充電器開關電源畢業設計-文庫吧

【正文】 電容器將交流成分慮 掉，經過變壓和一系列變換，最終轉換成適合手機電池的電壓，綜合起來就是 由一個穩定電源。 2 電池充電器設計方案 內容摘要 了解電池充電器的簡單工作原理以及各原件的特性與作用； 通過動腦與動手行動來完成充電器的設計與制作； 接通電源檢測與調試電路。 設計要求 輸入電壓為 220V 交流電，輸出為 直流電。 制作目的 加強自己的動手、動腦，以及收集資料的能力，掌握線性電源充電器的工作原理，同時也對開關電源作一定的了解。 總體方案的選擇與論證 本次的設計我做的是電池充電器，之所 以選擇這個題目是因為其制作原理相對簡單之余也需要懂得相關的知識才能完成，適合我自己。這次的電池充電器題目中我也有兩個小的項目可供選擇： 線性電源：相對于開關電源，線性電源的制作比較簡單、原理明了，適合我們制作，但它有體積大、消耗高、效率低等缺點。 開關電源：對于市面上大多充電器的設計都為開關電源的，選擇它主要原因是應為其需要的技術含量相對較高，原理相對復雜，但是它具有高效率、低耗能、體積小且相對穩定的特性。 3 開關電源的設計基礎 開關電源是近年來應用非常廣泛的一種新式電源，它具有體積小、重量輕、耗能低 、使用方便等優點，在郵電通信、航空航天、儀器儀表、工業設備、醫療器械、家用電器等領域應用效果顯著。 開關電源的概念和分類 電源是將各種能源轉換成為用電設備所需電能的裝置，是所有靠電能工作的裝置的動力源泉。 開關電源的概念 電是工業的動力，是人類生活的源泉。電源是產生電的裝置，表示電源特性的參數有功率、電壓、電流、頻率等；在同一參數要求下，又有重量、體積、效率和可靠性等指標。我們用的電，一般都需要經過轉換才能適合使用的需求，例如交流轉換成直流，高電壓變成低電壓，大功率變換為小功率等。 按照電子理論，所謂 AC/DC 就是交流轉換為直流； AC/AC 稱為交流轉換為交流，即為改變頻率； DC/AC 稱為逆變； DC/DC 為直流變交流后再變直流。為了達到轉換的目的，電源變換的方法是多樣的。自 20 世紀 60年代，人們研發出了二極管、三極管半導體器件后，就用半導體器件進行轉換。所以，凡是用半導體功率器件作開關，將一種電源形態轉換成另一種形態的電路，叫做開關變換電路。在轉換時，以自動控制穩定輸出并有各種保護環節的電路，稱為開關電源（ Switching Power Supply）。 開關電源在轉換過程中，用高頻變壓 器隔離稱之為離線式開關變換器（ Offline Switching Cpnwerter），常用的 AC/DC 變換器就是離線式變換器。 開關電源通常由六大部分組成，如圖 31所示。 低 通濾 波有 源調 整一 次整 流電 子開 關高 頻 變壓 器采 樣輸 出平 滑濾 波二 次整 流脈 寬調 制基 準電 壓誤 差放 大比 較 器脈 沖驅 動輸 入 電 路 功 率 因 數 校 正功 率轉 換輸 出 電 路直 流 輸 出V0控 制 電 路頻 率 振 蕩 發 生 器交 流 輸入 電 壓2 2 0 V 圖 31 開關電源工作原理框圖 第一部分是輸入電路，它包含有低通濾波和一次整流環節。 220V 交流電直接經低通濾波和橋式整流后得到未穩壓的直流電壓 Vi，此電壓送到第二部分進行功率因數校正，其目的是提高功率因數，它的形式是保持輸入電流與輸入電壓同相。功率因數校正的方法有無源 功率因數校正和有源功率因數校正兩種。所謂有源功率因數校正（ Active Power Factor Correction， APFC），是指電源在校正過程中常采用三極管和集成電路。開關電源電路常采用有源功率因數校正。第三部分是功率轉換，它是由電子開關和高頻變壓器來完成的，是把高功率因素的直流電壓變換成受到控制的、符合設計要求的高頻方波脈沖電壓。第四部分是輸出電路，用于將高頻方波脈沖電壓經整流濾波后變成直流電壓輸出。第五部分是控制電路，輸出電壓經過分壓、采樣后于電路的基準電壓進行比較、放大。第六部分是頻率振蕩發生 器，它產生一種高頻波段信號，該信號與控制信號疊加進行脈寬調制，達到脈沖寬度可調。有了高頻振蕩才有電源變換，所以說開關電源的實質是電源變換。 高頻電子開關是電能轉換的主要手段和方法。在一個電子開關周期（ T）內，電子開關的接通時間 ont 與一個電子周期所占時間之比，叫接通占空比（ D）， D=Tton 。 斷開時間 oft 所占 T 的比例稱為斷開占空比（ D39。）， TtD o f f?39。 。開關周期是開關頻率的倒數，fT1? 。例如：一個開關電源的工作頻率是 50kHz，它的周期 sT ?202050 1 3 ??? （微秒）。很明顯，接通占空比（ D）越大，負載上的電壓越高，表明電子開關接通時間越長，此時負載感應電壓較高，工作頻率 也較高。這對于開關電源的高頻變壓器實現小型化有幫助，同時，能量傳遞的速度也快。但是，開關電源中斷開關功率管、高頻變壓器、控制集成電路以及輸入整流二極管的發熱量高、損耗大。對于不同的變換器形式，所選用的占空比大小是不一樣的。 開關電源與鐵芯變壓器電源以及其他形式的電源比較起來具有較多的優點： (1) 節能。綠色電源是開關電源中用途最為廣泛的電源，它的效率一般可以達到85%，質量好的可以達到 95%甚至更高，而鐵芯變壓器的效率只有 70%或者更低。最近歐盟和美國消費者協會統計，美國一般家用電器和工業電氣設備的單機能 源消耗指數大于92%。美國的“能源之星”對電子鎮流器、開關電源以及家用電器的效率都制定有很仔細的、非常嚴格的規章條款。 (2) 體積小，重量輕。據統計， 100W 的鐵芯變壓器的重量為 1200g 左右，體積達350cm3，而 100W 的開關電源的重量只有 250g，而且敞開式的電源更輕，體積不到鐵芯變壓器的 1/4。 (3) 開關電源具有各種保護功能，不易損壞。而其他的電源由于本身原因或使用不當，發生短路或斷路的事故較多。 (4) 改變輸出電流、電壓比較容易，且穩定、可控。 (5) 根據人們的要求，可設計出各種具有特殊 功能的電源，以滿足人們的需要。 開關電源的分類 目前開關電源的種類很多，從工作性質來分，大體上可分為“硬開關”和“軟開關”兩種。 所謂硬開關，是指電子脈沖、外加控制信號強行對電子開關進行“開”和“關”，而與電子開關自身流過的電流以及兩端施加的電壓無關。顯然，開關在接通和關斷期間是有電流、電壓存在的，因此，這種工作方式是有損耗的。但是它比其他變換電源的形式簡單的多，所以，硬開關在很多地方仍然在應用，如脈寬調制（ Pulse Width Modulation， PWM）器就屬于硬開關。目前，很多開關電源 都用 PWM 來控制。另一類叫做軟開關，電子開關在零電壓下導通，在零電流下關斷。可見，電子開關是在“零狀態”下工作的，所以，理論上它的損耗為零，對浪涌電壓、脈沖尖峰電壓的抑制能力很大，其工作頻率可以提高到 5MHz 以上，開關電源的重量和體積則可進行更大的改變。為了實現零電壓“開”和零電流“關”，我們常采用諧振的方法。 從電子理論可知道，諧振就是容抗等于感抗，總的電抗為零，電路中的電流無窮大。如果正弦波電壓加到并聯的電感回路上，這時電感上的電壓就無窮大。利用諧振電路可實現正弦波振蕩，當振蕩倒零時，電子開關導通，稱之 為零電壓導通（ Zero Voltage Switching）。同樣，流過電子開關的電流振蕩到零時，電子開關關斷，稱之為零電流關斷（ Zero Current Switching）。 總之，電子開關具有零電壓導通、零電流關斷的外部條件，這種變換器稱為準諧振變換器。它是在脈寬調制器上附加諧振網絡而形成的，固定電子開關導通時間，通過調整振蕩頻率，最終使電路產生諧振，從而獲得準諧振變換器的模式。準諧振變換器開關電源的輸出電壓不隨輸入電壓的變化而變化，它的輸出電流也不隨用電負載的變化而變化，這種開關電源的主變換器依靠 開關頻率來穩定輸出參數，我們稱之為調頻開關電源。調頻開關電源沒有脈沖調制開關電源那么容易控制，再加上準諧振電路電壓峰值高，開關所受到的應力大，目前還沒有得到廣泛應用。 DC/DC 變換類型是開關電源變換的基本類型，它通過控制開關通、斷時間的比例，用電抗器與電容器上蓄積的能量對開關波形進行微分平滑處理，從而更有效地調整脈沖的寬度及頻率。從輸入、輸出有無變壓器隔離來說， DC/DC 變換分為有變壓器隔離和沒有變壓器隔離兩類。每一類有 6 種拓撲，即降壓式（ Buck）、升壓式（ Boost）、升壓 —降壓式（ BuckBoost）、串聯式（ Cuk）、并聯式（ Sepic）以及賽達式（ Zata）。按激勵方式分，有自激式和他激式兩種。自激式包括單管式和推挽式，他激式包括調頻式（ PWF）、調寬式（ PWM）、調幅式（ PAM）和諧振式（ RSM） 4種，我們用得最多的是調寬式變換器。調寬式變換器有以下幾種：正激式（ Forward Converter）、反激式（ Feedback Converter Mode）、半橋式（ Half Bridge Converter）、全橋式（ Overall Bridge Mode）、推挽式（ Push Draw Mode）和阻塞式（ Ringing Choke Converter， RCC）等 6 種。 按諧振方式分，有串聯諧振式、并聯諧振式和串并聯諧振式；按能量傳遞方式分，有連續模式和不連續模式兩種。凡是以脈沖寬度來調制的電子開關變換器都叫 PWM 變換器。 開關電源設計中存在的問題與未來發展 開關電源中存在的問題 客觀上講，開關電源的發展是非常快的，這時因為它具有其他電源所無法比擬的優勢。材料之新、用途之廣，是它快速發展的主要動力。但是，它離人們的要求、應用的價值還差得很遠，體積、重量、效率、抗干擾能力、電 磁兼容性以及使用的安全性都不能說是十分完美。目前要解決的問題有： (1) 器件問題。電源控制集成度不高，這就影響了電源的穩定性和可靠性，同時對電源的體積和效率來說也是一個大問題。 (2) 材料問題。開關電源使用的磁芯、電解電容及整流二極管燈都很笨重，也是耗能的主要根源。 (3) 能源變換問題。按照習慣，變換有這樣幾種形式： AC/DC 變換、 DC/AC 變換以及 DC/DC 變換等。實現這些變換都是以頻率為基礎，以改變電壓為目的，工藝復雜，控制難度大，始終難以形成大規模生產。 (4) 軟件問題。開關電源的軟件開發目前 只是剛剛起步，例如軟開關，雖然它的損耗低，但難以實現高頻化和小型化。要做到“軟開關”并實行程序化，更是有一定的困難。要真正做到功率轉換、功率因數改善、全程自動檢測控制實現軟件操作，目前還存在很大的差距。 (5) 生產工藝問題。往往在試驗室中能達到相關的技術標準，但在生產上會出現各種問題。這些問題大多是焊接問題和元器件技術性能問題，還有生產工藝上的檢測、老化、粘結、環境等方面的因素。 開關電源的發展趨勢 未來的開關電源像一只茶杯的蓋子：它的工作頻高達 2~10MHz，效率達到 95%，功率密度為 3~6W/cm2，功率因數