣電阻為康銅絲或大功率低阻值電阻，所采集的電流信號經放大后，輸出比較器的同相輸入端，當負載過流時候，比較器輸出高電平 。Shutdown（引腳10）上的信號為高電平，PWM瑣存器將立即動作，禁止KA3525的輸出，對電路及負載起了保護作用，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關斷信號結束，才重新進入軟啟動過程。過流保護電路陜西師范大學物理學院信息技術學院2014電子競賽培訓注意:在每個模塊都能正常工作的情況下，整機連調的時候會出現(xiàn)“共地”問題，導致整機會有一個100Hz的工頻